UWB 信號與5G 設(shè)備同頻干擾分析

謝劍德

（中貝通信集團股份有限公司,湖北 武漢 430023）

0 引言

5G 所具有的優(yōu)勢使日常生活出現(xiàn)了很大的變化，如其低時延、傳輸快等特點，頻段附近有著不少的無線電業(yè)務(wù)，其被干擾更加突出，其中就包括UWB 信號。頻段部分共同使用很大程度上決定5G 信號調(diào)解，因此針對5G 和UWB 信號有必要對二者的同頻干擾進行分析。通過聯(lián)合鏈路級仿真達到了同頻干擾分析，而且實測研究了UWB 信號給5G 的影響。無論是仿真還是實測分析均表明了在距離很近時將被UWB 信號影響，不過當(dāng)距離超過40cm 時干擾已不突出。本文所提出的方式以及實測結(jié)果為信號共存提供了數(shù)據(jù)。

1 研究背景

5G 的效率非常高，有著低時延的特點，屬于新一代通信技術(shù)，可以促進人機物互聯(lián)。我國運營商在2.6G等頻段上都構(gòu)建了寬帶是100Hz 的5G 系統(tǒng)。UWB 可以在短距離實現(xiàn)高速傳輸，屬于低功率無線技術(shù)?，F(xiàn)階段該項技術(shù)的定位系統(tǒng)獲得了普遍的運用，比如，蘋果公司就借助了UWB 進行定位，有關(guān)定義認為其絕對寬帶超過500Hz，同時中心頻率也超過了2.5Hz，相對寬度在25%以上的信號，被稱之為UWB 信號?，F(xiàn)階段該系統(tǒng)和5G 存在一定的頻率重合現(xiàn)象。在UWB 持續(xù)發(fā)展中強化了對有關(guān)信號共存及干擾的研究，我國機構(gòu)還探討出了數(shù)據(jù)存取裝置（data access arrangement,DAA）策略。對UWB 和全球移動通信系統(tǒng)（global systeˉ mfor mobile communications, GSM）信號干擾開展分析，利用衰減參數(shù)獲得結(jié)論，即GSM-900 的抗干擾性能非常強。同時還對UWB 和DAA 的影響開展了對比分析，明確了DAA 技術(shù)可以保護受擾源。在對5G 及UWB 等信號進行分析的同時，還構(gòu)建了對寬帶通信系統(tǒng)起到一定限制的多陷波UWB 天線。然而現(xiàn)階段國內(nèi)外對UWB 和5G 的干擾研究，主要是對二者的共同利用進行研究。二者都可以運用在室內(nèi)定位中，實現(xiàn)二者有機結(jié)合可以有效增強室內(nèi)定位準確性。借助5G 和UWB可以采用智慧定位技術(shù)，對場景中的物體開展有效定位；借助5G 承載網(wǎng)和UWB 定位技術(shù)以及多元化定位算法可以達到醫(yī)療高精度定位[1]。在這一過程中，借助UWB 可以達到5G 陣列波束成形，構(gòu)建UWB 波束成形方案，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行比較，它的成本及功率可以減少97%左右，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了UWB-5G 蜂窩通信。在實際生活中，5G 有著普遍的運用，可以同物聯(lián)網(wǎng)及衛(wèi)星定位等進行結(jié)合。UWB 技術(shù)也在內(nèi)置芯片領(lǐng)域獲得了發(fā)展。對于5G 信號受干擾的現(xiàn)象，在衛(wèi)星天地一體化發(fā)展中借助5G 網(wǎng)絡(luò)可以對衛(wèi)星通信某些頻段開展恢復(fù)，讓二者形成同頻干擾。由于UWB 的大量部署，再加上UWB 和5G 有著頻段重合的現(xiàn)象，應(yīng)對二者的同頻干擾進行深入研究，這有著較大的現(xiàn)實意義。

2 UWB 及5G

（1）UWB。UWB 無線通信可以無須載波將時間間隔控制在最低以此開展通信。它屬于無載波通信技術(shù)，基于納秒到微微秒范圍完成數(shù)據(jù)傳輸。其抗干擾性非常強，具有較高的傳輸效率，而且容量比較大。該系統(tǒng)的發(fā)射功率相對較小，可以完成1mW 以下的通信。該特點極大地增加了電源工作時間。同時形成的電磁波輻射也不會危害人體，有著比較廣泛的應(yīng)用面。UWB如圖1 所示。

圖1 UWB

（2）5G。5G 屬于新一代通信技術(shù)，借助5G 通訊設(shè)施能夠促進人機物有效互聯(lián)。在國際電信聯(lián)盟上對5G的應(yīng)用場景進行了定義，主要包含3 個場景：①增強移動寬帶，②眾多機器類通信，③低時延通信。對于第一類場景，一般運用在互聯(lián)網(wǎng)流量增長較快的情況下幫助用戶獲得極致的體驗；對于第二類場景，一般運用在智慧城市及家居上，主要將傳感及數(shù)據(jù)采集當(dāng)成目標以實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用需求；針對第三類場景，通常運用在工業(yè)控制及自動駕駛等方面，其對可靠性要求非常高，主要是滿足垂直行業(yè)的需要。為實現(xiàn)5G 多樣化需求，應(yīng)保證其性能指標多樣化設(shè)置。比如高速率、大連接等特點，應(yīng)保證用戶體驗速率在1Gbit/s 以上，并且其時延在1ms 以下，連接能力超過每平方公里100 萬Gbit/s連接。

3 第五代移動通信技術(shù)和無線干擾技術(shù)

（1）信號有著頻率重疊。按照有關(guān)規(guī)定，對于UWB無線技術(shù)，其信號頻率范圍介于3244MHz～1.0161GHz，對于第五代移動通信技術(shù)的頻段，其頻率介于410MHz～7.125GHz，并且針對毫米波段，將其規(guī)定為可用頻段。就5G 信號和UWB 信號而言，二者有著突出的頻率重疊。在基站（圖2）和發(fā)射機同步傳遞時，UWB 可能會覆蓋5G 信號。在接收基站信號時也將獲取干擾信號。所以若干擾信號功率大于調(diào)門限，那么解調(diào)將不成功，給5G 帶來較大的同頻干擾。

圖2 基站

（2）信道模型構(gòu)建。對于UWB 信道實驗分析往往會構(gòu)建信道模型，通常采用式（1）來完成建模：

式中：r——損耗指數(shù)；Xδ——隨機變量；PLo（do）——功率消耗，一般情況下do 取1m。

（3）接近程度和濾波平均功率之比的定義及門限值。在信道試驗過程中，將接近程度以及濾波平均功率之比當(dāng)作干擾程度度量，前者用誤差矢量幅度（error vector magnitude, EVM）表示，后者用鄰信道泄漏比（adˉ jacent channel leakage ratio, ACLR）表示，以此確定二者的定義以及門限值[2]。EVM 代表接收機（圖3）在對信號開展解調(diào)過程中形成的分量和理想分量比較接近，對于調(diào)制信號的質(zhì)量，這屬于一項不可或缺的指標，同時還是衡量干擾程度的關(guān)鍵。按照有關(guān)定義最大接近程度值是3.5%，調(diào)制許可的值是17.5%。針對接收的非n46 與n96 信號，要求濾波平均功率之比的最小值是45dB。

圖3 接收機

4 基于聯(lián)合鏈路級仿真研究同頻干擾

4.1 場景構(gòu)建

借助Simulink 對單臺UWB 設(shè)備干擾情況開展場景構(gòu)建。新無線（new radio, NR）系帶信號形成將借助5G Waveform Generator APP 構(gòu)建滿足標準的5GNR 測試頻段信號，其寬度一般是10MHz。通過UWB 基帶信號構(gòu)建滿足要求的UWB 信號，其帶寬通常是499.2MHz。二者在進行合路之后可以導(dǎo)入基帶波形，把5G 信號調(diào)至3550MHz，將UWB 信號調(diào)至3480MHz。接著利用應(yīng)用托管中心（application data center, ADC）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（圖4）借助解碼器獲取EVM 及ACLR 結(jié)果，同時生成星座圖。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

4.2 仿真結(jié)果研究

結(jié)合以上開展場景構(gòu)建，因為UWB 信號具有超寬帶的特點，它的頻率范圍往往能夠覆蓋所有5G 信號。具體而言，一個變量interferer gain 相當(dāng)于5G 電壓或者是UWB 電壓，可以有效體現(xiàn)二者的功率比。

（1）沒有干擾時的場景構(gòu)建。在沒有UWB 干擾時開展場景構(gòu)建，將interferer gain 調(diào)整成0，在這一過程中，僅有5G 信號能夠抵達調(diào)節(jié)器。對1 子幀中的結(jié)果開展分析，借助仿真系統(tǒng)構(gòu)建ACLR 及EVW 分析圖。根據(jù)5G 頻譜信號可以得知ACLR 主要是為測量獲取的數(shù)值，其最大是94dB，在超過3GPP 的情況下是45dB。其EVM 均值一般是0.7%左右，最大值是2.1%，都是滿足規(guī)定標準的，由此能夠構(gòu)建科學(xué)的星座圖。

（2）UWB 對5G 有著干擾。按照原有的設(shè)置把inˉ terferergain 設(shè)置成1，在這一過程中5G 和UWB 信號功率都將按照1:1 的比例進行疊加，并對該合路信號開展解調(diào)。根據(jù)5G 頻譜來看，在有干擾的情況下出現(xiàn)了變化，鄰近的信道頻譜逐漸上升，并且ACLR 最大值開始下降，達到56dB，然而還是超過了45dB，可以達到第三代合作伙伴計劃（3rd generation partnership project,3GPP）的標準；根據(jù)EVM 來看，它也逐漸增大，均值可以達到0.9%左右，最大值還低于3.5%，可以達到解調(diào)標準，對此可形成256QAM 星座圖。在有干擾的情況下會對5G 信號解調(diào)質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，由此可知UWB 有一定的干擾。

（3）干擾比較突出的現(xiàn)象。該實驗把interferer gain設(shè)置成3，在這一過程中5G 和UWB 信號功率是根據(jù)1:3 的比例進行疊加，會產(chǎn)生很大的干擾現(xiàn)象，對合路信號開展調(diào)節(jié)，EVM 均值會越來越大，達到3%上下，甚至?xí)笥?.5%，在正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）中，EVM 最大值將在3.5%以上，對5G 信號中256QAM 解調(diào)產(chǎn)生較大的影響。從中能夠發(fā)現(xiàn)ACLR 最大值是37dB，達到了45dB 以下，鄰近信道將產(chǎn)生嚴重影響，不利于5G 信號解調(diào)質(zhì)量。對此難以實現(xiàn)科學(xué)解調(diào)，并且還會對星座圖效果產(chǎn)生影響，256QAM 星座點會變成發(fā)散狀，由此可以看出受到了較大的干擾[3]。

5 基于暗室實測研究UWB 對5G 信號的影響

為了研究UWB 給5G 信號帶來的干擾，湖北省某無線電監(jiān)測站開展了暗室實測分析，結(jié)果表明：當(dāng)距離較近時，5G 被同頻UWB 所影響，在距離超過40cm 時，所形成的干擾較小，以下是詳細的分析內(nèi)容：因為外場實測可能被電波影響，實測在暗室中開展。應(yīng)用的裝置是信號發(fā)生器、信號分析儀等。分析儀通過全向天線接收，信號發(fā)生器和計算機銜接，通過天線發(fā)射信號。

實測頻率是3993MHz 的信號，基于接收機解調(diào)作用研究5G 受到的影響。借助頻譜儀解調(diào)選件來對EVM 值進行解調(diào)，以捕捉UWB 信號開展研究，在100MHz 帶寬外的領(lǐng)道上可以找到毛刺[4]。通過解調(diào)軟件來獲取EVM 值，實測結(jié)果如下：5G 的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是10dBm，沒有干擾，EVM 值是3.201%；5G的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是10dBm，有干擾，EVM 值是3.321%；5G 的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，有干擾，EVM 值是27.033%；5G 的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，沒有干擾，EVM 值約為21.4%；5G 的10MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，沒有干擾，EVM 值約為18.5%；5G 的10MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，有干擾，EVM 值約為21.0%；5G 的10MHz 帶寬，發(fā)射功率是10dBm，有干擾，EVM 值約為4.6%；5G 的10MHz帶寬，發(fā)射功率是10dBm，沒有干擾，EVM 值約為4.2%。

在對照組下，有著干擾時EVM 值均會變大，表明對5G 形成干擾。發(fā)射功率較大，EVM 均低于5%；在發(fā)射功率降低到-10dBm 時惡化突出，表明被較大干擾。需要注意的是在暗室進行測試過程中，雖然是借助熒光譜功能，卻還是難以獲取UWB 信號，僅在UWB 發(fā)射機與頻譜儀天線在40cm 以下的情況下才能獲取UWB發(fā)射信號，因此在有UWB 信號時，5G 信號解調(diào)至EVM值也將隨之變大。從中可以看出，UWB 信號會對5G 信號產(chǎn)生干擾，然而僅有在UWB 設(shè)備與5G 接收機距離在40cm 以下時才會看到，具體在UWB 功率大、數(shù)量多的情況下會對5G 信號造成嚴重影響，這也對實驗結(jié)果進行了驗證[5]。

6 結(jié)語

本文借助聯(lián)合仿真探析了UWB 對5G 信號的影響，并且建立了實測場景，通過頻譜儀獲取對5 信號的影響結(jié)論。無論是仿真還是實測分析均表明了5G 能被UWB 所影響，不過當(dāng)距離低于40cm 時，所形成的干擾已不突出，5G 信號能夠正常解調(diào)。本文所提出的分析方式以及結(jié)論，對制定抗干擾措施有著一定的價值。