5G基站對衛(wèi)星地球站的干擾分析
隨著時代的發(fā)展，以信息技術(shù)為代表的科技和產(chǎn)業(yè)正在逐步升級，2017年11月25日，工信部正式發(fā)布了《關(guān)于5G通訊系統(tǒng)使用3300MHz～3600MHz和4800MHz～5000MHz頻段相關(guān)事宜的通知》，劃定了5G系統(tǒng)可用頻率。衛(wèi)星地球站下行頻率主要使用標(biāo)準(zhǔn)C波段3700MHz～4200MHz，也有部分衛(wèi)星業(yè)務(wù)頻率使用擴展C波段3400MHz～3700MHz,這樣5G系統(tǒng)使用的頻率與衛(wèi)星C波段下行頻段3400MHz～4200MHz內(nèi)的部分頻率重疊，將對衛(wèi)星廣播電視信號的正常接收造成干擾,必須考慮采取技術(shù)措施認真加以應(yīng)對。
中國移動獲得5G頻譜的兩段即2515MHz～2675MHz、4800MHz～4900MHz，中國電信獲得5G頻率是3400MHz～3500MHz，中國聯(lián)通5G頻率是3500MHz～3600MHz。從以上分配的5G頻率范圍來看，中國電信和中國聯(lián)通的5G頻譜對衛(wèi)星擴展C波段下行頻率3400MHz～3600MHz會形成同頻干擾，5G頻率與C波段下行頻率3700MHz～4200MHz接近，容易產(chǎn)生鄰頻干擾（如圖1示）。
圖1 衛(wèi)星接收系統(tǒng)受5G干擾類型示意圖
地面衛(wèi)星接收系統(tǒng)主要由接收天線、高頻頭、高頻同軸電纜、功分器和衛(wèi)星接收機組成。國內(nèi)常用的C波段高頻頭工作頻段在3400MHz～4200MHz,它由低噪聲放大器、混頻器、本振、中頻放大器等電路組成(如圖2所示)，其中低噪聲放大器簡稱LNA,混頻器、本振等電路組成低噪聲變頻器簡稱LNB,高頻頭總功率增益約為60dB，它的作用是將C波段衛(wèi)星下行信號進行放大，并下變頻為L波段950MHz～1750MHz信號，輸入至室內(nèi)單元衛(wèi)星接收機。
5G信號頻譜在衛(wèi)星接收系統(tǒng)高頻頭的工作頻段內(nèi)，經(jīng)過衛(wèi)星接收天線進入高頻頭的信號有衛(wèi)星下行信號和5G信號，并且經(jīng)過LNB變頻及中頻放大后的5G信號與衛(wèi)星下行信號一起送至接收機。接收系統(tǒng)能否受到5G信號干擾，主要看LNA/LNB或接收機內(nèi)部放大電路是否工作在線性區(qū)。
依據(jù)國際電聯(lián)ITU-RS.2199-0報告，當(dāng)進入衛(wèi)星接收站的干擾信號總功率超過-60dBm時，低噪聲變頻放大器LNB將產(chǎn)生飽和干擾。根據(jù)廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GY/T148-2000衛(wèi)星數(shù)字電視接收機技術(shù)要求》，衛(wèi)星接收機的輸入電平適應(yīng)范圍是：-65dBm～-30dBm，過高的輸入電平可能導(dǎo)致衛(wèi)星接收機產(chǎn)生飽和干擾或阻塞干擾。
經(jīng)測試正常接收的衛(wèi)星信號在天線饋源輸出的載波功率約為-120dBW，微弱的信號通過低噪聲放大器及第一中頻放大器的放大，其輸出端的載波功率約為-25dBm,接收機能正常工作。當(dāng)有5G信號干擾且干擾電平幅度較大時高頻頭的輸出可達到0dBm，使接收機“死機”，造成接收信號中斷。衛(wèi)星接收機的輸入電平應(yīng)該在接收機規(guī)定的指標(biāo)范圍之內(nèi)，若輸入信號過強，則在接收機內(nèi)部會產(chǎn)生較大的非線性失真，引起電視圖像出現(xiàn)馬賽克甚至黑屏，進入接收系統(tǒng)干擾信號的強弱決定干擾程度的大小。
圖2 LNB組成框圖
衛(wèi)星地球站用較大的功率將節(jié)目信號發(fā)送至衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處理后再經(jīng)過約35786公里下行到達地面，供地面接收。
衡量衛(wèi)星向地面輻射能力的重要參數(shù)EIRP代表衛(wèi)星發(fā)送功率和天線增益的綜合性能。衛(wèi)星的EIRP值指衛(wèi)星發(fā)射天線出發(fā)口的數(shù)值，一般約為40dBW/36MHz，該數(shù)值由衛(wèi)星公司提。衛(wèi)星的等效全向輻射功率越高，到達地面的場強越強。衛(wèi)星下行信號從太空到達地面接收點的途徑中存在傳輸損耗，用L0表示：
其中指傳輸信號的波長，d代表信號傳輸距離。地球上任何一個接收點到同步衛(wèi)星的距離在35786Km～41678Km之間,C波段下行頻率取4GHz，代入上式得到自由空間傳播損耗的取值范圍:L0=196.2±0.67dB,工程上一般取196.2dB(即下行信號經(jīng)發(fā)射天線到達地面的功率要損耗約196dB)，衛(wèi)星信號到達地面的功率密度約為-121.8dBm/100MHz。
以頻率為3500MHz～3600MHz的中國聯(lián)通5G基站為例，系統(tǒng)帶寬100MHz，查閱資料:發(fā)射系統(tǒng)為AAU設(shè)備的基站，3600MHz～3700MHz頻段內(nèi)最大無用輻射功率譜密度-26dBm/MHz，在3700MHz～4200MHz頻段內(nèi)的最大無用輻射功率譜密度為-47dBm/MHz,MIMO5G天線矩陣的最大增益25dB，5G基站線性區(qū)最大輸出功率53dBmW，即EIRP理論可達到78dBmW/100MHz?？梢钥闯?G信號強度遠大于衛(wèi)星下行信號強度，地面接收系統(tǒng)需采取其它應(yīng)對措施抵抗5G信號的干擾。
2019年9月中旬，我地球站播出的山西衛(wèi)視節(jié)目，監(jiān)測系統(tǒng)告警，A天線接收電視圖像不時出現(xiàn)“馬賽克”或“黑屏”的現(xiàn)象，觀察碼流分析儀接收誤碼率升高，抗干擾功率自動增益系統(tǒng)A天線接收信噪比降低且不時超出下限值甚至降到零（如圖3所示），此時我站上行發(fā)射功率正常，頻譜儀L波段下行信號在1550MHz～1650MHz頻段載波電平很高，此頻段為聯(lián)通3.5GHz～3.6GHz頻段5G信號經(jīng)LNB變頻后的頻率，分析干擾源來自聯(lián)通5G基站，與聯(lián)通運營商協(xié)調(diào)，對方稱他們正在調(diào)試我站周邊的5G基站，隨即聯(lián)通5G基站將功率降低，以上干擾現(xiàn)象得到緩解，在聯(lián)通運營商配合下暫停測試將基站關(guān)閉，上述干擾現(xiàn)象消失。
分析造成5G信號干擾我站下行接收的原因是：盡管所接收衛(wèi)星下行信號不與5G信號重疊，但由于5G基站測試時將發(fā)射功率一度加至接近滿載，以及5G基站帶外衰減指標(biāo)不佳，影響地球站接收正常節(jié)目信號信噪比下降，引起接收碼流誤碼率升高，使接收系統(tǒng)無法正常解調(diào)，接收圖像出現(xiàn)馬賽克，甚至電平幅度太高的5G信號進入LNA/LNB使其飽和引起接收信號中斷導(dǎo)致接收監(jiān)視黑屏。
為避免以上干擾現(xiàn)象的發(fā)生，我站將此接收系統(tǒng)進行了改造，在接收天線饋源輸出端與高頻頭之間加裝了窄帶濾波器，有效地抑制了帶外5G干擾信號，改造完成后經(jīng)過測試，該濾波器對5G信號的抑制度≥55dB,接收系統(tǒng)的Eb/N0劣化0.7dB,滿足系統(tǒng)性能要求。另外為了將5G干擾信號降到最小，協(xié)調(diào)聯(lián)通運營商在其5G基站功率輸出與發(fā)射天線間加裝了帶通濾波器，使我站電磁環(huán)境得到了更好的改善。
以上分析了衛(wèi)星接收系統(tǒng)的特點，經(jīng)過對5G基站信號與衛(wèi)星C波段下行信號比較，以及地球站接收系統(tǒng)受5G干擾的案例，可知采取頻率隔離等方法能抵御5G信號的干擾。
圖3 衛(wèi)星地球站受5G信號干擾接收載噪比降低
結(jié)合我地球站接收系統(tǒng)抗5G干擾改造實踐，在天線饋源口輸出及低噪聲放大器LNA或低噪聲變頻器LNB之間，加裝抗5G干擾的窄帶帶通濾波器，效果很好。工作頻率在3700MHz～4200MHz的帶通濾波器能有效濾除3.7GHz～4.2GHz的帶外干擾信號，可使射頻信號在高頻頭下變頻前起到抑制5G信號的作用。
另外在5G干擾電平較大的情況下，可加裝窄帶濾波器與更換窄帶高頻頭組合、或加裝屏蔽網(wǎng)以及選用旁瓣特性好的接收天線等抑制5G信號的干擾。
5G系統(tǒng)已經(jīng)正式開始運營，隨著用戶的增多，5G基站的發(fā)射功率會不同程度增大，今后C波段下行信號受5G干擾的問題會更加嚴(yán)峻。衛(wèi)星地球站要根據(jù)具體情況，系統(tǒng)全面地對改造設(shè)施進行評估測試，將5G信號可能帶來的干擾降至最低，確保衛(wèi)星廣播電視信號安全暢通。
作者介紹：
池秀清，男，1964年生，山西廣播電視臺衛(wèi)星傳輸中心工作，高級工程師，主要從事衛(wèi)星廣播電視技術(shù)方面的研究，曾參與過山西廣播電視衛(wèi)星地球站的建站工程及地球站擴容改造、標(biāo)清改造等重點項目。
