关于北斗 S 信号受地面 5G 干扰影响的分析及对策研究

来源:无线电工程   7天前   


摘要

北斗卫星导航系统与第五代地面移动通信(5G)系统都是国家重大基础设施。卫星无线电测定业务(Radio-Determination Satellite Service,RDSS)是北斗系统的特色服务,其出站信号位于 S 频段,与地面 5G 信号频率接近。


由于 5G 基站发射信号的功率远高于北斗 S 信号的落地电平,因此会对北斗 S 信号造成干扰。从信号角度出发,研究地面 5G 对北斗 S 信号的影响及处理对策。分析了北斗 S 信号的特征,用等效载噪比评估了地面 5G 信号对北斗 S 信号的干扰,提出了 3 种提升北斗 RDSS 和地面 5G 兼容性的策略。仿真结果表明,在无遮挡条件下,经过干扰滤波处理后,北斗 RDSS 用户机与 5G 基站的最小安全距离为 40 m。




引言


北斗卫星导航系统是我国重要时空信息基础设施,为全球用户提供全天候、全天时、高精度、高可靠、高实时的卫星导航定位服务,也为我国国家安全提供重要的基础保障。卫星无线电测定业务(Radio-Determination Satellite Service,RDSS)是北斗系统特色优势服务,可为我国及周边用户提供快速定位、位置报告及短报文通信服务。


北斗 RDSS 业务自 2003 年正式开通以来,服务连续稳定、应用领域不断扩大,在我国国民经济的各个方面都发挥了重要作用。在北斗系统 3 个发展阶段中,RDSS 业务从信号体制到服务模式等各个方面都取得了较大发展。2020 年 7 月 30 日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,标志着新一代 RDSS 正式提供服务。相比于北斗二号 RDSS,北斗三号 RDSS 实现了覆盖区域拓展、服务容量扩大、终端功耗降低等一系列技术体制升级。

 

第五代移动通信系统(5G)具有高速率、低时延等特点,是我国重点发展的通信基础设施。工业和信息化部将 5G 频率划分为 4 个频段:2 515~2 675 MHz,3 300~3 400 MHz,3 400~3 600 MHz 和 4 800~4 960 MHz,其中,2 515~2 675 MHz 频段与北斗 RDSS 出站信号频率相邻,隔离带仅 15 MHz。2018 年 12 月工信部发布的 5G 射频征求意见稿规定,2 515~2 675 MHz 频段 5G 信号在 2 483.5~2 500 MHz 内的带外无用发射信号最大值 为-40 dBm/MHz,2021 年初发布的试行稿[1]中该指标修订为-43 dBm/MHz,即 5G 信号泄漏到北斗RDSS 出站信号频带内的功率约为-30.8 dBm。

 

北斗系统是一个星基导航定位系统,其落地电平低,容易受到外部系统的干扰[2]。北斗 S 信号的落地电平约为-127 dBm,比 5G 信号泄漏的功率低 近 100 dB,且二者频率相隔较近,5G 信号将对北斗 RDSS 业务造成干扰。

 

北斗和 5G 均为国家重要信息基础设施,二者的电磁兼容是保证 2 个系统共同健康发展的基本前提。2011 年,美国联邦通信委员会就以干扰 GPS 接收机为由,无限期暂停 LightSquared 公司运营 4G 网络[3]。文献[4]给出了 LTE 系统对 GPS 和 Galileo 的影响模型。文献[5]从射频角度分析了 4G 信号与北斗二号 RDSS 之间的干扰,给出了 4G 对 RDSS 造成的带外干扰的分析方法。

 

本文针对北斗S信号与地面5G的兼容性问题,首先分析了北斗 S 信号特征,并将地面 5G 的干扰分为带内干扰和带外干扰,重点分析带内干扰对信号的影响;然后从理论上分析了北斗 S 信号受地面5G 干扰影响,并利用实际北斗 S 信号和 5G 基站对其进行了测试;最后从不同角度提出了降低地面 5G 对北斗 S 信号干扰的策略。

 

1

北斗 S 信号特征分析


北斗三号 RDSS 的信号体制在北斗二号的基础上进行了改进。随着北斗三号正式开通,北斗三号RDSS 将逐步取代北斗二号 RDSS,向用户提供服务。为此,下面以北斗三号 RDSS 为例,对北斗 S 信号特征进行分析。


RDSS 信号链路可分为入站链路和出站链路,入站链路是指 RDSS 用户机向主控站发送服务申请的信号链路;出站链路是指主控站向用户机播发服务信息的信号链路。从 RDSS 用户机角度,RDSS的入站信号位于 L 频段,具体频率为 1 610~1 626.5 MHz;出站链路位于 S 频段,具体频率为 2 483.5~ 2 500 MHz。由于入站信号频段与 5G 信号频段相隔较远,因此,下面主要分析 RDSS 的出站信号。RDSS 出站信号采用直接扩频序列,中心频点为 2 491.75 MHz,工作带宽 16.5 MHz,调制方式为QPSK[6]。用户机接收的北斗 S 信号可表示为:

 


式中, A 为信号幅度;c(t) 为扩频码;f0 为载波频率;为初相;d(t) 为电文;下标 p 和 d 分别表示导频支路和电文支路;n(t) 为零均值高斯白噪声。


2

北斗 S 信号受地面 5G 干扰影响分析


从北斗 RDSS 用户机角度,外部系统造成的干扰可分为带内干扰与带外干扰两部分。带内干扰是由于干扰发射机中的功放、混频器和滤波器等非线性器件在工作频带以外产生辐射信号分量,包括热噪声、谐波、寄生辐射、频率转换产物和互调产物等落入北斗RDSS出站信号频段内,导致北斗RDSS 用户机的底噪抬升,造成灵敏度损失。带内干扰频谱示意图如图 1 所示。


图 1 带内干扰频谱示意

 

带外干扰是由于干扰信号在北斗 RDSS 出站信号的相邻频段注入,使北斗用户机的非线性器件产生失真,甚至饱和,造成其灵敏度损失。带外干扰频谱示意图如图 2 所示。

 

 

图 2 带外干扰频谱示意

 

带外干扰可通过提升接收机滤波的带外抑制指标来削弱,带内干扰则主要依靠扩频码的扩频增益抑制。下面主要分析带内干扰的影响。带内干扰对 S信号的影响可以用等效载噪比进 行评估。当存在带内干扰时,可以用等效载噪比来描述信号质量,其表达式为[7]:

 


式中,Cs为有用信号功率;N0为噪声功率谱密度;为干扰信号功率;为有用信号的归一化功率;为有用信号与干扰信号之间的谱分离系数;分别为有用信号和干扰信号的功率谱密度;用户机前端带宽。谱分离系数描述了有用信号功率谱与干扰信号功率谱的一致性(重叠程度),是扩频码的扩频增益的频域表现。

 

式(2)表明,带内干扰对等效载噪比的影响与干扰功率和谱分离系数相关,干扰功率和谱分离系数越大,等效载噪比恶化越严重。

 

下面仿真了不同出站信息速率条件下等效载噪比随干扰功率的变化。仿真中,假设信号功率为-127 dBm,5G 信号对 RDSS 用户机的带内干扰的功率谱是平坦的,噪声温度为 290 K,用户机前端带宽为 16.5 MHz。等效载噪比随带内干扰功率变化的仿 真结果如图 3 所示。

 

图 3 等效载噪比随带内干扰功率的变化

 

从图 3 可以看出,随着带内干扰功率不断增加,等效载噪比恶化不断加剧。当带内干扰功率低于-108 dBm 时,等效载噪比恶化低于 1 dB;当带内干扰功率高于-103.5 dBm 时,等效载噪比低于 44.7 dBHz 的电文解调门限。

 

由于信号存在传输损耗,因此,当用户机与基站间距离不同时,所受的干扰业务不相同。自由空间的传输损耗为:


式中,F 为信号频率,单位 MHz;D 为传输距离,单位 km;L 单位为 dB。 

 

图 4 仿真了不同距离下,5G 信号对 RDSS 用户机的干扰情况。仿真中,假设信号功率为-127 dBm,噪声温度为 290 K,5G 信号对 RDSS 用户机的带内干扰的功率谱是平坦的,干扰功率谱密度分别为-40 dBm/MHz 和-43 dBm/MHz[1],用户机前端带宽为 16.5 MHz。仿真中假设北斗 S 信号和 5G 信 号均无遮挡,且基站和用户机的天线均为全向天线。


图 4 等效载噪比随 5G 基站距离的变化

 

从图 4 可以看出,若 5G 信号在北斗 S 频带内的无用功率为-43 dBm/MHz,则用户机的正常解调电文的安全距离为 40 m,即当用户机距基站超过 40 m 时,5G 基站的干扰可忽略;若 5G 信号在北斗 S 频带内的无用功率为-40 dBm/MHz,则最小安全距离为 60 m。

 

需要注意的是,当前分析采用自由空间的传输损耗,对于实际的损耗可能还存在阴影衰落、穿透损耗等,而 5G 基站的发射天线通常不是全向天线,后续还需要 5G 基站发射天线、信道传播条件等相关参数以支持更完善的影响分析。


3

北斗 S 信号受地面 5G 干扰测试情况


在实际 5G 环境中测试 5G 基站对 RDSS 通信成功率的影响。将 5 台 RDSS 用户机分别放置于距5G 基站不同距离,其中,3台配置了较强干扰滤波器、2台无专用抗干扰滤波器,测试距离分别为30,40 和 60 m。每个测试点位进行 1000 次通信测试。

 

测试点的 5G 基站和附近的 5G 信号分布如图 5 所示。


图 5 5G 发射天线

 

不同类型北斗RDSS用户机与单基站在不同距离情况下的成功率如表 1 所示。其中,抗干扰滤波器抗带外干扰能力为 50 dB。 

 

表1 不同类型RDSS用户机在不同距离处的通信成功率


4

北斗 S 信号与地面 5G 兼容性提升策略


通过上述理论仿真与实际测试可知,地面 5G信号对北斗 S 信号是客观存在干扰影响的。由于北斗 S 信号的落地电平远低于地面 5G 信号电平,因此,提升二者的兼容性主要考虑减小地面 5G 对北 斗 S 信号的干扰。可以采用 3 种策略提升两系统的兼容性。


  • 从北斗 RDSS 系统角度,提升 RDSS 出站链路信号发射功率,采用扩频增益较大的扩频码,可以提升 S 信号抗带内干扰的能力。


  • 从北斗 RDSS 用户机角度,提升带外抑制性能是削弱地面 5G 造成的带外干扰有效方法。


  • 增大对 5G 基站发射信号的约束,降低地面5G 信号在北斗 S 频段内的无用发射功率。

 

上述 3 种策略中,第 1 种和第 2 种是从北斗系统角度,提升系统和用户机的抗干扰能力。对于第 1 种策略,在系统建设完成后,其信号体制和发射功能就已经确定,在很长一段时间内将保持不变,因此,采用该策略的成本较大。对于第 2 种策略,提升用户机带外抑制性能的主要方法是提高滤波器的带外抑制指标,目前该指标标准正在形成之中。第 3 种方法是从约束地面 5G 的角度,降低其对北斗 S 信号造成的带内干扰,这是一种“治本”的策略,但是,从 5G 射频指标征求意见稿到试行稿,该指标已经下降 3 dB,随着后续 5G 基站组网越来越密集,对北斗影响也会更大,该指标的改进空间仍有待更深入研究。


5

结束语


针对北斗 S 信号与地面 5G 的兼容性问题,利用等效载噪比评估 5G 基站对 S 信号的影响,并进行了仿真分析,结果表明在北斗 S 信号和 5G 信号都无遮挡、且基站和用户机的天线均为全向天线的情况下,用户机与 5G 基站的安全距离为 40 m(以95%为成功率门限)。从北斗系统、RDSS 用户机和5G 基站的角度,对比了 3 种提升北斗 S 信号和地面 5G 系统兼容性的方法。同时,由于北斗系统、地面 5G 系统都还在发展之中,上述 3 个方面的兼容性提升方法都还有待进一步研究。

 

参考文献

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文章作者:张天桥,葛侠,刘治君,张卫楠(北京卫星导航中心)
文章来源:《无线电工程》,转载自卫星与网络,原文标题《北斗 S 信号受地面 5G 干扰影响分析及对策研究》