Q/V频段5G基站对NGSO星座系统地球站的干扰分析*

(国家无线电监测中心，北京 100037)

0 引 言

据国际电联(International Telecommunication Union,ITU)预测，在2020—2030年期间，移动宽带数据流量将增加10～100倍，这必然需要大量的无线电频谱作支撑[1]。毫米波频段以连续频谱资源大的优点，在5G网络未来建设中具有重要的作用，其中，37～43.5 GHz的部分频段已被标识为全球统一的5G频段[2]。

随着航天技术的发展，非静止轨道(Non-geostationary Satellite Orbit,NGSO)星座系统迎来了新一波发展热潮，并且NGSO星座具有大规模化的发展趋势[3]。美国SpaceX公司在2015年提出Starlink计划，拟发射42 000颗卫星，目前已发射1 025颗卫星，其中961颗卫星在轨[4]。这些新兴NGSO星座拟规划使用37.5～51.4 GHz频段，与5G毫米波系统存在用频重叠。考虑到NGSO星座系统全球无缝覆盖，卫星规模大，地球站分布广且无处不在，那么NGSO星座系统与5G毫米波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，开展系统间的干扰分析尤为必要。

目前关于NGSO星座系统与5G系统间的干扰分析的研究较少，但是静止轨道(Geostationary Satellite Orbit,GSO)卫星系统与5G系统间的干扰分析研究较多。文献[5-7]的研究主要针对GSO系统和5G系统之间的干扰场景。在NGSO星座系统与5G系统共存的动态场景下，涉及的动态时变参数更多，链路距离、天线波束指向等链路特征均不断变化，适用于GSO卫星系统的静态仿真方法将不再适用NGSO星座系统，因此，上述研究对NGSO星座系统与5G系统间干扰分析的借鉴意义不大。

为了解决上述问题，本文考虑NGSO星座系统卫星位置动态时变性，建立了基于时间离散的“拉远式”和“挖洞式”的动态干扰分析模型，按照最大仰角链路建立策略为NGSO星座系统地球站建立链路，并通过设置不同的保护距离评估分析5G基站对NGSO星座系统地球站的集总干扰。

1 系统建模

1.1 系统特性

1.1.1 5G毫米波系统特性

考虑到NGSO卫星点波束具有覆盖面积大的特点，单个点波束的覆盖直径高达1 000 km[8]，因此卫星点波束覆盖范围下的5G系统网络拓扑将是由宏小区和微小区构成的异构网络拓扑，低频段部署的宏小区用于实现大面积覆盖，毫米波频段部署的微小区用于实现热点地区覆盖及提升系统容量。

在研究5G系统对NGSO地球站的干扰时，对于城市微蜂窝场景，仿真时考虑15.2 km2的5G部署区域，先在仿真区域内确定19个宏小区的拓扑(站间距为961 m)，每个宏小区包含3个相同的六边形扇区；然后在宏小区的每个扇区内都内分布着2个微基站簇，在每个簇内撒放4个微基站，并确保微基站之间的距离不小于50 m，网络拓扑如图1所示，在局部区域内共部署了456个微基站，符合WP5D工作组建议的每平方千米30个基站的仿真密度。

图1 局部区域内的5G基站部署

1.1.2 NGSO星座系统特性

对于NGSO星座系统，根据业务类型进行分类，包括用户波束和馈线波束两种典型的波束，用户波束的覆盖面积比馈线波束的覆盖面积小；根据波束对地覆盖特性进行分类，可分为固定点波束和可调点波束。固定点波束相对于卫星固定，其特点是当卫星运动时，其对地覆盖区域随卫星的运动而变化，使用这种点波束的系统，地球站将会由于卫星的运动需要从一个点波束切换到另一个点波束。可调点波束的特点是通过调节卫星天线，可以实现卫星波束的对地覆盖范围保持固定。目前规划的40 GHz频段NGSO星座系统大多采用可调点波束，因此本仿真中基于可调用户点波束进行波束建模。

1.2 干扰场景

5G微基站干扰NGSO星座系统地球站的场景示意图如图2所示，O1表示NGSO星座系统地球站接收天线的位置，O1P为NGSO星座系统地球站接收天线的主瓣方向，O2表示5G微基站发射天线的位置，O2A为5G微基站指向5G用户终端的波束主瓣方向，O1O2为从5G微基站指向NGSO星座系统地球站的干扰链路方向；ψ为干扰链路方向与地球站接收主瓣方向之间的离轴角；φBS为5G微基站波束主瓣水平面投影与水平线之间的夹角，即5G微基站的方位角；φBS,ES为5G微基站相对于NGSO星座系统地球站的方位角；θBS为5G微基站波束主瓣与其水平面投影形成的角度，即5G微基站的仰角；θBS,ES为5G微基站相对于NGSO星座系统地球站的仰角。

图2 5G微基站干扰NGSO星座系统地球站的场景示意图

1.2.1 “拉远式”拓扑模型

图3给出了“拉远式”拓扑模型，在地球站一定保护距离之外的一侧部署5G基站，仿真分析部署范围内微基站对地球站的集总干扰情况。该场景拓扑主要适用于郊区场景。

图3 “拉远式”拓扑模型

1.2.2 “挖洞式”拓扑模型

图4给出了“挖洞式”拓扑模型，以NGSO星座系统的地球站为中心，在地球站保护距离之外的四周部署5G系统，仿真分析部署范围内微基站对地球站的集总干扰情况。该场景主要适用于城区或郊区场景下周围热点较多的情况。

图4 “挖洞式”拓扑模型

2 干扰分析

2.1 天线模型

2.1.1 5G基站天线模型

参考建议书ITU-R M.2101[9]，5G系统采用大规模阵列天线，通过调整阵列中的每个阵元的加权系数生成指向性强的波束，可使波束直接指向用户终端。天线阵元的辐射模型见式(1)～(3)：

(1)

(2)

AE(φ,θ)=GE,max-min{-[AE,H(φ)+AE,V(θ)],Am}。

(3)

式中：AE,H和AE,V分别表示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；φ3 dB和θ3 dB为阵元水平/垂直半功率波束角；Am表示天线阵元前后比，反映了天线对后瓣的抑制能力；SLAv表示天线旁瓣限制；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。

考虑由NH行NV列天线阵元组成的天线阵列，通过对每个天线阵元做加权处理后再进行叠加，可以得到特定波束i的整体天线阵列的增益AA,Beami，计算公式见式(4)～(6):

(4)

(5)

sin(φi,escan)]}。

(6)

式中：wi,n,m为权重函数，用于在水平和垂直两个维度对波束进行控制，假设每个天线阵元的权重幅度都相等，通过相位来控制波束使得5G基站的发送波束指向服务的用户终端，其由天线阵列所要求的下倾角和阵元的分布间隔决定；vn,m为叠加位置矢量；dV和dH分别表示天线阵元的垂直与水平分布间隔；λ表示系统频率对应的波长；θi,etilt为5G基站指向用户终端的天线阵列下倾角,φi,escan为5G基站指向用户终端的天线阵列水平角,θi,etilt和φi,escan由5G基站的天线阵列面板法线方向、用户终端的位置共同决定。

2.1.2 NGSO地球站天线模型

干扰分析时，NGSO地球站的天线模型参考建议书ITU-R S.1428[10]，具体的辐射天线方向图见式(7):

(7)

2.2 路径损耗模型

本文主要考虑5G基站与NGSO地球站之间的链路损耗和杂散损耗。其中，链路损耗采用自由空间模型：

L(d)=92.5+20lg(d)+20lg(f)。

(8)

式中：d为地球站与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[11]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:

Lctt=-5lg(10-0.2Ll+10-0.2Ls)-6Q-1(p/100)，

(9)

Ll=23.5+9.6lg(f)，

(10)

Ls=32.98+23.9lg(d)+3lg(f)。

(11)

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

2.3 空间角度计算

2.3.1 离轴角

已知卫星点波束、卫星以及地球站的位置，地球站与卫星的波束主瓣方向之间的离轴角采用下式计算[12]：

(12)

式中：des2sat、dbeam2sat和dbeam2es分别表示地球站和卫星、点波束和卫星以及点波束和地球站之间的距离，Re表示地球半径，h表示卫星轨道高度，α表示纬度，γ表示经度，下标u、s、b分别表示地球站、卫星、点波束。

2.3.2 5G基站下倾后的仰角、方位角修正

为了减少小区间干扰，5G基站天线一般会设置物理下倾角以控制天线主瓣的覆盖范围。然而一旦天线物理下倾后，在天线水平面测得的仰角和方位角就不再适用，需要进行修正。天线的仰角和方位角的物理倾角修正应采用公式(13)，详细公式推导见建议书ITU-R F.1336[13]。

(13)

式中：θh和φh分别表示从天线位置水平面测到的仰角和方位角，β表示物理下倾角。

2.4 集总干扰

2.4.1 集总干扰计算

NGSO地球站接收到来自单个5G基站的干扰功率I为

I=P+Gtx(θBS,ES,φBS,ES)-Ltx+Grx(ψ)-Lf+ABW。

(14)

式中：P为5G微基站的发射功率，Gtx(θBS,ES,φBS,ES)表示基站指向NGSO地球站方向的发射天线增益，Ltx表示自由空间路径损耗，Grx(ψ)表示NGSO地球站在离轴角ψ方向上的接收天线增益，Lf表示馈线损耗，ABW表示带宽调节因子。

考虑到5G系统具有大面积部署的特点，NGSO地球站将会受到在其周围部署的所有5G基站的集总干扰Iagg：

(15)

式中：Ii表示第i个5G基站对地球站的干扰，M表示干扰5G基站总数目。

NGSO地球站接收到来自5G基站的集总干噪比(Interference-to-Noise Ratio,INR)为

INR=Iagg-10lg(KBT)

(16)

式中：K表示玻尔兹曼常数，B表示NGSO星座系统的下行链路通信带宽，T表示NGSO星座系统地球站天线等效噪声温度。

2.4.2 干扰计算流程

由于5G用户终端的位置是通过随机撒点生成的，因此5G基站的主波束指向将具有随机性，需要通过在每一个仿真时刻下都对5G网络拓扑进行多次抓拍来获取该仿真时刻下的统计性结果。在每一个仿真时刻下的仿真流程如下：

Step1 初始化5G基站和NGSO地球站相关仿真参数，每次抓拍前初始化用户终端参数。

Step2 生成NGSO星座系统的卫星数据，然后针对每个地球站进行可见性分析，并保存每个地球站的可见性矩阵，按照最大仰角建链策略为地球站选择目标卫星。

Step3 按照场景拓扑生成M个5G基站，并在5G基站天线的法线方向(-60°～60°)、半径为50 m的扇区范围内随机生成3个用户，记录下基站的位置、基站与用户间的仰角和方位角。

Step4 计算5G基站与NGSO地球站的仰角和方位角，确定出5G基站指向地球站的干扰信号发送增益。

Step5 计算NGSO地球站与5G基站的离轴角，确定NGSO地球站对干扰信号的接收增益。

Step6 计算5G基站与NGSO地球站之间的路径损耗。

3 仿真与分析

3.1 仿真参数

以OneWeb星座系统为例，分析5G毫米波系统下行链路对OneWeb星座系统下行链路的干扰。

3.1.1 NGSO星座系统地球站参数

OneWeb星座有18个卫星轨道，轨道高度为1 200 km，倾角为87.9°，每个轨道上40颗卫星，共720颗卫星。在ITU发布的卫星网络资料数据库中查询，OneWeb卫星网络资料ID为119500303[14]，本文选取T2E下行波束，相应的OneWeb星座系统的通信参数如表1所示。

表1 NGSO星座系统通信参数

3.1.2 5G毫米波系统基站参数

按照ITU WP5D工作组建议，5G毫米波系统的仿真参数见表2。采用表中的参数，对5G微基站天线模型进行仿真，当微基站天线采用8×16的阵列天线时，计算得到最大阵列天线增益为26.072 1 dBi，阵列天线的三维增益方向图如图5所示。

表2 用于干扰共存研究的5G系统参数

图5 阵列天线的三维增益方向图(8×16天线阵列)

3.2 结果与分析

本文采用基于时间离散的动态仿真，通过对NGSO卫星的运行轨迹进行动态仿真，实现不同时刻下NGSO地球站的链路建立，分析仿真时间内5G基站对NSGO地球站的干扰影响。仿真时，NGSO地球站位置为(116°E、40°N)，仿真步长为60 s，仿真步数为1 440。

当保护距离为100 m时，基于“挖洞式”和“拉远式”两种网络拓扑的5G基站干扰NGSO地球站的INR累计分布曲线如图6所示，给出了干扰强度的统计性分析结果。

图6 INR累计分布曲线(保护距离100 m)

从图6可以看出，在本文参考的特性参数下，在100%的时间内，两种拓扑模型均不会超过建议书ITU-R S.1324[15]中INR=-12.2 dB的干扰保护标准，这与Q/V频段下5G基站指向地面的天线波束的指向性更强有关。

图7给出了不同仿真时刻对应的INR。由于NGSO地球站的天线指向具有时变性，NGSO地球站对干扰信号接收增益会不断变化，因此NGSO地球站受到的来自5G基站的干扰将会动态变化。

(a)“拉远式”

针对“拉远式”仿真拓扑，通过设置不同的保护距离来分析其对干扰的影响，仿真结果见图8。如图所示，当保护距离减小时，由于干扰路径的路径损耗会变小，最终到达NGSO地球站的干扰功率将会增大；当保护距离为50 m时，95%的时间内，干扰余量不小于15.38 dB。

图8 基于不同仿真参数的干扰结果比较(“拉远式”)

4 结束语

本文研究了5G毫米波系统基站对NGSO星座系统地球站的下行链路干扰场景，建立了基于时间离散的“拉远式”和“挖洞式”的动态集总干扰分析模型，以OneWeb系统为例仿真分析了两种拓扑模型下集总干噪比的累积分布。在“拉远式”拓扑模型的干扰场景下，保护距离为50 m时，95%的时间内NGSO系统地球站干扰余量不小于15.38 dB，Q/V频段5G基站与NGSO星座系统地球站有兼容共存的空间。以上研究可为NGSO星座系统的频率规划提供参考。下一步将重点考虑如何分析5G毫米波基站对NGSO星座系统卫星的集总干扰。