技术资讯

浅谈来自5G基站的邻信道非线性干扰 对C波段卫星地球站的影响 发布时间:2021/8/6 15:21:00

一、引言

笔者在去年的文章中简单的介绍了5G基站带外辐射干扰对卫星地球站的影响。本文将对5G基站的邻信道非线性干扰的成因、限值进行初步的讨论和分析。正如诸位所知,C波段卫星地球站受到5G网络干扰的主要方式有如下三种:同频干扰、邻信道非线性干扰(邻信道饱和干扰)5G基站带外辐射干扰。在这三种干扰方式中,邻信道非线性干扰是最常见也是最主要的干扰方式。但是由于该干扰方式并不是同频干扰,所以理解起来会有一些难度。

 

根据我国无线电频率的划分:

电信5G基站工作的频率范围为3400MHz3500MHz

联通基站工作的频率范围在3500MHz3600MHz

卫星的接收链路的工作频率范围是3700MHz4200MHz

从工作频段上看三者并不存在重叠,不应存在相互干扰(如图一所示)。但是由于卫星接收系统的低噪声放大器或低噪声变频放大器是一个宽频器件,其对3400MHz4200MHz,这800MHz频段范围内的信号都会进行无差别的放大,且不同频率的放大增益(即幅频特性)变化很小。所以,如果3400MHz3600MHz频段内接收到的信号功率过高,将导致卫星接收系统中的低噪声放大器或低噪声变频放大器工作在非线性状态,从而产生较强的交调干扰和杂散干扰,致使正常卫星信号的接收质量下降;如果5G信号导致卫星接收系统中的低噪声放大器或低噪声变频放大器工作在饱和或是过饱和状态,甚至会抑制接收系统对正常卫星信号的放大,导致卫星信号的载噪比大幅度下降。这也是为什么这种干扰模式又被称为邻信道饱和干扰的原因。

图一

 

造成上述干扰的成因有两个,其一是在接收端,干扰信号的功率比有用信号的功率高好几个数量级;其二是接收系统中所使用的放大器件是宽频器件,其对相邻信道的信号放大增益与对有用信号的放大增益区别不大。经初步估算,在卫星接收系统中低噪声放大器或低噪声变频放大器的输入端,5G信号功率有可能会比正常的卫星信号高出7个数量级(几百万倍)以上;且卫星接收系统中的低噪声放大器或低噪声变频放大器对5G频率(3400MHz3600MHz)的信号增益与对C波段卫星下行信号的增益没有差别。这就是为什么邻信道非线性干扰是最常见也是最主要的干扰方式。

 

二、C波段卫星地球站邻信道非线性干扰门限的有关指标参数

根据上文所述,界定邻信道非线性干扰门限的标准十分的清晰。即:以卫星接收系统是否可以工作在线性区为干扰判定的依据。如果可以确保系统中的低噪声放大器或低噪声变频放大器工作在线性区,卫星接收信号就可以被系统正常放大,那么即使有较强的5G信号存在,也不会影响卫星信号的接收质量(频率不同),二者可以共存。

鉴此,我们在探讨邻信道非线性干扰时,不可避免的要讨论低噪声放大器或低噪声变频放大器线性区是如何定义的;为了保证放大器工作在线性区,干扰功率的限值应该是多少。


1.低噪声放大器/低噪声变频放大器线性工作区的定义

对于线性区的界定,业界有比较统一的意见,即遵循ITU-R S.2199Studies on compatibility ofbroadband wireless access systems and fixed-satellite service networks in the 3400-4 200MHz band》报告书的规定,以1dB压缩点输入回退10dB为卫星接收系统性区的限值。

 

2.邻信道非线性干扰门限数值的理论推导

明确了卫星线性区的定义,我们仍无法直接从相关设备的指标中查到相应的干扰门限数值。但可以通过低噪声放大器或低噪声变频放大器1dB压缩点的输出功率和放大器增益的大小,推算出邻信道非线性干扰门限的具体数值。计算公式如下:

低噪声放大器或低噪声变频放大器的干扰门限=1dB压缩点的输出功率-线性区增益-1dB-10dB

由于目前全国乃至世界上C波段地球站中的绝大部分都是使用低噪声变频放大器,一般情况下只有少数大型的地球站才会选择低噪声放大器。因此,在下文中我们着重讨论低噪声变频放大器的线性区特性,而低噪声放大器的线性区特性与其基本一致。

根据国家通信行业标准YD/T 2475-2013《卫星通信地球站设备低噪声变频放大器技术要求》中对低噪声变频放大器的相关规定如下:

                                              

3.邻信道非线性干扰门限数值的实际测量结果

细心的读者一定会发现:根据1dB压缩点的功率不小于+5dBm且放大增益大于等于50dB这两个条件,无法从逻辑上推导出低噪声变频放大器线性区输入功率的门限。鉴此,国家无线电监测中心和相关单位在20194月,选取了3台被广泛使用的Norsat 3120N低噪声变频放大器作为样本进行了邻信道非线性干扰门限的测试。测试框图如下:

    测试结果如下表所示,测试频率为3900MHz

根据上述测试结果,我们可以得出:低噪声变频放大器实际产品的1dB压缩点的功率和其线性区放大增益均比国家通信行业标准要高很多(分别高了约10dB13dB)。参考ITU-R S.2199报告书中第5项(C)中,认为在通常情况下输入功率大约-60dBmW时,低噪声变频放大器将开始产生互调产物和载波抑制。综合考虑实际的测试结果和ITU的报告书,选取-60dBmW作为邻信道非线性干扰的门限。

 

三、5G基站发射系统的性能指标

当我们要分析一个通信系统对另一个通信系统的干扰时,一定要准确了解作为想定被干扰系统的可接受干扰功率限值,和作为想定干扰源的最大发射功率。上文中我们分析了作为想定被干扰系统的可接受干扰功率限值,下面我们估算一下作为想定干扰源的最大发射功率,即5G基站的最大发射功率。

根据笔者收集到的资料,其5G基站的射频指标如表一所示,通过计算我们可以得到5G基站的EIRP78dBmW

四、干扰分析

5G基站对卫星地球站干扰的理论框图由下图所示,我们只需推导出在参考面(低噪声放大器或低噪声变频放大器输入口面)接收到的5G基站辐射功率是否小于等于-60dBmW即可。

很显然,该处的最大5G基站辐射功率=5G基站的最大EIRP 5G基站到卫星地球站的自由空间的传输损耗 + 卫星地球站天线对5G信号的增益


15G基站到卫星地球地球站的路径损耗

根据《3000-5000MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台()干扰协调指南》,5G基站距离C波段卫星地球站的距离需大于等于100米。

自由空间的传输损耗可以用如下公式进行计算:

其中:f 为信号频率;d为自由空间传输距离;c: 光速(3×108/)

如果信号频率用3600MHz进行估算,则100米的自由空间的传输损耗为:83.58dB

如果信号频率用4000MHz进行估算,37200千米的自由空间的传输损耗为:195.9dB


2.卫星天线对5G基站信号的增益

绝大多数的C波段卫星地球站为抛物面天线,其在不同方向上的增益不同。根据ITU-RS.465-6卫星地球站的天线增益可用如下模型进行估算,适用的频率范围231GHz

G=32-25logφdBiφmin≤φ<48°

G= -10dBi 48°≤φ<180°

D/λ≥50,φmin=1°或者100λ/D

D/λ<50, φmin=2°或者114 (D/λ)-1.09

在本文中,φ代表离轴角即5G基站到卫星天线的连线与卫星天线指向之间的夹角。

经计算可以得出:对于1.8米的C波段天线φmin3.57°,2.4米的C波段天线φmin2.6°,3.0米的C波段天线φmin2.04°

我们可以简单的理解为:当角度小于等于φmin时属于天线的主瓣范围其天线增益需要用另外的数学模型进行计  算;当角度大于φmin时属于天线的旁瓣范围此时的天线增益用上述数学模型进行计算。 


35G基站在卫星地球站低噪声放大器或低噪声变频放大器输入口面(参考面)处的最大辐射功率估算。

我们选取卫星天线对5G信号增益最小的情况(最宽松的情况),进行计算。

通过计算我们可以得出,当5G基站到卫星天线与卫星天线指向之间的夹角大于等于48度时,5G基站在卫星接收系统低噪声放大器或低噪声变频放大器输入口面处的最大辐射功率为-15.58dBmW,远远高于-60 dBmW的门限值,两者无法共存。

 

五、应对邻信道非线性干扰的缓解措施

缓解5G基站对卫星地球站的邻信道非线性干扰的措施有很多,如:加装屏蔽网、隔离墙,减小5G基站的输出功率和站址搬迁等等。本文中我们只探讨加装滤波器,这种相对而言最经济,最便捷的方法。

1.相关的政策法规

根据2019年工信部颁发的《3000-5000MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台()干扰协调指南》,其附件一中规定:为3700-4200MHz频段的卫星地球站额外加装该频段滤波器,或更换上述工作频段的低噪声放大器(LNA)、变频器(LNB),可增加45dB左右的隔离度。其附件三中规定:5G基站距离C波段卫星地球站的最小距离为100米。

2.滤波器的安装位置与作用

通过干扰分析中的理论计算,我们得出5G基站对卫星地球站的邻信道非线性干扰远远高于卫星地球站可以忍受的门限值。通过《干扰协调指南》的相关条文,我们了解到为了实现二者之间的共存,需要在卫星地球站低噪声放大器或低噪声变频放大器的输入端配置相应频段的滤波器,并且两者之间的距离不能小于100米。下文中我们将对滤波器的作用与性能要求进行探讨

滤波器的安装位置

如下图所示,滤波器应该安装在卫星地球站低噪声放大器或低噪声变频放大器的输入端,卫星天线馈源的输出端。

                                               

② 滤波器的作用

该滤波器的作用十分清楚,就是要对输入信号中联通、电信的5G基站信号进行抑制,综合抑制能力需要大于45dB

根据上文中计算结果,5G基站在卫星接收系统低噪声放大器或低噪声变频放大器输入口面处的最大辐射功率为-15.58dBmW,如果再加上滤波器提供的45dB隔离度,则该最大辐射功率将减少为-60.58 dBmW正好小于-60 dBmW的门限值,卫星地球站和5G基站可以实现共存(在最宽松的条件下)

③ 滤波器的性能要求

滤波器有两个最关键的指标参数,一个是带外抑制,另一个是带内插损。带外抑制在这里是指对5G基站频率的抑制能力;带内插损在这里是指对C波段卫星下行信号即3700MHz4200MHz频段内的信号通过该滤波器后的衰减值。前者越大越好,后者越小越好。

而对于滤波器的设计者和生产者来说,这两个参数是相互制约的。在同等条件下,带外抑制越高,带

内插损就越大。而对于卫星通信系统而言又无法承过高的带内插损导致的链路载噪比下降,信道误

率升高,只能平衡取值。正在起草中的国家通信行业标准《3700MHz4200MHz卫星通信地球站

用带通波导滤波器技术要求》其相关要求如下,供大家参考。

 ④ 插入插损

滤波器在通带3700MHz4200MHz范围内的插入损耗应不大于0.35dB(常温条件下测试)

⑤ 带外抑制能力

  滤波器的带外的抑制能力应满足:

a)3400MHz3500MHz频段,有55dB以上抑制能力;

b)3500MHz3600MHz频段,有40dB以上抑制能力;

c)4400MHz4500MHz频段,有55dB以上抑制能力。

 


3.加装滤波器后卫星地球站与5G基站共存的前提条件

5G基站距离C波段卫星地球站的最小距离为100米,这个条件依靠工信部2019年颁布的《3000-5000MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台()干扰协调指南》中条文予以保护(根据相关卫星地球站和5G基站在各地无委申报的时间)。

卫星天线对5G信号的增益不能大于-10 dBi(也就是需要衰减10dB以上),根据ITU ITU-R S.465-6的数学模型离轴角(5G基站到卫星天线的连线与卫星天线指向之间的夹角)应该不小于48度。

 

六、干扰分析中的无法精确取值的因素

1.对两者共存有利的因素

●笔者在干扰分析中没有考虑卫星地球站接收极化角对5G信号的抑制作用。5G信号是±45度正交线性极化;卫星信号是0/90度正交线性极化,具体到每一个站点的极化角会根据卫星下行链路的极化方式以及卫星和地球站之间的相对位置而变化。简单地说就是在不同的地点接收同一颗卫星信号时,其极化角是不同的。因此,无法从总体上准确计算由于两者间的极化差异而产生的隔离度。由于最差情况就是百分之百的重叠,隔离度为零的情况。因此对于某一个具体的卫星地球站而言,只要是两者的极化角度存在差异,就会导致两者间产生隔离度,就会有利于两者之间的共存。

2.对两者共存不利的因素

●由于在干扰分析中5G基站的最大功率是选用53dBmW 200W)进行估算的,而200W只是功放在线性区的输出功率而非饱和功率,5G信号又是调幅信号有较高的峰均比,因此不能排除其最大瞬时输出功率,存在大于200W的可能。再者,无法排除以后5G运营商选取更大输出功率的功放,导致5G功放的输出功率超过200W

●在干扰分析中我们只考虑了3500MHz3600MHz的干扰。目前联通和电信合作只是用3400MHz3500MHz100MHz的频率。随着业务的发展,当3400MHz3600MHz,以及4400MHz4500MHz5G频率都被使用的话。其带来的邻信道非线性干扰会比估算值大。

3.不确定性的因素

●在干扰分析中,卫星地球站天线对于5G信号的增益是依照ITU-R S.465-6建议书中的数学模型进行估算的。具体到某一个地球站,其与已建5G基站间的离轴角就确定了,此时天线的对这个5G信号的增益就是一个定值。该数值即可能高出理论计算值,也可能小于理论计算值。毕竟个体间的差异总是存在的。

 

七、5G基站信号特性与测量方法

15G信号的特性

  5G信号是由多个带宽为30KHz的调制波组成,1230KHz的载波为1个单位(360KHz)。满载时支持

  273个单位同时发射,占用98.28MHz的通信频段,两端各有0.86MHz的保护带宽,合计100MHz

  其满载、半载和空载时的频谱图如下所示。