25.25～27.5 GHz頻段衛星間業務與IMT系統兼容性研究

錢肇鈞，王坦，康龍，李博

（1.國家無線電監測中心，北京 100037；2.華北電力大學，北京 102206；3.北京郵電大學，北京 100876）

25.25～27.5 GHz頻段衛星間業務與IMT系統兼容性研究

錢肇鈞1，王坦1，康龍2，李博3

（1.國家無線電監測中心，北京 100037；2.華北電力大學，北京 102206；3.北京郵電大學，北京 100876）

基于現有技術參數，研究了25.25～27.5 GHz頻段國際移動通信（IMT）系統與衛星間業務數據中繼衛星（DRS）系統間的干擾共存情況。采用集總干擾評估方法，比較了數據中繼衛星經度分別在59°、85°、113°時，IMT基站對其造成干擾的情況。此外，還通過固定干擾余量，推導了IMT基站總數及其與IMT發射功率之間的關系。研究結果可為未來25.25～27.5 GHz頻段IMT系統設計與部署、5G頻率規劃提供借鑒。

衛星間業務；IMT系統；兼容性；干擾共存

1 引言

2015年WRC-15大會確定了WRC-19會議1.13議題，即根據第238[COM6/20]號決議（WRC-15）[1]，審議為國際移動通信（IMT）的未來發展確定頻段，包括為作為主要業務的移動業務做出附加劃分的可能性。議題將開展頻率相關問題研究，為國際移動通信確定頻段，包括可能在24.25～86 GHz頻率范圍內的部分頻段（11個候選頻段）為移動業務做出附加主要業務劃分，以完成IMT在2020年及之后的未來發展。簡言之，該議題的主要職責是確定5G候選頻段或相鄰頻段內現有業務的技術特性（包括保護標準），研究5G系統與相關無線電業務系統的兼容性。其中，25.25～27.5 GHz頻段由于頻率較其他5G高頻候選頻段相對較低、器件成熟度較高，已成為全球IMT陣營極力爭取的頻段，該頻段5G系統與衛星間業務的兼容性分析也成為相關頻率規劃研究的熱點。

數據中繼衛星（data relay satellite，DRS）系統是衛星間業務最主要的系統[2]，是在航天器與地球站之間提供實時測控和數據中繼服務的系統。DRS一般位于地球靜止軌道，從上向下覆蓋用戶航天器。DRS從根本上解決了測控、數據傳輸的軌道覆蓋率（用戶航天器可建立無線聯系的軌道弧段占總弧段的百分比）和實時信息傳輸的問題，經濟效益很高。此外，美國等主要國家DRS系統紛紛提高了高速數據傳輸的能力[3]，大大增加了Ka頻段的使用。

在國際衛星頻率及空間軌道位置資源競爭日趨激烈的今天，適合我國建立全球衛星移動系統的優質頻率資源已少之又少[4]，但我國還需要加緊部署高速率、高可靠和低時延的地面系統。業界早已開展了衛星和地面系統間的干擾共存研究，然而涉及衛星間的研究很少，因此研究該頻段衛星間業務DRS系統與同頻的IMT系統之間的兼容性十分必要。本文針對25.25～27.5 GHz頻段中繼衛星系統與5G系統同頻干擾問題展開了研究，以期為我國無線電管理部門對相關頻段的業務規劃提供理論支撐。

2 干擾場景

根據國際電信聯盟《無線電規則》[5]，頻譜劃分情況見表1，25.25～27.5 GHz頻段全球有統一劃分，主要業務包括移動業務、固定業務以及衛星間業務等。該部分的衛星間業務，在歐洲、日本、美國和中國，主要用于低軌道空間飛行物到數據中繼衛星之間的星間鏈路單向無線通信使用。

在該頻段衛星間業務與IMT系統之間，主要的無線通信鏈路有4類，如圖1所示，包括空間飛行物到數據中繼衛星的單向鏈路、空間飛行物到基站的單向鏈路、移動端到基站的雙向鏈路、基站到數據中繼衛星的單向鏈路以及移動端到數據中繼衛星的單向鏈路，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移動通信中所使用的頻率較高，因此在該頻段上，IMT系統將主要部署在密集城區，以室內/外小基站的形式提供大帶寬和高容量業務。假設未來IMT終端用戶發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。

此外，空間飛行物采取了窄波束及方向性較強的星載天線，當空間飛行物在南北極上空時，其與數據中繼衛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°。根據參考文獻[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，噪聲系數取5 dB的情況下，系統噪聲為-126 dBW。實際干擾大約為-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，這樣實際接收到的干擾約為-187 dBW。此時計算的I/N=-61 dB，遠低于一般的干擾保護標準（-12.2 dB或-6 dB）。因此，空間飛行物對IMT的干擾可以忽略不計。況且由于實際的星載天線帶寬應該小于20 MHz，星載天線到地面的損耗還應包括大氣衰減和雨衰減等以及極化差異這3個因素，也會導致對IMT基站實際干擾影響很小，可以忽略不計。

根據上述研究以及國際上后入業務應保護先有業務的要求，本文僅將IMT基站對數據中繼衛星的干擾作為重點。另外，由于室內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，本文將重點分析室外IMT小基站與DRS間的干擾問題。

根據國家統計局城市社會經濟調查司發布的《中國城市統計年鑒》（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km2）建成區作為地面區域來計算該區域內部署的IMT小基站對DRS衛星的干擾。北京、天津和河北的建成區面積約為3 480 km2。因為Ka頻段衛星點波束主瓣覆蓋面積約為10萬km2，集總干擾計算更加惡劣；IMT小基站緯度越高，天線仰角越小，對DRS衛星的干擾程度更大；建成區是指市行政區范圍內經過征用的土地和實際建設發展起來的非農業生產建設地段，更加符合市區密集場景。

3 關鍵參數

3.1 基站密度

假設小基站小區間隔為200 m，小區為六邊形結構，每個小區3個扇區，每個扇區3個小基站，這樣一個小區有9個小基站。可以計算一個小區面積為0.034 6 km2，那么1 km2內可以部署1/0.034 6=29個小區，從而可以部署29×9=261個小基站。

3.2 集總干擾時基站天線模型

集總干擾時的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。每個天線陣的增益為6 dBm。每個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于最大值的一個值。從表2的參數情況看，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 鏈路預算

確定性分析、仿真以及外場測試是無線通信系統共存干擾研究的常用方法。仿真有鏈路級仿真和系統級仿真，鏈路級仿真是建立一條點到點的無線鏈路；而系統級仿真是通過關注整個系統內的多條鏈路來檢驗系統的特性。在無線通信系統中，系統之間的共存干擾通常是由從無線電鏈路預算分析得到的干擾余量決定的。本文研究了IMT集總干擾數據中繼衛星的分析方法。

4.1 單點干擾

衛星接收到的IMT干擾功率I為：

其中，I為衛星接收機輸入端接收到的干擾功率（單位為dBm），PT為IMT系統發射功率 （單位為dBm）；GT(θ)和GR分別是發射端和接收端的天線增益，由于GR與衛星覆蓋面積有關，在Ka頻段，DRS主要是點波束覆蓋，增益較高；LT是IMT發射機饋線損耗 （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，需要考慮的是在衛星太空站所覆蓋的地面區域內包含的所有地面IMT基站對于衛星的干擾總和。需要說明的是，雖然涉及多個不同干擾信號，在傳輸過程中勢必存在相位差，但根據ITU-R相關研究報告[8,9]，集總干擾計算基于功率疊加進行分析，一般不考慮相位這一因素，通常只考慮最壞的情況。因此，在計算集總干擾功率之前需要知道地面區域內所有同時對衛星產生干擾的IMT基站的數量以及它們的位置。假設在集總干擾條件下，每一個IMT基站對于衛星的干擾相同，則在單個IMT的干擾I基礎上，衛星覆蓋范圍下，M個基站的集總干擾為：

衛星覆蓋面積下的IMT基站的數目主要取決于3個因素：衛星覆蓋面積、城市百分比、每平方千米基站數基站的散布因子，將上述3個因子相乘便可得到衛星覆蓋下IMT基站總數為：

根據干擾保護準則[10]I/N=-10 dBm以及衛星的噪聲功率可以計算出衛星接收機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、噪聲溫度和衛星接收機帶寬。干擾余量IΔ由最大干擾功率 IMAX和集總干擾功率 Iaggregate的差值計算得到：

通過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是否會對衛星固定業務上行產生干擾。

表2 IMT基站天線增益

5 IMT和衛星系統共存干擾

5.1 仿真參數

如果最后的結果顯示IΔ>0 dBm，則說明IMT的聚合干擾低于衛星的抗干擾門限，共存可行。IMT小基站參數采用參考文獻[11]定義的小站參數；衛星方面，相關資料表明[12]，數據中繼衛星的軌道位置有35個，其中在我國上空的有9個，I/N干擾準則為-10 dBm，數據中繼衛星接收參數參考ITU建議書[13]。

由于衛星在近3.5萬km的靜止軌道上遠行，因此干擾路徑與地面水平方向夾角較大。實際的IMT系統會分布在一個較大的衛星點波束覆蓋區域內，每個IMT干擾的仰角會略有不同，而仰角與衛星經度和天線垂直下傾角有關，每一個天線垂直下傾角對應一個天線增益。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對衛星經度分別為113°、85°、59°不同天線仰角下的DRS衛星干擾情況，具體確定性計算結果見表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行了系統間鏈路預算和仿真。對于10 GHz以上的電磁波，雨衰減的影響非常明顯，在鏈路計算中必須考慮雨衰減的影響。根據ITU建議書[14]，中等降雨強度（12.5 mm/h）下該頻段雨衰減為2 dBm/km，通過降雨區域的路徑長度為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星的最大允許干擾，說明IMT系統在該頻段對DRS系統的干擾在DRS系統允許范圍之內，系統間可共存。

表3 IMT對DRS衛星確定性干擾計算過程表結果（部分）

根據適當的干擾余量，在相同情況下當衛星經度為113°、85°、59°時，反推得到的基站總數分別約為3 969 224、4 128 120和4 480 718個。

5.2 仿真結果及分析

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。可以看出當干擾余量大于0時，說明集總干擾小于衛星的抗干擾門限，因此在該頻段IMT與數據中繼衛星系統的共存是可行的。比較兩條曲線可以看出，考慮雨衰減的情況干擾余量較大。這是因為在鏈路預算中，考慮雨衰減時，地面IMT系統衰減更多因此對衛星造成的干擾更小，而在不考慮雨衰減時地面IMT系統衰減更少因此對衛星的干擾更大。

圖3 干擾余量隨天線仰角變化

上述計算和仿真結果是在假設IMT發射功率和部署的IMT基站總數都是定值的前提下得出的，實際上，基站發射功率、基站總數都不是固定值，其中任一值改變都會影響最終結果，而且二者之間存在一定關系。以衛星經度為113°為例，干擾余量取為5 dBm，IMT傳輸功率在24～43 dBm變化。根據本文采用的集總干擾鏈路預算方法，可以得到二者之間的關系曲線如圖4所示。由于固定干擾余量，所以IMT基站發射功率越大，可部署的IMT基站總數越少。

圖4 可部署的IMT基站總數與IMT基站天線發射功率的關系

6 結束語

本文研究了25.25～27.5 GHz頻段IMT與DRS的干擾共存場景。基于實際衛星軌道位置和衛星下點覆蓋面積，使用集總干擾計算方法，比較了DRS衛星經度分別在59°、85°、113°時，IMT基站對其干擾情況。在上述系統參數條件下，在IMT發射增益最大并考慮雨衰減時，干擾余量大于0，說明集總干擾小于衛星的抗干擾門限，有一定的共存余量。本文研究結果可為將來在該頻段的IMT基站設計和部署、5G頻率規劃時提供借鑒。

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錢肇鈞（1984-），男，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為無線電波傳播、系統間電磁兼容、5G新技術發展、大規模MIMO相關技術等。

王坦（1985-），男，博士，國家無線電監測中心高級工程師，主要研究方向為頻率規劃、頻率評估和5G頻率管理研究等。

康龍（1989-），男，華北電力大學碩士生，主要研究方向為無線通信網絡與新技術、5G無線通信系統頻譜兼容性等。

李博（1993-），女，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為系統間干擾共存、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

國家科技重大專項基金資助項目（IMT-2020候選頻段分析與評估）（No.2015ZX03002008）

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