UWB 信號(hào)與5G 設(shè)備同頻干擾分析

謝劍德

（中貝通信集團(tuán)股份有限公司,湖北 武漢 430023）

0 引言

5G 所具有的優(yōu)勢(shì)使日常生活出現(xiàn)了很大的變化，如其低時(shí)延、傳輸快等特點(diǎn)，頻段附近有著不少的無(wú)線電業(yè)務(wù)，其被干擾更加突出，其中就包括UWB 信號(hào)。頻段部分共同使用很大程度上決定5G 信號(hào)調(diào)解，因此針對(duì)5G 和UWB 信號(hào)有必要對(duì)二者的同頻干擾進(jìn)行分析。通過聯(lián)合鏈路級(jí)仿真達(dá)到了同頻干擾分析，而且實(shí)測(cè)研究了UWB 信號(hào)給5G 的影響。無(wú)論是仿真還是實(shí)測(cè)分析均表明了在距離很近時(shí)將被UWB 信號(hào)影響，不過當(dāng)距離超過40cm 時(shí)干擾已不突出。本文所提出的方式以及實(shí)測(cè)結(jié)果為信號(hào)共存提供了數(shù)據(jù)。

1 研究背景

5G 的效率非常高，有著低時(shí)延的特點(diǎn)，屬于新一代通信技術(shù)，可以促進(jìn)人機(jī)物互聯(lián)。我國(guó)運(yùn)營(yíng)商在2.6G等頻段上都構(gòu)建了寬帶是100Hz 的5G 系統(tǒng)。UWB 可以在短距離實(shí)現(xiàn)高速傳輸，屬于低功率無(wú)線技術(shù)。現(xiàn)階段該項(xiàng)技術(shù)的定位系統(tǒng)獲得了普遍的運(yùn)用，比如，蘋果公司就借助了UWB 進(jìn)行定位，有關(guān)定義認(rèn)為其絕對(duì)寬帶超過500Hz，同時(shí)中心頻率也超過了2.5Hz，相對(duì)寬度在25%以上的信號(hào)，被稱之為UWB 信號(hào)。現(xiàn)階段該系統(tǒng)和5G 存在一定的頻率重合現(xiàn)象。在UWB 持續(xù)發(fā)展中強(qiáng)化了對(duì)有關(guān)信號(hào)共存及干擾的研究，我國(guó)機(jī)構(gòu)還探討出了數(shù)據(jù)存取裝置（data access arrangement,DAA）策略。對(duì)UWB 和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（global systeˉ mfor mobile communications, GSM）信號(hào)干擾開展分析，利用衰減參數(shù)獲得結(jié)論，即GSM-900 的抗干擾性能非常強(qiáng)。同時(shí)還對(duì)UWB 和DAA 的影響開展了對(duì)比分析，明確了DAA 技術(shù)可以保護(hù)受擾源。在對(duì)5G 及UWB 等信號(hào)進(jìn)行分析的同時(shí)，還構(gòu)建了對(duì)寬帶通信系統(tǒng)起到一定限制的多陷波UWB 天線。然而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)UWB 和5G 的干擾研究，主要是對(duì)二者的共同利用進(jìn)行研究。二者都可以運(yùn)用在室內(nèi)定位中，實(shí)現(xiàn)二者有機(jī)結(jié)合可以有效增強(qiáng)室內(nèi)定位準(zhǔn)確性。借助5G 和UWB可以采用智慧定位技術(shù)，對(duì)場(chǎng)景中的物體開展有效定位；借助5G 承載網(wǎng)和UWB 定位技術(shù)以及多元化定位算法可以達(dá)到醫(yī)療高精度定位[1]。在這一過程中，借助UWB 可以達(dá)到5G 陣列波束成形，構(gòu)建UWB 波束成形方案，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，它的成本及功率可以減少97%左右，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了UWB-5G 蜂窩通信。在實(shí)際生活中，5G 有著普遍的運(yùn)用，可以同物聯(lián)網(wǎng)及衛(wèi)星定位等進(jìn)行結(jié)合。UWB 技術(shù)也在內(nèi)置芯片領(lǐng)域獲得了發(fā)展。對(duì)于5G 信號(hào)受干擾的現(xiàn)象，在衛(wèi)星天地一體化發(fā)展中借助5G 網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)衛(wèi)星通信某些頻段開展恢復(fù)，讓二者形成同頻干擾。由于UWB 的大量部署，再加上UWB 和5G 有著頻段重合的現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)二者的同頻干擾進(jìn)行深入研究，這有著較大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 UWB 及5G

（1）UWB。UWB 無(wú)線通信可以無(wú)須載波將時(shí)間間隔控制在最低以此開展通信。它屬于無(wú)載波通信技術(shù)，基于納秒到微微秒范圍完成數(shù)據(jù)傳輸。其抗干擾性非常強(qiáng)，具有較高的傳輸效率，而且容量比較大。該系統(tǒng)的發(fā)射功率相對(duì)較小，可以完成1mW 以下的通信。該特點(diǎn)極大地增加了電源工作時(shí)間。同時(shí)形成的電磁波輻射也不會(huì)危害人體，有著比較廣泛的應(yīng)用面。UWB如圖1 所示。

圖1 UWB

（2）5G。5G 屬于新一代通信技術(shù)，借助5G 通訊設(shè)施能夠促進(jìn)人機(jī)物有效互聯(lián)。在國(guó)際電信聯(lián)盟上對(duì)5G的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了定義，主要包含3 個(gè)場(chǎng)景：①增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，②眾多機(jī)器類通信，③低時(shí)延通信。對(duì)于第一類場(chǎng)景，一般運(yùn)用在互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)較快的情況下幫助用戶獲得極致的體驗(yàn)；對(duì)于第二類場(chǎng)景，一般運(yùn)用在智慧城市及家居上，主要將傳感及數(shù)據(jù)采集當(dāng)成目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用需求；針對(duì)第三類場(chǎng)景，通常運(yùn)用在工業(yè)控制及自動(dòng)駕駛等方面，其對(duì)可靠性要求非常高，主要是滿足垂直行業(yè)的需要。為實(shí)現(xiàn)5G 多樣化需求，應(yīng)保證其性能指標(biāo)多樣化設(shè)置。比如高速率、大連接等特點(diǎn)，應(yīng)保證用戶體驗(yàn)速率在1Gbit/s 以上，并且其時(shí)延在1ms 以下，連接能力超過每平方公里100 萬(wàn)Gbit/s連接。

3 第五代移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)線干擾技術(shù)

（1）信號(hào)有著頻率重疊。按照有關(guān)規(guī)定，對(duì)于UWB無(wú)線技術(shù)，其信號(hào)頻率范圍介于3244MHz～1.0161GHz，對(duì)于第五代移動(dòng)通信技術(shù)的頻段，其頻率介于410MHz～7.125GHz，并且針對(duì)毫米波段，將其規(guī)定為可用頻段。就5G 信號(hào)和UWB 信號(hào)而言，二者有著突出的頻率重疊。在基站（圖2）和發(fā)射機(jī)同步傳遞時(shí)，UWB 可能會(huì)覆蓋5G 信號(hào)。在接收基站信號(hào)時(shí)也將獲取干擾信號(hào)。所以若干擾信號(hào)功率大于調(diào)門限，那么解調(diào)將不成功，給5G 帶來(lái)較大的同頻干擾。

圖2 基站

（2）信道模型構(gòu)建。對(duì)于UWB 信道實(shí)驗(yàn)分析往往會(huì)構(gòu)建信道模型，通常采用式（1）來(lái)完成建模：

式中：r——損耗指數(shù)；Xδ——隨機(jī)變量；PLo（do）——功率消耗，一般情況下do 取1m。

（3）接近程度和濾波平均功率之比的定義及門限值。在信道試驗(yàn)過程中，將接近程度以及濾波平均功率之比當(dāng)作干擾程度度量，前者用誤差矢量幅度（error vector magnitude, EVM）表示，后者用鄰信道泄漏比（adˉ jacent channel leakage ratio, ACLR）表示，以此確定二者的定義以及門限值[2]。EVM 代表接收機(jī)（圖3）在對(duì)信號(hào)開展解調(diào)過程中形成的分量和理想分量比較接近，對(duì)于調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，這屬于一項(xiàng)不可或缺的指標(biāo)，同時(shí)還是衡量干擾程度的關(guān)鍵。按照有關(guān)定義最大接近程度值是3.5%，調(diào)制許可的值是17.5%。針對(duì)接收的非n46 與n96 信號(hào)，要求濾波平均功率之比的最小值是45dB。

圖3 接收機(jī)

4 基于聯(lián)合鏈路級(jí)仿真研究同頻干擾

4.1 場(chǎng)景構(gòu)建

借助Simulink 對(duì)單臺(tái)UWB 設(shè)備干擾情況開展場(chǎng)景構(gòu)建。新無(wú)線（new radio, NR）系帶信號(hào)形成將借助5G Waveform Generator APP 構(gòu)建滿足標(biāo)準(zhǔn)的5GNR 測(cè)試頻段信號(hào)，其寬度一般是10MHz。通過UWB 基帶信號(hào)構(gòu)建滿足要求的UWB 信號(hào)，其帶寬通常是499.2MHz。二者在進(jìn)行合路之后可以導(dǎo)入基帶波形，把5G 信號(hào)調(diào)至3550MHz，將UWB 信號(hào)調(diào)至3480MHz。接著利用應(yīng)用托管中心（application data center, ADC）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（圖4）借助解碼器獲取EVM 及ACLR 結(jié)果，同時(shí)生成星座圖。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

4.2 仿真結(jié)果研究

結(jié)合以上開展場(chǎng)景構(gòu)建，因?yàn)閁WB 信號(hào)具有超寬帶的特點(diǎn)，它的頻率范圍往往能夠覆蓋所有5G 信號(hào)。具體而言，一個(gè)變量interferer gain 相當(dāng)于5G 電壓或者是UWB 電壓，可以有效體現(xiàn)二者的功率比。

（1）沒有干擾時(shí)的場(chǎng)景構(gòu)建。在沒有UWB 干擾時(shí)開展場(chǎng)景構(gòu)建，將interferer gain 調(diào)整成0，在這一過程中，僅有5G 信號(hào)能夠抵達(dá)調(diào)節(jié)器。對(duì)1 子幀中的結(jié)果開展分析，借助仿真系統(tǒng)構(gòu)建ACLR 及EVW 分析圖。根據(jù)5G 頻譜信號(hào)可以得知ACLR 主要是為測(cè)量獲取的數(shù)值，其最大是94dB，在超過3GPP 的情況下是45dB。其EVM 均值一般是0.7%左右，最大值是2.1%，都是滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的，由此能夠構(gòu)建科學(xué)的星座圖。

（2）UWB 對(duì)5G 有著干擾。按照原有的設(shè)置把inˉ terferergain 設(shè)置成1，在這一過程中5G 和UWB 信號(hào)功率都將按照1:1 的比例進(jìn)行疊加，并對(duì)該合路信號(hào)開展解調(diào)。根據(jù)5G 頻譜來(lái)看，在有干擾的情況下出現(xiàn)了變化，鄰近的信道頻譜逐漸上升，并且ACLR 最大值開始下降，達(dá)到56dB，然而還是超過了45dB，可以達(dá)到第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd generation partnership project,3GPP）的標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)EVM 來(lái)看，它也逐漸增大，均值可以達(dá)到0.9%左右，最大值還低于3.5%，可以達(dá)到解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此可形成256QAM 星座圖。在有干擾的情況下會(huì)對(duì)5G 信號(hào)解調(diào)質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，由此可知UWB 有一定的干擾。

（3）干擾比較突出的現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)把interferer gain設(shè)置成3，在這一過程中5G 和UWB 信號(hào)功率是根據(jù)1:3 的比例進(jìn)行疊加，會(huì)產(chǎn)生很大的干擾現(xiàn)象，對(duì)合路信號(hào)開展調(diào)節(jié)，EVM 均值會(huì)越來(lái)越大，達(dá)到3%上下，甚至?xí)笥?.5%，在正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）中，EVM 最大值將在3.5%以上，對(duì)5G 信號(hào)中256QAM 解調(diào)產(chǎn)生較大的影響。從中能夠發(fā)現(xiàn)ACLR 最大值是37dB，達(dá)到了45dB 以下，鄰近信道將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，不利于5G 信號(hào)解調(diào)質(zhì)量。對(duì)此難以實(shí)現(xiàn)科學(xué)解調(diào)，并且還會(huì)對(duì)星座圖效果產(chǎn)生影響，256QAM 星座點(diǎn)會(huì)變成發(fā)散狀，由此可以看出受到了較大的干擾[3]。

5 基于暗室實(shí)測(cè)研究UWB 對(duì)5G 信號(hào)的影響

為了研究UWB 給5G 信號(hào)帶來(lái)的干擾，湖北省某無(wú)線電監(jiān)測(cè)站開展了暗室實(shí)測(cè)分析，結(jié)果表明：當(dāng)距離較近時(shí)，5G 被同頻UWB 所影響，在距離超過40cm 時(shí)，所形成的干擾較小，以下是詳細(xì)的分析內(nèi)容：因?yàn)橥鈭?chǎng)實(shí)測(cè)可能被電波影響，實(shí)測(cè)在暗室中開展。應(yīng)用的裝置是信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)分析儀等。分析儀通過全向天線接收，信號(hào)發(fā)生器和計(jì)算機(jī)銜接，通過天線發(fā)射信號(hào)。

實(shí)測(cè)頻率是3993MHz 的信號(hào)，基于接收機(jī)解調(diào)作用研究5G 受到的影響。借助頻譜儀解調(diào)選件來(lái)對(duì)EVM 值進(jìn)行解調(diào)，以捕捉UWB 信號(hào)開展研究，在100MHz 帶寬外的領(lǐng)道上可以找到毛刺[4]。通過解調(diào)軟件來(lái)獲取EVM 值，實(shí)測(cè)結(jié)果如下：5G 的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是10dBm，沒有干擾，EVM 值是3.201%；5G的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是10dBm，有干擾，EVM 值是3.321%；5G 的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，有干擾，EVM 值是27.033%；5G 的100MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，沒有干擾，EVM 值約為21.4%；5G 的10MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，沒有干擾，EVM 值約為18.5%；5G 的10MHz 帶寬，發(fā)射功率是-10dBm，有干擾，EVM 值約為21.0%；5G 的10MHz 帶寬，發(fā)射功率是10dBm，有干擾，EVM 值約為4.6%；5G 的10MHz帶寬，發(fā)射功率是10dBm，沒有干擾，EVM 值約為4.2%。

在對(duì)照組下，有著干擾時(shí)EVM 值均會(huì)變大，表明對(duì)5G 形成干擾。發(fā)射功率較大，EVM 均低于5%；在發(fā)射功率降低到-10dBm 時(shí)惡化突出，表明被較大干擾。需要注意的是在暗室進(jìn)行測(cè)試過程中，雖然是借助熒光譜功能，卻還是難以獲取UWB 信號(hào)，僅在UWB 發(fā)射機(jī)與頻譜儀天線在40cm 以下的情況下才能獲取UWB發(fā)射信號(hào)，因此在有UWB 信號(hào)時(shí)，5G 信號(hào)解調(diào)至EVM值也將隨之變大。從中可以看出，UWB 信號(hào)會(huì)對(duì)5G 信號(hào)產(chǎn)生干擾，然而僅有在UWB 設(shè)備與5G 接收機(jī)距離在40cm 以下時(shí)才會(huì)看到，具體在UWB 功率大、數(shù)量多的情況下會(huì)對(duì)5G 信號(hào)造成嚴(yán)重影響，這也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文借助聯(lián)合仿真探析了UWB 對(duì)5G 信號(hào)的影響，并且建立了實(shí)測(cè)場(chǎng)景，通過頻譜儀獲取對(duì)5 信號(hào)的影響結(jié)論。無(wú)論是仿真還是實(shí)測(cè)分析均表明了5G 能被UWB 所影響，不過當(dāng)距離低于40cm 時(shí)，所形成的干擾已不突出，5G 信號(hào)能夠正常解調(diào)。本文所提出的分析方式以及結(jié)論，對(duì)制定抗干擾措施有著一定的價(jià)值。