北斗S信号受地面5G干扰影响分析及对策研究

张天桥，葛 侠，刘治君，张卫楠

(北京卫星导航中心，北京 100094)

0 引言

北斗卫星导航系统是我国重要时空信息基础设施，为全球用户提供全天候、全天时、高精度、高可靠、高实时的卫星导航定位服务，也为我国国家安全提供重要的基础保障。卫星无线电测定业务(Radio-Determination Satellite Service，RDSS)是北斗系统特色优势服务，可为我国及周边用户提供快速定位、位置报告及短报文通信服务。北斗RDSS业务自2003年正式开通以来，服务连续稳定、应用领域不断扩大，在我国国民经济的各个方面都发挥了重要作用。在北斗系统的3个发展阶段中，RDSS业务从信号体制到服务模式等各个方面都取得了较大发展。2020年7月30日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着新一代RDSS正式提供服务。相比于北斗二号RDSS，北斗三号RDSS实现了覆盖区域拓展、服务容量扩大、终端功耗降低等一系列技术体制升级。

第五代移动通信系统(5G)具有高速率、低时延等特点，是我国重点发展的通信基础设施。工业和信息化部将5G频率划分为4个频段：2 515～2 675 MHz，3 300～3 400 MHz，3 400～3 600 MHz和4 800～4 960 MHz，其中，2 515～2 675 MHz频段与北斗RDSS出站信号频率相邻，隔离带仅15 MHz。2018年12月工信部发布的5G射频征求意见稿规定，2 515～2 675 MHz频段5G信号在2 483.5～2 500 MHz内的带外无用发射信号最大值为-40 dBm/MHz，2021年初发布的试行稿[1]中该指标修订为-43 dBm/MHz，即5G信号泄漏到北斗RDSS出站信号频带内的功率约为-30.8 dBm。

北斗系统是一个星基导航定位系统，其落地电平低，容易受到外部系统的干扰[2]。北斗S信号的落地电平约为-127 dBm，比5G信号泄漏的功率低近100 dB，且二者频率相隔较近，5G信号会对北斗RDSS业务造成干扰。

北斗和5G均为国家重要信息基础设施，二者的电磁兼容是保证2个系统共同健康发展的基本前提。2011年，美国联邦通信委员会以干扰GPS接收机为由，无限期暂停LightSquared公司运营4G网络[3]。文献[4]给出了LTE系统对GPS和Galileo的影响模型。文献[5]从射频角度分析了4G信号与北斗二号RDSS之间的干扰，给出了4G对RDSS造成的带外干扰的分析方法。

本文针对北斗S信号与地面5G的兼容性问题，首先分析了北斗S信号特征，并将地面5G的干扰分为带内干扰和带外干扰，重点分析带内干扰对信号的影响；然后从理论上分析了北斗S信号受地面5G干扰影响，并利用实际北斗S信号和5G基站对其进行了测试；最后从不同角度提出了降低地面5G对北斗S信号干扰的策略。

1 北斗S信号特征分析

北斗三号RDSS的信号体制在北斗二号的基础上进行了改进。随着北斗三号正式开通，北斗三号RDSS将逐步取代北斗二号RDSS，向用户提供服务。为此，本文以北斗三号RDSS为例，对北斗S信号特征进行分析。

RDSS信号链路可分为入站链路和出站链路，入站链路是指RDSS用户机向主控站发送服务申请的信号链路；出站链路是指主控站向用户机播发服务信息的信号链路。从RDSS用户机角度，RDSS的入站信号位于L频段，具体频率为1 610～1 626.5 MHz；出站链路位于S频段，具体频率为2 483.5～2 500 MHz。由于入站信号频段与5G信号频段相隔较远，因此，下面主要分析RDSS的出站信号。

RDSS出站信号采用直接扩频序列，中心频点为2 491.75 MHz，工作带宽16.5 MHz，调制方式为QPSK[6]。用户机接收的北斗S信号可表示为：

s(t)=Apcp(t)cos(2πf0t+θ0)+

Add(t)cd(t)sin(2πf0t+θ0)+n(t)，

(1)

式中，A为信号幅度；c(t)为扩频码；f0为载波频率；θ0为初相；d(t)为电文；下标p和d分别表示导频支路和电文支路；n(t)为零均值高斯白噪声。

2 北斗S信号受地面5G干扰影响分析

从北斗RDSS用户机角度，外部系统造成的干扰可分为带内干扰与带外干扰两部分。带内干扰是由于干扰发射机中的功放、混频器和滤波器等非线性器件在工作频带以外产生辐射信号分量，包括热噪声、谐波、寄生辐射、频率转换产物和互调产物等落入北斗RDSS出站信号频段内，导致北斗RDSS用户机的底噪抬升，造成灵敏度损失。带内干扰频谱示意图如图1所示。

图1 带内干扰频谱示意Fig.1 Spectrum of in-band interference

带外干扰是由于干扰信号在北斗RDSS出站信号的相邻频段注入，使北斗用户机的非线性器件产生失真，甚至饱和，造成其灵敏度损失。带外干扰频谱示意图如图2所示。

图2 带外干扰频谱示意Fig.2 Spectrum of out-of-band interference

带外干扰可通过提升接收机滤波的带外抑制指标来削弱，带内干扰则主要依靠扩频码的扩频增益抑制。

带内干扰对S信号的影响可以用等效载噪比进行评估。当存在带内干扰时，可以用等效载噪比来描述信号质量，其表达式为[7]：

(2)

式(2)表明，带内干扰对等效载噪比的影响与干扰功率和谱分离系数相关，干扰功率和谱分离系数越大，等效载噪比恶化越严重。

仿真了不同出站信息速率条件下等效载噪比随干扰功率的变化。仿真中，假设信号功率为-127 dBm，5G信号对RDSS用户机的带内干扰的功率谱是平坦的，噪声温度为290 K，用户机前端带宽为16.5 MHz。等效载噪比随带内干扰功率变化的仿真结果如图3所示。

图3 等效载噪比随带内干扰功率的变化Fig.3 Variation of effective carrier-to-noise density ratio with in-band interference power

由图3可以看出，随着带内干扰功率不断增加，等效载噪比恶化不断加剧。当带内干扰功率低于-108 dBm时，等效载噪比恶化低于1 dB；当带内干扰功率高于-103.5 dBm时，等效载噪比低于44.7 dBHz的电文解调门限。

由于信号存在传输损耗，因此，当用户机与基站间距离不同时，所受的干扰业务不相同。自由空间的传输损耗为：

L=20lgF+20lgD+32.4，

(3)

式中，F为信号频率，单位MHz；D为传输距离，单位km；L单位为dB。

图4仿真了不同距离下，5G信号对RDSS用户机的干扰情况。仿真中，假设信号功率为-127 dBm，噪声温度为290 K，5G信号对RDSS用户机的带内干扰的功率谱是平坦的，干扰功率谱密度分别为-40 dBm/MHz和-43 dBm/MHz[1]，用户机前端带宽为16.5 MHz。仿真中假设北斗S信号和5G信号均无遮挡，且基站和用户机的天线均为全向天线。

图4 等效载噪比随5G基站距离的变化Fig.4 Variation of effective carrier-to-noise density ratio with distance of 5G base station

由图4可以看出，若5G信号在北斗S频带内的无用功率为-43 dBm/MHz，则用户机的正常解调电文的安全距离为40 m，即当用户机距基站超过40 m时，5G基站的干扰可忽略；若5G信号在北斗S频带内的无用功率为-40 dBm/MHz，则最小安全距离为60 m。

需要注意的是，当前分析采用自由空间的传输损耗，对于实际的损耗可能还存在阴影衰落、穿透损耗等，而5G基站的发射天线通常不是全向天线，后续还需要5G基站发射天线、信道传播条件等相关参数以支持更完善的影响分析。

3 北斗S信号受地面5G干扰测试情况

在实际5G环境中测试5G基站对RDSS通信成功率的影响。将5台RDSS用户机分别放置于距5G基站不同距离，其中，3台配置了较强干扰滤波器、2台无专用抗干扰滤波器，测试距离分别为30，40和60 m。每个测试点位进行1 000次通信测试。

测试点的5G基站和附近的5G信号分布如图5所示。

图5 5G发射天线Fig.5 5G emitting antenna

不同类型北斗RDSS用户机与单基站在不同距离情况下的成功率如表1所示。其中，抗干扰滤波器抗带外干扰能力为50 dB。

表1 不同类型RDSS用户机在不同距离处的通信成功率Tab.1 Communication success rates of different types of RDSS receivers at different positions

4 北斗S信号与地面5G兼容性提升策略

通过上述理论仿真与实际测试可知，地面5G信号对北斗S信号是客观存在干扰影响的。由于北斗S信号的落地电平远低于地面5G信号电平，因此，提升二者的兼容性主要考虑减小地面5G对北斗S信号的干扰。可以采用3种策略提升两系统的兼容性。

① 从北斗RDSS系统角度，提升RDSS出站链路信号发射功率，采用扩频增益较大的扩频码，可以提升S信号抗带内干扰的能力。

② 从北斗RDSS用户机角度，提升带外抑制性能是削弱地面5G造成的带外干扰有效方法。

③ 增大对5G基站发射信号的约束，降低地面5G信号在北斗S频段内的无用发射功率。

上述3种策略中，第1种和第2种是从北斗系统角度，提升系统和用户机的抗干扰能力。对于第1种策略，在系统建设完成后，其信号体制和发射功能就已经确定，在很长一段时间内将保持不变，因此，采用该策略的成本较大。对于第2种策略，提升用户机带外抑制性能的主要方法是提高滤波器的带外抑制指标，目前该指标标准正在形成之中。第3种方法是从约束地面5G的角度，降低其对北斗S信号造成的带内干扰，这是一种“治本”的策略，但是，从5G射频指标征求意见稿到试行稿，该指标已经下降3 dB，随着后续5G基站组网越来越密集，对北斗影响也会更大，该指标的改进空间仍有待更深入研究。

5 结束语

针对北斗S信号与地面5G的兼容性问题，利用等效载噪比评估5G基站对S信号的影响，并进行了仿真分析，结果表明在北斗S信号和5G信号都无遮挡、且基站和用户机的天线均为全向天线的情况下，用户机与5G基站的安全距离为40 m(以95%为成功率门限)。从北斗系统、RDSS用户机和5G基站的角度，对比了3种提升北斗S信号和地面5G系统兼容性的方法。同时，由于北斗系统、地面5G系统都还在发展之中，上述3个方面的兼容性提升方法都还有待进一步研究。