孟水仙，任海军，宋岩熠，尹 良，杨建宇，魏利军，穆志雄

(1.内蒙古自治区无线电监测站，内蒙古 呼和浩特 010011；2.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100080)

0 引言

第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)是具有高速率、低时延和大连接[1]特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。国内运营商在2.6，3.5和4.9 GHz等频段上已经部署了带宽为100 MHz的Sub-6 GHz 5G系统。

超宽带(Ultra Wide-Band，UWB)是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术。目前，UWB高精度定位系统获得了广泛应用[2]，苹果公司的Airtag定位就使用了UWB。美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)将UWB系统定义为具有绝对带宽大于500 MHz并且中心频率(Fc)高于2.5 GHz的信号，或者根据规定相对带宽大于25%的信号为UWB信号。目前，UWB系统与Sub-6 GHz的5G部分频率重合。

在UWB的不断发展过程中，UWB与其他信号共存和干扰的研究也在一直进行。2008年国内机构提出了有效规避的检测避让(Detect and Avoid，DAA)策略[3]。李争等[4]针对UWB与GSM和TD-SCDMA信号之间的干扰做了仿真分析。通过分析衰减参数得出了GSM-900抗干扰能力较强的结论。来自工业和信息化部电信研究的李英丹等[5]针对MB-OFDM-UWB与3.4 GHz的WiMAX信号之间的互相干扰做了仿真分析，比较了UWB的DAA技术对干扰的影响，得出DAA技术具有保护受扰源的结论。李勇[6]在分析UWB与5G、WLAN等信号的基础上，设计了对窄带通信系统具有抑制作用的多陷波UWB天线。

但目前国内外对UWB与5G之间的干扰研究关注较少，而是更多地把目光聚焦到5G与UWB的共同利用上。5G和UWB都很适合用于室内定位[7]，二者的融合是提高室内定位精度的解决方法之一。例如，夏聪[8]提出了利用UWB和5G，基于TDOA和加权最小二乘法估计的智慧教室定位技术，对复杂的场景内物体实现高精度定位；张景峰等[9]基于5G承载网+UWB定位技术，利用不同定位算法实现了面向医疗的高精度定位。同时，利用UWB技术实现5G天线阵列波束成形也是关注点之一；Volakis等[10]提出了基于UWB的波束成形方案，相比传统波束成形系统，其成本和功率降低了97%。Atta Ullah等也在国际多学科会议上提出了一种面向UWB-5G蜂窝通信的相控阵天线改进设计。

5G在日常生活中的使用越来越多，如与物联网的融合[11]、与卫星的联合定位[12]和无人驾驶[13]。UWB技术也在苹果公司发布内置UWB芯片U1[14]后掀起一股新浪潮。针对5G信号受干扰问题，在5G卫星天地一体化进程中，5G网络复用了卫星通信的部分频段，二者会产生同频干扰[15]。考虑到UWB的越来越广泛部署，以及UWB与5G存在严重的频段重合问题，研究UWB对5G的同频干扰意义重大。

本文基于Matlab和Simulink混合编程搭建UWB对5G干扰的链路级仿真，对二者的干扰问题进行初步研究，通过误差矢量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)、邻道功率比(Adjacent Channel Leakage Power Ratio，ACLR)和星座图分析观察UWB信号对5G信号的干扰，再进一步通过暗室实测分析了UWB信号对5G的干扰。

1 5G与UWB干扰

1.1 同频共存

根据IEEE std 802.15.4a-2007规定，UWB信号频率为3 244 MHz～10.161 GHz，而5G的FR1频率范围为410 MHz～7.125 GHz，同时，世界无线电通信大会(WRC-15)将毫米波段确定为5G无线电业务的可用频段[16]。5G和UWB信号存在严重的频率重叠。当5G基站与UWB信号发射机同时传输时，带宽为500 MHz的UWB部分甚至完全覆盖最大带宽100 MHz的5G信号。这样当5G用户接收到5G基站信号的同时，也会收到来自UWB的干扰信号。因此，如果UWB干扰信号功率大，干信比超过了5G接收机的解调门限，5G解调失败，会对5G信号产生严重的同频干扰。

1.2 UWB路径损耗

对数正态阴影衰减模型是UWB室内信道实验研究经常建立的信道模型,IEEE其对UWB信号的建模如下所示[17]：

(1)

式中，PL0(d0)为参考点的功率损耗，通常d0取1 m；r为路径损耗指数；Xδ为零均值高斯分布随机变量，δ为Xδ的标准差。

1.3 EVM与ACLR计算

实验中，使用5G接收端的EVM和ACLR作为干扰程度的度量，将对二者的定义和3GPP划定的门限值做出简单介绍[18]。

EVM表示接收机对信号进行解调时产生的IQ分量与理想信号分量的接近程度，是考量调制信号质量的一种指标，也是受扰系统被干扰程度的重要指标。根据5G的TS-38.104定义，256QAM调制所允许的最大EVM值为3.5%，QPSK调制所允许的EVM值为17.5%，计算公式为：

(2)

式中，I(t,f)为理想的接收5G信号；Z′(t,f)为接收到的调制信号。

ACLR是以指定通道频率为中心的滤波平均功率与以相邻通道频率为中心的滤波平均功率之比。对于接收到的非n46和n96信号，3GPP组织规定ACLR的最小值为45 dB。

2 5G信号受UWB信号干扰仿真分析

2.1 仿真模型搭建

利用Simulink对单个UWB设备干扰5G NR设备的情况进行场景搭建。模型示意图如图1所示。

图1 仿真模型示意Fig.1 Simulation model

其中，NR基带信号生成部分调用5G Waveform Generator APP生成符合标准的5G NR测试型号3.1(NR-TM3.1)的FR1频段信号，其带宽为10 MHz。UWB基带信号生成部分生成符合标准的IEEE 802.15.4z的HRPF的UWB信号，其带宽为499.2 MHz。二者通过合路器合路后，将基带波形导入到RF射频模块中，将5G信号调制到3 550 MHz，UWB信号调制到3 480 MHz。后续通过ADC模数转换器后，通过解码器得到EVM和ACLR的结果，并绘制星座图。

2.2 结果分析

按照上述设置进行仿真，由于UWB信号是超宽带信号，其频率范围基本上覆盖全部5G信号。定义了一个变量Interferer gain=UWB的电压/5G的电压，表征二者的功率比值。

2.2.1 无干扰情况

无UWB干扰时的仿真，设置Interferer gain为0，此时只有5G信号进入解调器，分析1个子帧内的结果，仿真系统给出ACLR和EVM分析图如图2所示。

从图2(a)中可以看出明显的5G频谱信号，图中右侧ACLR值为测量得到数值，可以看出最大值在94 dB，大于3GPP规定的45 dB。图2(b)中，浅色柱状图部分为每OFDM符号EVM的最大值，深色部分为均值，可以看出EVM均值在0.7%附近，最大值为2.1%，同样符合标准，因此可以解调出合适的星座图，如图3所示。

(a) 频谱图及ACLR测量值

图3 无干扰时256QAM星座图Fig.3 256QAM constellation without interference

2.2.2 干扰较小情况

保持之前的设置不变，将Interferer gain设置为1，此时相当于5G信号与UWB信号功率是1∶1叠加，此时对该合路信号进行解调，结果如图4所示。

(a) 频谱图及ACLR测量值

图4(a)中可以看出,5G的频谱较无干扰时发生了变化，相邻信道频谱升高，同时看出ACLR的最大值降低，变为58 dB，但仍然大于45 dB满足3GPP要求；观察到EVM变大，均值接近0.9%，最大值也没有超过3.5%，满足解调需要，因此可以解调出如图5所示的256QAM的星座图。相较无干扰时，5G信号解调质量略微下降，得出结论UWB对5G信号存在干扰。

图5 干扰较小时256QAM星座图Fig.5 256QAM constellation with low interference

(a) 频谱图及ACLR测量值

2.2.3 干扰较大情况

本部分仿真实验将Interferer gain设置为3，此时相当于5G信号与UWB信号功率是1:3叠加，干扰较大，对该合路信号进行解调，结果如图6所示。

由图6(b)可以看出，EVM均值明显增大，在3%左右，部分已经超出了3.5%，每OFDM内的EVM最大值已远超3.5%，严重影响了5G信号内的256QAM解调。同时可以观察到，ACLR最大值为37 dB，已经低于45 dB，相邻信道对5G信道的影响变大，影响了5G信号的解调质量。因此，其已经不能良好解调，星座图效果不佳，如图7所示，256QAM星座点呈发散状，说明受到了干扰。

图7 干扰较大时256QAM星座图Fig.7 256QAM constellation with high interference

3 5G信号受UWB信号干扰实测分析

由于外场实测易受电波干扰，实测实验在具有屏蔽效果的暗室内进行，搭建场景如图8所示。

图8 暗室环境下搭建的场景图Fig.8 Scenario diagram built in microwave anechoic chamber

在图8中可以看到，使用的设备为N5182A MXG矢量信号发生器(模拟5G发射机)、N9030B PXA信号分析仪(模拟5G接收机)、基于Decawave公司DW1000芯片设计的超宽带收发模组。暗室中使用设备如图9所示，可以看出N9030B PXA信号分析仪使用全向天线接收信号，N5182A MXG矢量信号发生器连接笔记本电脑，并使用对数周期天线发射信号。

实测频率同为3 993 MHz的5G信号和UWB信号，通过接收机的解调性能分析5G信号受到的干扰。利用频谱仪上的89601 5G解调选件解调5G信号得到PBCH信道的EVM值，如表1所示。同时采样200 ms的IQ数据以捕捉UWB信号进行分析。5G和UWB叠加的时域和频谱图如图10所示，可以看到，5G的100 MHz带宽之外的领道上能发现明显的毛刺，这就是UWB信号。5G的解调软件得到的EVM值如图11所示，以PBCH信道的EVM为例，实测结果如表1所示。

(a) 5G信号接收机及UWB设备

(a) 时域图

(a) 频谱仪解调图

从表1的实测结果可以发现，在任意对照组下，存在UWB信号干扰时，EVM值相较无干扰时都会变大，说明UWB会对5G信号产生干扰。当5G发射功率较大(意味着信噪比高，如10 dBm时)，EVM都在5%以下；当5G发射功率小到-10 dBm时，EVM恶化明显(大于18%)，意味着受到较强的干扰。

表1 实测结果Tab.1 Measured results

需要指出的是，在暗室测试时，大部分情况下即使使用频谱仪的荧光谱功能都很难观察到UWB的信号，只有UWB发射机离频谱仪天线小于40 cm时才能观察到UWB的发射信号。可以看出，存在UWB信号情况下，5G信号解调的EVM值均会变大。可以得出结论，UWB信号对5G信号的干扰是存在的，但是只有在UWB设备距5G接收机小于40 cm时才明显，也就是UWB功率较大，或者UWB数量众多时会对5G信号产生较大影响，这也印证了仿真的结果。

4 结束语

本文利用Matlab和Simulink联合仿真研究分析了同频下UWB信号对5G信号的干扰；并搭建了实测场景，利用频谱仪分析EVM值得出UWB信号对5G信号的干扰结论。仿真和实测都证实了5G信号会受到同频UWB信号的干扰，但是距离大于0.4 m的情况下，5G受到的干扰已经不明显，不会影响到5G信号的正常解调。本文的分析方法和结论对5G系统设计抗干扰措施具有一定意义。