LoRa 系统对地面电视广播系统的干扰研究

侯然然，李景春，，许 颖，伉沛川

（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.国家无线电监测中心，北京 100037）

0 引 言

随着人们生活条件的提高与技术的发展，一方面，ZigBee 与蓝牙已经不能满足人们的需求；另一方面，在5G 网络大面积商用前，现有的Advance-LTE 等技术不能实现海量连接终端的要求，此时低功率广域网（LPWAN）技术无疑成为了非常有前景的解决方案[1]。在LPWAN技术中，LoRa（Long-Range）通过采用不同扩频因子来提高抗干扰和多径衰落并增大通信距离，不但使用免授权频段，而且在安全性及连接数方面均能满足人们现在的需求，因此LoRa 技术受到各类企业的青睐[2]。

在我国LoRa 技术主要用于工作在470～510 MHz 频段的微功率（短距离）无线电设备之中，根据《无线电频率划分》，广播业务已作为主要业务被部署在470～510 MHz频段上。由于广播电视覆盖面积广泛且连续，工作在470～510 MHz 的LoRa 系统的大规模部署可能会对电视广播系统产生一定程度的干扰[3]。因此分析研究470～510 MHz 频段LoRa 系统与地面电视广播系统的干扰具有很重要的实际意义。

1 系统简介

1.1 地面电视广播系统

目前，我国工作在470～510 MHz 频段内的广播业务台站包括6 个声音广播电台、124 个采用DTMB 制式的地面数字电视广播台站和472 个使用逐行倒相（PAL）的地面模拟电视广播台站。其中，电视广播系统参数设置如表1 所示。

表1 我国电视广播系统参数

1.2 LoRa 系统

LoRa 技术的采用可以增加系统的通信距离、连接数量、覆盖范围及其安全性，世界各国根据最新的LoRaWAN 地区参数[4]已经开始逐步部署并使用LoRa 技术。我国的LoRa 技术主要用于工作在470～510 MHz 频段的微功率无线电设备之中。其中，LoRa 系统的主要参数如表2 所示。

表2 LoRa 系统参数设置

2 干扰模型

我国广播业务为下行传输。LoRa 系统是双向通信，但主要以上行传输为主。当LoRa 业务在电视接收机附近通信时，LoRa 信号会进入到电视接收系统中，对电视信号的接收产生影响。其中，位于广播电视覆盖范围边缘的电视接收机受到的干扰最为严重。

本文以470～478 MHz 频段为例，重点研究单LoRa小区对位于广播电视覆盖边缘的电视接收机的干扰场景（即LoRa 系统单小区内有若干终端集中在广播电视接收机附近造成的干扰）和多LoRa 小区对位于广播电视覆盖边缘的电视接收机的干扰场景（即多个LoRa 小区密集部署在以受扰电视接收机为圆心的圆周上，且每个小区40 个终端同时发射上行信号对广播电视接收机的集总干扰）[5-6]，干扰模型分别如图1 和图2 所示。图1 中，d为LoRa 小区信号覆盖半径（单位：km）；Distance 为多LoRa 小区与受扰电视接收机的隔离距离（单位：km）。

图1 单LoRa 小区干扰电视接收机的场景

图2 多LoRa 小区干扰电视接收机的场景

3 干扰分析

3.1 干扰保护准则

在进行干扰分析之前，首先应确定地面电视广播系统的干扰保护准则。我国和国际电信联盟并没有明确指出地面电视广播系统的干扰保护准则。根据区域无线电通信大会通过的GE06 协议[7]，当电视系统受到的干扰场强超过它所能承受的最大干扰场强（即触发场强）时，需要展开协调。根据GE06 协议，广播电视系统的协调触发场强的计算公式如下：

式中：Emed为受扰广播电视接收机的最小中值等效场强；fcorr为频率修正量，可由公式fcorr=20log(f fr)计算得出；PR 为干扰保护率；CF 为相关组合位置校正因子，本文计算固定接收时，该项取值为0。

3.1.1 模拟电视系统的触发场强

GB/T 14433-1993 指出470-582 MHz 频段内的模拟电视最小中值场强为53 dB·μV/m。建议书ITU-R BT.417中显示470～582 MHz 频段内的模拟电视最小中值场强为65 dB·μV/m，边远低人口密度地区取58 dB·μV/m。通过比较以上标准，本文选取最严格的模拟广播电视最小中值等效场强进行计算，取值为53 dB·μV/m。

模拟电视的保护率参考GB/T 26252-2010 中模拟电视受数字电视的连续干扰的保护率40 dB 进行计算。

将以上参数代入式（1），可计算出模拟电视的触发场强为10.26 dB·μV/m，折算功率为-120.47 dBm。

3.1.2 数字电视的触发场强

根据GB/T 26252-2010，在室外固定接收情况下，可根据式（2）计算地面数字电视的最小中值等效场强Emin（单位：dB·μV/m）。

式中：Pmmn为人为噪声容限（单位：dB）；C1为地点校正因子（单位：dB），C1可由式（3）计算得出。

式中：μ为分布因子；σb为穿透建筑物所消耗的均方差（单位：dB）；σm为大尺度均方差。本文接收天线固定在室外，不涉及穿透建筑物的损耗，因此该项取0 dB。

本文选取地点概率为95%，此时分布因子取值为1.64，对DTMB 制式（8 MHz 带宽、64QAM 编码、rate=0.6、瑞利信道），其最小等效场强为44 dB·μV/m，本文中不考虑人为噪声。地面数字电视的保护率参考GB/T 26252-2010 中地面数字电视受同频连续干扰的保护率20 dB 进行计算。

将以上参数代入式（1），可计算出数字电视接收机可承受的最大干扰场强为30 dB·μV/m，折算成功率为-100.47 dBm。

3.2 传播模型

在传播模型方面，本文选取ITU-R P.1546 建议书[8]。该建议书基于实际测量数据，描绘出30～3 000 MHz 内地面业务无线电传播曲线，并提出不同情况的修正方法。本文研究参考100 MHz 与600 MHz 频率、时间百分比分别为1%与5%、陆地路径的传播曲线，按照电视广播与LoRa 系统的相关参数进行修订，得到LoRa 信号的路径损耗与隔离距离的关系。

3.3 单LoRa 小区的干扰

单LoRa 小区的干扰考虑位于广播电视覆盖范围边缘的电视接收机处于LoRa 小区内部时，LoRa 小区内的LoRa 上行信号对电视接收的广播电视信号的干扰。

由于本文以470～478 MHz 研究频段为例，且LoRa信道带宽为200 kHz，在不考虑扩频因子的情况下，进行单LoRa小区的干扰分析时，该频段上可同时传输40 个连续信道的LoRa 信号。其中，电视接收机收到单个LoRa 干扰信号的干扰功率可由式（4）计算[9]：

式中：P为一个LoRa 终端的发射功率，单位为dBm；Gt为LoRa 终端发射天线增益，单位为dBi；Lt为LoRa 终端发射端的馈线损耗，单位为dB；Lb为传输路径损耗，单位为dB；Gr为地面电视系统接收天线增益，单位为dBi；Lr为地面电视系统接收端的馈线损耗，单位为dB；I为地面电视系统接收到的干扰信号功率，单位为dBm。

在确定性分析中，计算最严重的一条干扰链路中的干扰值，因此此次干扰场景使用LoRa 最大等效全向辐射功率（EIRP）19.15 dBm，使用全向电视接收天线进行计算。EIRP 与干扰终端发射功率、发射天线增益及发射端馈线损耗[10-11]为：

根据式（5）可将式（4）进行简写：

LoRa 终端对电视接收机的集总干扰为：

式中Ik为第k个LoRa 终端对电视接收机的干扰功率，单位为dBm。

根据3.1 节中的分析计算可知，模拟电视系统和数字电视系统可承受的最大干扰功率分别为-120.47 dBm和-100.47 dBm。由式（6），式（7）可知，单LoRa 小区内n个LoRa 终端与电视接收机的隔离度可按照式（8）进行计算[12]。

在单小区内，n个LoRa 终端并发传输与受扰广播电视接收机间的隔离距离要求如图3 所示。由图3 可知，两系统同频部署所需的隔离距离随LoRa 干扰终端数量的增多而增大。

图3 单小区LoRa 终端并发传输的隔离距离要求

当单LoRa 小区内干扰终端数量增多时，广播电视接收机接收的干扰功率增大，为保证电视机免受干扰，需要两系统保持一定的隔离距离。通过干扰分析结果可知，模拟电视的触发场强低于数字电视，因此在城区（或郊区），当受到同等数量的LoRa 上行信号干扰时，模拟电视所需要的隔离距离比数字电视所需要的隔离距离大。依据城市环境更加复杂的情况，信号在城区的路径损耗大于郊区的路径损耗，因此对于同种受扰系统，同等数量的干扰信号在城区情况下对受扰系统造成的干扰比在郊区情况下小，所需的隔离距离也变小。

3.4 多LoRa 小区干扰

实际情况下，电视接收天线采用定向天线，电视周围可能部署多个LoRa 系统小区，且每个LoRa 系统小区内LoRa 终端部署位置随机，为了更加接近现实情况，需要采用蒙特卡罗法仿真多个LoRa系统干扰小区干扰一个电视接收机的情况。

3.4.1 仿真步骤

具体的仿真步骤[13]如下所示：

1）按照表1 和表2 初始化系统参数。

2）设置电视接收机在坐标原点处，最初的隔离距离设置为LoRa 小区的覆盖范围（即城区的最初隔离距离为2 km，郊区为10 km）。

3）根据圆周长，在最初隔离距离的圆环上布置一圈LoRa 小区，并在小区内随机生成40 个LoRa 终端。

4）计算每个干扰终端内到达电视接收机的干扰功率，进一步根据式（7）计算集总干扰功率。

5）对步骤3）～步骤4）重复进行1 000 次，统计多个干扰小区对电视接收机的平均干扰总功率值。

6）增加两系统间距离，重复进行步骤3）～步骤5）。

3.4.2 仿真结果

多LoRa 小区对电视接收机的集总干扰如图4 所示。即使干扰源增多，但随着两系统间距离的增大，LoRa 系统对地面广播系统的干扰也在逐渐降低。

图4 多LoRa 干扰小区对电视接收机的集总干扰与隔离距离的关系

在图4 中由于LoRa 小区在城区的覆盖半径小于在郊区的覆盖半径，同样满负载的情况下，在郊区的LoRa干扰终端分布较为分散，因此，在相同数量的干扰小区情况下，城区的集总干扰比郊区的干扰更为严重；由于保护数字电视系统的时间概率低于保护模拟电视系统的时间概率，因此在相同数量的干扰小区情况下，对数字电视的干扰功率更大。

4 结 语

本文针对我国470～510 MHz 频段上LoRa 系统对地面电视广播系统的干扰进行分析，根据结果可知，LoRa系统单小区对电视保护距离最高达约18 km；在城区环境下，多干扰小区对模拟电视系统隔离距离需要超过40 km。因此，我国现有的LoRa 系统与地面电视广播系统在470～510 MHz 频段上难以实现共存。如需减小两系统之间的干扰，可以通过降低干扰终端的发射功率或者避免多个LoRa 终端同时发送信息。

针对LoRa 系统与地面电视广播系统的干扰，分析基于LoRa 终端最大发射功率和40 个干扰信号的情况，并没有考虑到LoRa 系统的自适应速率及不同扩频因子的信号等因素，当考虑上述因素时，对电视广播系统的干扰会有所变化。