李 楠,程 方,武 戈
(重慶郵電大學通信網(wǎng)與測試技術重點實驗室,重慶400065)
近年來,國內電信運營企業(yè)已將WLAN視為支撐寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務發(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,中國移動通信集團公司計劃引入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應用于WLAN業(yè)務以推進產業(yè)發(fā)展。在我國,5 470~5 850 MHz頻段應用于水上無線電導航,5 250~5 725 MHz頻段應用于無線電定位雷達,僅有5.8 GHz暫時開放,5 GHz頻段劃分如圖1所示,考慮5 470~5 725 MHz頻段作為促進WLAN業(yè)務發(fā)展的新頻段,所以需要重點分析該頻段雷達與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頻率分配提供技術參考,采用確定性分析方法,計算系統(tǒng)間共存所需的隔離度。確定性計算是基于鏈路預算,通過數(shù)值計算,得出系統(tǒng)共存所需的隔離度。一般選取干擾最嚴重的鏈路,對最惡劣的情況進行分析: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現(xiàn),但是與實際網(wǎng)絡間存在一定的差異,適用于干擾估算和特殊情況下點對點的干擾計算。
確定性計算采用 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制引起,哪種傳播機制起主要作用,取決于氣候、無線電頻率、關心的時間百分比、距離和傳播路徑的剖面點地形,并且單個傳播機制或多個傳播機制在任何條件下都可能共存。
晴空模型主要干擾傳播機制如下:
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和聚焦效應,信號電平常常會在短時間內顯著增強。
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為主。繞射預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:在水面上和在平坦的沿海陸地區(qū)域,這是最重要的短時間干擾機理,它可能在很遠距離(海面上長于500 km)上產生高信號電平。
高層的反射和折射:從高度達幾百米的層上反射或折射的處理是很重要的。因為在有利的路徑地形情況下,這些機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長的距離內(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。
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t,表示干擾站;下標r,表示被干擾站??紤]雷達對WLAN干擾與WALN對雷達干擾兩種情況。2)時間百分比p,選擇年度預測或最差月份預測,通常是由干擾路徑接收端的被干擾無線電系統(tǒng)的質量指標所決定的。因為一般干擾是一個雙向的問題,可能需要對兩組這樣的質量指標進行評估,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。在實際仿真計算中時間百分比用p表示,在若干年或若干月時間的p%內,不超過這個時間百分比所需要的最小路徑損耗。所以,當p越小,沒有干擾的時間越小,造成干擾的可能性越大。3)N0,ΔN是當?shù)貧庀髷?shù)據(jù),如果沒有當?shù)刂担蓞⒖即四P吞峁┑臄?shù)據(jù)。
根據(jù)干擾站(ψt,φt)和被干擾站(ψr,φr)的地理坐標,從數(shù)字地圖得到路徑上的地形高度(平均海拔高度)。剖面點之間的距離應盡量采用實際地形的特點,通常30~1 000 m之間的距離增量是適當?shù)?。剖面圖包含起點的干擾站和終點的被干擾站位置上的地面高度,推薦使用等間距剖面點。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
根據(jù)該模型計算出兩站間的路徑損耗。對所有路徑進行計算,p%時間內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、大氣波導和高層反射增強的影響;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為整個路徑長度總的氣體吸收;p為時間百分比。
2)納入了繞射、視距、大氣波導和高層反射增強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有關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的假象最小傳輸損耗;Fj為考慮路徑的角向距離得到的內插系數(shù)。
3)由地物影響造成的附加散射損耗計算為
式中:Ffc為頻率修正因子;dk為標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為相對于地面的標稱地物的高度(m)。
當距離和頻率間隔都可變時,鏈路預算方法[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為干擾機天線增益(dBi);Gr為被干擾機天線增益(dBi);I為被干擾機處干擾信號功率(dBm);FDRIF為頻率相關抑制[3],用來衡量被干擾機的選擇性曲線產生的對干擾機發(fā)射頻譜的抑制程度,其計算方法為
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;Δf=ft-fr,ft為干擾站的發(fā)射頻率,fr為被干擾站的調諧頻率。
如果沒有干擾機與被干擾機的頻譜模板,可以用近似方法,即
式中:Bt總為干擾機的發(fā)射帶寬(MHz);Bt進(Δf)為被干擾機落入干擾機的頻帶寬度(MHz)。
被干擾機處干擾信號功率[2]為
式中:I/N為被干擾機維持可接受的性能標準所需的干擾噪聲比(dB),一般情況下I/N=-6 dB;N為被干擾機固有噪聲功率(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)計算出的路徑損耗,找出式(1)計算出路徑損耗所對應的距離,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,則需要更遠的隔離距離,重新計算以滿足最低要求。
因為沒有實際的氣象雷達參數(shù),根據(jù)文獻[4]提供的氣象雷達特性A和WLAN設置參數(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:氣象雷達對WLAN干擾,WLAN對氣象雷達干擾。在圖3中找出最小路徑損耗所對應的隔離距離,這個隔離距離就是系統(tǒng)間沒有干擾的最小隔離距離。當雷達和WLAN中心頻率間隔小于等于8.75MHz時,屬于同頻情況;中心頻率間隔在8.75~9.15 MHz之間時,屬于鄰頻情況;中心頻率間隔超過9.15 MHz時,WLAN頻帶與雷達頻帶無重疊。同頻和鄰頻的最小隔離距離與路徑損耗結果如表4所示。
表4 隔離距離
在實際中,只要確保WLAN與雷達之間有最小的隔離距離與適當?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。
計算出兩站之間的路徑損耗,僅對點對點的情況適用,而在實際情況下,干擾站與被干擾站關系復雜,就需要利用蒙特卡洛仿真,對點對多點的情況進行仿真。圍繞氣象雷達周圍有大量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,利用該模型在整個范圍內計算出視距情況的路徑損耗,再計算出平均障礙物高度的路徑損耗,在這個范圍內隨機取值,就可以模擬實際情況點對多點的路徑損耗,進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,考慮了多種傳播機制的影響,采用了時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.