谢刚 李方圆 刘仲亚 曾昱祺 王坦

【摘  要】首先阐述和总结了候选频段无线电业务划分情况。接着，结合5G参数，梳理了典型研究场景、重点相关无线电业务特征与研究方法。最后，对全球开展的兼容性研究结果进行了归纳，为后续研究提供借鉴。

【关键词】5G系统;毫米波;频谱;兼容性研究

1   引言

5G主要面向三个应用场景，即增强型移动宽带、大规模机器类通信以及高可靠低时延通信。5G系统所需的传输速率、容量、性能等远远超出4G系统。而频谱作为影响国际移动通信系统（International Mobile Telecommunications， IMT）的最基本因素之一，随着需求的高速增长，其缺口日益扩大。目前在低频段方面（6 GHz以下），没有足够的频段可用。因此，为5G寻找高频段以供使用很有必要。

国际电信联盟在2015年世界無线电通信大会（World Radiocommunication Conference，WRC-15）[1]上为2019年WRC大会设立了5G频率议题1.13，并特设了TG 5/1工作组开展相关工作。该议题旨在研究IMT与现存业务共享毫米波频段的可行性，为IMT系统确定频段，以实现其在2020年及未来的发展[2]。该议题包含12个6 GHz以上的候选频段（范围为24.25 GHz—86 GHz），标志着5G频谱朝向毫米波时代。

随着2019年WRC大会的临近，1.13议题的研究与协调日趋白热化。三年来，各国均提交了多份候选频段研究报告，给出了兼容性研究结果和有关政策建议。2018年8月，TG 5/1工作组在瑞士日内瓦举行第六次会议，此次会议是WRC-19大会召开之前的最后一次会议，标志着全球5G毫米波频谱有关兼容性研究和政策的起草工作已基本完成。

文章基于全球议题研究进展情况，根据ITU的相关报告和建议，分析了国际上5G毫米波频段IMT与相关业务兼容性研究现状。通过阐述候选频段的业务情况，对当前的研究动态进行概括总结;接着，结合5G参数，阐述了其研究场景、重点业务与研究方法;最后重点概括大会准备会议（Conference Preparatory Meeting， CPM）报告草案[3]中的研究结果，以期为后续研究提供参考意义。

2   频段业务情况

1.13议题一共确定了12个候选频段，其中，在《无线电规则》[4]中现有移动业务划分的频段有9个：24.25 GHz—27.5 GHz、37 GHz—40.5 GHz、42.5 GHz—43.5 GHz、45.5 GHz—47 GHz、47.2 GHz—50.2 GHz、50.4 GHz—52.6 GHz、66 GHz—71 GHz、71 GHz—76 GHz、81 GHz—86 GHz;尚未进行划分的频段有3个：31.8 GHz—33.4 GHz、40.5 GHz—42.5 GHz和47 GHz—47.2 GHz。具体分布如图1所示。

由于议题候选频段范围跨度大、大多带宽较宽，每个候选频段涉及的同频、邻频无线电业务种类都很多。经统计，议题涉及的业务种类多达十余种。根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》[5]，将涉及业务的有关定义以及分类相关信息统计如表1所示。

26 GHz频段（24.25 GHz—27.5 GHz频段）作为全球研究的焦点，其同频、邻频的划分情况尤为复杂[6]，如图2所示。

由于候选频段内划分的无线电业务不一样，其兼容性研究类型也各不相同。例如，26 GHz频段内对FS、MS、ISS、FSS、EESS以及SRS进行同频研究，对EESS（无源）和RAS进行邻频研究。议题各频段涉及的同频、邻频研究案例如表2所示，总计多达近60个。

3   5G参数分析和兼容性研究方法总结

3.1  相关参数分析

本节主要阐述5G基站参数及传播模型。其中5G基站参数均来自IMT研究组[7-8]，以26 GHz为例，如表3所示。

在模型的选取上，根据ITU建议书[9]，5G地球站到星间链路一般考虑自由空间[10]、大气和地物损耗，而就地对空路径传播而言，还需考虑降水以及云引起的衰减、多径效应等。

其中，在10 GHz以下，由大气气体引起的衰减通常忽略不计，而在10 GHz以上，随着频率增大其影响逐渐增加。根据ITU-R P.676建议书，从海平面至海拔高度10 km的范围内，可由以下简化公式计算大气气体衰减：

式（1）中，γo代表在干燥空气中的特定衰减，γw代表在湿空气中的特定衰减，f是频率（GHz），N'Oxygen（f）和N'Water Vapour（f）是频率依赖的复折射率的虚部。根据ITU-R P.618建议书，对于18 GHz以上频率操作的系统，还需要考虑大气衰减带来的影响。因此，一般情况下，考虑降雨、大气、云以及对流层闪烁带来的总体衰减（dB）[11]，其计算方法为：

式（2）中，AR（p）、AC（p）、AG（p）、AS（p）分别是降雨、云、大气以及对流层闪烁引起的衰减;p是0.001%至50%范围内衰减超过的概率。就地物损耗而言，取由于不同地理位置概率（1%～100%）产生的平均值，根据ITU-R P.2108建议书，计算方法为：

式（3）中，K1=93（f0.175），A1=0.05，Q-1（p/100）为逆互补正态分布函数，θ为仰角，f为频率，p为地理位置概率，取值范围为1%～100%。

3.2  兼容性研究方法

目前，5G高频段上IMT系统与很多业务存在共存兼容问题，主要分为地对空和地对地两种场景。不同频段间需要研究这两种不同的场景业务，其详情如表4所示：

下面对地对空、地对地场景分别进行兼容性研究方法总结。

（1）地对空

在地对空场景的兼容性研究中，IMT系统的全球大规模部署会给卫星空间电台的接收带来干扰，主要研究确定干扰值来探究基站分布带来的干扰影响。

例如，26 GHz频段卫星间业务（ISS）与IMT系统共存场景中，地球静止轨道卫星（GSO）的接收天线时刻指向非静止轨道卫星（NGSO），但NGSO的位置却时刻发生改变，有时可能会出现在GSO与IMT系统中间时，GSO将会接收到来自IMT基站的下行干扰信号，其场景示意图如图3所示[12]。

因此其仿真通常需要专业的卫星类仿真软件进行还原。通过软件对IMT系统全球部署进行建模，再对卫星业务运行场景进行模拟，最后仿真分析干扰影响。

（2）地对地

在地对地场景中，IMT系统会对各类固定站或地球站的接收产生干扰，主要研究两者之间的保护距离，以免地球站接收到IMT基站发出的干扰或IMT基站接收到来自地球站与卫星通信的反向干扰（一般特指FSS业务）。

例如，26 GHz频段卫星科学探测业务（EESS）与IMT系统共存场景分为两种，空间电台可能是GSO，也可能是NGSO。在GSO场景中，由于地球站时刻指向GSO卫星，仰角往往是一定的，但纬度越高，仰角相对越低，IMT系统就可能会对其发送干扰;而在NGSO场景中，若NGSO卫星运行到地球表面切线，此刻仰角会很低，IMT系统集总干扰就可能会影响到地球站的接收。

因此，IMT系统与其它地面系统的研究中传统上会采用一种“挖洞式”建模方法。模型以EESS地球站作为中心点，在一定距离外部署多圈IMT基站，再设定一定的保护距离后，将保护距离范围内的IMT-2020基站挖掉，仿真并验证其干扰效果。其挖洞式模型示意图如图4所示：

4   研究结果总结

本节通过分析CPM报告，概括了当前候选频段IMT与各业务之间兼容性研究结果，其中45.5 GHz—47 GHz和47 GHz—47.2 GHz频段全球没有开展研究，故无相关信息。

4.1  24.25 GHz—27.5 GHz

地对地场景中，IMT分别与EESS、SRS、RAS、FSS以及FS有兼容性研究。这些业务在研究时还需要考虑影响结果的场景特征，一般有以下几点：

（1）环境因素，如郊区、城市或混合的城郊环境;

（2）地球站选址，所考虑的地址是否是特定地点。

研究结果范围源自考虑了不同的场景特征，有的业务需考虑特有的场景特征，如表5所示：

地对空场景中，IMT分别与EESS（无源）、FSS以及ISS有兼容性研究。其中EESS（无源）业务通常采用干扰超出门限（dB）与无用发射限值（dBW/200 MHz）来显示结果，FSS业务通常采用干扰噪声比（I/N）来显示，而ISS通常采用干扰余量来显示研究结果。其研究结果如表6所示。

4.2  31.8 GHz—33.4 GHz

IMT分别与RNS、SRS（空對地）、EESS（无源）以及RAS有兼容性研究。研究结果如表7所示。

4.3  37 GHz—43.5 GHz

IMT分别与FSS/BSS/MSS（空对地）、SRS、EESS/SRS（无源）、FSS、FS以及RAS有兼容性研究。研究结果如表8所示。

其中FS研究表明，假设FS系统直接指向IMT部署区域（即发射机位于IMT以南1.1 km处，接收机位于以北1.1 km处），0.8%的快照干扰超过了FS系统干扰要求（I/N=10 dB）。

4.4  47.2 GHz—52.6 GHz

IMT分别与FSS、FSS/BSS/MSS（空对地）、RAS、SRS以及EESS（无源）有兼容性研究。研究结果如表9所示：

4.5  66 GHz—86 GHz

IMT分别与ISS、FS、EESS（无源）、RAS、FSS、RLS以及MSS有兼容性研究，研究结果如表10所示：

其中，MSS研究结果表明，在IMT BS天线指向低于地平线1.8°，IMT UE直接指向卫星，BS和UE的总输出功率为27 dBm/200 MHz和18 dBm/200 MHz，干扰电平的范围为-347 dBW/MHz～-176 dBW/MHz（不同仰角）。

RLS研究结果表明，IMT BS无用发射的最大附加隔离度要求应为11.5 dB（基线）、9.6 dB（敏感性），而IMT UE不需要额外的隔离度。但也有研究表示由于没有可用的无用发射电平模型或相邻频段IMT天线方向图，须提供比-30 dBm/MHz更严格的限值（附加隔离度超过17 dB）。

5   结束语

相对于4G系统，IMT-2020系统在覆盖、容量、性能等方面要求更高，其频谱需求更大。相对而言，毫米波频段频谱资源更为丰富，成为了5G移动通信系统的候选频段。但毫米波频段兼容性研究工作十分复杂，一方面，5G在毫米波有着独特的部署场景和技术特征;另一方面，该频段所涵盖的业务十分广泛。ITU在WRC-15大会上设立的5G频率议题1.13，意在解决5G和其他业务的兼容和协调问题。

随着第六次会议圆满结束，5G毫米波频段兼容性研究工作将取得阶段性成功。三年来，全球各国向ITU提交了多份研究报告和相关建议，本文阐述了候选频段业务划分情况，分析了5G基站参数、传播模型以及兼容性研究方法，重点对兼容性研究结果进行了总结，以期为我国后续的研究提供借鉴意义。

参考文献：

[1] ITU-R. Decision on the establishment and terms of reference of study group 5 task group 5/1 （TG 5/1） on WRC-19 agenda item 1.13： CPM19-1[R]. 2015.

[2] ITU-R. Final Acts WRC-15 [R]. World Radio communication Conference， 2015： 294-296.

[3] ITU-R. Conference Preparatory Meeting for WRC-19 [R]. 2018.

[4] ITU-R. Radio Regulations of the International Telecommunication Union [R]. 2015.

[5] 中华人民共和国工业和信息化部. 中华人民共和国无线电频率划分规定[S]. 2014.

[6] 中国无线电管理局. 26GHz频段走向解析[DB/OL]. （2018-05-01）[2019-01-10]. http：//www.srrc.org.cn/.

[7] ITU-R. Spectrum needs and characteristics for the terrestrial component of IMT in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[R]. 2017.

[8] Recommendation ITU-R M.2101-0. Modelling and simulation of IMT networks and systems for use in sharing and compatibility studies[R]. 2017.

[9] Recommendation ITU-R P.619-1. Propagation data required for the evaluation of interference between stations in space and those on the surface of the Earth[R]. 1992.

[10] Recommendation ITU-R P.525-3. Calculation of free-space attenuation [R]. 2016.

[11] Recommendation ITU-R P.618-12. Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems[R]. 2015.

[12] 王坦，何天琦. 5G毫米波焦點频段（26GHz）全球研究动态与展望[J]. 电讯技术， 2018（3）： 356-362.