5G基站对其他业务系统集总干扰的仿真分析方法.pdf

第48 卷总第52 3期网络首发：2 0 2 3-0 4-2 35G基站对其他业务系统集总干扰的仿真分析方法丁鲜花，赵延安*，陈媛，王坦（国家无线电监测中心陕西监测站，陕西西安7 10 2 0 0）【摘要】在分析5G系统与其他业务系统的兼容共存性时，计算5G基站对其他业务系统的集总干扰是最重要的研究内容之一。为解决传统蒙特卡洛仿真方法计算集总干扰计算量大、耗时长的问题，提出了一种基于系统抽样的计算方法。首先采用系统抽样的方法计算发射天线和接收天线的增益、传播损耗等仿真各环节的参数及其概率密度，然后根据乘法原理计算单一干扰链路的干扰信号功率及其概率密度，最后从单一干扰链路的全样本空间中进行抽样，计算集总干扰功率。仿真分析结果表明，所提方法能准确进行频谱兼容仿真分析，当对干扰台站大规模部署或对极低概率事件进行仿真时，可大幅提高仿真效率。【关键词】集总干扰；蒙特卡洛；频谱兼容；系统抽样；天线模型doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20221122-0001文献标志码：A、文章编号：10 0 6-10 10(2 0 2 4)0 3-0 137-0 6引用格式：丁鲜花,赵延安,陈媛,等.5G基站对其他业务系统集总干扰的仿真分析方法.移动通信,2 0 2 4,48(3)：137-142.DING Xianhua,ZHAO Yanan,CHEN Yuan,et al.Simulation Analysis Method for Aggregate Interference of 5G Base Station to Other RadioService SystemsJJ.Mobile Communications,2024,48(3):137-142.Simulation Analysis Method for Aggregate Interference of 5G Base Station toAbstractWhen analyzing the coexistence compatibility of 5G systems with other radio service systems,calculating the aggregateinterference of 5G base stations to other radio service systems is one of the most crucial research topics.To address the problemof large computation and time-consuming issues in traditional Monte Carlo simulation methods for calculating aggregateinterference,a calculation method based on systematic sampling is proposed.Firstly,the proposed method uses systematicsampling to calculate the parameters and probability density of each simulation link,such as antenna gain,and propagation loss.Secondly,the interference signal power and its probability density of a single interference link are calculated according to themultiplication principle.Finally,the aggregate interference power is calculated by sampling from the entire sample space ofa single interference link.The simulation analysis results indicate that the proposed method can accurately perform spectrumcompatibility simulation analysis.Moreover,the proposed method can significantly improve simulation efficiency whendeploying interference stations on a large scale or simulating extremely low-probability events.Keywordsaggregated interference;Monte Carlo;spectrum compatibility;systematic sampling;antenna model0引言频谱兼容分析是对同频或邻频的无线电设备在正常工作时的相互干扰情况进行的分析，是频谱精细化管理的一项基础性技术支撑工作。随着无线电业务系统应用的指数级增长，频谱兼容分析成为频率划分、规划、分配、许可、干扰协调等各项工作的重要技术依据。目前常用确定性计算的方收稿日期：2 0 2 2-11-2 2*基金项目：国家重点研发计划“重大活动安保区域的复杂电特性精确测量与建模方法”（2 0 2 2 YFC3301301）；国家重点研发计划“重点区域电磁安全综合评估”（2 0 2 2 YFC3301304）*通信作者1中图分类号：TN92Other Radio Service SystemsDING Xianhua,ZHAO Yanan,CHEN Yuan,WANG Tan(Shaanxi Monitoring Station of State Radio Monitoring Center,Xian 710200,China)OSID:法来分析单一干扰时最恶劣场景的干扰情况；用蒙特卡洛仿真方法计算两系统之间单一千扰或集总千扰符合特定干扰保护准则的概率。国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）的建议书M.2101详细规定了国际移动通信业务（IMT）系统的建模方法。ITU-R还发布了不同无线电业务系统间频谱共用兼容分析的蒙特卡洛仿真方法的报告，例如：国际移动通信业务IMT对电视广播业务干扰的报告2 3，2 7 5-450 GHz频段的陆地移动、固定业务和无源业务之间兼容性的报告等。欧洲邮政和电信委员会发布了不同无线电业务系统间频谱共用兼容分析的蒙特卡洛仿真方法的报告5，例如：5925-6425MHz频段无线接人系统（含WAS/RLAN系统）与1137扫描二维码与作者交流移动通信2024年3月第3期第48 卷1研究与探讨1总第52 3期固定业务系统、卫星固定业务（FSS）系统、智能交通系统等的兼容性。国内相关领域专家还分析了340 0-36 0 0 MHz频段5G通信系统与FSS的兼容性7，16 95-17 10 MHz频段气象卫星与IMT基站的兼容性8 ，96 0-16 10 MHz频段IMT系统与全球卫星导航系统（GNSS）的兼容性9，2 6 GHz频段5GIMT与卫星间业务的兼容性10 I等。1单一干扰计算判断设备或系统之间能否相互兼容，有两个关键技术指标，即允许干扰功率和实际干扰功率，通过对这两个系统指标的比较就可以得到频谱兼容结果。通常，在进行两系统的频谱兼容仿真分析时，受扰系统的允许干扰功率可由国际通用标准中该系统的干扰保护准则确定。在确定干扰保护准则之后，两系统频谱兼容仿真分析最关键的步骤就是要计算出受扰系统所接收到的干扰信号的强度。受扰台站接收到单个干扰源的信号强度的计算公式为：I=P,+G(0,0)-L,-L,(d,)+G,(0,p)-L,-La(1)其中，I：接收机收到的干扰信号的功率，dBm/MHz；P：发射信号功率，dBm/MHz;G(O,)：发射机天线在干扰链路方向的增益，dBi。a,分别是干扰链路偏离发射天线主波束中心轴的方位角和俯仰角；L：发射机的馈线损耗，dB；L,(d,）：路径传播损耗，dB；d 为发射机t和接收机r间的距离，km，f 为频率，MHz；G,(0,p)：接收机天线在干扰链路方向的增益，dBi。0,分别是干扰链路偏离接收天线主波束中心轴的方位角和俯仰角；L：接收机的馈线损耗，dB；La：其他附加损耗，dB。在进行干扰信号强度计算时，台站的发射功率（P,）、馈线损耗（LL，）、其他附加损耗（La）的变化较少且变化规律简单。本文重点研究干扰链路上天线增益G(0,o)、G,(0,p)和传播损耗L,(d,J)的变化规律和仿真计算方法。1.1 Gt(,P)、G r(,)的仿真计算方法通常使用ITU-R建议书中规定的参考天线辐射方向图计算G(0,)、G,(0,p)，且二者的计算方法是相同的，故以下介绍计算方法时统称为G(,p)。影响 G(0,)的因素有两类 I,12：一类是天线本身的参数，对于阵列天线，天线本身的参数有阵列天线的规模、前后比、单阵元的最大增益、单阵元的主瓣宽度、阵元间距等；对于抛物面天线，天线本身的参数有天线尺寸、最大增益、频率等。第二类是角度参数，对于非抛物面138移动通信2024年3月第3期天线，需考虑干扰链路相对天线法线的方位角、俯仰角；对于波束赋形的非抛物面天线，需额外考虑天线主瓣相对天线法线的方位角、俯仰角；对于抛物面天线，需考虑干扰链路相对天线法线的离轴角。在蒙特卡洛仿真的具体案例中，天线本身的参数通常是常数，变化的是角度参数。干扰链路的天线增益的具体计算方法因各天线模型不同而不同。以波束赋形的非抛物面天线为例，在天线本身的配置参数确定的情况下，天线增益的计算公式可抽象表示为以下公式：G=g(0,0,0m,Pm)其中，G：干扰链路方向的天线增益，dB；,gi：干扰链路方向的方位角和俯仰角；mm：主瓣链路方向的方位角和俯仰角。1.2链路角度(0,)的仿真计算方法计算G，首先要计算（,;）、（0 mm），从几何建模的角度来分析，这两种角度计算方法是相同的。以下介绍计算方法时将其统称为（,）。为了计算（,），首先要根据仿真场景确定链路两端站点的位置。常见的仿真方法是根据台站覆盖半径、部署密度进行随机均匀撒点。按密度在圆心坐标为（0,0）的圆形中随机均匀分布时计算台站坐标的计算公式为11：N=元xRxdens(3)x,=Rx Jlu,cos(2元u,)(4)y,=Rx/u,sin(2元u,)(5)其中，N：部署台站总数；R：台站部署范围的半径，km；dens：台站的部署密度，个/km；xi：第i个台站位置的x轴坐标，i是取值范围为1,N的自然数；y：第i个台站位置的y轴坐标；u1,u2：大于0 且小于1的随机数。在确定了台站的位置后，（,）的计算公式可表示为：h-ha0=tan(,-x.)+(y,-ya)x-xa=cos-(V(x,-x.)+(y,-ya)其中，：A 站指向B站的俯仰角，取值范围-9 0 至9 0，水平方向为0;Q:A站指向B站的方位角，取值范围0 至18 0，正东、正北、正西方向分别为0、90、18 0；(2)-0(6)-9n(7)第48 卷总第52 3期丁鲜花，赵延安，陈媛，等：5G基站对其他业务系统集总干扰的仿真分析方法移动通信Xayb,ha：分别为A站的x坐标、y坐标、海拔高度，km；Xiybshb：分别为B站的x坐标、y坐标、海拔高度，km;n：天线法线俯仰角；P：天线法线的方位角。在实际仿真中，（,）的实际取值范围需根据天线的覆盖范围进行再处理。1.3Lp(d,f)的仿真计算方法通常使用ITU-R建议书中规定的传播模型计算L,(d,)。影响L,(d,)的因素有：频率、距离（d）、时间百分比（tp）、位置百分比（pp）、地形类型、大气折射、天线距离地面高度、天线海拔高度等。计算时，d由干扰系统的位置关系决定，tp、p p 常按一定的规律分布。其他参数确定的情况下，L,(d,J)的计算公式可抽象表示为：L,(d.,)=L(d,tp,pp)(8)其中，L(d.)：路径传播损耗，dB;d：发射机t和接收机r间的距离，km；tp：传播路径损耗的时间百分比；pp：地物损耗的位置百分比。2基于蒙特卡洛方法的集总干扰仿真分析当存在多个干扰台站时，各干扰台站的位置信息不同，每条干扰链路上的G(,g)、G,(0,)、L,(d,l)也各不相同，为评估两系统之间的频谱兼容性，通常采用蒙特卡洛方法进行分析。蒙特卡洛方法实质上基于概率理论，采用随机试验的方法对某时刻的概率和某随机变量的数学期望进行求解计算14。2.1一次快照在进行蒙特卡洛仿真分析时，一次采样分析叫做一次快照。在每个快照的计算中，先逐一计算各条干扰链路到达受扰台站的功率，然后对其进行加总计算可得到该台站接收到的集总干扰功率。计算公式为：I oal=10 0og(Z,1010)其中，Itotal：所有同时发射的干扰链路的集总干扰功率，dBm/MHz;将集总干扰功率与干扰保护准则规定的干扰门限相比，如集总干扰大于干扰门限，则判定当次快照存在干扰；如小于干扰门限，则判定当次快照不存在干扰。2.2计算干扰概率并判定两系统是否可兼容共存频谱兼容仿真分析根据干扰判定准则仿真计算数量足够多次的快照，根据试验结果，计算存在干扰的概率并与干扰保护准则规定的可接受干扰的概率相比，若大于，则两系统不能共存；若小于，则两系统可共存。3基于系统抽样的集总干扰仿真分析第2 章介绍的基于蒙特卡洛方法的频谱兼容仿真分析，在工程实际应用时，每个快照需仿真N条干扰链路，计算其集总干扰功率并判断当次快照是否存在干扰；然后重复仿真M个快照，一次完整的仿真分析需仿真NM条干扰链路，例如，分析IMT对卫星的干扰，按密度计算可在某卫星覆盖范围内部署约10 0 万个IMT基站，某类卫星的短期干扰保护准则为0.0 19%，那么N=110%，M 至少取1104，这样至少需计算10 l条干扰链路，计算量巨大。为了减少仿真中的计算量，本文提出基于系统抽样的仿真方法。系统抽样法又叫做等距抽样法或机械抽样法，是依据一定的抽样距离，从总体中抽取样本。在保证仿真精度的情况下，先计算出仿真各环节的概率密度，然后用乘法原理计算出各条干扰链路的概率密度，最后进行仿真分析时，从所有可能的干扰链路中均匀随机抽出N条链路计算其集总干扰功率并判断当次是否存在干扰，重复M次抽样，最后根据干扰判断准则确定两系统是否可频谱兼容。3.1 计算Gt(,)、G r(e,)的概率密度G(0,p)的概率密度表示为fG。在天线本身的配置参数确定的情况下，G(O,)的大小主要取决于链路角度(0,i,0mm)，其概率密度为(0,)、（0 mm）的概率密度之积：fe=fo.axfouo(10)由于干扰系统和受扰系统的位置一般在一定范围内随机均匀分布，本算法根据仿真精度的需要将干扰系统和受扰系统的分布区域进行网格划分，eo、f o m.的数值可等同于每一个网格面积在总面积中的占比。3.2计算Lp(d,f)的概率密度将L,(d,J)的概率密度表示为fL，。在一次仿真中，一般计算L,(d,J)时只有d、t p 或pp是可变的，其他参数都是常数。当干扰系统发射机（I）和受扰系统接收机（V）的位置确定后，d的大小也是常数，此时，ft，=J，或，=Jp。(9)对于没有时间概率和地点概率的传播模型，f，是常数。3.3整理上述概率密度按网格计算出来的fc、f，的取值可能有上万条，为了节省后续计算的速度，可根据仿真需要的精度，对Jc、J，进行整理，例如，如仿真精度为0.2 dB，可将G(0,)、L,(d,)的数值差小于0.2 dB的fc、f L,进行合并。3.4计算单一干扰功率及其概率密度在一次仿真中，公式(1)中的参数，一般只有G(0,)、G,(0,)、L,(d,)是变化的，其他参数都是常数。单一干扰功率的概率密度f的计算公式如下：1392024年3月第3期第48 卷1研究与探讨1总第52 3期f,=fe,fL,xfe,(11)这样计算出来的f可能有几万条，按步骤3.3相同的方法进行整理。3.5系统抽样进行仿真计算按照单一干扰功率的概率密度f从I的样本全集中随机抽取指定数量的单一干扰，按公式（9)计算集总干扰功率，使用2.2 节同样的方法分析兼容性。4案例分析随着5G技术发展和应用推广，5G系统是否会对同邻频其他系统造成干扰的问题被高度重视。文献15 研究了3.5GHz频段地面5G系统对地空宽带通信系统同频干扰情况；文献16 提出了一种5G毫米波系统与NGSO星座系统下行链路间的干扰分析方法；文献17 研究了5G系统对民航高度表的干扰情况；文献18 研究了6 GHz频段IMT对同频卫星固定（地对空）业务的干扰情况；文献19研究了2 6 GHz频段IMT系统对卫星广播系统的干扰。通过分析可知，基于系统抽样的方法的计算量取决于抽样精度，受5G基站数量和仿真次数的影响不大。而传统蒙特卡洛方法的计算量则与5G基站数量和仿真次数线性相关。无线电高度表是关系飞行安全的应用，对干扰零容忍，5GIMT基站带内发射对邻频无线电高度表有可能造成过载干扰的风险评估对仿真次数的要求高，所以本文使用此案例来对系统抽样的方法的计算量进行分析。4.1IMT系统和飞机高度表的参数IMT系统部署在城区，计算使用AAS天线的基站对飞行高度为10 km的飞机高度表的集总干扰情况。IMT系统的参数参考国际电信联盟无线电通信部门（I T U-R）地面业务研究组（SG5）第38 次会议主席报告 R19-WP5D-C-0716的附件 4.42 0 。飞机高度表的典型参数如表1所示：表1A3型无线电高度表参数参数接收天线最大增益/dBi-3dB波束宽度/接收端电缆损耗/dB噪声指数/dB噪声功率（dBm/MHz)高度表前端过载的干扰标准/dBm高度表前端过载的干扰保护标准来自于ITU-R建议书M.2059-0使用42 0 0-440 0 MHz频段的无线电高度仪的操作和技术特性及保护标准。该建议书给出了几种不同类型的模拟无线电高度表（A1A6）和数字无线电高度表（D 1 D 4）的技术参数，几种高度表的保护准则见表2 。140移动通信2024年3月第3期表2高度表前端过载的功率门限高度表类型前端过载的功率门限A1-30A2-53A3-56A4-40A5-40A6-40D1-30D2-43D3-53D4-40在本分析中，选取保护要求最严格的A3型高度表进行举例说明。4.2 计算Gt(0,)、G r(0,P)、Lp(d,f)及其概率密度图1和图2 分别是Gt(0,）的概率密度曲线和累积分布曲线。在本分析中Gr(0,p)取常数，其概率密度为1。本分析中采用自由空间传播模型，不需要考虑时间概率和地点概率，在分析中将仿真区域进行网格划分，每个网格中部署若干基站，所以某特定网格的基站与飞机高度之间的Lp(d,)是常数，其概率密度为1。0.040.0350.03%/率0.0250.020.0150.010.005OL-120-100图1干扰链路上发射天线增益的概率密度10.90.80.7值%率0.6100.5300.420.360.2-1080.1-560-120图2 干扰链路上发射天线增益的累积概率4.3计算单一链路干扰功率的概率密度根据公式（1），基于4.1节的参数计算5GIMT基dBm-80-60增益/dBi-100-80-40-60-40增益/dBi-200-20200第48 卷总第52 3期丁鲜花，赵延安，陈媛，等：5G基站对其他业务系统集总干扰的仿真分析方法站带内对邻频飞机高度表的所有可能干扰链路的功率及1概率密度。表3列出了计算中考虑的参数。表3单一链路干扰功率计算参数名称P,发射功率G(0,0)发射天线在干扰链路上的增益L发射机馈线损耗L,d.)路径损耗G,(0,0)接收天线在干扰链路上的增益L接收机馈线损耗La此案例考虑FDR图3和图4分别是单一干扰链路功率的概率密度和累积概率分布。0.040.0350.03%/率0.0250.020.0150.010.0050-260图3单一干扰链路功率的概率密度10.90.80.70.60.50.40.30.20.10-240-230-220-210-200-190-180-170-160-150-140图4单一干扰链路功率的累积概率4.4重复计算集总干扰并判定兼容性根据基站的部署密度和飞机高度表天线的覆盖范围，确定集总干扰的天线数量。在此案例中，在以飞机地面投影为中心、半径5.7 7 km的区域内共布署10 47 个5GIMT宏站。每个快照根据单一干扰功率抽取10 47 个单一干扰功率样本；考虑到对飞机安全隐患的零容忍，共仿真10 次集总干扰。图5是使用蒙特卡洛和抽样仿真方法进行分析的集总干扰累积分布曲线对比图。蒙特卡洛方法仿真结果乘法原理抽样仿真结果0.8%/率0.6取值46 dBm取值分布见图13 dB自由空间传播0 dBi2dB40 dB-240-2200.40.20-120-118-116-114-112-110-108-106-104功率/dBm图5两种仿真方法计算IMT系统对邻频高度表过载干扰的结果对比分析图5可知，两种仿真方法的精度相差小于0.1dB。上述仿真结果是飞机在10 km高空平稳飞行，并按表3所选取的参数条件下进行的仿真，在具体分析中，需要考虑飞机飞行高度、侧翻角度、FDR、5G 基站天线主瓣是否上倾等不同参数取值。本文对此案例的介绍是基于系统抽样仿真方法的仿真计算量的介绍。关于5GIMT系统对飞机高度表的潜在干扰的结论，国际上美国、欧盟、法国、日本等不同的管理机构或企业都发表过各自的详细研究；中国已规划的5G频段与高度表的频段之间有40 0-200-180功率/dB功率/dB飞机高度：10 km地面IMT基站参数：城区参数-160-140-120600MHz的频率间隔。我国相关部门正在通过理论计算、系统仿真、飞行实测等多种方式评估其可能的实际影响，本文不具体分析此案例的研究结论。4.5计算量分析按系统抽样方法进行分析，在进行发射天线增益的系统抽样时，俯仰角在30 内以0.5为抽样步进，其他角度范围内以1为抽样步进；方位角在6 0 内以1为抽样步进；其他角度范围内以2 为抽样步进。天线增益和传播损耗的总计算量为6.910 次。在完成单一干扰链路系统抽样后，可较快进行随机抽样计算集总干扰。表4是蒙特卡洛方法和系统抽样方法的计算量对比。表4计算量对比蒙特卡洛方法单次快照中单一链路数量1047快照数1x10*拓扑次数110*角度计算次数4.210%天线增益计算次数1.05x10传播模型计算次数1.0510ll分析可知，当所需仿真快照数非常大时，系统抽样方法可大幅降低仿真的总体计算量。141次系统抽样方法10471x1082.761086.91076.9107移动通信2024年3月第3期第48 卷11研究与探讨1总第52 3期5结束语本文针对大规模蒙特卡洛仿真评估小概率的最恶劣场景时集总干扰计算量巨大的问题，提出了一种基于系统抽样的仿真方法。该方法首先计算出5G基站单一干扰功率的概率密度，然后从巨量样本中随机均匀抽取单一干扰并计算出集总干扰功率，根据干扰判定准则的要求进行重复抽样，从而计算出集总干扰的概率。本方法的计算量不受5G基站部署规模、干扰判断准则的严苛性的影响，适用于基站部署数量巨大、或干扰判断准则要求严苟的案例。经仿真计算验证，本算法的精度与传统蒙特卡洛算法的精度基本一致，相差小于0.1dB，算法可靠性高。参考文献：1 王坦，丁家昕，许颖，未来移动通信频谱兼容共存研究方法浅析J.移动通信，2 0 2 0,44(6):2 2-2 8.2 R-REP-SM.2028-2.Monte Carlo simulation methodology forthe use in sharing and compatibility studies between differentradio services or systemsR.https:/www.itu.int/pub/R-REP-SM.2028-2-2017.2017,023ITU-R Report 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