2.1 GHz频段5G NR FDD与MSS系统共存研究

刘吉凤，周 瑶，张忠皓（中国联通研究院，北京 100048）

1 概述

随着5G 网络的不断壮大以及国内通信业的不断发展，迫切需求在中频段重耕部署NR（New Ra⁃dio）FDD 系 统，NR FDD 和MSS（Mobile Satellite Ser⁃vice）将在2.1 GHz 频段长期邻频共存。本文研究了2.1 GHz 频段NR FDD 系统与MSS 系统邻频共存时系统间干扰造成的性能损失，并给出相关建议，具有重要的理论价值和现实意义。

2 NR FDD系统与MSS系统共存场景

根据目前我国频率划分和使用情况，在2.1 GHz频段部署NR FDD系统，则NR FDD与MSS系统在该频段邻频共存，如图1 所示。2 个系统的干扰链路共有4个场景，包括NR FDD 基站干扰MSS 终端、NR FDD 终端干扰MSS 基站、MSS 基站干扰NR FDD 终端、MSS 终端干扰NR FDD基站。

图1 NR FDD与MSS邻频共存

3 系统建模和仿真方法

3.1 拓扑结构

3.1.1 NR FDD单系统宏蜂窝拓扑结构

使用宏蜂窝进行部署，采用3 扇区拓扑结构。拓扑结构如图2所示。

图2 NR FDD宏蜂窝拓扑

3.1.2 MSS/NR宏蜂窝共存拓扑结构

MSS 与NR FDD 宏蜂窝共存时，采用7 色频率复用。GEO 卫星波束采用宏蜂窝结构。NR FDD 基站在一个波束的覆盖区域中的分布情况，视不同研究角度有所差异。

3.1.2.1 NR FDD终端干扰MSS卫星

地空等大面积共存研究场景下，考虑江河湖泊、森林、沙漠等的覆盖，NR 基站和终端的部署密度存在差异。WP5D 给出了大面积场景下的部署密度Dl计算公式。

式中：

N——MSS波束内基站部署数量

Dl——部署密度

A——波束覆盖面积

Ds——基站密度

Ra——热点覆盖面积占建成区比例（%）

Rb——建成区占整个区域比例（%）

结合国家统计局关于建成区占比统计数据和建成区热点覆盖面积占比，Ra取20%，Rb取28%。

MSS卫星在地球上的入射角的中心指向区域正中心，向外共生成NR 基站，NR 基站拓扑结构见图2。NR FDD终端干扰MSS卫星拓扑结构如图3所示。

图3 NR FDD宏蜂窝对MSS卫星集总干扰

3.1.2.2 MSS卫星干扰NR FDD终端

以MSS 卫星波束中心指向为中心，生成NR 基站，MES（Mobile Earth Station）用户和NR 用户按照各自系统定义方式进行撒点，统计卫星波束下满MES 用户对NR 终端的干扰。MSS 卫星干扰NR FDD 终端拓扑结构如图4所示。

图4 MSS卫星干扰NR FDD宏蜂窝下行场景示意图

3.1.2.3 MSS终端干扰NR FDD基站

MSS 卫星干扰NR FDD 终端的拓扑结构与MSS 卫星干扰NR FDD终端相同，具体见图4。

3.1.2.4 NR FDD基站干扰MSS终端

以每个MES 位置为中心同时结合随机偏移量，生成NR 基站，MES 用户和NR 用户按照各自系统定义方式进行撒点，统计生成基站内NR 用户对MES 终端的影响。NR FDD 基站干扰MSS 终端拓扑结构如图5 所示。

图5 NR FDD宏蜂窝干扰MSS卫星下行场景示意图

3.2 传播模型

3.2.1 地面链路

基站与用户的传播模型可用如下公式计算：

式中：

f——载波频率（MHz）

d——基站与用户间距离（km）

hb——基站与平均建筑物的高度差，通常取15 m同时，考虑10 dB 标准差的阴影衰落系数lgF，那么最终的传输损耗模型定义如下：

另外，传输损耗都不应小于自由空间传播模型，即：

3.2.2 卫星链路

由于手持终端（MES）与卫星之间的链路受地形或特定障碍等因素的影响小，信号主要在大气中传播，所以卫星链路路损模型考虑自由空间损耗、去极化衰减，以及地物损耗。地物损耗模型参考ITU-R P.2108的Height gain terminal correction model。

3.3 NR功率控制

下行链路无需使用功率控制，基站满功率发射，给每个RB分配相同的功率。

上行传输功率控制模型，采取计算出控制功率并补偿到发射功率上的方法。终端的发射功率如下：

式中：

Pmax——移动台最大发射功率

Rmin——与用户最小发射功率有关的参数

CL——路径耦合损耗，定义为max{pathloss -G_Tx -G_Rx,MCL }。其中pathloss是传播损耗加上阴影衰落，G_Tx为接收机方向上的发射机天线增益，G_Rx为发射机方向上的接收机天线增益。功率控制参数如表1所示。

表1 功率控制算法参数

3.4 仿真参数

3.4.1 基本参数

宏蜂窝基本参数如表2所示。

表2 宏蜂窝基本参数

3.4.2 NR FDD宏蜂窝系统参数

NON AAS（Non Active Antenna System）NR FDD 宏蜂窝系统参数见表3，AAS（Active Antenna System）NR FDD宏蜂窝系统参数见表4。

表3 NR FDD NON AAS宏蜂窝系统参数

表4 NR FDD-AAS宏蜂窝系统参数

3.4.3 MSS系统参数

MSS系统卫星参数见表5，MSS系统卫星终端参数见表6。

表5 MSS系统卫星参数

表6 表MSS系统MES参数

4 系统间干扰衡量

系统间邻频干扰是由发射机和接收机的非线性引起，可以用ACIR（Adjacent Channel Interference Ra⁃tio）衡量：。被干扰用户的系统间干扰大小可以用干扰用户的发射功率、干扰用户到被干扰系统路损、收发天线增益以及ACIR计算获得。

式中：

j——干扰小区索引，j=1 toNcell

k——干扰小区内的用户索引，k=1 toK

Pj,k——干扰小区j干扰用户k的发射功率

CLj,k——干扰小区j干扰用户k到被干扰系统的路径耦合损耗

其中，上行链路的ACIR 由终端的ACLR（Adjacent Channel Leakage power Ratio）决定。下行链路的ACIR由终端的ACS（Adjacent Channel Slectivity）决定。对于MSS 卫星干扰NR FDD 终端场景，本文同时考虑了NR FDD终端ACS和MSS卫星的ACLR。

5 系统仿真结果和分析

5.1 NR FDD基站干扰MSS终端

图6 为NR FDD NON AAS 基站、NR FDD AAS 基站干扰手持及车载MES 场景下的仿真结果，当额外ACIR 为0 dB 时，NR FDD 与MSS 共存时MES 的I/N 统计数据见表7。

表7 手持及车载MES终端I/N统计值

图6 NR FDD NON AAS基站干扰手持及车载MES

以I/N-12.2 dB 作为MSS 业务系统共存的评估标准，可以看出：NR FDD 基站干扰MSS 终端场景在定义的理论ACIR 值下共存，需要额外的隔离度。NR Non-AAS 基站干扰手持MES 终端时，需44 dB 额外隔离度；NR Non-AAS 基站干扰车载MES终端时，需额外50 dB额外隔离度；NR AAS 基站干扰手持MES 终端时，需42 dB 额外隔离度；NR AAS 基站干扰车载MES 终端时，需48 dB额外隔离度。

同时可以看出：NR FDD 基站干扰MSS 终端场景下，车载MES 受到的干扰要大于手持终端，主要由于车载终端的天线增益和天线方向图与手持终端不同所致，还可以看出，AAS 基站相比Non-AAS 基站产生的干扰要低（由于AAS 采用波束赋形带来的好处），且随着天线维度的增加干扰减小。

5.2 NR FDD终端干扰MSS卫星

图7 为NON AAS、AAS 下NR FDD 终端干扰MSS卫星场景下的仿真结果，当额外ACIR 为0 dB 时，NR FDD与MSS共存时MSS卫星的I/N统计数据见表8。

表8 MSS手持及车载终端I/N统计值

图7 NR FDD NON AAS 终端干扰MSS卫星

以I/N-12.2 dB 作为MSS 业务系统共存的评估标准，可以看出：NR FDD 终端干扰MSS 卫星场景在定义的理论ACIR 值下可以实现共存，不需要额外的隔离度。

同时可以看出：在同一种NR FDD 功控参数下，AAS 基站下相比Non-AAS 基站下终端产生的干扰低，是由于AAS 系统的接收天线增益较大而大大降低NR FDD 终端发射功率。还可以看出，相同天线系统下，NR FDD 功控参数取set2 时卫星系统平均干扰小于取set1时的平均干扰，原因在于根据NR FDD上行功控公式，NR FDD 终端在功控参数set1下的发射功率比set2下的大，对卫星系统造成的干扰也较大。

5.3 MSS卫星干扰NR FDD终端

图8 为MSS 卫星干扰NR FDD 终端场景下的仿真结果，当额外ACIR 为0 dB 时，NR FDD 与MSS 共存时NR FDD 终端吞吐率损失为4×10-6%左右。以5%吞吐率损失作为NR 业务系统共存的评估标准，可以看出：MSS 卫星干扰NR 终端场景在定义的理论ACIR 值下可以实现共存，不需要额外的隔离度。同时可以看出，MSS 卫星干扰NR FDD 终端场景下，AAS 基站下与Non-AAS 基站下终端的吞吐量损失差异并不大，这是由AAS和Non-AAS下系统间干扰一致所致。

图8 MSS卫星干扰NR FDD终端

5.4 MSS终端干扰NR FDD基站

图9、图10 分别为MES 手持、车载终端干扰NR FDD 基站场景下的仿真结果，当额外ACIR 为0 dB 时，NR FDD 与MSS 共存时NF FDD 基站吞吐率损失在0.5%以下。以5%吞吐率损失作为NR 业务系统共存的评估标准，可以看出：MSS 终端干扰NR FDD 基站场景在定义的理论ACIR 值下可以实现共存，不需要额外的隔离度。

图9 MES手持终端干扰NR FDD基站

图10 MES车载终端干扰NR FDD基站

同时可以看出：在同一种NR FDD 功控参数和同一款MES终端下，AAS基站相比Non-AAS基站的吞吐量损失低，是由AAS 系统大规模天线的干扰抑制作用引起。另外，相同天线系统和同一款MES 终端下，NR FDD功控参数取set1时基站的吞吐率损失小于取set2时的吞吐率损失，原因在于NR FDD 终端在功控参数set1 下的发射功率比set2 下的大，抗干扰能力也强。还可以看出，在同一种NR FDD 功控参数和相同天线系统下，手持MES终端相比车载MES终端引起的吞吐率损失小，主要由于车载MES 终端的发射功率和天线增益均较高，产生的干扰较大。

6 干扰隔离措施及分析建议

4 个干扰场景的仿真研究表明，NR FDD 基站干扰MES 终端场景的干扰较大，其他场景均满足共存要求，不需要额外保护措施。

6.1 常见干扰隔离措施

在网络规划和建设的过程中，从工程的角度采用一些优化办法改善无线干扰问题。这些方法主要有：增加频率保护带、提高滤波器精度、设备参数限制、优化天线安装等。

6.1.1 增加频率保护带

增加频率保护带解决方案就是通过频率规划，使得干扰系统的发射频段和被干扰系统的接收频段在频域上得到一定的隔离。随着隔离的增大，干扰系统发射机信号落入被干扰接收机接收带宽内的分量减小，同时接收机接收滤波器对干扰系统发射信号的衰落加大，因此系统间干扰减小。适当的频率保护带可以有效缓解邻频干扰问题。但另一方面，由于频率资源的稀缺以及发射、接收滤波器频率响应特性的不同，使用保护带时也应综合考虑其他干扰解决方案，尽量减少保护带宽。

6.1.2 提高滤波器精度

提高滤波器精度解决方案即在原有设备的无线收发系统的基础上，通过使用高精度滤波器来进一步提高发射机或接收机的滤波特性，达到系统间共存所需的隔离度。提高MES 终端接收滤波器特性可以降低来自5G系统的阻塞干扰，是有效解决干扰的途径之一。

6.1.3 设备参数限制

设备参数限制是规定足够的设备指标来保证收发频率相邻的共存问题，主要有严格限制5G NR 基站设备的带外辐射指标、MES 终端的抗阻塞干扰指标等。这是国家无线电监管机构在具体频段规划后进行的设备限制。

6.1.4 优化天线安装

优化天线安装方案包括天线倾角、天线背板屏蔽等，通过采取一些优化措施，提高天线间的耦合损失，降低干扰。

a）天线下倾：通过调整基站的天线倾角可以缩减5G NR 基站的覆盖范围，减小5G NR 基站对MES 终端干扰概率。

b）天线背板屏蔽：5G NR 天线背板屏蔽是一种降低5G NR 系统对MES 终端的干扰的工程措施。考虑到所需的天线辐射覆盖范围和天线部署位置，可以通过在5G NR天线增加背板来降低对MES的干扰。

6.2 5G NR与MSS共存干扰规避措施建议

综上，将2.1 GHz 频段规划用于5G NR 系统，可以通过规范5G NR 系统射频技术指标、提高MES 接收机滤波特性实现5G NR 系统与MSS 业务的兼容共存。另外，设计IMT（International Mobile Telecommunica⁃tion）与MSS 双模终端根据干扰自适应切换模式以保障用户使用，当MSS 模式受到地面干扰无法使用时切换到IMT 模式正常使用，当IMT 模型无法正常通信时切换到MSS模型正常使用。

7 结论

本文研究了2.1 GHz 频段5G NR FDD 与MSS 的系统共存，基于仿真数据，通过一定的干扰规避措施可以实现5G NR FDD 与MSS 的系统共存。2.1 GHz 频段是IMT 理想频段，部署NR FDD 系统将进一步促进我国5G通信业发展。