5G設(shè)備對(duì)C波段衛(wèi)星地球站的干擾分析

文羽中

【摘要】? ? 2020年3月24日，工信部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，要求加快推進(jìn)主要城市的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，并向有條件的重點(diǎn)縣鎮(zhèn)逐步延伸覆蓋。隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面越來越廣，將不可避免的對(duì)C波段衛(wèi)星地球站系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。本文就5G公眾通信設(shè)備（基站端）對(duì)C波段衛(wèi)星地球站的干擾成因進(jìn)行分析，并提出解決的方法，幫助兩種業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G公眾通信設(shè)備（基站端）? ? C波段衛(wèi)星地球站? ? 干擾分析? ? 解決方案

引言：

2020年12月，工信部分別向中國(guó)移動(dòng)（2515-2675MHz、4800-4900MHz）、中國(guó)電信（3400-3500MHz）、中國(guó)聯(lián)通（3500-3600MHz）下發(fā)5G運(yùn)營(yíng)牌照，我國(guó)正式進(jìn)入5G通信時(shí)代。按照頻率劃分規(guī)定，原C波段衛(wèi)星地球站分配在3400-4200MHz頻段。因此，新啟用的5G公眾通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不可避免的會(huì)對(duì)原有C波段衛(wèi)星地球站設(shè)備產(chǎn)生同頻、鄰頻干擾和飽和干擾。為了避免或減小5G公眾通信設(shè)備（基站端）啟用對(duì)原有設(shè)備的干擾影響，本文對(duì)5G公眾通信設(shè)備（基站端）的發(fā)射信號(hào)和C波段衛(wèi)星地球站的接收端分別進(jìn)行分析，以尋求找到二者之間的共存方式，使之共同為國(guó)家建設(shè)助力。

一、干擾原因分析

1.1? 鏈路模型

根據(jù)工信部文件、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信以及廣電總局分別獲得2515-2675MHz、3400-3500MHz、3500-3600MHz頻段用于5G建設(shè)，其中中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信獲得的5G使用頻段十分接近傳統(tǒng)C波段衛(wèi)星地球站實(shí)際使用頻段（3700-4200MHz接收）。在實(shí)際使用場(chǎng)景下，5G公眾通信設(shè)備（基站端）發(fā)射的信號(hào)與衛(wèi)星下行（地球站上行接收）信號(hào)同時(shí)到達(dá)地球站接收設(shè)備，5G設(shè)備將對(duì)衛(wèi)星接收端產(chǎn)生鄰頻干擾;在某些特殊情況下，如雜散抑制不好、頻率漂移、地球站高頻頭（LNB）性能不好等，5G信號(hào)甚至?xí)斐捎绊懜蟮耐l干擾，造成接收衛(wèi)星信噪比下降，誤碼率上升，數(shù)據(jù)丟失。

1.2? 干擾模型

1.2.1? 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)ITU（國(guó)際電聯(lián)）-RS.2199-0報(bào)告，在進(jìn)入衛(wèi)星地球站的干擾信號(hào)總功率超過-60dBm時(shí)，其高頻頭（低噪聲變頻放大器LNB）將產(chǎn)生飽和干擾。而根據(jù)我國(guó)廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GY/T148-2000衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)技術(shù)要求》，衛(wèi)星電視接收端的輸入功率電平值安全范圍為-65dBm～-30dBm，超過此區(qū)間的接收電平將可能產(chǎn)生飽和或阻塞干擾。

1.2.2? 5G公眾通信設(shè)備（基站端）干擾模型

5G公眾通信設(shè)備（基站端）對(duì)C波段衛(wèi)星地球站產(chǎn)生的干擾主要分同頻干擾、鄰頻干擾、飽和干擾三類，干擾的種類主要由不同的系統(tǒng)決定，而干擾程度的大小取決于5G公眾通信設(shè)備（基站端）相對(duì)于C波段地球站接收端的距離。

a.同頻干擾：主要為電信、聯(lián)通使用的5G頻段，即3400-3600MHz，進(jìn)入了地球站接收端造成的;

b.鄰頻干擾：主要為部分5G基站信號(hào)的雜散、諧波等畸變信號(hào)進(jìn)入了地球站接收端，頻段范圍分布在3600-4200MHz;

c.飽和干擾：重點(diǎn)集中在3600-3700MHz頻段，當(dāng)5G公眾通信設(shè)備（基站端）離C波段衛(wèi)星地球站接收端過近時(shí)，會(huì)造成接收端LNB飽和而無法正常接收衛(wèi)星信號(hào)。

1.2.3 C波段地球站接收端模型

C波段衛(wèi)星地球站接收端主要由接收天線、高頻頭、低損耗電纜、功率分配器和衛(wèi)星信號(hào)接收器組成。我國(guó)通常使用的C波段高頻頭工作頻段在3400-4200MHz，由低噪放、混頻器、本振和中頻放大等電路構(gòu)成，其中LNA為低噪放，混頻器、本振、中頻放大等電路構(gòu)成LNB，高頻頭增益大致為60dB，它的功能是把C波段衛(wèi)星下行信號(hào)放大、且下變頻為950-1750MHz信號(hào)，再傳輸給室內(nèi)的功分器和衛(wèi)星接收機(jī)。

當(dāng)5G公眾通信設(shè)備（基站端）信號(hào)工作在衛(wèi)星接收系統(tǒng)高頻頭的工作頻段內(nèi)時(shí)，高頻頭通過衛(wèi)星接收天線接收到的信號(hào)是衛(wèi)星發(fā)射的下行信號(hào)和5G基站端發(fā)射信號(hào)的疊加，并通過LNB變頻器變頻再通過中頻放大后輸送到衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)。衛(wèi)星地球站接收機(jī)是否收到5G系統(tǒng)基站端發(fā)射的信號(hào)干擾，取決于LNA/LNB以及接收機(jī)內(nèi)部放大電路能否工作在元器件的線性工作區(qū)。

二、相關(guān)模型計(jì)算

2.1? 模型公式推導(dǎo)及計(jì)算

根據(jù)鏈路模型，我們主要考慮5G公眾通信設(shè)備（基站端）發(fā)射的信號(hào)，C波段衛(wèi)星下行發(fā)射的信號(hào)，以及這些信號(hào)到達(dá)地球站接收端的功率之間的關(guān)系，是否滿足ITU的相關(guān)規(guī)范。為此，我們先假設(shè)5G基站端為理想各向同性天線發(fā)射（假想成點(diǎn)源），則發(fā)射模型為理想各向同性天線向四周的球面空間進(jìn)行全向發(fā)射，此時(shí)球面上每一個(gè)面元所接收到的功率S0只與到點(diǎn)源的距離有關(guān)系。即：

S0=Pt/4πd2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1.1）

式中，d為面元到點(diǎn)源的距離，Pt為理想點(diǎn)源的功率（e.i.r.p）。同理，假設(shè)在接收端使用理想的各向同性天線，則：

Pr=S0×Ar=S0×（λ2/4π）=（Pt/4πd2 ）×（λ2/4π）

所以? ? ?Pt/Pr = （4πd/λ）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1.2）

上式代表電磁波在收發(fā)兩個(gè)各向同性天線之間的自由空間的傳輸損耗。將1.2式用分貝表示，則5G基站端到地球站接收端的自由空間的傳輸損耗為：

L0=10log Pt/Pr=10log（4πd/λ）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1.3）

上式中，d為接收端到發(fā)射端的距離，單位km，將λ=c/f代入式（1.3），并將f的單位取MHz，則上式通過計(jì)算可以簡(jiǎn)化為：

L0=32.45+20logd+20logf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1.4）

2.2 實(shí)際5G基站信號(hào)、衛(wèi)星下行信號(hào)到達(dá)接收端的情況

在實(shí)際工作中我們發(fā)現(xiàn)，以電信5G基站AAU實(shí)際發(fā)射功率200W計(jì)算，不計(jì)算線路損耗以及天線增益，接收端與5G基站距離500米（實(shí)際工作中由于帶寬和覆蓋問題，5G基站的發(fā)射距離往往少于500米），中心頻率假設(shè)為3450MHz，則5G基站發(fā)射的信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星地球站的功率（功率通量密度）為：

Φ1=Φ-L1=76.1-32.45-20log0.5-20log3450≈-21.1dBm

衛(wèi)星信號(hào)以中星6B為例，通過查詢得知，中星6B在湖南地區(qū)的等效全向輻射功率e.i.r.p為36-42.5dBW之間，我們?nèi)》逯倒β?2.5dBW，下行頻率為3700MHz，衛(wèi)星與地球站之間的距離約為36795.9km，則：

L2=32.45+20log3700+20log36795.9≈195.13dB

所以，中星6B到達(dá)C波段衛(wèi)星地球站的功率通量密度為

Φ2=Φ-L2=42.5-195.13=72.5-195.13=-132.63dBm

兩者之間的差為-21.1-（-132.63）=111.53dBm。從計(jì)算結(jié)果我們可以看到，衛(wèi)星發(fā)射到達(dá)地球站接收端的信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5G公眾通信設(shè)備（基站端）的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)ITU（國(guó)際電聯(lián)）-RS.2199-0報(bào)告，5G基站將對(duì)地球站接收端產(chǎn)生飽和干擾或阻塞干擾。

三、實(shí)際工作案例

我們選取了邵陽市大坡嶺廣播電視發(fā)射臺(tái)上的C波段廣播衛(wèi)星接收設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)比加裝帶通濾波器后接收端的信號(hào)情況。由于大坡嶺廣播電視發(fā)射臺(tái)的C波段廣播衛(wèi)星接收設(shè)備離運(yùn)營(yíng)商5G基站發(fā)射端較近，在3.4GHz-3.5GHz存在大量寬頻信號(hào)，電平值最高可以達(dá)到50dBμV左右。

在不加裝濾波器的情況下，中星6B接收端電視信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重的馬賽克，個(gè)別頻道信號(hào)短時(shí)間中斷和黑屏。加裝C波段帶通濾波器后，電視信號(hào)得到明顯改善，增加了約45dB左右的隔離度，中星6B信號(hào)接收正常，各頻道信號(hào)恢復(fù)正常。

四、結(jié)論

根據(jù)理論推導(dǎo)和實(shí)際試驗(yàn)，我們得出結(jié)論，在我國(guó)5G公眾通信設(shè)備基站端大量建設(shè)使用后，將有可能對(duì)目前已經(jīng)存在的C波段業(yè)務(wù)造成干擾。而為C波段接收端加裝帶通濾波器的方式可以有效降低干擾，達(dá)到系統(tǒng)共存的目的。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]盧左軍. 5G與衛(wèi)星電視的干擾研究[J].廣播與電視技術(shù)，2019年7期

[2]池秀清.5G基站對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾分析[J].廣播與電視技術(shù)，2019年11期

[3]溫懷疆，鄭利浩 .C波段衛(wèi)星信號(hào)抗5G干擾接收的實(shí)踐與研究[J].廣播與電視技術(shù)，2020年7期

[4]陳海航，蔡靈偉，范凌峰. 5G基站與C波段衛(wèi)星地球站的干擾協(xié)調(diào)問題[J].中國(guó)無線電， 2019年11期

[5]《3000-5000MHz 頻段第五代移動(dòng)通信基站與衛(wèi)星地球站等無線電臺(tái)（站）干擾協(xié)調(diào)指南》 工信部無[2019]136號(hào)