6G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)高空平臺(tái)基站下行頻譜效率研究*

張少偉，劉蕾，芒戈

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

目前我國(guó)已邁入5G 高質(zhì)量發(fā)展的新時(shí)代，5G 的快速發(fā)展不僅有效地支撐數(shù)字中國(guó)建設(shè)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效，同時(shí)也深刻地影響著交通、醫(yī)療、健康、娛樂等大眾生活的方方面面，讓人們對(duì)數(shù)字生活有了切身的感受。但在一些偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地區(qū)、廣袤的草原、海洋和沙漠地帶，受制于地形條件、投資成本、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等因素，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不夠完備，當(dāng)前陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)很難發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。為了幫助縮小城鄉(xiāng)數(shù)字鴻溝，實(shí)現(xiàn)普遍服務(wù)，滿足特殊場(chǎng)景的日常及應(yīng)急通信需求，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的提升迫在眉睫。

面向人類社會(huì)對(duì)于信息化的新需求，當(dāng)前傳統(tǒng)陸地?zé)o線通信系統(tǒng)開始整合多方面產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前5G 技術(shù)的基礎(chǔ)上面向下一代移動(dòng)通信技術(shù)（6G,6th Generation Mobile Networks）進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)與革新。6G 技術(shù)將通過地面通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)及高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合，繼續(xù)擴(kuò)展終端連接的廣度與維度，建設(shè)泛在的通信基礎(chǔ)設(shè)施體系。通過構(gòu)建多網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)（SAGIN,Space-Air-Ground Integrated Network），實(shí)現(xiàn)多維度立體化的無縫通信覆蓋，滿足全球范圍內(nèi)無線終端無差別隨時(shí)隨地接入的需求，實(shí)現(xiàn)萬物智聯(lián)的未來愿景。

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將空間、天空和地面網(wǎng)絡(luò)部件相互連接起來，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，其具有覆蓋范圍大、彈性強(qiáng)、吞吐量高等優(yōu)勢(shì)，能夠用于智能交通系統(tǒng)[1]、軍事任務(wù)、救災(zāi)[2]、地球觀測(cè)測(cè)繪等實(shí)踐領(lǐng)域。

空天地一體化融合網(wǎng)絡(luò)將由天基多層子網(wǎng)（高軌衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星）、空基網(wǎng)絡(luò)（多種臨空設(shè)備）和地面蜂窩多層子網(wǎng)（宏蜂窩、微蜂窩和皮蜂窩）組網(wǎng)構(gòu)成統(tǒng)一的大時(shí)空尺度跨域異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。

圖1 空天地一體化融合網(wǎng)絡(luò)

1 高空平臺(tái)系統(tǒng)

IMT 系統(tǒng)在頻譜標(biāo)識(shí)、網(wǎng)絡(luò)部署和無線電接入技術(shù)方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展，同時(shí)，電池和太陽能電池板技術(shù)的最新進(jìn)展可能使部署于臨近空間的高空平臺(tái)系統(tǒng)（HAPS,High Altitude Platform Systems），能夠?yàn)榉?wù)不足的社區(qū)以及農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)較大地理覆蓋范圍提供低延遲的移動(dòng)寬帶連接[3]。這些技術(shù)進(jìn)步可以使HAPS 搭載IMT基站（HIBS），成為地面IMT 網(wǎng)絡(luò)的一部分，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，且HIBS 和地面IMT 基站都可以為現(xiàn)有用戶終端提供支持。

為了增加更多的接入量，HIBS 將需要進(jìn)行額外的頻譜標(biāo)識(shí)，以靈活地使用已經(jīng)為IMT 確定的2.7 GHz 以下的某些頻段，同時(shí)考慮到潛在的HIBS 部署方案及其技術(shù)和操作特性，以及與現(xiàn)有應(yīng)用和服務(wù)的兼容性。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，WRC-19 通過了第247 號(hào)決議，以考慮“在全球或區(qū)域?qū)用嬉言贗MT 所確定的2.7 GHz 以下某些頻段的移動(dòng)業(yè)務(wù)中使用HIBS”[4]。

HIBS 高度為20 km 至50 km，其可以在覆蓋面積超過30 000 km2的未服務(wù)區(qū)域（包括農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)）提供低延遲的移動(dòng)連接。HIBS 可以通過“超級(jí)宏小區(qū)”來增強(qiáng)地面IMT 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以補(bǔ)充現(xiàn)有的基于地面的部署方法，例如宏小區(qū)、微小區(qū)，如圖2 所示。

圖2 地面IMT網(wǎng)絡(luò)中的HIBS區(qū)域覆蓋區(qū)域示意圖

因此，考慮到與現(xiàn)有應(yīng)用和業(yè)務(wù)的兼容性，HIBS 將用作現(xiàn)有地面IMT 網(wǎng)絡(luò)的一部分并作為其補(bǔ)充，因此HIBS 可以使用與地面IMT 基站相同的頻段與用戶終端連接，從而擴(kuò)展了有效覆蓋區(qū)域。此外，地面IMT 基站服務(wù)的現(xiàn)有用戶終端也將由HIBS 服務(wù)，而不需要HIBS 獨(dú)立的用戶終端。

頻譜資源是全球共用的、由國(guó)家支配使用的稀缺戰(zhàn)略性資源，是移動(dòng)通信系統(tǒng)得以維持和發(fā)展的重要保證。另一方面，隨著通信產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶數(shù)量的急速增長(zhǎng)，用戶需求也急速上升，可用的頻譜資源日益緊張，傳輸速率的提升又進(jìn)一步增大了能量的消耗，不但會(huì)加劇環(huán)境污染，同時(shí)也會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本的支出[5]。所以，頻譜效率的研究能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜資源的科學(xué)分配和使用，避免超前分配導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。

2 HIBS仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）單個(gè)HIBS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單個(gè)HIBS 服務(wù)區(qū)域由具有多波束配置的多個(gè)小區(qū)組成，如圖3 所示為含有7 個(gè)服務(wù)小區(qū)的單HIBS 覆蓋示意圖。HIBS 位于服務(wù)區(qū)域中心，該HIBS 服務(wù)區(qū)域含有兩層小區(qū)，將位于HIBS 區(qū)域中心的小區(qū)定義為“第1 層小區(qū)”，將位于第1 層小區(qū)外側(cè)的小區(qū)定義為“第2 層小區(qū)”，同一層中的小區(qū)天線的水平角和下傾角相同。第1層小區(qū)含有1 個(gè)扇區(qū)，第2 層小區(qū)含有6 個(gè)扇區(qū)。

圖3 單個(gè)HIBS服務(wù)區(qū)域示意圖

（2）HIBS 組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 為由多個(gè)7 小區(qū)HIBS 組成的連續(xù)廣覆蓋組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中“A”表示HIBS 的服務(wù)半徑，“B”表示兩個(gè)HIBS 之間的距離，且。HIBS 用戶終端均勻分布在HIBS 服務(wù)區(qū)域內(nèi)。

圖4 HIBS組網(wǎng)示意圖

3 頻譜效率計(jì)算方法

（1）HIBS 用戶小區(qū)接入

由于HIBS 各個(gè)小區(qū)天線參數(shù)不同，導(dǎo)致實(shí)際仿真中，用戶實(shí)際接入的小區(qū)（或HIBS）與邏輯上部署的小區(qū)（或HIBS）有一定的差別，因此需要確定用戶實(shí)際所接入的小區(qū)。用戶接入小區(qū)的流程圖如圖5 所示。

圖5 中，S 表示HIBS 用戶接收的有用信號(hào)，Ptx表示HIBS 天線發(fā)射功率，Gtx表示HIBS 天線增益，Loss表示鏈路損耗，GUE表示HIBS 用戶天線增益。通過計(jì)算用戶接收的有用信號(hào)判斷所接入的小區(qū)，過程示意圖如圖6 所示。

圖5 HIBS用戶接入流程圖

圖6 HIBS用戶實(shí)際接入小區(qū)示意圖

（2）下行頻譜效率計(jì)算

在仿真中，首先計(jì)算HIBS 的SINR，然后根據(jù)SINR 來計(jì)算HIBS 的頻譜效率。

用戶收到HIBS 的接收信號(hào)功率Pr為：

式(1) 中，PHIBS是HIBS 的發(fā)射功率，GHIBS是HIBS 的天線增益，L是HIBS 和用戶之間的路徑損耗，GUE是用戶的天線增益。當(dāng)Pr是該用戶所接入的HIBS 相應(yīng)小區(qū)產(chǎn)生時(shí)，為有用信號(hào)S；否則為無用干擾信號(hào)。HIBS 用戶接收的干擾來在兩個(gè)方面，一方面是來自所屬HIBS 其他服務(wù)小區(qū)的干擾，另一方面是來自其他HIBS 的干擾。

HIBS 和用戶之間的損耗采用自由空間損耗[6]：

式(2) 中f為載波所用頻率；r為HIBS 到用戶的距離。用戶收到第n個(gè)扇區(qū)的干擾為In，集總干擾Isum為：

HIBS 的SINR 計(jì)算如下：

式(3) 中，N為熱噪聲。

HIBS 的頻譜效率fee由如下公式計(jì)算：式(5) 中，α是衰減因子，SINRmin是鏈路SINR 最低值，SINRmax是鏈路SINR 最高值。

由于HIBS 用戶位置的隨機(jī)性和天線的方向性等因素，用戶收到HIBS 的信號(hào)、干擾也具有隨機(jī)性，因此，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HIBS 和用戶進(jìn)行通信時(shí)，用戶受到的干擾。經(jīng)過多次仿真快照，統(tǒng)計(jì)SINR 累積分布函數(shù)（CDF）曲線。

4 仿真參數(shù)

根據(jù)目前ITU-R WP5D #38 會(huì)議討論情況，給出了HIBS 基站和終端相關(guān)仿真參數(shù)，如表1 和表2 所示。

表1 HIBS部署及其相關(guān)仿真參數(shù)

表2 HIBS用戶部署及其相關(guān)仿真參數(shù)

5 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)頻段1、2、3 參數(shù)分別仿真計(jì)算HIBS 下行SINR 和下行頻譜效率。由于目前6G 指標(biāo)等尚未確定，因此與ITU-R 報(bào)告書M.2410[8]第3.3 節(jié)給出的5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)于用戶體驗(yàn)速率的最低要求以及對(duì)應(yīng)的頻譜效率（第5百分位頻譜效率）進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)HIBS 下行頻譜效率進(jìn)行評(píng)估。用戶體驗(yàn)速率如表3 所示。

表3 ITU-R報(bào)告書M.2410下行頻譜效率最小需求

圖7 所示為三個(gè)頻段下行SINR CDF 曲線，圖8 為下行頻譜效率CDF 曲線，SINR 和頻譜效率CDF 第5 百分位取值和平均值如表4 所示。

表4 HIBS下行SINR和頻譜效率

圖7 下行SINR CDF曲線

圖8 下行頻譜效率CDF曲線

因?yàn)镠IBS 主要作為IMT 網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，覆蓋郊區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此選擇表3 中郊區(qū)作為比較場(chǎng)景。由表3 和表4 可知，在三個(gè)頻段條件下，HIBS 下行頻譜效率第5 百分位數(shù)值分別為0.31、0.27、0.25 bit/s/Hz，大于0.12 bit/s/Hz，所以能夠滿足5G 網(wǎng)絡(luò)的最小需求；而平均值分別為1.03、0.70、0.61 bit/s/Hz，小于3.3 bit/s/Hz，難以達(dá)到良好的速率體驗(yàn)。

6 結(jié)束語

高空平臺(tái)基站的應(yīng)用能夠擴(kuò)展地面IMT 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，使偏遠(yuǎn)山區(qū)、海岸線、沙漠等未覆蓋網(wǎng)絡(luò)的地方提供網(wǎng)絡(luò)接入，以較低的建設(shè)成本覆蓋大面積區(qū)域。本文就HIBS 下行頻譜效率進(jìn)行了仿真研究，在所使用的參數(shù)下對(duì)其CDF 第5 百分位值和平均值與ITU-R 報(bào)告書M.2410中下行頻譜效率最小需求值和平均值進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，該仿真參數(shù)下，HIBS 下行頻譜效率能夠滿足5G網(wǎng)絡(luò)要求，但無法達(dá)到良好的下行速率。因此，為了提高頻譜效率，滿足今后6G 網(wǎng)絡(luò)要求，提升用戶速率體驗(yàn)，后續(xù)可研究降低同頻干擾等相關(guān)技術(shù)。