6 GHz頻段IMT系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)干擾分析

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

5G 的部署將在未來(lái)幾年為用戶帶來(lái)巨大利益，同時(shí)為5G-NR 提供更多的中頻帶頻譜，對(duì)于以經(jīng)濟(jì)高效的方式滿足全市（城市和郊區(qū)）以及服務(wù)欠缺地區(qū)的未來(lái)容量需求至關(guān)重要，可以為社會(huì)帶來(lái)巨大的收益。

在未來(lái)5G 所需的頻譜中，6 GHz 頻段是關(guān)鍵候選頻段，可在廣泛的5G 用例與功能的覆蓋范圍與容量方面實(shí)現(xiàn)良好的平衡。ITU-R 已開(kāi)始籌備WRC-23 議題1.2[1]，以評(píng)估為IMT 分配6 425—7 125 MHz 的可行性。預(yù)計(jì)將于2021 年6 月完成技術(shù)參數(shù)和信道建模、新技術(shù)和功能，例如用于5G 有源天線系統(tǒng)（AAS）的精確波束方向控制，高帶寬和低功率頻譜密度[2]。

作為5G 中頻段的有效補(bǔ)充頻段，6 GHz 和當(dāng)前中頻段C-Band 頻譜（上行頻率范圍5.925—6.425 GHz，下行頻率范圍3.7—4.2 GHz）類似，能夠良好均衡該頻段的覆蓋能力和容量能力，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆赫茲大帶寬頻譜連續(xù)分配，以滿足未來(lái)更大數(shù)據(jù)流量需求[3]。此外，6 GHz頻段的規(guī)劃有利于全球頻譜資源的統(tǒng)一規(guī)劃和使用，有利于未來(lái)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。未來(lái)數(shù)年，5G 將不斷發(fā)展，給移動(dòng)業(yè)務(wù)和用戶帶來(lái)巨大的效益，將6 GHz頻譜資源用于5G NR 以及后續(xù)演進(jìn)技術(shù)是保證5G 業(yè)務(wù)的經(jīng)濟(jì)可行性、普遍可負(fù)擔(dān)的關(guān)鍵因素之一。

頻譜資源具有稀缺性[4]，頻譜規(guī)劃是產(chǎn)業(yè)的起點(diǎn)，也將在很大程度上決定產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向、節(jié)奏和格局。根據(jù)我國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定，5 925 MHz 以上頻率主要業(yè)務(wù)有固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS,Fixed Satellite Service）和移動(dòng)業(yè)務(wù)，其中5 925—7 125 MHz 頻段是C-Band FSS的上行頻段[5]，F(xiàn)SS 也是該頻段實(shí)際使用最多的無(wú)線電業(yè)務(wù)。不同系統(tǒng)業(yè)務(wù)共用同一頻段，能夠提高頻譜資源的利用率，為了科學(xué)、有效利用有限的頻譜資源，推動(dòng)頻率精細(xì)化管理[6]，需要對(duì)6 GHz 頻段5G IMT 系統(tǒng)和衛(wèi)星固定（地對(duì)空）業(yè)務(wù)的頻譜兼容性進(jìn)行研究分析。

1 干擾場(chǎng)景及研究方法

（1）干擾場(chǎng)景

IMT 系統(tǒng)在6 GHz 頻段下采用TDD 方式，因此FSS（地對(duì)空）受擾方分別來(lái)自IMT 基站干擾和IMT 用戶干擾，如圖1 所示：

圖1 6 GHz頻段IMT系統(tǒng)干擾FSS（地對(duì)空）示意圖

（2）仿真方法

在每次仿真中針對(duì)每個(gè)衛(wèi)星軌位，計(jì)算所有基站的集總I/N（干擾噪聲比），每條干擾鏈路上IMT 基站或用戶指向FSS 空間電臺(tái)的天線增益均基于實(shí)際位置實(shí)時(shí)計(jì)算。

仿真中的主要步驟包括：

步驟1：確定仿真區(qū)域并計(jì)算仿真區(qū)域內(nèi)部署的IMT基站總數(shù)；

步驟2：依據(jù)建議書ITU-R M.2101[7]的相關(guān)方法生成IMT 基站，并完成用戶的接入和功控過(guò)程；

步驟3：合并IMT 基站和用戶的集總I/N，給出最終的干擾結(jié)果。

通過(guò)上述3 個(gè)步驟，即可確定IMT 系統(tǒng)對(duì)FSS 空間電臺(tái)的集總I/N。此外，由于智能制造場(chǎng)景包括室內(nèi)和室外兩種場(chǎng)景類型，為充分考慮未來(lái)多種不同的建網(wǎng)方案，該研究中將分別提供室內(nèi)獨(dú)立組網(wǎng)方案、室外獨(dú)立組網(wǎng)方案兩種不同組合方式下的仿真結(jié)果。

（3）干擾分析方法

單個(gè)5G IMT 基站對(duì)空間電臺(tái)的I/N：

式(1)中，IBSn是第n個(gè)IMT基站在空間電臺(tái)處產(chǎn)生的干擾；N是噪聲；PBSn是第n個(gè)IMT基站的發(fā)射功率；GtBSn是第n個(gè)IMT基站在空間電臺(tái)方向的天線增益；L為IMT基站到空間電臺(tái)的路徑損耗，對(duì)于室內(nèi)基站場(chǎng)景，L包括自由空間損耗LFS和建筑穿透損耗LBuild，對(duì)于室外基站場(chǎng)景，L僅為自由空間損耗LFS；Gnr為空間電臺(tái)天線朝IMT基站方向的增益。

建筑穿透損耗LBuild根據(jù)ITU-R P.2109 建議書[8]獲得。IMT 基站到空間電臺(tái)的自由空間損耗[9]為：

式(2)中f為載波所用頻率，單位為MHz；r為IMT基站到空間電臺(tái)的距離，單位為km。

最后，所有IMT 基站對(duì)空間電臺(tái)造成的集總干擾為：

單個(gè)5G IMT 用戶對(duì)空間電臺(tái)的I/N：

式(2)中，IUEn是第n個(gè)IMT用戶在空間電臺(tái)處產(chǎn)生的干擾；N是噪聲；PUEn是第n個(gè)IMT用戶的發(fā)射功率；GtUEn是第n個(gè)IMT用戶在空間電臺(tái)方向的天線增益；L為IMT用戶到空間電臺(tái)的路徑損耗（同IMT基站側(cè)相同）；Grn為空間電臺(tái)天線朝IMT用戶方向的增益。

最后，所有5G 用戶對(duì)空間電臺(tái)造成的集總干擾為：

5G 基站采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行部署，而由于5G 用戶位置的隨機(jī)性和天線的方向性等因素，其對(duì)空間電臺(tái)造成的干擾也具有隨機(jī)性。因此，本文采用蒙特卡洛仿真方法，每一次仿真快照中隨機(jī)部署用戶，計(jì)算5G 基站和用戶互相進(jìn)行通信時(shí)，基站和用戶對(duì)空間電臺(tái)造成干擾。經(jīng)過(guò)多次仿真，統(tǒng)計(jì)集總I/N及其累積分布函數(shù)（CDF）曲線，以分析5G IMT 系統(tǒng)對(duì)空間電臺(tái)的干擾情況。

2 仿真參數(shù)

（1）IMT 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表1 和表2 分別給出了3GPP TS38.824 A2.2 節(jié)[10]提供的6 GHz頻段IMT系統(tǒng)智能制造場(chǎng)景基站側(cè)和用戶側(cè)的仿真參數(shù)。

表1 6 GHz頻段IMT系統(tǒng)智能制造場(chǎng)景基站側(cè)仿真參數(shù)

表2 6 GHz頻段IMT系統(tǒng)智能制造場(chǎng)景用戶側(cè)仿真參數(shù)

表1 中的Rc代表實(shí)際需要覆蓋的面積與工業(yè)用地總面積的比值，Rd代表工業(yè)用地面積與國(guó)土面積的比值[11]，兩者可以確定IMT 用于共存研究大面積部署的數(shù)量。

用于共存研究的大面積部署的數(shù)量值（Dl）根據(jù)式(5)計(jì)算：

其中，DS為智能制造室外或室內(nèi)場(chǎng)景的基站密度，Rc為覆蓋面積和工業(yè)用地占比，Rd為工業(yè)用地面積占全國(guó)國(guó)土面占比，S為國(guó)土面積。根據(jù)Rc和Rd，計(jì)算得全國(guó)總計(jì)約有8 256 萬(wàn)個(gè)室內(nèi)基站或103.68 萬(wàn)個(gè)室外基站。

智能制造室內(nèi)場(chǎng)景基站分布示意圖如圖2 所示。

圖2 智能制造室內(nèi)場(chǎng)景基站分布示意圖

（2）FSS 空間電臺(tái)仿真參數(shù)

表3 給出了5 925-7 125 MHz 頻段衛(wèi)星固定（地對(duì)空）業(yè)務(wù)空間電臺(tái)仿真參數(shù)：

表3 5 925-7 125 MHz頻段FSS空間電臺(tái)仿真參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

分別仿真計(jì)算衛(wèi)星空間電臺(tái)在不同軌位接收到的來(lái)自兩種場(chǎng)景IMT 系統(tǒng)集總I/N。室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景下，3 個(gè)衛(wèi)星軌位受到地面IMT 系統(tǒng)集總I/N CDF 曲線分別如圖3 和圖4 所示，集總I/N 干擾仿真結(jié)果分別如表4 和表5 所示，長(zhǎng)期集總I/N 取CDF 80% 位置取值，短期集總I/N 取CDF 99.999 6% 位置取值。

圖3 智能制造室內(nèi)場(chǎng)景集總I/N CDF曲線

圖4 智能制造室外場(chǎng)景集總I/N CDF曲線

表4 智能制造室內(nèi)場(chǎng)景仿真結(jié)果

表5 智能制造室外場(chǎng)景仿真結(jié)果

在本文仿真條件下，智能制造室內(nèi)獨(dú)立組網(wǎng)時(shí)，IMT系統(tǒng)對(duì)空間電臺(tái)無(wú)干擾，對(duì)于長(zhǎng)期保護(hù)，還有6.97～9.26 dB的余量，對(duì)于短期保護(hù)，還有11.25～13.59 dB 的余量；智能制造室外獨(dú)立組網(wǎng)時(shí)，IMT 系統(tǒng)對(duì)空間電臺(tái)無(wú)干擾，對(duì)于長(zhǎng)期保護(hù)，還有2.07～2.7 dB 的余量，對(duì)于短期保護(hù)，還有6.29～8.5 dB 的余量。

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為如今工業(yè)革命的核心推動(dòng)力，智能制造的實(shí)現(xiàn)需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打造全新的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。而6 GHz 作為移動(dòng)寬帶發(fā)展頻譜使用，有利于未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。本文就6 GHz 頻段5G 智能制造場(chǎng)景IMT 系統(tǒng)對(duì)FSS 空間電臺(tái)集總干擾情況進(jìn)行了研究，結(jié)論表明，在本文仿真條件下，對(duì)于長(zhǎng)期保護(hù)和短期保護(hù)FSS 空間電臺(tái)均不受干擾，還可以綜合考慮基站數(shù)量、發(fā)射功率和下傾角等參數(shù)來(lái)使集總I/N接近保護(hù)準(zhǔn)則，以提高IMT 系統(tǒng)的整體性能水平。此外，6 GHz 頻段還包括固定業(yè)務(wù)，還需研究IMT 系統(tǒng)與固定業(yè)務(wù)的干擾共存情況。