5G与卫星电视的干扰研究

本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2019年第7期。

作者：卢左军 （湖南卫星广播电视中心）

【摘 要】

工信部正式发布了5G系统中频段的频率使用规划，其中3300MHz〜3600MHz范围段和我国C波段卫星电视业务存在干扰可能。为了保证两者之间避免有害干扰而保持正常运营，需要开展干扰共存研究。本文主要针对5G系统基站对C波段卫星电视接收系统的干扰分析，通过测试干扰模型计算出基站设立参考，并提出协调解决5G系统通信基站与卫星地球站及接收站的电磁兼容共存方法。

【关键词】

5G,卫星电视接收,C波段,干扰分析

0 引言

频谱是无线通信行业的稀缺资源，同样也是部署5G战略的重要组成部分，相关频率的规划以及兼容性研究也是各方目前面临的问题。2018年，工信部经过科学分析论证和综合考虑多方因素，正式明确了我国5G系统的主要工作频段3300MHz〜3400MHz（原则上限室内使用）、3400MHz〜3600MHz和4800MHz〜5000MHz。

C波段完整的频率范围为3400MHz〜4200MHz，是我国卫星广播电视业务的核心频段，其中扩展C频段为3400MHz〜3700MHz，正好和规划中的5G频段有部分重叠。为了避免未来5G的发展对C波段业务的干扰，本文对5G系统基站信号对卫星电视天线接收系统的干扰展开分析研究，给出5G基站部署的规划建议，并寻找减少两者干扰、和谐共存的措施。

1 干扰模型和链路分析

根据移动通信组网的方式，5G信号的分布将覆盖各个角落，某些基站射频单元的位置可能会离卫星接收天线很近。C频段上行频段为5925MHz〜6425MHz，此频率并未在规划的5G频率范围之内，因此5G信号对卫星地球站上行信号的影响很小。C波段下行扩展频段为3400MHz〜4200MHz，与规划的5G中频段有部分重叠部分。

根据实际的应用场景，5G系统对C波段卫星电视的影响主要就是， 基站发射的信号通过卫星接收天线串入下行链路进入卫星接收机，在无形当中成为了卫星广播电视信号的干扰源，造成接收载噪比和误码率等指标下降，干扰卫星电视的信号接收及其他卫星通信数据的正常传输解码，造成卫星电视接收系统的安全播出影响。

1.1干扰传播机理及干扰形式

5G基站信号对卫星接收系统的干扰传播机理主要是包括直线传播、散射和绕射，传播路径的环境，天气条件和各类建筑物的分布都会对干扰信号的传播产生影响。

同频干扰是指5G基站发射信号和卫星电视下行信号载频相同的干扰，这是5G系统对C波段卫星电视接收最大的干扰，因为它们频率有重叠的部分（3400MHz〜3600MHz），不可避免地形成同频干扰，也是本文重点分析的部分。邻频干扰是由于卫星接收天线高频头性能的问题，使得5G干扰信号的部分变频分量进入卫星电视有用信号的频率范围。除了同频干扰，5G系统也会存在对C波段卫星接收的邻频干扰。谐波干扰和互调干扰相对弱且需要高精度的测量仪器才能被发现，本文主要考虑同频和邻频干扰。

1.2 干扰模型

1.2.1 5G系统基站

无线电信号频率越高，则在传播过程中能量的损耗越大，因此传输的距离就相对更短。要覆盖目前的用户群，5G系统基站数量将会是4G基站数量的几倍到十几倍。

单个卫星接收天线与5G基站的相对位置和干扰模型如图1所示，其中R为卫星接收天线所在位置，RS为接收主轴方向，J为基站位置，JR为基站发射信号对卫星接收天线的干扰方向，α为接收天线的仰角，β为干扰方向与卫星天线主轴的空间离轴角，离轴角定义为偏离天线主波束中心轴的角度。

基站信号的传播链路模型我们根据ITU-R系列建议书，采用自由空间传播模型，传播损耗L0按照公式（1）计算：

其中d为基站到卫星接收天线的直线距离。

1.2.2 卫星接收系统

卫星电视接收系统包括天线、馈源、高频头，馈线和卫星接收机。C波段卫星电视地面接收天线一般为喇叭前馈天线，口径为3.2m、2.4m或者更小。卫星接收天线的分布和数量非常广，对于接收用户站所处的电磁环境更是复杂多样，很容易受到5G基站的信号干扰，导致卫星电视信号中断，影响用户的接收。

假设当卫星电视下行信号频率为3.6GHz时，则波长为0.0833m。接收天线直径D与波长的比值（D / λ）≤100时，卫星接收天线的增益与离轴角β的关系参考ITU-R S.465和F-1336建议书如下所示：

其中G0为接收天线主波束最大增益（dBi）。

1.2.3干扰链路计算

5G基站信号对卫星接收系统的干扰主要考虑同频干扰，强度取决于卫星接收离基站的距离、天线大小和方位及接收系统的损耗。假设只考虑单个基站的情况，则接收到的干扰功率为：

其中I为卫星接收机输入端收到的带宽内的干扰功率（dBm），P为5G基站带宽内的发射功率， 是基站的天线在干扰方向上的增益， 为接收天线在干扰方向上的增益 ，K 是极化修正因子，L0为路径损耗，Lr为接收系统馈线损耗，ACLR为邻信道泄露比（典型值为45dB）。

D表示干扰信号总功率，B表示干扰带宽，卫星接收机输入端的载波功率与总的噪声和干扰功率谱密度之比为：

其中，EIRPt为卫星地球站的发射有效全向辐射功率，EIRPs为同步卫星的有效全向辐射功率，Lu，Ld为上行和下行的空间传播损耗，G/Ts和G/Tr分别为卫星转发器和接收系统的品质因数，k是玻尔兹曼常数，10lgk=-228.6dB，BO0是卫星转发器的功率输出回退量。多个基站的情况则为几个干扰集成，形成集总干扰功率谱密度（dBm/MHz）。卫星信号的接收功率C=Eb×Rb，于是：

其中Rs为卫星接收信号的符号率，α为滚降系数。Eb/N0是卫星接收机的重要指标，定义是每个有用的比特能量和两倍噪声功率谱密度的比率，两倍噪声功率谱密度就是每Hz带宽内的噪声功率。

2 模拟测试

按照GB13615-92《地球站电磁环境保护要求》、GY/T147-2000卫星数字电视接收站通用技术要求进行接收信号相关的场强干扰测试，并对5G基站信号与卫星地球站电磁场兼容性能进行技术分析并得出结论。

本次测试通过模拟单个5G移动通信基站并发射出C波段干扰信号，通过已在使用的卫星电视接收系统同时接收卫星电视信号和5G干扰信号，考察卫星电视接收机的接收指标以及图像解码情况。

2.1 模拟5G基站信号

本次测试用信号发生器（型号AV1487A）和全向高增益辐射天线模拟5G系统基站。采用天线的增益为15dBi，馈线长度为1M，接头为N公头内针。

为了最大程度地模拟5G信号情况，根据考察现有4G移动通信系统的频谱波形，我们用信号发生器产生一个10MHz带宽的扫频信号，频点数量为20个，扫频时间为1s。

2.2 测试环境和接收系统线路

采用5G系统基站对接收天线的相对位置模型，模拟基站放置于天线的1m位置及偏轴角为35°。根据上文的公式，我们可以计算出5G基站的对接收系统产生干扰效应的临界值。

测试的卫星接收天线采用接收中星6B信号的2.4m天线，天线位置位于湖南地球站（长沙），接收天线的方位角为174°、仰角为57°。根据公式4的关于天线接收增益的计算出该天线在干扰方向上的增益为-1.2dB。图3为测试所用的接收系统图。

2.3 测试结果及结论

测试接收位于中星6B湖南卫视标清节目的接收情况，得出该信号Eb/N0与C/N的情况如表1、表2、表3所示。

根据测试结果我们可以得出，在测试接收系统条件下，干扰功率（包括基站发射功率和在干扰方向上的增益）为-25.5dBm时将会对卫星电视接收产生马赛克的影响。根据上文公式（1）、公式（4）和公式（6）计算出同频干扰临界值参数如表4所示。

利用计算机仿真软件可以进一步得出仿真结果图像，本文在此不做探究。

测试表明5G基站信号会对卫星接收系统产生同频干扰，邻频干扰比较弱。干扰的强度取决于基站的发射功率、基站与天线的距离和卫星接收系统的性能。实现5G基站和卫星接收站共存，必须规划好这两站之间的相对距离和相对位置，并且根据电磁干扰的情况设定基站的发射功率。

3 减少干扰措施

3.1 无线管理机构和运营商

3.1.1前期工作

移动通信运营商在建设5G基站的前期应积极主动调研该区域卫星地球站及有线前端接收站的基础情况，无线电管理机构依法进行无线电台发放使用许可和无线电台执照，若未取得无线电台执照，5G基站不能发射无线电信号。

设立干扰协调区和保护距离，在此区域内的5G基站应与有线前端接收站进行干扰协调，以防止对合法使用的站点形成有害干扰，影响卫星广播电视安全播出。必须要保护已有的卫星电视业务。如果有相互干扰的问题由无线电管理机构协调解决，积极开展干扰协调工作，直至顺利通过电磁环境测试，达到两者之间的安全共存。

3.1.2 5G基站

适当调整5G基站的发射功率，在满足5G终端用户需求的情况下，尽可能地控制基站的发射功率在安全的范围之内，减少其对其他无线通信系统的干扰的可能性。同时，提高5G基站的ACLR等指标措施也可以使卫星接收系统收到的干扰变小。

5G系统基站可以采用能够通过波束赋形技术调整辐射方向的 MIMO（多输入多输出）天线技术，使其在目标方向上增益最大，形成方向性极强的窄波束，也可以让某些无用和干扰方向增益最小。应避免基站的最大发射增益方向正对卫星接收天线的主瓣方向，尽可能增大卫星接收天线与干扰方向的离轴角。

3.2 卫星地球站及接收站

3.2.1增大上行站发射功率

增加卫星电视上行站发射功率即增加卫星电视下行信号强度，这对于卫星接收系统减少干扰有一定程度的帮助。但是卫星下行信号过强也会影响到5G系统终端用户和基站之间的通信，形成反向干扰。因此，需要进一步的开展卫星电视下行信号、5G终端接收和5G基站之间的电磁兼容研究，从中寻找平衡点，同时满足卫星电视接收系统和5G系统用户的需求。

3.2.2 科学布置卫星接收天线的位置

卫星电视接收天线的方向性都很强，接收某颗卫星信号的方位角、俯仰角及极化角都是固定的。接收天线的口径越大，则该天线的主瓣宽度越窄。作为卫星电视的使用者就必须尽量使接收天线的主瓣方向位于干扰信号的辐射死角。5G干扰信号遇到建筑或者障碍物产生反射和散射，场强依旧可能是卫星下行信号的多倍，但是只要找到合适的位置放置接收天线并对准卫星，能够大大降低接收到干扰信号的可能性。同时，当卫星接收天线处于一个较高的地面高度时也可以远离干扰源从而大大提高准确接收信号的可能性。

3.2.3屏蔽设施

针对卫星接收天线，主要的防干扰设施有天线罩和金属网，使天线尽可能地接收主轴或者主瓣方向信号，从而屏蔽其他方向的各类干扰信号。通过使用不同直径的金属网可选择所需要屏蔽信号的波长范围，同时要求直径必须要小于卫星有用信号波长的四分之一。在接收信号进入LNB前加装一个特定频率的滤波器或者使用高性能的LNB，也是最大限度地降低干扰的方式。

4 结束语

本文探究了5G系统基站与卫星广播电视接收站同频和邻频部署时的电磁兼容共存问题，测试了基站信号对C波段有线电视前端接收信号影响，给未来基站的设立提供了建议，同时也为5G系统在未来高频段的规划对Ku及Ka卫星信号的影响分析提供了经验。

卫星广播电视系统具备覆盖范围广和传输距离远的优点，和5G通信系统同样重要，必须要共存发展，希望在今后的发展工作中，能引起无线电监管部门、5G技术研发部门和使用部门的共同关注。各方协调解决卫星电视接收用户与5G通信系统基站的电磁兼容问题，并根据共存的原则制定协调措施和采用相关技术手段减弱这种影响，致力将5G基站的干扰降到最低，将卫星广播电视安全播出工作做得更扎实有效。

参考文献

[1] 沈国勤.卫星地球站电磁环境测试方法探析[J].中国无线电,2007(10).

[2] 陈乐伯.卫星通信地球站干扰条件下性能仿真与分析[J].船舶电子工程,2012(1).

[3] 辛静.卫星接收信号的干扰与抗干扰研究[J].数字技术与应用,2016(10).

作者简介

卢左军，男，1987年生，信息工程专业，工程师职称，目前在湖南卫星广播电视中心技术科工作，主要从事湖南卫视高标清频道、金鹰卡通高标清频道等节目上行系统的技术项目改造和设备维护等工作。

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