26GHz频段IMT-2020与卫星地球探测业务干扰共存研究

仲丽媛 周栋 孟溪

【摘  要】毫米波频谱应用于5G系统已成为业界共识。26 GHz频段是最有希望全球统一的5G毫米波频段。25.5 GHz—27 GHz已有卫星地球探测（空对地）业务，5G系统的部署需要考虑对现有业务的保护。为确定此频段部署5G系统的可行性，给出了卫星地球探测业务（空对地）与5G系统的干扰共存分析。采用蒙特卡洛仿真方法，分析了IMT-2020系统对卫星地球探测业务地球站的聚合干扰，并根据干扰准则得到共存所需的保护距离和干扰余量，为5G频谱规划及以后的5G网络建设提供了参考依据。

【关键词】5G;毫米波;26 GHz频段;共存研究

1   引言

根据2015年ITU-R发布的《5G愿景建议书》[1]，IMT-2020 （5G）将支持多达20 Gbit/s的峰值数据速率，并支持100 Mbit/s～1 Gbit/s的用户体验数据速率。要想实现如此高的数据速率，就需要有足够的带宽支持，与异常拥挤的低频段相比，毫米波具有更加丰富的频谱资源，可以提供更大的连续带宽，用以满足5G在热点区域极高的数据速率和系统容量需求。

26 GHz频段是全球关注度最高的5G毫米波频段。我国工业和信息化部于2017年6月8日发布了公开征求意见函，征集24.75 GHz—27.5 GHz、37 GHz—42.5 GHz或其它毫米波频段在5G系统使用及规划的意见和建议[2]。同年7月，工业和信息化部批复24.75 GHz—27.5 GHz、37 GHz—42.5 GHz频段用于我国5G技术研发毫米波实验频段[3]。2016年11月10日，欧盟委员会无线频谱政策组（RSPG）发布欧洲5G频谱战略，在毫米波频段方面明确将26 GHz（24.25 GHz—27.5 GHz）频段作为欧洲5G高频段的初期部署频段。

根据《无线电规则》和《中华人民共和国无线电频率划分规定》，25.5 GHz—27 GHz频段已经划分给EESS（s-E）（Earth-Explorer Satellite Service （space to Earth），卫星地球探测业务（空对地））。为了保证卫星地球探测（空对地）业务的正常工作，需要开展5G系统与卫星地球探测（空对地）业务的干扰共存研究，从而合理高效地利用频谱资源。本文采用蒙特卡洛仿真方法，针对卫星地球探测（空对地）业务中GSO（Geostationary Satellite Orbit，对地静止轨道）卫星系统和Non-GSO（Non-Geostationary Satellite Orbit，非对地静止轨道）卫星系统分别给出了与5G系统的共存分析，给出了保护距离和干扰余量，为5G频谱规划及以后的5G网络建设提供了参考依据。

2   干扰共存仿真假设

2.1  5G系统参数

与中低频相比，毫米波频段覆盖能力较弱，难以实现全网覆盖，但其丰富的频谱资源能够满足5G在热点区域极高的用户体验速率。也就是说，5G毫米波将用于热点增强，而不是广域覆盖，因此本文考虑的5G毫米波部署场景是室外城市热点。详细的5G系统仿真参数见表1[4]。

2.2  卫星地球探测（空对地）系统参数

表2和表3分别给出了卫星地球探测（空对地）业务对地静止轨道卫星系统和非对地静止轨道卫星系统的地球站仿真参数和保护准则。

2.3  信道模型

本研究采用的路损模型参考了ITU-R P.452-16建议书[8]和ITU-R P.2108-0建议书[9]。ITU-R P.452-16建议书给出了频率从0.1 GHz至50 GHz范围内，计算地球表面上无线电台之间干扰时采用的传播模型，本文采用了其中的净空传播模型，此模型考虑了以下5种传播机理：

（1）视距（包括由多径和聚焦效应引起的信号增强效应）;

（2）绕射（包含光滑地球表面、不规则地形和部分路径的情况）;

（3）对流层散射;

（4）异常传播（大气波导和分层反射/折射）;

（5）地物损耗（Clutter Loss）。

根据ITU-R第3研究组的建议，地物损耗的计算参考了ITU-R P.2108建议书3.2章节中的统计性地物损耗模型。

3   共存场景及仿真方法

3.1  共存場景

卫星地球探测（空对地）业务中，地球站为接收端，需要考虑5G系统对地球站的干扰情况。图1给出了仿真拓扑结构，这里以一个半径15 km的圆形区域代表一个城市的城区，在这个圆形区域内部署5G基站，地球站位于圆形区域的中心。同时，以地球站为中心，以隔离距离为半径“挖洞”，也就是半径等于隔离距离的圆内不部署5G基站。在这种部署场景下，计算所有基站对地球站的聚合干扰。

此共存场景下，5G部署区域较大，代表一个城市，而毫米波是热点覆盖，不是无缝覆盖，基于此考虑，仿真中5G基站的总个数为：

其中，Ds为热点地区基站密度，取值见表1;Ra为热点地区面积占整个城区面积的比例，根据IUT-R WP5D给出的建议，大面积部署情况下Ra建议取值为7%[4];S为5G基站部署面积。

3.2  仿真方法

本研究采用了蒙特卡洛仿真方法，评估IMT基站对卫星地球探测业务的地球站的聚合干扰。IMT建模参考了ITU-R M.2101建议书[10]。

仿真主要有以下步骤：

（1）以地球站为坐标原点，在圆形部署区域内生成5G基站和终端位置，基站天线水平摆放方向[0°， 360°]

范围内随机;

（2）终端选择服务基站;

（3）計算5G基站的发射功率，并令基站的波束主瓣指向被服务的终端;

（4）分别计算每个5G基站在地球站方向上的天线增益;

（5）分别计算地球站在每个5G基站方向上的天线增益;

（6）分别计算每个5G基站到地球站的路径损耗;

（7）分别计算每个5G基站对地球站的干扰功率，然后把所有基站的干扰功率线性相加，得到所有基站对地球站的聚合干扰;

（8）重复步骤（1）～（7），仿真多个快照，得到仿真结果，并与干扰准则比较。

4   仿真结果及分析

4.1  5G基站干扰GSO系统地球站的仿真结果

本章节给出了5G基站干扰GSO地球站的仿真结果。隔离距离设置为1 km。图2给出了干扰值的CDF（Cumulative Distribution Function，累积分布函数）曲线。表4给出了干扰值与GSO地球站干扰准则比较的结果。从仿真结果可以看出，在隔离距离1 km，卫星轨位105° E，地球站位置（116.3° E， 40.1° N）的情况下，5G基站对GSO系统地球站的干扰满足干扰准则，并存在明显余量。

4.2  5G基站干扰Non-GSO系统地球站的仿真结果

本章节给出了5G基站干扰Non-GSO地球站的仿真结果。隔离距离设置为1 km，分别给出了地球站仰角5°和10°的仿真结果。图3和图4给出了干扰值的CDF曲线。表5给出了干扰值与Non-GSO地球站干扰准则比较的结果。从仿真结果可以看出，在隔离距离1 km的情况下，5G基站对Non-GSO系统地球站的干扰满足干扰准则，并存在明显余量。与长期干扰准则相比，余量在22 dB以上，且仰角对仿真结果有一定影响，仰角越大，地球站受到的干扰越小，这是因为仰角越大，干扰路径与地球站天线主瓣之间的角度就越大，天线增益就越小，因此干扰就小。与短期干扰准则相比，余量为5.4 dB。

5   结束语

26 GHz频谱受到了全球多个国家和地区的关注，也是我国潜在的5G毫米波频段之一。通过上文分析可知，5G系统基站和卫星地球探测（空对地）系统在1 km隔离距离下可以满足干扰准则，且存在较大余量，说明两系统非常容易实现共存。在部分难以共存的区域，可以通过沟通协商的方法来解决干扰问题，如调整天线角度，优化5G基站选址等。本文的研究结论为我国毫米波频谱规划及未来网络部署提供了技术支撑。除了卫星地球探测（空对地）系统，26 GHz还存在卫星间业务，空间研究业务等其他现有业务，为了保证此频段现有业务的正常运行，还需要考虑5G系统与这些系统的干扰共存情况，后续会进一步考虑这些业务与5G系统的共存研究。

参考文献：

[1] Recommendation ITU-R M.2083-0. IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015.

[2] 工业和信息化部无线电管理局. 公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统（5G）使用频率的意见[EB/OL]. （2017-06-08）[2019-01-10]. http：//www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/n3057749/c5676741/content.html.

[3] 工业和信息化部无线电管理局. 工业和信息化部批复新增5G技术试验用频[EB/OL]. （2017-07-14）[2019-01-10]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n1146440/c5730538/content.html.

[4] ITU-R TG5-1/36. Spectrum needs and characteristics for the terrestrial component of IMT in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. 2017.

[5] Recommendation ITU-R S.465-6. Reference radiation pattern of earth station antennas in the fixed-satellite service for use in coordination and interference assessment in the frequency range from 2 to 31 GHz[S]. 2010.

[6] Recommendation ITU-R SA.1160-3. Aggregate interference criteria for data transmission systems in the Earth exploration-satellite and meteorological-satellite services using satellites in the geostationary orbit[S]. 2017.

[7] Recommendation ITU-R SA.1027-5. Sharing criteria for space-to-Earth data transmission systems in the Earth exploration-satellite and meteorological-satellite services using satellites in low-Earth orbit[S]. 2017.

[8] Recommendation 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[S]. 2015.

[9] Recommendation ITU-R P.2108-0. Prediction of clutter loss[S]. 2017.

[10] Recommendation ITU-R P.2101-0. Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[S]. 2017.