25.25GHz—27.5GHz频段IMT与卫星星间业务共存研究

张炎炎 王宝聪 李欣 李文祺 刘娜 韩锐

【摘  要】为了解决IMT系统在覆盖、容量、性能等方面的高要求带来的频谱缺口问题，WRC-19 1.13议题正在着力为未来移动通信系统的发展寻求新的频率划分，其中24.25 GHz—27.5 GHz是主流IMT毫米波候选频段中最低的一段。IMT系统获取频段划分，需解决IMT系统对卫星星间业务的共存干扰问题。通过对互不产生有害干扰的25.25 GHz—27.5 GHz频段IMT-2020（5G）与ISS之间的共存开展研究，分析了二者的兼容共存性能。通过仿真实验证实了二者可以共存。

【关键词】IMT-2020（5G）;卫星星间业务;共存研究

1   引言

相比于以往各代移动通信系统，5G需要满足更加多样化的场景和机制性能挑战。ITU发布的《5G愿景》[1]定义了5G系统将满足增强的移动宽带、海量的机器间通信、超高可靠和超低时延通信三大类应用场景。要满足各类应用场景在覆盖、容量、性能等方面的要求，5G的系统频谱还有很大的缺口。为此，WRC-19设立了1.13议题为未来移动通信的发展寻求新的频谱划分。为了保障IMT-2020（5G）与候选频段内现有业务不会产生有害干扰，有必要开展IMT-2020（5G）系统与相关业务的共存研究。

卫星星间业务（Inter-Satellite Service， ISS）作为一种卫星之间进行通信的业务，其GSO（Geosynchro-nous，同步轨道）卫星追踪NGSO（Non-Geosynchro-nous，非同步轨道）卫星的工作方式决定了其覆盖范围比较广泛，甚至可达1/3地球面。卫星覆盖范围内大量IMT-2020基站很有可能带来较为严重的干扰。因此ISS是一种需要重点开展共存研究的业务。本文主要开展IMT-2020（5G）系统与ISS之间的共存与兼容性研究。

2   系统参数

2.1  25.25 GHz—27.5 GHz频段IMT-2020（5G）系统参数

根据ITU-R WP5D工作组相关研究报告[2]，25.25 GHz—27.5 GHz频段IMT-2020（5G）的技术与操作特性如表1所示：

2.2  卫星星间系统特性

卫星系统参数参考ITU-R SA.1414[3]建议书，本次仿真选取的参数如表2所示：

3   共存场景与研究方法

3.1  IMT系统网络拓扑

ITU-R M.2101建议书中提出了四种IMT系统的典型部署模型，包括宏小区模型、微小区模型、室内网络模型以及混合网络模型。针对本文考虑的IMT-2020网络，未来将是高低频协同组网，其中低频将主要用于覆盖，高频将主要用于满足热点区域高流量需求。为此未来IMT-2020网络将是宏小区与微小区并存的情况，因此采用混合网络模型对IMT-2020系统网络进行建模。具体地，该模型中由宏小区对设定的仿真区域进行覆盖，在每个宏小区覆盖范围内分布着若干个微小区簇，每个微小区簇内包含一定数量的微小区。微小区的位置可以随机撒放也可以撒放在特定位置。混合网络模型场景图如图1所示。一般情况下，为了避免宏微小区之间相互干扰，宏微小区通常不工作在同一個频段。如前所述，高频主要对热点区域进行覆盖，因此本文主要研究IMT微小区基站对于卫星的干扰情况。

3.2  共存场景

25.25 GHz—27 GHz频段为ISS业务的反向链路，即同步轨道卫星（GSO）接收来自非同步轨道（NGSO）卫星发射的信号。共存研究需要评估的是同步轨道卫星覆盖范围内的所有IMT微站对同步轨道卫星的干扰情况。共存场景如图2所示：

3.3 干扰分析方法

基于上述网络拓扑以及共存场景，IMT-2020（5G）与ISS的共存仿真方法主要如下：

（1）根据地面上固定点与卫星之间的角度关系计算卫星覆盖的经纬度范围。以经纬度1°为步长，将卫星覆盖范围划分为网格。考虑到该频段内IMT-2020（5G）系统不会部署在人烟稀少的地区，因此在卫星覆盖范围内将海洋、沙漠、戈壁、原始森林等占据主要区域的网格刨除，得到仿真区域。

（2）对于每一个网格，根据网格区域面积，大范围部署情况下，WP5D建议使用建成区面积占比（Rb）、热点覆盖区域占比（Ra）以及基站密度计算每个网格内应部署的IMT微站数量。

（3）仿真区域内部署基站数量庞大，参考ITU-R F.1509建议书[5]中固定业务点对多点中心站对DRS（Data Relay Satellites，数据转发卫星）系统干扰的分析方法，引入中心站的概念对仿真模型进行简化。即假设一个区域内所有IMT基站的同信道集总发射可以建模为一个功率谱密度等于该区域内每一个基站输入端功率谱密度总和的单个台站，即IMT中心站。每个网格内部署若干个IMT中心站代表所有IMT微站的行为。同理，所有IMT微站的发射功率也集中在中心站处。

（4）为所有IMT中心站随机生产一个IMT终端，用户终端和基站之间的距离服从瑞利分布，其中标准差σ=32，用户终端和基站之间的方位角服从正态分布。IMT中心站将波束指向所服务的IMT终端。

（5）使波束指向仿真区域内的某一点，通过计算所有IMT中心站发射功率、发射增益、路径损耗以及卫星接收增益可得到一个集总干扰结果。

（6）以经纬度1°为步长，使波束遍历卫星覆盖范围的所有点，即可得到IMT基站对卫星接收干扰的空间分布。

4   仿真结果

当卫星轨位为59°、113°、167°时，卫星覆盖范围内所有IMT-2020（5G）微站对卫星干扰的空间分析结果如下所示。

4.1  衛星轨位59°

图3显示当卫星轨位为59°时，波束指向不同位置的情况下覆盖范围内所有IMT-2020系统台站对卫星的干扰情况。对于图中某个特定点而言，横纵坐标分别为该点的经度和纬度，将该点处颜色与图右颜色条相对照可得到该点处的干扰噪声比。该干扰噪声比与干扰标准相比即可得卫星波束照射该点处的干扰情况。根据图3，当卫星轨位为59°时，最小干扰余量为37.67 dB，二者可以实现共存。

4.2  卫星轨位113°

图4显示当卫星轨位为113°时，波束指向不同位置的情况下覆盖范围内所有IMT-2020系统台站对卫星的干扰情况，根据所处点标识颜色即可得到卫星波束指向该点时的干扰余量。当卫星轨位为113°时，最小干扰余量为37.70 dB，二者可以实现共存。

4.3  卫星轨位167°

图5显示当卫星轨位为167°时，波束指向不同位置的情况下覆盖范围内所有IMT-2020系统台站对卫星的干扰情况，根据所处点标识颜色即可得到卫星波束指向该点时的干扰余量。当卫星轨位为167°时，最小干扰余量为37.81 dB，二者可以实现共存。

5   结束语

本文主要针对25.25 GHz—27.5 GHz频段范围内IMT-2020（5G）与ISS卫星之间的共存情况开展研究，主要研究卫星覆盖范围内部署的所有IMT-2020基站对卫星的干扰情况。依据IMT-2020（5G）系统相关参数及网络部署特点建立IMT系统混合模型，根据IMT-2020与ISS系统干扰场景设定仿真方法对IMT-2020（5G）系统基站对ISS的干扰情况进行了干扰仿真分析。仿真结果表明，在25.25 GHz—27.5 GHz频段IMT-2020（5G）与ISS可以实现共存，其干扰余量较大。

参考文献：

[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.