5G基站對通信衛(wèi)星的干擾解決方案分析

彭 戈，楊 耀，帥彬彬，魏鏡西

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430024）

1 5G基站對通信衛(wèi)星的干擾問題

1.1 干擾問題

干擾問題主要是在正常的播音過程中，C波段衛(wèi)星接收機(jī)的輸出信號出現(xiàn)明顯卡頓現(xiàn)象，這種卡頓說明正在使用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下行信號受到嚴(yán)重干擾，此類干擾會對信號處理和發(fā)射產(chǎn)生不同程度的影響。因此按照衛(wèi)星接收機(jī)的輸出信號與卡頓現(xiàn)象展開初步判斷之后分析衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路是否有技術(shù)問題，此時對接收系統(tǒng)進(jìn)行排查但未發(fā)現(xiàn)故障。因此說明C波段高頻頭接收信號可能受到干擾。C波段衛(wèi)星接收系統(tǒng)內(nèi)部的鏈路包括拋物面天線和功分器等設(shè)備所組成，其中拋物面衛(wèi)星接收天線將衛(wèi)星信號匯聚到一個交點(diǎn)之后，此時衛(wèi)星信號會進(jìn)行重新分配，接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號可以進(jìn)行解調(diào)處理。

從當(dāng)前國內(nèi)和國外的研究成果當(dāng)中，我們可以了解到5G基站天線模型的相關(guān)特征，并且根據(jù)天線模型與增益分析業(yè)務(wù)的結(jié)果來探討可能出現(xiàn)的業(yè)務(wù)干擾問題。假設(shè)衛(wèi)星軌道傾角為零，赤道平面與軌道平面保持重合狀態(tài)下，地球自轉(zhuǎn)周期、這個衛(wèi)星軌道周期會保持相同的旋轉(zhuǎn)方向。目前對地靜止軌道衛(wèi)星負(fù)責(zé)相關(guān)的衛(wèi)星業(yè)務(wù)，按照不同的組網(wǎng)方式和應(yīng)用模式差異，不同頻段的衛(wèi)星業(yè)務(wù)規(guī)模和業(yè)務(wù)類型有所不同，例如以話音為主的通信業(yè)務(wù)或備份系統(tǒng)等，有著各自應(yīng)用領(lǐng)域。按照速率的劃分，還可以將衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)劃分為窄帶和寬帶兩種類型，各類寬帶業(yè)務(wù)在近幾年得到較快發(fā)展，特別是基于IP的業(yè)務(wù)已經(jīng)開始逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)辄c(diǎn)到多點(diǎn)的通信。如果是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，那么還可以減少數(shù)據(jù)傳輸過程當(dāng)中的軌道覆蓋率過低情況的出現(xiàn)。

考慮到頻段使用和衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容性要求，在一些具有遮擋的區(qū)域毫米波頻段信號受到阻擋衰減情況明顯，在傳輸過程當(dāng)中會限制信號與衛(wèi)星接收端的連接過程。根據(jù)這些內(nèi)容以及業(yè)務(wù)保護(hù)要求，我們可以將5G基站對通信衛(wèi)星的干擾問題研究作為重點(diǎn)，無論是單點(diǎn)干擾還是集總干擾都應(yīng)該作出正常評估，在必要時還應(yīng)確定衛(wèi)星系統(tǒng)在某一頻段與信號共存的可能性。

1.2 確定干擾源

在經(jīng)過一段時間的觀察和評估之后，了解到衛(wèi)星接收機(jī)系統(tǒng)的信號強(qiáng)度保持正常，在出現(xiàn)信號卡頓之后，衛(wèi)星接收器的誤碼率會有下降情況。此時可以確定有5G測試基站的干擾，不僅載波強(qiáng)度下降，且在某些頻段的底噪抬升情況比較明顯，如果5G基站暫停之后，干擾現(xiàn)象也會隨之消失。

從5G信號的角度分析，沒有終端使用流量業(yè)務(wù)使得基站發(fā)射的信號同步較快，也是干擾衛(wèi)星接收的主要因素。且5G基站發(fā)射的信號與使用終端連接并處于滿負(fù)荷狀態(tài)時，發(fā)射機(jī)功率最大，且所有功率都與終端相連接，帶寬占用量明顯[1]。

從基本原因來看，衛(wèi)星系統(tǒng)寬帶高頻頭的接收頻率范圍為3.4～4.2GHz，按照干擾現(xiàn)象，C波段信號受到的干擾是5G試驗(yàn)信號，其頻段和衛(wèi)星C波段的工作頻段在部分區(qū)域重疊，下變頻電路出現(xiàn)飽失真問題，飽和干擾現(xiàn)象明顯。所以在5G基站試驗(yàn)信號處于工作狀態(tài)下，衛(wèi)星天線的下變頻接收的5G信號強(qiáng)度會直接導(dǎo)致下變頻電路處于飽和狀態(tài)，信號接收異常。

1.3 干擾源解決方案

根據(jù)協(xié)調(diào)解決辦法和建議方案，在目前的情況下，可以采用窄帶濾波器或更新標(biāo)準(zhǔn)高頻頭兩種方式進(jìn)行干擾控制。從頻譜和圖像表現(xiàn)與信號指標(biāo)的分析結(jié)果狀態(tài)使用窄帶濾波器在經(jīng)濟(jì)成本上優(yōu)勢明顯。

窄帶信號特征并不穩(wěn)定，會出現(xiàn)動態(tài)變化，但如果使用傳統(tǒng)濾波方法對此類不可逆變特性進(jìn)行處理效果有限，單純采用信號特征進(jìn)行掩蓋會導(dǎo)致明顯的信號濾波誤差，因此會選擇其他的技術(shù)措施[2]。在干擾源控制方面，C波段衛(wèi)星天線在正常工作狀態(tài)下，能夠借助監(jiān)視器完成衛(wèi)星接收機(jī)使用狀態(tài)的評估，通過安裝在高頻頭和饋源之間的窄帶濾波器來實(shí)現(xiàn)，從而排除5G網(wǎng)絡(luò)信號對衛(wèi)星接收機(jī)產(chǎn)生的影響。值得一提的是，在某些干擾環(huán)境下，窄帶傳輸信號和視頻信號具有震蕩特征，利用小波變換的理論思想對環(huán)境下窄帶信號進(jìn)行分解之后，能夠讓濾波器的中心頻率跟隨著窄帶信號的頻率而改變，能夠有效濾除窄帶信號面臨的各種干擾。當(dāng)然，假設(shè)在C頻段濾波器安裝之后5G干擾仍然存在，那么基于衛(wèi)星業(yè)務(wù)的安全保障要求，需要進(jìn)行干擾排查并明確后續(xù)的解決流程與抗干擾方案。

2 5G頻段傳播毫米波特性研究

2.1 自由路徑損耗

由于當(dāng)前通信系統(tǒng)的基本傳播依據(jù)仍然是根據(jù)信道的傳播特性確定通信系統(tǒng)的總體能力和信號傳播質(zhì)量，所以在空間環(huán)境比較復(fù)雜的情況之下信道傳播具有一定的隨機(jī)性，特別是在傳播頻率達(dá)到某個閾值之后，5G基站對毫米波傳播特性的評估工作意義突出。我們所說的毫米波波長為1～10mm，此類電磁波的工作頻率在微波頻段和紅外線頻段中間。在出現(xiàn)通信行為之后，自由空間路徑損耗開始出現(xiàn)，電磁波在通過自由空間后，必然會產(chǎn)生信號強(qiáng)度損失。這些損失內(nèi)容存在于地面至空間的通信環(huán)節(jié)。我們利用自由空間路徑損耗分析基站對衛(wèi)星業(yè)務(wù)的干擾之后，可以經(jīng)過公式計(jì)算出具體的取值范圍。

2.2 地物損耗

鏈路計(jì)算和地物損耗之間存在著密切的聯(lián)系，例如地面的樹木或建筑物都會產(chǎn)生附加損耗。

2.3 降雨衰減

在不同范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，可以研究毫米波的降雨衰減模型，不同降雨量產(chǎn)生的衰減數(shù)據(jù)不相同，而毫米波頻段的雨衰會更加明顯。

2.4 大氣衰減

大氣衰落對干擾信號的衰減作用同樣非常顯著，在進(jìn)行分析的過程當(dāng)中，應(yīng)該考慮到某些參數(shù)可能產(chǎn)生的干擾影響。例如氧氣層高度、大氣折射地球半徑、理論狀態(tài)下的氫氣層高度、大氣密度等。不過在毫米波傳播特性當(dāng)中大氣衰減產(chǎn)生的影響較小，在某些鏈路預(yù)算當(dāng)中可以被忽略。

3 5G基站和通信衛(wèi)星業(yè)務(wù)共存模式

3.1 鏈路分析

在鏈路分析的過程當(dāng)中，確定性分析、仿真性分析和外場測試是當(dāng)前業(yè)務(wù)共存模式干擾研究的常用方法，如果建立一條點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路對系統(tǒng)特性進(jìn)行評估之后，就可以實(shí)現(xiàn)鏈路級和系統(tǒng)級的仿真運(yùn)作。而根據(jù)干擾類型進(jìn)行劃分，可以劃分為單點(diǎn)干擾和集總干擾。目前的單點(diǎn)干擾以及小基站干擾程度較輕，室內(nèi)干擾通常情況下影響范圍都在衛(wèi)星抗干擾的限制要求之內(nèi)，這說明干擾問題可能并不會對衛(wèi)星有關(guān)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但由于單點(diǎn)干擾是集總干擾產(chǎn)生的基礎(chǔ)，因此在出現(xiàn)干擾后仍然要對干擾情況展開定點(diǎn)分析，確定衛(wèi)星接收到的IMT干擾功率。但是在產(chǎn)生集總干擾之后，問題會更加嚴(yán)重，此時不僅要考慮到衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的基站干擾問題，還應(yīng)確定在不同干擾條件下基站的工作狀態(tài)，即每一個基站對衛(wèi)星的干擾數(shù)量以及基站位置，通過比較最大干擾功率和集總干擾功率的差異，判斷地面部署對衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)產(chǎn)生的干擾是否影響兩者之間的共存。

3.2 系統(tǒng)共存研究

基于毫米波傳播特性，我們可以利用幾種分析方法研究某一頻段IMT干擾固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的具體結(jié)果。按照全向天線參數(shù)和實(shí)際衛(wèi)星覆蓋信息利用干擾分析方法得到系統(tǒng)仿真參數(shù)，之后將干擾余量變化趨勢進(jìn)行評估，分別分析雨衰與非雨衰狀態(tài)下的參數(shù)變化。如果是雨衰狀態(tài)，那么衛(wèi)星受到干擾降低，原因在于系統(tǒng)傳播路徑衰減嚴(yán)重，產(chǎn)生的影響更?。环粗诜怯晁顟B(tài)下，由于系統(tǒng)傳播路徑衰減有限，衛(wèi)星受到干擾的可能性更高。當(dāng)雨衰狀態(tài)或是非雨衰狀態(tài)下衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)受到的干擾情況能夠處于要求的范圍，那么說明兩者之間可以進(jìn)行業(yè)務(wù)共存。

4 結(jié)束語

今后數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將始終保持穩(wěn)定的發(fā)展趨勢，高頻段也是5G極力爭取的重點(diǎn)頻段。在未來5G大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用之后，使用C波段衛(wèi)星信號的用戶必然會受到影響，正是考慮到這一潛在干擾國家廣播電視總局也與運(yùn)營商聯(lián)合發(fā)布了干擾協(xié)調(diào)實(shí)施辦法。在對5G基站以及衛(wèi)星接收機(jī)的干擾現(xiàn)象進(jìn)行分析之后，能夠通過相關(guān)的技術(shù)手段完成信號干擾控制工作。與此同時，干擾共存業(yè)務(wù)研究也不再是單獨(dú)的場景簡單對比，而是通過鏈路計(jì)算和仿真對比的信息展開路徑損耗和技術(shù)參數(shù)的綜合評估。