6G空天地一体化网络高空平台基站下行频谱效率研究*

张少伟，刘蕾，芒戈

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

目前我国已迈入5G 高质量发展的新时代，5G 的快速发展不仅有效地支撑数字中国建设，促进社会经济发展，实现产业提质增效，同时也深刻地影响着交通、医疗、健康、娱乐等大众生活的方方面面，让人们对数字生活有了切身的感受。但在一些偏远的乡村地区、广袤的草原、海洋和沙漠地带，受制于地形条件、投资成本、技术实现等因素，基础设施的建设不够完备，当前陆地移动通信系统很难发挥其优势。为了帮助缩小城乡数字鸿沟，实现普遍服务，满足特殊场景的日常及应急通信需求，移动网络覆盖率的提升迫在眉睫。

面向人类社会对于信息化的新需求，当前传统陆地无线通信系统开始整合多方面产业优势，在当前5G 技术的基础上面向下一代移动通信技术（6G,6th Generation Mobile Networks）进行技术演进与革新。6G 技术将通过地面通信网络、卫星通信网络及高空平台通信网络的异构融合，继续扩展终端连接的广度与维度，建设泛在的通信基础设施体系。通过构建多网络融合发展的空天地一体化网络（SAGIN,Space-Air-Ground Integrated Network），实现多维度立体化的无缝通信覆盖，满足全球范围内无线终端无差别随时随地接入的需求，实现万物智联的未来愿景。

空天地一体化网络利用现代信息网络技术将空间、天空和地面网络部件相互连接起来，引起了学术界和工业界的广泛关注，其具有覆盖范围大、弹性强、吞吐量高等优势，能够用于智能交通系统[1]、军事任务、救灾[2]、地球观测测绘等实践领域。

空天地一体化融合网络将由天基多层子网（高轨卫星、中低轨卫星）、空基网络（多种临空设备）和地面蜂窝多层子网（宏蜂窝、微蜂窝和皮蜂窝）组网构成统一的大时空尺度跨域异构的网络，如图1 所示。

图1 空天地一体化融合网络

1 高空平台系统

IMT 系统在频谱标识、网络部署和无线电接入技术方面有了长足的发展，同时，电池和太阳能电池板技术的最新进展可能使部署于临近空间的高空平台系统（HAPS,High Altitude Platform Systems），能够为服务不足的社区以及农村和偏远地区较大地理覆盖范围提供低延迟的移动宽带连接[3]。这些技术进步可以使HAPS 搭载IMT基站（HIBS），成为地面IMT 网络的一部分，并对其进行补充，且HIBS 和地面IMT 基站都可以为现有用户终端提供支持。

为了增加更多的接入量，HIBS 将需要进行额外的频谱标识，以灵活地使用已经为IMT 确定的2.7 GHz 以下的某些频段，同时考虑到潜在的HIBS 部署方案及其技术和操作特性，以及与现有应用和服务的兼容性。认识到这一点，WRC-19 通过了第247 号决议，以考虑“在全球或区域层面已在IMT 所确定的2.7 GHz 以下某些频段的移动业务中使用HIBS”[4]。

HIBS 高度为20 km 至50 km，其可以在覆盖面积超过30 000 km2的未服务区域（包括农村和偏远地区）提供低延迟的移动连接。HIBS 可以通过“超级宏小区”来增强地面IMT 网络，该网络可以补充现有的基于地面的部署方法，例如宏小区、微小区，如图2 所示。

图2 地面IMT网络中的HIBS区域覆盖区域示意图

因此，考虑到与现有应用和业务的兼容性，HIBS 将用作现有地面IMT 网络的一部分并作为其补充，因此HIBS 可以使用与地面IMT 基站相同的频段与用户终端连接，从而扩展了有效覆盖区域。此外，地面IMT 基站服务的现有用户终端也将由HIBS 服务，而不需要HIBS 独立的用户终端。

频谱资源是全球共用的、由国家支配使用的稀缺战略性资源，是移动通信系统得以维持和发展的重要保证。另一方面，随着通信产业的加速发展，移动通信系统用户数量的急速增长，用户需求也急速上升，可用的频谱资源日益紧张，传输速率的提升又进一步增大了能量的消耗，不但会加剧环境污染，同时也会增加经济成本的支出[5]。所以，频谱效率的研究能够实现频谱资源的科学分配和使用，避免超前分配导致的资源浪费。

2 HIBS仿真网络拓扑结构

（1）单个HIBS 网络拓扑结构

单个HIBS 服务区域由具有多波束配置的多个小区组成，如图3 所示为含有7 个服务小区的单HIBS 覆盖示意图。HIBS 位于服务区域中心，该HIBS 服务区域含有两层小区，将位于HIBS 区域中心的小区定义为“第1 层小区”，将位于第1 层小区外侧的小区定义为“第2 层小区”，同一层中的小区天线的水平角和下倾角相同。第1层小区含有1 个扇区，第2 层小区含有6 个扇区。

图3 单个HIBS服务区域示意图

（2）HIBS 组网拓扑结构

图4 为由多个7 小区HIBS 组成的连续广覆盖组网拓扑结构，图中“A”表示HIBS 的服务半径，“B”表示两个HIBS 之间的距离，且。HIBS 用户终端均匀分布在HIBS 服务区域内。

图4 HIBS组网示意图

3 频谱效率计算方法

（1）HIBS 用户小区接入

由于HIBS 各个小区天线参数不同，导致实际仿真中，用户实际接入的小区（或HIBS）与逻辑上部署的小区（或HIBS）有一定的差别，因此需要确定用户实际所接入的小区。用户接入小区的流程图如图5 所示。

图5 中，S 表示HIBS 用户接收的有用信号，Ptx表示HIBS 天线发射功率，Gtx表示HIBS 天线增益，Loss表示链路损耗，GUE表示HIBS 用户天线增益。通过计算用户接收的有用信号判断所接入的小区，过程示意图如图6 所示。

图5 HIBS用户接入流程图

图6 HIBS用户实际接入小区示意图

（2）下行频谱效率计算

在仿真中，首先计算HIBS 的SINR，然后根据SINR 来计算HIBS 的频谱效率。

用户收到HIBS 的接收信号功率Pr为：

式(1) 中，PHIBS是HIBS 的发射功率，GHIBS是HIBS 的天线增益，L是HIBS 和用户之间的路径损耗，GUE是用户的天线增益。当Pr是该用户所接入的HIBS 相应小区产生时，为有用信号S；否则为无用干扰信号。HIBS 用户接收的干扰来在两个方面，一方面是来自所属HIBS 其他服务小区的干扰，另一方面是来自其他HIBS 的干扰。

HIBS 和用户之间的损耗采用自由空间损耗[6]：

式(2) 中f为载波所用频率；r为HIBS 到用户的距离。用户收到第n个扇区的干扰为In，集总干扰Isum为：

HIBS 的SINR 计算如下：

式(3) 中，N为热噪声。

HIBS 的频谱效率fee由如下公式计算：式(5) 中，α是衰减因子，SINRmin是链路SINR 最低值，SINRmax是链路SINR 最高值。

由于HIBS 用户位置的随机性和天线的方向性等因素，用户收到HIBS 的信号、干扰也具有随机性，因此，采用蒙特卡洛仿真方法，每一次仿真快照中随机部署用户，计算HIBS 和用户进行通信时，用户受到的干扰。经过多次仿真快照，统计SINR 累积分布函数（CDF）曲线。

4 仿真参数

根据目前ITU-R WP5D #38 会议讨论情况，给出了HIBS 基站和终端相关仿真参数，如表1 和表2 所示。

表1 HIBS部署及其相关仿真参数

表2 HIBS用户部署及其相关仿真参数

5 仿真结果及分析

根据频段1、2、3 参数分别仿真计算HIBS 下行SINR 和下行频谱效率。由于目前6G 指标等尚未确定，因此与ITU-R 报告书M.2410[8]第3.3 节给出的5G 网络关于用户体验速率的最低要求以及对应的频谱效率（第5百分位频谱效率）进行比较，进而对HIBS 下行频谱效率进行评估。用户体验速率如表3 所示。

表3 ITU-R报告书M.2410下行频谱效率最小需求

图7 所示为三个频段下行SINR CDF 曲线，图8 为下行频谱效率CDF 曲线，SINR 和频谱效率CDF 第5 百分位取值和平均值如表4 所示。

表4 HIBS下行SINR和频谱效率

图7 下行SINR CDF曲线

图8 下行频谱效率CDF曲线

因为HIBS 主要作为IMT 网络的补充，覆盖郊区及偏远地区，因此选择表3 中郊区作为比较场景。由表3 和表4 可知，在三个频段条件下，HIBS 下行频谱效率第5 百分位数值分别为0.31、0.27、0.25 bit/s/Hz，大于0.12 bit/s/Hz，所以能够满足5G 网络的最小需求；而平均值分别为1.03、0.70、0.61 bit/s/Hz，小于3.3 bit/s/Hz，难以达到良好的速率体验。

6 结束语

高空平台基站的应用能够扩展地面IMT 网络的覆盖范围，使偏远山区、海岸线、沙漠等未覆盖网络的地方提供网络接入，以较低的建设成本覆盖大面积区域。本文就HIBS 下行频谱效率进行了仿真研究，在所使用的参数下对其CDF 第5 百分位值和平均值与ITU-R 报告书M.2410中下行频谱效率最小需求值和平均值进行了比较。结果显示，该仿真参数下，HIBS 下行频谱效率能够满足5G网络要求，但无法达到良好的下行速率。因此，为了提高频谱效率，满足今后6G 网络要求，提升用户速率体验，后续可研究降低同频干扰等相关技术。