一、   引言

  目前，我国5G（第五代公众移动通信）基站建设正在按照计划如火如荼的进行中。 截至2020年6月底，我国5G基站累计超40万个。由于基站建设好于预期，三大电信运营商也相继上调了年度5G基站的建站目标。预计2020年9月份就能全面完成全年新建50万个5G基站的计划。随着5G网络的大规模部署并投入使用，C波段卫星地球站受到5G网络的干扰也会越来越强。其主要的干扰方式有如下三种：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，5G基站带外辐射干扰的原理相对简单，也更容易被忽视。本文仅对5G基站带外辐射干扰的成因、限值进行初步的讨论和分析。

  我们知道联通5G基站工作的频率范围为3400MHz—3500MHz; 电信基站工作的频率范围在3500MHz—3600MHz，而卫星的接收链路的工作频率范围是3700MHz—4200MHz。从工作频段上看三者并不重叠，不存在相互干扰。但是从器件的角度看，任何一个发射系统的功率放大器都是宽频设备。在任何频率上都会存在着或大或小的频谱输出，在其工作频率以外的频谱输出被称之为带外辐射。鉴此，5G基站和卫星下行链路之间，发射系统的带外辐射均会对彼此的接收系统产生干扰。对于静止轨道的通信卫星系统而言，卫星发射站和地面5G基站的距离约为4万公里，对应的自由空间损耗为196dB左右，发射机带内正常信道到达地面都会十分的微弱，带外辐射也就更小了。尤其是和联通、电信5G基站间，相互带外辐射干扰功率相比的话，其功率谱密度要小100dB以上，完全可以忽略不计。也正是卫星通信系统这个特点，导致其对其它通信系统在卫星下行链路通信频段内(3700MHz—4200MHz)的干扰信号非常敏感，下文中将较为详细的进行讨论。

二、C波段卫星地球站接收系统干扰门限的有关参数指标对于一个卫星通信系统而言，不论工作频段是C波段还是Ku波段，其它通信系统(比如：5G、微波)在卫星通信频段内的频谱泄漏(干扰)均应满足ITU-RS.1432-1文件的要求。 

1.卫星接收系统的干扰门限指标ITU-R S.1432-1建议书中规定：干扰信号与卫星接收系统噪声功率的比值不应大于6%，即卫星接收系统的干扰门限：I/N=-12.2dB根据上述公式，我们只需要分别计算出5G基站输入到卫星接收系统的干扰功率和卫星地面站接收系统噪声功率，并将这两个数值进行比较，即可判断其是否满足ITU-R S.1432-1中对I/N的要求。 

2.卫星接收系统的噪声功率卫星接收系统的噪声功率P_N=KBTs其中：K是波尔兹曼常数为1.38×10^-23(W·S/K）；B是信道带宽(Hz)；Ts是卫星接收系统的噪声温度。由于信道宽度只需和5G基站带外辐射到卫星接收系统的干扰信号宽度匹配即可，所以求出卫星接收系统的噪声温度，即可计算出卫星接收系统的噪声功率。

3.卫星接收系统的噪声温度卫星地球站接收接收系统通常以馈线的输入端为参考点。将接收机的等效噪声温度折算到此点和卫星天线的噪声温度相加，作为整个接收系统的等效噪声温度。其简化框图如下图所示：

卫星接收系统等效噪声温度的等效噪声温度T_S为：

其中：T_a是天线的噪声温度，L₁是馈线的插损，T₀是环境温度，Te₂是低噪声放大器的等效噪声温度，Te₃是变频器的等效噪声温度，G₂是低噪声放大器的增益。

卫星地球站天线的噪声温度和天线的仰角相关，10度至65度仰角所对应的噪声温度范围为：53K到37K；馈线插损一般取0.2dB；环境温度一般取290K(17℃)；低噪声放大器的等效噪声温度一般取45K(国标YD/T242-2013中规定：低噪声放大器的等效噪声温度≤45K)；由于低噪声放大器的增益在50dB以上，所以T_e3/G₂项可以忽略不计。

综上：卫星接收系统的等效噪声温度应该在：92.55K到108.55K之间，该数值越小对5G基站的带外辐射功率的限制也就越大，反之就越宽松。为了较为公平的探讨5G基站的带外辐射对C波段卫星地球站的干扰，我们取算术平均值(100K)作为理论计算的参考数据。

三、5G基站发射系统带外干扰的性能指标

根据笔者收集到的资料，其5G基站带外辐射相关的参数如表一所示。其中比较关键的指标是：5G基站功放在3700MHz-4200MHz频段内的最大无用辐射功率谱密度。

四、干扰的成因和分析

5G基站对卫星地球站干扰的框图由下图所示，我们只需推导出5G基站在3700MHz-4200MHz频段的内辐射在参考点的处的接收功率谱密度即可。

将上述的结果和该参考点处的卫星接收系统的噪声功率进行比较，判断I/N是否大于-12.2dB。

①   5G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(站)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为: 光速(3×108 米/秒)。② 5G基站在3700MHz-4200MHz频段内的最大无用辐射功率谱密度 根据上文可知，5G基站功放在3700MHz-4200MHz频段内的最大无用辐射功率谱密度为-47dBm/MHz，只要加上5G基站的天线增益25dBi，其在该频段内的最大无用辐射功率谱密度的理论计算值为-22 dBm/MHz。但是，经过和地面运营商的沟通交流，笔者认为上述计算方法需要进行一些修正，理由如下：因为5G基站采用有源相共振天线，共有64个振子(水平方向16行，垂直方向4列)。其25dBi的增益可以分解为每个振子增益10dB，相位合成增益15dB。其发射通道的原理框图如下，5G基站的射频系统由64个发射通道组成。包含64个功放和64个振子。

  其在3700MHz-4200MHz频段内功率谱密度最高的杂散是随机出现的。即便有64个功放，出现两个或两个以上最高杂散频率恰巧重叠的概率也是微乎其微的。因此，64个功放在进行相位合成的时候，其每一个功放的带外无用辐射并不是相加的关系而是相对独立、互不相关的。所以，5G基站在3700MHz-4200MHz频段内的最大无用辐射功率谱密度应该为-37dBm/MHz。即5G基站功放在3700MHz-4200MHz频段内的最大无用辐射功率谱密度为-47dBm/MHz，加上5G基站的天线阵列中振子的10dB增益。③ 卫星天线对5G基站信号的增益 绝大多数的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。

  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考虑到如果5G基站与卫星地球站间的离轴角过小时，对卫星地球站影响最大的应该是邻信道非线性干扰。因此，本人更倾向于研究离轴角大于等于48度时5G基站带外辐射干扰对C波段卫星地球站的影响。此时，卫星地球站的天线增益可以按照-10dBi估算。④5G基站带外辐射干扰对C波段卫星地球站的影响分析 根据本文中对卫星接收系统的噪声功率和卫星接收系统的干扰门限的分析可以计算出，卫星接收系统的噪声功率谱密度=-118.6dBmW/MHz卫星接收系统的干扰功率谱密度门限=-130.8dBmW/MHz具体的计算过程如下：

  根据本文中对5G基站干扰模型的分析, 可以计算出参考点处的接收功率谱密度为：-130.58 dBmW/MHz。具体的计算过程如下：

  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基站的理论带外辐射功率略高于C波段卫星地球站的干扰功率谱密度门限0.22dB。虽然不能说满足要求，但也不能说对卫星地球站的接收产生了严重的不可忍受的干扰。但是，上述结论存在一个较为隐蔽的限制性条件。请注意，5G运营商和设备厂商对5G基站功放最大无用辐射功率谱密度给出的指标要求为-47dBm/MHz(3700MHz - 4200MHz)，其单位是每MHz。且无法提供每10KHz或每KHz的指标要求。对于卫星通信系统而言，在讨论干扰功率和噪声功率比值时，默认的单位是每10KHz。这是因为，在卫星通信系统中有很多载波的带宽仅为几十KHz或几百KHz。在测量干扰载波的功率时，其对应的积分带宽要与之相比配。根据实测数据，干扰载波的功率在测量带宽之内，往往并不是平均分布的。也就是说，当积分带宽由MHz减小为10KHz后干扰载波的积分功率并不能等比例的减小。其进一步的分析如下。⑤5G基站带外辐射干扰对C波段卫星地球站接收窄带信号的影响分析 5G基站带外辐射对于星上窄带宽通信载波的影响，举例说明如下：

  图一中f1到f2的频带宽度为1MHz，对应一个星上载波；

  图二中f1到f2的频带宽度也为1MHz对应十个带宽为0.1MHz的星上载波；

红色的三角代表5G基站在该频段处的辐射干扰，图一、图二中的干扰载波的功率相等且功率谱密度满足5G功放的指标要求。

通过图一和图二的对比可知，如果相对应频段内星上载波带宽大于等于1MHz则该干扰信号功率和该载波功率的比值能够满足要求。但，如果相对应频段内星上载波带宽是0.1MHz甚至更小，两者功率的比值非常有可能远远超出ITU-R S.1432-1建议书中给出的限值，完全有可能影响对应频段内信号通信质量甚至出现通信中断。

五、结语

1.如果卫星地球站天线对于5G基站发射信号的接收增益大于-10dBi(离轴角小于48度)，那么就有可能受到5G基站带外辐射的干扰(5G基站在卫星通信频段内的带外辐射谱密度超出ITU-R S.1432-1中规定的干扰门限)。

2.如果卫星地球站接收的载波带宽在0.1MHz左右甚至更小，即使卫星地球站天线对5G基站发射信号的接收增益小于等于-10dBi，同样也可能有可能受到5G基站带外辐射的干扰。

3.由于5G基站在3700MHz-4200MHz频段内的辐射干扰，功率谱密度很低且位于星上正常通信载波的里面。其出现的时间和大小也会随着5G基站的工作状态而变化。所以，想要定量的鉴别5G基站的带外辐射干扰需要专业的测量仪器设备。在条件不具备时，也可通过关闭5G基站进行简单的对比性测量，从而给出定性的判断。

  笔者认为在很多情况下，5G基站在3700MHz-4200MHz频段内的辐射干扰不会对卫星地球站的接收质量产生严重的不可忍受的影响。但也并不否认在一些情况下，尤其是5G基站对星上窄带信号的无用辐射功率会超出干扰门限，从而导致卫星信号误码率升高影响通信质量，严重时会出现通信中断的情况。笔者在本文中，尽量详细的列出了计算推导的过程。主要是因为通过和5G运营商、制造商的交流，发现彼此间对对方的系统和测量方法并不熟悉。理论推导详实一些，有利于相互理解，也方便读者对本文中的错误和不足之处提出批评、指正。