為保護(hù)固定業(yè)務(wù)而提出的國(guó)際邊界HAPSpfd限值

1、ITU-R F.1820建議書為保護(hù)47.2-47.5 GHz和47.9-482 GHz頻段鄰國(guó)的固定業(yè)務(wù),提供無(wú)線固定接入業(yè)務(wù)的咼空平臺(tái)電臺(tái)在國(guó)際邊界處的功率通量密度值ITU-R 212/9 號(hào)課題(2007年)范圍為了保護(hù)47.2-47.5 GHz和47.9-48.2 GHz頻段鄰國(guó)主管部門的傳統(tǒng)固定業(yè)務(wù)電臺(tái)，本建議書提供 了高空平臺(tái)電臺(tái)HAPS同信道干擾的功率通量密度pfd值。首字母縮拼詞UAC 城區(qū)覆蓋SAC郊區(qū)覆蓋RAC農(nóng)村地區(qū)覆蓋ITU無(wú)線電通信全會(huì)，考慮到a使用同溫層高空平臺(tái)電臺(tái)HAPS的新技術(shù)正在得到開(kāi)發(fā)；b1997年世界無(wú)線電通信大會(huì)WRC-97設(shè)計(jì)將47.2-47.5 GH

2、z和 47.9-48.2 GHz頻段用 于HAPS部署的同為主要業(yè)務(wù)的固定業(yè)務(wù)；cITU-R F.1500建議書含有在47.2-47.5 GHz和48.2-48.5 GHz頻段方案將用于 HAPS的固 定業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特性；d盡管部署HAPS的決定可以在國(guó)家的根底上做出，但是這種部署可能會(huì)影響到鄰國(guó)主 管部門，特別是對(duì)小國(guó)而言，做出建議1為保護(hù)47.2-47.5 GHz和47.9-48.2 GHz頻段鄰國(guó)主管部門的傳統(tǒng)固定業(yè)務(wù)電臺(tái)不受同信道干擾，根據(jù)附近1中所述方法，在47.2-47.5 GHz和47.9-48.2 GHz頻段工作的HAPS不得在 一主管部門邊界以外的地表超過(guò)以下功率通量密度值，除

3、非受影響的主管部門在通知HAPS時(shí)已經(jīng)提供了明確的同意意見(jiàn)：在0 - -3時(shí)，：為-1412dB(W/(m2 MHz)在3二乞13 時(shí)，：為-141 2.0C- 3)2dB(W/(m MHz)在13 < -90 時(shí)，：為-1212dB(W/(m MHz)其中二為地球水平面上方的到達(dá)角附件1為保護(hù)47.2-47.5 GHz和47.9-482 GHz頻段鄰國(guó)的固定業(yè)務(wù),確定提供無(wú)線固定接入業(yè)務(wù)的高空平臺(tái)電臺(tái)在國(guó)際邊界處的功率通量密度值的方法1 引言本附件描述為保護(hù)47.2-47.5 GHz和47.9-48.2 GHz頻段鄰國(guó)主管部門的傳統(tǒng)固定業(yè)務(wù)電臺(tái)而制定的在國(guó)際邊界處利用 HAPS提供無(wú)線

4、固定業(yè)務(wù)的功率通量密度(pfd )值，同時(shí)根據(jù)ITU-R F.1500建議書中的特性，描述了國(guó)際邊界處 HAPS的功率通量密度(pfd)值。2 系統(tǒng)特性2.1高空平臺(tái)系統(tǒng)此分析中使用的參數(shù)見(jiàn)ITU-R F.1500建議書及以下內(nèi)容：表1HAPS覆蓋區(qū)覆蓋區(qū)域仰度 (度)地面距離(21公里處的平臺(tái))(公里)UAC90-300-36SAC30-1536-76.5RAC15-576.5-203表2平臺(tái)電臺(tái)發(fā)射機(jī)參數(shù)與下述各處的通信發(fā)射機(jī)功率(dBW)天線增益(dBi)(1)UAC1.330SAC1.330RAC3.538(UAC)關(guān)口站035(SAC)關(guān)口站9.738最大天線增益。2.2 天線輻射圖

5、平臺(tái)天線的天線輻射圖符合ITU-R S.672建議書。2.3 大氣衰減大氣衰減公式出自ITU-R F.1501建議書。就干擾分析而言，只有最小衰減公式相關(guān)，因 此，選擇了 47.2 GHz高空區(qū)域的公式來(lái)提供最差情況分析。Ah h, ®= 46.70/11 +0.6872 B + 0.03637 O2 -0.001105+0.8087x 10? 94h0.24720.1819 O h2 0.048580.03221 O當(dāng)二度為地面電臺(tái)相對(duì)于HAPS平臺(tái)的仰角，h 公里為海平面上方地面站的高度時(shí)， 公式對(duì)于0 < h < 3 km和0； 90的情形有效。對(duì)于0以下的實(shí)際仰角

6、而言，應(yīng)采用 0的衰減。2.4 干擾情形假設(shè)干擾情形如圖1所示。在此情況下，接收HAPS發(fā)射的干擾信號(hào)的一相鄰主管部門的 固定業(yè)務(wù)電臺(tái)位于HAPS覆蓋范圍內(nèi)或超出其邊緣。對(duì)發(fā)自 HAPS所載的所有發(fā)射機(jī)的HAPS 集總干擾信號(hào)都予以計(jì)算，以提供一個(gè) pfd限制。圖1干擾情形i、.g：iUAC、SAC和RAC分別描述了 HAPS對(duì)城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的覆蓋。預(yù)計(jì)在地面站接收機(jī)處收到的pfd可由ITU-R SF.1481-1建議書中使用的等式2計(jì)算：2 2fdr 二 P Gt -Ltf -La -Lp -10 log B -10 log 4二d2 -60 dBW/m2 MHz其中：2fdr： 為預(yù)

7、計(jì)接收載波的pfd (dB(W/(m MHz)P：發(fā)射輸出功率(dBW)B：發(fā)射輸出帶寬(dBMHz)Gt:發(fā)射天線增益(dBi)Ltf:天線饋線損耗(dB)Gr:接收天線增益(dBi)La： 一特定仰角的大氣吸收(dB)Lp:因其它傳播影響造成的衰減(dB):波長(zhǎng)(m)d: HAPS與地面接收機(jī)之間的距離(km)。固定業(yè)務(wù)電臺(tái)的容許pfd水平可從固定業(yè)務(wù)電臺(tái)的典型特性推斷出來(lái)，如表3所示(ITU-R F.758-4建議書，表 27)：表3FS接收機(jī)參數(shù)最大天線增益(dBi)46天線直徑(m)0.9接收機(jī)噪聲系數(shù)(dB)5調(diào)制256 QAM頻段(GHz)接收機(jī)IF帶寬(MHz)50標(biāo)稱長(zhǎng)期干擾

8、(dBW)-132推算的干擾標(biāo)準(zhǔn)(dB(W/MHz)-149圖3中的干擾標(biāo)準(zhǔn)主要反映了接收機(jī)溫度噪聲負(fù) 10 dB標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)確保對(duì)技術(shù)等信噪比 不得高于0.4 dB。為估算pfd限值起見(jiàn)，應(yīng)計(jì)算擁有同樣天線增益的理想天線的有效孔徑。將 公式用于理想天線：D有效= - 100.05GfsJI其中D為理想天線有效孔徑的直徑，Gfs為最大實(shí)際天線增益，/為發(fā)射的RF的波長(zhǎng)。HAPS平臺(tái)波束中心干擾的pfd限值可確定為：PFD限值=(干擾_標(biāo)準(zhǔn))-10log二D有效4=(干擾 _ 標(biāo)準(zhǔn))-Gfs 10 log2=-140.02 dB(W/(m2 MHz)為計(jì)算HAPS平臺(tái)的集總干擾水平起見(jiàn)，首先必須

9、計(jì)算天線陣排列因數(shù)，以便取得公式 5中的有效發(fā)射天線增益Gt。計(jì)算天線陣排列因數(shù)時(shí)，假定 HAPS天線的陣排列為半球外表的六角網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)考慮到，既使最小仰角為零度，天線陣排列仍不能覆蓋整個(gè)半球，因此這種計(jì)算與pfd限制的上限相符合。一個(gè)更為簡(jiǎn)單的假設(shè)為，利用增益更低的 SAC天線來(lái)取代所有其它RAC天線，除 直接朝向受干擾的地面接收機(jī)的天線以外。這一假設(shè)增加了相鄰?fù)诺啦ㄊ詈?，因?yàn)橛懈?低增益的天線有更高的旁瓣。根據(jù)ITU-R F.1500建議書，采用了 7頻段再使用方案。圖2和圖3利用表3中的參數(shù)，顯示了 HAPS平臺(tái)天線陣排列因數(shù)計(jì)算之例，但例外情況 是，UAC和SAC天線增益被允許不同

10、于以下的10 dB，表3中所列的值可以沒(méi)有變化。天線總數(shù)顯然取決于單個(gè)天線的波束寬度；波束越寬數(shù)目越小。這一點(diǎn)在圖2中有所顯示。天線陣排列中的天線數(shù)目在計(jì)算中由單個(gè)天線的波束寬度確定，因?yàn)椴ㄊg有-3 dB的波束寬度間隔，以取得最理想的統(tǒng)一覆蓋。因此單天線增益越低，天線數(shù)目越少。如果天線陣排列中的所有天線的增益相同，那么大約：天線數(shù)1 -sinr仰角1 cos其中角為天線陣排列的最小仰角，板束寬度為單個(gè)天線的-3 dBi波束寬度?？梢钥吹?，單個(gè)天線增益越大，半波束寬度越小，因此需要更多的天線數(shù)目來(lái)提供-3 dB覆蓋。如果使用的天線較少，那么在-3 dBi水平以下時(shí)相鄰波束將進(jìn)行截取，從而造成

11、邊緣覆蓋較差。圖2中的數(shù)目來(lái)自于實(shí)際模擬，因此與上述公式略有不同。在計(jì)算圖3中的天線陣排列因素時(shí)，除了指向固定業(yè)務(wù)地面電臺(tái)的天線的波束中心發(fā)射 量外，將其它天線旁瓣的所有發(fā)射量全部相加，之后用波束中心天線的增益去除。使用了天 線陣排列因素后，可以通過(guò)由天線增益替代單天線增益來(lái)計(jì)算單天線等式5的pfd,再乘以天線陣排列因素得出。由于計(jì)算出的天線陣排列因素約為1.1,這意味著有效單天線增益應(yīng)約為11 000,或?yàn)?0.4 dBi。更具體而言：無(wú)3化天線陣排列因數(shù)=°-G°0其中，G00與直接指向固定業(yè)務(wù)電臺(tái)的 HAPS天線的波束中心增益相對(duì)應(yīng)，而剩余的n覆蓋了所有其它同信道天線

12、。同信道天線的天線增益在適當(dāng)角度為旁瓣增益。8(H)° 20/一圖2天線數(shù)量與單天線增益6004002()0222426單天線埋苔K2O-r»2.O920廠/、'/A/2224262S30lftM-05圖3天線陣排列因數(shù)與單天線增益1.105圖2反映出這樣一個(gè)事實(shí)，隨著UAC/SAC天線增益的增加，其波束寬度減少，因此波束 總數(shù)亦相應(yīng)增加，平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)能力隨之提高。在圖3中，計(jì)算出的天線陣排列因素均群集在 1.1周圍，無(wú)論單天線增益如何。這是合理 的，因?yàn)樘炀€陣排列的7:1頻率再使用安排減少了來(lái)自相鄰?fù)诺捞炀€的同信道干擾。在等 式(5)中，天線陣排列因數(shù)將發(fā)射天線增益

13、增加了 0.4 dB。計(jì)算出的pfd限制見(jiàn)圖4。該pfd限制主要從等式(5)得出，方法為，用1中描述的有效單天 線增益取代單天線增益Gt。HAPS天線與固定業(yè)務(wù)地面電臺(tái)之間的距離利用適當(dāng)?shù)那蛎鎺缀?從最低點(diǎn)遠(yuǎn)距離確定。、圖4Pfd限值與HAPS平臺(tái)最低點(diǎn)的距離-100-140501002 0030044)0500與屋低點(diǎn)的距離(舍動(dòng)1能阿-160在上述計(jì)算中，假設(shè)有一個(gè)11 MHz的發(fā)射帶寬和5dB的組合電纜/饋線損耗。對(duì)于距最 2低點(diǎn)50公里至500公里的距離而言，計(jì)算出的pfd在-84 dB(W/(m MHz)和 -144.2 dB(W/(m2 MHz)的范圍內(nèi)，較大的數(shù)字與距最低點(diǎn) 50

14、公里的距離相對(duì)應(yīng)。當(dāng) HAPS RAC覆蓋的最大范圍大于470公里時(shí)，pfd限制就低于固定業(yè)務(wù)的pfd干擾限制。當(dāng)距離大于 200公里時(shí)，pfd急劇減少，說(shuō)明大氣衰減迅速增加。與 200公里距離相對(duì)應(yīng)的最低點(diǎn)仰角約 為5°上述計(jì)算的根底為以下假設(shè)，即，受到干擾的固定業(yè)務(wù)地面電臺(tái)處于水平面。由于大 氣衰減的緣故，水平面以上的固定業(yè)務(wù)地面電臺(tái)收到的干擾將更高。方案用于RAC的HAPS包括一個(gè)20 dB的雨致衰減余量；因此可以通過(guò)在晴空條件下減少20 dB發(fā)射功率的方法來(lái)使用自動(dòng)下行鏈路功率控制，以減少波束中心對(duì)固定業(yè)務(wù)電臺(tái)的干 擾，同時(shí)假設(shè)固定業(yè)務(wù)電臺(tái)指向 HAPS平臺(tái)。通過(guò)關(guān)閉直接指向

15、固定業(yè)務(wù)電臺(tái)的RAC波束，可以減少對(duì)波束中心另10 dB的干擾水平。這仍然要求固定業(yè)務(wù)電臺(tái)至 HAPS平臺(tái)最低點(diǎn)的距 離大于260公里。固定業(yè)務(wù)電臺(tái)亦可通過(guò)指向遠(yuǎn)離 HAPS平臺(tái)來(lái)減少來(lái)自該平臺(tái)的干擾。如果 固定業(yè)務(wù)電臺(tái)天線波束寬度極小(> 1°，這可以實(shí)現(xiàn)，雖然HAPS平臺(tái)的平臺(tái)保持往往比GSO 衛(wèi)星的平臺(tái)保持要寬松一些，如果固定業(yè)務(wù)天線指向與HAPS的標(biāo)稱位置太近的話。但是，一固定業(yè)務(wù)天線通常水平地指向另一遠(yuǎn)處的固定業(yè)務(wù)天線，而HAPS平臺(tái)天線的最小仰角約為4°因此進(jìn)行干擾的HAPS天線仰角和固定業(yè)務(wù)天線仰角之間的差本身就可至少減少25 dB的干擾信號(hào)。對(duì)固定業(yè)務(wù)

16、天線的環(huán)境屏蔽亦可幫助進(jìn)一步減少偏離波束中心的干擾。圖5中的實(shí)心曲線描述了計(jì)算出的pfd限制，這是從固定業(yè)務(wù)電臺(tái)角度看到的 HAPS平臺(tái) 的仰角的函數(shù)。虛線曲線顯示減去 20 dB雨致衰減余量后的相同限制。請(qǐng)注意，計(jì)算出的 pfd 限制(20 dB)對(duì)于13°以上的角度而言相對(duì)平緩，而在對(duì)3°以下的仰角會(huì)突然減少。-200一2 m ；r *tF«¥圖5Pfd限值與仰角-120-140-160-18005102C帕h呦圖6大氣衰減與仰角30201010203040 瑪 閃 7080 知仰世(度)1S2U-O6圖6描述了因47.2-48.2 GHz頻段的大氣

17、氣體而造成的最低傳播衰減差異，根據(jù) ITU-R F.1501建議書，這是從固定業(yè)務(wù)電臺(tái)看到的HAPS平臺(tái)的仰角的函數(shù)。這說(shuō)明，大氣衰減仍然不大90°時(shí)為0.57 dB, 22.5時(shí)為1.9 dB或最低點(diǎn)處為 50公里，直至仰角降至 13°以下衰減=3.4 dB，距最低點(diǎn)的距離為90公里，在此時(shí)，衰減幾乎呈指數(shù)增加，在 0.154處到達(dá)42.2 dB的值距最低點(diǎn)的距離約為 500公里。在3°處距最低點(diǎn)的距離為 280公里，大氣衰減為13.9 dB。請(qǐng)注意，隨地面電臺(tái)高度的增加，大氣衰減迅速減少。 在高度10公里以上時(shí)，在距最低點(diǎn)76公里至200公里處，大氣衰減的差異從 0.47 dB至1.22 dB 不等。3為保護(hù)固定業(yè)務(wù)而提出的國(guó)際邊界 HAPS pfd限值在此項(xiàng)研究的根底上，特提出建議：為保護(hù) 47.2-47.5 GHz和47.9-48.2 GHz頻段鄰國(guó)主管 部門的傳統(tǒng)固定業(yè)務(wù)電臺(tái)不受同信道干擾起見(jiàn)，在47.2-47.5 GHz和 47.9-48.2 GHz頻段工作的HAPS不得在一主管部門邊界以外的地表超過(guò)以下功率通量密度值，除非受影響的主管部門 在通知HAPS時(shí)