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        基于等效載噪比的WiFi與北斗三號(hào)RSMC出站信號(hào)的兼容性分析

        2024-07-17 00:00:00李剛郭磊支春陽(yáng)劉佳浩郝澤華
        無(wú)線電工程 2024年4期
        關(guān)鍵詞:衛(wèi)星通信

        摘 要:近年來(lái),北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)逐漸完善,北斗三號(hào)區(qū)域短報(bào)文通信(Reginal Short Message Communication,RSMC)服務(wù)已進(jìn)入行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣的關(guān)鍵時(shí)期。WiFi 信號(hào)與北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)頻率接近,在實(shí)際使用過(guò)程中,2 個(gè)系統(tǒng)可能存在兼容性問(wèn)題。針對(duì)WiFi 信號(hào)干擾對(duì)北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)性能的影響問(wèn)題,介紹了北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的空口特性,分析了WiFi 信號(hào)對(duì)北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的帶外干擾和帶內(nèi)干擾,基于等效載噪比的分析方法,從載噪比損失方面對(duì)干擾的強(qiáng)度做了仿真分析,并給出了改進(jìn)方法。研究結(jié)果為WiFi 和北斗區(qū)域短報(bào)文服務(wù)兼容并存提供技術(shù)基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:區(qū)域短報(bào)文通信;北斗三號(hào);鄰頻干擾;WiFi;衛(wèi)星通信

        中圖分類(lèi)號(hào):TN927. 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

        文章編號(hào):1003-3106(2024)04-0971-06

        0 引言

        經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展,北斗系統(tǒng)已成為面向全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度定位[1]、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的重要新型基礎(chǔ)設(shè)施[2]。其中區(qū)域短報(bào)文通信(Reginal Short Message Communication,RSMC)是沿襲北斗一號(hào)和北斗二號(hào)的一項(xiàng)特色功能,相較于北斗二號(hào),北斗三號(hào)RSMC 服務(wù)性能得到大幅提升[3],可面向我國(guó)及周邊用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[4]。北斗三號(hào)RSMC 服務(wù)信號(hào)分為入站信號(hào)和出站信號(hào),其中出站信號(hào)位于S 頻段,中心頻點(diǎn)為2 491. 75 MHz,工作帶寬為16. 5 MHz[5]。

        WiFi 實(shí)質(zhì)上是一種商業(yè)認(rèn)證,具有WiFi 認(rèn)證的產(chǎn)品符合IEEE802. 11 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。IEEE802. 11標(biāo)準(zhǔn)將2. 4 GHz 的WiFi 信號(hào)劃分為14 個(gè)子信道。由于我國(guó)禁止14 信道,所以中心頻點(diǎn)為2 472 MHz的第13 信道與北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的中心頻點(diǎn)相距最近,容易產(chǎn)生干擾。

        近年來(lái),已發(fā)生多起移動(dòng)通信信號(hào)干擾衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號(hào),對(duì)衛(wèi)星信號(hào)與移動(dòng)通信信號(hào)的兼容性研究也有很多。毛虎等[6]基于等效載噪比對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)信號(hào)被干擾的影響程度進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真分析,得到增強(qiáng)抗干擾性能與信號(hào)調(diào)制方式和接收機(jī)參數(shù)設(shè)置相關(guān)的結(jié)論。張勝等[7]分析了通信基站大功率電臺(tái)對(duì)GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響,并給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。趙利江等[8]借助TEQC 軟件分析了移動(dòng)信號(hào)基站發(fā)射的5 種不同頻段的通信信號(hào)對(duì)GNSS 信號(hào)的影響;由于北斗短報(bào)文系統(tǒng)只面向授權(quán)用戶,對(duì)北斗短報(bào)文出站信號(hào)的兼容性研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[9-12]通過(guò)仿真和實(shí)地測(cè)試表明,北斗短報(bào)文服務(wù)出站信號(hào)會(huì)受到5G 地面移動(dòng)信號(hào)干擾,降低對(duì)天通信成功率。張?zhí)鞓虻龋郏保常葸M(jìn)一步研究了北斗短報(bào)文服務(wù)與移動(dòng)通信基站的最小安全距離,并給出了改進(jìn)建議。

        由于北斗GEO 衛(wèi)星軌道很高,北斗三號(hào)RSMC出站信號(hào)到達(dá)地面信號(hào)功率很弱,在實(shí)際使用過(guò)程中WiFi 與北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的兼容性問(wèn)題不可避免,但相關(guān)問(wèn)題的研究較少。本文首先介紹了北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)空口特性,然后基于等效載噪比量化了WiFi 信號(hào)與北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)之間的鄰頻干擾,最后提出了2 種提升系統(tǒng)兼容性的改進(jìn)思路。

        1 北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)空口特性

        1. 1 北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)特性分析

        北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)使用2 483.5 ~2 500 MHz頻段,調(diào)制方式為雙信道偏移四相鍵控(OQPSK)[14]。北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)采用直接序列擴(kuò)頻,其數(shù)據(jù)速率根據(jù)出站電文長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)整為8 / 16 / 24 kb / s,偽碼速率為8. 16 Mc / s。

        擴(kuò)頻通信的擴(kuò)頻增益由偽碼速率和數(shù)據(jù)速率的比值決定,可以提高信號(hào)的抗干擾性能。由于擴(kuò)頻增益與數(shù)據(jù)速率成反比,數(shù)據(jù)速率越高擴(kuò)頻增益越小,所以本研究基于數(shù)據(jù)速率為24 kb / s 的北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)。

        北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)s(t)可表示為:

        s(t) = Ap cp(t)cos(2πf0 t + θ0 )+Ad d(t)cd(t)sin(2πf0 t + θ0 )+ n(t), (1)

        式中:A 為信號(hào)幅度,c(t)為擴(kuò)頻碼,f0 為載波頻率,θ0 為初相,d(t)為電文,下標(biāo)p 和d 分別為導(dǎo)頻支路和電文支路,n(t)為零均值高斯白噪聲。

        1. 2 北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)鏈路預(yù)算

        通用無(wú)線接收機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分2 種:超外差接收機(jī)和低中頻接收機(jī)。北斗RSMC 接收射頻鏈路一般采用低中頻結(jié)構(gòu),如圖1 所示。

        北斗接收機(jī)射頻前端包括天線和射頻鏈路。射頻鏈路包括預(yù)選濾波器、外置低噪放和射頻芯片。虛線部分為高度集成的射頻芯片,包括低噪聲放大器(LNA)、混頻器(RF Mixer)、多相濾波器(PPF)、中頻濾波器(FILTER)和自動(dòng)增益控制環(huán)路(AGC)。

        微弱的北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)經(jīng)天線、濾波器和低噪放的放大以及射頻芯片的下變頻后,生成中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)基帶芯片的捕獲、跟蹤、解擴(kuò)和解調(diào)后,完成RSMC 定位和通信信息的輸出。

        典型北斗三號(hào)RSMC 出站鏈路預(yù)算如表1 所示,其中自由空間路徑損耗按照國(guó)際電聯(lián)建議的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全向天線間的自由空間傳播模型計(jì)算[15]。北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)到達(dá)地面的典型功率在-148. 8 dBw 左右,實(shí)際信號(hào)傳播環(huán)境比較復(fù)雜,還要考慮多徑損耗、建筑物及植被遮擋等。北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)受到有害干擾將直接影響用戶接收信號(hào)的捕獲、跟蹤和解調(diào)性能。

        在實(shí)際通信中,衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量不僅僅取決于接收功率的強(qiáng)弱,通信鏈路中噪聲的強(qiáng)弱也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。信號(hào)的好壞通常用載噪比(c / N0 )來(lái)衡量,定義為:

        式中:PR 為信號(hào)的接收功率,單位dBw;N0 為環(huán)境熱噪聲功率譜密度,與環(huán)境溫度相關(guān),單位dBw / Hz。二者關(guān)系為:

        N0 = kT, (3)

        式中:T 為溫度,單位K;k 為玻爾茲曼常數(shù),約為1. 38×10-23 J / K[16]。

        在290 K 的環(huán)境溫度下,噪聲功率頻譜密度N0與載噪比c / N0 的值分別為:

        N0 = kT = 1. 38 × 10 -23 × 290 = 4 × 10 -21 W / Hz = - 203. 98 dBw / Hz, (4)

        c/ N0 = PR/N0= (- 148. 8)- (- 203. 98) = 55. 18 dB·Hz。(5)

        需要指出的是這個(gè)值為理想值,現(xiàn)實(shí)中接收機(jī)器件本身也會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。噪聲系數(shù)(NF)用來(lái)描述某一系統(tǒng)的噪聲性能,定義為輸入信號(hào)的載噪比除以輸出信號(hào)的載噪比,單位dB。如果將天線增益為0 dBi 的北斗接收機(jī)系統(tǒng)視為一個(gè)器件,其噪聲系數(shù)一般為2 dB。所以實(shí)際上接收機(jī)收到北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的載噪比在53 dB·Hz 左右。

        考慮到實(shí)際使用時(shí),衛(wèi)星波束朝向和接收天線仰角接收增益的差異,北斗三號(hào)RSMC 系統(tǒng)對(duì)接收靈敏度的要求是小于等于-153 dBw(誤碼率小于1×10-5 ,速率為24 kb / s),即解碼載噪比門(mén)限應(yīng)不大于49 dB·Hz。

        2 鄰頻干擾分析

        鄰頻干擾分為2 種:干擾信號(hào)落入有用信號(hào)帶寬之外的帶外干擾和干擾信號(hào)落入有用信號(hào)帶寬之內(nèi)的帶內(nèi)干擾。

        2. 1 帶外干擾分析

        產(chǎn)生帶外干擾的原因是北斗接收機(jī)射頻前端無(wú)法有效抑制鄰頻信號(hào),使北斗接收機(jī)的射頻器件產(chǎn)生失真,無(wú)法按照設(shè)計(jì)指標(biāo)正常工作。

        北斗接收機(jī)抗帶外干擾性能主要由射頻前端的帶外抑制參數(shù)決定。根據(jù)北斗接收機(jī)射頻前端結(jié)構(gòu)圖,可以將北斗接收機(jī)射頻前端分為兩部分:天線和射頻鏈路。

        2. 2 天線的抗鄰頻特性

        考慮到體積,北斗接收機(jī)天線一般采用微帶天線。微帶天線對(duì)鄰頻抑制有限,表2 給出了2 412 ~2 532 MHz 天線增益在俯仰角90°和30°的實(shí)測(cè)值??梢钥闯?,對(duì)WiFi 信號(hào)的13 信道(2 472 MHz),即使采用調(diào)整天線俯仰角、變動(dòng)天線朝向等方法,天線的帶外抑制率仍小于7 dB。

        2. 3 射頻鏈路的抗鄰頻特性

        常用的北斗接收機(jī)的射頻鏈路常采用低中頻結(jié)構(gòu),由低噪放和帶通濾波器組成。由于采用的低噪放一般為寬帶低噪放,射頻鏈路對(duì)帶外干擾信號(hào)的抑制主要依靠帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        根據(jù)射頻鏈路器件的非線性參數(shù),可從理論上分析出不同射頻通道的阻塞電平值。以常用的郵票孔貼片式北斗三號(hào)RSMC 接收機(jī)為例,內(nèi)置集成低噪放、功放、射頻芯片和基帶芯片。表3 列出了其典型射頻鏈路的低噪放參數(shù)和濾波器參數(shù),圖2、圖3為其射頻鏈路的濾波器參數(shù)。根據(jù)器件的參數(shù)特性以及射頻結(jié)構(gòu)的干擾敏感點(diǎn)分析,通過(guò)仿真軟件計(jì)算射頻鏈路在WiFi 信號(hào)13 信道(2 472 MHz)下的功率阻塞值為-46. 4 dBm,如圖4 所示。

        2. 4 帶內(nèi)干擾分析

        雖然射頻鏈路的窄帶濾波器可以消除大部分鄰頻信號(hào),但實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)一些信號(hào)泄露到北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的帶內(nèi)造成帶內(nèi)干擾。在引入帶內(nèi)干擾的情況下,用載噪比評(píng)估信號(hào)質(zhì)量則不太適用,需要用對(duì)應(yīng)的等效載噪比(c / N)e ff。

        式中:PR 為信號(hào)的接收功率,單位dBw;N0 為環(huán)境熱噪聲功率譜密度,單位dBw / Hz;I0 為除北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)外的所有干擾信號(hào)的等效白噪聲功率譜密度,單位dBw / Hz。

        參考ITU 對(duì)衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)間干擾估計(jì)的建議[17],按照等效載噪比分析方法,由于WiFi 信號(hào)泄露干擾而造成的等效載噪比損失值Loss 為:

        等效白噪聲功率譜密度I0 與譜分離系數(shù)(SSC)相關(guān)。SSC 由擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻增益決定,表征北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)功率譜與WiFi 干擾信號(hào)功率譜的相似程度。SSC k(Δf)的定義為:

        式中:GC (f)和G(f)分別為WiFi 信號(hào)和北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)在接收機(jī)帶寬β 上的歸一化功率譜密度。

        根據(jù)IEEE802. 11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,2. 4 GHz 的WiFi 信號(hào)頻譜模塊分為2 種:早期的802. 11b 型(帶寬22 MHz)和應(yīng)用最多的802. 11n 型(帶寬20 MHz)[18]。802. 11n與802. 11g、802. 11b 和802. 11a 兼容。頻譜模板對(duì)帶外雜散信號(hào)功率最大值做出了限制,圖4、圖5 為2 種WiFi 信號(hào)在2. 4 GHz 的頻譜模板。

        按照WiFi 信號(hào)的頻譜模板,仿真了北斗接收機(jī)接收到的WiFi 信號(hào)與等效載噪比的關(guān)系。仿真中,假設(shè)WiFi 信號(hào)中心頻率為2 472 MHz,落入北斗頻段內(nèi)的功率受頻譜模板雜散輻射限制,SSC 值相同,北斗接收機(jī)噪聲為2 dB,天線的極化差異為3 dB。仿真結(jié)果中,WiFi 信號(hào)功率變化對(duì)等效載噪比的影響如圖6 所示。

        從圖6 可以看出,隨著WiFi 信號(hào)功率的不斷增加,北斗接收機(jī)接收到的802. 11b 信號(hào)13 信道功率高于-50. 4 dBm 或者802. 11n 信號(hào)高于-60. 4 dBm時(shí),等效載噪比低于49 dB·Hz 的電文解調(diào)門(mén)限。

        3 改進(jìn)方法

        通過(guò)上文的分析,可以看出WiFi 信號(hào)對(duì)北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的干擾是客觀存在的,而且同樣的發(fā)射功率情況下,802. 11n 信號(hào)對(duì)北斗三號(hào)RSMC出站信號(hào)影響更大,故本節(jié)主要分析802. 11n 信號(hào)對(duì)北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的影響。

        根據(jù)工信部規(guī)定,工作于2. 4 GHz 的WiFi 設(shè)備最大的等效全向輻射功率為20 dBm。則可以得出WiFi干擾北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的安全抑制門(mén)限為:

        20 dBm - (- 60. 4 dBm) = 80. 4 dB。(9)

        為了提升北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)與WiFi 信號(hào)的兼容性,一般采取以下2 種思路。

        (1)空域干擾抑制

        空域干擾抑制技術(shù)就是通過(guò)調(diào)整WiFi 天線和北斗接收機(jī)的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾抑制。根據(jù)自由空間福萊斯(Friis)傳播公式,得到WiFi 信號(hào)的路徑衰減L 為:

        L = 20lg f + 20lg D + 32. 4, (10)

        式中:f 為工作頻率,單位MHz;D 為傳輸距離,單位km。計(jì)算得出WiFi 與北斗接收機(jī)的最小安全距離為100 m。

        需要注意,以上分析基于自由空間,天線模型為理想全向天線,實(shí)際環(huán)境WiFi 設(shè)備一般在室內(nèi),而北斗接收機(jī)一般在室外,二者還存在穿透損耗等,天線一般也不會(huì)是全向天線,后續(xù)需要加入這些參數(shù),進(jìn)一步完善分析結(jié)果。

        (2)頻域干擾抑制

        當(dāng)WiFi 設(shè)備與北斗接收機(jī)距離過(guò)近,無(wú)法通過(guò)距離避免干擾時(shí),可以減?。祝椋疲?發(fā)射信號(hào)的旁瓣,也可以有效避免干擾。具體的辦法包括:

        ① 信道優(yōu)化

        可以通過(guò)路由器配置工具更改WiFi 信號(hào)信道,改為距離北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)中心頻點(diǎn)更遠(yuǎn)的信道。參見(jiàn)802. 11n 的頻譜模板,離北斗三號(hào)RSMC出站信號(hào)中心頻點(diǎn)越遠(yuǎn)的WiFi 信號(hào)雜散越弱。

        ② 射頻鏈路濾波

        對(duì)干擾源發(fā)射部分增加濾波器進(jìn)行濾波也是減少干擾的常用手段。增加濾波器也有弊端:濾波器會(huì)有插損,影響發(fā)射機(jī)信號(hào)傳播有效距離;大功率的濾波器成本高、體積大。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)WiFi 與北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的兼容性,采用等效載噪比的方法進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明WiFi 信號(hào)確實(shí)會(huì)對(duì)北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)造成影響,增加北斗三號(hào)RSMC 出站信號(hào)的誤碼率。同時(shí),從實(shí)際出發(fā),給出了減少WiFi 信號(hào)對(duì)北斗RSMC 出站信號(hào)干擾的改進(jìn)方法,并分析了利弊。北斗RSMC 系統(tǒng)一直在完善,目前已經(jīng)由傳統(tǒng)專用終端應(yīng)用邁入面向大眾手機(jī)直接提供服務(wù)的新階段,研究具有多系統(tǒng)融合、模塊小型化和低功耗的抗干擾產(chǎn)品是未來(lái)的主要發(fā)展方向,北斗三號(hào)RSMC的兼容性還需要更多的研究。

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        作者簡(jiǎn)介

        李 剛 男,(1978—),高級(jí)工程師。

        郭 磊 男,(1988—),工程師。

        支春陽(yáng) 男,(1985—),碩士,高級(jí)工程師。

        劉佳浩 男,(1997—),碩士,工程師。

        郝澤華 男,(1995—),碩士,工程師。

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