LoRa 系統(tǒng)對地面電視廣播系統(tǒng)的干擾研究

侯然然，李景春，，許 穎，伉沛川

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

0 引 言

隨著人們生活條件的提高與技術(shù)的發(fā)展，一方面，ZigBee 與藍(lán)牙已經(jīng)不能滿足人們的需求；另一方面，在5G 網(wǎng)絡(luò)大面積商用前，現(xiàn)有的Advance-LTE 等技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)海量連接終端的要求，此時(shí)低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)無疑成為了非常有前景的解決方案[1]。在LPWAN技術(shù)中，LoRa（Long-Range）通過采用不同擴(kuò)頻因子來提高抗干擾和多徑衰落并增大通信距離，不但使用免授權(quán)頻段，而且在安全性及連接數(shù)方面均能滿足人們現(xiàn)在的需求，因此LoRa 技術(shù)受到各類企業(yè)的青睞[2]。

在我國LoRa 技術(shù)主要用于工作在470～510 MHz 頻段的微功率（短距離）無線電設(shè)備之中，根據(jù)《無線電頻率劃分》，廣播業(yè)務(wù)已作為主要業(yè)務(wù)被部署在470～510 MHz頻段上。由于廣播電視覆蓋面積廣泛且連續(xù)，工作在470～510 MHz 的LoRa 系統(tǒng)的大規(guī)模部署可能會對電視廣播系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的干擾[3]。因此分析研究470～510 MHz 頻段LoRa 系統(tǒng)與地面電視廣播系統(tǒng)的干擾具有很重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 地面電視廣播系統(tǒng)

目前，我國工作在470～510 MHz 頻段內(nèi)的廣播業(yè)務(wù)臺站包括6 個(gè)聲音廣播電臺、124 個(gè)采用DTMB 制式的地面數(shù)字電視廣播臺站和472 個(gè)使用逐行倒相（PAL）的地面模擬電視廣播臺站。其中，電視廣播系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 我國電視廣播系統(tǒng)參數(shù)

1.2 LoRa 系統(tǒng)

LoRa 技術(shù)的采用可以增加系統(tǒng)的通信距離、連接數(shù)量、覆蓋范圍及其安全性，世界各國根據(jù)最新的LoRaWAN 地區(qū)參數(shù)[4]已經(jīng)開始逐步部署并使用LoRa 技術(shù)。我國的LoRa 技術(shù)主要用于工作在470～510 MHz 頻段的微功率無線電設(shè)備之中。其中，LoRa 系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2 所示。

表2 LoRa 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2 干擾模型

我國廣播業(yè)務(wù)為下行傳輸。LoRa 系統(tǒng)是雙向通信，但主要以上行傳輸為主。當(dāng)LoRa 業(yè)務(wù)在電視接收機(jī)附近通信時(shí)，LoRa 信號會進(jìn)入到電視接收系統(tǒng)中，對電視信號的接收產(chǎn)生影響。其中，位于廣播電視覆蓋范圍邊緣的電視接收機(jī)受到的干擾最為嚴(yán)重。

本文以470～478 MHz 頻段為例，重點(diǎn)研究單LoRa小區(qū)對位于廣播電視覆蓋邊緣的電視接收機(jī)的干擾場景（即LoRa 系統(tǒng)單小區(qū)內(nèi)有若干終端集中在廣播電視接收機(jī)附近造成的干擾）和多LoRa 小區(qū)對位于廣播電視覆蓋邊緣的電視接收機(jī)的干擾場景（即多個(gè)LoRa 小區(qū)密集部署在以受擾電視接收機(jī)為圓心的圓周上，且每個(gè)小區(qū)40 個(gè)終端同時(shí)發(fā)射上行信號對廣播電視接收機(jī)的集總干擾）[5-6]，干擾模型分別如圖1 和圖2 所示。圖1 中，d為LoRa 小區(qū)信號覆蓋半徑（單位：km）；Distance 為多LoRa 小區(qū)與受擾電視接收機(jī)的隔離距離（單位：km）。

圖1 單LoRa 小區(qū)干擾電視接收機(jī)的場景

圖2 多LoRa 小區(qū)干擾電視接收機(jī)的場景

3 干擾分析

3.1 干擾保護(hù)準(zhǔn)則

在進(jìn)行干擾分析之前，首先應(yīng)確定地面電視廣播系統(tǒng)的干擾保護(hù)準(zhǔn)則。我國和國際電信聯(lián)盟并沒有明確指出地面電視廣播系統(tǒng)的干擾保護(hù)準(zhǔn)則。根據(jù)區(qū)域無線電通信大會通過的GE06 協(xié)議[7]，當(dāng)電視系統(tǒng)受到的干擾場強(qiáng)超過它所能承受的最大干擾場強(qiáng)（即觸發(fā)場強(qiáng)）時(shí)，需要展開協(xié)調(diào)。根據(jù)GE06 協(xié)議，廣播電視系統(tǒng)的協(xié)調(diào)觸發(fā)場強(qiáng)的計(jì)算公式如下：

式中：Emed為受擾廣播電視接收機(jī)的最小中值等效場強(qiáng)；fcorr為頻率修正量，可由公式fcorr=20log(f fr)計(jì)算得出；PR 為干擾保護(hù)率；CF 為相關(guān)組合位置校正因子，本文計(jì)算固定接收時(shí)，該項(xiàng)取值為0。

3.1.1 模擬電視系統(tǒng)的觸發(fā)場強(qiáng)

GB/T 14433-1993 指出470-582 MHz 頻段內(nèi)的模擬電視最小中值場強(qiáng)為53 dB·μV/m。建議書ITU-R BT.417中顯示470～582 MHz 頻段內(nèi)的模擬電視最小中值場強(qiáng)為65 dB·μV/m，邊遠(yuǎn)低人口密度地區(qū)取58 dB·μV/m。通過比較以上標(biāo)準(zhǔn)，本文選取最嚴(yán)格的模擬廣播電視最小中值等效場強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，取值為53 dB·μV/m。

模擬電視的保護(hù)率參考GB/T 26252-2010 中模擬電視受數(shù)字電視的連續(xù)干擾的保護(hù)率40 dB 進(jìn)行計(jì)算。

將以上參數(shù)代入式（1），可計(jì)算出模擬電視的觸發(fā)場強(qiáng)為10.26 dB·μV/m，折算功率為-120.47 dBm。

3.1.2 數(shù)字電視的觸發(fā)場強(qiáng)

根據(jù)GB/T 26252-2010，在室外固定接收情況下，可根據(jù)式（2）計(jì)算地面數(shù)字電視的最小中值等效場強(qiáng)Emin（單位：dB·μV/m）。

式中：Pmmn為人為噪聲容限（單位：dB）；C1為地點(diǎn)校正因子（單位：dB），C1可由式（3）計(jì)算得出。

式中：μ為分布因子；σb為穿透建筑物所消耗的均方差（單位：dB）；σm為大尺度均方差。本文接收天線固定在室外，不涉及穿透建筑物的損耗，因此該項(xiàng)取0 dB。

本文選取地點(diǎn)概率為95%，此時(shí)分布因子取值為1.64，對DTMB 制式（8 MHz 帶寬、64QAM 編碼、rate=0.6、瑞利信道），其最小等效場強(qiáng)為44 dB·μV/m，本文中不考慮人為噪聲。地面數(shù)字電視的保護(hù)率參考GB/T 26252-2010 中地面數(shù)字電視受同頻連續(xù)干擾的保護(hù)率20 dB 進(jìn)行計(jì)算。

將以上參數(shù)代入式（1），可計(jì)算出數(shù)字電視接收機(jī)可承受的最大干擾場強(qiáng)為30 dB·μV/m，折算成功率為-100.47 dBm。

3.2 傳播模型

在傳播模型方面，本文選取ITU-R P.1546 建議書[8]。該建議書基于實(shí)際測量數(shù)據(jù)，描繪出30～3 000 MHz 內(nèi)地面業(yè)務(wù)無線電傳播曲線，并提出不同情況的修正方法。本文研究參考100 MHz 與600 MHz 頻率、時(shí)間百分比分別為1%與5%、陸地路徑的傳播曲線，按照電視廣播與LoRa 系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修訂，得到LoRa 信號的路徑損耗與隔離距離的關(guān)系。

3.3 單LoRa 小區(qū)的干擾

單LoRa 小區(qū)的干擾考慮位于廣播電視覆蓋范圍邊緣的電視接收機(jī)處于LoRa 小區(qū)內(nèi)部時(shí)，LoRa 小區(qū)內(nèi)的LoRa 上行信號對電視接收的廣播電視信號的干擾。

由于本文以470～478 MHz 研究頻段為例，且LoRa信道帶寬為200 kHz，在不考慮擴(kuò)頻因子的情況下，進(jìn)行單LoRa小區(qū)的干擾分析時(shí)，該頻段上可同時(shí)傳輸40 個(gè)連續(xù)信道的LoRa 信號。其中，電視接收機(jī)收到單個(gè)LoRa 干擾信號的干擾功率可由式（4）計(jì)算[9]：

式中：P為一個(gè)LoRa 終端的發(fā)射功率，單位為dBm；Gt為LoRa 終端發(fā)射天線增益，單位為dBi；Lt為LoRa 終端發(fā)射端的饋線損耗，單位為dB；Lb為傳輸路徑損耗，單位為dB；Gr為地面電視系統(tǒng)接收天線增益，單位為dBi；Lr為地面電視系統(tǒng)接收端的饋線損耗，單位為dB；I為地面電視系統(tǒng)接收到的干擾信號功率，單位為dBm。

在確定性分析中，計(jì)算最嚴(yán)重的一條干擾鏈路中的干擾值，因此此次干擾場景使用LoRa 最大等效全向輻射功率（EIRP）19.15 dBm，使用全向電視接收天線進(jìn)行計(jì)算。EIRP 與干擾終端發(fā)射功率、發(fā)射天線增益及發(fā)射端饋線損耗[10-11]為：

根據(jù)式（5）可將式（4）進(jìn)行簡寫：

LoRa 終端對電視接收機(jī)的集總干擾為：

式中Ik為第k個(gè)LoRa 終端對電視接收機(jī)的干擾功率，單位為dBm。

根據(jù)3.1 節(jié)中的分析計(jì)算可知，模擬電視系統(tǒng)和數(shù)字電視系統(tǒng)可承受的最大干擾功率分別為-120.47 dBm和-100.47 dBm。由式（6），式（7）可知，單LoRa 小區(qū)內(nèi)n個(gè)LoRa 終端與電視接收機(jī)的隔離度可按照式（8）進(jìn)行計(jì)算[12]。

在單小區(qū)內(nèi)，n個(gè)LoRa 終端并發(fā)傳輸與受擾廣播電視接收機(jī)間的隔離距離要求如圖3 所示。由圖3 可知，兩系統(tǒng)同頻部署所需的隔離距離隨LoRa 干擾終端數(shù)量的增多而增大。

圖3 單小區(qū)LoRa 終端并發(fā)傳輸?shù)母綦x距離要求

當(dāng)單LoRa 小區(qū)內(nèi)干擾終端數(shù)量增多時(shí)，廣播電視接收機(jī)接收的干擾功率增大，為保證電視機(jī)免受干擾，需要兩系統(tǒng)保持一定的隔離距離。通過干擾分析結(jié)果可知，模擬電視的觸發(fā)場強(qiáng)低于數(shù)字電視，因此在城區(qū)（或郊區(qū)），當(dāng)受到同等數(shù)量的LoRa 上行信號干擾時(shí)，模擬電視所需要的隔離距離比數(shù)字電視所需要的隔離距離大。依據(jù)城市環(huán)境更加復(fù)雜的情況，信號在城區(qū)的路徑損耗大于郊區(qū)的路徑損耗，因此對于同種受擾系統(tǒng)，同等數(shù)量的干擾信號在城區(qū)情況下對受擾系統(tǒng)造成的干擾比在郊區(qū)情況下小，所需的隔離距離也變小。

3.4 多LoRa 小區(qū)干擾

實(shí)際情況下，電視接收天線采用定向天線，電視周圍可能部署多個(gè)LoRa 系統(tǒng)小區(qū)，且每個(gè)LoRa 系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)LoRa 終端部署位置隨機(jī)，為了更加接近現(xiàn)實(shí)情況，需要采用蒙特卡羅法仿真多個(gè)LoRa系統(tǒng)干擾小區(qū)干擾一個(gè)電視接收機(jī)的情況。

3.4.1 仿真步驟

具體的仿真步驟[13]如下所示：

1）按照表1 和表2 初始化系統(tǒng)參數(shù)。

2）設(shè)置電視接收機(jī)在坐標(biāo)原點(diǎn)處，最初的隔離距離設(shè)置為LoRa 小區(qū)的覆蓋范圍（即城區(qū)的最初隔離距離為2 km，郊區(qū)為10 km）。

3）根據(jù)圓周長，在最初隔離距離的圓環(huán)上布置一圈LoRa 小區(qū)，并在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)生成40 個(gè)LoRa 終端。

4）計(jì)算每個(gè)干擾終端內(nèi)到達(dá)電視接收機(jī)的干擾功率，進(jìn)一步根據(jù)式（7）計(jì)算集總干擾功率。

5）對步驟3）～步驟4）重復(fù)進(jìn)行1 000 次，統(tǒng)計(jì)多個(gè)干擾小區(qū)對電視接收機(jī)的平均干擾總功率值。

6）增加兩系統(tǒng)間距離，重復(fù)進(jìn)行步驟3）～步驟5）。

3.4.2 仿真結(jié)果

多LoRa 小區(qū)對電視接收機(jī)的集總干擾如圖4 所示。即使干擾源增多，但隨著兩系統(tǒng)間距離的增大，LoRa 系統(tǒng)對地面廣播系統(tǒng)的干擾也在逐漸降低。

圖4 多LoRa 干擾小區(qū)對電視接收機(jī)的集總干擾與隔離距離的關(guān)系

在圖4 中由于LoRa 小區(qū)在城區(qū)的覆蓋半徑小于在郊區(qū)的覆蓋半徑，同樣滿負(fù)載的情況下，在郊區(qū)的LoRa干擾終端分布較為分散，因此，在相同數(shù)量的干擾小區(qū)情況下，城區(qū)的集總干擾比郊區(qū)的干擾更為嚴(yán)重；由于保護(hù)數(shù)字電視系統(tǒng)的時(shí)間概率低于保護(hù)模擬電視系統(tǒng)的時(shí)間概率，因此在相同數(shù)量的干擾小區(qū)情況下，對數(shù)字電視的干擾功率更大。

4 結(jié) 語

本文針對我國470～510 MHz 頻段上LoRa 系統(tǒng)對地面電視廣播系統(tǒng)的干擾進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果可知，LoRa系統(tǒng)單小區(qū)對電視保護(hù)距離最高達(dá)約18 km；在城區(qū)環(huán)境下，多干擾小區(qū)對模擬電視系統(tǒng)隔離距離需要超過40 km。因此，我國現(xiàn)有的LoRa 系統(tǒng)與地面電視廣播系統(tǒng)在470～510 MHz 頻段上難以實(shí)現(xiàn)共存。如需減小兩系統(tǒng)之間的干擾，可以通過降低干擾終端的發(fā)射功率或者避免多個(gè)LoRa 終端同時(shí)發(fā)送信息。

針對LoRa 系統(tǒng)與地面電視廣播系統(tǒng)的干擾，分析基于LoRa 終端最大發(fā)射功率和40 個(gè)干擾信號的情況，并沒有考慮到LoRa 系統(tǒng)的自適應(yīng)速率及不同擴(kuò)頻因子的信號等因素，當(dāng)考慮上述因素時(shí)，對電視廣播系統(tǒng)的干擾會有所變化。