5 470～5 725 MHz頻段氣象雷達(dá)與WLAN共存干擾確定性分析

李 楠，程 方，武 戈

(重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

1 5 GHz頻段

近年來，國內(nèi)電信運(yùn)營企業(yè)已將WLAN視為支撐寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的重要方式，對WLAN的部署步伐不斷加快，迫切需要無線電主管部門為WLAN規(guī)劃配置新的頻率資源，中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司計(jì)劃引入5 GHz新頻段。另外，隨著IEEE802.11發(fā)展，帶寬越來越寬，現(xiàn)有2.4 GHz和5.8 GHz頻率已無法滿足需要。

圖1 ITU與我國5GHz頻率劃分情況

主流電信發(fā)達(dá)國家地區(qū)均以無執(zhí)照方式，開放了5 150～5 350 MHz和5 470～5 725 MHz應(yīng)用于WLAN業(yè)務(wù)以推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在我國，5 470～5 850 MHz頻段應(yīng)用于水上無線電導(dǎo)航，5 250～5 725 MHz頻段應(yīng)用于無線電定位雷達(dá)，僅有5.8 GHz暫時(shí)開放，5 GHz頻段劃分如圖1所示，考慮5 470～5 725 MHz頻段作為促進(jìn)WLAN業(yè)務(wù)發(fā)展的新頻段，所以需要重點(diǎn)分析該頻段雷達(dá)與WLAN的共存干擾。

因此，為了研究該頻段系統(tǒng)間的干擾共存，為該頻段WLAN頻率分配提供技術(shù)參考，采用確定性分析方法，計(jì)算系統(tǒng)間共存所需的隔離度。確定性計(jì)算是基于鏈路預(yù)算，通過數(shù)值計(jì)算，得出系統(tǒng)共存所需的隔離度。一般選取干擾最嚴(yán)重的鏈路，對最惡劣的情況進(jìn)行分析:路徑損耗最小;發(fā)射功率最大;收發(fā)天線增益最大。這種方法簡單且易實(shí)現(xiàn)，但是與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)間存在一定的差異，適用于干擾估算和特殊情況下點(diǎn)對點(diǎn)的干擾計(jì)算。

2 干擾傳播模型

確定性計(jì)算采用 ITU－R P.452晴空模型［1］，此模型適用于工作頻率范圍在0.7～50 GHz之間的無線電臺。微波干擾可能通過許多傳播機(jī)制引起，哪種傳播機(jī)制起主要作用，取決于氣候、無線電頻率、關(guān)心的時(shí)間百分比、距離和傳播路徑的剖面點(diǎn)地形，并且單個(gè)傳播機(jī)制或多個(gè)傳播機(jī)制在任何條件下都可能共存。

晴空模型主要干擾傳播機(jī)制如下:

視距傳播:正常大氣條件下存在視距傳播路徑，是始終存在的干擾傳播機(jī)制。而且不包括最短路徑(路徑長于約5 km左右)以外的所有路徑上，由于大氣分層引起的多徑效應(yīng)和聚焦效應(yīng)，信號電平常常會(huì)在短時(shí)間內(nèi)顯著增強(qiáng)。

繞射:在超出視距范圍以外和在正常條件下，檢測到的信號電平通常以繞射效應(yīng)為主。繞射預(yù)測的性能一定要很好地適用于光滑地球、離散障礙物和不規(guī)則地形的情況。

表面大氣波導(dǎo):在水面上和在平坦的沿海陸地區(qū)域，這是最重要的短時(shí)間干擾機(jī)理，它可能在很遠(yuǎn)距離(海面上長于500 km)上產(chǎn)生高信號電平。

高層的反射和折射:從高度達(dá)幾百米的層上反射或折射的處理是很重要的。因?yàn)樵谟欣穆窂降匦吻闆r下，這些機(jī)理可能使信號很有效地克服地形的繞射損耗。而且這種影響在相當(dāng)長的距離內(nèi)(直到250～300 km)可能是顯著的。

對流層散射:在較長路徑上(長于100～150 km)的“背景”干擾電平。在這種情況下，繞射場很弱。通過對流層散射來的干擾電平太低，以至于不必要考慮。

3 干擾預(yù)測程序

3.1 輸入?yún)?shù)

ITU－R P.452模型所需要的基本輸入?yún)?shù)見表1。

表1 模型輸入?yún)?shù)

表1中:1)下標(biāo)t，表示干擾站;下標(biāo)r，表示被干擾站?？紤]雷達(dá)對WLAN干擾與WALN對雷達(dá)干擾兩種情況。2)時(shí)間百分比p，選擇年度預(yù)測或最差月份預(yù)測，通常是由干擾路徑接收端的被干擾無線電系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)所決定的。因?yàn)橐话愀蓴_是一個(gè)雙向的問題，可能需要對兩組這樣的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評估，以決定最差條件下的方向，根據(jù)最壞方向求出所需要的可容許的最小基本傳輸損耗。在實(shí)際仿真計(jì)算中時(shí)間百分比用p表示，在若干年或若干月時(shí)間的p%內(nèi)，不超過這個(gè)時(shí)間百分比所需要的最小路徑損耗。所以，當(dāng)p越小，沒有干擾的時(shí)間越小，造成干擾的可能性越大。3)N0，ΔN是當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，如果沒有當(dāng)?shù)刂担蓞⒖即四Ｐ吞峁┑臄?shù)據(jù)。

3.2 制作路徑剖面點(diǎn)

根據(jù)干擾站(ψt，φt)和被干擾站(ψr，φr)的地理坐標(biāo)，從數(shù)字地圖得到路徑上的地形高度(平均海拔高度)。剖面點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡量采用實(shí)際地形的特點(diǎn)，通常30～1 000 m之間的距離增量是適當(dāng)?shù)?。剖面圖包含起點(diǎn)的干擾站和終點(diǎn)的被干擾站位置上的地面高度，推薦使用等間距剖面點(diǎn)。地形平均海拔高度的路徑剖面圖如圖2所示。

圖2 路徑剖面圖

3.3 路徑損耗

根據(jù)該模型計(jì)算出兩站間的路徑損耗。對所有路徑進(jìn)行計(jì)算，p%時(shí)間內(nèi)不超過的最終基本傳輸損耗Lp(dB)為

最終基本傳輸損耗Lp分為三部分:Lbs為p＜50%時(shí)對流層散射引入的基本傳輸損耗;Lbam為修正的基本傳輸損耗，納入了繞射、視距、大氣波導(dǎo)和高層反射增強(qiáng)的影響;Aht，Ahr為干擾站和被干擾站的散射損耗。

1)對流層散射引入的基本傳輸損耗為

式中:Lf為與頻率有關(guān)的損耗;d為干擾路徑長度;θ為路徑角距;N0為路徑中心海平面的表面折射率;Lc為中值耦合的范圍;Ag為整個(gè)路徑長度總的氣體吸收;p為時(shí)間百分比。

2)納入了繞射、視距、大氣波導(dǎo)和高層反射增強(qiáng)影響的修正的基本傳輸損耗為

式中:Lbda為與視距和超視距反射增強(qiáng)有關(guān)的理論基本傳輸損耗;Lminb0p為與視距傳播和海上部分路徑繞射有關(guān)的假象最小傳輸損耗;Fj為考慮路徑的角向距離得到的內(nèi)插系數(shù)。

3)由地物影響造成的附加散射損耗計(jì)算為

式中:Ffc為頻率修正因子;dk為標(biāo)稱地物所在位置與天線之間的距離(km);h為相對于地面的天線高度(m);ha為相對于地面的標(biāo)稱地物的高度(m)。

3.4 系統(tǒng)頻率距離間隔方法

當(dāng)距離和頻率間隔都可變時(shí)，鏈路預(yù)算方法［2］為

式中:Lp為兩站之間最小傳播路徑損耗(dB);Pt為干擾信號發(fā)射功率(dBm);Gt為干擾機(jī)天線增益(dBi);Gr為被干擾機(jī)天線增益(dBi);I為被干擾機(jī)處干擾信號功率(dBm);FDRIF為頻率相關(guān)抑制［3］，用來衡量被干擾機(jī)的選擇性曲線產(chǎn)生的對干擾機(jī)發(fā)射頻譜的抑制程度，其計(jì)算方法為

式中:P(f)為干擾信號等效中頻功率譜密度;H(f)為被干擾站的頻率響應(yīng);Δf=ft－fr，ft為干擾站的發(fā)射頻率，fr為被干擾站的調(diào)諧頻率。

如果沒有干擾機(jī)與被干擾機(jī)的頻譜模板，可以用近似方法，即

式中:Bt總為干擾機(jī)的發(fā)射帶寬(MHz);Bt進(jìn)(Δf)為被干擾機(jī)落入干擾機(jī)的頻帶寬度(MHz)。

3.5 確定性計(jì)算保護(hù)準(zhǔn)則

被干擾機(jī)處干擾信號功率［2］為

式中:I/N為被干擾機(jī)維持可接受的性能標(biāo)準(zhǔn)所需的干擾噪聲比(dB)，一般情況下I/N=－6 dB;N為被干擾機(jī)固有噪聲功率(dBm)，且有

式中:BIF為被干擾站IF帶寬(MHz);NF為被干擾站噪聲系數(shù)(dB)。

最后通過式(5)計(jì)算出的路徑損耗，找出式(1)計(jì)算出路徑損耗所對應(yīng)的距離，該距離則是兩站不發(fā)生干擾所需的最小隔離距離。如果找不到最小隔離距離，則需要更遠(yuǎn)的隔離距離，重新計(jì)算以滿足最低要求。

4 仿真結(jié)果

因?yàn)闆]有實(shí)際的氣象雷達(dá)參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)［4］提供的氣象雷達(dá)特性A和WLAN設(shè)置參數(shù)，如表2所示，模型輸入?yún)?shù)如表3所示。

表2 確定性分析參數(shù)

表3 模型輸入?yún)?shù)

根據(jù)表3所列參數(shù)計(jì)算出隨距離變化的路徑損耗，如圖3所示。

圖3 路徑損耗

考慮兩種干擾情況:氣象雷達(dá)對WLAN干擾，WLAN對氣象雷達(dá)干擾。在圖3中找出最小路徑損耗所對應(yīng)的隔離距離，這個(gè)隔離距離就是系統(tǒng)間沒有干擾的最小隔離距離。當(dāng)雷達(dá)和WLAN中心頻率間隔小于等于8.75MHz時(shí)，屬于同頻情況;中心頻率間隔在8.75～9.15 MHz之間時(shí)，屬于鄰頻情況;中心頻率間隔超過9.15 MHz時(shí)，WLAN頻帶與雷達(dá)頻帶無重疊。同頻和鄰頻的最小隔離距離與路徑損耗結(jié)果如表4所示。

表4 隔離距離

在實(shí)際中，只要確保WLAN與雷達(dá)之間有最小的隔離距離與適當(dāng)?shù)念l率間隔，按照隔離距離與頻率間隔的建議部署WLAN，就能保證系統(tǒng)間不受干擾。

5 小結(jié)

計(jì)算出兩站之間的路徑損耗，僅對點(diǎn)對點(diǎn)的情況適用，而在實(shí)際情況下，干擾站與被干擾站關(guān)系復(fù)雜，就需要利用蒙特卡洛仿真，對點(diǎn)對多點(diǎn)的情況進(jìn)行仿真。圍繞氣象雷達(dá)周圍有大量WLAN臺站，WLAN臺站的距離、高度、功率等變化很大，路徑損耗不容易確定。然而，利用該模型在整個(gè)范圍內(nèi)計(jì)算出視距情況的路徑損耗，再計(jì)算出平均障礙物高度的路徑損耗，在這個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)取值，就可以模擬實(shí)際情況點(diǎn)對多點(diǎn)的路徑損耗，進(jìn)而為蒙特卡洛仿真提供模型參數(shù)。

ITU－R P.452－14模型是目前5 GHz頻段干擾共存研究的重要模型，考慮了多種傳播機(jī)制的影響，采用了時(shí)間百分比和路徑剖面圖等因素，為干擾共存分析提供路徑損耗模型。適用頻率范圍廣，也可以用來分析各類無線系統(tǒng)之間的干擾共存研究，比ITU－R P.1546建議書模型具有更寬的頻率適用范圍。

［1］ ITU－R P.452－14，Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz［S］.2009.

［2］ ITU－R M.1461－1，Procedures for determining the potential for interference between radars operating in the radiodetermination service and systems in other services［S］.2003.

［3］ ITU－R SM.337－6，F(xiàn)requency and distance separations［S］.2008.

［4］ ITU－R M.1652－1，Dynamic frequency selection in wireless access systems including radio local area networks for the purpose of protecting the radiodetermination service in the 5 GHz band［S］.2011.