北斗 S 信號受地面 5G 干擾影響分析及對策研究

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施，為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度、高可靠、高實(shí)時(shí)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，也為我國國家安全提供重要的基礎(chǔ)保障。衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（Radio-Determination Satellite Service，RDSS）是北斗系統(tǒng)特色優(yōu)勢服務(wù)，可為我國及周邊用戶提供快速定位、位置報(bào)告及短報(bào)文通信服務(wù)。

北斗 RDSS 業(yè)務(wù)自 2003 年正式開通以來，服務(wù)連續(xù)穩(wěn)定、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在我國國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面都發(fā)揮了重要作用。在北斗系統(tǒng) 3 個(gè)發(fā)展階段中，RDSS 業(yè)務(wù)從信號體制到服務(wù)模式等各個(gè)方面都取得了較大發(fā)展。2020 年 7 月 30 日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著新一代 RDSS 正式提供服務(wù)。相比于北斗二號 RDSS，北斗三號 RDSS 實(shí) 現(xiàn)了覆蓋區(qū)域拓展、服務(wù)容量擴(kuò)大、終端功耗降低等一系列技術(shù)體制升級。

第五代移動通信系統(tǒng)（5G）具有高速率、低時(shí)延等特點(diǎn)，是我國重點(diǎn)發(fā)展的通信基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)和信息化部將 5G 頻率劃分為 4 個(gè)頻段：2 515～2 675 MHz，3 300～3 400 MHz，3 400～3 600 MHz 和 4 800～4 960 MHz，其中，2 515～2 675 MHz 頻段與北斗 RDSS 出站信號頻率相鄰，隔離帶僅 15 MHz。2018 年 12 月工信部發(fā)布的 5G 射頻征求意見稿規(guī)定，2 515～2 675 MHz 頻段 5G 信號在 2 483.5～2 500 MHz 內(nèi)的帶外無用發(fā)射信號最大值 為-40 dBm/MHz，2021 年初發(fā)布的試行稿[1]中該指標(biāo)修訂為-43 dBm/MHz，即 5G 信號泄漏到北斗RDSS 出站信號頻帶內(nèi)的功率約為-30.8 dBm。

北斗系統(tǒng)是一個(gè)星基導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其落地電平低，容易受到外部系統(tǒng)的干擾[2]。北斗 S 信號的落地電平約為-127 dBm，比 5G 信號泄漏的功率低 近 100 dB，且二者頻率相隔較近，5G 信號將對北斗 RDSS 業(yè)務(wù)造成干擾。

北斗和 5G 均為國家重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，二者的電磁兼容是保證 2 個(gè)系統(tǒng)共同健康發(fā)展的基本前提。2011 年，美國聯(lián)邦通信委員會就以干擾 GPS 接收機(jī)為由，無限期暫停 LightSquared 公司運(yùn)營 4G 網(wǎng)絡(luò)[3]。文獻(xiàn)[4]給出了 LTE 系統(tǒng)對 GPS 和 Galileo 的影響模型。文獻(xiàn)[5]從射頻角度分析了 4G 信號與北斗二號 RDSS 之間的干擾，給出了 4G 對 RDSS 造成的帶外干擾的分析方法。

本文針對北斗S信號與地面5G的兼容性問題，首先分析了北斗 S 信號特征，并將地面 5G 的干擾分為帶內(nèi)干擾和帶外干擾，重點(diǎn)分析帶內(nèi)干擾對信號的影響；然后從理論上分析了北斗 S 信號受地面5G 干擾影響，并利用實(shí)際北斗 S 信號和 5G 基站對其進(jìn)行了測試；最后從不同角度提出了降低地面 5G 對北斗 S 信號干擾的策略。

北斗三號 RDSS 的信號體制在北斗二號的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。隨著北斗三號正式開通，北斗三號RDSS 將逐步取代北斗二號 RDSS，向用戶提供服務(wù)。為此，下面以北斗三號 RDSS 為例，對北斗 S 信號特征進(jìn)行分析。

RDSS 信號鏈路可分為入站鏈路和出站鏈路，入站鏈路是指 RDSS 用戶機(jī)向主控站發(fā)送服務(wù)申請的信號鏈路；出站鏈路是指主控站向用戶機(jī)播發(fā)服務(wù)信息的信號鏈路。從 RDSS 用戶機(jī)角度，RDSS的入站信號位于 L 頻段，具體頻率為 1 610～1 626.5 MHz；出站鏈路位于 S 頻段，具體頻率為 2 483.5～ 2 500 MHz。由于入站信號頻段與 5G 信號頻段相隔較遠(yuǎn)，因此，下面主要分析 RDSS 的出站信號。RDSS 出站信號采用直接擴(kuò)頻序列，中心頻點(diǎn)為 2 491.75 MHz，工作帶寬 16.5 MHz，調(diào)制方式為QPSK[6]。用戶機(jī)接收的北斗 S 信號可表示為：

式中， A 為信號幅度；c(t) 為擴(kuò)頻碼；f0 為載波頻率；?0 為初相；d(t) 為電文；下標(biāo) p 和 d 分別表示導(dǎo)頻支路和電文支路；n(t) 為零均值高斯白噪聲。

從北斗 RDSS 用戶機(jī)角度，外部系統(tǒng)造成的干擾可分為帶內(nèi)干擾與帶外干擾兩部分。帶內(nèi)干擾是由于干擾發(fā)射機(jī)中的功放、混頻器和濾波器等非線性器件在工作頻帶以外產(chǎn)生輻射信號分量，包括熱噪聲、諧波、寄生輻射、頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)物和互調(diào)產(chǎn)物等落入北斗RDSS出站信號頻段內(nèi)，導(dǎo)致北斗RDSS 用戶機(jī)的底噪抬升，造成靈敏度損失。帶內(nèi)干擾頻譜示意圖如圖 1 所示。

圖 1 帶內(nèi)干擾頻譜示意

帶外干擾是由于干擾信號在北斗 RDSS 出站信號的相鄰頻段注入，使北斗用戶機(jī)的非線性器件產(chǎn)生失真，甚至飽和，造成其靈敏度損失。帶外干擾頻譜示意圖如圖 2 所示。

圖 2 帶外干擾頻譜示意

帶外干擾可通過提升接收機(jī)濾波的帶外抑制指標(biāo)來削弱，帶內(nèi)干擾則主要依靠擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻增益抑制。下面主要分析帶內(nèi)干擾的影響。帶內(nèi)干擾對 S信號的影響可以用等效載噪比進(jìn) 行評估。當(dāng)存在帶內(nèi)干擾時(shí)，可以用等效載噪比來描述信號質(zhì)量，其表達(dá)式為[7]：

式中，Cs為有用信號功率；N0為噪聲功率譜密度；為干擾信號功率；為有用信號的歸一化功率；為有用信號與干擾信號之間的譜分離系數(shù)；分別為有用信號和干擾信號的功率譜密度；?為用戶機(jī)前端帶寬。譜分離系數(shù)描述了有用信號功率譜與干擾信號功率譜的一致性（重疊程度），是擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻增益的頻域表現(xiàn)。

式（2）表明，帶內(nèi)干擾對等效載噪比的影響與干擾功率和譜分離系數(shù)相關(guān)，干擾功率和譜分離系數(shù)越大，等效載噪比惡化越嚴(yán)重。

下面仿真了不同出站信息速率條件下等效載噪比隨干擾功率的變化。仿真中，假設(shè)信號功率為-127 dBm，5G 信號對 RDSS 用戶機(jī)的帶內(nèi)干擾的功率譜是平坦的，噪聲溫度為 290 K，用戶機(jī)前端帶寬為 16.5 MHz。等效載噪比隨帶內(nèi)干擾功率變化的仿 真結(jié)果如圖 3 所示。

圖 3 等效載噪比隨帶內(nèi)干擾功率的變化

從圖 3 可以看出，隨著帶內(nèi)干擾功率不斷增加，等效載噪比惡化不斷加劇。當(dāng)帶內(nèi)干擾功率低于-108 dBm 時(shí)，等效載噪比惡化低于 1 dB；當(dāng)帶內(nèi)干擾功率高于-103.5 dBm 時(shí)，等效載噪比低于 44.7 dBHz 的電文解調(diào)門限。

由于信號存在傳輸損耗，因此，當(dāng)用戶機(jī)與基站間距離不同時(shí)，所受的干擾業(yè)務(wù)不相同。自由空間的傳輸損耗為：

式中，F(xiàn) 為信號頻率，單位 MHz；D 為傳輸距離，單位 km；L 單位為 dB。 

圖 4 仿真了不同距離下，5G 信號對 RDSS 用戶機(jī)的干擾情況。仿真中，假設(shè)信號功率為-127 dBm，噪聲溫度為 290 K，5G 信號對 RDSS 用戶機(jī)的帶內(nèi)干擾的功率譜是平坦的，干擾功率譜密度分別為-40 dBm/MHz 和-43 dBm/MHz[1]，用戶機(jī)前端帶寬為 16.5 MHz。仿真中假設(shè)北斗 S 信號和 5G 信 號均無遮擋，且基站和用戶機(jī)的天線均為全向天線。

圖 4 等效載噪比隨 5G 基站距離的變化

從圖 4 可以看出，若 5G 信號在北斗 S 頻帶內(nèi)的無用功率為-43 dBm/MHz，則用戶機(jī)的正常解調(diào)電文的安全距離為 40 m，即當(dāng)用戶機(jī)距基站超過 40 m 時(shí)，5G 基站的干擾可忽略；若 5G 信號在北 斗 S 頻帶內(nèi)的無用功率為-40 dBm/MHz，則最小安全距離為 60 m。

需要注意的是，當(dāng)前分析采用自由空間的傳輸損耗，對于實(shí)際的損耗可能還存在陰影衰落、穿透損耗等，而 5G 基站的發(fā)射天線通常不是全向天線，后續(xù)還需要 5G 基站發(fā)射天線、信道傳播條件等相關(guān)參數(shù)以支持更完善的影響分析。

在實(shí)際 5G 環(huán)境中測試 5G 基站對 RDSS 通信成功率的影響。將 5 臺 RDSS 用戶機(jī)分別放置于距5G 基站不同距離，其中，3 臺配置了較強(qiáng)干擾濾波器、2臺無專用抗干擾濾波器，測試距離分別為30，40 和 60 m。每個(gè)測試點(diǎn)位進(jìn)行 1 000 次通信測試。

測試點(diǎn)的 5G 基站和附近的 5G 信號分布如圖 5 所示。

圖 5 5G 發(fā)射天線

不同類型北斗RDSS用戶機(jī)與單基站在不同距離情況下的成功率如表 1 所示。其中，抗干擾濾波器抗帶外干擾能力為 50 dB。 

表1 不同類型RDSS用戶機(jī)在不同距離處的通信成功率

通過上述理論仿真與實(shí)際測試可知，地面 5G信號對北斗 S 信號是客觀存在干擾影響的。由于北斗 S 信號的落地電平遠(yuǎn)低于地面 5G 信號電平，因此，提升二者的兼容性主要考慮減小地面 5G 對北 斗 S 信號的干擾?？梢圆捎?3 種策略提升兩系統(tǒng)的兼容性。

① 從北斗 RDSS 系統(tǒng)角度，提升 RDSS 出站鏈路信號發(fā)射功率，采用擴(kuò)頻增益較大的擴(kuò)頻碼，可以提升 S 信號抗帶內(nèi)干擾的能力。

② 從北斗 RDSS 用戶機(jī)角度，提升帶外抑制性能是削弱地面 5G 造成的帶外干擾有效方法。

③ 增大對 5G 基站發(fā)射信號的約束，降低地面5G 信號在北斗 S 頻段內(nèi)的無用發(fā)射功率。

上述 3 種策略中，第 1 種和第 2 種是從北斗系統(tǒng)角度，提升系統(tǒng)和用戶機(jī)的抗干擾能力。對于第 1 種策略，在系統(tǒng)建設(shè)完成后，其信號體制和發(fā)射功能就已經(jīng)確定，在很長一段時(shí)間內(nèi)將保持不變，因此，采用該策略的成本較大。對于第 2 種策略，提升用戶機(jī)帶外抑制性能的主要方法是提高濾波器的帶外抑制指標(biāo)，目前該指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)正在形成之中。第 3 種方法是從約束地面 5G 的角度，降低其對北斗 S 信號造成的帶內(nèi)干擾，這是一種“治本”的策略，但是，從 5G 射頻指標(biāo)征求意見稿到試行稿，該指標(biāo)已經(jīng)下降 3 dB，隨著后續(xù) 5G 基站組網(wǎng)越來越密集，對北斗影響也會更大，該指標(biāo)的改進(jìn)空間仍有待更深入研究。

針對北斗 S 信號與地面 5G 的兼容性問題，利用等效載噪比評估 5G 基站對 S 信號的影響，并進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明在北斗 S 信號和 5G 信號都無遮擋、且基站和用戶機(jī)的天線均為全向天線的情況下，用戶機(jī)與 5G 基站的安全距離為 40 m（以95%為成功率門限）。從北斗系統(tǒng)、RDSS 用戶機(jī)和5G 基站的角度，對比了 3 種提升北斗 S 信號和地面 5G 系統(tǒng)兼容性的方法。同時(shí)，由于北斗系統(tǒng)、地面 5G 系統(tǒng)都還在發(fā)展之中，上述 3 個(gè)方面的兼容性提升方法都還有待進(jìn)一步研究。