北斗S信號受地面5G干擾影響分析及對策研究

張?zhí)鞓颍?俠，劉治君，張衛(wèi)楠

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要時空信息基礎(chǔ)設(shè)施，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度、高可靠、高實時的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，也為我國國家安全提供重要的基礎(chǔ)保障。衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(Radio-Determination Satellite Service，RDSS)是北斗系統(tǒng)特色優(yōu)勢服務(wù)，可為我國及周邊用戶提供快速定位、位置報告及短報文通信服務(wù)。北斗RDSS業(yè)務(wù)自2003年正式開通以來，服務(wù)連續(xù)穩(wěn)定、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，在我國國民經(jīng)濟的各個方面都發(fā)揮了重要作用。在北斗系統(tǒng)的3個發(fā)展階段中，RDSS業(yè)務(wù)從信號體制到服務(wù)模式等各個方面都取得了較大發(fā)展。2020年7月30日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標志著新一代RDSS正式提供服務(wù)。相比于北斗二號RDSS，北斗三號RDSS實現(xiàn)了覆蓋區(qū)域拓展、服務(wù)容量擴大、終端功耗降低等一系列技術(shù)體制升級。

第五代移動通信系統(tǒng)(5G)具有高速率、低時延等特點，是我國重點發(fā)展的通信基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)和信息化部將5G頻率劃分為4個頻段：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頻段與北斗RDSS出站信號頻率相鄰，隔離帶僅15 MHz。2018年12月工信部發(fā)布的5G射頻征求意見稿規(guī)定，2 515～2 675 MHz頻段5G信號在2 483.5～2 500 MHz內(nèi)的帶外無用發(fā)射信號最大值為-40 dBm/MHz，2021年初發(fā)布的試行稿[1]中該指標修訂為-43 dBm/MHz，即5G信號泄漏到北斗RDSS出站信號頻帶內(nèi)的功率約為-30.8 dBm。

北斗系統(tǒng)是一個星基導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其落地電平低，容易受到外部系統(tǒng)的干擾[2]。北斗S信號的落地電平約為-127 dBm，比5G信號泄漏的功率低近100 dB，且二者頻率相隔較近，5G信號會對北斗RDSS業(yè)務(wù)造成干擾。

北斗和5G均為國家重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，二者的電磁兼容是保證2個系統(tǒng)共同健康發(fā)展的基本前提。2011年，美國聯(lián)邦通信委員會以干擾GPS接收機為由，無限期暫停LightSquared公司運營4G網(wǎng)絡(luò)[3]。文獻[4]給出了LTE系統(tǒng)對GPS和Galileo的影響模型。文獻[5]從射頻角度分析了4G信號與北斗二號RDSS之間的干擾，給出了4G對RDSS造成的帶外干擾的分析方法。

本文針對北斗S信號與地面5G的兼容性問題，首先分析了北斗S信號特征，并將地面5G的干擾分為帶內(nèi)干擾和帶外干擾，重點分析帶內(nèi)干擾對信號的影響；然后從理論上分析了北斗S信號受地面5G干擾影響，并利用實際北斗S信號和5G基站對其進行了測試；最后從不同角度提出了降低地面5G對北斗S信號干擾的策略。

1 北斗S信號特征分析

北斗三號RDSS的信號體制在北斗二號的基礎(chǔ)上進行了改進。隨著北斗三號正式開通，北斗三號RDSS將逐步取代北斗二號RDSS，向用戶提供服務(wù)。為此，本文以北斗三號RDSS為例，對北斗S信號特征進行分析。

RDSS信號鏈路可分為入站鏈路和出站鏈路，入站鏈路是指RDSS用戶機向主控站發(fā)送服務(wù)申請的信號鏈路；出站鏈路是指主控站向用戶機播發(fā)服務(wù)信息的信號鏈路。從RDSS用戶機角度，RDSS的入站信號位于L頻段，具體頻率為1 610～1 626.5 MHz；出站鏈路位于S頻段，具體頻率為2 483.5～2 500 MHz。由于入站信號頻段與5G信號頻段相隔較遠，因此，下面主要分析RDSS的出站信號。

RDSS出站信號采用直接擴頻序列，中心頻點為2 491.75 MHz，工作帶寬16.5 MHz，調(diào)制方式為QPSK[6]。用戶機接收的北斗S信號可表示為：

s(t)=Apcp(t)cos(2πf0t+θ0)+

Add(t)cd(t)sin(2πf0t+θ0)+n(t)，

(1)

式中，A為信號幅度；c(t)為擴頻碼；f0為載波頻率；θ0為初相；d(t)為電文；下標p和d分別表示導(dǎo)頻支路和電文支路；n(t)為零均值高斯白噪聲。

2 北斗S信號受地面5G干擾影響分析

從北斗RDSS用戶機角度，外部系統(tǒng)造成的干擾可分為帶內(nèi)干擾與帶外干擾兩部分。帶內(nèi)干擾是由于干擾發(fā)射機中的功放、混頻器和濾波器等非線性器件在工作頻帶以外產(chǎn)生輻射信號分量，包括熱噪聲、諧波、寄生輻射、頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)物和互調(diào)產(chǎn)物等落入北斗RDSS出站信號頻段內(nèi)，導(dǎo)致北斗RDSS用戶機的底噪抬升，造成靈敏度損失。帶內(nèi)干擾頻譜示意圖如圖1所示。

圖1 帶內(nèi)干擾頻譜示意Fig.1 Spectrum of in-band interference

帶外干擾是由于干擾信號在北斗RDSS出站信號的相鄰頻段注入，使北斗用戶機的非線性器件產(chǎn)生失真，甚至飽和，造成其靈敏度損失。帶外干擾頻譜示意圖如圖2所示。

圖2 帶外干擾頻譜示意Fig.2 Spectrum of out-of-band interference

帶外干擾可通過提升接收機濾波的帶外抑制指標來削弱，帶內(nèi)干擾則主要依靠擴頻碼的擴頻增益抑制。

帶內(nèi)干擾對S信號的影響可以用等效載噪比進行評估。當存在帶內(nèi)干擾時，可以用等效載噪比來描述信號質(zhì)量，其表達式為[7]：

(2)

式(2)表明，帶內(nèi)干擾對等效載噪比的影響與干擾功率和譜分離系數(shù)相關(guān)，干擾功率和譜分離系數(shù)越大，等效載噪比惡化越嚴重。

仿真了不同出站信息速率條件下等效載噪比隨干擾功率的變化。仿真中，假設(shè)信號功率為-127 dBm，5G信號對RDSS用戶機的帶內(nèi)干擾的功率譜是平坦的，噪聲溫度為290 K，用戶機前端帶寬為16.5 MHz。等效載噪比隨帶內(nèi)干擾功率變化的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 等效載噪比隨帶內(nèi)干擾功率的變化Fig.3 Variation of effective carrier-to-noise density ratio with in-band interference power

由圖3可以看出，隨著帶內(nèi)干擾功率不斷增加，等效載噪比惡化不斷加劇。當帶內(nèi)干擾功率低于-108 dBm時，等效載噪比惡化低于1 dB；當帶內(nèi)干擾功率高于-103.5 dBm時，等效載噪比低于44.7 dBHz的電文解調(diào)門限。

由于信號存在傳輸損耗，因此，當用戶機與基站間距離不同時，所受的干擾業(yè)務(wù)不相同。自由空間的傳輸損耗為：

L=20lgF+20lgD+32.4，

(3)

式中，F(xiàn)為信號頻率，單位MHz；D為傳輸距離，單位km；L單位為dB。

圖4仿真了不同距離下，5G信號對RDSS用戶機的干擾情況。仿真中，假設(shè)信號功率為-127 dBm，噪聲溫度為290 K，5G信號對RDSS用戶機的帶內(nèi)干擾的功率譜是平坦的，干擾功率譜密度分別為-40 dBm/MHz和-43 dBm/MHz[1]，用戶機前端帶寬為16.5 MHz。仿真中假設(shè)北斗S信號和5G信號均無遮擋，且基站和用戶機的天線均為全向天線。

圖4 等效載噪比隨5G基站距離的變化Fig.4 Variation of effective carrier-to-noise density ratio with distance of 5G base station

由圖4可以看出，若5G信號在北斗S頻帶內(nèi)的無用功率為-43 dBm/MHz，則用戶機的正常解調(diào)電文的安全距離為40 m，即當用戶機距基站超過40 m時，5G基站的干擾可忽略；若5G信號在北斗S頻帶內(nèi)的無用功率為-40 dBm/MHz，則最小安全距離為60 m。

需要注意的是，當前分析采用自由空間的傳輸損耗，對于實際的損耗可能還存在陰影衰落、穿透損耗等，而5G基站的發(fā)射天線通常不是全向天線，后續(xù)還需要5G基站發(fā)射天線、信道傳播條件等相關(guān)參數(shù)以支持更完善的影響分析。

3 北斗S信號受地面5G干擾測試情況

在實際5G環(huán)境中測試5G基站對RDSS通信成功率的影響。將5臺RDSS用戶機分別放置于距5G基站不同距離，其中，3臺配置了較強干擾濾波器、2臺無專用抗干擾濾波器，測試距離分別為30，40和60 m。每個測試點位進行1 000次通信測試。

測試點的5G基站和附近的5G信號分布如圖5所示。

圖5 5G發(fā)射天線Fig.5 5G emitting antenna

不同類型北斗RDSS用戶機與單基站在不同距離情況下的成功率如表1所示。其中，抗干擾濾波器抗帶外干擾能力為50 dB。

表1 不同類型RDSS用戶機在不同距離處的通信成功率Tab.1 Communication success rates of different types of RDSS receivers at different positions

4 北斗S信號與地面5G兼容性提升策略

通過上述理論仿真與實際測試可知，地面5G信號對北斗S信號是客觀存在干擾影響的。由于北斗S信號的落地電平遠低于地面5G信號電平，因此，提升二者的兼容性主要考慮減小地面5G對北斗S信號的干擾?？梢圆捎?種策略提升兩系統(tǒng)的兼容性。

① 從北斗RDSS系統(tǒng)角度，提升RDSS出站鏈路信號發(fā)射功率，采用擴頻增益較大的擴頻碼，可以提升S信號抗帶內(nèi)干擾的能力。

② 從北斗RDSS用戶機角度，提升帶外抑制性能是削弱地面5G造成的帶外干擾有效方法。

③ 增大對5G基站發(fā)射信號的約束，降低地面5G信號在北斗S頻段內(nèi)的無用發(fā)射功率。

上述3種策略中，第1種和第2種是從北斗系統(tǒng)角度，提升系統(tǒng)和用戶機的抗干擾能力。對于第1種策略，在系統(tǒng)建設(shè)完成后，其信號體制和發(fā)射功能就已經(jīng)確定，在很長一段時間內(nèi)將保持不變，因此，采用該策略的成本較大。對于第2種策略，提升用戶機帶外抑制性能的主要方法是提高濾波器的帶外抑制指標，目前該指標標準正在形成之中。第3種方法是從約束地面5G的角度，降低其對北斗S信號造成的帶內(nèi)干擾，這是一種“治本”的策略，但是，從5G射頻指標征求意見稿到試行稿，該指標已經(jīng)下降3 dB，隨著后續(xù)5G基站組網(wǎng)越來越密集，對北斗影響也會更大，該指標的改進空間仍有待更深入研究。

5 結(jié)束語

針對北斗S信號與地面5G的兼容性問題，利用等效載噪比評估5G基站對S信號的影響，并進行了仿真分析，結(jié)果表明在北斗S信號和5G信號都無遮擋、且基站和用戶機的天線均為全向天線的情況下，用戶機與5G基站的安全距離為40 m(以95%為成功率門限)。從北斗系統(tǒng)、RDSS用戶機和5G基站的角度，對比了3種提升北斗S信號和地面5G系統(tǒng)兼容性的方法。同時，由于北斗系統(tǒng)、地面5G系統(tǒng)都還在發(fā)展之中，上述3個方面的兼容性提升方法都還有待進一步研究。