《電子技術(shù)應(yīng)用》
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4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)對(duì)無線電高度表干擾分析
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
賈 迪1，李景春2，楊文翰2，鮑 堯2
1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401；2 .國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037
摘要： 以第五代移動(dòng)通信（5G）系統(tǒng)和無線電高度表的參數(shù)和特性為基礎(chǔ)，采用國(guó)際電信聯(lián)盟 （ITU）相關(guān)建議書提供的天線模型和傳播模型，通過蒙特卡洛仿真，開展了4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)和4 200～4 400 MHz頻段航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（無線電高度表）的共存研究。結(jié)果表明，在相關(guān)頻段5G系統(tǒng)不會(huì)對(duì)航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（無線電高度表）造成有害干擾。
中圖分類號(hào)： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181905
中文引用格式： 賈迪，李景春，楊文翰，等. 4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)對(duì)無線電高度表干擾分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：5-8.
英文引用格式： Jia Di，Li Jingchun，Yang Wenhan，et al. Interference analysis of 5G system in 4 400～4 500 MHz frequency band to radio altimeter[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：5-8.
Interference analysis of 5G system in 4 400～4 500 MHz frequency band to radio altimeter
Jia Di1，Li Jingchun2，Yang Wenhan2，Bao Yao2
1.School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China； 2.The State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China
Abstract： Based on the parameters and characteristics of the fifth generation mobile communication(5G)system and the radio altimeter, this paper uses the antenna model and propagation model provided by the International Telecommunication Union(ITU) related proposals. Through Monte Carlo simulation, the coexistence of the 4 400～4 500 MHz band 5G system and the 4 200～4 400 MHz band radio navigation service(radio altimeter) is carried out. The results show that the 5G system does not cause harmful interference to the radio navigation service(radio altimeter) in the relevant frequency band.
Key words : 5G；aeronautical radio navigation service；radio altimeter；coexistence research

0 引言

    我國(guó)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(dòng)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(fēng)險(xiǎn)，可能對(duì)4 200～4 400 MHz頻段的航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(無線電高度表)造成干擾。無線電高度表的指示性能也關(guān)系到設(shè)備的準(zhǔn)確性，關(guān)系著飛機(jī)的正常運(yùn)行。本文開展了相關(guān)頻段上5G系統(tǒng)基站對(duì)無線電高度表的干擾分析研究，為該頻段未來規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

1 相關(guān)設(shè)備技術(shù)特性

    本節(jié)介紹共存研究所需的具體技術(shù)參數(shù)。

1.1 IMT系統(tǒng)參數(shù)

    根據(jù)建議書ITU-R M.2101[1]和報(bào)告書ITU-R M.2292[2]，參考3～6 GHz頻段5G系統(tǒng)IMT系統(tǒng)參數(shù)，4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)參數(shù)建議如表1所示。

5G2-b1.gif

1.2 航天無線電導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)

    參考建議書ITU-R M.2059[3]，航天無線電導(dǎo)航（無線電高度表）業(yè)務(wù)參數(shù)建議如表2所示。

5G2-b2.gif

2 IMT系統(tǒng)與無線電高度表的共存研究

2.1 IMT系統(tǒng)對(duì)無線電高度表干擾場(chǎng)景

    在4 400～4 500 MHz頻段上的5G系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋，故該頻段上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)，假設(shè)IMT基站分布于一個(gè)城區(qū)半徑10 km、郊區(qū)半徑20 km的城市中。5G用戶隨機(jī)生成。其中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子取50%，暫不考慮熱點(diǎn)地區(qū)占城市面積比例。飛機(jī)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(jì)算飛機(jī)上無線電高度表收到的干擾是否符合干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 IMT系統(tǒng)天線模型

    根據(jù)建議書ITU-R M.2101，IMT系統(tǒng)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(hào)方向的方位角表示為5G2-b2-x1.gif（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）。

5G2-t1.gif

    天線陣列模型的單元水平方向增益：

5G2-gs1-6.gif

2.3 無線電高度表天線模型

    根據(jù)建議書ITU-R M.2059，如果傳播路徑是在一個(gè)正交于飛機(jī)底部的矢量的±30°之內(nèi)，應(yīng)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(yīng)該考慮到飛機(jī)角位置在橫滾中能夠達(dá)到±45°，而在俯仰中能夠達(dá)到±20°。在此角度范圍之外，無線電高度儀的增益應(yīng)該基于天線的特性。

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

    根據(jù)建議書ITU-R P.525-3[4]，自由傳播模型如下：

    5G2-gs7.gif

其中，Lbf為路徑損耗，λ為波長(zhǎng)，d為路徑距離。

2.5 干擾功率計(jì)算

    5G系統(tǒng)基站對(duì)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(fā)射功率等。

    若只考慮一個(gè)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(jì)算：

    5G2-gs8.gif

式中，IIMT為無線電高度表收單個(gè)基站的干擾功率；PIMT為基站信號(hào)發(fā)射功率；GIMT為基站對(duì)無線電高度表方向的發(fā)射天線增益；GIF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(jì)算：

    5G2-gs9.gif

式中，Iagg是到達(dá)無線電高度接收機(jī)輸入端的集總干擾功率譜密度，In是第n個(gè)IMT基站對(duì)無線電高度接收機(jī)的干擾功率譜密度。

2.6 無線電高度表保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

2.6.1 接收機(jī)前端過載

    對(duì)無線電高度儀前端的潛在干擾不能超過接收機(jī)前端過載發(fā)生的輸入功率門限，必須滿足：

    5G2-gs10.gif

式中，PT，RF為無線電高度表接收到的IMT基站干擾總功率，IRF為接收機(jī)前端過載門限。

2.6.2 接收機(jī)靈敏度下降

    為保證接收機(jī)靈敏度，必須滿足如下公式：

5G2-gs11-12.gif

式中，BR，IF是無線電高度儀的IF帶寬(MHz)，NF是接收機(jī)輸入處的噪聲指數(shù)(dB)。

2.6.3 虛假高度報(bào)告

    在采用調(diào)頻連續(xù)波調(diào)制的無線電高度儀的情況下，當(dāng)對(duì)干擾信號(hào)在整個(gè)IF帶寬的頻譜頻率分析期間被作為頻率分量檢測(cè)時(shí)，就將發(fā)生虛假高度報(bào)告。

    如果在檢測(cè)器處的干擾功率超過了保護(hù)門限IT，F(xiàn)A，將在其接收機(jī)信號(hào)處理鏈中引起虛假目標(biāo)頻譜分量。其中，IT，F(xiàn)A=-143 dBm/100 Hz。

3 仿真結(jié)果

    仿真結(jié)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(qū)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(qū)基站。假設(shè)飛機(jī)在某一高度不變，從坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)沿著x軸直線飛到點(diǎn)(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(dāng)飛行高度50 m、100 m、500 m和1 000 m時(shí)無線電高度表受到的干擾。

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

    從圖3、圖4的仿真結(jié)果可以看出，飛機(jī)受到干擾始終沒有超過接收機(jī)靈敏度下降保護(hù)門限、虛假高度保護(hù)門限和接收機(jī)前端過載保護(hù)門限，所以4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)不會(huì)對(duì)無線電高度表產(chǎn)生干擾。

4 結(jié)束語

    本文就4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)和4 200～4 400 MHz頻段航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（無線電高度表）的干擾共存問題進(jìn)行了蒙特卡洛仿真。仿真結(jié)果表明，無論在城市還是郊區(qū)環(huán)境下，即使在高度50 m時(shí)，接收機(jī)受到干擾也滿足無線電高度表的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，4 400～4 500 MHz頻段5G系統(tǒng)不會(huì)對(duì)無線電高度表產(chǎn)生有害干擾，相關(guān)設(shè)備無需保護(hù)措施就可以兼容共用。

參考文獻(xiàn)

[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(tǒng)基站對(duì)FSS地球站的干擾分析[J].電子技術(shù)應(yīng)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(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401；2 .國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）

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