25.25GHz—27.5GHz頻段IMT與衛星星間業務共存研究

張炎炎 王寶聰 李欣 李文祺 劉娜 韓銳

【摘? 要】為了解決IMT系統在覆蓋、容量、性能等方面的高要求帶來的頻譜缺口問題，WRC-19 1.13議題正在著力為未來移動通信系統的發展尋求新的頻率劃分，其中24.25 GHz—27.5 GHz是主流IMT毫米波候選頻段中最低的一段。IMT系統獲取頻段劃分，需解決IMT系統對衛星星間業務的共存干擾問題。通過對互不產生有害干擾的25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）與ISS之間的共存開展研究，分析了二者的兼容共存性能。通過仿真實驗證實了二者可以共存。

【關鍵詞】IMT-2020（5G）;衛星星間業務;共存研究

1? ?引言

相比于以往各代移動通信系統，5G需要滿足更加多樣化的場景和機制性能挑戰。ITU發布的《5G愿景》[1]定義了5G系統將滿足增強的移動寬帶、海量的機器間通信、超高可靠和超低時延通信三大類應用場景。要滿足各類應用場景在覆蓋、容量、性能等方面的要求，5G的系統頻譜還有很大的缺口。為此，WRC-19設立了1.13議題為未來移動通信的發展尋求新的頻譜劃分。為了保障IMT-2020（5G）與候選頻段內現有業務不會產生有害干擾，有必要開展IMT-2020（5G）系統與相關業務的共存研究。

衛星星間業務（Inter-Satellite Service， ISS）作為一種衛星之間進行通信的業務，其GSO（Geosynchro-nous，同步軌道）衛星追蹤NGSO（Non-Geosynchro-nous，非同步軌道）衛星的工作方式決定了其覆蓋范圍比較廣泛，甚至可達1/3地球面。衛星覆蓋范圍內大量IMT-2020基站很有可能帶來較為嚴重的干擾。因此ISS是一種需要重點開展共存研究的業務。本文主要開展IMT-2020（5G）系統與ISS之間的共存與兼容性研究。

2? ?系統參數

2.1? 25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）系統參數

根據ITU-R WP5D工作組相關研究報告[2]，25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）的技術與操作特性如表1所示：

2.2? 衛星星間系統特性

衛星系統參數參考ITU-R SA.1414[3]建議書，本次仿真選取的參數如表2所示：

3? ?共存場景與研究方法

3.1? IMT系統網絡拓撲

ITU-R M.2101建議書中提出了四種IMT系統的典型部署模型，包括宏小區模型、微小區模型、室內網絡模型以及混合網絡模型。針對本文考慮的IMT-2020網絡，未來將是高低頻協同組網，其中低頻將主要用于覆蓋，高頻將主要用于滿足熱點區域高流量需求。為此未來IMT-2020網絡將是宏小區與微小區并存的情況，因此采用混合網絡模型對IMT-2020系統網絡進行建模。具體地，該模型中由宏小區對設定的仿真區域進行覆蓋，在每個宏小區覆蓋范圍內分布著若干個微小區簇，每個微小區簇內包含一定數量的微小區。微小區的位置可以隨機撒放也可以撒放在特定位置。混合網絡模型場景圖如圖1所示。一般情況下，為了避免宏微小區之間相互干擾，宏微小區通常不工作在同一個頻段。如前所述，高頻主要對熱點區域進行覆蓋，因此本文主要研究IMT微小區基站對于衛星的干擾情況。

3.2? 共存場景

25.25 GHz—27 GHz頻段為ISS業務的反向鏈路，即同步軌道衛星（GSO）接收來自非同步軌道（NGSO）衛星發射的信號。共存研究需要評估的是同步軌道衛星覆蓋范圍內的所有IMT微站對同步軌道衛星的干擾情況。共存場景如圖2所示：

3.3 干擾分析方法

基于上述網絡拓撲以及共存場景，IMT-2020（5G）與ISS的共存仿真方法主要如下：

（1）根據地面上固定點與衛星之間的角度關系計算衛星覆蓋的經緯度范圍。以經緯度1°為步長，將衛星覆蓋范圍劃分為網格。考慮到該頻段內IMT-2020（5G）系統不會部署在人煙稀少的地區，因此在衛星覆蓋范圍內將海洋、沙漠、戈壁、原始森林等占據主要區域的網格刨除，得到仿真區域。

（2）對于每一個網格，根據網格區域面積，大范圍部署情況下，WP5D建議使用建成區面積占比（Rb）、熱點覆蓋區域占比（Ra）以及基站密度計算每個網格內應部署的IMT微站數量。

（3）仿真區域內部署基站數量龐大，參考ITU-R F.1509建議書[5]中固定業務點對多點中心站對DRS（Data Relay Satellites，數據轉發衛星）系統干擾的分析方法，引入中心站的概念對仿真模型進行簡化。即假設一個區域內所有IMT基站的同信道集總發射可以建模為一個功率譜密度等于該區域內每一個基站輸入端功率譜密度總和的單個臺站，即IMT中心站。每個網格內部署若干個IMT中心站代表所有IMT微站的行為。同理，所有IMT微站的發射功率也集中在中心站處。

（4）為所有IMT中心站隨機生產一個IMT終端，用戶終端和基站之間的距離服從瑞利分布，其中標準差σ=32，用戶終端和基站之間的方位角服從正態分布。IMT中心站將波束指向所服務的IMT終端。

（5）使波束指向仿真區域內的某一點，通過計算所有IMT中心站發射功率、發射增益、路徑損耗以及衛星接收增益可得到一個集總干擾結果。

（6）以經緯度1°為步長，使波束遍歷衛星覆蓋范圍的所有點，即可得到IMT基站對衛星接收干擾的空間分布。

4? ?仿真結果

當衛星軌位為59°、113°、167°時，衛星覆蓋范圍內所有IMT-2020（5G）微站對衛星干擾的空間分析結果如下所示。

4.1? 衛星軌位59°

圖3顯示當衛星軌位為59°時，波束指向不同位置的情況下覆蓋范圍內所有IMT-2020系統臺站對衛星的干擾情況。對于圖中某個特定點而言，橫縱坐標分別為該點的經度和緯度，將該點處顏色與圖右顏色條相對照可得到該點處的干擾噪聲比。該干擾噪聲比與干擾標準相比即可得衛星波束照射該點處的干擾情況。根據圖3，當衛星軌位為59°時，最小干擾余量為37.67 dB，二者可以實現共存。

4.2? 衛星軌位113°

圖4顯示當衛星軌位為113°時，波束指向不同位置的情況下覆蓋范圍內所有IMT-2020系統臺站對衛星的干擾情況，根據所處點標識顏色即可得到衛星波束指向該點時的干擾余量。當衛星軌位為113°時，最小干擾余量為37.70 dB，二者可以實現共存。

4.3? 衛星軌位167°

圖5顯示當衛星軌位為167°時，波束指向不同位置的情況下覆蓋范圍內所有IMT-2020系統臺站對衛星的干擾情況，根據所處點標識顏色即可得到衛星波束指向該點時的干擾余量。當衛星軌位為167°時，最小干擾余量為37.81 dB，二者可以實現共存。

5? ?結束語

本文主要針對25.25 GHz—27.5 GHz頻段范圍內IMT-2020（5G）與ISS衛星之間的共存情況開展研究，主要研究衛星覆蓋范圍內部署的所有IMT-2020基站對衛星的干擾情況。依據IMT-2020（5G）系統相關參數及網絡部署特點建立IMT系統混合模型，根據IMT-2020與ISS系統干擾場景設定仿真方法對IMT-2020（5G）系統基站對ISS的干擾情況進行了干擾仿真分析。仿真結果表明，在25.25 GHz—27.5 GHz頻段IMT-2020（5G）與ISS可以實現共存，其干擾余量較大。

參考文獻：

[1] ITU-R.M.2083. IMT Vision–Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015.

[2] Document R15-WP5D-170214-TD-0265. Characteristics of terrestrial IMT systems for frequency sharing interference analyses in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. 2016.

[3] ITU-R SA.1414. Characteristics of data relay satellite systems[S]. 2013.

[4] ITU-R M.2101-0. Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[S]. 2016.

[5] ITU-R F.1509. Technical and operational requirements that facilitate sharing between point-to-multipoint systems in the fixed service and the inter-satellite service in the band 25.25-27.5 GHz[S]. 2015.