25.25～27.5 GHz頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)與IMT系統(tǒng)兼容性研究

錢肇鈞，王坦，康龍，李博

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2.華北電力大學(xué)，北京 102206；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

25.25～27.5 GHz頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)與IMT系統(tǒng)兼容性研究

錢肇鈞1，王坦1，康龍2，李博3

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037；2.華北電力大學(xué)，北京 102206；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

基于現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)，研究了25.25～27.5 GHz頻段國(guó)際移動(dòng)通信（IMT）系統(tǒng)與衛(wèi)星間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（DRS）系統(tǒng)間的干擾共存情況。采用集總干擾評(píng)估方法，比較了數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星經(jīng)度分別在59°、85°、113°時(shí)，IMT基站對(duì)其造成干擾的情況。此外，還通過(guò)固定干擾余量，推導(dǎo)了IMT基站總數(shù)及其與IMT發(fā)射功率之間的關(guān)系。研究結(jié)果可為未來(lái)25.25～27.5 GHz頻段IMT系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部署、5G頻率規(guī)劃提供借鑒。

衛(wèi)星間業(yè)務(wù)；IMT系統(tǒng)；兼容性；干擾共存

1 引言

2015年WRC-15大會(huì)確定了WRC-19會(huì)議1.13議題，即根據(jù)第238[COM6/20]號(hào)決議（WRC-15）[1]，審議為國(guó)際移動(dòng)通信（IMT）的未來(lái)發(fā)展確定頻段，包括為作為主要業(yè)務(wù)的移動(dòng)業(yè)務(wù)做出附加劃分的可能性。議題將開展頻率相關(guān)問(wèn)題研究，為國(guó)際移動(dòng)通信確定頻段，包括可能在24.25～86 GHz頻率范圍內(nèi)的部分頻段（11個(gè)候選頻段）為移動(dòng)業(yè)務(wù)做出附加主要業(yè)務(wù)劃分，以完成IMT在2020年及之后的未來(lái)發(fā)展。簡(jiǎn)言之，該議題的主要職責(zé)是確定5G候選頻段或相鄰頻段內(nèi)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的技術(shù)特性（包括保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)），研究5G系統(tǒng)與相關(guān)無(wú)線電業(yè)務(wù)系統(tǒng)的兼容性。其中，25.25～27.5 GHz頻段由于頻率較其他5G高頻候選頻段相對(duì)較低、器件成熟度較高，已成為全球IMT陣營(yíng)極力爭(zhēng)取的頻段，該頻段5G系統(tǒng)與衛(wèi)星間業(yè)務(wù)的兼容性分析也成為相關(guān)頻率規(guī)劃研究的熱點(diǎn)。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（data relay satellite，DRS）系統(tǒng)是衛(wèi)星間業(yè)務(wù)最主要的系統(tǒng)[2]，是在航天器與地球站之間提供實(shí)時(shí)測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的系統(tǒng)。DRS一般位于地球靜止軌道，從上向下覆蓋用戶航天器。DRS從根本上解決了測(cè)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)能壍栏采w率（用戶航天器可建立無(wú)線聯(lián)系的軌道弧段占總弧段的百分比）和實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)膯?wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益很高。此外，美國(guó)等主要國(guó)家DRS系統(tǒng)紛紛提高了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰3]，大大增加了Ka頻段的使用。

在國(guó)際衛(wèi)星頻率及空間軌道位置資源競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，適合我國(guó)建立全球衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)頻率資源已少之又少[4]，但我國(guó)還需要加緊部署高速率、高可靠和低時(shí)延的地面系統(tǒng)。業(yè)界早已開展了衛(wèi)星和地面系統(tǒng)間的干擾共存研究，然而涉及衛(wèi)星間的研究很少，因此研究該頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)DRS系統(tǒng)與同頻的IMT系統(tǒng)之間的兼容性十分必要。本文針對(duì)25.25～27.5 GHz頻段中繼衛(wèi)星系統(tǒng)與5G系統(tǒng)同頻干擾問(wèn)題展開了研究，以期為我國(guó)無(wú)線電管理部門對(duì)相關(guān)頻段的業(yè)務(wù)規(guī)劃提供理論支撐。

2 干擾場(chǎng)景

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟《無(wú)線電規(guī)則》[5]，頻譜劃分情況見表1，25.25～27.5 GHz頻段全球有統(tǒng)一劃分，主要業(yè)務(wù)包括移動(dòng)業(yè)務(wù)、固定業(yè)務(wù)以及衛(wèi)星間業(yè)務(wù)等。該部分的衛(wèi)星間業(yè)務(wù)，在歐洲、日本、美國(guó)和中國(guó)，主要用于低軌道空間飛行物到數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星之間的星間鏈路單向無(wú)線通信使用。

在該頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)與IMT系統(tǒng)之間，主要的無(wú)線通信鏈路有4類，如圖1所示，包括空間飛行物到數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的單向鏈路、空間飛行物到基站的單向鏈路、移動(dòng)端到基站的雙向鏈路、基站到數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的單向鏈路以及移動(dòng)端到數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的單向鏈路，虛線為干擾鏈路。

表1 頻譜劃分情況

圖1 干擾場(chǎng)景

考慮到25.25～27.5 GHz頻段和6 GHz以下頻段相比，在2G/3G/4G移動(dòng)通信中所使用的頻率較高，因此在該頻段上，IMT系統(tǒng)將主要部署在密集城區(qū)，以室內(nèi)/外小基站的形式提供大帶寬和高容量業(yè)務(wù)。假設(shè)未來(lái)IMT終端用戶發(fā)射功率較低且采用了功率控制，在集總干擾分析中可以忽略不計(jì)。

此外，空間飛行物采取了窄波束及方向性較強(qiáng)的星載天線，當(dāng)空間飛行物在南北極上空時(shí)，其與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星通信指向方向和其與地面IMT基站通信指向方向之間的角度最小，約為5°。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，空間飛行物朝向地面IMT的旁瓣增益要比主波束小至少30 dB，加之空間飛行物的發(fā)射功率本身就很小，最大功率譜密度只有-50 dBW/Hz。在IMT基站接收帶寬取20 MHz，噪聲系數(shù)取5 dB的情況下，系統(tǒng)噪聲為-126 dBW。實(shí)際干擾大約為-80 dBW/Hz，合-7 dBW/(20 MHz)，取路徑距離為1 000 km，以頻率26 GHz為例，自由空間路損約為180 dB，這樣實(shí)際接收到的干擾約為-187 dBW。此時(shí)計(jì)算的I/N=-61 dB，遠(yuǎn)低于一般的干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（-12.2 dB或-6 dB）。因此，空間飛行物對(duì)IMT的干擾可以忽略不計(jì)。況且由于實(shí)際的星載天線帶寬應(yīng)該小于20 MHz，星載天線到地面的損耗還應(yīng)包括大氣衰減和雨衰減等以及極化差異這3個(gè)因素，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)IMT基站實(shí)際干擾影響很小，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)上述研究以及國(guó)際上后入業(yè)務(wù)應(yīng)保護(hù)先有業(yè)務(wù)的要求，本文僅將IMT基站對(duì)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的干擾作為重點(diǎn)。另外，由于室內(nèi)小基站涉及樓宇的穿透損耗，集總干擾水平顯著低于室外基站，本文將重點(diǎn)分析室外IMT小基站與DRS間的干擾問(wèn)題。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查司發(fā)布的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2015年版），本文選取緯度較高的北京、天津和河北3地（總面積20萬(wàn)km2）建成區(qū)作為地面區(qū)域來(lái)計(jì)算該區(qū)域內(nèi)部署的IMT小基站對(duì)DRS衛(wèi)星的干擾。北京、天津和河北的建成區(qū)面積約為3 480 km2。因?yàn)镵a頻段衛(wèi)星點(diǎn)波束主瓣覆蓋面積約為10萬(wàn)km2，集總干擾計(jì)算更加惡劣；IMT小基站緯度越高，天線仰角越小，對(duì)DRS衛(wèi)星的干擾程度更大；建成區(qū)是指市行政區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)征用的土地和實(shí)際建設(shè)發(fā)展起來(lái)的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)地段，更加符合市區(qū)密集場(chǎng)景。

3 關(guān)鍵參數(shù)

3.1 基站密度

假設(shè)小基站小區(qū)間隔為200 m，小區(qū)為六邊形結(jié)構(gòu)，每個(gè)小區(qū)3個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)3個(gè)小基站，這樣一個(gè)小區(qū)有9個(gè)小基站。可以計(jì)算一個(gè)小區(qū)面積為0.034 6 km2，那么1 km2內(nèi)可以部署1/0.034 6=29個(gè)小區(qū)，從而可以部署29×9=261個(gè)小基站。

3.2 集總干擾時(shí)基站天線模型

集總干擾時(shí)的IMT小基站天線配置4列8行的面陣天線，天線間距0.5倍波長(zhǎng)。每個(gè)天線陣的增益為6 dBm。每個(gè)天線陣子的天線方向圖[7]為：

得到小基站天線的垂直和水平方向增益如圖2所示。

圖2（a）和圖2（b）中的縱軸表示的是天線增益，橫軸表示的是天線方向偏離主軸的角度。由天線方向圖可得到IMT具體仰角下的增益，見表2。

本文中天線增益等于天線垂直增益加水平增益，垂直增益和水平增益都是相對(duì)于最大值的一個(gè)值。從表2的參數(shù)情況看，在天線增益最大情況下，垂直增益為-6 dBm，水平增益為0 dBm，總增益為-6 dBm；在天線增益為中值情況下，垂直增益為-27 dBm，水平增益為-2.5 dBm，總增益為-29.5 dBm；在天線增益最小情況下，垂直增益為-6 dBm，水平增益為-45 dBm，總增益為-51 dBm。

圖2 IMT基站天線垂直和水平方向增益

4 鏈路預(yù)算

確定性分析、仿真以及外場(chǎng)測(cè)試是無(wú)線通信系統(tǒng)共存干擾研究的常用方法。仿真有鏈路級(jí)仿真和系統(tǒng)級(jí)仿真，鏈路級(jí)仿真是建立一條點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線鏈路；而系統(tǒng)級(jí)仿真是通過(guò)關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的多條鏈路來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的特性。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)之間的共存干擾通常是由從無(wú)線電鏈路預(yù)算分析得到的干擾余量決定的。本文研究了IMT集總干擾數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的分析方法。

4.1 單點(diǎn)干擾

衛(wèi)星接收到的IMT干擾功率I為：

其中，I為衛(wèi)星接收機(jī)輸入端接收到的干擾功率（單位為dBm），PT為IMT系統(tǒng)發(fā)射功率 （單位為dBm）；GT(θ)和GR分別是發(fā)射端和接收端的天線增益，由于GR與衛(wèi)星覆蓋面積有關(guān)，在Ka頻段，DRS主要是點(diǎn)波束覆蓋，增益較高；LT是IMT發(fā)射機(jī)饋線損耗 （單位為dBm），PL0是自由空間路徑損耗，LP是極化損耗，此外還應(yīng)考慮地物損耗、大氣衰落損耗等。

4.2 集總干擾

在集總干擾的情況下，需要考慮的是在衛(wèi)星太空站所覆蓋的地面區(qū)域內(nèi)包含的所有地面IMT基站對(duì)于衛(wèi)星的干擾總和。需要說(shuō)明的是，雖然涉及多個(gè)不同干擾信號(hào)，在傳輸過(guò)程中勢(shì)必存在相位差，但根據(jù)ITU-R相關(guān)研究報(bào)告[8,9]，集總干擾計(jì)算基于功率疊加進(jìn)行分析，一般不考慮相位這一因素，通常只考慮最壞的情況。因此，在計(jì)算集總干擾功率之前需要知道地面區(qū)域內(nèi)所有同時(shí)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生干擾的IMT基站的數(shù)量以及它們的位置。假設(shè)在集總干擾條件下，每一個(gè)IMT基站對(duì)于衛(wèi)星的干擾相同，則在單個(gè)IMT的干擾I基礎(chǔ)上，衛(wèi)星覆蓋范圍下，M個(gè)基站的集總干擾為：

衛(wèi)星覆蓋面積下的IMT基站的數(shù)目主要取決于3個(gè)因素：衛(wèi)星覆蓋面積、城市百分比、每平方千米基站數(shù)基站的散布因子，將上述3個(gè)因子相乘便可得到衛(wèi)星覆蓋下IMT基站總數(shù)為：

根據(jù)干擾保護(hù)準(zhǔn)則[10]I/N=-10 dBm以及衛(wèi)星的噪聲功率可以計(jì)算出衛(wèi)星接收機(jī)能夠允許的最大干擾功率Imax。Imax=I/N+N，其中噪聲水平N=KTB，K、T和B分別是玻爾茲曼常量、噪聲溫度和衛(wèi)星接收機(jī)帶寬。干擾余量IΔ由最大干擾功率 IMAX和集總干擾功率 Iaggregate的差值計(jì)算得到：

通過(guò)比較允許的最大干擾功率Imax和集總干擾功率Iaggregate的大小判斷地面部署IMT是否會(huì)對(duì)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)上行產(chǎn)生干擾。

表2 IMT基站天線增益

5 IMT和衛(wèi)星系統(tǒng)共存干擾

5.1 仿真參數(shù)

如果最后的結(jié)果顯示IΔ>0 dBm，則說(shuō)明IMT的聚合干擾低于衛(wèi)星的抗干擾門限，共存可行。IMT小基站參數(shù)采用參考文獻(xiàn)[11]定義的小站參數(shù)；衛(wèi)星方面，相關(guān)資料表明[12]，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的軌道位置有35個(gè)，其中在我國(guó)上空的有9個(gè)，I/N干擾準(zhǔn)則為-10 dBm，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星接收參數(shù)參考ITU建議書[13]。

由于衛(wèi)星在近3.5萬(wàn)km的靜止軌道上遠(yuǎn)行，因此干擾路徑與地面水平方向夾角較大。實(shí)際的IMT系統(tǒng)會(huì)分布在一個(gè)較大的衛(wèi)星點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，每個(gè)IMT干擾的仰角會(huì)略有不同，而仰角與衛(wèi)星經(jīng)度和天線垂直下傾角有關(guān)，每一個(gè)天線垂直下傾角對(duì)應(yīng)一個(gè)天線增益。在多種IMT天線增益情況下，僅給出在天線增益最大情況下，IMT對(duì)衛(wèi)星經(jīng)度分別為113°、85°、59°不同天線仰角下的DRS衛(wèi)星干擾情況，具體確定性計(jì)算結(jié)果見表3。

表3在不同仰角情況下綜合考慮多種傳播衰減采用集總干擾分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)間鏈路預(yù)算和仿真。對(duì)于10 GHz以上的電磁波，雨衰減的影響非常明顯，在鏈路計(jì)算中必須考慮雨衰減的影響。根據(jù)ITU建議書[14]，中等降雨強(qiáng)度（12.5 mm/h）下該頻段雨衰減為2 dBm/km，通過(guò)降雨區(qū)域的路徑長(zhǎng)度為10 km，因此表3中考慮雨衰減為20 dBm。從表3可以看出集總干擾功率低于衛(wèi)星的最大允許干擾，說(shuō)明IMT系統(tǒng)在該頻段對(duì)DRS系統(tǒng)的干擾在DRS系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)，系統(tǒng)間可共存。

表3 IMT對(duì)DRS衛(wèi)星確定性干擾計(jì)算過(guò)程表結(jié)果（部分）

根據(jù)適當(dāng)?shù)母蓴_余量，在相同情況下當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)度為113°、85°、59°時(shí)，反推得到的基站總數(shù)分別約為3 969 224、4 128 120和4 480 718個(gè)。

5.2 仿真結(jié)果及分析

在考慮雨衰減和不考慮雨衰減兩種情境下，干擾余量隨天線仰角的變化是不同的，如圖3所示?？梢钥闯霎?dāng)干擾余量大于0時(shí)，說(shuō)明集總干擾小于衛(wèi)星的抗干擾門限，因此在該頻段IMT與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的共存是可行的。比較兩條曲線可以看出，考慮雨衰減的情況干擾余量較大。這是因?yàn)樵阪溌奉A(yù)算中，考慮雨衰減時(shí)，地面IMT系統(tǒng)衰減更多因此對(duì)衛(wèi)星造成的干擾更小，而在不考慮雨衰減時(shí)地面IMT系統(tǒng)衰減更少因此對(duì)衛(wèi)星的干擾更大。

圖3 干擾余量隨天線仰角變化

上述計(jì)算和仿真結(jié)果是在假設(shè)IMT發(fā)射功率和部署的IMT基站總數(shù)都是定值的前提下得出的，實(shí)際上，基站發(fā)射功率、基站總數(shù)都不是固定值，其中任一值改變都會(huì)影響最終結(jié)果，而且二者之間存在一定關(guān)系。以衛(wèi)星經(jīng)度為113°為例，干擾余量取為5 dBm，IMT傳輸功率在24～43 dBm變化。根據(jù)本文采用的集總干擾鏈路預(yù)算方法，可以得到二者之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由于固定干擾余量，所以IMT基站發(fā)射功率越大，可部署的IMT基站總數(shù)越少。

圖4 可部署的IMT基站總數(shù)與IMT基站天線發(fā)射功率的關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了25.25～27.5 GHz頻段IMT與DRS的干擾共存場(chǎng)景?；趯?shí)際衛(wèi)星軌道位置和衛(wèi)星下點(diǎn)覆蓋面積，使用集總干擾計(jì)算方法，比較了DRS衛(wèi)星經(jīng)度分別在59°、85°、113°時(shí)，IMT基站對(duì)其干擾情況。在上述系統(tǒng)參數(shù)條件下，在IMT發(fā)射增益最大并考慮雨衰減時(shí)，干擾余量大于0，說(shuō)明集總干擾小于衛(wèi)星的抗干擾門限，有一定的共存余量。本文研究結(jié)果可為將來(lái)在該頻段的IMT基站設(shè)計(jì)和部署、5G頻率規(guī)劃時(shí)提供借鑒。

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錢肇鈞（1984-），男，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電波傳播、系統(tǒng)間電磁兼容、5G新技術(shù)發(fā)展、大規(guī)模MIMO相關(guān)技術(shù)等。

王坦（1985-），男，博士，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轭l率規(guī)劃、頻率評(píng)估和5G頻率管理研究等。

康龍（1989-），男，華北電力大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與新技術(shù)、5G無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜兼容性等。

李博（1993-），女，北京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)間干擾共存、頻譜管理等。

Compatibility study between IMT and inter-satellite service systems in 25.25～27.5 GHz frequency band

QIAN Zhaojun1,WANG Tan1,KANG Long2,LI Bo3
1.State Radio Monitoring Center,Beijing 100037,China 2.North China Electric Power University,Beijing 102206,China 3.Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China

Based on the existing technical parameters,the interference coexistence of 25.25～27.5 GHz band international mobile communication(IMT)system and inter-satellite service data relay satellite(DRS)were studied. Based on the aggregate interference assessment,the interference between IMT base station(BS)and inter-satellite service DRS receiver where the DRS orbit at 59 degree,85 degree and 113 degree longitude were comparatively studied.In addition,the tradeoff between the total number of IMT BS and its transmission power was analyzed with certain interference margin.These results are useful for designing and deployment of IMT systems in 25.25～27.5 GHz band 5G spectrum planning in the future.

inter-satellite service,IMT system,compatibility,interference coexistence

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016320

2016-08-15；

2016-12-13

康龍，1243792870@qq.com

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（IMT-2020候選頻段分析與評(píng)估）（No.2015ZX03002008）

Foundation Item:The National Science and Technology Major Special Project of China (IMT-2020 Candidate Frequency Bands Analysis and Evaluation)(No.2015ZX03002008)