5G 發(fā)信干擾衛(wèi)星下行（C-Band）研究

蘇 炯

（中國電信股份有限公司上海應急通信局，上海 200437）

1 引言

2G、3G、4G、5G，當代中國無線通信技術的發(fā)展進程非常迅速。2018年12月初，工信部許可批復三大運營商獲得5G 試驗頻率，這意味著全國范圍的大規(guī)模5G 試驗將展開。根據規(guī)劃，運營商預計2019年實現試商用、2020年實現商用，這意味著在今后的1、2年內，5G 基站將大規(guī)模部署于中國的城市與鄉(xiāng)村。而5G 頻率范圍（目前試驗頻率為中國電信（3400-3500 MHz）、中國聯(lián)通（3500- 3600 MHz）、中國移動（2515-2675 MHz 和4800- 4900 MHz），這與C 波段衛(wèi)星地球站下行接收頻率（3625-4200 MHz）如此相近，我們發(fā)現，5G 信號干擾C 波段衛(wèi)星下行接收的現象越來越多，一般表現為使衛(wèi)星頻段的底噪抬升，影響了接收信號的載波質量，誤碼率居高不下，使解出的聲音抖動、圖像馬賽克、拉絲甚至花屏。

為解決5G 信號干擾C 波段下行接收的問題，筆者以電信5G和一套常見的C 波段下行系統(tǒng)為例，深入分析5G 干擾C 下行的基本原理，并以此為據設計一套合理的解決方案，旨在消除絕大多數情況下5G 信號對C 波段下行接收的干擾。

2 干擾測試設備

圖1

以上為一套常見的C 波段下行系統(tǒng)（主備），各部件品牌、型號如下：

（1）天線饋源：SAT-LITE technologies； MODEL 2411。

（2）LNA：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；LCC4S35-XX。

（3）D/C 下 變 頻 器：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；SCR4000BD。

（4）70/L 變 頻 器：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；LT3600。

（5）解碼器：ERICSSON；RX8200。

（6）下行頻譜分析儀：Anr itsu；MS2724C，頻譜儀設置如下，RBW（100 kHz），VBW（100 Hz），Scale（5 dB/div），同一參考電平-50 dbm。

圖2

圖2 所示使用最新的某品牌5G 基站車提供5G 信號，電信5G 帶寬范圍為3400-3500 MHz，最大發(fā)射功率200 W。

3 干擾現象觀察

圖3

圖3 為C 波段下行頻譜儀上觀察到的3.2-3.7 GHz 頻譜，分別為5G 基站不開啟、5G 基站開啟無業(yè)務和5G 基站開啟有業(yè)務3種情況下的狀態(tài)。可以看見，5G 基站不開啟時頻譜非常干凈，當開啟無業(yè)務時有一個極高功率的單載波（中心頻率3.45 GHz），并帶動附近250 M 左右范圍內的底噪抬升，當開啟并運行業(yè)務時，單載波變?yōu)檎{制波，并帶動整個500M SPAN 范圍內的底噪抬升，于邊緣處（3.7 GHz）都將近抬升了5 dB（-88 dbm 至-83 dbm）。

接下來觀察這個強信號對衛(wèi)星C 波段下行的影響。

圖4

圖4 為C 波段下行頻譜儀上觀察到的3.625-4.2 GHz 頻譜，分別為5G 基站不開啟、5G 基站開啟無業(yè)務和5G 基站開啟有業(yè)務3種情況下的狀態(tài)。可以看見，當5G 基站開啟無業(yè)務時，頻譜狀態(tài)區(qū)別不大，但當5G 基站開啟并運行業(yè)務時，頻譜顯而易見的被“壓縮”了，不僅整體底噪平均抬升了2-3 dB，且信號電平被壓低了4 dB。

圖5

圖5 為C 波段下行頻譜儀上觀察到的3.9-4.1GHz 頻譜，分別為5G 基站不開啟、5G 基站開啟無業(yè)務和5G 基站開啟有業(yè)務3種情況下的狀態(tài)。比較后更加明顯的觀察到，當5G 基站開啟并運行業(yè)務時，節(jié)目載波的頻譜被“壓縮”了。

盡管看上去5G 信號只是將衛(wèi)星C 波段下行的頻譜“壓縮”了幾個dB，但對其實際接收的影響幾乎是“致命”的。

如表1和圖6所示，以亞洲5號衛(wèi)星信號為例，當5G 基站開啟運行業(yè)務時，不論是正、反極化，衛(wèi)星上的大多數節(jié)目解碼器根本就鎖不住，僥幸鎖住的1、2個，也因為誤碼率奇高導致解出的圖像馬賽克、拉絲甚至花屏。

表1

圖6

4 干擾原理分析

從現象上看，大功率的5G 信號（超越普通衛(wèi)星信號電平20 dB 左右甚至以上）會干擾衛(wèi)星C 波段下行接收是基本確定了，然而從觀察到的頻譜上其影響并不直觀，只是將衛(wèi)星C 波段頻譜（3.625GHz-4.2GHz）壓縮了，一不是同頻道或鄰道的相干，二不是雜散或互調產物混進有用載波造成其波形失真、包絡變形甚至被淹沒，所以經過初步判斷，其干擾類型應為人們常常忽略的阻塞干擾。

現在讓我們來看看無線通信系統(tǒng)間阻塞干擾的定義，它是指接收機在接收弱有用信號時，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內一個強干擾信號的干擾，其害處是將被干擾系統(tǒng)的接收機推向飽和而阻礙通信。本例中就是如此，3.4-3.5 GHz 的電信5G 信號，混進衛(wèi)星下行天饋系統(tǒng)后經LNA 放大，其強度已經高于普通的衛(wèi)星信號電平20 dB 以上，并且因為5G 系統(tǒng)使用的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線，當業(yè)務爆發(fā)時利用其波形賦形技術形成方向性極強的窄波束，也就是說在頻率范圍內有可能存在多個高強度的業(yè)務信號，它們隨衛(wèi)星C 波段的下行信號（3.625-4.2 GHz）一起進入接收機后，作用于接收機前段電路后，瞬間將接收機推向飽和而造成對有用信號增益的降低（受到抑制）或噪聲提高，使接收機接收有用信號的靈敏度下降，也就是阻塞。

下面，以兩個電壓旋轉矢量相加來解釋強信號阻塞干擾的原理。設有用信號Us=Uscosωst，干擾信號Un=Uncosωnt，當它們疊加在一起時，合成信號為Ub=Us+Un=Uscosωst+ Uncosωnt，三 角 變 換 后（Un＞＞Us），得 到Ub=Un[1+ycos（ωs- ωn）t]cos[ωnt+ysin（ωs-ωn）t]=Un（1+ycosλt）cos（ωnt+ysinλt），其中，y=Us/Un，λ=ωs-ωn。這是一個調幅調相波，式中，Un（1+ycosλt）相當于一個調幅波；y 為調幅度；λ 為調制頻率，而Uncos（ωnt+ysinλt）相當于一個調相波。由此可見，一個有用信號（弱的）與一個干擾信號（強的）疊加后將變成一個頻率以干擾信號的載頻為中心的調幅調相波，其幅度變化反映有用信號的包絡調制規(guī)律。當強干擾和弱信號被接收機接收后，工作在高頻放大或混頻級的晶體管傳遞特性進入飽和區(qū)或截止區(qū)而呈現非線性，經過鑒頻器前的雙向限幅。合成信號的包絡大部分被削掉而只保留了調相部分，由于保留了調相部分，故合成信號的相位變化中還會有有用信號，但由于Un＞＞Us，y 很小，而干擾信號Un 卻很大，因而使輸出信噪比顯著下降，形成靈敏度降低和阻塞。干擾信號幅度Un 越大，阻塞越嚴重。

5 干擾解決手段

在了解5G 信號干擾衛(wèi)星C 波段下行的基本原理后，在現有條件下，提出解決方案如下：

（1）衛(wèi)星站與5G 基站盡量保持一定的距離，使5G 的發(fā)信信號經空間損耗到達衛(wèi)星站時已衰減至不會影響衛(wèi)星站的收信。

（2）在有重要業(yè)務的衛(wèi)星站周圍限制5G 基站的發(fā)射功率、天線高度，并建議為5G 規(guī)劃更多、更高的頻率資源，在重點區(qū)域避免使用3.4-3.7GHz，以避免對3.625-4.2GHz 的衛(wèi)星C 下行造成干擾。

（3）衛(wèi)星C 波段下行端加裝帶通濾波器。

圖7

圖8

以方案3為例，如圖7、8所示，在LNA 前端加裝帶通濾波器（標稱通帶3.7-4.2GHz，插入損耗0.4dB）。

圖9

安裝后5G 基站開啟運行業(yè)務，此時觀察頻譜（依次為3.2-3.7GHz，3.625-4.2GHz，3.9-4.1GHz），可以看見，5G 載波被很好的抑制在一定范圍內，其電平已經低于衛(wèi)星信號，并且衛(wèi)星節(jié)目的頻譜也從“壓縮”狀態(tài)中恢復正常。

此時觀察節(jié)目接收效果：通過表2可以看見，同樣以亞洲5號衛(wèi)星信號為例，在LNA 前端加裝帶通濾波器后，能很好的使誤碼率大大降低，接收節(jié)目恢復正常，并且與表1比較后發(fā)現，C/N 余量普遍存在1-2dB 的減少，此為濾波器的插入損耗，也屬可容忍的范圍之內。

表2

6 結束語

綜上，電信5G 信號（3.4-3.5GHz）在其覆蓋范圍內干擾衛(wèi)星地球站C 波段下行的接收已是確定的事實，具體表現為5G的發(fā)信強信號（業(yè)務并發(fā)時強度尤其大）隨C 下行的弱信號經LNA 或LNB 放大后，進入接收機時造成阻塞干擾，使有用的C 下行弱信號受到抑制或噪聲抬高，從而接收機失鎖或解出的圖像拉絲、馬賽克或者花屏，下行直接崩潰。就目前的條件來說，在衛(wèi)星收信端的LNA 前加裝帶通濾波器，排除3.4-3.7GHz 的強信號進入，能夠基本解決下行崩潰問題，使C 波段收信恢復正常。然而，時至今日，5G 仍然在大規(guī)模的測試當中，技術也在不斷的演進和調整，我們會一直關注，特別是其對衛(wèi)星C 波段下行收信的干擾變化，畢竟這個“黃金頻段”內如今還運行著大量的廣播電視、氣象觀察、民航通信、軍事通信等業(yè)務。