5G基站與衛星地球站干擾協調測試與干擾優化驗證

重慶信息通信研究院 柏青青 周 韜 肖 雨

隨著2018年12月3日工業和信息化部正式向我國三大電信運營商頒布了全國范圍內5G中低頻段試驗頻率使用許可，證明我國5G技術研發已經進入最后的試驗階段。5G試驗頻率明確對產業界意義重大，將大大加速產業鏈各個環節產品開發進程，有利于進一步推動我國5G產業鏈成熟和發展。但隨著運營商5G基站的部署和運行，對廣電衛星地球站產生了干擾，導致電視接收信號受到了影響。這種現象也引起了工業和信息化部的關注，并且出臺了《3000-5000MHz頻段第五代移動通信基站與衛星地球站等無線電臺（站）干擾協調管理辦法》來解決相應情況。

1 測試背景

2019年4月12日重慶市廣播電視集團反應接收的3600MHz頻率的北京鼎視傳媒平臺上星傳輸的新娛樂、收藏天下、百姓健康、教育就業四套節目出現嚴重馬賽克現象，持續時間15:24ü18:42（時長198min），造成嚴重影響。

上述現象，足以證明5G基站的架構確實對現有的衛星地球站產生了很大的影響，對兩個系統之間的干擾協調測試勢在必行。必須盡快找出兩者間的干擾信號，對其分析，想出解決方法，保證5G基站和衛星地球站互不干擾的正常工作。

2 5G基站系統與衛星地球系統間干擾模型

5G基站對衛星地球站的干擾模型如下面公式所示。α為地球站天線主軸與其在水平面的投影構成的角度，即地球站的仰角；φ為干擾方向與地球站主軸方向的空間離軸角。

單個5G基站對衛星地球站的干擾功率可由下式計算：

式中，IIMT為衛星地球站接收機輸入端接收到的1MHz帶寬內的干擾功率；PIMT為5G基站每MHz帶寬的發射功率；為5G基站天線增益；為大范圍的路徑損耗；為衛星地球站接收天線增益；為周圍無敵散射損耗；為鄰信道泄漏比。

3 5G基站地球工作站的干擾協調測試系統

為了可以測試驗證5G基站對衛星地球站的干擾影響，首先必須得到5G基站信號發射到衛星地球站天線端的功率大小。再根據得到的功率強弱，判斷出可能會引起干擾的點，用衛星地球站系統架設驗證，進一步確定干擾的存在。測試系統分兩個步驟如圖1、圖2所示，第一步測試5G基站信號，系統由天線、LNA、濾波器、衰減器、GPS和頻譜分析儀組成，主要用于測試5G基站周圍5G信號的強弱。第二步測試系統主要由衛星地球站接收機組成，驗證在產生強信號和雜散信號干擾的地方，衛星地球站是否會受到干擾，以及后續優化時驗證效果。

圖1 5G基站信號測試系統框架圖

圖2 衛星地球站干擾驗證測試系統框圖

干擾信號功率計算：

頻譜分析儀上顯示的功率不是接收天線處真實值，需要經過計算才能得到衛星地球站拋物面天線處的功率值。

4 干擾驗證測試方案

4.1 基站功率測試

為盡可能的減少或降低測試驗證工作對衛星地球站業務的干擾，通過本次測試驗證工作，將研究制定并驗證一套完整可行的5G基站與衛星地球站干擾協調的技術解決方案，作為5G基站大規模時的干擾協調提供一定的參考價值。

4.1.1 通過測試距離測試步驟

選擇對象為一個典型城市基站5G基站1的發射頻率在3500MHz-3600MHz之間。測試頻段覆蓋5G基站1發射頻段以及衛星地球站接收頻段。測試頻段為3400-3600MHz、3600-3700MHz、3700-4200MHz、4500-4800MHz。

我們要對基站電磁輻射進行測試，為了更好的了解基站在不同距離的發射情況，分為以下步驟進行測試：

（1）在選取的5G基站1，讓其處于關閉狀態，在100m處測試該站點在測試頻段內的背景噪聲和已有信號情況；

（2）讓該基站處于最大功率發射狀態，將測試設備天線正對基站發射天線；

（3）根據標準GB 13615相關測試要求，在距離5G基站1100m位置處架設接收天線高1.5m，進行測試頻段的掃描，掌握100m處5G基站1信號以及其雜散信號情況。

4.1.2 通過測試不同頻段

（1）選取和方案1不同發射頻段的5G基站2，在這里我們選取工作頻段在2515MHz-2575MHz的5G基站2。測試頻段覆蓋5G基站2發射頻段以及衛星地球站接收頻段，測試頻段為2500MHz-4800MHz。

（2）讓該基站處于最大功率發射狀態，將測試設備天線正對基站發射天線；

（3）根據標準GB 13615相關測試要求，在距離5G基站2100m位置處架設接收天線高1.5m，進行測試頻段的掃描，掌握100m處5G基站2信號以及其雜散信號情況。

測試頻率范圍：950-4200MHz，天線極化：垂直，分辨率帶寬：100kHz，視頻帶寬：100kHz，檢波方式：峰值檢波，軌跡顯示：最大保持。

在現場測試開始之前，先確定5G基站地址，最好選取典型基站進行測試。對系統鏈路進行線路損耗校準，接收天線的天線增益以及低噪聲放大器的增益記錄下來。

測試結果分析：

基站1在正常運行狀態下發射信號集中在主頻3500-3600MHz范圍內，在100m時基站信號強度較大，功率為-79.5dBm，另在100m測試位置是產生3415-3500MH雜散信號，雜散信號最大功率-120.1dBm?；?在正常運行狀態下發射信號集中在主頻2515-2575MHz范圍內，在100m時基站信號強度較大，功率為-76.9dBm，在測試點均未發現雜散信號?；?在正常運行狀態下發射信號集中在主頻3400-3500MHz范圍內，在100m時基站信號強度較大，功率為-77.3dBm，在測試點均未發現雜散信號。

一般衛星地球站C頻段衛星的等效輻射功率（EIRP）一般約為40dBW，折算成功率可為-74.4dBm。靜止衛星軌道高度為35786km，經過下行傳輸路徑損耗約為195dB。由此可以得出衛星信號達到地面的功率密度為-120.6dBm。

測試結果如圖3、圖4所示，分別計算出5G基站功率在3555MHz處為-79.5dBm，在3450MHz處為-77.3dBm，高出衛星信號達到地面功率，5G基站功率高出40dBm以上。由于5G信號強度高于原有衛星地球站有用信號強度，可能會引起信干比下降從而引起同頻干擾和接收器件的飽和干擾，影響衛星地球站接受質量，導致電視信號等業務出現異常，嚴重的甚至會導致信號中斷。

圖3 100m基站1開啟狀態（3400-3600MHz）

圖4 100m基站2開啟狀態（3400-3600MHz）

4.2 5G基站與衛星地球站的干擾驗證

根據上面測試結果，我們選出基站1100m測試點、基站2100m測試點作為驗證測試觀察點，基站高度20m，路徑視距無遮擋，地球站天線仰角45°。

5G基站與衛星地球站干擾驗證結果：在100m基站1開啟時，接受圖像出現馬賽克干擾頻段3550MHz。

通過測試結果我們可以得到衛星地球站在特定場景中會受到5G基站系統的飽和干擾和5G基站產生的帶外無用發射也就是雜散信號的鄰頻干擾。受到影響的衛星地球站可能會出現信號中斷，電視畫面質量變差等現象。且發現通過測試發現工作頻段越靠近衛星地球站接收頻率的5G基站，有越高的幾率會對衛星地球站造成干擾。兩個系統如果距離越近造成干擾的幾率也越大。造成干擾的主要原因是因為5G基站干擾信號強度超過衛星地球站有用信號鏈路允許的干擾保護門線，導致信干比下降無法正常解調。更嚴重的干擾信號超出衛星地球站接收系統器件先行工作區，長生飽和，使器件無法正常工作甚至燒毀。

5 5G基站與衛星地球站系統間優化及效果測試

5.1 優化方式

由于國家近幾年在大力發展推廣5G，且5G使用頻段要遠窄于衛星地球站接受使用頻段。為了不影響5G的使用發展，應該優先從衛星地球站著手考慮優化措施。對于工作在3400-3700MHz之間的衛星地球站應先考慮工作頻率遷移到3700-4200MHz的措施。對于有些無法遷移的業務，再通過加屏蔽網或者從5G基站進行調整來消除干擾。

對于已經工作在或者遷移工作在3700-4200MHz的衛星地球站仍收到干擾的情況，主要考慮增加濾波器或者更換屏蔽效能更好的LNA的方法進行優化。如果達不到理想效果，再考慮從5G基站進行調整來消除干擾。

5.2 優化驗證測試

5.2.1 增加濾波器優化驗證測試

（1）選取會受到5G基站干擾的衛星地球站作為優化驗證目標。

（2）測試受到5G基站干擾的衛星地球站的中頻信號頻譜圖和電視直播畫面，觀察受干擾的情況。

（3）在衛星地球站接收天線和LNB之間添加一個3700-4200MHz的帶通濾波器，濾波器的要求建議如下：接口為BJ40法蘭盤；輸入輸出阻抗50Ω；帶通段內駐波比不大于1.2；工作溫度在-40℃到+60℃之間；濾波器在通帶內常溫插入損耗值不大于0.35dB；3.6GHz及更低頻段應有40dB以上抑制能力；3.5GHz及更低頻段應有55dB以上抑制能力；4.4GHz及更高頻段應有55dB以上抑制能力；5.85GHz及更高頻段應有80dB以上抑制能力。

（4）測試添加帶通濾波器之后衛星地球站的中頻信號頻譜圖，觀察優化情況。

經過對比得到測試結果如表1所示。

表1 加裝濾波器后中頻干擾電平測試比對記錄表

以上兩個測試驗證案例我們可以看出增加濾波器可以產生優化作用，且優化效果比較明顯。目前這個方法是解決兩個系統之間最易操作而且有效的，可能會在后面干擾協調中廣泛應用。

5.2.2 增加屏蔽網優化驗證測試

（1）選取會受到5G基站干擾的衛星地球站接收天線作為優化驗證目標；

（2）用頻譜儀測試此處接收到的5G基站功率；

（3）在衛星地球站接收天線后架設屏蔽網；

（4）重復步驟2，觀察5G基站基站功率的變化。

測試環境一樣，未加屏蔽網之前顯示最大點為-67.5dBm，加了屏蔽網后顯示最大值為-88.5dBm，明顯可以看到屏蔽網對降低5G基站反射功率效果還是比較明顯。測試點來帶的屏蔽效果大約有21dB左右。

5G網絡商用全面開啟，也是國家重點發展計劃，本文雖然驗證了5G基站信號對衛星地球站帶來的干擾問題，但未能完全解決和驗證所有類型的干擾，還需要繼續深入研究。對提出來每一項優化干擾措施進行優化效果驗證測試，更細化每一個措施能帶來隔離度真實效果以及可以采用的場景，從根本上解決兩個系統干擾問題，保證各自業務系統正常工作，為5G時代的到來做好準備。