5G 频段IMT 与卫星系统干扰共存链路计算分析

阎庚耀，朱 旭

（黑龙江工商学院，黑龙江 哈尔滨）

引言

在部署地面IMT 系统时，当IMT 小基站数量达到一定程度后，会对卫星带来明显的集总干扰，导致卫星通信质量降低。因此，为了保证卫星业务的正常开展，需要开展IMT 系统与卫星系统的干扰共存分析，只有当IMT 系统对卫星造成的干扰不影响卫星业务正常开展，说明两者可以共存。因此，在确定5G 重点候选频段时，必须要对IMT 与卫星系统的干扰共存链路进行计算分析，从而保证5G 地面基站部署的科学性。

1 5G 频段IMT 与卫星系统的兼容性分析

1.1 IMT 系统分析

IMT（国际移动通信）代表了移动通信技术的标准方案，IMT-2000 对应了第三代移动通信技术（即3G）的标准方案；相应的，IMT-Advanced 为4G 标准方案，随着5G 技术的成熟，国际电联无线电通信部门（ITUR）正式将IMT-2020 定为5G 标准方案。相比于前一代，IMT-2020 系统在带宽、发射功率、馈线损耗、基站激活率等参数上均有优化，例如带宽从360 MHz 拓展到480 MHz，基站激活率从35%升高到50%。IMT-2020 系统的天线模型有2 种基本类型：一种是全向天线模型，适用于25～30 GHz 频段IMT 小基站，其特点是将发射功率集中在特定方向，以获得最高功率和最大增益；除了该方向外，其他方向上的增益由天线仰角决定[1]。当天线仰角的区间为[-90°,90°]时，该模型的增益计算公式如下：

式中：G(θ)表示全向天线增益；G0表示特定方向上的最大增益，这里取5 dBi；θ 表示天线仰角，区间为-90°～90°；θ3表示波束宽度，根据上式可以绘制全向天线的方向图，如图1 所示。

图1 直角坐标系下天线方向图

由图1 可知，当θ 值为0 时，该模型有最大增益，此时小基站将会对卫星系统产生严重干扰。另一种是波束成形天线模型，适用于18～24.5 GHz 频段IMT 小基站，由4 列10 行的天线阵列组成，其特点是阵列天线的增益可叠加，该模型的增益计算公式为：

式中：AE,H(β)和AE,V(θ)分别表示阵列天线在横向和纵向上的增益，β 和θ 均为天线方位角，前者的活动区间为[-180°,180°]，后者的活动区间为[0,180°]；Am表示阵列天线的前后比，这里以30 dB 计；β3和θ3表示在横向和竖向上3 dB 波束带宽；Gmax表示最大增益，这里以10 dBi 计。根据上式可以绘制全向天线的方向图，如图2 所示。

图2 IMT 波束成形天线横增益图

由图2 可知，当θ 值为0 时，天线在纵向上的增益最大；同样的，当β 值为0 时，天线在横向上的增益最大。

1.2 卫星系统分析

1.2.1 对地静止轨道卫星系统

对地静止轨道卫星可支持卫星固定业务，对应的是25 GHz～30 GHz 频段。按照组网方式可以将卫星固定业务分为若干种类型，例如以语音通信为主的单点通信系统，以数据分发为主的分发系统，以骨干节点数据备份为主的MCPC 系统等；按照传输速率可以将卫星固定业务分为两种类型，分别是以语音、低速数据为主的“窄带”和以流媒体、互联网、大数据为主的“宽带”[2]。对地静止轨道卫星接收参数如下：工作频段，25 GHz～30 GHz；工作带宽，480 MHz；天线增益，36 dBi；噪声温度，540 K；卫星高度，35 786 km。

1.2.2 数据中继卫星系统

为了进一步提高轨道覆盖率（最高可达100%），中继卫星系统中包含了若干颗分布于不同轨道的卫星，可支持卫星间业务，对应的是18～24.5 GHz 频段。数据中继卫星系统可发挥“纽带”作用，将航天器与地球站联系起来，实现超远程通信，该系统能避免外太空电磁干扰，保证数据实时传输，兼有良好的经济效益和实用价值[3]。数据中继卫星接收参数如下：工作频段，18～24.5 GHz；工作带宽，600 MHz；天线增益，58.0 dBi；噪声温度，1 000 K；卫星高度，根据地面基站天线仰角的变化而变化，范围4×104～10×104km 不等。

1.3 IMT 与卫星系统兼容性研究

IMT 系统通常以小基站的形式安装在通信需求较大、人口流量较高的城市中心，具有大带宽、高容量的特点。IMT 小基站在运行过程中可能对卫星系统产生干扰，导致数据质量下降，如何保证两者之间的兼容性成为研究重点。根据干扰产生原因的不同，可以将其分为2 种类型，即单点干扰与集总干扰，前者产生的影响可以忽略，后者产生的影响取决于基站数量，基站越多则集总干扰越明显[4]。只有当IMT 系统对卫星系统的集总干扰在合理范围内，两者才具有兼容性。

2 5G 频段IMT 与卫星系统干扰共存链路计算

2.1 链路计算分析方法

现阶段常用的干扰共存研究方法有确定性分析法、仿真测试法等若干种。其中，根据测试原理的不同，又可将仿真测试法分为2 种：一种是链路级仿真，采用“点到点”的方式建立一条无线链路；另一种是系统级仿真，采用“一对多”的方式建立多条链路。本研究选择仿真测试法对IMT 系统与卫星系统之间的干扰展开分析。

2.1.1 单点干扰

单点干扰是指地面上部署的任意一台IMT 小基站对卫星产生的干扰。卫星接收到的IMT 干扰功率可通过下式求得：

式中：P 表示接收到的干扰功率；P1表示IMT 小基站发射功率；G1(θ)表示发射装置的天线增益；G2表示接收装置的天线增益；Q 表示路径损耗；L 表示馈线损耗；L1表示降雨衰减；L2表示极化损耗；C 表示地物损耗。根据上式求得的P 值较小，通常情况下不会对卫星各项功能的实现产生明显影响。

2.1.2 集总干扰

集总干扰是指卫星覆盖范围内所有的IMT 小基站对卫星产生的干扰，在IMT 系统部署较为密集的情况下，这些干扰可以叠加。基于此，要想精确计算出集总干扰功率，首先要掌握地面上能够对卫星产生干扰的IMT 小基站的具体数量，以及这些小基站的具体分布位置。在实际中，IMT 小基站的分布受到多方面因素（如地形、海拔等）的影响，其分布往往没有明显的规律，计算难度较大。本研究为了降低研究难度，设定了以下理想条件：（1）卫星覆盖区域是规则形状；（2）卫星覆盖区域内IMT 小基站为均匀分布；（3）任意一个IMT 小基站对卫星产生的干扰是相同的[5]。在上述限定条件下，假设卫星覆盖区域内共有n 个IMT 小基站，则集总干扰功率的计算公式为：

式中：P1表示集总干扰功率；P 表示单点干扰功率。通过上式分别求得最大干扰功率Pmax和集总干扰功率P1，并对比两项数值的大小。若存在“P1＜Pmax”，则该频段地面部署的IMT 小基站对卫星固定业务上行产生的干扰不影响共存；反之，若存在“P1＞Pmax”，则干扰影响共存。

2.2 IMT 与卫星系统干扰共存研究

2.2.1 链路计算分析

这里以IMT-2020 全向天线为例，结合其参数使用上文所述的集总干扰计算方法，求出25 GHz～30 GHz 频段内IMT 系统与卫星系统的仿真参数。天线参数如下：

（1）天线高度，6 m。

（2）系统带宽，600 MHz。

（3）发射功率，24 dBm。

（4）馈线损耗，-3 dB。

（5）基站激活率，50%。

除了上述参数外，根据地区实际情况将降雨衰减设定为20 dB，卫星覆盖面积3×106km2，IMT 小基站数量设定为228 000 个。利用上述参数分别求得了IMT 发射端和卫星接收端在不同水平仰角下的仿真参数，见表1、表2。

表1 IMT 系统（发射端）仿真参数

表2 卫星系统（接收端）仿真参数

由表2 的计算结果可知，无论天线的水平仰角在10°～90°之间如何变化，集总干扰总是小于最大干扰，符合P1＜Pmax，说明IMT 小基站对卫星系统产生的干扰不影响共存。

2.2.2 干扰共存分析

大量研究表明，降雨衰减对IMT 与卫星系统之间的相互干扰会产生较为明显的影响。本研究在研究两种系统之间的干扰共存情况时，设置了对照试验，分别探究了考虑降雨衰减和不考虑降雨衰减条件下，干扰余量与天线仰角之间的对应关系，结果如图3 所示。

图3 不同仰角下的干扰余量变化

图3 中，当干扰余量大于0 时，说明IMT 小基站的集总干扰在卫星系统的抗干扰阈值以内；反之，若干扰余量小于0，表示IMT 小基站的集总干扰超过了卫星系统的抗干扰阈值。结合图3 中的两条曲线可知，在考虑降雨衰减的情况下干扰余量更高，并且在天线仰角为40°时达到最大值，此时干扰余量为36 dB；在不考虑降雨衰减的情况下，同角度下干扰余量仅为15 dB；从整体上看，两种情况下干扰余量随天线仰角增加的变化规律基本一致。

分析其原因，在链路预算分析中如果考虑降雨衰减，此时IMT 系统中发射机发出的信号在传播过程中会随着传播路径的增加，衰减也会同步加大，相应的对卫星产生的干扰会被削弱。同理可得，在不考虑降雨衰减时，信号在传播过程中的衰减较小，卫星系统所受干扰相对明显。由于25 GHz～30 GHz 属于高频段，降雨衰减对毫米波传播的影响明显，在干扰共存分析中必须要考虑降雨衰减。此时IMT 对卫星的干扰在允许范围之内，因此高频段IMT 系统与卫星系统的共存是可行的。

结束语

进入5G 时代，频谱资源的重要性得到了进一步的凸显。相比于广电网络业务较多的低频段，25 GHz以上的高频段主要开展卫星系统业务，频率资源相对充裕，成为5G 重点候选频段。根据IMT 与卫星系统干扰共存链路计算结果，合理部署地面基站，确保IMT集总干扰低于卫星的抗干扰阈值，才能使卫星系统业务正常开展，为5G 基站部署提供依据。