UWB 信号与5G 设备同频干扰分析

2023-03-20谢剑德

大科技 2023年11期

谢剑德

（中贝通信集团股份有限公司,湖北武汉 430023）

0 引言

5G 所具有的优势使日常生活出现了很大的变化，如其低时延、传输快等特点，频段附近有着不少的无线电业务，其被干扰更加突出，其中就包括UWB 信号。频段部分共同使用很大程度上决定5G 信号调解，因此针对5G 和UWB 信号有必要对二者的同频干扰进行分析。通过联合链路级仿真达到了同频干扰分析，而且实测研究了UWB 信号给5G 的影响。无论是仿真还是实测分析均表明了在距离很近时将被UWB 信号影响，不过当距离超过40cm 时干扰已不突出。本文所提出的方式以及实测结果为信号共存提供了数据。

1 研究背景

5G 的效率非常高，有着低时延的特点，属于新一代通信技术，可以促进人机物互联。我国运营商在2.6G等频段上都构建了宽带是100Hz 的5G 系统。UWB 可以在短距离实现高速传输，属于低功率无线技术。现阶段该项技术的定位系统获得了普遍的运用，比如，苹果公司就借助了UWB 进行定位，有关定义认为其绝对宽带超过500Hz，同时中心频率也超过了2.5Hz，相对宽度在25%以上的信号，被称之为UWB 信号。现阶段该系统和5G 存在一定的频率重合现象。在UWB 持续发展中强化了对有关信号共存及干扰的研究，我国机构还探讨出了数据存取装置（data access arrangement,DAA）策略。对UWB 和全球移动通信系统（global systeˉ mfor mobile communications, GSM）信号干扰开展分析，利用衰减参数获得结论，即GSM-900 的抗干扰性能非常强。同时还对UWB 和DAA 的影响开展了对比分析，明确了DAA 技术可以保护受扰源。在对5G 及UWB 等信号进行分析的同时，还构建了对宽带通信系统起到一定限制的多陷波UWB 天线。然而现阶段国内外对UWB 和5G 的干扰研究，主要是对二者的共同利用进行研究。二者都可以运用在室内定位中，实现二者有机结合可以有效增强室内定位准确性。借助5G 和UWB可以采用智慧定位技术，对场景中的物体开展有效定位；借助5G 承载网和UWB 定位技术以及多元化定位算法可以达到医疗高精度定位[1]。在这一过程中，借助UWB 可以达到5G 阵列波束成形，构建UWB 波束成形方案，与传统系统进行比较，它的成本及功率可以减少97%左右，在此基础上设计了UWB-5G 蜂窝通信。在实际生活中，5G 有着普遍的运用，可以同物联网及卫星定位等进行结合。UWB 技术也在内置芯片领域获得了发展。对于5G 信号受干扰的现象，在卫星天地一体化发展中借助5G 网络可以对卫星通信某些频段开展恢复，让二者形成同频干扰。由于UWB 的大量部署，再加上UWB 和5G 有着频段重合的现象，应对二者的同频干扰进行深入研究，这有着较大的现实意义。

2 UWB 及5G

（1）UWB。UWB 无线通信可以无须载波将时间间隔控制在最低以此开展通信。它属于无载波通信技术，基于纳秒到微微秒范围完成数据传输。其抗干扰性非常强，具有较高的传输效率，而且容量比较大。该系统的发射功率相对较小，可以完成1mW 以下的通信。该特点极大地增加了电源工作时间。同时形成的电磁波辐射也不会危害人体，有着比较广泛的应用面。UWB如图1 所示。

图1 UWB

（2）5G。5G 属于新一代通信技术，借助5G 通讯设施能够促进人机物有效互联。在国际电信联盟上对5G的应用场景进行了定义，主要包含3 个场景：①增强移动宽带，②众多机器类通信，③低时延通信。对于第一类场景，一般运用在互联网流量增长较快的情况下帮助用户获得极致的体验；对于第二类场景，一般运用在智慧城市及家居上，主要将传感及数据采集当成目标以实现相关应用需求；针对第三类场景，通常运用在工业控制及自动驾驶等方面，其对可靠性要求非常高，主要是满足垂直行业的需要。为实现5G 多样化需求，应保证其性能指标多样化设置。比如高速率、大连接等特点，应保证用户体验速率在1Gbit/s 以上，并且其时延在1ms 以下，连接能力超过每平方公里100 万Gbit/s连接。

3 第五代移动通信技术和无线干扰技术

（1）信号有着频率重叠。按照有关规定，对于UWB无线技术，其信号频率范围介于3244MHz～1.0161GHz，对于第五代移动通信技术的频段，其频率介于410MHz～7.125GHz，并且针对毫米波段，将其规定为可用频段。就5G 信号和UWB 信号而言，二者有着突出的频率重叠。在基站（图2）和发射机同步传递时，UWB 可能会覆盖5G 信号。在接收基站信号时也将获取干扰信号。所以若干扰信号功率大于调门限，那么解调将不成功，给5G 带来较大的同频干扰。

图2 基站

（2）信道模型构建。对于UWB 信道实验分析往往会构建信道模型，通常采用式（1）来完成建模：

式中：r——损耗指数；Xδ——随机变量；PLo（do）——功率消耗，一般情况下do 取1m。

（3）接近程度和滤波平均功率之比的定义及门限值。在信道试验过程中，将接近程度以及滤波平均功率之比当作干扰程度度量，前者用误差矢量幅度（error vector magnitude, EVM）表示，后者用邻信道泄漏比（adˉ jacent channel leakage ratio, ACLR）表示，以此确定二者的定义以及门限值[2]。EVM 代表接收机（图3）在对信号开展解调过程中形成的分量和理想分量比较接近，对于调制信号的质量，这属于一项不可或缺的指标，同时还是衡量干扰程度的关键。按照有关定义最大接近程度值是3.5%，调制许可的值是17.5%。针对接收的非n46 与n96 信号，要求滤波平均功率之比的最小值是45dB。

图3 接收机

4 基于联合链路级仿真研究同频干扰

4.1 场景构建

借助Simulink 对单台UWB 设备干扰情况开展场景构建。新无线（new radio, NR）系带信号形成将借助5G Waveform Generator APP 构建满足标准的5GNR 测试频段信号，其宽度一般是10MHz。通过UWB 基带信号构建满足要求的UWB 信号，其带宽通常是499.2MHz。二者在进行合路之后可以导入基带波形，把5G 信号调至3550MHz，将UWB 信号调至3480MHz。接着利用应用托管中心（application data center, ADC）模数转换器（图4）借助解码器获取EVM 及ACLR 结果，同时生成星座图。

图4 模数转换器

4.2 仿真结果研究

结合以上开展场景构建，因为UWB 信号具有超宽带的特点，它的频率范围往往能够覆盖所有5G 信号。具体而言，一个变量interferer gain 相当于5G 电压或者是UWB 电压，可以有效体现二者的功率比。

（1）没有干扰时的场景构建。在没有UWB 干扰时开展场景构建，将interferer gain 调整成0，在这一过程中，仅有5G 信号能够抵达调节器。对1 子帧中的结果开展分析，借助仿真系统构建ACLR 及EVW 分析图。根据5G 频谱信号可以得知ACLR 主要是为测量获取的数值，其最大是94dB，在超过3GPP 的情况下是45dB。其EVM 均值一般是0.7%左右，最大值是2.1%，都是满足规定标准的，由此能够构建科学的星座图。

（2）UWB 对5G 有着干扰。按照原有的设置把inˉ terferergain 设置成1，在这一过程中5G 和UWB 信号功率都将按照1:1 的比例进行叠加，并对该合路信号开展解调。根据5G 频谱来看，在有干扰的情况下出现了变化，邻近的信道频谱逐渐上升，并且ACLR 最大值开始下降，达到56dB，然而还是超过了45dB，可以达到第三代合作伙伴计划（3rd generation partnership project,3GPP）的标准；根据EVM 来看，它也逐渐增大，均值可以达到0.9%左右，最大值还低于3.5%，可以达到解调标准，对此可形成256QAM 星座图。在有干扰的情况下会对5G 信号解调质量产生较大的影响，由此可知UWB 有一定的干扰。

（3）干扰比较突出的现象。该实验把interferer gain设置成3，在这一过程中5G 和UWB 信号功率是根据1:3 的比例进行叠加，会产生很大的干扰现象，对合路信号开展调节，EVM 均值会越来越大，达到3%上下，甚至会大于3.5%，在正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）中，EVM 最大值将在3.5%以上，对5G 信号中256QAM 解调产生较大的影响。从中能够发现ACLR 最大值是37dB，达到了45dB 以下，邻近信道将产生严重影响，不利于5G 信号解调质量。对此难以实现科学解调，并且还会对星座图效果产生影响，256QAM 星座点会变成发散状，由此可以看出受到了较大的干扰[3]。

5 基于暗室实测研究UWB 对5G 信号的影响

为了研究UWB 给5G 信号带来的干扰，湖北省某无线电监测站开展了暗室实测分析，结果表明：当距离较近时，5G 被同频UWB 所影响，在距离超过40cm 时，所形成的干扰较小，以下是详细的分析内容：因为外场实测可能被电波影响，实测在暗室中开展。应用的装置是信号发生器、信号分析仪等。分析仪通过全向天线接收，信号发生器和计算机衔接，通过天线发射信号。

实测频率是3993MHz 的信号，基于接收机解调作用研究5G 受到的影响。借助频谱仪解调选件来对EVM 值进行解调，以捕捉UWB 信号开展研究，在100MHz 带宽外的领道上可以找到毛刺[4]。通过解调软件来获取EVM 值，实测结果如下：5G 的100MHz 带宽，发射功率是10dBm，没有干扰，EVM 值是3.201%；5G的100MHz 带宽，发射功率是10dBm，有干扰，EVM 值是3.321%；5G 的100MHz 带宽，发射功率是-10dBm，有干扰，EVM 值是27.033%；5G 的100MHz 带宽，发射功率是-10dBm，没有干扰，EVM 值约为21.4%；5G 的10MHz 带宽，发射功率是-10dBm，没有干扰，EVM 值约为18.5%；5G 的10MHz 带宽，发射功率是-10dBm，有干扰，EVM 值约为21.0%；5G 的10MHz 带宽，发射功率是10dBm，有干扰，EVM 值约为4.6%；5G 的10MHz带宽，发射功率是10dBm，没有干扰，EVM 值约为4.2%。

在对照组下，有着干扰时EVM 值均会变大，表明对5G 形成干扰。发射功率较大，EVM 均低于5%；在发射功率降低到-10dBm 时恶化突出，表明被较大干扰。需要注意的是在暗室进行测试过程中，虽然是借助荧光谱功能，却还是难以获取UWB 信号，仅在UWB 发射机与频谱仪天线在40cm 以下的情况下才能获取UWB发射信号，因此在有UWB 信号时，5G 信号解调至EVM值也将随之变大。从中可以看出，UWB 信号会对5G 信号产生干扰，然而仅有在UWB 设备与5G 接收机距离在40cm 以下时才会看到，具体在UWB 功率大、数量多的情况下会对5G 信号造成严重影响，这也对实验结果进行了验证[5]。