5G物联网系统与40ghz固定卫星业务的共通道共存分析

摘要

这是在潜在的毫米波频段成功运行物联网(IoT)第五代(5G)系统的一种很有前途的方法。本文研究了5G物联网系统与40 GHz固定卫星业务(FSS)系统之间的智能共通道共存。关键问题是基于毫米波传播特性的干扰精确估计。我们的仿真结果表明，考虑天线模式、地面站高度(ES)和分离距离等不同的部署参数，5G物联网系统进入FSS地面站的干扰可以保持在保护阈值以下。

1.介绍

在过去，人们对毫米波(mmWave)技术进行了广泛的研究，并认为其适用于空间业务的应用，特别是不同类型的卫星通信业务，如固定卫星业务(FSS)、移动卫星业务(MSS)和卫星间业务(ISS) [1]．然而，今天，对多千兆每秒(multi-gigabits-per-second, multi-Gbps)速率的需求增长和物联网终端的参与成为下一代国际移动电信(IMT)网络(5G)的主要挑战[2，3.]．为了满足这些要求，有必要在5G物联网系统中引入mmWave，例如40ghz，因为这些频段提供了超宽带频谱、空间密集的潜力以及访问大量物联网终端的能力[4，5]．

部署毫米波技术的主要难点之一是对现有用户的保护。因此，在探索干扰的基础上，在同一地理区域内40ghz的5G物联网系统与FSS系统之间建立智能共存解决方案至关重要。我们的研究仅考虑下行场景，因为ITU-R分配了其他频带用于FSS上行传输[6]．特别是，从基站(BSs)到其关联物联网终端以及从物联网终端到其BSs的每次无线传输都可能产生对ES接收器天线的干扰。

智能共信道共存的关键问题是基于毫米波传播特性的干扰精确估计。干扰估计决定了5G物联网系统能否与预部署FSS系统共享同一频段。例如，如果研究表明两个系统将不可避免地相互产生干扰，那么射频工程师必须设计额外的功能来减轻或抑制这种干扰。相比之下，如果频谱共享研究得出结论，5G物联网和FSS系统可以共存，彼此之间不会产生任何干扰，那么就没有必要引入额外开销的干扰缓解技术。

基于之前5G系统与现有服务之间的初步共存分析，可以获得初步结果[7- - - - - -15]．然而，这篇论文在许多方面与以往的研究有所不同。首先，一些先前研究人员获得的结果[7- - - - - -9集中讨论了先进的IMT (4G)系统与FSS的关系;目标频率主要来自3.5 GHz非毫米波频段，这与目前的研究目标明显不同。第二，与目前所进行的研究不同的是，以前的其他研究[10- - - - - -13]主要认为5G场景是传统的增强移动宽带(eMBB)场景，而不是5G物联网场景，如超可靠和低延迟(URLLC)和大规模机器类型通信(mMTC)。最后，一些学者的发现[14，15]仅从理论和确定性分析获得，而本文还提供了仿真分析和相关评估方法。

本文的提示组织如下。部分2调查5G物联网系统和FSS系统之间的典型共存场景。部分3.通过对各种传播模型和相关方法的比较，给出了仿真结果。最后,部分4最后对全文进行了总结，并提出了今后的研究方向。

2.系统模型和共存场景

2．1．典型的共存场景

介绍共存场景及相关网络拓扑结构，直观了解5G物联网系统与FSS系统共存问题。

数字1说明了5G物联网系统和FSS系统共存的场景。更具体地说，5G物联网系统与FSS系统下行链路共享37.5至42.5 GHz频段。因此，FSS ES很有可能受到5G物联网系统BSs和终端信号的干扰，如红色虚线箭头所示。红色网格表示5G物联网系统与FSS系统的分离距离，其定义将在本文的下一节进行讨论。由于卫星的发射能力有限,黑线表示,卫星之间的超长传输距离和ES,接收FSS下行信号的干扰由5 g物联网系统将被忽略,因为信号太弱造成干扰。此外，由于FSS上行链路与5G物联网系统之间存在明显的频率隔离，因此来自FSS上行信号的潜在干扰资源大多可以忽略。值得注意的是，本文只评估来自BSs的干扰信号。其主要原因是物联网终端的传输功率远低于基站。

在分析共存场景的基础上，应该考虑相关的拓扑结构以进行进一步的评估。一个典型的网络拓扑结构如图所示2，对应FSS系统的下行频带为40ghz。评估区域接近一个表面积约为1000公里的圆形²，代表大城市的发达地区。城市的内部是半径为8公里的城区，城市的外部是半径为18公里的郊区。值得注意的是，至少有一个BS位于半径为的环上d_分离，如图中黄色箭头所示2．这意味着至少有一个BS与FSS地面站处于分离距离，因为这种拓扑是5G物联网与FSS系统共存分析的最坏情况。

此外，FSS ES位于圆心。此外，应该指出的是，40ghz作为毫米波，将主要部署在热点，而不是在整个5G物联网网络中展现无缝覆盖;因此，BSs的数量完全与热点地区占城市面积的比例有关。BS总数(N_IMT)的计算公式为: 在哪里表示仿真中IMT BSs的总数，年代_市区和年代_子指城市和郊区的规模，以公里为单位²分别为,和是城市室外热点区和郊区热点区的密度值，即同时传输物联网终端的密度或每公里BSs的数量²．最后,和分别代表热点地区与城市和郊区的比率。在表1，方程(1)，这些值也将在下一章的共存分析中考虑。

2．2.大规模MIMO的5G物联网系统模型

5G物联网系统将使用6ghz以下和以上频段。但更高频段，特别是40ghz频段，更适合5G IoT系统，因为带宽更宽，可以接入大量物联网终端。此外，毫米波通过波束形成可以更好地满足不同类型物联网设备的需求，这是5G的关键技术之一。

具有波束形成的5G物联网系统是一个大型MIMO无线系统[16，它采用了如图所示的有限反馈的组合3.．N_t发射天线和N_r接收天线分别用于发射机和接收机。数字3.图中为5G物联网系统的天线配置V蚂蚁。表示垂直天线(V)极化,H蚂蚁。为水平天线(H)极化。无线信道矩阵用与的输入输出关系来描述H来H，H来V，V来V,V来H基于平坦衰落假设的极化波。

更具体地说，是信号y物联网终端从5G BS接收的数据如下所示: 在哪里f为发送端预编码矩阵，n是N_r-维噪声向量，具有与正态分布CN(0,1)相独立的同分布项，年代表示具有规格化能量的传输符号，和为信噪比。无线信道是描述双极化MIMO信道的矩阵。其建模方法已在以前的报告中讨论[17，18]，以及任意两个接收天线通道(u，x)之间的回答可以表述为 这两个n和米参考星系团和每条射线的索引和P_n射线的功率是多少n^th集群。此外,表示到达的角度米^th射线,而表示散度角米^th射线的n^th集群。的F_{处方，u，V}和F_{处方，u，H}函数是多路径的方向 ．对应于垂直和水平极化天线增益，表示线性尺度下的交叉极化功率比表示载波频率。此外,和 ，分别表示任意产生的垂直偏振方向和水平面上每条射线的相位响应，而表示每个水平到垂直方向，垂直到水平方向泄漏的偏振分量对应于随机相位响应。然后,表示接收端和天线端发送。分别为到达角和出发角的矢量表达式。最后，物联网终端移动速度表示为 ．

本文假设BS的天线阵构型为8个单元沿水平方向布置，16个单元沿垂直方向布置，BS的主要参数集如表所示2．更重要的是，复合天线增益对共存分析很重要[17，因为它是由毫米波大规模MIMO中阵列增益的对数和产生的波束形成天线图案。例如，复合天线增益可以表示为 在哪里G_E ，为天线单元增益，权重是，和是叠加位置向量。

根据公式(3.)和(4)， 5G物联网BS中126 (8 × 16)元天线增益模式如图所示4．更具体地说，它的复合天线增益图是三维的，波束范围在垂直方向上覆盖0到180度，在水平方向上覆盖−180到180度。

另一方面，假设物联网终端的天线阵列配置为两个方向的4个天线单元。物联网终端的其他相关重要参数见表3.，其中还包括BS的一些重要参数。此外，采用与5G BS相同的方法生成天线增益图，如图所示5．三维绘制了16 (4 × 4)个天线单元的物联网终端的复合天线增益图。

从两个数字中都可以看出这一点4和5在大规模MIMO 5G物联网系统中，波束宽度随着天线单元数量的增加而变窄。这主要是由于毫米波中大规模MIMO的优势之一;虽然波束的覆盖范围有限，但传输功率更集中，有效提高了信道容量。换句话说，在与FSS ES系统共享时，由于很难从5G物联网系统较窄的波束指向ES的天线，干扰的概率将会降低。

2．3.FSS系统模型

FSS是卫星通信的主要应用之一。FSS提供卫星和ES之间的双传输路径，提供数据、视频、语音等通信服务。本文中，fss接收ESs工作在40 GHz空间对地方向，更具体地说是37.5 ~ 42.5 GHz频段。下行ES主要参数如表所示4．

此外，为了实现5G物联网系统与FSS系统的共享研究，假设ES天线仰角为最小值，即10度。虽然这个值是悲观的，但这意味着ES天线指向卫星的跌落位置更少，在进一步的共存分析中总是表示最坏情况的假设。

FSS ES天线增益计算为离轴角的函数[5，18]．假设没有ES主瓣的5G BS或IoT终端的方位角是否为离轴角向BS或终端的ES的计算方法如下: 在哪里指仰角。此外,是计算 在哪里h和h_西文定义为5G BS或物联网终端和ES的高度，分别为米，和地球的有效半径大约是8.5 × 10^3.公里。因此，计算FSS ES离轴天线增益方向图，其单位为dBi

3.5G物联网系统与FSS智能频谱共享共存分析结果

3．1.传播模型

传播模型是指传播衰落效应，是研究5G物联网与FSS系统共享的重要模型。本文用传播模型描述了一个地对地无线通信系统。更重要的是，该模型被设计为一种预测方法，用于评估地面上约0.1 GHz至50 GHz频段的BSs或IoT终端与ESs之间的干扰。该模型应考虑一组传播机制，包括大气气体的衰减、衍射、自由空间传播、对流层散射、杂波损失和管道反射。然而，由于传播模型假设BSs、物联网终端和ES位置的已知信息，其杂波损耗模型不适合我们的分析。因此，本文又提出了一种计算集群损失的方法。

地面到地面路径的杂波损失不超过p%的位置[9]，l_结论(dB)，为 在哪里d为总路径长度，单位为km，f频率是GHz，和 逆互补正态分布函数是p．

基于以上介绍的传播模式，图6说明了不同距离和频率下的集群损失，其中绿线表示40 GHz左右的集群损失;在我们的模拟中也应用了它。

3．2．方法

本节介绍了一种新的蒙特卡罗评估方法，用于分析5G物联网系统(包括BSs和终端)对FSS ES的聚合干扰。

首先，ES位于中心，根据前面的共享研究场景生成BSs和物联网终端的随机分布。此外，还产生了从5G BSs或物联网终端到ES的干扰链路。值得注意的是，由于应用波束形成和干扰源的随机性，BSs和终端的波束相互面向。

其次，需要配置相关参数和天线方向图，如发射功率、网络负载等，如表所示2- - - - - -4用于5G物联网和FSS系统。

第三，从干扰模型入手我^th5G BS或连接到FSS ES的物联网终端使用以下等式表示: 在PD_tx发射站信号功率密度是dBm/MHz, OL吗_tx表示发射台阵列欧姆损耗，单位为dB为5G BS或物联网终端ES方向的天线增益，占dBi中波束形成天线方向图。表示发射站方向ES的天线增益，单位为dBi; PL表示传播损耗，单位为dB，包括路径损耗、杂波损耗和极化分辨力。

此外，由式(9）.

在方程(10），代表了k^th运行仿真得到外部系统对被干扰系统的总体干扰ndB中的干扰链路。

然后,当(米)的模拟次数，平均累计干扰， ，可由下式计算:

最后，5G物联网系统与FSS系统的干扰裕度可计算为 在哪里D_保证金为5G BS或物联网终端所需的干扰裕度，我/N_用力推是干扰噪声比的判据，见表5,为FSS ES的热噪声。人们普遍认为 也称为干扰阈值，我_用力推dBm / MHz。

3．3.仿真结果

数字7演示了从5G物联网系统到FSS ES的天线增益的累积分布函数(CDFs)，它描述了参数在方程(9）.它是影响5G物联网与FSS系统最终干扰裕度的最重要因素之一。更具体地说,图7(一)显示发射天线从BS的增益的CDF，图7 (b)在考虑CDF波束形成天线方向图的同时，显示了5G物联网终端在接收站方向上的天线增益特性。此外,从图7(一)，可以看出，BS天线增益主要分布在约- 75 ~ 25db，在CDF的95%点附近可以看到一个平坦的增长曲线。相比之下，物联网终端的天线增益分布主要从−70 ~ 15db左右下降，但在CDF约95%点处的增长趋势比BS更剧烈。这表明，由于物联网终端天线模式中的天线数量较少，BSs有可能产生更高的累计增益。

两个表6和7演示了5G基站不同天线方向图对ES链路的干扰裕度结果。表格8给出了物联网终端所需的干扰裕度。这些结果取决于不同的ES高度、隔离距离和干扰噪声比标准。应该澄清模拟的细节。首先，蒙特卡罗模拟5000次迭代(米= 5000)，因为每个行业的BS和物联网终端位置都是随机的。更重要的是，BS和物联网终端的这些配置可以从表中重用6和7,分别。在这两个表中参考不同案例的分类，其中模拟最佳案例和正常案例。

对比表中8 × 16和16 × 16天线的方向图，可以发现结果有明显的差异6和7．尽管16×16天线模式的传动功率大约只有1.3 dB小于8×16的模式,可以找到更高的传动功率3 dB的BS配置了16×16天线模式因为天线的数量两倍的废话配置8×16天线模式。这一趋势表明，毫米波中大量的MIMO技术可以被视为一种降低干扰链路功率的缓解方法。具体来说，干扰裕度越差，天线单元个数越多;但是，差额下降的幅度不大。造成这种现象的主要原因是，在实际应用中，更窄的光束和更完备的空间分集都导致了干涉功率的下降。

另一方面，人们普遍认为隔离距离越长，必要的干扰裕度越好;通过对比表中0.4公里隔离距离的案例，可以看到1公里距离的增益约为4至7 dB7和8．此外，正常情况下的干涉裕度( ）远低于最佳情况( ）.然而，最好的情况出现最多的概率非常低。此外，较高的ES也会略微提高边际值，这意味着提高高度几乎没有意义。主要原因是，虽然ES高度增加了2倍以上，但ES高度的变化差异不足以有效阻挡来自5G BSs和物联网终端的各干扰链路的功率。最后，与物联网终端到ES的干扰链路相比，BSs的干扰裕度更差;可以观测到约15.2 dB的损耗。

由以上三表可知，干扰裕度的所有结果表明，5G物联网系统和FSS系统可以共存，不会对FSS系统产生不容忍干扰。但是，在5G物联网系统与FSS系统之间的共享研究中，由于传输功率更高，天线数量更多，因此，表格中也显示了来自5G BSs而非IoT终端的干扰更严重。

4.结论与未来研究

本文详细分析了基于不同分离距离、ES高度和干扰标准的毫米波频段5G物联网系统共存场景，即与FSS下行40ghz共路共享。论文的第一部分将干扰链路分为BS到ES和IoT终端到ES两种类型，并讨论了一个40ghz的共享研究场景。此外，研究了5G物联网和FSS系统模型及其相关天线模式。结果表明，5G物联网系统能够同时从至少数百个BSs和数千个物联网终端进行传输，完全满足FSS系统的抗干扰标准。最后的结果也证明了所提出的大规模MIMO技术可以有效抑制ES的干扰，同时保持5G物联网系统在毫米波下的可操作性能。

特别是，为了确认5G物联网系统能否与FSS等现有系统智能共享频谱，这种共存分析不仅是必要的，也是必须的。这项研究是在5G期间引入新的频段的需要，可以指导未来如何部署带mmWave的5G物联网系统。

以下几点是我们未来研究方向的兴趣点。首先，对高电位频段(如52.6 GHz以上频段)进行类似的共存分析是自然而重要的一步。此外，在频谱共享研究中，先进的天线解决方案和缓解方案对于获得更好的干扰裕度是必不可少的。最后，考虑5G物联网系统与其他服务(如WiFi)共存也很重要。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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