基于基站协作的5G 与NGSO 星座系统间干扰规避方法研究

（国家无线电监测中心，北京 100037）

0 引言

随着人们对移动通信网络宽带化的需求提升，5G 系统发展面临着严重的频谱资源缺口。研究表明，我国5G系统在6 GHz 以上频谱资源需求量达到了14-19 GHz[1]。由于6 GHz 以上频谱资源相对丰富，无线电业务划分与使用相对简单，能够提供连续大带宽频带，国际电信联盟（ITU）在2015年世界无线电通信大会（WRC-15）上为2019年WRC 大会设立5G 高频段议题，针对24.25-86 GHz 范围内的11个候选频段开展共存研究[2]。在WRC-19 上，全球范围内将24.25-27.5 GHz、37-43.5 GHz 和66-71 GHz 频段标识用于5G 及国际移动通信系统未来发展[3]。

随着微小卫星制造技术的发展以及卫星发射成本的降低，非静止轨道（NGSO）星座热潮兴起，SpaceX、OneWeb、Amazon 等多家公司先后加入NGSO 星座建设浪潮用以提供宽带互联网服务[4]。这些新兴NGSO 星座系统拟集中使用37.5-43.5 GHz 频段，与5G 毫米波系统存在严重的用频冲突[5]。考虑到NGSO 星座系统与5G毫米波系统预期的全球覆盖规模以及终端无处不在的使用特性，这两系统之间将存在潜在的有害干扰。因此，在37-43.5 GHz 频段部署5G 系统和NGSO 星座系统之前，开展干扰规避研究用以减缓系统间干扰的程度显得为必要和迫切。

目前，关于NGSO 星座系统与5G 系统间的干扰规避方法研究处于起步探索阶段，相关文献报道较少，5G系统与静止轨道（GSO）卫星系统或NGSO 系统与GSO系统之间的干扰规避方法有一定的研究。文献[6]根据GSO 卫星与地面基站的位置关系，利用认知功率控制技术最大化地面终端用户的信干噪比，同时确保不对GSO卫星系统终端造成干扰；文献[7]提出了一种基于空间隔离的干扰规避方法，通过联合设置规避区域与隔离角来避免Ka 频段NGSO 卫星系统对GSO 卫星系统的上下行干扰；文献[8]提出通过设置保护区域、调整功率、频带切割等方式来减缓C 频段5G 系统对GSO 地球站的集总干扰；文献[9]提出了一种基于扇区和波束禁区的干扰减缓方法，用以降低工作在70 GHz 和80 GHz 频段的5G 用户对固定业务系统的集总干扰。上述研究主要针对5G系统与GSO 卫星系统或固定业务系统之间的干扰场景，提出了波束关闭、功率控制、设置保护区等措施避免系统间的有害干扰。波束关闭措施使得5G 系统通信链路可用性无法保证，功率控制无法规避系统间严重的共线干扰，而设置保护距离使得5G 系统的部署受到其他系统地面站部署的约束。

针对上述问题，本文将深入研究5G 毫米波系统与NGSO 星座系统之间的干扰规避方法。建立面向Q/V 频段5G 基站与NGSO 系统地球站的同频下行干扰分析的数学模型，在将5G 基站构成基站簇的基础上，提出一种基于5G 基站协作的干扰规避策略，并将进一步研究簇内基站数目对干扰规避策略有效性的影响，旨在为减缓5G 毫米波系统对NGSO 星座系统地球站的同频或邻频干扰提供一种方式方法，从而为5G 基站部署提供技术参考。

1 同频干扰场景与模型

1.1 同频干扰场景

图1为5G基站干扰NGSO 星座系统地球站的示意图。O1为NGSO 星座系统地球站接收天线所处位置，O1P 为地球站的接收天线主轴方向，O2为5G 基站发射天线所处位置，O2A 为5G 基站指向5G 用户终端的波束主轴方向，O1O2为5G基站对NGSO 星座系统地球站的干扰方向；ψ为干扰方向与地球站主轴方向的离轴角；φBS为5G 基站波束主轴在水平面的投影与水平线之间的夹角，即5G基站的方位角；φBS，ES为5G 基站相对于NGSO 星座系统地球站的方位角；θBS为5G 基站波束主轴与其在水平面的投影形成的角度，即5G 基站的仰角；θBS，ES为5G 基站相对于NGSO 星座系统地球站的仰角。

图1 5G基站干扰NGSO地球站的场景示意图

1.2 干扰计算

根据上节的干扰仿真场景，计算NGSO 地球站接收到来自5G 基站的干扰功率I 为：

图2 干扰计算流程图

式中，P为5G 基站的发射功率；Gtx（θBS，ES，φBS，ES）为基站在NGSO 地球站方向的发射天线增益；Ltx为自由空间损耗；Gtx（ψ）为NGSO 地球站在离轴角ψ方向上的天线接收增益；Lf为馈线损耗；ABW为带宽调节因子。噪声功率N为：

式中，T为接收机端的等效噪声温度，单位为K，dB 形式的玻尔兹曼常数取值为-228.6，单位为dBW/K/Hz；B为接收机系统带宽，单位为Hz。

采用如图2所示的干扰计算流程，仿真计算获得I与N，得到到达NGSO 地球站的干噪比I/N。选取-12.2 dB 作为系统的干扰门限值，当NGSO 地球站接收到的I/N低于-12.2 dB 时，满足干扰保护要求。

1.3 干扰分析关键模型

1.3.1 5G 基站天线模型

采用ITU-R M.2101建议书推荐的5G 系统大规模阵列天线[10]，通过波束赋形技术可使波束直接指向用户终端。天线阵元的辐射模型见式（3）～式（5）：

式中，AE，H和AE，V分别为天线阵元水平和垂直方向的增益；φ和θ分别为波束的方位角和仰角；φ3dB和θ3dB为阵元水平/垂直3dB 波束宽度；Am为天线阵元前后比，反映了天线对后瓣的抑制能力；SLAV为天线旁瓣限制；AE（φ，θ）为天线阵元的天线增益，GE，max为每个天线阵元的最大天线增益。

假设天线阵列由NH行NV列天线阵元组成，通过对每个天线阵元做加权处理再进行叠加，可以得到特定波束i 的整个天线阵列的增益，如式（6）～式（8）。

式中，w为加权函数；v为偏移位置向量；dV和dH分别为天线阵元的垂直与水平分布间隔；θi，etilt为天线阵列下倾角；φi，escan为天线阵列水平角。

1.3.2 NGSO 地球站天线模型

在进行干扰分析时，NGSO 地球站天线模型参考建议书ITU-R S.1428[11]，具体的辐射天线方向图见式（9）。

式中，ψ是偏离天线主轴方向的角度，即离轴角；D为地球站天线直径，单位为米；λ为关注频的波长；Gm为天线峰值增益，Gm=20log（D/λ）+8.4；。

1.3.3 路径损耗模型

5G 基站与NGSO 地球站间的路径损耗主要包括链路损耗和杂散损耗。对于链路损耗，采用自由空间模型：

式中，d为地球站发射机与5G 基站间的视距，单位为km；f为工作频率，单位为GHz。

因为5G 基站和NGSO 地球站的假定天线高度都低于标称杂散高度，所以仿真时需要考虑杂散损耗。参考ITU-R P.2108建议书[12]的3.2节，对于地到地路径杂散损耗，不超过p%的位置，通过以下公式计算。

式中，Q-1（p/100）为逆补正态分布函数；f为频率，单位为GHz；d为总的路径长度，单位为km。

2 基于基站协作的干扰规避策略

2.1 干扰规避仿真场景

在5G 系统与NGSO 星座系统同频共用的场景下，由于5G 系统无法预知NGSO 星座系统的运行状况，不能与NGSO 星座系统进行协作，考虑最恶劣的干扰情况，即在5G 基站接入用户时与NGSO 卫星与地球站产生共线干扰，系统间的干扰程度将极大地增加。因此，如果将一定区域内特定位置的5G 基站构成一个基站簇，如图3所示，在此簇内，由若干个用户和若干个5G 基站组成，用户由基站提供服务关系。5G 基站簇会获取当前簇内所有用户与基站内的链路，簇内基站可以对用户的服务请求进行协调接入，并且具备完整的NGSO 星座系统运行信息。

图3 5G基站簇示意图

2.2 干扰规避策略研究

将各个NGSO 星座系统的运行参数导入由若干地面5G 基站组成的地面5G 系统簇，即为地面5G 基站簇模拟卫星轨道及星地之间建立链接传递参数，5G 基站簇按采样周期采集当前时刻簇内所有用户的服务情况，包括每个基站服务用户的位置及链路状况；地面5G 基站簇模拟当前时刻内的卫星运行状况，根据第一节的数学模型对本簇内的链路进行干扰计算分析，根据干扰分析结果将当前时刻内的干扰状态返回5G 基站簇，基站簇根据干扰信息进行用户的协调接入，如果有需要断开的链路，则基站簇内的基站间进行用户切换接入，如果没有，则在此时刻下拒绝相关用户的接入服务请求以避免干扰的产生。其主要干扰规避流程如图4所示。

图4 干扰规避流程图

3 仿真结果与分析

3.1 仿真参数

以OneWeb 星座系统为例，仿真分析5G 毫米波系统下行链路与OneWeb 星座系统下行同频干扰的规避效果。

3.1.1 NGSO 星座系统地球站参数

经查询ITU 卫星网络资料数据库[13]可知，OneWeb卫星网络资料ID 为119500303，对应系统参数特性如表1所示。

表1 OneWeb地球站参数（37-42.5 GHz）

3.1.2 5G 毫米波系统基站参数

ITU WP5D 工作组建议，5G 毫米波系统的参数如表2所示。对5G 基站天线模型进行了建模，微基站天线采用8×16阵列天线时，计算得到最大阵列天线增益为26.0721 dBi。如图5所示。

图5 8×16阵列天线的三维增益方向图

表2 用于干扰共存研究的5G毫米波系统参数（37-42.5 GHz）

3.2 结果与分析

本文采用基于时间离散的动态仿真，针对多个地面5G 基站组成的基站簇，提前在簇内导入OneWeb 星座系统轨道参数、簇内可能存在干扰的OneWeb 星座地球站地理位置、OneWeb 星座星地建链策略等卫星系统固有信息，而后在5G 基站簇内模拟卫星运行情况而预判潜在干扰出现的可能，并在潜在干扰出现前就对原服务用户进行协调，提前设置空间隔离，消除地面5G 系统对地球站的干扰。干扰规避仿真系统的参数配置如表3所示。

表3 干扰规避仿真系统的参数

图6给出了在假定干噪比（I/N）门限为-11 dB 时，5G 基站干扰OneWeb 地球站的有害事件占比。即在一个时间采样点下，对5G 基站进行随机布站，每次统计不同5G 基站拓扑下干扰功率大于干扰门限值的次数占总干扰次数的比率。从图6可知，采用所提干扰规避方法有害事件占比可下降35%。

图6 干扰规避策略仿真结果对比图

图7给出了有害干扰事件比率的累积分布曲线。从图可知，在I/N 值为-25 dB 至10 dB 时，采用干扰规避策略的有害事件数明显低于未采用干扰规避策略的有害事件数。图中虚线为ITU 所规定的干噪比门限值，其值为-12.2 dB，在此阈值时本方法能够有效规避约30%的干扰情况。

图7 干噪比的累计分布曲线

图8 给出了不同干噪比门限下，OneWeb 地球站附近部署不同数量的5G 基站对干扰规避策略效果的影响。从图8可知，随着基站数目的增多，发生有害事件次数明显降低，这是因为基站数目的增多使得干扰规避策略中的备选链路增多，进而使得干扰减缓效果变好。当OneWeb 地球站周围一个基站簇内基站数目超过12个，基站数目的增加对于干扰规避效果的影响变小。因此在布置5G 基站簇时，需要折中考虑每个簇内干扰规避效果与系统成本。

图8 基站数目对干扰规避策略影响仿真结果图

4 结束语

针对5G 毫米波系统与NGSO 星座系统的同频下行干扰问题，本文深入研究了干扰规避方法。建立了5G基站对NGSO 星座系统地球站同频下行干扰分析的数学模型。结合干扰场景，提出了一种基于5G 基站协作的干扰规避方法。研究表明，当干噪比为-12.2 dB 时，OneWeb 地球站的有害干扰发生概率能够减小30%，从而提高了系统间的频率兼容性。同时，5G 基站簇内基站数量对所提方法的干扰规避效果有较为显著影响，当OneWeb 地球站周围一个簇内基站数目超过12个，基站的增加不会带来显著的干扰规避效果。本文结果为降低5G 毫米波系统对NGSO 星座系统地球站的同频或邻频干扰提供了一种思路和方法。下一步将重点考虑融合5G与NGSO 星座系统的天地一体化网络架构下，基于基站协作的干扰规避方法的可行性以及流程设计。