4400MHz—4500MHz频段IMT与航空无线电导航业务共存研究

王宝聪 张炎炎 李欣 刘娜 石会鹏

【摘  要】WRC-15为国际移动通信系统新增了三段频率，对于其中的4 400 MHz—4 500 MHz频段，工作在该频段的IMT系统与4 200 MHz—4 400 MHz频段的航空无线电导航业务会存在共存的问题。针对两种业务的邻频共存干扰情况进行研究，研究结果表明：在飞机平稳飞行状态下二者可以共存，但是在起飞降落状态下需要保证基站距离飞机着陆点至少2.1 km。

【关键词】IMT-2020;无线电高度计;共存与兼容性研究

1   引言

2015年，国际电信联盟正式定义了5G的三大类应用场景和八项能力指标。5G的愿景是实现万物互联，未来5G对普通用户的改变将体现在社会生活的方方面面。国务院于2017年8月24日发布了《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》，打算进一步扩大和升级信息消费，充分释放发展活力和内需潜力。其中，重点任务之一即为加快第五代移动通信标准研究、技术试验和产业推进，力争2020年启动商用，为了实现这一任务，频谱保证是关键。

在2015年世界无线电大会（World Radiocomunica-tion Conferences， WRC-15）中，在3 GHz—6 GHz频段范围，国际移动通信（IMT）系统新增加了3 300 MHz—3 400 MHz、4 400 MHz—4 500 MHz、4 800 MHz —4 990 MHz这三个频段。在5G系统高低频统筹的情况下，低频段将被用于进行覆盖。

根据2018年7月1日起施行的《中华人民共和国无线电频率划分规定》，4 400 MHz—4 500 MHz频段的移动业务可用于IMT系统。IMT系统不得对4 200 MHz—4 400 MHz频段的航空无线电导航业务造成有害干扰，在相关兼容共存条件确定前IMT系统不能投入使用。因此本文主要针对4 400 MHz—4 500 MHz频段IMT系统对航空无线电导航业务的干扰进行分析，研究该频段用于IMT系统的合规性。

2   系统参数

2.1  IMT-2020系统参数

根据ITU-R M.2101建议书和ITU-R M.2292报告书，参考5G系统高频参数和业内最新进展，3 GHz—6 GHz頻段IMT系统参数、部署模型建议如表1所示。

2.2  航空无线电导航业务系统参数

在我国，4 200 MHz—4 400 MHz频段范围内重要的应用之一为无线电高度计。无线电高度计主要用来测量飞机到地面垂直距离的机载无线电设备，是重要的飞行器仪表之一。

ITU-R M.2059建议书中给出了模拟无线电高度计和数字无线电高度计的技术参数，用于共存研究的参数如表2所示。

此外，ITU-R M.2319中给出了无线电高度计的天线方向图模型，如公式（1）所示。

其中，3dB为无线电高度计天线的3 dB波瓣宽度，单位是度;GRA，dBi为无线电高度计天线的最大天线增益，单位为dBi。

3   兼容性分析建模与干扰分析方法

3.1  兼容性分析建模

根据无线电高度计的使用场景，其与IMT系统的共存场景可分为两种：平稳飞行场景和起飞降落场景。

（1）平稳飞行场景

在平稳飞行场景中，飞机处于巡航状态。此时，无线电高度计基本处于同一高度，考虑到无线电高度计天线为垂直向下的，仅需考虑无线电高度计正下方一定范围内的IMT基站的干扰即可。干扰场景示意图如图1所示。

在该场景中考虑飞机巡航高度即为无线电高度计工作高度。地面IMT部署区域参照国内某大城市建成区的面积，考虑半径为15 km的圆形区域。

（2）起飞降落场景

起飞降落场景的功勋场景是如图2所示：

在图2中下滑台是一条通过地面发射的无线电信号对飞机进行指引而建立的一条由跑道指向空中的虚拟路径，帮助飞机在地面气象条件不佳的情况下近着陆。在飞机降落过程中需沿着下滑台进行飞行。假设基站部署在下滑台的下划线正下方，基站天线面板背向飞机着陆点。根据国际民航组织相关说明，下滑台仰角为3°。

3.2  干扰分析方法

根据无线电高度计的自身特点，这里分析三种类型的干扰：接收机前端过载、接收机灵敏度降低、错误报告高度。接收机前端过载为一个干扰信号的功率大到足以使一个无线电高度计的前端饱和，进而引起非线性特性的固有效应的时候发生的干扰。接收机灵敏度降低则是由于干扰信号落入高度计中频带宽内所导致的干扰。错误报告高度干扰则发生在对干扰信号在整个IF带宽的频谱频率分析期间被作为频率分量检测的情况下。

对于三种干扰类型，干扰强度可通过下式进行计算：

其中，Pt表示IMT系统的发射功率，单位为dBm，Gt表示IMT系统发射机发射天线增益，单位为dBi，GR表示无线电高度计接收机接收天线增益，单位为dBi，Lt表示IMT系统发射机馈线损耗/人体损耗，单位为dB，LR表示无线电高度计接收机馈线损耗，单位为dB，PL表示IMT系统与无线电高度计接收机之间的传播损耗，单位为dB，d表示IMT系统与无线电高度计接收机之间的隔离距离。ACLR为IMT系统发射机的邻频泄露比。在对接收机前端过载干扰进行分析时，不需要考虑该参数。

4   干扰分析结果

4.1  平稳飞行场景干扰分析结果

（1）不考虑ACLR时的干扰分析结果

在不考虑ACLR等因素的情况下，各系统仿真结果如表3所示：

（2）接收机前端过载

接收机前端过载仿真结果如表4所示：

根据以上各高度计前端过载仿真结果可以得出，干扰余量在15 dB～26 dB之间，干扰余量较大。

（3）接收机灵敏度降低

接收机灵敏度降低结果如表5所示。

根据以上接收机灵敏度仿真结果可以得出，某些高度计系统与IMT系统可以共存，某些高度计则不能共存，干扰余量在4 dB～15 dB之间。

（4）错误报告高度

错误报告高度仿真结果如表6所示：

根据以上仿真结果可以得出，干扰余量在12 dB～23 dB之间，尚有一定干扰余量。

4.2  起飞降落阶段干扰仿真结果

选取基站距离飞机着陆点1 500 m、1 800 m、2 100 m三个场景，将基站对四种无线电高度计的干扰进行仿真，结果如图3～图6所示。

根据上述仿真结果，在接收机前端过载场景中，对于四种无线电高度计基站与飞机着陆点之间的隔离距离需求分别为1.8 km、1.5 km、1.5 km和2.1 km才能保证二者共存，结果如图7～图10所示。

根据上述结果，在灵敏度降低的场景中，对于四种无线电高度计，在基站与飞机着陆点之间的隔离距离为1.5 km的情况下即可保证二者共存，且存在一定干扰余量。

由于错误报告高度干扰的分析方法与灵敏度降低干扰分析方法相同，但是对A4和D4两种无线电高度计而言不存在该类干扰。对于A3和A4两种无线电高度计，在基站与飞机着陆点之间的隔离距离为1.5 km的情况下即可保证二者共存，且存在一定干擾余量。

5   结束语

在当前阶段，4 400 MHz—4 500 MHz频段并未作为分配给5G系统使用的中频候选频段。但是该频段作为WRC-15新增的用于IMT的频段之一，在未来5G中频段频率可能存在不足的情况下，仍具备划分给5G系统使用的可能性。本文针对该频段内5G系统与无线电高度计之间的共存情况进行了分析和仿真，通过本文的研究为未来可能的5G频率分配提供了技术依据。

参考文献：

[1] 国发（2017）40号. 关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见[EB/OL]. （2017-08-24）[2019-01-10]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-08/24/content_5220091.htm.

[2] 中华人民共和国工业与信息化部. 中华人民共和国无线电频率划分规定[S]. 2016.

[3] ITU-R M.2101. Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[R]. 2017.

[4] ITU-R M.2292. Characteristics of terrestrial IMT-Advanced systems for frequency sharing/interference analyses[R]. 2013.

[5] ITU-R M.2059. Operational and technical characteristics and protection criteria of radio altimeters utilizing the band 4 200-4 400 MHz[R]. 2014.

[6] ITU-R M.2319. Compatibility analysis between wireless avionics intra-communication systems and systems in the existing services in the frequency band 4 200-4 400 MHz[R]. 2014.