《电子技术应用》
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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
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 3.5GHz 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.
Analysis of interference from 5G system BSs to FSS earth station at 3.5 GHz band
Li Kece1,Li Jingchun2,Yang Wenhan2,Xu Ying2
1.School of Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China; 2.The State Radio Monitoring Center,Beijing 100037,China
Abstract: For the guarantee of the development and testing of the fifth generation mobile communication(5G) technology in our country, and the protection of the normal work of the 3.5 GHz band fixed satellite service(FSS), the latest 5G system parameters and the simulation method provided by International Telecommunication Union(ITU) proposals are used to carry out the research of the coexistence of 3.5 GHz band 5G system base station with the FSS system in this paper. The results show that the 5G system base stations(BSs) has a large co-channel interference to FSS earth station at 3.5 GHz band, which makes it difficult to realize the coexistence of two systems at the same frequency, and the coexistence of two systems can be realized by some measures when the adjacent frequency is deployed.
Key words : the fifth generation mobile communication system;3.5 GHz;fixed satellite service;coexistence analysis

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。

5G5-t6.gif

    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.



作者信息:

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)