5G基站與衛(wèi)星地球站干擾協(xié)調(diào)測試與干擾優(yōu)化驗(yàn)證

重慶信息通信研究院 柏青青 周 韜 肖 雨

隨著2018年12月3日工業(yè)和信息化部正式向我國三大電信運(yùn)營商頒布了全國范圍內(nèi)5G中低頻段試驗(yàn)頻率使用許可，證明我國5G技術(shù)研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入最后的試驗(yàn)階段。5G試驗(yàn)頻率明確對產(chǎn)業(yè)界意義重大，將大大加速產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，有利于進(jìn)一步推動我國5G產(chǎn)業(yè)鏈成熟和發(fā)展。但隨著運(yùn)營商5G基站的部署和運(yùn)行，對廣電衛(wèi)星地球站產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致電視接收信號受到了影響。這種現(xiàn)象也引起了工業(yè)和信息化部的關(guān)注，并且出臺了《3000-5000MHz頻段第五代移動通信基站與衛(wèi)星地球站等無線電臺（站）干擾協(xié)調(diào)管理辦法》來解決相應(yīng)情況。

1 測試背景

2019年4月12日重慶市廣播電視集團(tuán)反應(yīng)接收的3600MHz頻率的北京鼎視傳媒平臺上星傳輸?shù)男聤蕵贰⑹詹靥煜?、百姓健康、教育就業(yè)四套節(jié)目出現(xiàn)嚴(yán)重馬賽克現(xiàn)象，持續(xù)時間15:24ü18:42（時長198min），造成嚴(yán)重影響。

上述現(xiàn)象，足以證明5G基站的架構(gòu)確實(shí)對現(xiàn)有的衛(wèi)星地球站產(chǎn)生了很大的影響，對兩個系統(tǒng)之間的干擾協(xié)調(diào)測試勢在必行。必須盡快找出兩者間的干擾信號，對其分析，想出解決方法，保證5G基站和衛(wèi)星地球站互不干擾的正常工作。

2 5G基站系統(tǒng)與衛(wèi)星地球系統(tǒng)間干擾模型

5G基站對衛(wèi)星地球站的干擾模型如下面公式所示。α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構(gòu)成的角度，即地球站的仰角；φ為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角。

單個5G基站對衛(wèi)星地球站的干擾功率可由下式計(jì)算：

式中，IIMT為衛(wèi)星地球站接收機(jī)輸入端接收到的1MHz帶寬內(nèi)的干擾功率；PIMT為5G基站每MHz帶寬的發(fā)射功率；為5G基站天線增益；為大范圍的路徑損耗；為衛(wèi)星地球站接收天線增益；為周圍無敵散射損耗；為鄰信道泄漏比。

3 5G基站地球工作站的干擾協(xié)調(diào)測試系統(tǒng)

為了可以測試驗(yàn)證5G基站對衛(wèi)星地球站的干擾影響，首先必須得到5G基站信號發(fā)射到衛(wèi)星地球站天線端的功率大小。再根據(jù)得到的功率強(qiáng)弱，判斷出可能會引起干擾的點(diǎn)，用衛(wèi)星地球站系統(tǒng)架設(shè)驗(yàn)證，進(jìn)一步確定干擾的存在。測試系統(tǒng)分兩個步驟如圖1、圖2所示，第一步測試5G基站信號，系統(tǒng)由天線、LNA、濾波器、衰減器、GPS和頻譜分析儀組成，主要用于測試5G基站周圍5G信號的強(qiáng)弱。第二步測試系統(tǒng)主要由衛(wèi)星地球站接收機(jī)組成，驗(yàn)證在產(chǎn)生強(qiáng)信號和雜散信號干擾的地方，衛(wèi)星地球站是否會受到干擾，以及后續(xù)優(yōu)化時驗(yàn)證效果。

圖1 5G基站信號測試系統(tǒng)框架圖

圖2 衛(wèi)星地球站干擾驗(yàn)證測試系統(tǒng)框圖

干擾信號功率計(jì)算：

頻譜分析儀上顯示的功率不是接收天線處真實(shí)值，需要經(jīng)過計(jì)算才能得到衛(wèi)星地球站拋物面天線處的功率值。

4 干擾驗(yàn)證測試方案

4.1 基站功率測試

為盡可能的減少或降低測試驗(yàn)證工作對衛(wèi)星地球站業(yè)務(wù)的干擾，通過本次測試驗(yàn)證工作，將研究制定并驗(yàn)證一套完整可行的5G基站與衛(wèi)星地球站干擾協(xié)調(diào)的技術(shù)解決方案，作為5G基站大規(guī)模時的干擾協(xié)調(diào)提供一定的參考價值。

4.1.1 通過測試距離測試步驟

選擇對象為一個典型城市基站5G基站1的發(fā)射頻率在3500MHz-3600MHz之間。測試頻段覆蓋5G基站1發(fā)射頻段以及衛(wèi)星地球站接收頻段。測試頻段為3400-3600MHz、3600-3700MHz、3700-4200MHz、4500-4800MHz。

我們要對基站電磁輻射進(jìn)行測試，為了更好的了解基站在不同距離的發(fā)射情況，分為以下步驟進(jìn)行測試：

（1）在選取的5G基站1，讓其處于關(guān)閉狀態(tài)，在100m處測試該站點(diǎn)在測試頻段內(nèi)的背景噪聲和已有信號情況；

（2）讓該基站處于最大功率發(fā)射狀態(tài)，將測試設(shè)備天線正對基站發(fā)射天線；

（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 13615相關(guān)測試要求，在距離5G基站1100m位置處架設(shè)接收天線高1.5m，進(jìn)行測試頻段的掃描，掌握100m處5G基站1信號以及其雜散信號情況。

4.1.2 通過測試不同頻段

（1）選取和方案1不同發(fā)射頻段的5G基站2，在這里我們選取工作頻段在2515MHz-2575MHz的5G基站2。測試頻段覆蓋5G基站2發(fā)射頻段以及衛(wèi)星地球站接收頻段，測試頻段為2500MHz-4800MHz。

（2）讓該基站處于最大功率發(fā)射狀態(tài)，將測試設(shè)備天線正對基站發(fā)射天線；

（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 13615相關(guān)測試要求，在距離5G基站2100m位置處架設(shè)接收天線高1.5m，進(jìn)行測試頻段的掃描，掌握100m處5G基站2信號以及其雜散信號情況。

測試頻率范圍：950-4200MHz，天線極化：垂直，分辨率帶寬：100kHz，視頻帶寬：100kHz，檢波方式：峰值檢波，軌跡顯示：最大保持。

在現(xiàn)場測試開始之前，先確定5G基站地址，最好選取典型基站進(jìn)行測試。對系統(tǒng)鏈路進(jìn)行線路損耗校準(zhǔn)，接收天線的天線增益以及低噪聲放大器的增益記錄下來。

測試結(jié)果分析：

基站1在正常運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)射信號集中在主頻3500-3600MHz范圍內(nèi)，在100m時基站信號強(qiáng)度較大，功率為-79.5dBm，另在100m測試位置是產(chǎn)生3415-3500MH雜散信號，雜散信號最大功率-120.1dBm?；?在正常運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)射信號集中在主頻2515-2575MHz范圍內(nèi)，在100m時基站信號強(qiáng)度較大，功率為-76.9dBm，在測試點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)雜散信號?；?在正常運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)射信號集中在主頻3400-3500MHz范圍內(nèi)，在100m時基站信號強(qiáng)度較大，功率為-77.3dBm，在測試點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)雜散信號。

一般衛(wèi)星地球站C頻段衛(wèi)星的等效輻射功率（EIRP）一般約為40dBW，折算成功率可為-74.4dBm。靜止衛(wèi)星軌道高度為35786km，經(jīng)過下行傳輸路徑損耗約為195dB。由此可以得出衛(wèi)星信號達(dá)到地面的功率密度為-120.6dBm。

測試結(jié)果如圖3、圖4所示，分別計(jì)算出5G基站功率在3555MHz處為-79.5dBm，在3450MHz處為-77.3dBm，高出衛(wèi)星信號達(dá)到地面功率，5G基站功率高出40dBm以上。由于5G信號強(qiáng)度高于原有衛(wèi)星地球站有用信號強(qiáng)度，可能會引起信干比下降從而引起同頻干擾和接收器件的飽和干擾，影響衛(wèi)星地球站接受質(zhì)量，導(dǎo)致電視信號等業(yè)務(wù)出現(xiàn)異常，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致信號中斷。

圖3 100m基站1開啟狀態(tài)（3400-3600MHz）

圖4 100m基站2開啟狀態(tài)（3400-3600MHz）

4.2 5G基站與衛(wèi)星地球站的干擾驗(yàn)證

根據(jù)上面測試結(jié)果，我們選出基站1100m測試點(diǎn)、基站2100m測試點(diǎn)作為驗(yàn)證測試觀察點(diǎn)，基站高度20m，路徑視距無遮擋，地球站天線仰角45°。

5G基站與衛(wèi)星地球站干擾驗(yàn)證結(jié)果：在100m基站1開啟時，接受圖像出現(xiàn)馬賽克干擾頻段3550MHz。

通過測試結(jié)果我們可以得到衛(wèi)星地球站在特定場景中會受到5G基站系統(tǒng)的飽和干擾和5G基站產(chǎn)生的帶外無用發(fā)射也就是雜散信號的鄰頻干擾。受到影響的衛(wèi)星地球站可能會出現(xiàn)信號中斷，電視畫面質(zhì)量變差等現(xiàn)象。且發(fā)現(xiàn)通過測試發(fā)現(xiàn)工作頻段越靠近衛(wèi)星地球站接收頻率的5G基站，有越高的幾率會對衛(wèi)星地球站造成干擾。兩個系統(tǒng)如果距離越近造成干擾的幾率也越大。造成干擾的主要原因是因?yàn)?G基站干擾信號強(qiáng)度超過衛(wèi)星地球站有用信號鏈路允許的干擾保護(hù)門線，導(dǎo)致信干比下降無法正常解調(diào)。更嚴(yán)重的干擾信號超出衛(wèi)星地球站接收系統(tǒng)器件先行工作區(qū)，長生飽和，使器件無法正常工作甚至燒毀。

5 5G基站與衛(wèi)星地球站系統(tǒng)間優(yōu)化及效果測試

5.1 優(yōu)化方式

由于國家近幾年在大力發(fā)展推廣5G，且5G使用頻段要遠(yuǎn)窄于衛(wèi)星地球站接受使用頻段。為了不影響5G的使用發(fā)展，應(yīng)該優(yōu)先從衛(wèi)星地球站著手考慮優(yōu)化措施。對于工作在3400-3700MHz之間的衛(wèi)星地球站應(yīng)先考慮工作頻率遷移到3700-4200MHz的措施。對于有些無法遷移的業(yè)務(wù)，再通過加屏蔽網(wǎng)或者從5G基站進(jìn)行調(diào)整來消除干擾。

對于已經(jīng)工作在或者遷移工作在3700-4200MHz的衛(wèi)星地球站仍收到干擾的情況，主要考慮增加濾波器或者更換屏蔽效能更好的LNA的方法進(jìn)行優(yōu)化。如果達(dá)不到理想效果，再考慮從5G基站進(jìn)行調(diào)整來消除干擾。

5.2 優(yōu)化驗(yàn)證測試

5.2.1 增加濾波器優(yōu)化驗(yàn)證測試

（1）選取會受到5G基站干擾的衛(wèi)星地球站作為優(yōu)化驗(yàn)證目標(biāo)。

（2）測試受到5G基站干擾的衛(wèi)星地球站的中頻信號頻譜圖和電視直播畫面，觀察受干擾的情況。

（3）在衛(wèi)星地球站接收天線和LNB之間添加一個3700-4200MHz的帶通濾波器，濾波器的要求建議如下：接口為BJ40法蘭盤；輸入輸出阻抗50Ω；帶通段內(nèi)駐波比不大于1.2；工作溫度在-40℃到+60℃之間；濾波器在通帶內(nèi)常溫插入損耗值不大于0.35dB；3.6GHz及更低頻段應(yīng)有40dB以上抑制能力；3.5GHz及更低頻段應(yīng)有55dB以上抑制能力；4.4GHz及更高頻段應(yīng)有55dB以上抑制能力；5.85GHz及更高頻段應(yīng)有80dB以上抑制能力。

（4）測試添加帶通濾波器之后衛(wèi)星地球站的中頻信號頻譜圖，觀察優(yōu)化情況。

經(jīng)過對比得到測試結(jié)果如表1所示。

表1 加裝濾波器后中頻干擾電平測試比對記錄表

以上兩個測試驗(yàn)證案例我們可以看出增加濾波器可以產(chǎn)生優(yōu)化作用，且優(yōu)化效果比較明顯。目前這個方法是解決兩個系統(tǒng)之間最易操作而且有效的，可能會在后面干擾協(xié)調(diào)中廣泛應(yīng)用。

5.2.2 增加屏蔽網(wǎng)優(yōu)化驗(yàn)證測試

（1）選取會受到5G基站干擾的衛(wèi)星地球站接收天線作為優(yōu)化驗(yàn)證目標(biāo)；

（2）用頻譜儀測試此處接收到的5G基站功率；

（3）在衛(wèi)星地球站接收天線后架設(shè)屏蔽網(wǎng)；

（4）重復(fù)步驟2，觀察5G基站基站功率的變化。

測試環(huán)境一樣，未加屏蔽網(wǎng)之前顯示最大點(diǎn)為-67.5dBm，加了屏蔽網(wǎng)后顯示最大值為-88.5dBm，明顯可以看到屏蔽網(wǎng)對降低5G基站反射功率效果還是比較明顯。測試點(diǎn)來帶的屏蔽效果大約有21dB左右。

5G網(wǎng)絡(luò)商用全面開啟，也是國家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，本文雖然驗(yàn)證了5G基站信號對衛(wèi)星地球站帶來的干擾問題，但未能完全解決和驗(yàn)證所有類型的干擾，還需要繼續(xù)深入研究。對提出來每一項(xiàng)優(yōu)化干擾措施進(jìn)行優(yōu)化效果驗(yàn)證測試，更細(xì)化每一個措施能帶來隔離度真實(shí)效果以及可以采用的場景，從根本上解決兩個系統(tǒng)干擾問題，保證各自業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常工作，為5G時代的到來做好準(zhǔn)備。