6G空天地一體化網絡高空平臺基站下行頻譜效率研究*

張少偉，劉蕾，芒戈

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

目前我國已邁入5G 高質量發展的新時代，5G 的快速發展不僅有效地支撐數字中國建設，促進社會經濟發展，實現產業提質增效，同時也深刻地影響著交通、醫療、健康、娛樂等大眾生活的方方面面，讓人們對數字生活有了切身的感受。但在一些偏遠的鄉村地區、廣袤的草原、海洋和沙漠地帶，受制于地形條件、投資成本、技術實現等因素，基礎設施的建設不夠完備，當前陸地移動通信系統很難發揮其優勢。為了幫助縮小城鄉數字鴻溝，實現普遍服務，滿足特殊場景的日常及應急通信需求，移動網絡覆蓋率的提升迫在眉睫。

面向人類社會對于信息化的新需求，當前傳統陸地無線通信系統開始整合多方面產業優勢，在當前5G 技術的基礎上面向下一代移動通信技術（6G,6th Generation Mobile Networks）進行技術演進與革新。6G 技術將通過地面通信網絡、衛星通信網絡及高空平臺通信網絡的異構融合，繼續擴展終端連接的廣度與維度，建設泛在的通信基礎設施體系。通過構建多網絡融合發展的空天地一體化網絡（SAGIN,Space-Air-Ground Integrated Network），實現多維度立體化的無縫通信覆蓋，滿足全球范圍內無線終端無差別隨時隨地接入的需求，實現萬物智聯的未來愿景。

空天地一體化網絡利用現代信息網絡技術將空間、天空和地面網絡部件相互連接起來，引起了學術界和工業界的廣泛關注，其具有覆蓋范圍大、彈性強、吞吐量高等優勢，能夠用于智能交通系統[1]、軍事任務、救災[2]、地球觀測測繪等實踐領域。

空天地一體化融合網絡將由天基多層子網（高軌衛星、中低軌衛星）、空基網絡（多種臨空設備）和地面蜂窩多層子網（宏蜂窩、微蜂窩和皮蜂窩）組網構成統一的大時空尺度跨域異構的網絡，如圖1 所示。

圖1 空天地一體化融合網絡

1 高空平臺系統

IMT 系統在頻譜標識、網絡部署和無線電接入技術方面有了長足的發展，同時，電池和太陽能電池板技術的最新進展可能使部署于臨近空間的高空平臺系統（HAPS,High Altitude Platform Systems），能夠為服務不足的社區以及農村和偏遠地區較大地理覆蓋范圍提供低延遲的移動寬帶連接[3]。這些技術進步可以使HAPS 搭載IMT基站（HIBS），成為地面IMT 網絡的一部分，并對其進行補充，且HIBS 和地面IMT 基站都可以為現有用戶終端提供支持。

為了增加更多的接入量，HIBS 將需要進行額外的頻譜標識，以靈活地使用已經為IMT 確定的2.7 GHz 以下的某些頻段，同時考慮到潛在的HIBS 部署方案及其技術和操作特性，以及與現有應用和服務的兼容性。認識到這一點，WRC-19 通過了第247 號決議，以考慮“在全球或區域層面已在IMT 所確定的2.7 GHz 以下某些頻段的移動業務中使用HIBS”[4]。

HIBS 高度為20 km 至50 km，其可以在覆蓋面積超過30 000 km2的未服務區域（包括農村和偏遠地區）提供低延遲的移動連接。HIBS 可以通過“超級宏小區”來增強地面IMT 網絡，該網絡可以補充現有的基于地面的部署方法，例如宏小區、微小區，如圖2 所示。

圖2 地面IMT網絡中的HIBS區域覆蓋區域示意圖

因此，考慮到與現有應用和業務的兼容性，HIBS 將用作現有地面IMT 網絡的一部分并作為其補充，因此HIBS 可以使用與地面IMT 基站相同的頻段與用戶終端連接，從而擴展了有效覆蓋區域。此外，地面IMT 基站服務的現有用戶終端也將由HIBS 服務，而不需要HIBS 獨立的用戶終端。

頻譜資源是全球共用的、由國家支配使用的稀缺戰略性資源，是移動通信系統得以維持和發展的重要保證。另一方面，隨著通信產業的加速發展，移動通信系統用戶數量的急速增長，用戶需求也急速上升，可用的頻譜資源日益緊張，傳輸速率的提升又進一步增大了能量的消耗，不但會加劇環境污染，同時也會增加經濟成本的支出[5]。所以，頻譜效率的研究能夠實現頻譜資源的科學分配和使用，避免超前分配導致的資源浪費。

2 HIBS仿真網絡拓撲結構

（1）單個HIBS 網絡拓撲結構

單個HIBS 服務區域由具有多波束配置的多個小區組成，如圖3 所示為含有7 個服務小區的單HIBS 覆蓋示意圖。HIBS 位于服務區域中心，該HIBS 服務區域含有兩層小區，將位于HIBS 區域中心的小區定義為“第1 層小區”，將位于第1 層小區外側的小區定義為“第2 層小區”，同一層中的小區天線的水平角和下傾角相同。第1層小區含有1 個扇區，第2 層小區含有6 個扇區。

圖3 單個HIBS服務區域示意圖

（2）HIBS 組網拓撲結構

圖4 為由多個7 小區HIBS 組成的連續廣覆蓋組網拓撲結構，圖中“A”表示HIBS 的服務半徑，“B”表示兩個HIBS 之間的距離，且。HIBS 用戶終端均勻分布在HIBS 服務區域內。

圖4 HIBS組網示意圖

3 頻譜效率計算方法

（1）HIBS 用戶小區接入

由于HIBS 各個小區天線參數不同，導致實際仿真中，用戶實際接入的小區（或HIBS）與邏輯上部署的小區（或HIBS）有一定的差別，因此需要確定用戶實際所接入的小區。用戶接入小區的流程圖如圖5 所示。

圖5 中，S 表示HIBS 用戶接收的有用信號，Ptx表示HIBS 天線發射功率，Gtx表示HIBS 天線增益，Loss表示鏈路損耗，GUE表示HIBS 用戶天線增益。通過計算用戶接收的有用信號判斷所接入的小區，過程示意圖如圖6 所示。

圖5 HIBS用戶接入流程圖

圖6 HIBS用戶實際接入小區示意圖

（2）下行頻譜效率計算

在仿真中，首先計算HIBS 的SINR，然后根據SINR 來計算HIBS 的頻譜效率。

用戶收到HIBS 的接收信號功率Pr為：

式(1) 中，PHIBS是HIBS 的發射功率，GHIBS是HIBS 的天線增益，L是HIBS 和用戶之間的路徑損耗，GUE是用戶的天線增益。當Pr是該用戶所接入的HIBS 相應小區產生時，為有用信號S；否則為無用干擾信號。HIBS 用戶接收的干擾來在兩個方面，一方面是來自所屬HIBS 其他服務小區的干擾，另一方面是來自其他HIBS 的干擾。

HIBS 和用戶之間的損耗采用自由空間損耗[6]：

式(2) 中f為載波所用頻率；r為HIBS 到用戶的距離。用戶收到第n個扇區的干擾為In，集總干擾Isum為：

HIBS 的SINR 計算如下：

式(3) 中，N為熱噪聲。

HIBS 的頻譜效率fee由如下公式計算：式(5) 中，α是衰減因子，SINRmin是鏈路SINR 最低值，SINRmax是鏈路SINR 最高值。

由于HIBS 用戶位置的隨機性和天線的方向性等因素，用戶收到HIBS 的信號、干擾也具有隨機性，因此，采用蒙特卡洛仿真方法，每一次仿真快照中隨機部署用戶，計算HIBS 和用戶進行通信時，用戶受到的干擾。經過多次仿真快照，統計SINR 累積分布函數（CDF）曲線。

4 仿真參數

根據目前ITU-R WP5D #38 會議討論情況，給出了HIBS 基站和終端相關仿真參數，如表1 和表2 所示。

表1 HIBS部署及其相關仿真參數

表2 HIBS用戶部署及其相關仿真參數

5 仿真結果及分析

根據頻段1、2、3 參數分別仿真計算HIBS 下行SINR 和下行頻譜效率。由于目前6G 指標等尚未確定，因此與ITU-R 報告書M.2410[8]第3.3 節給出的5G 網絡關于用戶體驗速率的最低要求以及對應的頻譜效率（第5百分位頻譜效率）進行比較，進而對HIBS 下行頻譜效率進行評估。用戶體驗速率如表3 所示。

表3 ITU-R報告書M.2410下行頻譜效率最小需求

圖7 所示為三個頻段下行SINR CDF 曲線，圖8 為下行頻譜效率CDF 曲線，SINR 和頻譜效率CDF 第5 百分位取值和平均值如表4 所示。

表4 HIBS下行SINR和頻譜效率

圖7 下行SINR CDF曲線

圖8 下行頻譜效率CDF曲線

因為HIBS 主要作為IMT 網絡的補充，覆蓋郊區及偏遠地區，因此選擇表3 中郊區作為比較場景。由表3 和表4 可知，在三個頻段條件下，HIBS 下行頻譜效率第5 百分位數值分別為0.31、0.27、0.25 bit/s/Hz，大于0.12 bit/s/Hz，所以能夠滿足5G 網絡的最小需求；而平均值分別為1.03、0.70、0.61 bit/s/Hz，小于3.3 bit/s/Hz，難以達到良好的速率體驗。

6 結束語

高空平臺基站的應用能夠擴展地面IMT 網絡的覆蓋范圍，使偏遠山區、海岸線、沙漠等未覆蓋網絡的地方提供網絡接入，以較低的建設成本覆蓋大面積區域。本文就HIBS 下行頻譜效率進行了仿真研究，在所使用的參數下對其CDF 第5 百分位值和平均值與ITU-R 報告書M.2410中下行頻譜效率最小需求值和平均值進行了比較。結果顯示，該仿真參數下，HIBS 下行頻譜效率能夠滿足5G網絡要求，但無法達到良好的下行速率。因此，為了提高頻譜效率，滿足今后6G 網絡要求，提升用戶速率體驗，后續可研究降低同頻干擾等相關技術。