Q/V頻段5G基站對NGSO星座系統地球站的干擾分析*

(國家無線電監測中心，北京 100037)

0 引 言

據國際電聯(International Telecommunication Union,ITU)預測，在2020—2030年期間，移動寬帶數據流量將增加10～100倍，這必然需要大量的無線電頻譜作支撐[1]。毫米波頻段以連續頻譜資源大的優點，在5G網絡未來建設中具有重要的作用，其中，37～43.5 GHz的部分頻段已被標識為全球統一的5G頻段[2]。

隨著航天技術的發展，非靜止軌道(Non-geostationary Satellite Orbit,NGSO)星座系統迎來了新一波發展熱潮，并且NGSO星座具有大規模化的發展趨勢[3]。美國SpaceX公司在2015年提出Starlink計劃，擬發射42 000顆衛星，目前已發射1 025顆衛星，其中961顆衛星在軌[4]。這些新興NGSO星座擬規劃使用37.5～51.4 GHz頻段，與5G毫米波系統存在用頻重疊。考慮到NGSO星座系統全球無縫覆蓋，衛星規模大，地球站分布廣且無處不在，那么NGSO星座系統與5G毫米波系統之間將存在潛在的有害干擾。因此，在37～43.5 GHz頻段部署5G系統和NGSO星座系統之前，開展系統間的干擾分析尤為必要。

目前關于NGSO星座系統與5G系統間的干擾分析的研究較少，但是靜止軌道(Geostationary Satellite Orbit,GSO)衛星系統與5G系統間的干擾分析研究較多。文獻[5-7]的研究主要針對GSO系統和5G系統之間的干擾場景。在NGSO星座系統與5G系統共存的動態場景下，涉及的動態時變參數更多，鏈路距離、天線波束指向等鏈路特征均不斷變化，適用于GSO衛星系統的靜態仿真方法將不再適用NGSO星座系統，因此，上述研究對NGSO星座系統與5G系統間干擾分析的借鑒意義不大。

為了解決上述問題，本文考慮NGSO星座系統衛星位置動態時變性，建立了基于時間離散的“拉遠式”和“挖洞式”的動態干擾分析模型，按照最大仰角鏈路建立策略為NGSO星座系統地球站建立鏈路，并通過設置不同的保護距離評估分析5G基站對NGSO星座系統地球站的集總干擾。

1 系統建模

1.1 系統特性

1.1.1 5G毫米波系統特性

考慮到NGSO衛星點波束具有覆蓋面積大的特點，單個點波束的覆蓋直徑高達1 000 km[8]，因此衛星點波束覆蓋范圍下的5G系統網絡拓撲將是由宏小區和微小區構成的異構網絡拓撲，低頻段部署的宏小區用于實現大面積覆蓋，毫米波頻段部署的微小區用于實現熱點地區覆蓋及提升系統容量。

在研究5G系統對NGSO地球站的干擾時，對于城市微蜂窩場景，仿真時考慮15.2 km2的5G部署區域，先在仿真區域內確定19個宏小區的拓撲(站間距為961 m)，每個宏小區包含3個相同的六邊形扇區；然后在宏小區的每個扇區內都內分布著2個微基站簇，在每個簇內撒放4個微基站，并確保微基站之間的距離不小于50 m，網絡拓撲如圖1所示，在局部區域內共部署了456個微基站，符合WP5D工作組建議的每平方千米30個基站的仿真密度。

圖1 局部區域內的5G基站部署

1.1.2 NGSO星座系統特性

對于NGSO星座系統，根據業務類型進行分類，包括用戶波束和饋線波束兩種典型的波束，用戶波束的覆蓋面積比饋線波束的覆蓋面積小；根據波束對地覆蓋特性進行分類，可分為固定點波束和可調點波束。固定點波束相對于衛星固定，其特點是當衛星運動時，其對地覆蓋區域隨衛星的運動而變化，使用這種點波束的系統，地球站將會由于衛星的運動需要從一個點波束切換到另一個點波束。可調點波束的特點是通過調節衛星天線，可以實現衛星波束的對地覆蓋范圍保持固定。目前規劃的40 GHz頻段NGSO星座系統大多采用可調點波束，因此本仿真中基于可調用戶點波束進行波束建模。

1.2 干擾場景

5G微基站干擾NGSO星座系統地球站的場景示意圖如圖2所示，O1表示NGSO星座系統地球站接收天線的位置，O1P為NGSO星座系統地球站接收天線的主瓣方向，O2表示5G微基站發射天線的位置，O2A為5G微基站指向5G用戶終端的波束主瓣方向，O1O2為從5G微基站指向NGSO星座系統地球站的干擾鏈路方向；ψ為干擾鏈路方向與地球站接收主瓣方向之間的離軸角；φBS為5G微基站波束主瓣水平面投影與水平線之間的夾角，即5G微基站的方位角；φBS,ES為5G微基站相對于NGSO星座系統地球站的方位角；θBS為5G微基站波束主瓣與其水平面投影形成的角度，即5G微基站的仰角；θBS,ES為5G微基站相對于NGSO星座系統地球站的仰角。

圖2 5G微基站干擾NGSO星座系統地球站的場景示意圖

1.2.1 “拉遠式”拓撲模型

圖3給出了“拉遠式”拓撲模型，在地球站一定保護距離之外的一側部署5G基站，仿真分析部署范圍內微基站對地球站的集總干擾情況。該場景拓撲主要適用于郊區場景。

圖3 “拉遠式”拓撲模型

1.2.2 “挖洞式”拓撲模型

圖4給出了“挖洞式”拓撲模型，以NGSO星座系統的地球站為中心，在地球站保護距離之外的四周部署5G系統，仿真分析部署范圍內微基站對地球站的集總干擾情況。該場景主要適用于城區或郊區場景下周圍熱點較多的情況。

圖4 “挖洞式”拓撲模型

2 干擾分析

2.1 天線模型

2.1.1 5G基站天線模型

參考建議書ITU-R M.2101[9]，5G系統采用大規模陣列天線，通過調整陣列中的每個陣元的加權系數生成指向性強的波束，可使波束直接指向用戶終端。天線陣元的輻射模型見式(1)～(3)：

(1)

(2)

AE(φ,θ)=GE,max-min{-[AE,H(φ)+AE,V(θ)],Am}。

(3)

式中：AE,H和AE,V分別表示天線陣元水平和垂直方向的增益；φ和θ分別為波束的方位角和仰角；φ3 dB和θ3 dB為陣元水平/垂直半功率波束角；Am表示天線陣元前后比，反映了天線對后瓣的抑制能力；SLAv表示天線旁瓣限制；AE(φ,θ)為天線陣元的天線增益，GE,max為每個天線陣元的最大天線增益。

考慮由NH行NV列天線陣元組成的天線陣列，通過對每個天線陣元做加權處理后再進行疊加，可以得到特定波束i的整體天線陣列的增益AA,Beami，計算公式見式(4)～(6):

(4)

(5)

sin(φi,escan)]}。

(6)

式中：wi,n,m為權重函數，用于在水平和垂直兩個維度對波束進行控制，假設每個天線陣元的權重幅度都相等，通過相位來控制波束使得5G基站的發送波束指向服務的用戶終端，其由天線陣列所要求的下傾角和陣元的分布間隔決定；vn,m為疊加位置矢量；dV和dH分別表示天線陣元的垂直與水平分布間隔；λ表示系統頻率對應的波長；θi,etilt為5G基站指向用戶終端的天線陣列下傾角,φi,escan為5G基站指向用戶終端的天線陣列水平角,θi,etilt和φi,escan由5G基站的天線陣列面板法線方向、用戶終端的位置共同決定。

2.1.2 NGSO地球站天線模型

干擾分析時，NGSO地球站的天線模型參考建議書ITU-R S.1428[10]，具體的輻射天線方向圖見式(7):

(7)

2.2 路徑損耗模型

本文主要考慮5G基站與NGSO地球站之間的鏈路損耗和雜散損耗。其中，鏈路損耗采用自由空間模型：

L(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f)。

(8)

式中：d為地球站與5G基站間的視距，單位為km；f為工作頻率，單位為GHz。

因為5G基站和NGSO地球站的假定天線高度都低于標稱雜散高度，所以仿真時需要考慮雜散損耗。參考ITU-R P.2108 建議書[11]的3.2節，對于地到地路徑雜散損耗，不超過p%的位置，通過以下公式計算:

Lctt=-5lg(10-0.2Ll+10-0.2Ls)-6Q-1(p/100)，

(9)

Ll=23.5+9.6lg(f)，

(10)

Ls=32.98+23.9lg(d)+3lg(f)。

(11)

式中：Q-1(p/100)為逆補正態分布函數；f為工作頻率，單位為GHz；d為總的路徑長度，單位為km。

2.3 空間角度計算

2.3.1 離軸角

已知衛星點波束、衛星以及地球站的位置，地球站與衛星的波束主瓣方向之間的離軸角采用下式計算[12]：

(12)

式中：des2sat、dbeam2sat和dbeam2es分別表示地球站和衛星、點波束和衛星以及點波束和地球站之間的距離，Re表示地球半徑，h表示衛星軌道高度，α表示緯度，γ表示經度，下標u、s、b分別表示地球站、衛星、點波束。

2.3.2 5G基站下傾后的仰角、方位角修正

為了減少小區間干擾，5G基站天線一般會設置物理下傾角以控制天線主瓣的覆蓋范圍。然而一旦天線物理下傾后，在天線水平面測得的仰角和方位角就不再適用，需要進行修正。天線的仰角和方位角的物理傾角修正應采用公式(13)，詳細公式推導見建議書ITU-R F.1336[13]。

(13)

式中：θh和φh分別表示從天線位置水平面測到的仰角和方位角，β表示物理下傾角。

2.4 集總干擾

2.4.1 集總干擾計算

NGSO地球站接收到來自單個5G基站的干擾功率I為

I=P+Gtx(θBS,ES,φBS,ES)-Ltx+Grx(ψ)-Lf+ABW。

(14)

式中：P為5G微基站的發射功率，Gtx(θBS,ES,φBS,ES)表示基站指向NGSO地球站方向的發射天線增益，Ltx表示自由空間路徑損耗，Grx(ψ)表示NGSO地球站在離軸角ψ方向上的接收天線增益，Lf表示饋線損耗，ABW表示帶寬調節因子。

考慮到5G系統具有大面積部署的特點，NGSO地球站將會受到在其周圍部署的所有5G基站的集總干擾Iagg：

(15)

式中：Ii表示第i個5G基站對地球站的干擾，M表示干擾5G基站總數目。

NGSO地球站接收到來自5G基站的集總干噪比(Interference-to-Noise Ratio,INR)為

INR=Iagg-10lg(KBT)

(16)

式中：K表示玻爾茲曼常數，B表示NGSO星座系統的下行鏈路通信帶寬，T表示NGSO星座系統地球站天線等效噪聲溫度。

2.4.2 干擾計算流程

由于5G用戶終端的位置是通過隨機撒點生成的，因此5G基站的主波束指向將具有隨機性，需要通過在每一個仿真時刻下都對5G網絡拓撲進行多次抓拍來獲取該仿真時刻下的統計性結果。在每一個仿真時刻下的仿真流程如下：

Step1 初始化5G基站和NGSO地球站相關仿真參數，每次抓拍前初始化用戶終端參數。

Step2 生成NGSO星座系統的衛星數據，然后針對每個地球站進行可見性分析，并保存每個地球站的可見性矩陣，按照最大仰角建鏈策略為地球站選擇目標衛星。

Step3 按照場景拓撲生成M個5G基站，并在5G基站天線的法線方向(-60°～60°)、半徑為50 m的扇區范圍內隨機生成3個用戶，記錄下基站的位置、基站與用戶間的仰角和方位角。

Step4 計算5G基站與NGSO地球站的仰角和方位角，確定出5G基站指向地球站的干擾信號發送增益。

Step5 計算NGSO地球站與5G基站的離軸角，確定NGSO地球站對干擾信號的接收增益。

Step6 計算5G基站與NGSO地球站之間的路徑損耗。

3 仿真與分析

3.1 仿真參數

以OneWeb星座系統為例，分析5G毫米波系統下行鏈路對OneWeb星座系統下行鏈路的干擾。

3.1.1 NGSO星座系統地球站參數

OneWeb星座有18個衛星軌道，軌道高度為1 200 km，傾角為87.9°，每個軌道上40顆衛星，共720顆衛星。在ITU發布的衛星網絡資料數據庫中查詢，OneWeb衛星網絡資料ID為119500303[14]，本文選取T2E下行波束，相應的OneWeb星座系統的通信參數如表1所示。

表1 NGSO星座系統通信參數

3.1.2 5G毫米波系統基站參數

按照ITU WP5D工作組建議，5G毫米波系統的仿真參數見表2。采用表中的參數，對5G微基站天線模型進行仿真，當微基站天線采用8×16的陣列天線時，計算得到最大陣列天線增益為26.072 1 dBi，陣列天線的三維增益方向圖如圖5所示。

表2 用于干擾共存研究的5G系統參數

圖5 陣列天線的三維增益方向圖(8×16天線陣列)

3.2 結果與分析

本文采用基于時間離散的動態仿真，通過對NGSO衛星的運行軌跡進行動態仿真，實現不同時刻下NGSO地球站的鏈路建立，分析仿真時間內5G基站對NSGO地球站的干擾影響。仿真時，NGSO地球站位置為(116°E、40°N)，仿真步長為60 s，仿真步數為1 440。

當保護距離為100 m時，基于“挖洞式”和“拉遠式”兩種網絡拓撲的5G基站干擾NGSO地球站的INR累計分布曲線如圖6所示，給出了干擾強度的統計性分析結果。

圖6 INR累計分布曲線(保護距離100 m)

從圖6可以看出，在本文參考的特性參數下，在100%的時間內，兩種拓撲模型均不會超過建議書ITU-R S.1324[15]中INR=-12.2 dB的干擾保護標準，這與Q/V頻段下5G基站指向地面的天線波束的指向性更強有關。

圖7給出了不同仿真時刻對應的INR。由于NGSO地球站的天線指向具有時變性，NGSO地球站對干擾信號接收增益會不斷變化，因此NGSO地球站受到的來自5G基站的干擾將會動態變化。

(a)“拉遠式”

針對“拉遠式”仿真拓撲，通過設置不同的保護距離來分析其對干擾的影響，仿真結果見圖8。如圖所示，當保護距離減小時，由于干擾路徑的路徑損耗會變小，最終到達NGSO地球站的干擾功率將會增大；當保護距離為50 m時，95%的時間內，干擾余量不小于15.38 dB。

圖8 基于不同仿真參數的干擾結果比較(“拉遠式”)

4 結束語

本文研究了5G毫米波系統基站對NGSO星座系統地球站的下行鏈路干擾場景，建立了基于時間離散的“拉遠式”和“挖洞式”的動態集總干擾分析模型，以OneWeb系統為例仿真分析了兩種拓撲模型下集總干噪比的累積分布。在“拉遠式”拓撲模型的干擾場景下，保護距離為50 m時，95%的時間內NGSO系統地球站干擾余量不小于15.38 dB，Q/V頻段5G基站與NGSO星座系統地球站有兼容共存的空間。以上研究可為NGSO星座系統的頻率規劃提供參考。下一步將重點考慮如何分析5G毫米波基站對NGSO星座系統衛星的集總干擾。