超寬帶對(duì)衛(wèi)星地球站的電磁干擾分析

吳 昊，張 毅，王思思

（1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京 210007；2.73681部隊(duì)，江蘇南京 210016）

超寬帶對(duì)衛(wèi)星地球站的電磁干擾分析

吳 昊1，張 毅1，王思思2

（1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京 210007；2.73681部隊(duì)，江蘇南京 210016）

針對(duì)UWB與衛(wèi)星地球站之間的兼容性問題，重點(diǎn)分析UWB在工作頻段以及帶外輻射頻段對(duì)典型衛(wèi)星地球站的干擾情況，給出分析方法和初步研究結(jié)果，并提出對(duì)衛(wèi)星地球站進(jìn)行相關(guān)保護(hù)的建議和措施。

超寬帶；干擾分析；靈敏度；射頻保護(hù)比

藍(lán)牙、IEEE802.11無線局域網(wǎng)以及超寬帶（Ultra-Wide Band）為代表的無牌移動(dòng)接入技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得短距離無線通信的地位日益重要，它正如一種數(shù)字化的神經(jīng)末梢將各種終端設(shè)備連接在一起和骨干網(wǎng)絡(luò)共同形成一個(gè)無縫的連接。其中，UWB具有高速率、低成本、低功耗的特點(diǎn)，工作頻段為（3.1～10.6）GHz，傳輸速率高達(dá)幾百M(fèi)bps，傳輸距離為10 m左右，使得其成為下一代短距離高速率無線通信的最佳候選技術(shù)。UWB的特性可使其廣泛應(yīng)用于商業(yè)多媒體、汽車短距離雷達(dá)、醫(yī)療成像設(shè)備、家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)、智能交通系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

由于UWB采用擴(kuò)頻技術(shù)，工作帶寬超過500 MHz，發(fā)射功率較低，因而可滿足與多數(shù)無線電系統(tǒng)兼容性要求，但是由于衛(wèi)星地球站接收系統(tǒng)的噪聲功率水平更低，僅為每兆赫茲－120 dBmW，即使超寬帶發(fā)射功率為每兆赫茲－43.1 dBmW，仍然容易對(duì)其產(chǎn)生干擾。目前許多文獻(xiàn)［1－4］都研究了UWB與 WiMaX，IMT-2000 FDD，UMTS，IEEE 802.11a WLAN等系統(tǒng)的兼容性問題，且均進(jìn)行了前瞻性分析。本文重點(diǎn)分析UWB在工作頻段以及10.6 GHz以上的帶外輻射頻段對(duì)典型衛(wèi)星地球站的同頻干擾情況，并給出分析方法和初步研究結(jié)果。

1 UWB發(fā)射功率限值規(guī)定

目前，不同國(guó)家對(duì)UWB發(fā)射功率和雜散功率限值均不同，其中歐盟要求如果有LDC（Low Duty Cycle）技術(shù)，在（3.4～4.2）GHz頻段允許最大發(fā)射功率譜密度為－41.3 dBm W／MHz，不發(fā)牌照且只限室內(nèi)使用，室外使用不可以附加天線；美國(guó)對(duì)超寬帶發(fā)射功率也有嚴(yán)格要求，且只限室內(nèi)使用，室外使用不可以附加天線；日本規(guī)定在工作頻段，要求如果有DAA（Detect and Avoid）技術(shù)，在（3.4～4.2）GHz頻段允許最大發(fā)射功率譜密度為－41.3 d Bm W／MHz；所有國(guó)家允許的最大發(fā)射功率譜密度均不超過－41 d Bm W／MHz。

中國(guó)對(duì)超寬帶設(shè)備的發(fā)射功率要求是由工信部2008［354］號(hào)文所規(guī)定的，圖1與圖2所示為工信部對(duì)超寬帶發(fā)射功率以及窄帶雜散輻射的限值。其中規(guī)定，在2010年12月31日之后，（4.2～4.8）GHz頻段上的UWB設(shè)備必須采取信號(hào)檢測(cè)避讓等干擾緩解技術(shù)。此外，在（1～40）GHz頻段內(nèi)、測(cè)試帶寬為1 MHz時(shí)，超寬帶發(fā)射設(shè)備窄帶雜散輻射限值在工作狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的功率值分別為－30 d Bm W，－47 d Bm W。

2 UWB對(duì)衛(wèi)星地球站干擾分析方法

2.1 UWB對(duì)用頻臺(tái)站干擾分析一般步驟

通信設(shè)備的靈敏度如式（1）所示。

圖1 工信部對(duì)超寬帶設(shè)備發(fā)射功率的要求

圖2 工信部對(duì)超寬帶發(fā)射設(shè)備窄帶雜散輻射限值

干擾信號(hào)由傳播路徑，通過通信設(shè)備天線接收后，信號(hào)功率值只要小于靈敏度－射頻保護(hù)比，即認(rèn)為不對(duì)通信造成影響。因此當(dāng)干擾ERIP，通信設(shè)備接收天線增益、各種調(diào)制方式的射頻保護(hù)比及靈敏度已知后，就可以確定路徑損耗，隨之也就確定了傳播距離，只要干擾設(shè)備與通信接收設(shè)備距離大于此距離即可。干擾概算基本關(guān)系參見圖3。

這里定義保護(hù)距離為，在指定靈敏度和射頻保護(hù)比條件下，干擾設(shè)備以一定功率工作時(shí)與通信接收設(shè)備的最小距離。具體計(jì)算可參照式（1）。

為了確保干擾設(shè)備不對(duì)通信設(shè)備造成干擾，需要對(duì)通信設(shè)備提供盡可能大的保護(hù)，因此做以下約定，以得到合適的保護(hù)距離。

傳播模型選擇為自由空間傳播模型（只要自由空間能滿足，其他傳播條件也必然能滿足）。

有多個(gè)靈敏度時(shí)，取高靈敏度。

計(jì)算路徑損耗時(shí)，在通信設(shè)備工作頻段內(nèi)，取干擾強(qiáng)度大、頻率數(shù)值小的工作頻率（在頻率低路徑損耗小的情況下若能滿足干擾保護(hù)要求，則在相同條件下，高頻段一定能滿足干擾保護(hù)要求）。

具有跳頻、直擴(kuò)功能等抗干擾能力的設(shè)備僅考慮抗干擾能力相對(duì)較弱的常規(guī)定頻工作方式。

2.2 UWB對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾分析步驟

根據(jù)ITU建議ITU-R S.1432，對(duì)于固定業(yè)務(wù)UWB干擾不能超過系統(tǒng)噪聲1%的要求，干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為

因此，UWB對(duì)衛(wèi)星地球站的干擾分析與2.1節(jié)所述方法不同。考慮最壞的干擾情況。

①假設(shè)UWB從地球站接收天線主瓣方向進(jìn)入；

②天線增益及G／T根據(jù)YD5050－2005取標(biāo)準(zhǔn)值；

③傳播模型選擇自由空間傳播模型。

具體分析方法如下：

圖3 干擾概算基本關(guān)系示意圖

根據(jù)G／T、天線增益以及噪聲功率計(jì)算公式N＝k TB，得到衛(wèi)星地球站接收系統(tǒng)的噪聲功率Nsat；UWB對(duì)接收系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾功率IUWB＝干擾EIRP－路徑損耗＋衛(wèi)星地球站接收天線增益。

根據(jù)干擾保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)式（2）計(jì)算需要采取的保護(hù)距離。

3 干擾分析及結(jié)論

待分析的地面站參數(shù)是根據(jù)《國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信地球站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］（YD5050－2005）獲得典型值，主要分析UWB對(duì)C波段和Ku波段固定業(yè)務(wù)的干擾情況，根據(jù)2.2節(jié)考慮最壞條件，并根據(jù)ITU建議ITU-R S.1432即對(duì)固定業(yè)務(wù)的干擾不應(yīng)超過1%，即［IUWB／Nsat］dB≤－20 dB，分析計(jì)算UWB對(duì)衛(wèi)星地面站的干擾情況。其中表1所示的是C波段和Ku波段典型衛(wèi)星地面站的參數(shù)，表2為UWB的發(fā)射功率參數(shù)及計(jì)算干擾后所得到的保護(hù)距離。

表1 典型衛(wèi)星地球站的參數(shù)

表2 UWB對(duì)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)的干擾計(jì)算

根據(jù)表2分析結(jié)果，以及亞太通信衛(wèi)星有限公司利用UWB以偏離主瓣一定的夾角（10°，30°，60°）進(jìn)入衛(wèi)星接收系統(tǒng)，實(shí)測(cè)得到換算后的保護(hù)距離為509 m～29.8 km之間，而超寬帶的傳輸距離為10 m，可見在10 m范圍內(nèi)干擾非常嚴(yán)重，可抬起衛(wèi)星接收系統(tǒng)噪聲5到10 dB。因此可得到如下結(jié)論。

UWB在－70 d Bm W／Hz的發(fā)射功率應(yīng)略為降低，降低約為7 d B，即發(fā)射功率為－77 dBm W／Hz左右。

或者，對(duì)于地面站I，當(dāng)UWB發(fā)射功率工作在－70 dBmW／Hz時(shí)，必須保證UWB從旁瓣進(jìn)入接收系統(tǒng)且旁瓣增益不大于38 d B（實(shí)際中，由于地面站的技術(shù)參數(shù)不同，該值會(huì)略有變化），即可保證不對(duì)衛(wèi)星接收系統(tǒng)造成影響，此時(shí)保護(hù)距離可縮小至0 m。

UWB的－41 d Bm W／Hz的發(fā)射功率譜密度應(yīng)大幅降低，大約降低36 dB，即發(fā)射功率譜密度為－77 dBmW／Hz左右；這與亞太通信衛(wèi)星有限公司實(shí)測(cè)的結(jié)論幾乎一致（其要求降低29.5 dB）。

或者，如果UWB發(fā)射功率為－41 d Bm W／Hz，對(duì)于地面站II，必須保證UWB從旁瓣進(jìn)入接收系統(tǒng)且旁瓣增益不大于12 dB（實(shí)際中，由于地面站的技術(shù)參數(shù)不同，該值會(huì)略有變化），即可保證不對(duì)衛(wèi)星接收系統(tǒng)造成影響，此時(shí)保護(hù)距離可縮小至0 m。

UWB在－85 dBmW／Hz的發(fā)射功率譜密度滿足要求，即不會(huì)對(duì)地面站產(chǎn)生干擾影響，保護(hù)距離為0 m。

實(shí)際中，考慮UWB進(jìn)入接收系統(tǒng)的方向不同以及傳播環(huán)境的影響，可在所得結(jié)論的限制條件基礎(chǔ)上適當(dāng)提高UWB發(fā)射功率。

4 結(jié) 語

本文通過分析各國(guó)對(duì)UWB設(shè)備發(fā)射功率限制情況，提出UWB對(duì)一般用頻臺(tái)站的干擾分析步驟，重點(diǎn)分析UWB對(duì)衛(wèi)星地球站的電磁干擾分析情況，通過計(jì)算機(jī)仿真，給出UWB對(duì)衛(wèi)星地球站的保護(hù)距離，并結(jié)合亞太通信衛(wèi)星有限公司對(duì)衛(wèi)星地面站實(shí)測(cè)結(jié)果，可知，在10 m范圍內(nèi)，UWB對(duì)衛(wèi)星地面站的電磁干擾十分嚴(yán)重，并且建議降低UWB工作頻段的發(fā)射功率。本文的研究結(jié)果，可為中國(guó)參加ITU會(huì)議提供依據(jù)。

［1］ 張翔宇，宋琦軍，張洪順.超寬帶對(duì)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的干擾分析［J］.艦船電子工程，2009，29（1）：88-91.

［2］ 于學(xué)禹，鄒衛(wèi)霞，周 正.UWB對(duì)IEEE 802.11a WLAN的電磁干擾分析［J］.無線電工程，2007，37（11）：39-42.

［3］ 黃 韜，騰穎蕾，吳樹興，等.UWB與蜂窩網(wǎng)絡(luò)干擾分析及共存研究［J］.移動(dòng)通信，2008，32（6）：18-21.

［4］ 陸 音，吳常國(guó)，朱洪波.脈沖 UWB系統(tǒng)對(duì) UMTS系統(tǒng)的干擾分析［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（3）：5-9.

［5］ YD5050—2005，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信地球站工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

TN850.8

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1008-1542（2011）07-0056-03

2011-06-20；責(zé)任編輯:王士忠

吳 昊（1983-），男，安徽霍邱人，工程師，主要從事電磁頻譜管理方面的研究。