【好设计论文】3.5 GHz频段5G系统基站对FSS地球站的干扰分析
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。
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.
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。
1.1 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。
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；
为干扰方向与地球站主轴方向的空间离轴角[4]。
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：
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(
)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：
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：
(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。
2.1 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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[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