劉吉鳳，周 瑤，張忠皓（中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷壯大以及國(guó)內(nèi)通信業(yè)的不斷發(fā)展，迫切需求在中頻段重耕部署NR（New Ra?dio）FDD 系 統(tǒng)，NR FDD 和MSS（Mobile Satellite Ser?vice）將在2.1 GHz 頻段長(zhǎng)期鄰頻共存。本文研究了2.1 GHz 頻段NR FDD 系統(tǒng)與MSS 系統(tǒng)鄰頻共存時(shí)系統(tǒng)間干擾造成的性能損失，并給出相關(guān)建議，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 NR FDD系統(tǒng)與MSS系統(tǒng)共存場(chǎng)景

根據(jù)目前我國(guó)頻率劃分和使用情況，在2.1 GHz頻段部署NR FDD系統(tǒng)，則NR FDD與MSS系統(tǒng)在該頻段鄰頻共存，如圖1 所示。2 個(gè)系統(tǒng)的干擾鏈路共有4個(gè)場(chǎng)景，包括NR FDD 基站干擾MSS 終端、NR FDD 終端干擾MSS 基站、MSS 基站干擾NR FDD 終端、MSS 終端干擾NR FDD基站。

圖1 NR FDD與MSS鄰頻共存

3 系統(tǒng)建模和仿真方法

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1.1 NR FDD單系統(tǒng)宏蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使用宏蜂窩進(jìn)行部署，采用3 扇區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 NR FDD宏蜂窩拓?fù)?/p>

3.1.2 MSS/NR宏蜂窩共存拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MSS 與NR FDD 宏蜂窩共存時(shí)，采用7 色頻率復(fù)用。GEO 衛(wèi)星波束采用宏蜂窩結(jié)構(gòu)。NR FDD 基站在一個(gè)波束的覆蓋區(qū)域中的分布情況，視不同研究角度有所差異。

3.1.2.1 NR FDD終端干擾MSS衛(wèi)星

地空等大面積共存研究場(chǎng)景下，考慮江河湖泊、森林、沙漠等的覆蓋，NR 基站和終端的部署密度存在差異。WP5D 給出了大面積場(chǎng)景下的部署密度Dl計(jì)算公式。

式中：

N——MSS波束內(nèi)基站部署數(shù)量

Dl——部署密度

A——波束覆蓋面積

Ds——基站密度

Ra——熱點(diǎn)覆蓋面積占建成區(qū)比例（%）

Rb——建成區(qū)占整個(gè)區(qū)域比例（%）

結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于建成區(qū)占比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和建成區(qū)熱點(diǎn)覆蓋面積占比，Ra取20%，Rb取28%。

MSS衛(wèi)星在地球上的入射角的中心指向區(qū)域正中心，向外共生成NR 基站，NR 基站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。NR FDD終端干擾MSS衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 NR FDD宏蜂窩對(duì)MSS衛(wèi)星集總干擾

3.1.2.2 MSS衛(wèi)星干擾NR FDD終端

以MSS 衛(wèi)星波束中心指向?yàn)橹行模蒒R 基站，MES（Mobile Earth Station）用戶和NR 用戶按照各自系統(tǒng)定義方式進(jìn)行撒點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星波束下滿MES 用戶對(duì)NR 終端的干擾。MSS 衛(wèi)星干擾NR FDD 終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 MSS衛(wèi)星干擾NR FDD宏蜂窩下行場(chǎng)景示意圖

3.1.2.3 MSS終端干擾NR FDD基站

MSS 衛(wèi)星干擾NR FDD 終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與MSS 衛(wèi)星干擾NR FDD終端相同，具體見(jiàn)圖4。

3.1.2.4 NR FDD基站干擾MSS終端

以每個(gè)MES 位置為中心同時(shí)結(jié)合隨機(jī)偏移量，生成NR 基站，MES 用戶和NR 用戶按照各自系統(tǒng)定義方式進(jìn)行撒點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)生成基站內(nèi)NR 用戶對(duì)MES 終端的影響。NR FDD 基站干擾MSS 終端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 NR FDD宏蜂窩干擾MSS衛(wèi)星下行場(chǎng)景示意圖

3.2 傳播模型

3.2.1 地面鏈路

基站與用戶的傳播模型可用如下公式計(jì)算：

式中：

f——載波頻率（MHz）

d——基站與用戶間距離（km）

hb——基站與平均建筑物的高度差，通常取15 m同時(shí)，考慮10 dB 標(biāo)準(zhǔn)差的陰影衰落系數(shù)lgF，那么最終的傳輸損耗模型定義如下：

另外，傳輸損耗都不應(yīng)小于自由空間傳播模型，即：

3.2.2 衛(wèi)星鏈路

由于手持終端（MES）與衛(wèi)星之間的鏈路受地形或特定障礙等因素的影響小，信號(hào)主要在大氣中傳播，所以衛(wèi)星鏈路路損模型考慮自由空間損耗、去極化衰減，以及地物損耗。地物損耗模型參考ITU-R P.2108的Height gain terminal correction model。

3.3 NR功率控制

下行鏈路無(wú)需使用功率控制，基站滿功率發(fā)射，給每個(gè)RB分配相同的功率。

上行傳輸功率控制模型，采取計(jì)算出控制功率并補(bǔ)償?shù)桨l(fā)射功率上的方法。終端的發(fā)射功率如下：

式中：

Pmax——移動(dòng)臺(tái)最大發(fā)射功率

Rmin——與用戶最小發(fā)射功率有關(guān)的參數(shù)

CL——路徑耦合損耗，定義為max{pathloss -G_Tx -G_Rx,MCL }。其中pathloss是傳播損耗加上陰影衰落，G_Tx為接收機(jī)方向上的發(fā)射機(jī)天線增益，G_Rx為發(fā)射機(jī)方向上的接收機(jī)天線增益。功率控制參數(shù)如表1所示。

表1 功率控制算法參數(shù)

3.4 仿真參數(shù)

3.4.1 基本參數(shù)

宏蜂窩基本參數(shù)如表2所示。

表2 宏蜂窩基本參數(shù)

3.4.2 NR FDD宏蜂窩系統(tǒng)參數(shù)

NON AAS（Non Active Antenna System）NR FDD 宏蜂窩系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3，AAS（Active Antenna System）NR FDD宏蜂窩系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 NR FDD NON AAS宏蜂窩系統(tǒng)參數(shù)

表4 NR FDD-AAS宏蜂窩系統(tǒng)參數(shù)

3.4.3 MSS系統(tǒng)參數(shù)

MSS系統(tǒng)衛(wèi)星參數(shù)見(jiàn)表5，MSS系統(tǒng)衛(wèi)星終端參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 MSS系統(tǒng)衛(wèi)星參數(shù)

表6 表MSS系統(tǒng)MES參數(shù)

4 系統(tǒng)間干擾衡量

系統(tǒng)間鄰頻干擾是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的非線性引起，可以用ACIR（Adjacent Channel Interference Ra?tio）衡量：。被干擾用戶的系統(tǒng)間干擾大小可以用干擾用戶的發(fā)射功率、干擾用戶到被干擾系統(tǒng)路損、收發(fā)天線增益以及ACIR計(jì)算獲得。

式中：

j——干擾小區(qū)索引，j=1 toNcell

k——干擾小區(qū)內(nèi)的用戶索引，k=1 toK

Pj,k——干擾小區(qū)j干擾用戶k的發(fā)射功率

CLj,k——干擾小區(qū)j干擾用戶k到被干擾系統(tǒng)的路徑耦合損耗

其中，上行鏈路的ACIR 由終端的ACLR（Adjacent Channel Leakage power Ratio）決定。下行鏈路的ACIR由終端的ACS（Adjacent Channel Slectivity）決定。對(duì)于MSS 衛(wèi)星干擾NR FDD 終端場(chǎng)景，本文同時(shí)考慮了NR FDD終端ACS和MSS衛(wèi)星的ACLR。

5 系統(tǒng)仿真結(jié)果和分析

5.1 NR FDD基站干擾MSS終端

圖6 為NR FDD NON AAS 基站、NR FDD AAS 基站干擾手持及車載MES 場(chǎng)景下的仿真結(jié)果，當(dāng)額外ACIR 為0 dB 時(shí)，NR FDD 與MSS 共存時(shí)MES 的I/N 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 手持及車載MES終端I/N統(tǒng)計(jì)值

圖6 NR FDD NON AAS基站干擾手持及車載MES

以I/N-12.2 dB 作為MSS 業(yè)務(wù)系統(tǒng)共存的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以看出：NR FDD 基站干擾MSS 終端場(chǎng)景在定義的理論ACIR 值下共存，需要額外的隔離度。NR Non-AAS 基站干擾手持MES 終端時(shí)，需44 dB 額外隔離度；NR Non-AAS 基站干擾車載MES終端時(shí)，需額外50 dB額外隔離度；NR AAS 基站干擾手持MES 終端時(shí)，需42 dB 額外隔離度；NR AAS 基站干擾車載MES 終端時(shí)，需48 dB額外隔離度。

同時(shí)可以看出：NR FDD 基站干擾MSS 終端場(chǎng)景下，車載MES 受到的干擾要大于手持終端，主要由于車載終端的天線增益和天線方向圖與手持終端不同所致，還可以看出，AAS 基站相比Non-AAS 基站產(chǎn)生的干擾要低（由于AAS 采用波束賦形帶來(lái)的好處），且隨著天線維度的增加干擾減小。

5.2 NR FDD終端干擾MSS衛(wèi)星

圖7 為NON AAS、AAS 下NR FDD 終端干擾MSS衛(wèi)星場(chǎng)景下的仿真結(jié)果，當(dāng)額外ACIR 為0 dB 時(shí)，NR FDD與MSS共存時(shí)MSS衛(wèi)星的I/N統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 MSS手持及車載終端I/N統(tǒng)計(jì)值

圖7 NR FDD NON AAS 終端干擾MSS衛(wèi)星

以I/N-12.2 dB 作為MSS 業(yè)務(wù)系統(tǒng)共存的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以看出：NR FDD 終端干擾MSS 衛(wèi)星場(chǎng)景在定義的理論ACIR 值下可以實(shí)現(xiàn)共存，不需要額外的隔離度。

同時(shí)可以看出：在同一種NR FDD 功控參數(shù)下，AAS 基站下相比Non-AAS 基站下終端產(chǎn)生的干擾低，是由于AAS 系統(tǒng)的接收天線增益較大而大大降低NR FDD 終端發(fā)射功率。還可以看出，相同天線系統(tǒng)下，NR FDD 功控參數(shù)取set2 時(shí)衛(wèi)星系統(tǒng)平均干擾小于取set1時(shí)的平均干擾，原因在于根據(jù)NR FDD上行功控公式，NR FDD 終端在功控參數(shù)set1下的發(fā)射功率比set2下的大，對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)造成的干擾也較大。

5.3 MSS衛(wèi)星干擾NR FDD終端

圖8 為MSS 衛(wèi)星干擾NR FDD 終端場(chǎng)景下的仿真結(jié)果，當(dāng)額外ACIR 為0 dB 時(shí)，NR FDD 與MSS 共存時(shí)NR FDD 終端吞吐率損失為4×10-6%左右。以5%吞吐率損失作為NR 業(yè)務(wù)系統(tǒng)共存的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以看出：MSS 衛(wèi)星干擾NR 終端場(chǎng)景在定義的理論ACIR 值下可以實(shí)現(xiàn)共存，不需要額外的隔離度。同時(shí)可以看出，MSS 衛(wèi)星干擾NR FDD 終端場(chǎng)景下，AAS 基站下與Non-AAS 基站下終端的吞吐量損失差異并不大，這是由AAS和Non-AAS下系統(tǒng)間干擾一致所致。

圖8 MSS衛(wèi)星干擾NR FDD終端

5.4 MSS終端干擾NR FDD基站

圖9、圖10 分別為MES 手持、車載終端干擾NR FDD 基站場(chǎng)景下的仿真結(jié)果，當(dāng)額外ACIR 為0 dB 時(shí)，NR FDD 與MSS 共存時(shí)NF FDD 基站吞吐率損失在0.5%以下。以5%吞吐率損失作為NR 業(yè)務(wù)系統(tǒng)共存的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可以看出：MSS 終端干擾NR FDD 基站場(chǎng)景在定義的理論ACIR 值下可以實(shí)現(xiàn)共存，不需要額外的隔離度。

圖9 MES手持終端干擾NR FDD基站

圖10 MES車載終端干擾NR FDD基站

同時(shí)可以看出：在同一種NR FDD 功控參數(shù)和同一款MES終端下，AAS基站相比Non-AAS基站的吞吐量損失低，是由AAS 系統(tǒng)大規(guī)模天線的干擾抑制作用引起。另外，相同天線系統(tǒng)和同一款MES 終端下，NR FDD功控參數(shù)取set1時(shí)基站的吞吐率損失小于取set2時(shí)的吞吐率損失，原因在于NR FDD 終端在功控參數(shù)set1 下的發(fā)射功率比set2 下的大，抗干擾能力也強(qiáng)。還可以看出，在同一種NR FDD 功控參數(shù)和相同天線系統(tǒng)下，手持MES終端相比車載MES終端引起的吞吐率損失小，主要由于車載MES 終端的發(fā)射功率和天線增益均較高，產(chǎn)生的干擾較大。

6 干擾隔離措施及分析建議

4 個(gè)干擾場(chǎng)景的仿真研究表明，NR FDD 基站干擾MES 終端場(chǎng)景的干擾較大，其他場(chǎng)景均滿足共存要求，不需要額外保護(hù)措施。

6.1 常見(jiàn)干擾隔離措施

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的過(guò)程中，從工程的角度采用一些優(yōu)化辦法改善無(wú)線干擾問(wèn)題。這些方法主要有：增加頻率保護(hù)帶、提高濾波器精度、設(shè)備參數(shù)限制、優(yōu)化天線安裝等。

6.1.1 增加頻率保護(hù)帶

增加頻率保護(hù)帶解決方案就是通過(guò)頻率規(guī)劃，使得干擾系統(tǒng)的發(fā)射頻段和被干擾系統(tǒng)的接收頻段在頻域上得到一定的隔離。隨著隔離的增大，干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)信號(hào)落入被干擾接收機(jī)接收帶寬內(nèi)的分量減小，同時(shí)接收機(jī)接收濾波器對(duì)干擾系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的衰落加大，因此系統(tǒng)間干擾減小。適當(dāng)?shù)念l率保護(hù)帶可以有效緩解鄰頻干擾問(wèn)題。但另一方面，由于頻率資源的稀缺以及發(fā)射、接收濾波器頻率響應(yīng)特性的不同，使用保護(hù)帶時(shí)也應(yīng)綜合考慮其他干擾解決方案，盡量減少保護(hù)帶寬。

6.1.2 提高濾波器精度

提高濾波器精度解決方案即在原有設(shè)備的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用高精度濾波器來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的濾波特性，達(dá)到系統(tǒng)間共存所需的隔離度。提高M(jìn)ES 終端接收濾波器特性可以降低來(lái)自5G系統(tǒng)的阻塞干擾，是有效解決干擾的途徑之一。

6.1.3 設(shè)備參數(shù)限制

設(shè)備參數(shù)限制是規(guī)定足夠的設(shè)備指標(biāo)來(lái)保證收發(fā)頻率相鄰的共存問(wèn)題，主要有嚴(yán)格限制5G NR 基站設(shè)備的帶外輻射指標(biāo)、MES 終端的抗阻塞干擾指標(biāo)等。這是國(guó)家無(wú)線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)在具體頻段規(guī)劃后進(jìn)行的設(shè)備限制。

6.1.4 優(yōu)化天線安裝

優(yōu)化天線安裝方案包括天線傾角、天線背板屏蔽等，通過(guò)采取一些優(yōu)化措施，提高天線間的耦合損失，降低干擾。

a）天線下傾：通過(guò)調(diào)整基站的天線傾角可以縮減5G NR 基站的覆蓋范圍，減小5G NR 基站對(duì)MES 終端干擾概率。

b）天線背板屏蔽：5G NR 天線背板屏蔽是一種降低5G NR 系統(tǒng)對(duì)MES 終端的干擾的工程措施。考慮到所需的天線輻射覆蓋范圍和天線部署位置，可以通過(guò)在5G NR天線增加背板來(lái)降低對(duì)MES的干擾。

6.2 5G NR與MSS共存干擾規(guī)避措施建議

綜上，將2.1 GHz 頻段規(guī)劃用于5G NR 系統(tǒng)，可以通過(guò)規(guī)范5G NR 系統(tǒng)射頻技術(shù)指標(biāo)、提高M(jìn)ES 接收機(jī)濾波特性實(shí)現(xiàn)5G NR 系統(tǒng)與MSS 業(yè)務(wù)的兼容共存。另外，設(shè)計(jì)IMT（International Mobile Telecommunica?tion）與MSS 雙模終端根據(jù)干擾自適應(yīng)切換模式以保障用戶使用，當(dāng)MSS 模式受到地面干擾無(wú)法使用時(shí)切換到IMT 模式正常使用，當(dāng)IMT 模型無(wú)法正常通信時(shí)切換到MSS模型正常使用。

7 結(jié)論

本文研究了2.1 GHz 頻段5G NR FDD 與MSS 的系統(tǒng)共存，基于仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的干擾規(guī)避措施可以實(shí)現(xiàn)5G NR FDD 與MSS 的系統(tǒng)共存。2.1 GHz 頻段是IMT 理想頻段，部署NR FDD 系統(tǒng)將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)5G通信業(yè)發(fā)展。