0 引言

    我國已研究將3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz、4 800～4 990 MHz、24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz頻段用于第五代移動通信(The Fifth Generation Mobile Communication，5G)。然而，將5G頻段部署在4 400～4 500 MHz頻段上卻帶來了一定的風險，可能對4 200～4 400 MHz頻段的航空無線電導航業務(無線電高度表)造成干擾。無線電高度表的指示性能也關系到設備的準確性，關系著飛機的正常運行。本文開展了相關頻段上5G系統基站對無線電高度表的干擾分析研究，為該頻段未來規劃奠定基礎。

1 相關設備技術特性

    本節介紹共存研究所需的具體技術參數。

1.1 IMT系統參數

    根據建議書ITU-R M.2101^[1]和報告書ITU-R M.2292^[2]，參考3～6 GHz頻段5G系統IMT系統參數，4 400～4 500 MHz頻段5G系統參數建議如表1所示。

1.2 航天無線電導航系統參數

    參考建議書ITU-R M.2059^[3]，航天無線電導航（無線電高度表）業務參數建議如表2所示。

2 IMT系統與無線電高度表的共存研究

2.1 IMT系統對無線電高度表干擾場景

    在4 400～4 500 MHz頻段上的5G系統主要用于廣域覆蓋，故該頻段上5G系統基站均采用三扇區宏站，蜂窩組網。共存研究時，假設IMT基站分布于一個城區半徑10 km、郊區半徑20 km的城市中。5G用戶隨機生成。其中網絡負載因子取50%，暫不考慮熱點地區占城市面積比例。飛機分別在50 m、100 m、500 m、1 000 m的高度下，從城市中心飛往城市邊緣，計算飛機上無線電高度表收到的干擾是否符合干擾保護標準。

2.2 IMT系統天線模型

    根據建議書ITU-R M.2101，IMT系統天線模型如下：如圖1所示，輻射元件在y-z平面分布，x-y平面表示水平面。信號方向的方位角表示為（限定在-180°和180°之間），仰角表示為θ（限定在0°和180°之間，90°代表與陣列天線孔徑垂直的角）。

    天線陣列模型的單元水平方向增益：

2.3 無線電高度表天線模型

    根據建議書ITU-R M.2059，如果傳播路徑是在一個正交于飛機底部的矢量的±30°之內，應該使用無線電高度儀天線的峰值增益。共享和兼容性研究應該考慮到飛機角位置在橫滾中能夠達到±45°，而在俯仰中能夠達到±20°。在此角度范圍之外，無線電高度儀的增益應該基于天線的特性。

    本報告考慮最惡劣情況，全部使用無線電高度儀天線的峰值增益。

2.4 無線電波傳播模型

    本報告飛機最低高度50 m，IMT基站高度20 m（郊區25 m），本報告考慮最壞情況，假設城市郊區沒有高層建筑物隔檔，采用自由傳播模型。

    根據建議書ITU-R P.525-3^[4]，自由傳播模型如下：

其中，L_bf為路徑損耗，λ為波長，d為路徑距離。

2.5 干擾功率計算

    5G系統基站對無線電高度表主要考慮鄰頻干擾。具體造成干擾的程度主要取決于飛行高度、5G基站發射功率等。

    若只考慮一個5G基站的干擾，則無線電高度表接收到的干擾功率可由式(8)^[5]計算：

式中，I_IMT為無線電高度表收單個基站的干擾功率；P_IMT為基站信號發射功率；G_IMT為基站對無線電高度表方向的發射天線增益；G_IF為無線電高度表接收端的天線增益；L為基站到無線電高度表之間的路徑損耗；ACLR為相鄰頻道泄漏比。

    無線電高度表受到的5G基站總干擾功率可以由公式(9)計算：

式中，I_agg是到達無線電高度接收機輸入端的集總干擾功率譜密度，I_n是第n個IMT基站對無線電高度接收機的干擾功率譜密度。

2.6 無線電高度表保護標準

2.6.1 接收機前端過載

    對無線電高度儀前端的潛在干擾不能超過接收機前端過載發生的輸入功率門限，必須滿足：

式中，P_T，RF為無線電高度表接收到的IMT基站干擾總功率，I_RF為接收機前端過載門限。

2.6.2 接收機靈敏度下降

    為保證接收機靈敏度，必須滿足如下公式：

式中，B_R，IF是無線電高度儀的IF帶寬(MHz)，N_F是接收機輸入處的噪聲指數(dB)。

2.6.3 虛假高度報告

    在采用調頻連續波調制的無線電高度儀的情況下，當對干擾信號在整個IF帶寬的頻譜頻率分析期間被作為頻率分量檢測時，就將發生虛假高度報告。

    如果在檢測器處的干擾功率超過了保護門限I_T，FA，將在其接收機信號處理鏈中引起虛假目標頻譜分量。其中，I_T，FA=-143 dBm/100 Hz。

3 仿真結果

    仿真結果如圖2～圖4所示。圖2是基站分布仿真圖，圖中黑色部分表示城市基站覆蓋范圍，灰色部分表示郊區基站覆蓋范圍。一共部署44層 IMT基站，前22層為城市基站，后22層為郊區基站。假設飛機在某一高度不變，從坐標原點(0，0)沿著x軸直線飛到點(40 000，0)。其無線電高度表受到的干擾如圖3、圖4所示。不同線性的曲線分別是當飛行高度50 m、100 m、500 m和1 000 m時無線電高度表受到的干擾。

    圖3顯示在接收機在4 200～4 400 MHz頻段內受到的干擾，兩條直線分別代表虛假高度報告保護門限(-83 dBm/100 MHz)和接收機靈敏度下降保護門限(-90 dBm/100 MHz)。圖4顯示接收機受到的總干擾，直線是接收機前端過載保護門限(-30 dBm/100 MHz)。

    從圖3、圖4的仿真結果可以看出，飛機受到干擾始終沒有超過接收機靈敏度下降保護門限、虛假高度保護門限和接收機前端過載保護門限，所以4 400～4 500 MHz頻段5G系統不會對無線電高度表產生干擾。

4 結束語

    本文就4 400～4 500 MHz頻段5G系統和4 200～4 400 MHz頻段航空無線電導航業務（無線電高度表）的干擾共存問題進行了蒙特卡洛仿真。仿真結果表明，無論在城市還是郊區環境下，即使在高度50 m時，接收機受到干擾也滿足無線電高度表的保護標準。因此，4 400～4 500 MHz頻段5G系統不會對無線電高度表產生有害干擾，相關設備無需保護措施就可以兼容共用。

參考文獻

[1] Recommendation ITU-R M.2101.Modelling and simulation of IMT networks for use in sharing and compatibility studies[S].Geneva：ITU，2017.

[2] Recommendation ITU-R M.2292.Characteristics of terrestrial IMT-Advanced systems for frequency sharing/interference analyses[S].Geneva：ITU，2013.

[3] Recommendation ITU-R M.2059.Operational and technical characteristics and protection criteria of radio altimeters utilizing the band 4 200-4 400 MHz[S].Geneva：ITU，2014.

[4] Recommendation ITU-R P.525.Calculation of free-space attenuation[S].Geneva：ITU，2016.

[5] 李可策，李景春，楊文翰，等.3.5 GHz頻段5G系統基站對FSS地球站的干擾分析[J].電子技術應用，2017，43(8)：21-24.

作者信息:

賈  迪1，李景春2，楊文翰2，鮑  堯2

（1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401；2 .國家無線電監測中心，北京100037）