3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地面接收站的干擾分析研究

為保障第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)在我國的研發(fā)與測試，保護(hù)3.5 GHz頻段上衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS）的正常工作，運(yùn)用最新5G系統(tǒng)參數(shù)和國際電信聯(lián)盟（ITU）相關(guān)建議書提供的仿真方法，開展了3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站與FSS系統(tǒng)的共存研究。結(jié)果表明，3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站同頻干擾較大，難以實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)同頻共存，鄰頻部署時(shí)可通過一定的措施實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)共存。

目前，我國正在北京地區(qū)開展3 400-3 600 MHz頻段的第五代移動(dòng)通信（the fifth generation mobile communication，5G）技術(shù)研發(fā)與測試試驗(yàn)。然而，C頻段與擴(kuò)展C頻段（3 400-4 200 MHz）一直是我國和亞洲地區(qū)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)核心頻段［1］。與其他頻段相比，我國C頻段衛(wèi)星系統(tǒng)使用地位更高，部署和應(yīng)用范圍更廣，并體現(xiàn)在我國重大衛(wèi)星工程、行業(yè)衛(wèi)星通信應(yīng)用、航天衛(wèi)星研制、國際衛(wèi)星出口等多個(gè)領(lǐng)域［2］。為保證5G系統(tǒng)與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（Fixed Satellite Service，F(xiàn)SS）的兼容共用，避免對(duì)在軌及計(jì)劃使用的衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，本文開展了該頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地面接收站（地球站）的干擾分析研究，為該頻段未來規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

1 干擾場景與分析方法

1.1 干擾場景

由于擴(kuò)展C頻段是我國固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的下行頻段，所以5G系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)的干擾主要有4種：5G基站對(duì)FSS地球站的干擾、5G用戶對(duì)FSS地球站的干擾、FSS衛(wèi)星對(duì)5G基站的干擾、FSS衛(wèi)星對(duì)5G用戶的干擾。本文主要研究在城區(qū)和郊區(qū)兩種場景下，5G基站對(duì)FSS地球站的干擾場景。

3.5 GHz頻段上的5G系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋，故3.5 GHz頻段上5G系統(tǒng)基站均采用三扇區(qū)宏站，蜂窩組網(wǎng)。共存研究時(shí)，5G基站與FSS地球站部署在同一地理區(qū)域，假設(shè)存在一個(gè)FSS地球站，5G系統(tǒng)基站呈環(huán)狀部署在地球站周圍［3］，其共存拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。其中，Dprotection表示兩系統(tǒng)共存時(shí)所需的保護(hù)距離，Dintersite表示兩個(gè)基站之間的距離。

單個(gè)5G系統(tǒng)基站發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾模型如圖2所示。其中，O為FSS地球站所在位置，OP為地球站主軸方向，A為5G基站發(fā)射天線所在位置，AO為5G基站發(fā)射機(jī)對(duì)FSS地球站的干擾方向；α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構(gòu)成的角度，即地球站的仰角；5G5-gs1-x1.gif為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角［4］。

1.2 干擾分析方法

5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS系統(tǒng)主要考慮同頻干擾和鄰頻干擾［5］。具體造成干擾的程度主要取決于FSS地球站的仰角、所接收到的5G系統(tǒng)的集總干擾功率等。

若只考慮一個(gè)5G基站的干擾時(shí)，則地球站接收到的干擾功率可由式（1）計(jì)算：

其中，IIMT為FSS地球站接收機(jī)輸入端接收到的1 MHz帶寬內(nèi)的干擾功率（dBm），PIMT為5G系統(tǒng)基站每MHz帶寬的發(fā)射功率（dBm），GIMT（γ，β）為5G系統(tǒng)基站的天線增益（dB），GFFS（5G5-gs1-x1.gif）為FSS地球站接收天線增益（dB），L（f，d）為大范圍的路徑損耗（dB），CL（d）為周圍物體的散射損耗（dB），ACLR為鄰信道泄露比（dB）。

5G系統(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的集總干擾可由式（2）計(jì)算：

其中，Iagg為到達(dá)衛(wèi)星地球站接收機(jī)輸入端的集總干擾功率譜密度（dBm/MHz），In為第n個(gè)5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾功率譜密度（dBm/MHz）。

（1）5G系統(tǒng)天線模型

5G系統(tǒng)將使用大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天線，大規(guī)模MIMO天線利用其波束賦形技術(shù)可以形成方向性極強(qiáng)的窄波束，從而在目標(biāo)方向波束增益最大，而在干擾和無用方向產(chǎn)生零陷，增益最小［6-7］，天線模型參考ITU-R M.2101建議書［8］。

（2）FSS地球站接收天線模型

衛(wèi)星地球站天線的增益與離軸角的關(guān)系參考ITU-R S.465建議書［9］，如式（3）、式（4）所示：

（3）傳播模型