5G通信基站对邻频C波段卫星地球站干扰的分析与处置

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　　【摘  要】为了解决5G通信基站对C波段单收地球站的干扰共存问题，选取一个干扰的实例作为研究对象，分析干扰成因，并通过实测数据得出带外抑制比ACLR是影响邻频干扰大小的主要因素。根据地球站的干扰保护准则并通过工程实践，可计算得出两系统邻频共存时需要保持的ACLR。
　　【关键词】C波段;5G;邻频干扰;阻塞干扰;干扰处置
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.018        中图分类号：TN927
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0089-08
　　引用格式：梁刚毅， 许斌， 朱勤伟. 5G通信基站对邻频C波段卫星地球站干扰的分析与处置[J]. 移动通信， 2020，44（3）： 89-96.
　　Interference Analysis and Disposal of 5G Communication Base Station to Adjacent C-Band Satellite Earth Station
　　LIANG Gangyi1， XU Bin2， ZHU Qinwei1
　　（1. Guangzhou Digital Media Group Co.， Ltd.， Guangzhou 510335， China;
　　2. Guangzhou Broadcasting Network， Guangzhou 510335， China）
　　[Abstract] In order to solve the interference coexistence issue of 5G communication base station to C-band single-receiving earth station， this paper selects an interference example as the research object， analyzes the cause of interference， and obtains that ACLR （Adjacent Channel Leakage Ratio） is the main factor affecting the adjacent frequency interference strength through measured data. According to the interference protection guidelines of the earth station and the engineering practice， the ACLR that maintains the coexistence of the two adjacent frequency systems can be calculated.
　　[Key words]C-band; 5G; adjacent frequency interference; blocking interference; interference disposal
　　0   引言
　　2018年12月7日，三大运营商先后公告称工信部同意其在全国开展第五代移动通信（5G）系统试验。2018年12月11日，工信部颁布《3000-5000 MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台（站）干扰协调管理办法》（以下简称《协调管理办法》）。2019年1月9日和14日，广州国际媒体港C波段卫星信号受到严重干扰，经排查确定为广州塔进行5G通信试验所致。由于现阶段5G通信基站对邻频C波段卫星地球站干扰处置仍停留在理论研究阶段，缺乏工程实践验证，相关单位按程序启动协调机制进行了多次联合电测，以求缓解干扰问题。本文详细介绍了这一过程，分析了干扰的现象和产生的原因，并给出一些切实可行的缓解干扰的具体方法。
　　1    理论和实际干扰情况介绍
　　1.1  理论干扰类型的分析
　　基于3.5 GHz频段的5G NR基站使用频率范围是3 400 MH—3 600 MHz，其中3 400 MHz—3 500 MHz为电信使用、3 500 MHz—3 600 MHz为联通使用。当前3 400 MHz—4 200 MHz频谱为卫星地球接收站使用，3.5G频段的5G NR基站对其产生三种类型的干扰：
　　（1）同频干扰：对工作频率3 400 MHz—3 600 MHz的卫星接收系统造成同频干擾;
　　（2）邻频干扰：对工作频率3 600 MHz—4 200 MHz的卫星接收系统造成邻频干扰;
　　（3）阻塞干扰：卫星接收机在接收弱卫星信号时，受到接收频率旁一个强5G信号的干扰，导致卫星接收链路的LNB饱和，产生非线性失真而阻塞通信。
　　我国卫星广播电视信号频率分布情况如表1所示，表中频率为卫星转发器中心频率。
　　由表1可知，中星6B垂直（V）极化的卫星广播电视信号工作频率包含3 600 MHz—3 700 MHz范围，5G通信基站可能同时对其产生同频干扰和邻频干扰。其余卫星广播电视信号工作在3 700 MHz—4 200 MHz，与3.5G频段的5G NR基站存在100 MHz的间隔带宽，5G通信基站可能对其产生阻塞干扰。
　　1.2  现阶段邻频共存的研究
　　在国际电联《ITU-R S.2199》报告中，经其建模仿真分析并通过实地验证，得出5G通信基站与卫星地球站共存的若干分析结论。 　　（1）两者共存需要一定的间隔距离，两者在同一地区同频共存是不可行的。
　　（2）邻频部署将存在两种干扰：1）造成LNB饱和;2）邻频干扰。
　　（3）在某些情况，特别是不满足间隔距离时，基站的干扰会让卫星地球站完全无法工作。
　　（4）卫星地球站附近不部署高功率的基站，能有效降低LNB饱和、减少邻频干扰的可能性。
　　（5）在卫星天线安装带通滤波器的作用十分有限，不过在LNB前安装带通滤波器是有效的，可降低带外信号10 dB，但成本较高，会引入额外的损耗，且无法解决同频干扰。
　　（6）当卫星地球站接收到干扰信号总功率超过-60 dBm时，LNB将进入非线性区间;当卫星地球站接收到干扰信号总功率超过-50 dBm时，LNB将进入饱和状态。
　　在广电总局2019年2月22日《3000-5000 MHz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（征求意见稿）》中（以下简称《干扰协调指南》），给出若干处置建议：
　　（1）明确协调区范围：工作频段3 400 MHz—3600 MHz协调区半径42.5 km，工作频段3 600 MHz—3700 MHz协调区半径4 km，3 700 MHz—4 200 MHz协调区半径最低100 m。
　　（2）地球站工作频段避开5G通信基站，以及为3 700 MHz
　　—4 200 MHz频段的卫星地球站加装该频段滤波器，可增加45 dB左右的隔离度。
　　（3）5G通信基站避让卫星地球站接收天线主瓣方向可增加20～34 dB的隔离度。
　　（4）为卫星地球站加装屏蔽网，单层可增加8～12 dB的隔离度;有效率用建筑物隔离，单墙体可增加8～20 dB的隔离度。
　　（5）调整5G通信基站最大辐射方向和下倾角可增加0～8 dB的隔离度。
　　（6）降低5G通信基站发射功率，可以在一定能程度上缓解干扰。
　　综合上述现阶段国内外对两系统邻频共存的理论研究报告，不难发现：5G通信基站理论上对同频、邻频的卫星地球站便存在干扰，且同频干扰难以消除。工作频段3 400 MHz—4 200 MHz的卫星地球站，均需加装滤波器避免阻塞干扰;工作频段3 400 MHz—3 600 MHz的卫星地球站，需考虑迁移至3 700 MHz—4 200 MHz频段;工作频段3 600 MHz—3 700 MHz的卫星地球站，理论可通过一定措施缓解干扰，但没有给出明确指标和措施用于指导工程实践。因此对于工作频段3 600 MHz—3 700 MHz的卫星地球站，必须在工程实践中对理论缓解措施进行验证，以求缓解干扰并得出进一步的研究结论。
　　1.3  实际干扰情况介绍
　　广州国际媒体港单收地球站C波段卫星信号受到5G基站信号干扰时，C波段所有极化（中星6B-H/V、中星6A-H/V、亚洲6-H）的全部节目（工作频段3 640 MHz—4 192 MHz）均出现信号异常的现象。经确认，广州塔新设立了5G基站，关闭该基站，则干扰信号立即消失，确认该干扰信号为该5G基站产生。该基站距离卫星天线距离120 m、高度约35 m、视距范围无明显遮挡。
　　2    测试过程及确认干扰原因
　　2.1  制定测试方案
　　根据《协调管理办法》规定，2019年2月15日，我方连同广州广播电视台，与联通、设备提供方华为共同召开干扰协调会议，讨论制定了如下测试方案：
　　（1）测量卫星天线处5G信号的开路功率，结合卫星天线与LNB增益，根据计算结果确认是否存在阻塞干扰。
　　（2）如若存在阻塞干扰，需在卫星天线的LNB前加装带通滤波器，确保LNB不工作在饱和状态及非线性区间，再确认是否存在邻频干扰。
　　（3）如若存在邻频干扰，通过调整5G通信基站的场景波束方案和发射功率，尝试找出产生邻频干扰的临界点，得出5G系统工作频段和卫星地球站工作频段的实际所需隔离度。
　　（4）各方通过设备优化、工参调整等手段，在留有一定冗余的前提下，满足实际所需隔离度，使得5G通信基站对邻频C波段卫星地球站邻频共存。
　　2.2  消除阻塞干扰
　　通过比对分析卫星天线正常情况下和受干扰时的频谱及QPSK星座图，发现有干扰时卫星信号的Eb/No值低于门限值5.5 dB，距离干扰信号最远的4 192 MHz维特比译码输出误码率为1.45×10-3，也大于门限值2.0×10-4，维特比译码输出误码率急剧增加是信号异常现象的主要原因。分析受干扰频谱，3 550 MHz的信号功率增加了20 dB至-19 dBm，不仅大于系统噪声功率，甚至远远超过了卫星信号的强度，不符合国际电联的要求，理论将对卫星地球站接收系统产生了严重的阻塞干扰。
　　为最终确认是否存在阻塞干扰，使用无增益全向天线，测量得到卫星天线处5G信号的开路功率为-80 dBm。卫星天线和LNB的主要参数如表2所示：
　　5G NR基站采用Massive MIMO（大规模天线阵列）方案，其波束方向、空间场强不是固定的，而是随着时间和用户的移动在不断变化。所以在进行定性计算的时候，只考虑其落入天线主瓣的情况。经定性计算： -80 dBm+43.5 dB+62 dBm=25.5 dBm，所得结果远大于LNB饱和点9 dBm，结合理论分析，确认存在阻塞干扰。
　　在LNB前加装带通滤波器尝试消除阻塞干扰，带通滤波器频谱图如图1所示。
　　下文中的频谱图均为经过卫星天线和LNB一次变频后的频谱，并非空间中的实际频谱和实际场强，但能真实反映出空中电磁波的频谱特性和相对强度，其接收频率的计算公式为：中频接收频率=本振频率（5 150）-下行频率。可知3 500 MHz信号在图中频率為1 650 MHz，3 600 MHz信号在图中为1 550 MHz。 　　鉴于亚洲6-H在3 600 MHz—4 000 MHz只存在天线底噪，故选取其作为加装3 700 MHz—4 200 MHz带通滤波器前后的参照。图2为加装带通滤波器无天线增益的开路5G信号频谱，图3为未加装带通滤波器的亚洲6-H频谱，图4加装带通滤波器的亚洲6-H频谱，基站功率为200 W，默认场景。
　　对比图3和图4可知，在加装带通滤波器后，进入卫星天线系统的基站信号的最大功率由原来的-19.4 dBm大幅下降至-33.47 dBm，由于LNB饱和造成3 600 MHz—4 200 MHz出现的严重干扰波形完全消失。此时，亚洲6-H的全部卫星信号受干扰的现象消失。将滤波器安装到6A、6B天线上，除3 600 MHz—3 700 MHz的信号外，其它电视节目恢复正常接收。确认加装带通滤波器后，确实能够避免LNB饱和，消除阻塞干扰。
　　2.3  处置邻频干扰
　　对比图3和图4，分析受干扰前后频谱，卫星信号受到干扰时整个系统底噪至少提升了5 dB，而卫星信号正常时，本系统卫星信号最低功率约为-45 dBm，要求外来信号的功率应低10 dB左右，为-55 dBm。由图3可知，5G通信基站带外约150 MHz处的信号功率才小于此数值。
　　由图2可知，加装带通滤波器后，仍然有较强的5G通信基站信号带外功率落入3 600 MHz—3 750 MHz。同时可以看出，5G通信基站信号的带外频谱与天线其它频率的噪声频谱存在明显区别，其功率也超过了国际电联ITU-R S.1432-1建議书的要求，在卫星地球站工作频段及其相邻频段，干扰信号限制为晴空条件下卫星地球站接收系统噪声功率减12 dB。
　　根据图2、图3、图4的频谱，结合中星6B-V的3 640 MHz节目及3 680 MHz节目仍旧出现严重马赛克的现象，证实5G基站信号对工作频段3 600 MHz—3 700 MHz卫星信号存在邻频干扰。
　　为了缓解邻频干扰，尝试调整5G NR基站的场景内波束方案和发射功率，寻找产生邻频干扰的临界点。该基站共有四个小区，按照表3方案进行联合电测。
　　如表3所示，在测试不同功率组合时都会按照默认场景、水平宽覆盖场景、底层覆盖场景和中层覆盖场景依次调整场景波束方案并记录中星6B-V频谱和接收干扰现象，测试结果表明调整场景波束方案并不能缓解干扰情况，间接印证了《干扰协调指南》第6小点在实际操作中效果并不显著。
　　如表3所示，由于需要接收3 640 MHz节目，本极化选取3625 MHz—4200GHz带通滤波器，当小区3发射功率较大时仍会出现阻塞干扰，造成该极化绝大部分节目出现失锁现象;当小区3发射功率下降时，干扰情况逐渐改善。当且仅当小区3发射功率降低至40 W及以下时，干扰现完全消除，因此确认小区3为具体干扰源。上述测试结果间接印证了《干扰协调指南》第3和第6小点的有效性，并能得出实现两系统邻频共存只需要调整基站的具体干扰小区这一结论。
　　图5为5G NR基站功率200 W、默认场景、加装带通滤波器的中星6B-V频谱。图6为基站小区3功率40 W、其余小区功率200 W、默认场景、加装带通滤波器的中星6B-V频谱。
　　由图5可知，当5G通信基站满功率发射时，3 600 MHz
　　—3 700 MHz出现干扰波形。对比图5和图6可知，当基站小区3发射功率由200 W降低至40 W时，3 600 MHz—3 700 MHz频谱畸变变小，干扰减小，3 620 MHz处的噪声电平下降10 dB以上（55.75 dB-45.66 dB=10.09 dB），与发射功率下降7 dB（10lg（200W/1mW）-10lg（40W/1mW）=6.989 7dB）的理论计算值相近。尝试将小区3发射功率恢复至80 W，频谱未出现明显变化，可判断上两种情况带外功率落入3 600 MHz—3 700 MHz的功率都低于天线底噪，且存在一个邻频干扰的临界点。
　　2.4  通过临界点测算隔离度差值
　　为了验证5G NR基站小区3功率40 W、其余小区功率200 W、默认场景、加装带通滤波器时，是否处于临界状态，将卫星中频信号接入码流分析仪的QPSK模块进行传输指标分析。图7和图8分别为3 640 MHz节目和3 680 MHz节目的QPSK星座图及QPSK TR101 290告警，为更清晰地进行表述，QPSK星座图只保留第一、二象限，省略第三、四象限。
　　如图7所示，3 640 MHz的QPSK星座图部分点游离在外，其维特比译码输出误码率为2.23×10-4，稍大于门限值2.0×10-4，QPSK TR101 290中出现大量连续计数错误。如图8所示，3 680 MHz的QPSK星座图聚集情况要优于3 640 MHz，其维特比译码输出误码率为4.32×10-6，小于门限值，QPSK TR101 290无告警。经过卫星机纠错，3 640 MHz节目码流无TR101 290告警，播出正常，因此可估计小区3功率40 W、其余小区功率200 W、默认场景、加装带通滤波器，是一个邻频干扰的临界点。由于在LNB前加装带通滤波器理论能够增加约45 dB的隔离度，再增加约10 dB隔离度至55 dB，应可恰好消除邻频干扰。如果能增加到15 dB至60 dB，则卫星天线系统抗干扰的余量将更为充足。
　　3   缓解干扰的具体措施
　　卫星天线安装滤波器解决阻塞干扰后，同频干扰和邻频干扰就成为主要的干扰源，同频干扰非本文的主要讨论内容。总结本次干扰协调过程，带外抑制比ACLR是影响邻频干扰的大小的主要因素，只要能够全面解决好这个问题，便能实现5G通信基站对邻频C波段卫星地球站的邻频共存。因此，建议可优先考虑采用如下措施解决邻频干扰： 　　（1）在5G NR基站加装带通滤波器，提高5G NR基站的带外抑制比，邻频100 MHz的带外隔离度提高10～15 dB，即ACLR由45dB提高到60 dB，则协调半径可由4 km下降到1 km，此项工作对设备的技术参数提出了更高要求，需设备厂家为主进行。
　　（2）降低5G NR基站发射功率，调整基站发射场景和发射小区，此项工作以通信运营商为主进行。
　　由于本文只对一个位置的卫星接收站的干扰情况进行了测试，数据还不够全面和完整。随着5G的预商用，5G通信基站必将会逐渐增多，造成干扰的因素也必将愈发复杂，需进一步进行测试和总结。设备厂家、通信运营商、卫星地面站三方通力协作，才能解决干扰问题，保证5G部署推广工作的顺利进行。
　　4   结束语
　　本文首先就5G通信基站对C波段卫星地球站的理论和实际干扰情况进行了介绍，然后通过多次联合电测以消除阻塞干扰和邻频干扰，并找出邻频干扰的临界点，最后给出缓解干扰的具体措施。由于各地5G通信基站和C波段卫星地球站的具体环境和距离不同，出現干扰的情况也不尽相同，因此有必要在按照《协调管理办法》要求做好协调工作的基础上，制定符合具体情况、切实可行的解决方案，以求实现5G系统与C波段卫星地球站之间的邻频共存，促进5G通信试验的顺利进行，保障卫星电视节目的安全播出。
　　本文初步证明了5G室外基站与3 600 MHz—3 700 MHz的C波段卫星地球站邻频共存间隔距离能够从4 km缩短至1 km以内，甚至可能缩短到200 m以内（本次测试距离仅为120 m）。另外考虑到各国在广州市中心的越秀区、天河区、海珠区共设有63个驻华领馆，大部分自建有卫星接收天线，若按照4 km的间隔距离进行布点，在广州市中心将无法完成5G信号覆盖。因此本文对提高卫星转发器的使用率，缩短5G基站布点距离，提高5G信号覆盖强度，加快5G技术部署，具有非常重要的意义。
　　参考文献：
　　[1]     工业和信息化部. 3000-5000 MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台（站）干扰协调管理办法[Z]. 2018.
　　[2]     国家广播电视总局司局. 3000-5000 MHz频段第五代移动通信基站与卫星地球站等无线电台（站）干扰协调管理办法（征求意见稿）[Z]. 2019.
　　[3]   ITU. ITU-R S 2199-0： Studies on compatibility of broadband wireless access （BWA） systems and fixed-satellite service （FSS） networks in the 3400-4200 MHz band[R]. 2010.
　　[4]     高少君，郭严，刘世贵，等. GY/T 147-2000 卫星数字电视接收站通用技术要求[S]. 2000.
　　[5]    田议，李胜利，李培红，等. GY/T 11442-2017 C频段卫星电视接收站通用规范[S]. 2017.
　　[6]     肖孙圣，潘梁，章苏. GY/T 148-2000 卫星数字电视接收机技术要求[S]. 2000.
　　作者简介
　　梁刚毅（orcid.org/0000-0003-4817-845X）：工程师，毕业于中国传媒大学，现任职于广州珠江数码集团股份有限公司播控中心，主要从事有线数字播控前端系统和IP电视业务系统的设计、建设和运维工作。
　　许斌：工程师，现任广州广播电视台发射传送部副主任，主要从事电视制作、节目传送、无线发射和卫星接收系统设计、建设和运维管理工作。
　　朱勤伟：教授级高级工程师，毕业于上海交通大学，现任广州珠江数码集团股份有限公司播控中心负责人，主要从事有线电视网络传输、高清数字电视和超高清电视系统的设计、建设和运维管理工作。
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