0 引言

    目前，我國正在北京地區開展3 400-3 600 MHz頻段的第五代移動通信(the fifth generation mobile communication，5G)技術研發與測試試驗。然而，C頻段與擴展C頻段(3 400-4 200 MHz)一直是我國和亞洲地區衛星通信產業的傳統核心頻段^[1]。與其他頻段相比，我國C頻段衛星系統使用地位更高，部署和應用范圍更廣，并體現在我國重大衛星工程、行業衛星通信應用、航天衛星研制、國際衛星出口等多個領域^[2]。為保證5G系統與衛星固定業務（Fixed Satellite Service，FSS）的兼容共用，避免對在軌及計劃使用的衛星系統產生有害干擾，本文開展了該頻段上5G系統基站對FSS地面接收站(地球站)的干擾分析研究，為該頻段未來規劃奠定基礎。

1 干擾場景與分析方法

1.1 干擾場景

    由于擴展C頻段是我國固定衛星業務的下行頻段，所以5G系統與FSS系統的干擾主要有4種：5G基站對FSS地球站的干擾、5G用戶對FSS地球站的干擾、FSS衛星對5G基站的干擾、FSS衛星對5G用戶的干擾。本文主要研究在城區和郊區兩種場景下，5G基站對FSS地球站的干擾場景。

    3.5 GHz頻段上的5G系統主要用于廣域覆蓋，故3.5 GHz頻段上5G系統基站均采用三扇區宏站，蜂窩組網。共存研究時，5G基站與FSS地球站部署在同一地理區域，假設存在一個FSS地球站，5G系統基站呈環狀部署在地球站周圍^[3]，其共存拓撲模型如圖1所示。其中，D_protection表示兩系統共存時所需的保護距離，D_intersite表示兩個基站之間的距離。

    單個5G系統基站發射機對FSS地球站的干擾模型如圖2所示。其中，O為FSS地球站所在位置，OP為地球站主軸方向，A為5G基站發射天線所在位置，AO為5G基站發射機對FSS地球站的干擾方向；α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構成的角度，即地球站的仰角；為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角^[4]。

1.2 干擾分析方法

    5G系統基站對FSS系統主要考慮同頻干擾和鄰頻干擾^[5]。具體造成干擾的程度主要取決于FSS地球站的仰角、所接收到的5G系統的集總干擾功率等。

    若只考慮一個5G基站的干擾時，則地球站接收到的干擾功率可由式(1)計算：

其中，I_IMT為FSS地球站接收機輸入端接收到的1 MHz帶寬內的干擾功率(dBm)，P_IMT為5G系統基站每MHz帶寬的發射功率(dBm)，G_IMT(γ，β)為5G系統基站的天線增益(dB)，G_FFS()為FSS地球站接收天線增益(dB)，L(f，d)為大范圍的路徑損耗(dB)，CL(d)為周圍物體的散射損耗(dB)，ACLR為鄰信道泄露比(dB)。

    5G系統基站對FSS地球站的集總干擾可由式(2)計算：

其中，I_agg為到達衛星地球站接收機輸入端的集總干擾功率譜密度(dBm/MHz)，I_n為第n個5G基站對衛星地球站的干擾功率譜密度(dBm/MHz)。

    (1)5G系統天線模型

    5G系統將使用大規模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線，大規模MIMO天線利用其波束賦形技術可以形成方向性極強的窄波束，從而在目標方向波束增益最大，而在干擾和無用方向產生零陷，增益最小^[6-7]，天線模型參考ITU-R M.2101建議書^[8]。

    (2)FSS地球站接收天線模型

    衛星地球站天線的增益與離軸角的關系參考ITU-R S.465建議書^[9]，如式(3)、式(4)所示：

    (3)傳播模型

5G系統基站對FSS地球站的干擾傳播發生在室外，其干擾傳播機理主要包括視距傳播、繞射等，根據ITU P系列建議書無線電傳播模型分類，參考P.452建議書^[10]和TG 5/1工作組中的Clutter Loss，計算5G系統基站到FSS地球站的傳播損耗。

2 系統參數

2.1 5G系統典型參數

    根據建議書ITU-R M.2101和報告書ITU-R M.2292，參考5G系統高頻參數和2017年業內最新進展，3.5 GHz頻段5G系統參數建議如表1。

2.2 FSS系統地球站參數

    參考ITU相關建議書和CCSA前期研究情況，衛星固定業務參數建議如表2。

    根據表格中的相關參數，可計算出該頻段衛星地球站輸入端的干擾功率門限為-130.8 dBm/MHz。

3 系統仿真

    根據上述系統參數，本文仿真了在城區和郊區兩個場景，同頻和鄰頻兩種情況下，不同仰角時5G系統基站對FSS系統地球站的干擾。仿真過程中，基站發射功率取最大值32 dBm/100 MHz，P.452傳播模型時間比設置設為50%，Clutter Loss位置百分比設為50%。干擾功率為100次撒點的均值。地球站周圍至少有7圈基站部署。

3.1 城區場景

    研究兩系統同頻共存時，5G系統基站部署在地球站周圍半徑為32.85 km的圓環行區域內。此區域范圍是為了保證當隔離距離為30 km時，地球站周圍仍有7圈基站部署。最初的隔離距離設為一個站間距(城區0.45 km)，當集總干擾功率超過干擾功率門限時，增大隔離距離，直到隔離距離為30 km。衛星接收到的平均干擾功率與隔離距離的關系如圖3所示。

    從圖3中可以看出，兩系統同頻部署，衛星仰角為15°、30°、45°時，需要的保護距離分別約為28.4 km、27.5 km、27.1 km。當隔離距離為10 km，衛星仰角為15°、30°、45°時，額外干擾余量分別約為24 dB、22 dB、21 dB。從上述數據中可以看出，隨著FSS地球站仰角的增大，兩系統共存需要的保護距離減小。但是，當仰角為45°時，仍需要約27.1 km的保護距離，此距離要求難以在城區范圍內實現。當隔離距離為10 km時，低仰角時干擾余量高達24 dB，高仰角時干擾余量高達21 dB。

    當5G系統與FSS系統鄰頻部署時，5G系統部署半徑為5 km，鄰道泄露比取45 dB，最小隔離距離設為0.01 km(基站天線和地球站天線高度差)。衛星接收到的干擾功率與隔離距離的關系如圖4所示。

    從圖4中可以看出，兩系統鄰頻部署，衛星仰角為15°、30°、45°時，需要的保護距離均約為0.38 km，即兩系統隔離一個站間距(城區0.45 km)時就能夠達到共存條件。兩系統間隔離距離為最小值時，不論衛星仰角高低變化，干擾余量均很大。分析可知，在城區場景下兩系統鄰頻部署時，需要一個站間距的隔離距離即可滿足共存要求。

3.2 郊區場景

    研究兩系統同頻共存時，5G系統基站部署在地球站周圍半徑為36 km的圓環行區域內。仿真方法與城區同頻部署場景相同。衛星接收到的干擾功率與隔離距離的關系如圖5所示。

    從圖5中可以看出，兩系統同頻部署，衛星仰角為15°、30°、45°時，需要的保護距離約為26.8 km、25.4 km、24.9 km。當保護距離為10 km，衛星仰角為15°、30°、45°時，額外干擾余量分別約為22 dB、20 dB、19 dB。由數據可以看出，兩系統共存需要的保護距離亦隨著FSS地球站仰角的增大而減小，需要的保護距離依舊很大。

    當5G系統與FSS系統鄰頻部署時，5G系統部署半徑為10 km，最小隔離距離為0.022 km(基站天線和地球站天線高度差)，鄰道泄露比取45 dB。衛星接收到的干擾功率與保護距離的關系如圖6所示。

    從圖6中可以看出，兩系統鄰頻部署，衛星仰角為15°、30°、45°時，需要的保護距離均約為0.62 km。兩系統隔離距離設為一個站間距(郊區為0.9 km)時，基站對地球站的集總干擾小于干擾門限。當隔離距離為最小值時，干擾余量約為29 dB。分析可知，在郊區場景下兩系統鄰頻部署時，需要一個站間距的隔離距離即可滿足共存要求。

4 結論

    通過上述數據可以得出，5G系統基站與FSS地球站同區域同頻部署時，基站對FSS地球站的干擾較大，需要約24.9~28.4 km的保護距離。兩系統同區域鄰頻段部署時，對FSS地球站的干擾較小，5G系統基站的ACLR為45 dB時，需要幾百米的保護距離。因此，可通過提高5G系統基站的ACLR，或者通過頻率隔離等措施實現兩系統的鄰頻共存。

參考文獻

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作者信息：

李可策1，李景春2，楊文翰2，許  穎2

（1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401；2.國家無線電監測中心，北京100037）