900MHz频段HIBS与5G NR同频共存干扰研究

王程，刘晓雅，蔡雨倩，王晓茜，王卫东

（北京邮电大学，北京 100876）

0 引言

将高空平台作为国际移动通信（International Mobile Telecommunication，IMT）基站，形成的高空平台基站（HAPS IMT Base Station，HIBS）具有覆盖范围大、部署机动灵活、传播损耗小等优势，吸引了多个国家的注意力，成为了国际电信联盟无线电通信组2023 年世界无线电通信大会（International Telecommunication Union-Radiocommunications sector World Radiocommunication Conference-23，ITU-R WRC-23）1.4 议题、第三代合作伙伴计划规范15（3thGeneration Partnership Project Release 15，3GPP Release 15 ）至Release 18 的研究重点之一。2019年WRC 大会上，HIBS 成为WRC-23 研究议题1.4，在全球或区域范围内，在2.7 GHz 以下频段已标识IMT 的频段中，开展HIBS 用于移动通信服务的研究。相比目前地面通信系统逐渐采用的高频段，2.7 GHz 以下频段的电磁波波长更大，更容易发生衍射，对障碍物的绕射能力更强，从而能够提供更好的深度覆盖性能，但中低频段范围内剩余资源日益紧张，因此在中低频段内进行频谱重耕就显得格外重要。

随着现有通信技术的不断发展进步，频谱资源的需求日益增大，现阶段在高频频段已有大量空间业务部署，文献[1]介绍了高空平台通信系统定义和基本框架，提出了高空平台通信系统在我国的应用前景分析和可能面临的挑战；文献[2]围绕38—39.5 GHz 频段内IMT-2020 系统与HIBS 系统固定业务的干扰共存问题进行了研究，研究结果表明，通过设定一定的参数以及距离间隔，有可能实现IMT-2020 系统与HIBS 系统的同区域部署；文献[3]通过仿真对2.1 GHz频段5G NR 与现有通信系统干扰共存进行了研究，给出了不同仿真场景下满足共存需求的条件；文献[4]结合我国无线电频率使用现状，对1.8 GHz 频段内时分-长期演进（Time Division-Long Term Evolution，TD-LTE）系统与其他系统干扰共存的问题进行分析研究，提出相应的规避干扰措施。文献[5]从频谱效率、误码率等不同方面对5G-高空基站下行链路性能进行评估，结果表明在用户仰角适当的情况下，通过高空基站提供5G 服务这一方法十分有前景。文献[6]研究了当IMT-2020 系统部署在6 GHz 以下频段时IMT-2020系统分别同自系统以及固定卫星系统之间同频和邻频的干扰共存情况。上述文献均对900 MHz 以上频段的干扰共存进行了分析研究，因此本文在充分利用低频段优秀性能的前提下对900 MHz 频段进行分析研究并给出规避建议。

在900 MHz 频段，HIBS 与第五代新空口传输系统（5thGeneration New Radio，5G NR）的同频共存仿真场景主要有以下4 种：（1）HIBS 基站干扰5G NR 终端；（2）HIBS 终端干扰5G NR 基站；（3）5G NR 基站干扰HIBS 终端；（4）5G NR 终端干扰HIBS 基站；本文主要分为5 个部分，分别是：第一章，引言，介绍此次研究的背景意义，给出此次研究的主要仿真场景；第二章，系统模型，依次介绍本研究中采用的拓扑生成模型与传播模型；第三章，相邻信道干扰功率比（Adjacent Channel Interference power Ratio，ACIR）计算，给出HIBS 系统与5G NR 系统的ACIR 计算方案与计算结果；第四章，仿真结论，对仿真参数与仿真流程进行描述，并给出仿真结果及分析；第五章，结束语，对此次研究的内容给出总结，并对未来的工作提出展望。

1 系统模型

1.1 拓扑生成

地面5G NR 系统的拓扑采用3GPP TR 36.942 中的3扇区结构。HIBS 系统可以通过多波束配置，将单个平台的覆盖范围划分为多个扇区（例如3 个，7 个或更多），在本研究中单个HIBS 平台采用7 扇区部署结构，单个HIBS 平台生成的效果图如图1 所示。

图1 HIBS小区拓扑结构

共存拓扑如图2 所示，研究的仿真场景为同覆盖场景，即5G NR 系统在HIBS 系统的正下方生成，此时系统间干扰程度较强，基于该种拓扑研究得到的是该场景下共存所需要的最大隔离度。

图2 共存拓扑结构

1.2 传播模型

地-地间传播模型采用3GPP TR 38.901 内城市和农村传播损耗模型，空-地间分别采用3GPP TR 38.811 和ITU-R P.1409 两种传播模型进行仿真，并对两种传播模型进行对比分析。其中ITU-R P.1409 传播模型多用于ITU 议题，其传播模型的路损仿真值大于3GPP TR 38.911 中传播模型的路损仿真值，原因在于ITU 模型主要是面向两个系统之间的共存研究，路损仿真值较大的模型更有利于降低两个系统之间的互干扰，增大了两个系统之间共存的可能性，有助于ITU层面的频谱协调；而3GPP TR 38.811 传播模型是面向两个系统实际运行时运营商、设备商进行射频、带外等指标的研究参考，更加贴近实际设备使用的参数标准，该模型得到较小的路损仿真值将使得系统间互干扰较为严格，这样得到的隔离指标在保证系统性能上更为可靠。

（1）3GPP TR 38.811

3GPP TR 38.901 阐述了5G NR 网络支持非地面网络（Non-Terrestrial Network,NTN）的技术标准，其中第6节对卫星、HIBS 空地传输模型进行了说明。空-地传输模型公式为：PL=PLb+PLg+PLs+PLe，其中，PL 表示总的链路损耗，PLb表示基本链路损耗，PLg表示大气衰减，PLs表示对流层或电离层闪烁导致的衰减，PLe表示建筑物入口损耗，以上损耗的单位均为dB。需要注意的是，由于大气衰减、对流层或电离层闪烁在6 GHz 以下均不考虑，且此次研究假设所有终端均处在室外，即不考虑建筑物入口损耗，因此本文中的空地模型仅考虑基本链路损耗的部分。

（2）ITU-R P.1409

根 据ITU-R P.1409-1（WP3M-TD-0070），对 于HIBS 与地面终端间传播路径，基础传播损耗采用ITU-R P.528（WP3K-TD-0041）进行计算。由于ITU-R P.2108 地空路径地物损耗的适用范围为10 GHz—100 GHz，因此地物损耗根据SG3 发送5D（第五研究组）的1.4 议题联络函（WP3K-TD-0062）附件进行计算。基本传输损耗计算公式为：Lb=Afs+Aa+AT+Y(p)，其中，Afs为自由空间传输损耗，Aa为大气损耗，AT为衍射损耗，Y(p)为长期可变性损失。

2 ACIR计算

在本研究中，上行链路HIBS 系统的工作带宽设置为20 MHz，每个子帧服务3 个用户，每用户占用16 个资源块（Resource Black，RB），其RB 带宽为375 kHz。5G NR 系统的工作带宽设置为5 MHz 与10 MHz 两种情况，每个子帧服务3 个用户，在5 MHz 工作带宽情况下每用户占用4 RB，在10 MHz 工作带宽情况下每用户占用8 RB，其RB 带宽也为375 kHz。下行链路HIBS 系统和5G NR 系统均只服务1 个用户。参考3GPP TR 36.942中假设，上行链路的ACIR 由终端的ACLR 决定。

（1）HIBS 终端干扰5G NR 基站

参考3GPP TR 36.942，上行链路的ACIR 由终端的相邻信道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）决定。此时，HIBS 终端的ACLR 为30、43 dB 两种取值。需要注意的是，HIBS 终端在上行干扰5G NR 基站时，HIBS 系统的带宽和5G NR 系统的工作带宽是非对称的，在上行带宽不对称且干扰系统带宽较大时，带宽较小的被干扰系统只会受到干扰系统产生的部分干扰功率。此外，频率上靠近干扰系统的被干扰系统终端将比频率上远离干扰系统的被干扰系统终端受到更高的干扰，图3 和图4 分别是20 MHz HIBS终端和5 MHz/10 MHz 带宽的5G NR 基站的共存示意图。

图3 20 MHz HIBS系统上行干扰5MHz 5G NR系统示意图

图4 20 MHz HIBS系统上行干扰10MHz 5G NR系统示意图

在20 MHz HIBS 终端干扰5 MHz 5G NR 基站时，参考3GPP TR 36.942 中5.1.1.4.1 计算方案，ACLR=Y+XFACLR+PACLR，其中Y为干扰终端的ACLR，即 HIBS 终端的ACLR，取30 或43 dB，X为仿真中设置的ACLR 步长（…-10,-5,0,5,10…dB），FACLR=10×log10(Bvictim/BAggressor)，FACLR为非对称带宽计算因子，Bvictim为被干扰系统带宽，PACLR为功率控制因子且值为0。BAggressor为干扰系统带宽。此时，FACLR=10× log10(4/16)=-6.02 dB。由于HIBS系统和5G NR 系统的上行链路均是3 个用户终端（User Equipment，UE），因此ACLR 的维度和取值为：

同理，在20 MHz HIBS 终端上行干扰10 MHz 5G NR 基站时，FACLR=10×log10(8/16)=-3.01 dB。此时HIBS系统和5G NR 系统的上行链路均是3 个UE，因此ACLR的维度和取值为：

（2）5G NR 终端干扰HIBS 基站

参考3GPP TR 36.942，上行链路的ACIR 由终端的ACLR 决定。此时需要注意的是，当被干扰系统带宽比干扰系统带宽大时，被干扰系统将受到来自干扰系统的多部分ACLR 的共同影响，这时ACLR 通过公式ACLR=P带内/P泄露计算。NR 终端干扰HIBS 如图5 所示，其中图5（a）为5 MHz 5G NR 第一个终端干扰HIBS 第一个终端，图5（b）为5 MHz 5G NR 第二个终端干扰HIBS 第一个终端，图5（c）为5 MHz 5G NR 第三个终端干扰HIBS第一个终端，图5（d）为5 MHz 5G NR 第一个终端干扰HIBS 第二个终端，其他同理。

图5 5 MHz 5G NR系统上行干扰20 MHz HIBS系统示意图

此时，5G NR 第一个终端干扰HIBS 第一个终端的ACLR 为10×log10(1/(1+10-3+2×10-4.3))=-0.0048 dB，干扰第二个与第三个终端的ACLR 为10×log10(1/(1+2×10-3+10-4.3))=-0.0089 dB，其余5G NR 终端干扰HIBS 用户的ACLR 为10×log10(1/(4×10-4.3))=36.97 dB。此时HIBS 系统和5G NR 系统的上行链路均是3 个UE，因此ACLR 的维度和取值为：

参考5 MHz 5G NR 终端干扰20 MHz HIBS 基站，图6 是10 MHz 5G NR 终端干扰20 MHz HIBS 基站示意图，其中图6（a）至图6（c）分别是10 MHz 5G NR 第一、二、三个终端干扰HIBS 第一个终端，图6（d）至图6（f）分别是10 MHz 5G NR 第一、二、三个终端干扰HIBS 第二个终端，图6（g）为10 MHz 5G NR 终端干扰HIBS 第三个终端。

图6 10 MHz 5G NR系统上行干扰20MHz HIBS系统示意图

此时，5G NR 第一个终端干扰HIBS 第一个与第二个终端的ACLR 为10×log10(1/(1+10-3))=-0.0043 dB，干扰第三个终端的ACLR 为10×log10(1/(10-3+10-4.3))=29.787 6dB，5G NR 第一个终端干扰HIBS 第二个终端的ACLR 为10×log10(1/(2×10-4.3))=39.9897 dB，5G NR 第二个终端干扰HIBS 第二个终端的ACLR 为10×log10(1/(10-3+10-4.3))=29.7876 dB，5G NR 第三个终端干扰HIBS 第二个终端的ACLR 为10×log10(1/(1+10-3))=-0.0043 dB，其余终端的ACLR 为10×log10(1/(2×10-4.3))=39.9897 dB。此时HIBS 系统和5G NR 系统的上行链路均是3 个UE，因此ACLR的维度和取值为：

（3）HIBS 基站干扰5G NR 终端

下行HIBS 系统和5G NR 系统每子帧均服务1 个用户，该用户占用所有带宽，因此同频干扰情况下行相邻信道选择性（Adjacent Channel Selectivity，ACS）为0 dB。

（4）5G NR 基站干扰HIBS 终端

下行HIBS 系统和5G NR 系统每子帧均服务1 个用户，该用户占用所有带宽，因此同频干扰情况下行ACS 为0 dB。

3 仿真结论

3.1 仿真参数与仿真流程

（1）仿真参数

HIBS 及UE 仿真参数见表1。

表1 HIBS及UE仿真参数

5G NR 仿真参数见表2。

表2 5G NR仿真参数

（2）仿真流程

本文采用蒙特卡洛仿真方法对900 MHz 频段HIBS 系统与5G NR 系统的同频干扰共存情况进行分析，在仿真的每个快照中根据共存场景生成被干扰系统与干扰系统，进行对应的基站生成、用户生成、路损计算、功率控制、干扰计算、性能统计等流程，并输出横坐标为额外ACIR，纵坐标为吞吐量损失百分比的性能仿真曲线，仿真流程由图7 所示。

图7 仿真流程图

其中地面5G NR 系统的用户生成采用3GPP TR 36.942 中的用户生成方法。HIBS 系统采用的是7 扇区结构，由于不同层波束映射到地面的不规则特性，因此小区第一层为正六边形结构，而第二层的小区为非正六边形结构。考虑到用户生成需要在小区范围内随机分布且覆盖全区域，则先在中心六边形小区内生成用户，再以第二层小区的非正六边形为撒点范围，进行用户生成，其目的是保证用户在HIBS 系统覆盖范围内均服从随机分布。

3.2 仿真结果及分析

此次研究中，5G NR 系统带宽有5 MHz 和10 MHz 2 种，空地模型均有3GPP 和ITU 2 种以及场景均有城市和农村2种，因此仿真case 共有8 种，分别是：a）5 MHz 5G NR 系统带宽+城市场景+3GPP 空地模型；b）5 MHz 5G NR 系统带宽+城市场景+ITU 空地模型；c）5 MHz 5G NR 系统带宽+农村场景+3GPP 空地模型；d）5 MHz 5G NR 系统带宽+农村场景+ITU 空地模型；e）10 MHz 5G NR 系统带宽+城市场景+3GPP 空地模型；f）10 MHz 5G NR 系统带宽+城市场景+ITU 空地模型；g）10 MHz 5G NR 系统带宽+农村场景+3GPP 空地模型；h）10 MHz 5GN R 系统带宽+农村场景+ITU 空地模型。

（1）HIBS 基站干扰5G NR 终端

HIBS 基站干扰5G NR 终端的仿真结果见图8：

图8 HIBS基站干扰5G NR终端仿真结果

根据系统内允许上下行吞吐量损失为5% 的评估准则可知，HIBS 基站干扰5G NR 终端case b 与f 均在没有额外ACIR 的情况下可以满足共存条件，case a、d、e 及h 均需要大约5 dB 的额外ACIR 才能满足条件，而case c 和g 都是需要大约10 dB 的ACIR 才能满足共存条件。

（2）HIBS 终端干扰5G NR 基站

HIBS 终端干扰5G NR 基站的仿真结果见图9：

图9 HIBS终端干扰5G NR基站仿真结果

根据系统内允许上下行吞吐量损失为5% 的评估准则可知，HIBS 终端干扰5G NR 基站所有case 均可以在没有额外ACIR 的情况下满足共存条件。

（3）5G NR 基站干扰HIBS 终端

5G NR 基站干扰HIBS 终端的仿真结果见图10：

图10 5G NR基站干扰HIBS终端仿真结果

根据系统内允许上下行吞吐量损失为5% 的评估准则可知，5G NR 基站干扰HIBS 终端case a、b、e、f 均在没有额外ACIR 的情况下可以满足共存条件，case c 和g均需要大约5 dB 的额外ACIR 才能满足条件，而case d和h 都是需要大约10 dB 的ACIR 才能满足共存条件。

（4）5G NR 终端干扰HIBS 基站

5G NR 终端干扰HIBS 基站的仿真结果见图11：

图11 5G NR终端干扰HIBS基站仿真结果

根据系统内允许上下行吞吐量损失为5% 的评估准则可知，5G NR 终端干扰HIBS 基站case a、b 均需要大约15 dB 的额外ACIR 才能满足条件，case e、f 均需要大约20 dB 的额外ACIR 才能满足条件，case c、d、h 均需要大约30 dB 的ACIR 才能满足共存条件，而case g 需要大约30 dB 的ACIR 才能满足共存条件。

4 结束语

中低频段的频谱资源对未来通信系统的发展格外重要，因此在未来的研究工作中要坚持不懈地对中低频段的频谱重耕进行理论和实际探索。本文根据3GPP 和ITU 标准中的系统参数和仿真方法，对900 MHz 频段HIBS 系统与5G NR 系统在采用2 种传播模型（ITU、3GPP）、2 种传播场景（城市、农村）以及2 种带宽（5 MHz、10 MHz）时，共8 种类型的同频干扰进行了仿真，结果显示仅有HIBS 终端上行干扰5G NR 基站的同频干扰场景可以在不采用额外ACIR 值时满足干扰共存条件，而其他同频干扰的场景若需实现干扰共存，则需要采用5 dB～30 dB 的额外ACIR 值。故而若要HIBS 系统和5G NR系统在900 MHz 频段实现共存，建议从3 个方面实现：一是两系统在频率上采用一定程度的隔离，即进行部分同频或邻频共存。此时，频率上的隔离可以提供额外的ACIR 值；二是可以对两个系统做空间上的隔离，比如可以让HIBS 系统和5G NR 系统覆盖不同的区域，通过拉远的方式增加空间隔离度，实现两系统的共存，根据确定性分析推导，在额外ACIR=0 dB 的情况下HBS 基站干扰5G NR 终端和5G NR 基站干扰HIBS 终端大约在隔离距离50 km 以内可以实现共存，HIBS 终端干扰5G NR基站不需要额外隔离距离即可实现共存，而5G NR 终端干扰HIBS 基站则需要大概150 km 才可实现共存，其具体隔离距离值在后续的研究工作中将通过仿真方法给出更细致的结论；三是可以加装额外的滤波器，来降低干扰源的带外泄露功率。