5G 發信干擾衛星下行（C-Band）研究

蘇 炯

（中國電信股份有限公司上海應急通信局，上海 200437）

1 引言

2G、3G、4G、5G，當代中國無線通信技術的發展進程非常迅速。2018年12月初，工信部許可批復三大運營商獲得5G 試驗頻率，這意味著全國范圍的大規模5G 試驗將展開。根據規劃，運營商預計2019年實現試商用、2020年實現商用，這意味著在今后的1、2年內，5G 基站將大規模部署于中國的城市與鄉村。而5G 頻率范圍（目前試驗頻率為中國電信（3400-3500 MHz）、中國聯通（3500- 3600 MHz）、中國移動（2515-2675 MHz 和4800- 4900 MHz），這與C 波段衛星地球站下行接收頻率（3625-4200 MHz）如此相近，我們發現，5G 信號干擾C 波段衛星下行接收的現象越來越多，一般表現為使衛星頻段的底噪抬升，影響了接收信號的載波質量，誤碼率居高不下，使解出的聲音抖動、圖像馬賽克、拉絲甚至花屏。

為解決5G 信號干擾C 波段下行接收的問題，筆者以電信5G和一套常見的C 波段下行系統為例，深入分析5G 干擾C 下行的基本原理，并以此為據設計一套合理的解決方案，旨在消除絕大多數情況下5G 信號對C 波段下行接收的干擾。

2 干擾測試設備

圖1

以上為一套常見的C 波段下行系統（主備），各部件品牌、型號如下：

（1）天線饋源：SAT-LITE technologies； MODEL 2411。

（2）LNA：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；LCC4S35-XX。

（3）D/C 下 變 頻 器：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；SCR4000BD。

（4）70/L 變 頻 器：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；LT3600。

（5）解碼器：ERICSSON；RX8200。

（6）下行頻譜分析儀：Anr itsu；MS2724C，頻譜儀設置如下，RBW（100 kHz），VBW（100 Hz），Scale（5 dB/div），同一參考電平-50 dbm。

圖2

圖2 所示使用最新的某品牌5G 基站車提供5G 信號，電信5G 帶寬范圍為3400-3500 MHz，最大發射功率200 W。

3 干擾現象觀察

圖3

圖3 為C 波段下行頻譜儀上觀察到的3.2-3.7 GHz 頻譜，分別為5G 基站不開啟、5G 基站開啟無業務和5G 基站開啟有業務3種情況下的狀態。可以看見，5G 基站不開啟時頻譜非常干凈，當開啟無業務時有一個極高功率的單載波（中心頻率3.45 GHz），并帶動附近250 M 左右范圍內的底噪抬升，當開啟并運行業務時，單載波變為調制波，并帶動整個500M SPAN 范圍內的底噪抬升，于邊緣處（3.7 GHz）都將近抬升了5 dB（-88 dbm 至-83 dbm）。

接下來觀察這個強信號對衛星C 波段下行的影響。

圖4

圖4 為C 波段下行頻譜儀上觀察到的3.625-4.2 GHz 頻譜，分別為5G 基站不開啟、5G 基站開啟無業務和5G 基站開啟有業務3種情況下的狀態。可以看見，當5G 基站開啟無業務時，頻譜狀態區別不大，但當5G 基站開啟并運行業務時，頻譜顯而易見的被“壓縮”了，不僅整體底噪平均抬升了2-3 dB，且信號電平被壓低了4 dB。

圖5

圖5 為C 波段下行頻譜儀上觀察到的3.9-4.1GHz 頻譜，分別為5G 基站不開啟、5G 基站開啟無業務和5G 基站開啟有業務3種情況下的狀態。比較后更加明顯的觀察到，當5G 基站開啟并運行業務時，節目載波的頻譜被“壓縮”了。

盡管看上去5G 信號只是將衛星C 波段下行的頻譜“壓縮”了幾個dB，但對其實際接收的影響幾乎是“致命”的。

如表1和圖6所示，以亞洲5號衛星信號為例，當5G 基站開啟運行業務時，不論是正、反極化，衛星上的大多數節目解碼器根本就鎖不住，僥幸鎖住的1、2個，也因為誤碼率奇高導致解出的圖像馬賽克、拉絲甚至花屏。

表1

圖6

4 干擾原理分析

從現象上看，大功率的5G 信號（超越普通衛星信號電平20 dB 左右甚至以上）會干擾衛星C 波段下行接收是基本確定了，然而從觀察到的頻譜上其影響并不直觀，只是將衛星C 波段頻譜（3.625GHz-4.2GHz）壓縮了，一不是同頻道或鄰道的相干，二不是雜散或互調產物混進有用載波造成其波形失真、包絡變形甚至被淹沒，所以經過初步判斷，其干擾類型應為人們常常忽略的阻塞干擾。

現在讓我們來看看無線通信系統間阻塞干擾的定義，它是指接收機在接收弱有用信號時，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內一個強干擾信號的干擾，其害處是將被干擾系統的接收機推向飽和而阻礙通信。本例中就是如此，3.4-3.5 GHz 的電信5G 信號，混進衛星下行天饋系統后經LNA 放大，其強度已經高于普通的衛星信號電平20 dB 以上，并且因為5G 系統使用的大規模多輸入多輸出（MIMO）天線，當業務爆發時利用其波形賦形技術形成方向性極強的窄波束，也就是說在頻率范圍內有可能存在多個高強度的業務信號，它們隨衛星C 波段的下行信號（3.625-4.2 GHz）一起進入接收機后，作用于接收機前段電路后，瞬間將接收機推向飽和而造成對有用信號增益的降低（受到抑制）或噪聲提高，使接收機接收有用信號的靈敏度下降，也就是阻塞。

下面，以兩個電壓旋轉矢量相加來解釋強信號阻塞干擾的原理。設有用信號Us=Uscosωst，干擾信號Un=Uncosωnt，當它們疊加在一起時，合成信號為Ub=Us+Un=Uscosωst+ Uncosωnt，三 角 變 換 后（Un＞＞Us），得 到Ub=Un[1+ycos（ωs- ωn）t]cos[ωnt+ysin（ωs-ωn）t]=Un（1+ycosλt）cos（ωnt+ysinλt），其中，y=Us/Un，λ=ωs-ωn。這是一個調幅調相波，式中，Un（1+ycosλt）相當于一個調幅波；y 為調幅度；λ 為調制頻率，而Uncos（ωnt+ysinλt）相當于一個調相波。由此可見，一個有用信號（弱的）與一個干擾信號（強的）疊加后將變成一個頻率以干擾信號的載頻為中心的調幅調相波，其幅度變化反映有用信號的包絡調制規律。當強干擾和弱信號被接收機接收后，工作在高頻放大或混頻級的晶體管傳遞特性進入飽和區或截止區而呈現非線性，經過鑒頻器前的雙向限幅。合成信號的包絡大部分被削掉而只保留了調相部分，由于保留了調相部分，故合成信號的相位變化中還會有有用信號，但由于Un＞＞Us，y 很小，而干擾信號Un 卻很大，因而使輸出信噪比顯著下降，形成靈敏度降低和阻塞。干擾信號幅度Un 越大，阻塞越嚴重。

5 干擾解決手段

在了解5G 信號干擾衛星C 波段下行的基本原理后，在現有條件下，提出解決方案如下：

（1）衛星站與5G 基站盡量保持一定的距離，使5G 的發信信號經空間損耗到達衛星站時已衰減至不會影響衛星站的收信。

（2）在有重要業務的衛星站周圍限制5G 基站的發射功率、天線高度，并建議為5G 規劃更多、更高的頻率資源，在重點區域避免使用3.4-3.7GHz，以避免對3.625-4.2GHz 的衛星C 下行造成干擾。

（3）衛星C 波段下行端加裝帶通濾波器。

圖7

圖8

以方案3為例，如圖7、8所示，在LNA 前端加裝帶通濾波器（標稱通帶3.7-4.2GHz，插入損耗0.4dB）。

圖9

安裝后5G 基站開啟運行業務，此時觀察頻譜（依次為3.2-3.7GHz，3.625-4.2GHz，3.9-4.1GHz），可以看見，5G 載波被很好的抑制在一定范圍內，其電平已經低于衛星信號，并且衛星節目的頻譜也從“壓縮”狀態中恢復正常。

此時觀察節目接收效果：通過表2可以看見，同樣以亞洲5號衛星信號為例，在LNA 前端加裝帶通濾波器后，能很好的使誤碼率大大降低，接收節目恢復正常，并且與表1比較后發現，C/N 余量普遍存在1-2dB 的減少，此為濾波器的插入損耗，也屬可容忍的范圍之內。

表2

6 結束語

綜上，電信5G 信號（3.4-3.5GHz）在其覆蓋范圍內干擾衛星地球站C 波段下行的接收已是確定的事實，具體表現為5G的發信強信號（業務并發時強度尤其大）隨C 下行的弱信號經LNA 或LNB 放大后，進入接收機時造成阻塞干擾，使有用的C 下行弱信號受到抑制或噪聲抬高，從而接收機失鎖或解出的圖像拉絲、馬賽克或者花屏，下行直接崩潰。就目前的條件來說，在衛星收信端的LNA 前加裝帶通濾波器，排除3.4-3.7GHz 的強信號進入，能夠基本解決下行崩潰問題，使C 波段收信恢復正常。然而，時至今日，5G 仍然在大規模的測試當中，技術也在不斷的演進和調整，我們會一直關注，特別是其對衛星C 波段下行收信的干擾變化，畢竟這個“黃金頻段”內如今還運行著大量的廣播電視、氣象觀察、民航通信、軍事通信等業務。