4400MHz—4500MHz頻段IMT與航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)共存研究

王寶聰 張炎炎 李欣 劉娜 石會(huì)鵬

【摘? 要】WRC-15為國(guó)際移動(dòng)通信系統(tǒng)新增了三段頻率，對(duì)于其中的4 400 MHz—4 500 MHz頻段，工作在該頻段的IMT系統(tǒng)與4 200 MHz—4 400 MHz頻段的航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)會(huì)存在共存的問(wèn)題。針對(duì)兩種業(yè)務(wù)的鄰頻共存干擾情況進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：在飛機(jī)平穩(wěn)飛行狀態(tài)下二者可以共存，但是在起飛降落狀態(tài)下需要保證基站距離飛機(jī)著陸點(diǎn)至少2.1 km。

【關(guān)鍵詞】IMT-2020;無(wú)線(xiàn)電高度計(jì);共存與兼容性研究

1? ?引言

2015年，國(guó)際電信聯(lián)盟正式定義了5G的三大類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景和八項(xiàng)能力指標(biāo)。5G的愿景是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，未來(lái)5G對(duì)普通用戶(hù)的改變將體現(xiàn)在社會(huì)生活的方方面面。國(guó)務(wù)院于2017年8月24日發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步擴(kuò)大和升級(jí)信息消費(fèi)持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見(jiàn)》，打算進(jìn)一步擴(kuò)大和升級(jí)信息消費(fèi)，充分釋放發(fā)展活力和內(nèi)需潛力。其中，重點(diǎn)任務(wù)之一即為加快第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)研究、技術(shù)試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，力爭(zhēng)2020年啟動(dòng)商用，為了實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，頻譜保證是關(guān)鍵。

在2015年世界無(wú)線(xiàn)電大會(huì)（World Radiocomunica-tion Conferences， WRC-15）中，在3 GHz—6 GHz頻段范圍，國(guó)際移動(dòng)通信（IMT）系統(tǒng)新增加了3 300 MHz—3 400 MHz、4 400 MHz—4 500 MHz、4 800 MHz —4 990 MHz這三個(gè)頻段。在5G系統(tǒng)高低頻統(tǒng)籌的情況下，低頻段將被用于進(jìn)行覆蓋。

根據(jù)2018年7月1日起施行的《中華人民共和國(guó)無(wú)線(xiàn)電頻率劃分規(guī)定》，4 400 MHz—4 500 MHz頻段的移動(dòng)業(yè)務(wù)可用于IMT系統(tǒng)。IMT系統(tǒng)不得對(duì)4 200 MHz—4 400 MHz頻段的航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)造成有害干擾，在相關(guān)兼容共存條件確定前IMT系統(tǒng)不能投入使用。因此本文主要針對(duì)4 400 MHz—4 500 MHz頻段IMT系統(tǒng)對(duì)航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的干擾進(jìn)行分析，研究該頻段用于IMT系統(tǒng)的合規(guī)性。

2? ?系統(tǒng)參數(shù)

2.1? IMT-2020系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)ITU-R M.2101建議書(shū)和ITU-R M.2292報(bào)告書(shū)，參考5G系統(tǒng)高頻參數(shù)和業(yè)內(nèi)最新進(jìn)展，3 GHz—6 GHz頻段IMT系統(tǒng)參數(shù)、部署模型建議如表1所示。

2.2? 航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)系統(tǒng)參數(shù)

在我國(guó)，4 200 MHz—4 400 MHz頻段范圍內(nèi)重要的應(yīng)用之一為無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)。無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)主要用來(lái)測(cè)量飛機(jī)到地面垂直距離的機(jī)載無(wú)線(xiàn)電設(shè)備，是重要的飛行器儀表之一。

ITU-R M.2059建議書(shū)中給出了模擬無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)和數(shù)字無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)的技術(shù)參數(shù)，用于共存研究的參數(shù)如表2所示。

此外，ITU-R M.2319中給出了無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)的天線(xiàn)方向圖模型，如公式（1）所示。

其中，3dB為無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)天線(xiàn)的3 dB波瓣寬度，單位是度;GRA，dBi為無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)天線(xiàn)的最大天線(xiàn)增益，單位為dBi。

3? ?兼容性分析建模與干擾分析方法

3.1? 兼容性分析建模

根據(jù)無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)的使用場(chǎng)景，其與IMT系統(tǒng)的共存場(chǎng)景可分為兩種：平穩(wěn)飛行場(chǎng)景和起飛降落場(chǎng)景。

（1）平穩(wěn)飛行場(chǎng)景

在平穩(wěn)飛行場(chǎng)景中，飛機(jī)處于巡航狀態(tài)。此時(shí)，無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)基本處于同一高度，考慮到無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)天線(xiàn)為垂直向下的，僅需考慮無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)正下方一定范圍內(nèi)的IMT基站的干擾即可。干擾場(chǎng)景示意圖如圖1所示。

在該場(chǎng)景中考慮飛機(jī)巡航高度即為無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)工作高度。地面IMT部署區(qū)域參照國(guó)內(nèi)某大城市建成區(qū)的面積，考慮半徑為15 km的圓形區(qū)域。

（2）起飛降落場(chǎng)景

起飛降落場(chǎng)景的功勛場(chǎng)景是如圖2所示：

在圖2中下滑臺(tái)是一條通過(guò)地面發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行指引而建立的一條由跑道指向空中的虛擬路徑，幫助飛機(jī)在地面氣象條件不佳的情況下近著陸。在飛機(jī)降落過(guò)程中需沿著下滑臺(tái)進(jìn)行飛行。假設(shè)基站部署在下滑臺(tái)的下劃線(xiàn)正下方，基站天線(xiàn)面板背向飛機(jī)著陸點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際民航組織相關(guān)說(shuō)明，下滑臺(tái)仰角為3°。

3.2? 干擾分析方法

根據(jù)無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)的自身特點(diǎn)，這里分析三種類(lèi)型的干擾：接收機(jī)前端過(guò)載、接收機(jī)靈敏度降低、錯(cuò)誤報(bào)告高度。接收機(jī)前端過(guò)載為一個(gè)干擾信號(hào)的功率大到足以使一個(gè)無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)的前端飽和，進(jìn)而引起非線(xiàn)性特性的固有效應(yīng)的時(shí)候發(fā)生的干擾。接收機(jī)靈敏度降低則是由于干擾信號(hào)落入高度計(jì)中頻帶寬內(nèi)所導(dǎo)致的干擾。錯(cuò)誤報(bào)告高度干擾則發(fā)生在對(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)的情況下。

對(duì)于三種干擾類(lèi)型，干擾強(qiáng)度可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，Pt表示IMT系統(tǒng)的發(fā)射功率，單位為dBm，Gt表示IMT系統(tǒng)發(fā)射機(jī)發(fā)射天線(xiàn)增益，單位為dBi，GR表示無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)接收機(jī)接收天線(xiàn)增益，單位為dBi，Lt表示IMT系統(tǒng)發(fā)射機(jī)饋線(xiàn)損耗/人體損耗，單位為dB，LR表示無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)接收機(jī)饋線(xiàn)損耗，單位為dB，PL表示IMT系統(tǒng)與無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)接收機(jī)之間的傳播損耗，單位為dB，d表示IMT系統(tǒng)與無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)接收機(jī)之間的隔離距離。ACLR為IMT系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的鄰頻泄露比。在對(duì)接收機(jī)前端過(guò)載干擾進(jìn)行分析時(shí)，不需要考慮該參數(shù)。

4? ?干擾分析結(jié)果

4.1? 平穩(wěn)飛行場(chǎng)景干擾分析結(jié)果

（1）不考慮ACLR時(shí)的干擾分析結(jié)果

在不考慮ACLR等因素的情況下，各系統(tǒng)仿真結(jié)果如表3所示：

（2）接收機(jī)前端過(guò)載

接收機(jī)前端過(guò)載仿真結(jié)果如表4所示：

根據(jù)以上各高度計(jì)前端過(guò)載仿真結(jié)果可以得出，干擾余量在15 dB～26 dB之間，干擾余量較大。

（3）接收機(jī)靈敏度降低

接收機(jī)靈敏度降低結(jié)果如表5所示。

根據(jù)以上接收機(jī)靈敏度仿真結(jié)果可以得出，某些高度計(jì)系統(tǒng)與IMT系統(tǒng)可以共存，某些高度計(jì)則不能共存，干擾余量在4 dB～15 dB之間。

（4）錯(cuò)誤報(bào)告高度

錯(cuò)誤報(bào)告高度仿真結(jié)果如表6所示：

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以得出，干擾余量在12 dB～23 dB之間，尚有一定干擾余量。

4.2? 起飛降落階段干擾仿真結(jié)果

選取基站距離飛機(jī)著陸點(diǎn)1 500 m、1 800 m、2 100 m三個(gè)場(chǎng)景，將基站對(duì)四種無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)的干擾進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3～圖6所示。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，在接收機(jī)前端過(guò)載場(chǎng)景中，對(duì)于四種無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)基站與飛機(jī)著陸點(diǎn)之間的隔離距離需求分別為1.8 km、1.5 km、1.5 km和2.1 km才能保證二者共存，結(jié)果如圖7～圖10所示。

根據(jù)上述結(jié)果，在靈敏度降低的場(chǎng)景中，對(duì)于四種無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)，在基站與飛機(jī)著陸點(diǎn)之間的隔離距離為1.5 km的情況下即可保證二者共存，且存在一定干擾余量。

由于錯(cuò)誤報(bào)告高度干擾的分析方法與靈敏度降低干擾分析方法相同，但是對(duì)A4和D4兩種無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)而言不存在該類(lèi)干擾。對(duì)于A(yíng)3和A4兩種無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)，在基站與飛機(jī)著陸點(diǎn)之間的隔離距離為1.5 km的情況下即可保證二者共存，且存在一定干擾余量。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前階段，4 400 MHz—4 500 MHz頻段并未作為分配給5G系統(tǒng)使用的中頻候選頻段。但是該頻段作為WRC-15新增的用于IMT的頻段之一，在未來(lái)5G中頻段頻率可能存在不足的情況下，仍具備劃分給5G系統(tǒng)使用的可能性。本文針對(duì)該頻段內(nèi)5G系統(tǒng)與無(wú)線(xiàn)電高度計(jì)之間的共存情況進(jìn)行了分析和仿真，通過(guò)本文的研究為未來(lái)可能的5G頻率分配提供了技術(shù)依據(jù)。

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