5G 发信干扰卫星下行（C-Band）研究

苏 炯

（中国电信股份有限公司上海应急通信局，上海 200437）

1 引言

2G、3G、4G、5G，当代中国无线通信技术的发展进程非常迅速。2018年12月初，工信部许可批复三大运营商获得5G 试验频率，这意味着全国范围的大规模5G 试验将展开。根据规划，运营商预计2019年实现试商用、2020年实现商用，这意味着在今后的1、2年内，5G 基站将大规模部署于中国的城市与乡村。而5G 频率范围（目前试验频率为中国电信（3400-3500 MHz）、中国联通（3500- 3600 MHz）、中国移动（2515-2675 MHz 和4800- 4900 MHz），这与C 波段卫星地球站下行接收频率（3625-4200 MHz）如此相近，我们发现，5G 信号干扰C 波段卫星下行接收的现象越来越多，一般表现为使卫星频段的底噪抬升，影响了接收信号的载波质量，误码率居高不下，使解出的声音抖动、图像马赛克、拉丝甚至花屏。

为解决5G 信号干扰C 波段下行接收的问题，笔者以电信5G和一套常见的C 波段下行系统为例，深入分析5G 干扰C 下行的基本原理，并以此为据设计一套合理的解决方案，旨在消除绝大多数情况下5G 信号对C 波段下行接收的干扰。

2 干扰测试设备

图1

以上为一套常见的C 波段下行系统（主备），各部件品牌、型号如下：

（1）天线馈源：SAT-LITE technologies； MODEL 2411。

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

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

（4）70/L 变 频 器：GENERAL DYNAMICS SATCOM Technologies；LT3600。

（5）解码器：ERICSSON；RX8200。

（6）下行频谱分析仪：Anr itsu；MS2724C，频谱仪设置如下，RBW（100 kHz），VBW（100 Hz），Scale（5 dB/div），同一参考电平-50 dbm。

图2

图2 所示使用最新的某品牌5G 基站车提供5G 信号，电信5G 带宽范围为3400-3500 MHz，最大发射功率200 W。

3 干扰现象观察

图3

图3 为C 波段下行频谱仪上观察到的3.2-3.7 GHz 频谱，分别为5G 基站不开启、5G 基站开启无业务和5G 基站开启有业务3种情况下的状态。可以看见，5G 基站不开启时频谱非常干净，当开启无业务时有一个极高功率的单载波（中心频率3.45 GHz），并带动附近250 M 左右范围内的底噪抬升，当开启并运行业务时，单载波变为调制波，并带动整个500M SPAN 范围内的底噪抬升，于边缘处（3.7 GHz）都将近抬升了5 dB（-88 dbm 至-83 dbm）。

接下来观察这个强信号对卫星C 波段下行的影响。

图4

图4 为C 波段下行频谱仪上观察到的3.625-4.2 GHz 频谱，分别为5G 基站不开启、5G 基站开启无业务和5G 基站开启有业务3种情况下的状态。可以看见，当5G 基站开启无业务时，频谱状态区别不大，但当5G 基站开启并运行业务时，频谱显而易见的被“压缩”了，不仅整体底噪平均抬升了2-3 dB，且信号电平被压低了4 dB。

图5

图5 为C 波段下行频谱仪上观察到的3.9-4.1GHz 频谱，分别为5G 基站不开启、5G 基站开启无业务和5G 基站开启有业务3种情况下的状态。比较后更加明显的观察到，当5G 基站开启并运行业务时，节目载波的频谱被“压缩”了。

尽管看上去5G 信号只是将卫星C 波段下行的频谱“压缩”了几个dB，但对其实际接收的影响几乎是“致命”的。

如表1和图6所示，以亚洲5号卫星信号为例，当5G 基站开启运行业务时，不论是正、反极化，卫星上的大多数节目解码器根本就锁不住，侥幸锁住的1、2个，也因为误码率奇高导致解出的图像马赛克、拉丝甚至花屏。

表1

图6

4 干扰原理分析

从现象上看，大功率的5G 信号（超越普通卫星信号电平20 dB 左右甚至以上）会干扰卫星C 波段下行接收是基本确定了，然而从观察到的频谱上其影响并不直观，只是将卫星C 波段频谱（3.625GHz-4.2GHz）压缩了，一不是同频道或邻道的相干，二不是杂散或互调产物混进有用载波造成其波形失真、包络变形甚至被淹没，所以经过初步判断，其干扰类型应为人们常常忽略的阻塞干扰。

现在让我们来看看无线通信系统间阻塞干扰的定义，它是指接收机在接收弱有用信号时，受到接收频率两旁、高频回路带内一个强干扰信号的干扰，其害处是将被干扰系统的接收机推向饱和而阻碍通信。本例中就是如此，3.4-3.5 GHz 的电信5G 信号，混进卫星下行天馈系统后经LNA 放大，其强度已经高于普通的卫星信号电平20 dB 以上，并且因为5G 系统使用的大规模多输入多输出（MIMO）天线，当业务爆发时利用其波形赋形技术形成方向性极强的窄波束，也就是说在频率范围内有可能存在多个高强度的业务信号，它们随卫星C 波段的下行信号（3.625-4.2 GHz）一起进入接收机后，作用于接收机前段电路后，瞬间将接收机推向饱和而造成对有用信号增益的降低（受到抑制）或噪声提高，使接收机接收有用信号的灵敏度下降，也就是阻塞。

下面，以两个电压旋转矢量相加来解释强信号阻塞干扰的原理。设有用信号Us=Uscosωst，干扰信号Un=Uncosωnt，当它们叠加在一起时，合成信号为Ub=Us+Un=Uscosωst+ Uncosωnt，三 角 变 换 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。这是一个调幅调相波，式中，Un（1+ycosλt）相当于一个调幅波；y 为调幅度；λ 为调制频率，而Uncos（ωnt+ysinλt）相当于一个调相波。由此可见，一个有用信号（弱的）与一个干扰信号（强的）叠加后将变成一个频率以干扰信号的载频为中心的调幅调相波，其幅度变化反映有用信号的包络调制规律。当强干扰和弱信号被接收机接收后，工作在高频放大或混频级的晶体管传递特性进入饱和区或截止区而呈现非线性，经过鉴频器前的双向限幅。合成信号的包络大部分被削掉而只保留了调相部分，由于保留了调相部分，故合成信号的相位变化中还会有有用信号，但由于Un＞＞Us，y 很小，而干扰信号Un 却很大，因而使输出信噪比显著下降，形成灵敏度降低和阻塞。干扰信号幅度Un 越大，阻塞越严重。

5 干扰解决手段

在了解5G 信号干扰卫星C 波段下行的基本原理后，在现有条件下，提出解决方案如下：

（1）卫星站与5G 基站尽量保持一定的距离，使5G 的发信信号经空间损耗到达卫星站时已衰减至不会影响卫星站的收信。

（2）在有重要业务的卫星站周围限制5G 基站的发射功率、天线高度，并建议为5G 规划更多、更高的频率资源，在重点区域避免使用3.4-3.7GHz，以避免对3.625-4.2GHz 的卫星C 下行造成干扰。

（3）卫星C 波段下行端加装带通滤波器。

图7

图8

以方案3为例，如图7、8所示，在LNA 前端加装带通滤波器（标称通带3.7-4.2GHz，插入损耗0.4dB）。

图9

安装后5G 基站开启运行业务，此时观察频谱（依次为3.2-3.7GHz，3.625-4.2GHz，3.9-4.1GHz），可以看见，5G 载波被很好的抑制在一定范围内，其电平已经低于卫星信号，并且卫星节目的频谱也从“压缩”状态中恢复正常。

此时观察节目接收效果：通过表2可以看见，同样以亚洲5号卫星信号为例，在LNA 前端加装带通滤波器后，能很好的使误码率大大降低，接收节目恢复正常，并且与表1比较后发现，C/N 余量普遍存在1-2dB 的减少，此为滤波器的插入损耗，也属可容忍的范围之内。

表2

6 结束语

综上，电信5G 信号（3.4-3.5GHz）在其覆盖范围内干扰卫星地球站C 波段下行的接收已是确定的事实，具体表现为5G的发信强信号（业务并发时强度尤其大）随C 下行的弱信号经LNA 或LNB 放大后，进入接收机时造成阻塞干扰，使有用的C 下行弱信号受到抑制或噪声抬高，从而接收机失锁或解出的图像拉丝、马赛克或者花屏，下行直接崩溃。就目前的条件来说，在卫星收信端的LNA 前加装带通滤波器，排除3.4-3.7GHz 的强信号进入，能够基本解决下行崩溃问题，使C 波段收信恢复正常。然而，时至今日，5G 仍然在大规模的测试当中，技术也在不断的演进和调整，我们会一直关注，特别是其对卫星C 波段下行收信的干扰变化，毕竟这个“黄金频段”内如今还运行着大量的广播电视、气象观察、民航通信、军事通信等业务。