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        5 470~5 725 MHz頻段氣象雷達(dá)與WLAN共存干擾確定性分析

        2014-11-20 08:19:34楠,程方,武
        電視技術(shù) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:干擾機(jī)視距頻段

        李 楠,程 方,武 戈

        (重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

        1 5 GHz頻段

        近年來,國內(nèi)電信運(yùn)營企業(yè)已將WLAN視為支撐寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的重要方式,對WLAN的部署步伐不斷加快,迫切需要無線電主管部門為WLAN規(guī)劃配置新的頻率資源,中國移動通信集團(tuán)公司計(jì)劃引入5 GHz新頻段。另外,隨著IEEE802.11發(fā)展,帶寬越來越寬,現(xiàn)有2.4 GHz和5.8 GHz頻率已無法滿足需要。

        圖1 ITU與我國5GHz頻率劃分情況

        主流電信發(fā)達(dá)國家地區(qū)均以無執(zhí)照方式,開放了5 150~5 350 MHz和5 470~5 725 MHz應(yīng)用于WLAN業(yè)務(wù)以推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在我國,5 470~5 850 MHz頻段應(yīng)用于水上無線電導(dǎo)航,5 250~5 725 MHz頻段應(yīng)用于無線電定位雷達(dá),僅有5.8 GHz暫時(shí)開放,5 GHz頻段劃分如圖1所示,考慮5 470~5 725 MHz頻段作為促進(jìn)WLAN業(yè)務(wù)發(fā)展的新頻段,所以需要重點(diǎn)分析該頻段雷達(dá)與WLAN的共存干擾。

        因此,為了研究該頻段系統(tǒng)間的干擾共存,為該頻段WLAN頻率分配提供技術(shù)參考,采用確定性分析方法,計(jì)算系統(tǒng)間共存所需的隔離度。確定性計(jì)算是基于鏈路預(yù)算,通過數(shù)值計(jì)算,得出系統(tǒng)共存所需的隔離度。一般選取干擾最嚴(yán)重的鏈路,對最惡劣的情況進(jìn)行分析:路徑損耗最小;發(fā)射功率最大;收發(fā)天線增益最大。這種方法簡單且易實(shí)現(xiàn),但是與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)間存在一定的差異,適用于干擾估算和特殊情況下點(diǎn)對點(diǎn)的干擾計(jì)算。

        2 干擾傳播模型

        確定性計(jì)算采用 ITU-R P.452晴空模型[1],此模型適用于工作頻率范圍在0.7~50 GHz之間的無線電臺。微波干擾可能通過許多傳播機(jī)制引起,哪種傳播機(jī)制起主要作用,取決于氣候、無線電頻率、關(guān)心的時(shí)間百分比、距離和傳播路徑的剖面點(diǎn)地形,并且單個(gè)傳播機(jī)制或多個(gè)傳播機(jī)制在任何條件下都可能共存。

        晴空模型主要干擾傳播機(jī)制如下:

        視距傳播:正常大氣條件下存在視距傳播路徑,是始終存在的干擾傳播機(jī)制。而且不包括最短路徑(路徑長于約5 km左右)以外的所有路徑上,由于大氣分層引起的多徑效應(yīng)和聚焦效應(yīng),信號電平常常會在短時(shí)間內(nèi)顯著增強(qiáng)。

        繞射:在超出視距范圍以外和在正常條件下,檢測到的信號電平通常以繞射效應(yīng)為主。繞射預(yù)測的性能一定要很好地適用于光滑地球、離散障礙物和不規(guī)則地形的情況。

        表面大氣波導(dǎo):在水面上和在平坦的沿海陸地區(qū)域,這是最重要的短時(shí)間干擾機(jī)理,它可能在很遠(yuǎn)距離(海面上長于500 km)上產(chǎn)生高信號電平。

        高層的反射和折射:從高度達(dá)幾百米的層上反射或折射的處理是很重要的。因?yàn)樵谟欣穆窂降匦吻闆r下,這些機(jī)理可能使信號很有效地克服地形的繞射損耗。而且這種影響在相當(dāng)長的距離內(nèi)(直到250~300 km)可能是顯著的。

        對流層散射:在較長路徑上(長于100~150 km)的“背景”干擾電平。在這種情況下,繞射場很弱。通過對流層散射來的干擾電平太低,以至于不必要考慮。

        3 干擾預(yù)測程序

        3.1 輸入?yún)?shù)

        ITU-R P.452模型所需要的基本輸入?yún)?shù)見表1。

        表1 模型輸入?yún)?shù)

        表1中:1)下標(biāo)t,表示干擾站;下標(biāo)r,表示被干擾站??紤]雷達(dá)對WLAN干擾與WALN對雷達(dá)干擾兩種情況。2)時(shí)間百分比p,選擇年度預(yù)測或最差月份預(yù)測,通常是由干擾路徑接收端的被干擾無線電系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)所決定的。因?yàn)橐话愀蓴_是一個(gè)雙向的問題,可能需要對兩組這樣的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評估,以決定最差條件下的方向,根據(jù)最壞方向求出所需要的可容許的最小基本傳輸損耗。在實(shí)際仿真計(jì)算中時(shí)間百分比用p表示,在若干年或若干月時(shí)間的p%內(nèi),不超過這個(gè)時(shí)間百分比所需要的最小路徑損耗。所以,當(dāng)p越小,沒有干擾的時(shí)間越小,造成干擾的可能性越大。3)N0,ΔN是當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù),如果沒有當(dāng)?shù)刂?,可參考此模型提供的?shù)據(jù)。

        3.2 制作路徑剖面點(diǎn)

        根據(jù)干擾站(ψt,φt)和被干擾站(ψr,φr)的地理坐標(biāo),從數(shù)字地圖得到路徑上的地形高度(平均海拔高度)。剖面點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡量采用實(shí)際地形的特點(diǎn),通常30~1 000 m之間的距離增量是適當(dāng)?shù)摹F拭鎴D包含起點(diǎn)的干擾站和終點(diǎn)的被干擾站位置上的地面高度,推薦使用等間距剖面點(diǎn)。地形平均海拔高度的路徑剖面圖如圖2所示。

        圖2 路徑剖面圖

        3.3 路徑損耗

        根據(jù)該模型計(jì)算出兩站間的路徑損耗。對所有路徑進(jìn)行計(jì)算,p%時(shí)間內(nèi)不超過的最終基本傳輸損耗Lp(dB)為

        最終基本傳輸損耗Lp分為三部分:Lbs為p<50%時(shí)對流層散射引入的基本傳輸損耗;Lbam為修正的基本傳輸損耗,納入了繞射、視距、大氣波導(dǎo)和高層反射增強(qiáng)的影響;Aht,Ahr為干擾站和被干擾站的散射損耗。

        1)對流層散射引入的基本傳輸損耗為

        式中:Lf為與頻率有關(guān)的損耗;d為干擾路徑長度;θ為路徑角距;N0為路徑中心海平面的表面折射率;Lc為中值耦合的范圍;Ag為整個(gè)路徑長度總的氣體吸收;p為時(shí)間百分比。

        2)納入了繞射、視距、大氣波導(dǎo)和高層反射增強(qiáng)影響的修正的基本傳輸損耗為

        式中:Lbda為與視距和超視距反射增強(qiáng)有關(guān)的理論基本傳輸損耗;Lminb0p為與視距傳播和海上部分路徑繞射有關(guān)的假象最小傳輸損耗;Fj為考慮路徑的角向距離得到的內(nèi)插系數(shù)。

        3)由地物影響造成的附加散射損耗計(jì)算為

        式中:Ffc為頻率修正因子;dk為標(biāo)稱地物所在位置與天線之間的距離(km);h為相對于地面的天線高度(m);ha為相對于地面的標(biāo)稱地物的高度(m)。

        3.4 系統(tǒng)頻率距離間隔方法

        當(dāng)距離和頻率間隔都可變時(shí),鏈路預(yù)算方法[2]為

        式中:Lp為兩站之間最小傳播路徑損耗(dB);Pt為干擾信號發(fā)射功率(dBm);Gt為干擾機(jī)天線增益(dBi);Gr為被干擾機(jī)天線增益(dBi);I為被干擾機(jī)處干擾信號功率(dBm);FDRIF為頻率相關(guān)抑制[3],用來衡量被干擾機(jī)的選擇性曲線產(chǎn)生的對干擾機(jī)發(fā)射頻譜的抑制程度,其計(jì)算方法為

        式中:P(f)為干擾信號等效中頻功率譜密度;H(f)為被干擾站的頻率響應(yīng);Δf=ft-fr,ft為干擾站的發(fā)射頻率,fr為被干擾站的調(diào)諧頻率。

        如果沒有干擾機(jī)與被干擾機(jī)的頻譜模板,可以用近似方法,即

        式中:Bt總為干擾機(jī)的發(fā)射帶寬(MHz);Bt進(jìn)(Δf)為被干擾機(jī)落入干擾機(jī)的頻帶寬度(MHz)。

        3.5 確定性計(jì)算保護(hù)準(zhǔn)則

        被干擾機(jī)處干擾信號功率[2]為

        式中:I/N為被干擾機(jī)維持可接受的性能標(biāo)準(zhǔn)所需的干擾噪聲比(dB),一般情況下I/N=-6 dB;N為被干擾機(jī)固有噪聲功率(dBm),且有

        式中:BIF為被干擾站IF帶寬(MHz);NF為被干擾站噪聲系數(shù)(dB)。

        最后通過式(5)計(jì)算出的路徑損耗,找出式(1)計(jì)算出路徑損耗所對應(yīng)的距離,該距離則是兩站不發(fā)生干擾所需的最小隔離距離。如果找不到最小隔離距離,則需要更遠(yuǎn)的隔離距離,重新計(jì)算以滿足最低要求。

        4 仿真結(jié)果

        因?yàn)闆]有實(shí)際的氣象雷達(dá)參數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[4]提供的氣象雷達(dá)特性A和WLAN設(shè)置參數(shù),如表2所示,模型輸入?yún)?shù)如表3所示。

        表2 確定性分析參數(shù)

        表3 模型輸入?yún)?shù)

        根據(jù)表3所列參數(shù)計(jì)算出隨距離變化的路徑損耗,如圖3所示。

        圖3 路徑損耗

        考慮兩種干擾情況:氣象雷達(dá)對WLAN干擾,WLAN對氣象雷達(dá)干擾。在圖3中找出最小路徑損耗所對應(yīng)的隔離距離,這個(gè)隔離距離就是系統(tǒng)間沒有干擾的最小隔離距離。當(dāng)雷達(dá)和WLAN中心頻率間隔小于等于8.75MHz時(shí),屬于同頻情況;中心頻率間隔在8.75~9.15 MHz之間時(shí),屬于鄰頻情況;中心頻率間隔超過9.15 MHz時(shí),WLAN頻帶與雷達(dá)頻帶無重疊。同頻和鄰頻的最小隔離距離與路徑損耗結(jié)果如表4所示。

        表4 隔離距離

        在實(shí)際中,只要確保WLAN與雷達(dá)之間有最小的隔離距離與適當(dāng)?shù)念l率間隔,按照隔離距離與頻率間隔的建議部署WLAN,就能保證系統(tǒng)間不受干擾。

        5 小結(jié)

        計(jì)算出兩站之間的路徑損耗,僅對點(diǎn)對點(diǎn)的情況適用,而在實(shí)際情況下,干擾站與被干擾站關(guān)系復(fù)雜,就需要利用蒙特卡洛仿真,對點(diǎn)對多點(diǎn)的情況進(jìn)行仿真。圍繞氣象雷達(dá)周圍有大量WLAN臺站,WLAN臺站的距離、高度、功率等變化很大,路徑損耗不容易確定。然而,利用該模型在整個(gè)范圍內(nèi)計(jì)算出視距情況的路徑損耗,再計(jì)算出平均障礙物高度的路徑損耗,在這個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)取值,就可以模擬實(shí)際情況點(diǎn)對多點(diǎn)的路徑損耗,進(jìn)而為蒙特卡洛仿真提供模型參數(shù)。

        ITU-R P.452-14模型是目前5 GHz頻段干擾共存研究的重要模型,考慮了多種傳播機(jī)制的影響,采用了時(shí)間百分比和路徑剖面圖等因素,為干擾共存分析提供路徑損耗模型。適用頻率范圍廣,也可以用來分析各類無線系統(tǒng)之間的干擾共存研究,比ITU-R P.1546建議書模型具有更寬的頻率適用范圍。

        [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,F(xiàn)requency 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.

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