5 470～5 725 MHz频段气象雷达与WLAN共存干扰确定性分析

李 楠，程 方，武 戈

(重庆邮电大学通信网与测试技术重点实验室，重庆400065)

1 5 GHz频段

近年来，国内电信运营企业已将WLAN视为支撑宽带数据业务发展的重要方式，对WLAN的部署步伐不断加快，迫切需要无线电主管部门为WLAN规划配置新的频率资源，中国移动通信集团公司计划引入5 GHz新频段。另外，随着IEEE802.11发展，带宽越来越宽，现有2.4 GHz和5.8 GHz频率已无法满足需要。

图1 ITU与我国5GHz频率划分情况

主流电信发达国家地区均以无执照方式，开放了5 150～5 350 MHz和5 470～5 725 MHz应用于WLAN业务以推进产业发展。在我国，5 470～5 850 MHz频段应用于水上无线电导航，5 250～5 725 MHz频段应用于无线电定位雷达，仅有5.8 GHz暂时开放，5 GHz频段划分如图1所示，考虑5 470～5 725 MHz频段作为促进WLAN业务发展的新频段，所以需要重点分析该频段雷达与WLAN的共存干扰。

因此，为了研究该频段系统间的干扰共存，为该频段WLAN频率分配提供技术参考，采用确定性分析方法，计算系统间共存所需的隔离度。确定性计算是基于链路预算，通过数值计算，得出系统共存所需的隔离度。一般选取干扰最严重的链路，对最恶劣的情况进行分析:路径损耗最小;发射功率最大;收发天线增益最大。这种方法简单且易实现，但是与实际网络间存在一定的差异，适用于干扰估算和特殊情况下点对点的干扰计算。

2 干扰传播模型

确定性计算采用 ITU－R P.452晴空模型［1］，此模型适用于工作频率范围在0.7～50 GHz之间的无线电台。微波干扰可能通过许多传播机制引起，哪种传播机制起主要作用，取决于气候、无线电频率、关心的时间百分比、距离和传播路径的剖面点地形，并且单个传播机制或多个传播机制在任何条件下都可能共存。

晴空模型主要干扰传播机制如下:

视距传播:正常大气条件下存在视距传播路径，是始终存在的干扰传播机制。而且不包括最短路径(路径长于约5 km左右)以外的所有路径上，由于大气分层引起的多径效应和聚焦效应，信号电平常常会在短时间内显著增强。

绕射:在超出视距范围以外和在正常条件下，检测到的信号电平通常以绕射效应为主。绕射预测的性能一定要很好地适用于光滑地球、离散障碍物和不规则地形的情况。

表面大气波导:在水面上和在平坦的沿海陆地区域，这是最重要的短时间干扰机理，它可能在很远距离(海面上长于500 km)上产生高信号电平。

高层的反射和折射:从高度达几百米的层上反射或折射的处理是很重要的。因为在有利的路径地形情况下，这些机理可能使信号很有效地克服地形的绕射损耗。而且这种影响在相当长的距离内(直到250～300 km)可能是显著的。

对流层散射:在较长路径上(长于100～150 km)的“背景”干扰电平。在这种情况下，绕射场很弱。通过对流层散射来的干扰电平太低，以至于不必要考虑。

3 干扰预测程序

3.1 输入参数

ITU－R P.452模型所需要的基本输入参数见表1。

表1 模型输入参数

表1中:1)下标t，表示干扰站;下标r，表示被干扰站。考虑雷达对WLAN干扰与WALN对雷达干扰两种情况。2)时间百分比p，选择年度预测或最差月份预测，通常是由干扰路径接收端的被干扰无线电系统的质量指标所决定的。因为一般干扰是一个双向的问题，可能需要对两组这样的质量指标进行评估，以决定最差条件下的方向，根据最坏方向求出所需要的可容许的最小基本传输损耗。在实际仿真计算中时间百分比用p表示，在若干年或若干月时间的p%内，不超过这个时间百分比所需要的最小路径损耗。所以，当p越小，没有干扰的时间越小，造成干扰的可能性越大。3)N0，ΔN是当地气象数据，如果没有当地值，可参考此模型提供的数据。

3.2 制作路径剖面点

根据干扰站(ψt，φt)和被干扰站(ψr，φr)的地理坐标，从数字地图得到路径上的地形高度(平均海拔高度)。剖面点之间的距离应尽量采用实际地形的特点，通常30～1 000 m之间的距离增量是适当的。剖面图包含起点的干扰站和终点的被干扰站位置上的地面高度，推荐使用等间距剖面点。地形平均海拔高度的路径剖面图如图2所示。

图2 路径剖面图

3.3 路径损耗

根据该模型计算出两站间的路径损耗。对所有路径进行计算，p%时间内不超过的最终基本传输损耗Lp(dB)为

最终基本传输损耗Lp分为三部分:Lbs为p＜50%时对流层散射引入的基本传输损耗;Lbam为修正的基本传输损耗，纳入了绕射、视距、大气波导和高层反射增强的影响;Aht，Ahr为干扰站和被干扰站的散射损耗。

1)对流层散射引入的基本传输损耗为

式中:Lf为与频率有关的损耗;d为干扰路径长度;θ为路径角距;N0为路径中心海平面的表面折射率;Lc为中值耦合的范围;Ag为整个路径长度总的气体吸收;p为时间百分比。

2)纳入了绕射、视距、大气波导和高层反射增强影响的修正的基本传输损耗为

式中:Lbda为与视距和超视距反射增强有关的理论基本传输损耗;Lminb0p为与视距传播和海上部分路径绕射有关的假象最小传输损耗;Fj为考虑路径的角向距离得到的内插系数。

3)由地物影响造成的附加散射损耗计算为

式中:Ffc为频率修正因子;dk为标称地物所在位置与天线之间的距离(km);h为相对于地面的天线高度(m);ha为相对于地面的标称地物的高度(m)。

3.4 系统频率距离间隔方法

当距离和频率间隔都可变时，链路预算方法［2］为

式中:Lp为两站之间最小传播路径损耗(dB);Pt为干扰信号发射功率(dBm);Gt为干扰机天线增益(dBi);Gr为被干扰机天线增益(dBi);I为被干扰机处干扰信号功率(dBm);FDRIF为频率相关抑制［3］，用来衡量被干扰机的选择性曲线产生的对干扰机发射频谱的抑制程度，其计算方法为

式中:P(f)为干扰信号等效中频功率谱密度;H(f)为被干扰站的频率响应;Δf=ft－fr，ft为干扰站的发射频率，fr为被干扰站的调谐频率。

如果没有干扰机与被干扰机的频谱模板，可以用近似方法，即

式中:Bt总为干扰机的发射带宽(MHz);Bt进(Δf)为被干扰机落入干扰机的频带宽度(MHz)。

3.5 确定性计算保护准则

被干扰机处干扰信号功率［2］为

式中:I/N为被干扰机维持可接受的性能标准所需的干扰噪声比(dB)，一般情况下I/N=－6 dB;N为被干扰机固有噪声功率(dBm)，且有

式中:BIF为被干扰站IF带宽(MHz);NF为被干扰站噪声系数(dB)。

最后通过式(5)计算出的路径损耗，找出式(1)计算出路径损耗所对应的距离，该距离则是两站不发生干扰所需的最小隔离距离。如果找不到最小隔离距离，则需要更远的隔离距离，重新计算以满足最低要求。

4 仿真结果

因为没有实际的气象雷达参数，根据文献［4］提供的气象雷达特性A和WLAN设置参数，如表2所示，模型输入参数如表3所示。

表2 确定性分析参数

表3 模型输入参数

根据表3所列参数计算出随距离变化的路径损耗，如图3所示。

图3 路径损耗

考虑两种干扰情况:气象雷达对WLAN干扰，WLAN对气象雷达干扰。在图3中找出最小路径损耗所对应的隔离距离，这个隔离距离就是系统间没有干扰的最小隔离距离。当雷达和WLAN中心频率间隔小于等于8.75MHz时，属于同频情况;中心频率间隔在8.75～9.15 MHz之间时，属于邻频情况;中心频率间隔超过9.15 MHz时，WLAN频带与雷达频带无重叠。同频和邻频的最小隔离距离与路径损耗结果如表4所示。

表4 隔离距离

在实际中，只要确保WLAN与雷达之间有最小的隔离距离与适当的频率间隔，按照隔离距离与频率间隔的建议部署WLAN，就能保证系统间不受干扰。

5 小结

计算出两站之间的路径损耗，仅对点对点的情况适用，而在实际情况下，干扰站与被干扰站关系复杂，就需要利用蒙特卡洛仿真，对点对多点的情况进行仿真。围绕气象雷达周围有大量WLAN台站，WLAN台站的距离、高度、功率等变化很大，路径损耗不容易确定。然而，利用该模型在整个范围内计算出视距情况的路径损耗，再计算出平均障碍物高度的路径损耗，在这个范围内随机取值，就可以模拟实际情况点对多点的路径损耗，进而为蒙特卡洛仿真提供模型参数。

ITU－R P.452－14模型是目前5 GHz频段干扰共存研究的重要模型，考虑了多种传播机制的影响，采用了时间百分比和路径剖面图等因素，为干扰共存分析提供路径损耗模型。适用频率范围广，也可以用来分析各类无线系统之间的干扰共存研究，比ITU－R P.1546建议书模型具有更宽的频率适用范围。

［1］ ITU－R P.452－14，Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz［S］.2009.

［2］ ITU－R M.1461－1，Procedures for determining the potential for interference between radars operating in the radiodetermination service and systems in other services［S］.2003.

［3］ ITU－R SM.337－6，Frequency and distance separations［S］.2008.

［4］ ITU－R M.1652－1，Dynamic frequency selection in wireless access systems including radio local area networks for the purpose of protecting the radiodetermination service in the 5 GHz band［S］.2011.