技术交流 | 5G基站对卫星地球站的干扰分析
5G基站对卫星地球站的干扰分析
随着时代的发展，以信息技术为代表的科技和产业正在逐步升级，2017年11月25日，工信部正式发布了《关于5G通讯系统使用3300MHz～3600MHz和4800MHz～5000MHz频段相关事宜的通知》，划定了5G系统可用频率。卫星地球站下行频率主要使用标准C波段3700MHz～4200MHz，也有部分卫星业务频率使用扩展C波段3400MHz～3700MHz,这样5G系统使用的频率与卫星C波段下行频段3400MHz～4200MHz内的部分频率重叠，将对卫星广播电视信号的正常接收造成干扰,必须考虑采取技术措施认真加以应对。
中国移动获得5G频谱的两段即2515MHz～2675MHz、4800MHz～4900MHz，中国电信获得5G频率是3400MHz～3500MHz，中国联通5G频率是3500MHz～3600MHz。从以上分配的5G频率范围来看，中国电信和中国联通的5G频谱对卫星扩展C波段下行频率3400MHz～3600MHz会形成同频干扰，5G频率与C波段下行频率3700MHz～4200MHz接近，容易产生邻频干扰（如图1示）。
图1 卫星接收系统受5G干扰类型示意图
地面卫星接收系统主要由接收天线、高频头、高频同轴电缆、功分器和卫星接收机组成。国内常用的C波段高频头工作频段在3400MHz～4200MHz,它由低噪声放大器、混频器、本振、中频放大器等电路组成(如图2所示)，其中低噪声放大器简称LNA,混频器、本振等电路组成低噪声变频器简称LNB,高频头总功率增益约为60dB，它的作用是将C波段卫星下行信号进行放大，并下变频为L波段950MHz～1750MHz信号，输入至室内单元卫星接收机。
5G信号频谱在卫星接收系统高频头的工作频段内，经过卫星接收天线进入高频头的信号有卫星下行信号和5G信号，并且经过LNB变频及中频放大后的5G信号与卫星下行信号一起送至接收机。接收系统能否受到5G信号干扰，主要看LNA/LNB或接收机内部放大电路是否工作在线性区。
依据国际电联ITU-RS.2199-0报告，当进入卫星接收站的干扰信号总功率超过-60dBm时，低噪声变频放大器LNB将产生饱和干扰。根据广播电视行业标准《GY/T148-2000卫星数字电视接收机技术要求》，卫星接收机的输入电平适应范围是：-65dBm～-30dBm，过高的输入电平可能导致卫星接收机产生饱和干扰或阻塞干扰。
经测试正常接收的卫星信号在天线馈源输出的载波功率约为-120dBW，微弱的信号通过低噪声放大器及第一中频放大器的放大，其输出端的载波功率约为-25dBm,接收机能正常工作。当有5G信号干扰且干扰电平幅度较大时高频头的输出可达到0dBm，使接收机“死机”，造成接收信号中断。卫星接收机的输入电平应该在接收机规定的指标范围之内，若输入信号过强，则在接收机内部会产生较大的非线性失真，引起电视图像出现马赛克甚至黑屏，进入接收系统干扰信号的强弱决定干扰程度的大小。
图2 LNB组成框图
卫星地球站用较大的功率将节目信号发送至卫星，经卫星转发器处理后再经过约35786公里下行到达地面，供地面接收。
衡量卫星向地面辐射能力的重要参数EIRP代表卫星发送功率和天线增益的综合性能。卫星的EIRP值指卫星发射天线出发口的数值，一般约为40dBW/36MHz，该数值由卫星公司提。卫星的等效全向辐射功率越高，到达地面的场强越强。卫星下行信号从太空到达地面接收点的途径中存在传输损耗，用L0表示：
其中
指传输信号的波长，d代表信号传输距离。地球上任何一个接收点到同步卫星的距离在35786Km～41678Km之间,C波段下行频率取4GHz，代入上式得到自由空间传播损耗的取值范围:L0=196.2±0.67dB,工程上一般取196.2dB(即下行信号经发射天线到达地面的功率要损耗约196dB)，卫星信号到达地面的功率密度约为-121.8dBm/100MHz。
以频率为3500MHz～3600MHz的中国联通5G基站为例，系统带宽100MHz，查阅资料:发射系统为AAU设备的基站，3600MHz～3700MHz频段内最大无用辐射功率谱密度-26dBm/MHz，在3700MHz～4200MHz频段内的最大无用辐射功率谱密度为-47dBm/MHz,MIMO5G天线矩阵的最大增益25dB，5G基站线性区最大输出功率53dBmW，即EIRP理论可达到78dBmW/100MHz。可以看出5G信号强度远大于卫星下行信号强度，地面接收系统需采取其它应对措施抵抗5G信号的干扰。
2019年9月中旬，我地球站播出的山西卫视节目，监测系统告警，A天线接收电视图像不时出现“马赛克”或“黑屏”的现象，观察码流分析仪接收误码率升高，抗干扰功率自动增益系统A天线接收信噪比降低且不时超出下限值甚至降到零（如图3所示），此时我站上行发射功率正常，频谱仪L波段下行信号在1550MHz～1650MHz频段载波电平很高，此频段为联通3.5GHz～3.6GHz频段5G信号经LNB变频后的频率，分析干扰源来自联通5G基站，与联通运营商协调，对方称他们正在调试我站周边的5G基站，随即联通5G基站将功率降低，以上干扰现象得到缓解，在联通运营商配合下暂停测试将基站关闭，上述干扰现象消失。
分析造成5G信号干扰我站下行接收的原因是：尽管所接收卫星下行信号不与5G信号重叠，但由于5G基站测试时将发射功率一度加至接近满载，以及5G基站带外衰减指标不佳，影响地球站接收正常节目信号信噪比下降，引起接收码流误码率升高，使接收系统无法正常解调，接收图像出现马赛克，甚至电平幅度太高的5G信号进入LNA/LNB使其饱和引起接收信号中断导致接收监视黑屏。
为避免以上干扰现象的发生，我站将此接收系统进行了改造，在接收天线馈源输出端与高频头之间加装了窄带滤波器，有效地抑制了带外5G干扰信号，改造完成后经过测试，该滤波器对5G信号的抑制度≥55dB,接收系统的Eb/N0劣化0.7dB,满足系统性能要求。另外为了将5G干扰信号降到最小，协调联通运营商在其5G基站功率输出与发射天线间加装了带通滤波器，使我站电磁环境得到了更好的改善。
以上分析了卫星接收系统的特点，经过对5G基站信号与卫星C波段下行信号比较，以及地球站接收系统受5G干扰的案例，可知采取频率隔离等方法能抵御5G信号的干扰。
图3 卫星地球站受5G信号干扰接收载噪比降低
结合我地球站接收系统抗5G干扰改造实践，在天线馈源口输出及低噪声放大器LNA或低噪声变频器LNB之间，加装抗5G干扰的窄带带通滤波器，效果很好。工作频率在3700MHz～4200MHz的带通滤波器能有效滤除3.7GHz～4.2GHz的带外干扰信号，可使射频信号在高频头下变频前起到抑制5G信号的作用。
另外在5G干扰电平较大的情况下，可加装窄带滤波器与更换窄带高频头组合、或加装屏蔽网以及选用旁瓣特性好的接收天线等抑制5G信号的干扰。
5G系统已经正式开始运营，随着用户的增多，5G基站的发射功率会不同程度增大，今后C波段下行信号受5G干扰的问题会更加严峻。卫星地球站要根据具体情况，系统全面地对改造设施进行评估测试，将5G信号可能带来的干扰降至最低，确保卫星广播电视信号安全畅通。
作者介绍：
池秀清，男，1964年生，山西广播电视台卫星传输中心工作，高级工程师，主要从事卫星广播电视技术方面的研究，曾参与过山西广播电视卫星地球站的建站工程及地球站扩容改造、标清改造等重点项目。