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5G基站与卫星地球站干扰协调测试与干扰优化验证

2022-07-23重庆信息通信研究院柏青青

电子世界 2022年1期
关键词:频段滤波器基站

重庆信息通信研究院 柏青青 周 韬 肖 雨

随着2018年12月3日工业和信息化部正式向我国三大电信运营商颁布了全国范围内5G中低频段试验频率使用许可,证明我国5G技术研发已经进入最后的试验阶段。5G试验频率明确对产业界意义重大,将大大加速产业链各个环节产品开发进程,有利于进一步推动我国5G产业链成熟和发展。但随着运营商5G基站的部署和运行,对广电卫星地球站产生了干扰,导致电视接收信号受到了影响。这种现象也引起了工业和信息化部的关注,并且出台了《3000-5000MHz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》来解决相应情况。

1 测试背景

2019年4月12日重庆市广播电视集团反应接收的3600MHz频率的北京鼎视传媒平台上星传输的新娱乐、收藏天下、百姓健康、教育就业四套节目出现严重马赛克现象,持续时间15:24ü18:42(时长198min),造成严重影响。

上述现象,足以证明5G基站的架构确实对现有的卫星地球站产生了很大的影响,对两个系统之间的干扰协调测试势在必行。必须尽快找出两者间的干扰信号,对其分析,想出解决方法,保证5G基站和卫星地球站互不干扰的正常工作。

2 5G基站系统与卫星地球系统间干扰模型

5G基站对卫星地球站的干扰模型如下面公式所示。α为地球站天线主轴与其在水平面的投影构成的角度,即地球站的仰角;φ为干扰方向与地球站主轴方向的空间离轴角。

单个5G基站对卫星地球站的干扰功率可由下式计算:

式中,IIMT为卫星地球站接收机输入端接收到的1MHz带宽内的干扰功率;PIMT为5G基站每MHz带宽的发射功率;为5G基站天线增益;为大范围的路径损耗;为卫星地球站接收天线增益;为周围无敌散射损耗;为邻信道泄漏比。

3 5G基站地球工作站的干扰协调测试系统

为了可以测试验证5G基站对卫星地球站的干扰影响,首先必须得到5G基站信号发射到卫星地球站天线端的功率大小。再根据得到的功率强弱,判断出可能会引起干扰的点,用卫星地球站系统架设验证,进一步确定干扰的存在。测试系统分两个步骤如图1、图2所示,第一步测试5G基站信号,系统由天线、LNA、滤波器、衰减器、GPS和频谱分析仪组成,主要用于测试5G基站周围5G信号的强弱。第二步测试系统主要由卫星地球站接收机组成,验证在产生强信号和杂散信号干扰的地方,卫星地球站是否会受到干扰,以及后续优化时验证效果。

图1 5G基站信号测试系统框架图

图2 卫星地球站干扰验证测试系统框图

干扰信号功率计算:

频谱分析仪上显示的功率不是接收天线处真实值,需要经过计算才能得到卫星地球站抛物面天线处的功率值。

4 干扰验证测试方案

4.1 基站功率测试

为尽可能的减少或降低测试验证工作对卫星地球站业务的干扰,通过本次测试验证工作,将研究制定并验证一套完整可行的5G基站与卫星地球站干扰协调的技术解决方案,作为5G基站大规模时的干扰协调提供一定的参考价值。

4.1.1 通过测试距离测试步骤

选择对象为一个典型城市基站5G基站1的发射频率在3500MHz-3600MHz之间。测试频段覆盖5G基站1发射频段以及卫星地球站接收频段。测试频段为3400-3600MHz、3600-3700MHz、3700-4200MHz、4500-4800MHz。

我们要对基站电磁辐射进行测试,为了更好的了解基站在不同距离的发射情况,分为以下步骤进行测试:

(1)在选取的5G基站1,让其处于关闭状态,在100m处测试该站点在测试频段内的背景噪声和已有信号情况;

(2)让该基站处于最大功率发射状态,将测试设备天线正对基站发射天线;

(3)根据标准GB 13615相关测试要求,在距离5G基站1100m位置处架设接收天线高1.5m,进行测试频段的扫描,掌握100m处5G基站1信号以及其杂散信号情况。

4.1.2 通过测试不同频段

(1)选取和方案1不同发射频段的5G基站2,在这里我们选取工作频段在2515MHz-2575MHz的5G基站2。测试频段覆盖5G基站2发射频段以及卫星地球站接收频段,测试频段为2500MHz-4800MHz。

(2)让该基站处于最大功率发射状态,将测试设备天线正对基站发射天线;

(3)根据标准GB 13615相关测试要求,在距离5G基站2100m位置处架设接收天线高1.5m,进行测试频段的扫描,掌握100m处5G基站2信号以及其杂散信号情况。

测试频率范围:950-4200MHz,天线极化:垂直,分辨率带宽:100kHz,视频带宽:100kHz,检波方式:峰值检波,轨迹显示:最大保持。

在现场测试开始之前,先确定5G基站地址,最好选取典型基站进行测试。对系统链路进行线路损耗校准,接收天线的天线增益以及低噪声放大器的增益记录下来。

测试结果分析:

基站1在正常运行状态下发射信号集中在主频3500-3600MHz范围内,在100m时基站信号强度较大,功率为-79.5dBm,另在100m测试位置是产生3415-3500MH杂散信号,杂散信号最大功率-120.1dBm。基站2在正常运行状态下发射信号集中在主频2515-2575MHz范围内,在100m时基站信号强度较大,功率为-76.9dBm,在测试点均未发现杂散信号。基站3在正常运行状态下发射信号集中在主频3400-3500MHz范围内,在100m时基站信号强度较大,功率为-77.3dBm,在测试点均未发现杂散信号。

一般卫星地球站C频段卫星的等效辐射功率(EIRP)一般约为40dBW,折算成功率可为-74.4dBm。静止卫星轨道高度为35786km,经过下行传输路径损耗约为195dB。由此可以得出卫星信号达到地面的功率密度为-120.6dBm。

测试结果如图3、图4所示,分别计算出5G基站功率在3555MHz处为-79.5dBm,在3450MHz处为-77.3dBm,高出卫星信号达到地面功率,5G基站功率高出40dBm以上。由于5G信号强度高于原有卫星地球站有用信号强度,可能会引起信干比下降从而引起同频干扰和接收器件的饱和干扰,影响卫星地球站接受质量,导致电视信号等业务出现异常,严重的甚至会导致信号中断。

图3 100m基站1开启状态(3400-3600MHz)

图4 100m基站2开启状态(3400-3600MHz)

4.2 5G基站与卫星地球站的干扰验证

根据上面测试结果,我们选出基站1100m测试点、基站2100m测试点作为验证测试观察点,基站高度20m,路径视距无遮挡,地球站天线仰角45°。

5G基站与卫星地球站干扰验证结果:在100m基站1开启时,接受图像出现马赛克干扰频段3550MHz。

通过测试结果我们可以得到卫星地球站在特定场景中会受到5G基站系统的饱和干扰和5G基站产生的带外无用发射也就是杂散信号的邻频干扰。受到影响的卫星地球站可能会出现信号中断,电视画面质量变差等现象。且发现通过测试发现工作频段越靠近卫星地球站接收频率的5G基站,有越高的几率会对卫星地球站造成干扰。两个系统如果距离越近造成干扰的几率也越大。造成干扰的主要原因是因为5G基站干扰信号强度超过卫星地球站有用信号链路允许的干扰保护门线,导致信干比下降无法正常解调。更严重的干扰信号超出卫星地球站接收系统器件先行工作区,长生饱和,使器件无法正常工作甚至烧毁。

5 5G基站与卫星地球站系统间优化及效果测试

5.1 优化方式

由于国家近几年在大力发展推广5G,且5G使用频段要远窄于卫星地球站接受使用频段。为了不影响5G的使用发展,应该优先从卫星地球站着手考虑优化措施。对于工作在3400-3700MHz之间的卫星地球站应先考虑工作频率迁移到3700-4200MHz的措施。对于有些无法迁移的业务,再通过加屏蔽网或者从5G基站进行调整来消除干扰。

对于已经工作在或者迁移工作在3700-4200MHz的卫星地球站仍收到干扰的情况,主要考虑增加滤波器或者更换屏蔽效能更好的LNA的方法进行优化。如果达不到理想效果,再考虑从5G基站进行调整来消除干扰。

5.2 优化验证测试

5.2.1 增加滤波器优化验证测试

(1)选取会受到5G基站干扰的卫星地球站作为优化验证目标。

(2)测试受到5G基站干扰的卫星地球站的中频信号频谱图和电视直播画面,观察受干扰的情况。

(3)在卫星地球站接收天线和LNB之间添加一个3700-4200MHz的带通滤波器,滤波器的要求建议如下:接口为BJ40法兰盘;输入输出阻抗50Ω;带通段内驻波比不大于1.2;工作温度在-40℃到+60℃之间;滤波器在通带内常温插入损耗值不大于0.35dB;3.6GHz及更低频段应有40dB以上抑制能力;3.5GHz及更低频段应有55dB以上抑制能力;4.4GHz及更高频段应有55dB以上抑制能力;5.85GHz及更高频段应有80dB以上抑制能力。

(4)测试添加带通滤波器之后卫星地球站的中频信号频谱图,观察优化情况。

经过对比得到测试结果如表1所示。

表1 加装滤波器后中频干扰电平测试比对记录表

以上两个测试验证案例我们可以看出增加滤波器可以产生优化作用,且优化效果比较明显。目前这个方法是解决两个系统之间最易操作而且有效的,可能会在后面干扰协调中广泛应用。

5.2.2 增加屏蔽网优化验证测试

(1)选取会受到5G基站干扰的卫星地球站接收天线作为优化验证目标;

(2)用频谱仪测试此处接收到的5G基站功率;

(3)在卫星地球站接收天线后架设屏蔽网;

(4)重复步骤2,观察5G基站基站功率的变化。

测试环境一样,未加屏蔽网之前显示最大点为-67.5dBm,加了屏蔽网后显示最大值为-88.5dBm,明显可以看到屏蔽网对降低5G基站反射功率效果还是比较明显。测试点来带的屏蔽效果大约有21dB左右。

5G网络商用全面开启,也是国家重点发展计划,本文虽然验证了5G基站信号对卫星地球站带来的干扰问题,但未能完全解决和验证所有类型的干扰,还需要继续深入研究。对提出来每一项优化干扰措施进行优化效果验证测试,更细化每一个措施能带来隔离度真实效果以及可以采用的场景,从根本上解决两个系统干扰问题,保证各自业务系统正常工作,为5G时代的到来做好准备。

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