《电子技术应用》

3.5 GHz频段5G系统基站对FSS地球站的干扰分析

2017年电子技术应用第8期 作者:李可策1,李景春2,杨文翰2,许 颖2
2017/8/24 14:40:00

李可策1,李景春2,杨文翰2,许  颖2

(1.河北工业大学 电子信息工程学院,天津300401;2.国家无线电监测中心,北京100037)


    摘  要: 为保障第五代移动通信(5G)技术在我国的研发与测试,保护3.5 GHz频段上卫星固定业务(FSS)的正常工作,运用最新5G系统参数和国际电信联盟(ITU)相关建议书提供的仿真方法,开展了3.5 GHz频段上5G系统基站与FSS系统的共存研究。结果表明,3.5 GHz频段上5G系统基站对FSS地球站同频干扰较大,难以实现两系统同频共存,邻频部署时可通过一定的措施实现两系统共存。

    关键词: 5G;3.5 GHz;FSS;共存研究

    中图分类号: TN929.5

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172904


    中文引用格式: 李可策,李景春,杨文翰,等. 3.5 GHz频段5G系统基站对FSS地球站的干扰分析[J].电子技术应用,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,我国正在北京地区开展3 400-3 600 MHz频段的第五代移动通信(the fifth generation mobile communication,5G)技术研发与测试试验。然而,C频段与扩展C频段(3 400-4 200 MHz)一直是我国和亚洲地区卫星通信产业的传统核心频段[1]。与其他频段相比,我国C频段卫星系统使用地位更高,部署和应用范围更广,并体现在我国重大卫星工程、行业卫星通信应用、航天卫星研制、国际卫星出口等多个领域[2]。为保证5G系统与卫星固定业务(Fixed Satellite Service,FSS)的兼容共用,避免对在轨及计划使用的卫星系统产生有害干扰,本文开展了该频段上5G系统基站对FSS地面接收站(地球站)的干扰分析研究,为该频段未来规划奠定基础。

1 干扰场景与分析方法

1.1 干扰场景

    由于扩展C频段是我国固定卫星业务的下行频段,所以5G系统与FSS系统的干扰主要有4种:5G基站对FSS地球站的干扰、5G用户对FSS地球站的干扰、FSS卫星对5G基站的干扰、FSS卫星对5G用户的干扰。本文主要研究在城区和郊区两种场景下,5G基站对FSS地球站的干扰场景。

    3.5 GHz频段上的5G系统主要用于广域覆盖,故3.5 GHz频段上5G系统基站均采用三扇区宏站,蜂窝组网。共存研究时,5G基站与FSS地球站部署在同一地理区域,假设存在一个FSS地球站,5G系统基站呈环状部署在地球站周围[3],其共存拓扑模型如图1所示。其中,Dprotection表示两系统共存时所需的保护距离,Dintersite表示两个基站之间的距离。

5G5-t1.gif

    单个5G系统基站发射机对FSS地球站的干扰模型如图2所示。其中,O为FSS地球站所在位置,OP为地球站主轴方向,A为5G基站发射天线所在位置,AO为5G基站发射机对FSS地球站的干扰方向;α为地球站天线主轴与其在水平面的投影构成的角度,即地球站的仰角;5G5-gs1-x1.gif为干扰方向与地球站主轴方向的空间离轴角[4]

5G5-t2.gif

1.2 干扰分析方法

    5G系统基站对FSS系统主要考虑同频干扰和邻频干扰[5]。具体造成干扰的程度主要取决于FSS地球站的仰角、所接收到的5G系统的集总干扰功率等。

    若只考虑一个5G基站的干扰时,则地球站接收到的干扰功率可由式(1)计算:

    5G5-gs1.gif

其中,IIMT为FSS地球站接收机输入端接收到的1 MHz带宽内的干扰功率(dBm),PIMT为5G系统基站每MHz带宽的发射功率(dBm),GIMT(γ,β)为5G系统基站的天线增益(dB),GFFS(5G5-gs1-x1.gif)为FSS地球站接收天线增益(dB),L(f,d)为大范围的路径损耗(dB),CL(d)为周围物体的散射损耗(dB),ACLR为邻信道泄露比(dB)。

    5G系统基站对FSS地球站的集总干扰可由式(2)计算:

    5G5-gs2.gif

其中,Iagg为到达卫星地球站接收机输入端的集总干扰功率谱密度(dBm/MHz),In为第n个5G基站对卫星地球站的干扰功率谱密度(dBm/MHz)。

    (1)5G系统天线模型

    5G系统将使用大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线,大规模MIMO天线利用其波束赋形技术可以形成方向性极强的窄波束,从而在目标方向波束增益最大,而在干扰和无用方向产生零陷,增益最小[6-7],天线模型参考ITU-R M.2101建议书[8]

    (2)FSS地球站接收天线模型

    卫星地球站天线的增益与离轴角的关系参考ITU-R S.465建议书[9],如式(3)、式(4)所示:

5G5-gs3-4.gif

    (3)传播模型

5G系统基站对FSS地球站的干扰传播发生在室外,其干扰传播机理主要包括视距传播、绕射等,根据ITU P系列建议书无线电传播模型分类,参考P.452建议书[10]和TG 5/1工作组中的Clutter Loss,计算5G系统基站到FSS地球站的传播损耗。

2 系统参数

2.1 5G系统典型参数

    根据建议书ITU-R M.2101和报告书ITU-R M.2292,参考5G系统高频参数和2017年业内最新进展,3.5 GHz频段5G系统参数建议如表1。

5G5-b1.gif

2.2 FSS系统地球站参数

    参考ITU相关建议书和CCSA前期研究情况,卫星固定业务参数建议如表2。

5G5-b2.gif

    根据表格中的相关参数,可计算出该频段卫星地球站输入端的干扰功率门限为-130.8 dBm/MHz。

3 系统仿真

    根据上述系统参数,本文仿真了在城区和郊区两个场景,同频和邻频两种情况下,不同仰角时5G系统基站对FSS系统地球站的干扰。仿真过程中,基站发射功率取最大值32 dBm/100 MHz,P.452传播模型时间比设置设为50%,Clutter Loss位置百分比设为50%。干扰功率为100次撒点的均值。地球站周围至少有7圈基站部署。

3.1 城区场景

    研究两系统同频共存时,5G系统基站部署在地球站周围半径为32.85 km的圆环行区域内。此区域范围是为了保证当隔离距离为30 km时,地球站周围仍有7圈基站部署。最初的隔离距离设为一个站间距(城区0.45 km),当集总干扰功率超过干扰功率门限时,增大隔离距离,直到隔离距离为30 km。卫星接收到的平均干扰功率与隔离距离的关系如图3所示。

5G5-t3.gif

    从图3中可以看出,两系统同频部署,卫星仰角为15°、30°、45°时,需要的保护距离分别约为28.4 km、27.5 km、27.1 km。当隔离距离为10 km,卫星仰角为15°、30°、45°时,额外干扰余量分别约为24 dB、22 dB、21 dB。从上述数据中可以看出,随着FSS地球站仰角的增大,两系统共存需要的保护距离减小。但是,当仰角为45°时,仍需要约27.1 km的保护距离,此距离要求难以在城区范围内实现。当隔离距离为10 km时,低仰角时干扰余量高达24 dB,高仰角时干扰余量高达21 dB。

    当5G系统与FSS系统邻频部署时,5G系统部署半径为5 km,邻道泄露比取45 dB,最小隔离距离设为0.01 km(基站天线和地球站天线高度差)。卫星接收到的干扰功率与隔离距离的关系如图4所示。

5G5-t4.gif

    从图4中可以看出,两系统邻频部署,卫星仰角为15°、30°、45°时,需要的保护距离均约为0.38 km,即两系统隔离一个站间距(城区0.45 km)时就能够达到共存条件。两系统间隔离距离为最小值时,不论卫星仰角高低变化,干扰余量均很大。分析可知,在城区场景下两系统邻频部署时,需要一个站间距的隔离距离即可满足共存要求。

3.2 郊区场景

    研究两系统同频共存时,5G系统基站部署在地球站周围半径为36 km的圆环行区域内。仿真方法与城区同频部署场景相同。卫星接收到的干扰功率与隔离距离的关系如图5所示。

5G5-t5.gif

    从图5中可以看出,两系统同频部署,卫星仰角为15°、30°、45°时,需要的保护距离约为26.8 km、25.4 km、24.9 km。当保护距离为10 km,卫星仰角为15°、30°、45°时,额外干扰余量分别约为22 dB、20 dB、19 dB。由数据可以看出,两系统共存需要的保护距离亦随着FSS地球站仰角的增大而减小,需要的保护距离依旧很大。

    当5G系统与FSS系统邻频部署时,5G系统部署半径为10 km,最小隔离距离为0.022 km(基站天线和地球站天线高度差),邻道泄露比取45 dB。卫星接收到的干扰功率与保护距离的关系如图6所示。

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    从图6中可以看出,两系统邻频部署,卫星仰角为15°、30°、45°时,需要的保护距离均约为0.62 km。两系统隔离距离设为一个站间距(郊区为0.9 km)时,基站对地球站的集总干扰小于干扰门限。当隔离距离为最小值时,干扰余量约为29 dB。分析可知,在郊区场景下两系统邻频部署时,需要一个站间距的隔离距离即可满足共存要求。

4 结论

    通过上述数据可以得出,5G系统基站与FSS地球站同区域同频部署时,基站对FSS地球站的干扰较大,需要约24.9~28.4 km的保护距离。两系统同区域邻频段部署时,对FSS地球站的干扰较小,5G系统基站的ACLR为45 dB时,需要几百米的保护距离。因此,可通过提高5G系统基站的ACLR,或者通过频率隔离等措施实现两系统的邻频共存。

参考文献

[1] 王秀琦.卫星固定业务规划研究[J].数字通信世界,2006(3):54-57.

[2] 程粉红.卫星固定业务规划频段应用前景浅析[J].中国无线电,2014(7):32-33,45.

[3] 孟德良,杨文翰,方箭.3 400~3 600 MHz频段IMT室内覆盖系统与FSS系统兼容性研究[J].电信技术,2015(4):59-64.

[4] 郭鹏.3.4-3.6 GHz频段基于LTE热点增强系统与卫星固定业务的共存研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[5] 张炎.3.5 GHz频段上卫星固定业务与宽带无线接入系统的共存研究[D].北京:北京邮电大学,2009.

[6] 杨丰瑞,董志明.第五代移动通信系统的研究分析[J].电子技术应用,2015,41(2):23-25,30.

[7] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014,44(5):551-563.

[8] Rec.ITU-R M.2101.Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[R].2017.

[9] Rec.ITU-R S.465-6.Reference radiation pattern of earth station antennas in the fixed-satellite service for use in coordination and interference assessment in the frequency range from 2 to 31 GHz[R].2010.

[10] Rec.ITU-R P.452-16.Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz[R].2015.

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