3.5 GHz频段5G系统对ATG系统干扰分析

刘蕾 侯继江 蔡云斌 张少伟 芒戈

（1.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中国电信股份有限公司，北京 100033；3.中国电信上海应急通信局，上海 200080）

引 言

飞机曾经一度被称为网络信息的最后孤岛. 近些年，随着移动通信以及卫星通信等技术的不断发展，使民用客机为乘客提供空中互联网服务成为可能，机载Wi-Fi 的逐渐普及使在空中上网不再遥不可及.

放眼全球，早在2005年，欧洲空客就宣布推出了客舱“Wi-Fi网络系统”，借助“全球星”卫星通信系统，首先实现了高空飞机客舱上网. 到2007年，全球首个借助地面基站(base station, BS)信号覆盖空中航线，给飞行中的飞机提供CDMA无线接入服务的地空宽带系统(air-to-ground, ATG)问世[1]. 在国内，2015年6月，东航、南航、国航、厦航和海航获得工信部批复，部分飞机获得空中提供互联网服务的资格[2].此后，国内掀起一阵机上Wi-Fi研究热潮.

到目前为止，实现高空上网主要有两种方式：

第一种是通过卫星通信的方式实现地空通信，即利用卫星、飞机和卫星地面站三者进行数据通信.优势是通信范围非常广泛，尤其适合国际航线. 但其缺点也较为明显：由于数据传输距离较远导致通信时延较大；在设备、维护和带宽成本等方面开销较高[3].

第二种是基于ATG的地空通信方式[4]，即地面BS覆盖高空航线方式实现地空宽带通信. ATG系统利用成熟的陆地移动通信技术(如3G/4G/5G技术)[5]，沿飞行航线布设地面基站对空发射无线电信号，利用地空通信链路向空中飞机提供高带宽的通信服务[6].地面站部署天线对空覆盖，飞机则通过安装在飞机上的机载接收设备[7]，接收到地面信号后转换成机舱内的Wi-Fi信号覆盖，在满足前舱行业需求的同时，可满足后舱旅客互联网接入的需求，有效实现地空高速数据传送. 相比卫星通信，ATG有着不可比拟的高数据带宽、低延迟、低成本和不受天气影响的高可靠性的优势[8]. 我国陆地面积占比较大且连续性高，国内航线占比高，国内电信运营商的地面移动通信网络覆盖面广、技术成熟，故在国内开展ATG系统的研究具有良好的基础条件[3].

欧洲邮电管理委员会(European Commission of Posts and Telecommunications, CEPT)在WRC-19大会周期提出，针对非安全应用，去掉某些国际移动通信(international mobile telecommunications，IMT)频段“航空移动除外”的限制，考虑新的用例(如ATG)以增强飞机或无人机上的BS或终端(user equipment,UE)的连接.

2020年1月6日，2020年全国民航工作会议工作重点中明确要求“加强智慧民航研究，加快新技术推广应用”[9]. ATG业务的开展需要无线频谱、基站站址、传输网络等基础业务资源的配合. 为了有效节约频谱资源，充分利用运营商的无线网络资源，与地面移动通信业务复用已有的频率是开展ATG地空通信业务的最优选择[10]. 在《中华人民共和国无线电频率划分规定》[11]中，目前国内3 500～3 600 MHz频段划分的移动业务中含有“航空移动除外”限制，而3 400～3 500 MHz频段内则没有该限制，故可首先考虑在3 400～3 500 MHz频段开展ATG业务.

同频复用将产生一定程度的系统间干扰，本文基于3 400～3 500 MHz频段(即3.5 GHz频段)，采用5G系统参数和ATG基本参数，仿真计算地面5G系统BS对机上ATG系统的干扰及地面5G系统用户对ATG BS的干扰，并对两系统间的同频共存问题进行详细分析研究，以确定在该频段内使用ATG系统的可行性.

1 干扰场景及分析方法

1.1 干扰场景

地面5G BS对机载ATG系统干扰场景如图1所示，地面5G系统BS部署分为城区、城郊连续和郊区三种场景. 考虑到飞机在起飞和降落阶段不开启ATG系统，不存在干扰情况，因此，干扰场景不考虑飞机起飞和降落这两个阶段.

图1 地面5G BS对机载ATG系统干扰场景Fig. 1 Interference scenario of terrestrial 5G BS to airborne ATG system

5G系统有两种类型的网络结构：同构网络由单一BS类型构成，可以是宏BS、微BS或室内BS；异构网络由多种BS类型组合而成，比如宏BS使用较低频段进行全覆盖，微BS使用高频段进行小范围覆盖. 本文所分析的频段为3.5 GHz，因此只考虑宏BS的部署，不考虑微BS.

由于3.5 GHz频段的双工方式为时分双工(time division duplex, TDD)，因此地面5G终端用户会对ATG地面BS产生干扰，干扰场景如图2所示.

图2 地面5G用户对ATG BS干扰场景Fig. 2 Schematic diagram of 5G UE to ATG BS scenarios

单个5G BS对机载ATG系统的干扰如图3所示，θ为波束传播方向和5G BS到飞机干扰信号方向的夹角. 单个5G系统用户对ATG BS的干扰如图4所示，θ为5G系统用户天线波束传播方向与5G系统用 户到ATG BS天线干扰信号方向的夹角.

图3 单个5G BS对机载ATG系统的干扰Fig. 3 Single 5G BS interferes to the airborne ATG system

图4 单个5G系统用户对ATG BS的干扰Fig. 4 Single 5G UE interferes to the ATG BS

1.2 干扰分析方法

单个5G宏BS在飞机ATG系统处产生的干扰为

式中：In是第n个5G宏BS在飞机ATG系统处产生的干扰；Pn是 第n个5G宏BS的发射功率；Gn是 第n个5G宏BS朝飞机方向的天线增益；LFS为5G宏BS到飞机的自由空间损耗；GATG为飞机ATG系统天线朝5G BS方向的增益；LArray为5G宏BS天线阵列损耗；Lces为地物损耗；LCP为天线交叉极化损耗.

由于5G宏BS和UE位置的随机性和天线的方向性等因素，5G BS和UE对ATG系统造成的干扰也具有随机性，因此，本文采用蒙特卡洛仿真方法，每一次仿真快照中随机部署5G宏BS和UE. 计算5G BS服务用户时，发射功率会通过天线旁瓣对机载ATG系统造成干扰；计算5G UE对BS通信时，发射功率会通过天线旁瓣对ATG BS造成干扰. 经过多次仿真，统计干扰及其累积分布函数(cumulative distribution function, CDF)曲线，以分析5G BS对机载ATG系统造成的干扰情况和5G用户对ATG BS造 成的干扰情况.

2 仿真参数

2.1 地面5G系统参数

仿真中涉及的5G系统参数，包括BS部署、天线类型和用户分布等，均参考ITU-R的相关建议书[14]，主要地面5G系统参数情况如表1所示. 5G BS所使用的水平和垂直天线方向图如图5和图6所示，可以看出，最大增益为23.1 dBi. 根据ITU-R M.2101建议书[15]，宏BS范围内分布的用户与BS间距离服从σ=32的瑞利分布，用户的方位角服从N(0°，30°)的正态分布，且角度范围限制在±60°.

图5 水平方向天线增益(φ=0°)Fig. 5 Horizontal antenna gain diagram(φ=0°)

图6 垂直方向天线增益(θ=0°)Fig. 6 Vertical antenna gain diagram(θ=0°)

表1 地面5G系统参数Tab. 1 Parameters of 5G terrestrial system

由于城区、郊区和城效连续的BS密度、小区半径均不相同，所以地面5G系统对空产生的集总干扰以及地面5G用户对ATG BS产生的干扰也不同，因此后续会分析多种场景下地面5G BS对飞机ATG系统的干扰情况以及5G IMT系统用户对ATG BS的干扰情况. 三种场景下的5G系统BS部署相关参数如表2所示.

表2 三种场景下5G系统BS部署参数Tab. 2 5G BS deployment parameters in 3 scenarios

2.2 飞机ATG系统参数

由于ATG系统仅在高空飞行时启用，不考虑起飞和降落时间段的高度，相关参数见表3.

表3 ATG系统参数Tab. 3 ATG system parameters

3 仿真结果

3.1 5G BS对机载ATG系统的干扰仿真结果

分别对飞机ATG系统在不同场景下接收到的来自地面5G BS的干扰进行仿真，统计最大干扰功率密度和平均干扰功率密度，来分析5G BS对机载ATG系统的干扰.

三种场景下5G BS对机载ATG系统干扰功率密度CDF曲线见图7，具体的干扰功率密度见表4. 可以看出：机上ATG系统受到城区地面5G BS的集总干扰为主要干扰，飞机处于城区地面5G系统上空10 km处受到的最大干扰功率密度为-76.58 dBm/MHz；在城郊连续区域，飞机处于10 km高空时地面5G BS对机载ATG系统的最大干扰功率密度为-75.64 dBm/MHz；郊区地面5G BS对机上ATG系统的干扰影响较小，飞机处于10 km高空处受到的最大干扰功率密度为-81.78 dBm/MHz. 由机载ATG系统接收到的地面ATG BS的信号功率可以得出，机载ATG系统在城区、城郊连续区和郊区的信干噪比(signal to interference noise ratio, SINR)分别为4.64 dB、3.71 dB和9.95 dB.并根据SINR值由香农公式计算得到城区、城郊连续和郊区场景中的理论吞吐量分别为187.68 Mbps、166.32 Mbps和328.45 Mbps. 根据仿真结果可以发现，在城区、城郊连续和郊区三种场景下，在受到地面5G BS干扰的情况时，ATG可提供的吞吐量足够满足机上用户的需求.

图7 5G BS对机载ATG系统的干扰功率密度CDF曲线Fig. 7 Interference power density CDF curve of 5G BS to airborne ATG system

表4 不同场景下5G BS对机载ATG系统的干扰功率密度Tab. 4 Interference power density in different scenarios of 5G BS to the airborne ATG system

3.2 5G用户对ATG BS的干扰仿真结果

分别对ATG BS在不同场景下接收到的来自5G用户的干扰进行仿真，统计平均干扰功率密度，来分析5G用户对ATG BS的干扰.

由于在城郊连续场景下，5G系统用户对ATG BS的干扰主要来源于城区，因此只分析城区和郊区两种场景. 5G系统用户对ATG BS干扰功率密度CDF曲线见图8，具体的干扰功率密度见表5. 可以看出：在城区场景中，当ATG BS与5G系统用户间隔距离分别为1 km、3 km和5.4 km时，平均干扰功率密度分别为-115.04 dBm/MHz、-117.33 dBm/MHz和-119.3 dBm/MHz；郊区场景中，当ATG BS与IMT系统用户间隔距离分别为5 km、10 km和15 km时，平均干扰功率密度分别为-134.54 dBm/MHz、-138.93 dBm/MHz和-141.65 dBm/MHz. 仿真结果分别给出了城区场景和郊区场景中5G系统用户对ATG BS干扰功率密度的参考值，通过对比可以发现5G系统用户对ATG BS的干扰比5G BS对机载ATG系统产生的干扰要低得多.

图8 5G用户对ATG BS干扰功率密度CDF曲线Fig. 8 Interference power density CDF curve of 5G UE to ATG BS

表5 不同场景下5G系统用户对ATG BS干扰功率密度Tab. 5 Interference power density in different scenarios of 5G UE to ATG BS

4 结 论

文中通过仿真计算城区、城郊连续和郊区等不同场景下3.5 GHz频段地面5G系统基站对机上ATG系统的平均干扰功率密度，确定了机上ATG系统受到的地面5G系统干扰为可接受干扰. 由ATG系统收到的地面ATG基站的信号功率，确定了三种场景下的SINR值以及理论吞吐量. 由ATG可提供的吞吐量可得，机上ATG系统在上述三种场景地面5G系统的干扰下，能够满足机上用户需求. 此外，还给出了城区和郊区在不同隔离距离下5G系统用户对ATG基站的集总干扰参考值，以用于参考.后续将考虑在更多IMT频段下进行地面5G系统对ATG系统的干扰分析.