文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172904
中文引用格式: 李可策,,李景春,楊文翰,等. 3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)基站對FSS地球站的干擾分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,
43(8):21-24.
英文引用格式: Li Kece,Li Jingchun,,Yang Wenhan,,et al. Analysis of interference from 5G system BSs to FSS earth station at 3.5 GHz band[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(8):21-24.
0 引言
目前,,我國正在北京地區(qū)開展3 400-3 600 MHz頻段的第五代移動(dòng)通信(the fifth generation mobile communication,5G)技術(shù)研發(fā)與測試試驗(yàn),。然而,,C頻段與擴(kuò)展C頻段(3 400-4 200 MHz)一直是我國和亞洲地區(qū)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)核心頻段[1]。與其他頻段相比,,我國C頻段衛(wèi)星系統(tǒng)使用地位更高,,部署和應(yīng)用范圍更廣,并體現(xiàn)在我國重大衛(wèi)星工程,、行業(yè)衛(wèi)星通信應(yīng)用,、航天衛(wèi)星研制、國際衛(wèi)星出口等多個(gè)領(lǐng)域[2],。為保證5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(Fixed Satellite Service,,FSS)的兼容共用,避免對在軌及計(jì)劃使用的衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾,,本文開展了該頻段上5G系統(tǒng)基站對FSS地面接收站(地球站)的干擾分析研究,,為該頻段未來規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。
1 干擾場景與分析方法
1.1 干擾場景
由于擴(kuò)展C頻段是我國固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的下行頻段,,所以5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)的干擾主要有4種:5G基站對FSS地球站的干擾,、5G用戶對FSS地球站的干擾,、FSS衛(wèi)星對5G基站的干擾、FSS衛(wèi)星對5G用戶的干擾,。本文主要研究在城區(qū)和郊區(qū)兩種場景下,,5G基站對FSS地球站的干擾場景。
3.5 GHz頻段上的5G系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋,,故3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站均采用三扇區(qū)宏站,,蜂窩組網(wǎng)。共存研究時(shí),,5G基站與FSS地球站部署在同一地理區(qū)域,,假設(shè)存在一個(gè)FSS地球站,5G系統(tǒng)基站呈環(huán)狀部署在地球站周圍[3],,其共存拓?fù)淠P腿鐖D1所示,。其中,Dprotection表示兩系統(tǒng)共存時(shí)所需的保護(hù)距離,,Dintersite表示兩個(gè)基站之間的距離,。
單個(gè)5G系統(tǒng)基站發(fā)射機(jī)對FSS地球站的干擾模型如圖2所示。其中,,O為FSS地球站所在位置,,OP為地球站主軸方向,A為5G基站發(fā)射天線所在位置,,AO為5G基站發(fā)射機(jī)對FSS地球站的干擾方向,;α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構(gòu)成的角度,即地球站的仰角,;為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角[4]。
1.2 干擾分析方法
5G系統(tǒng)基站對FSS系統(tǒng)主要考慮同頻干擾和鄰頻干擾[5],。具體造成干擾的程度主要取決于FSS地球站的仰角,、所接收到的5G系統(tǒng)的集總干擾功率等。
若只考慮一個(gè)5G基站的干擾時(shí),,則地球站接收到的干擾功率可由式(1)計(jì)算:
其中,,IIMT為FSS地球站接收機(jī)輸入端接收到的1 MHz帶寬內(nèi)的干擾功率(dBm),PIMT為5G系統(tǒng)基站每MHz帶寬的發(fā)射功率(dBm),,GIMT(γ,,β)為5G系統(tǒng)基站的天線增益(dB),GFFS()為FSS地球站接收天線增益(dB),,L(f,,d)為大范圍的路徑損耗(dB),CL(d)為周圍物體的散射損耗(dB),,ACLR為鄰信道泄露比(dB),。
5G系統(tǒng)基站對FSS地球站的集總干擾可由式(2)計(jì)算:
其中,Iagg為到達(dá)衛(wèi)星地球站接收機(jī)輸入端的集總干擾功率譜密度(dBm/MHz),In為第n個(gè)5G基站對衛(wèi)星地球站的干擾功率譜密度(dBm/MHz),。
(1)5G系統(tǒng)天線模型
5G系統(tǒng)將使用大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,,MIMO)天線,大規(guī)模MIMO天線利用其波束賦形技術(shù)可以形成方向性極強(qiáng)的窄波束,,從而在目標(biāo)方向波束增益最大,,而在干擾和無用方向產(chǎn)生零陷,增益最小[6-7],,天線模型參考ITU-R M.2101建議書[8],。
(2)FSS地球站接收天線模型
衛(wèi)星地球站天線的增益與離軸角的關(guān)系參考ITU-R S.465建議書[9],如式(3),、式(4)所示:
(3)傳播模型
5G系統(tǒng)基站對FSS地球站的干擾傳播發(fā)生在室外,,其干擾傳播機(jī)理主要包括視距傳播、繞射等,,根據(jù)ITU P系列建議書無線電傳播模型分類,,參考P.452建議書[10]和TG 5/1工作組中的Clutter Loss,計(jì)算5G系統(tǒng)基站到FSS地球站的傳播損耗,。
2 系統(tǒng)參數(shù)
2.1 5G系統(tǒng)典型參數(shù)
根據(jù)建議書ITU-R M.2101和報(bào)告書ITU-R M.2292,,參考5G系統(tǒng)高頻參數(shù)和2017年業(yè)內(nèi)最新進(jìn)展,3.5 GHz頻段5G系統(tǒng)參數(shù)建議如表1,。
2.2 FSS系統(tǒng)地球站參數(shù)
參考ITU相關(guān)建議書和CCSA前期研究情況,,衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)參數(shù)建議如表2。
根據(jù)表格中的相關(guān)參數(shù),,可計(jì)算出該頻段衛(wèi)星地球站輸入端的干擾功率門限為-130.8 dBm/MHz,。
3 系統(tǒng)仿真
根據(jù)上述系統(tǒng)參數(shù),本文仿真了在城區(qū)和郊區(qū)兩個(gè)場景,,同頻和鄰頻兩種情況下,,不同仰角時(shí)5G系統(tǒng)基站對FSS系統(tǒng)地球站的干擾。仿真過程中,,基站發(fā)射功率取最大值32 dBm/100 MHz,,P.452傳播模型時(shí)間比設(shè)置設(shè)為50%,Clutter Loss位置百分比設(shè)為50%,。干擾功率為100次撒點(diǎn)的均值,。地球站周圍至少有7圈基站部署。
3.1 城區(qū)場景
研究兩系統(tǒng)同頻共存時(shí),,5G系統(tǒng)基站部署在地球站周圍半徑為32.85 km的圓環(huán)行區(qū)域內(nèi),。此區(qū)域范圍是為了保證當(dāng)隔離距離為30 km時(shí),地球站周圍仍有7圈基站部署,。最初的隔離距離設(shè)為一個(gè)站間距(城區(qū)0.45 km),,當(dāng)集總干擾功率超過干擾功率門限時(shí),,增大隔離距離,直到隔離距離為30 km,。衛(wèi)星接收到的平均干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖3所示,。
從圖3中可以看出,兩系統(tǒng)同頻部署,,衛(wèi)星仰角為15°,、30°、45°時(shí),,需要的保護(hù)距離分別約為28.4 km,、27.5 km、27.1 km,。當(dāng)隔離距離為10 km,,衛(wèi)星仰角為15°、30°,、45°時(shí),,額外干擾余量分別約為24 dB、22 dB,、21 dB,。從上述數(shù)據(jù)中可以看出,隨著FSS地球站仰角的增大,,兩系統(tǒng)共存需要的保護(hù)距離減小,。但是,當(dāng)仰角為45°時(shí),,仍需要約27.1 km的保護(hù)距離,,此距離要求難以在城區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)隔離距離為10 km時(shí),,低仰角時(shí)干擾余量高達(dá)24 dB,,高仰角時(shí)干擾余量高達(dá)21 dB。
當(dāng)5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)鄰頻部署時(shí),,5G系統(tǒng)部署半徑為5 km,,鄰道泄露比取45 dB,,最小隔離距離設(shè)為0.01 km(基站天線和地球站天線高度差),。衛(wèi)星接收到的干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖4所示。
從圖4中可以看出,,兩系統(tǒng)鄰頻部署,,衛(wèi)星仰角為15°、30°,、45°時(shí),,需要的保護(hù)距離均約為0.38 km,,即兩系統(tǒng)隔離一個(gè)站間距(城區(qū)0.45 km)時(shí)就能夠達(dá)到共存條件。兩系統(tǒng)間隔離距離為最小值時(shí),,不論衛(wèi)星仰角高低變化,,干擾余量均很大。分析可知,,在城區(qū)場景下兩系統(tǒng)鄰頻部署時(shí),,需要一個(gè)站間距的隔離距離即可滿足共存要求。
3.2 郊區(qū)場景
研究兩系統(tǒng)同頻共存時(shí),,5G系統(tǒng)基站部署在地球站周圍半徑為36 km的圓環(huán)行區(qū)域內(nèi),。仿真方法與城區(qū)同頻部署場景相同。衛(wèi)星接收到的干擾功率與隔離距離的關(guān)系如圖5所示,。
從圖5中可以看出,,兩系統(tǒng)同頻部署,衛(wèi)星仰角為15°,、30°,、45°時(shí),需要的保護(hù)距離約為26.8 km,、25.4 km,、24.9 km。當(dāng)保護(hù)距離為10 km,,衛(wèi)星仰角為15°,、30°、45°時(shí),,額外干擾余量分別約為22 dB,、20 dB、19 dB,。由數(shù)據(jù)可以看出,,兩系統(tǒng)共存需要的保護(hù)距離亦隨著FSS地球站仰角的增大而減小,需要的保護(hù)距離依舊很大,。
當(dāng)5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)鄰頻部署時(shí),,5G系統(tǒng)部署半徑為10 km,最小隔離距離為0.022 km(基站天線和地球站天線高度差),,鄰道泄露比取45 dB,。衛(wèi)星接收到的干擾功率與保護(hù)距離的關(guān)系如圖6所示。
從圖6中可以看出,,兩系統(tǒng)鄰頻部署,,衛(wèi)星仰角為15°、30°,、45°時(shí),,需要的保護(hù)距離均約為0.62 km,。兩系統(tǒng)隔離距離設(shè)為一個(gè)站間距(郊區(qū)為0.9 km)時(shí),基站對地球站的集總干擾小于干擾門限,。當(dāng)隔離距離為最小值時(shí),,干擾余量約為29 dB。分析可知,,在郊區(qū)場景下兩系統(tǒng)鄰頻部署時(shí),,需要一個(gè)站間距的隔離距離即可滿足共存要求。
4 結(jié)論
通過上述數(shù)據(jù)可以得出,,5G系統(tǒng)基站與FSS地球站同區(qū)域同頻部署時(shí),,基站對FSS地球站的干擾較大,需要約24.9~28.4 km的保護(hù)距離,。兩系統(tǒng)同區(qū)域鄰頻段部署時(shí),,對FSS地球站的干擾較小,5G系統(tǒng)基站的ACLR為45 dB時(shí),,需要幾百米的保護(hù)距離,。因此,可通過提高5G系統(tǒng)基站的ACLR,,或者通過頻率隔離等措施實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的鄰頻共存,。
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作者信息:
李可策1,,李景春2,,楊文翰2,,許 穎2
(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,,天津300401;2.國家無線電監(jiān)測中心,,北京100037)