UWB信號與5G設(shè)備同頻干擾研究

孟水仙，任海軍，宋巖熠，尹 良，楊建宇，魏利軍，穆志雄

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)無線電監(jiān)測站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100080)

0 引言

第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)是具有高速率、低時延和大連接[1]特點的新一代寬帶移動通信技術(shù)，是實現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。國內(nèi)運(yùn)營商在2.6，3.5和4.9 GHz等頻段上已經(jīng)部署了帶寬為100 MHz的Sub-6 GHz 5G系統(tǒng)。

超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)是一種以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線技術(shù)。目前，UWB高精度定位系統(tǒng)獲得了廣泛應(yīng)用[2]，蘋果公司的Airtag定位就使用了UWB。美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)將UWB系統(tǒng)定義為具有絕對帶寬大于500 MHz并且中心頻率(Fc)高于2.5 GHz的信號，或者根據(jù)規(guī)定相對帶寬大于25%的信號為UWB信號。目前，UWB系統(tǒng)與Sub-6 GHz的5G部分頻率重合。

在UWB的不斷發(fā)展過程中，UWB與其他信號共存和干擾的研究也在一直進(jìn)行。2008年國內(nèi)機(jī)構(gòu)提出了有效規(guī)避的檢測避讓(Detect and Avoid，DAA)策略[3]。李爭等[4]針對UWB與GSM和TD-SCDMA信號之間的干擾做了仿真分析。通過分析衰減參數(shù)得出了GSM-900抗干擾能力較強(qiáng)的結(jié)論。來自工業(yè)和信息化部電信研究的李英丹等[5]針對MB-OFDM-UWB與3.4 GHz的WiMAX信號之間的互相干擾做了仿真分析，比較了UWB的DAA技術(shù)對干擾的影響，得出DAA技術(shù)具有保護(hù)受擾源的結(jié)論。李勇[6]在分析UWB與5G、WLAN等信號的基礎(chǔ)上，設(shè)計了對窄帶通信系統(tǒng)具有抑制作用的多陷波UWB天線。

但目前國內(nèi)外對UWB與5G之間的干擾研究關(guān)注較少，而是更多地把目光聚焦到5G與UWB的共同利用上。5G和UWB都很適合用于室內(nèi)定位[7]，二者的融合是提高室內(nèi)定位精度的解決方法之一。例如，夏聰[8]提出了利用UWB和5G，基于TDOA和加權(quán)最小二乘法估計的智慧教室定位技術(shù)，對復(fù)雜的場景內(nèi)物體實現(xiàn)高精度定位；張景峰等[9]基于5G承載網(wǎng)+UWB定位技術(shù)，利用不同定位算法實現(xiàn)了面向醫(yī)療的高精度定位。同時，利用UWB技術(shù)實現(xiàn)5G天線陣列波束成形也是關(guān)注點之一；Volakis等[10]提出了基于UWB的波束成形方案，相比傳統(tǒng)波束成形系統(tǒng)，其成本和功率降低了97%。Atta Ullah等也在國際多學(xué)科會議上提出了一種面向UWB-5G蜂窩通信的相控陣天線改進(jìn)設(shè)計。

5G在日常生活中的使用越來越多，如與物聯(lián)網(wǎng)的融合[11]、與衛(wèi)星的聯(lián)合定位[12]和無人駕駛[13]。UWB技術(shù)也在蘋果公司發(fā)布內(nèi)置UWB芯片U1[14]后掀起一股新浪潮。針對5G信號受干擾問題，在5G衛(wèi)星天地一體化進(jìn)程中，5G網(wǎng)絡(luò)復(fù)用了衛(wèi)星通信的部分頻段，二者會產(chǎn)生同頻干擾[15]。考慮到UWB的越來越廣泛部署，以及UWB與5G存在嚴(yán)重的頻段重合問題，研究UWB對5G的同頻干擾意義重大。

本文基于Matlab和Simulink混合編程搭建UWB對5G干擾的鏈路級仿真，對二者的干擾問題進(jìn)行初步研究，通過誤差矢量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)、鄰道功率比(Adjacent Channel Leakage Power Ratio，ACLR)和星座圖分析觀察UWB信號對5G信號的干擾，再進(jìn)一步通過暗室實測分析了UWB信號對5G的干擾。

1 5G與UWB干擾

1.1 同頻共存

根據(jù)IEEE std 802.15.4a-2007規(guī)定，UWB信號頻率為3 244 MHz～10.161 GHz，而5G的FR1頻率范圍為410 MHz～7.125 GHz，同時，世界無線電通信大會(WRC-15)將毫米波段確定為5G無線電業(yè)務(wù)的可用頻段[16]。5G和UWB信號存在嚴(yán)重的頻率重疊。當(dāng)5G基站與UWB信號發(fā)射機(jī)同時傳輸時，帶寬為500 MHz的UWB部分甚至完全覆蓋最大帶寬100 MHz的5G信號。這樣當(dāng)5G用戶接收到5G基站信號的同時，也會收到來自UWB的干擾信號。因此，如果UWB干擾信號功率大，干信比超過了5G接收機(jī)的解調(diào)門限，5G解調(diào)失敗，會對5G信號產(chǎn)生嚴(yán)重的同頻干擾。

1.2 UWB路徑損耗

對數(shù)正態(tài)陰影衰減模型是UWB室內(nèi)信道實驗研究經(jīng)常建立的信道模型,IEEE其對UWB信號的建模如下所示[17]：

(1)

式中，PL0(d0)為參考點的功率損耗，通常d0取1 m；r為路徑損耗指數(shù)；Xδ為零均值高斯分布隨機(jī)變量，δ為Xδ的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 EVM與ACLR計算

實驗中，使用5G接收端的EVM和ACLR作為干擾程度的度量，將對二者的定義和3GPP劃定的門限值做出簡單介紹[18]。

EVM表示接收機(jī)對信號進(jìn)行解調(diào)時產(chǎn)生的IQ分量與理想信號分量的接近程度，是考量調(diào)制信號質(zhì)量的一種指標(biāo)，也是受擾系統(tǒng)被干擾程度的重要指標(biāo)。根據(jù)5G的TS-38.104定義，256QAM調(diào)制所允許的最大EVM值為3.5%，QPSK調(diào)制所允許的EVM值為17.5%，計算公式為：

(2)

式中，I(t,f)為理想的接收5G信號；Z′(t,f)為接收到的調(diào)制信號。

ACLR是以指定通道頻率為中心的濾波平均功率與以相鄰?fù)ǖ李l率為中心的濾波平均功率之比。對于接收到的非n46和n96信號，3GPP組織規(guī)定ACLR的最小值為45 dB。

2 5G信號受UWB信號干擾仿真分析

2.1 仿真模型搭建

利用Simulink對單個UWB設(shè)備干擾5G NR設(shè)備的情況進(jìn)行場景搭建。模型示意圖如圖1所示。

圖1 仿真模型示意Fig.1 Simulation model

其中，NR基帶信號生成部分調(diào)用5G Waveform Generator APP生成符合標(biāo)準(zhǔn)的5G NR測試型號3.1(NR-TM3.1)的FR1頻段信號，其帶寬為10 MHz。UWB基帶信號生成部分生成符合標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15.4z的HRPF的UWB信號，其帶寬為499.2 MHz。二者通過合路器合路后，將基帶波形導(dǎo)入到RF射頻模塊中，將5G信號調(diào)制到3 550 MHz，UWB信號調(diào)制到3 480 MHz。后續(xù)通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，通過解碼器得到EVM和ACLR的結(jié)果，并繪制星座圖。

2.2 結(jié)果分析

按照上述設(shè)置進(jìn)行仿真，由于UWB信號是超寬帶信號，其頻率范圍基本上覆蓋全部5G信號。定義了一個變量Interferer gain=UWB的電壓/5G的電壓，表征二者的功率比值。

2.2.1 無干擾情況

無UWB干擾時的仿真，設(shè)置Interferer gain為0，此時只有5G信號進(jìn)入解調(diào)器，分析1個子幀內(nèi)的結(jié)果，仿真系統(tǒng)給出ACLR和EVM分析圖如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出明顯的5G頻譜信號，圖中右側(cè)ACLR值為測量得到數(shù)值，可以看出最大值在94 dB，大于3GPP規(guī)定的45 dB。圖2(b)中，淺色柱狀圖部分為每OFDM符號EVM的最大值，深色部分為均值，可以看出EVM均值在0.7%附近，最大值為2.1%，同樣符合標(biāo)準(zhǔn)，因此可以解調(diào)出合適的星座圖，如圖3所示。

(a) 頻譜圖及ACLR測量值

圖3 無干擾時256QAM星座圖Fig.3 256QAM constellation without interference

2.2.2 干擾較小情況

保持之前的設(shè)置不變，將Interferer gain設(shè)置為1，此時相當(dāng)于5G信號與UWB信號功率是1∶1疊加，此時對該合路信號進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果如圖4所示。

(a) 頻譜圖及ACLR測量值

圖4(a)中可以看出,5G的頻譜較無干擾時發(fā)生了變化，相鄰信道頻譜升高，同時看出ACLR的最大值降低，變?yōu)?8 dB，但仍然大于45 dB滿足3GPP要求；觀察到EVM變大，均值接近0.9%，最大值也沒有超過3.5%，滿足解調(diào)需要，因此可以解調(diào)出如圖5所示的256QAM的星座圖。相較無干擾時，5G信號解調(diào)質(zhì)量略微下降，得出結(jié)論UWB對5G信號存在干擾。

圖5 干擾較小時256QAM星座圖Fig.5 256QAM constellation with low interference

(a) 頻譜圖及ACLR測量值

2.2.3 干擾較大情況

本部分仿真實驗將Interferer gain設(shè)置為3，此時相當(dāng)于5G信號與UWB信號功率是1:3疊加，干擾較大，對該合路信號進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6(b)可以看出，EVM均值明顯增大，在3%左右，部分已經(jīng)超出了3.5%，每OFDM內(nèi)的EVM最大值已遠(yuǎn)超3.5%，嚴(yán)重影響了5G信號內(nèi)的256QAM解調(diào)。同時可以觀察到，ACLR最大值為37 dB，已經(jīng)低于45 dB，相鄰信道對5G信道的影響變大，影響了5G信號的解調(diào)質(zhì)量。因此，其已經(jīng)不能良好解調(diào)，星座圖效果不佳，如圖7所示，256QAM星座點呈發(fā)散狀，說明受到了干擾。

圖7 干擾較大時256QAM星座圖Fig.7 256QAM constellation with high interference

3 5G信號受UWB信號干擾實測分析

由于外場實測易受電波干擾，實測實驗在具有屏蔽效果的暗室內(nèi)進(jìn)行，搭建場景如圖8所示。

圖8 暗室環(huán)境下搭建的場景圖Fig.8 Scenario diagram built in microwave anechoic chamber

在圖8中可以看到，使用的設(shè)備為N5182A MXG矢量信號發(fā)生器(模擬5G發(fā)射機(jī))、N9030B PXA信號分析儀(模擬5G接收機(jī))、基于Decawave公司DW1000芯片設(shè)計的超寬帶收發(fā)模組。暗室中使用設(shè)備如圖9所示，可以看出N9030B PXA信號分析儀使用全向天線接收信號，N5182A MXG矢量信號發(fā)生器連接筆記本電腦，并使用對數(shù)周期天線發(fā)射信號。

實測頻率同為3 993 MHz的5G信號和UWB信號，通過接收機(jī)的解調(diào)性能分析5G信號受到的干擾。利用頻譜儀上的89601 5G解調(diào)選件解調(diào)5G信號得到PBCH信道的EVM值，如表1所示。同時采樣200 ms的IQ數(shù)據(jù)以捕捉UWB信號進(jìn)行分析。5G和UWB疊加的時域和頻譜圖如圖10所示，可以看到，5G的100 MHz帶寬之外的領(lǐng)道上能發(fā)現(xiàn)明顯的毛刺，這就是UWB信號。5G的解調(diào)軟件得到的EVM值如圖11所示，以PBCH信道的EVM為例，實測結(jié)果如表1所示。

(a) 5G信號接收機(jī)及UWB設(shè)備

(a) 時域圖

(a) 頻譜儀解調(diào)圖

從表1的實測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在任意對照組下，存在UWB信號干擾時，EVM值相較無干擾時都會變大，說明UWB會對5G信號產(chǎn)生干擾。當(dāng)5G發(fā)射功率較大(意味著信噪比高，如10 dBm時)，EVM都在5%以下；當(dāng)5G發(fā)射功率小到-10 dBm時，EVM惡化明顯(大于18%)，意味著受到較強(qiáng)的干擾。

表1 實測結(jié)果Tab.1 Measured results

需要指出的是，在暗室測試時，大部分情況下即使使用頻譜儀的熒光譜功能都很難觀察到UWB的信號，只有UWB發(fā)射機(jī)離頻譜儀天線小于40 cm時才能觀察到UWB的發(fā)射信號?？梢钥闯觯嬖赨WB信號情況下，5G信號解調(diào)的EVM值均會變大?？梢缘贸鼋Y(jié)論，UWB信號對5G信號的干擾是存在的，但是只有在UWB設(shè)備距5G接收機(jī)小于40 cm時才明顯，也就是UWB功率較大，或者UWB數(shù)量眾多時會對5G信號產(chǎn)生較大影響，這也印證了仿真的結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文利用Matlab和Simulink聯(lián)合仿真研究分析了同頻下UWB信號對5G信號的干擾；并搭建了實測場景，利用頻譜儀分析EVM值得出UWB信號對5G信號的干擾結(jié)論。仿真和實測都證實了5G信號會受到同頻UWB信號的干擾，但是距離大于0.4 m的情況下，5G受到的干擾已經(jīng)不明顯，不會影響到5G信號的正常解調(diào)。本文的分析方法和結(jié)論對5G系統(tǒng)設(shè)計抗干擾措施具有一定意義。