53、6 GHz频段5G NR与超宽带设备及FWA基站与GEO卫星接收器兼容性分析

最新推荐文章于 2025-10-18 13:39:15 发布

raspberrypi5

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分类专栏：物联网与智能空间前沿文章标签： 5G NR UWB FWA

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6 GHz频段5G NR与超宽带设备及FWA基站与GEO卫星接收器兼容性分析

在当今科技飞速发展的时代，5G NR网络和超宽带（UWB）技术以及固定无线接入（FWA）网络在无人机视频监控服务中的应用都备受关注。然而，这些技术在6 GHz频段的电磁兼容性问题却可能影响其正常运行，下面我们就来详细探讨相关内容。

5G NR与UWB设备兼容性分析

背景与重要性
- 5G NR网络的推广提升了全球的创新水平，但要维持创新增长，充足的频谱资源至关重要。6 GHz频段既能提供容量又能保证覆盖范围，对5G - NR及其未来演进（如5G +和6G）意义重大。同时，UWB技术自2000年代初出现，起初并不成功，但近十年来无线消费设备销量激增，UWB迎来复兴，在室内导航、智能家居等众多领域得到广泛应用。预计到2022年，超5亿台UWB设备投入使用，到2025年这一数字将超10亿台。
- 随着UWB设备数量的快速增加，其与6425 - 7125 MHz频段内授权服务的电磁兼容性变得尤为重要。由于UWB多数应用在室内，可能会对室内的5G用户设备和室内小基站造成干扰。此前，ITU - R仅研究5G NR与授权服务的兼容性，而UWB是无授权使用的，很多管理部门可能未意识到这一长期影响的问题。
UWB模拟参数
- 模拟在400 m²的区域内进行，UWB设备的活动因子考虑为2%和10%，不同场景下干扰UWB设备数量在5 - 30台之间。
- UWB设备的参数如下表所示：
  | 参数 | 值 |
  | ---- | ---- |
  | 中心频率（MHz） | 6490 |
  | 信道带宽（MHz） | 500 |
  | 调制方式 | BPSK |
  | 天线增益（dBi） | 0 |
  | 天线方向图 | 全向 |
  | 频谱功率密度（dBm/MHz） | -41.3 |
- 发射频谱需满足特定要求，如在0.65 * Tp < |f - fc| < 0.8 * Tp时小于 - 10 dBr，在|f - fc| > 0.8 * Tp时小于 - 18 dBr。
5G NR模拟参数
- 考虑室内场景，5G NR用户设备（UE）和室内小基站（BS）被视为干扰受体。其相关特性如下表：
  | 参数 | 基站（室内小基站） | 用户设备 |
  | ---- | ---- | ---- |
  | 中心频率（MHz） | 6490 | 6490 |
  | 带宽（MHz） | 100 | 100 |
  | 调制方式 | 256QAM, QPSK | 64QAM, QPSK |
  | 输出功率（dBm） | 9/元素 | 23 |
  | 天线增益（dBi） | 5.5/元素 | -4 |
  | 人体损耗 | n/a | 4 |
  | 天线配置 | 4 × 4 | 全向 |
  | 天线方向图 | Recommendation ITU - R M.2101 | 全向 |
  | 噪声底（dB） | 14 | 13 |
  | 天线离地面高度（m） | 3 | 1.5 |
  | 机械下倾角 | 视轴垂直于天花板 | n/a |
  | ACS（dB） | 42 | 32 |
  | TDD因子 | 75% | 25% |
模拟方法
- 模拟同样在400 m²区域进行，UWB设备活动因子为2%和10%，干扰UWB设备数量5 - 30台。需注意，400 m²的模拟区域是比较乐观的情况，实际中如地铁车厢面积约30 m²，会对5G NR用户造成更大干扰。
- 干扰路径损耗使用Recommendation ITU - R P.1791计算，期望链路使用自由空间路径损耗计算。计算5G NR上下行链路的信噪比（SNR）和UWB发射机的干扰（I），将UWB干扰水平添加到5G NR受害接收机的噪声水平以计算信干噪比（SINR）。
- 采用蒙特卡罗分析，在1000000次模拟事件中随机分布5G NR和UWB设备，计算每次的期望链路信号水平和干扰水平。
- 吞吐量计算公式如下：
  [
  Throughput(SINR), bps/Hz =
  \begin{cases}
  0 & \text{for } SINR < SINR_{MIN} \
  \alpha \cdot S(SINR) & \text{for } SINR_{MIN} \leq SINR < SINR_{MAX} \
  \alpha \cdot S(SINR_{MAX}) & \text{for } SINR \geq SINR_{MAX}
  \end{cases}
  ]
  其中，(S(SINR) = \log_2(1 + 10^{SINR/10}))（bps/Hz），(SINR_{MIN})是码集的最小SINR（dB），(\alpha)是衰减因子，(SINR_{MAX})是码集的最大SINR（dB）。
- 具体参数如下表：
  | 参数 | 下行链路 | 上行链路 | 备注 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | (\alpha) | 0.6 | 0.4 | 代表实现损耗 |
  | (SINR_{MIN})（dB） | -10 | -10 | 基于QPSK，1/8速率（DL）和1/5速率（UL） |
  | (SINR_{MAX})（dB） | 30 | 22 | 基于256 - QAM，0.93速率（DL）和64 - QAM，0.93速率（UL） |
研究结果
- 对比干扰前后的吞吐量，3GPP规定6425 - 7125 MHz频段内5G NR可接受的吞吐量损失为1%。
- 当UWB活动因子为2%时，不同数量UWB设备对5G NR上下行链路吞吐量损失如下表：
  | 设备数量 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | 下行链路 | 0.48% | 0.93% | 1.37% | 1.83% | 2.22% | 2.79% |
  | 上行链路 | 0.26% | 0.55% | 0.82% | 1.12% | 1.36% | 1.68% |
- 当UWB活动因子为10%时，不同数量UWB设备对5G NR上下行链路吞吐量损失如下表：
  | 设备数量 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | 下行链路 | 2.38% | 4.55% | 6.73% | 8.38% | 10.5% | 12.45% |
  | 上行链路 | 1.38% | 2.75% | 4.09% | 5.32% | 6.64% | 7.62% |

FWA基站与GEO卫星接收器兼容性分析

背景与重要性
- 无人机视频监控服务在石油和天然气管道监测等领域需求旺盛。5850 - 6425 MHz频段被分配给移动服务、固定卫星服务（地球到空间链路）和固定服务，可用于FWA网络的部署。FWA网络的部分基站可传输无人机视频信号和控制信号，但大量基站的使用可能会对地球静止轨道（GEO）上的卫星接收器造成有害干扰。
- 俄罗斯部分欧洲地区的频谱负载分析显示，可部署数千个FWA基站。随着无人机视频服务市场的发展，FWA网络中用于无人机的基站数量将继续增加，可能导致6 GHz频段内GEO卫星接收器受到高水平的无意干扰，理论上无人机机载发射机也可能产生干扰。
EMC估计场景
- 频谱共享分析表明，存在两种可能的有害干扰场景：
  - 场景1：FWA网络基站发射机对GEO卫星接收器的影响。
  - 场景2：无人机机载发射机对GEO卫星接收器的影响。
- 由于无人机机载发射机的有效全向辐射功率（EIRP）远低于基站发射机，场景2的干扰影响可忽略不计，主要考虑场景1。为简化EMC评估，假设FWA基站在地球表面均匀分布。
模拟参数与计算方法
- GEO卫星接收器参数
  - 等效噪声温度：900 K
  - 干线带宽：72 MHz
  - 卫星接收天线增益：30 dBi
- FWA基站参数
  - 基站数量（NBS）：约6500个
  - 最大EIRP：23 dBW
  - 最大发射功率：0 dBW
  - 垂直平面天线波束宽度：5度
  - 信道分离模式：TDD
- 计算方法
  - 将FWA基站位置区域划分为五层，分别位于北纬45 - 50°、50 - 55°、55 - 60°、60 - 65°和65 - 70°。
  - 计算每层的“等效”EIRP，用于后续EMC计算。
  - 从基站位置到GEO卫星接收器的视线角度计算公式为：
    [
    \varepsilon = \arcsin\frac{K\cos\phi\cos\theta - 1}{\sqrt{K^2 + 1 - 2K\cos\phi\cos\theta}}
    ]
    其中，(\phi)是基站地理纬度，(K = (R_{Earth} + h_{GEO})/R_{Earth} \approx 6.61)（(R_{Earth} = 6371 km)，(h_{GEO} = 35786 km)），(\theta)是基站发射机位置和GEO卫星星下点的经度差。

综上所述，5G NR与UWB设备在室内环境下不兼容，当有5台或更多UWB设备靠近5G NR接收器时，5G NR的保护标准会被突破，上下行链路都会受到不可接受的影响。要实现两者在6425 - 7125 MHz频段的兼容性，可能需要大幅降低UWB设备的活动因子、让UWB设备使用不同信道，或者采用检测与避免（DAA）机制，但并非所有UWB设备都支持该机制。对于FWA基站与GEO卫星接收器，通过合理的分层计算和参数设置，可以更准确地评估干扰情况，为解决兼容性问题提供依据。

6 GHz频段5G NR与超宽带设备及FWA基站与GEO卫星接收器兼容性分析

5G NR与UWB设备兼容性问题的解决思路

降低UWB设备活动因子 ：由于当前UWB设备多为消费级产品，控制其活动因子难度较大。但如果能够通过技术手段或市场引导，降低UWB设备的活动因子，可在一定程度上减少对5G NR的干扰。例如，开发智能软件，根据5G NR信号强度自动调整UWB设备的发射频率和时长。
UWB设备换用不同信道 ：让UWB设备转移到6425 - 7125 MHz频段之外的信道，可从根本上避免与5G NR的干扰。这需要相关部门进行频谱规划和协调，为UWB设备分配合适的频段。
采用检测与避免（DAA）机制 ：DAA机制能使UWB设备检测到5G NR信号时自动调整发射参数或停止发射。然而，目前并非所有UWB设备都支持该机制。因此，鼓励制造商在设备中添加DAA支持，并进行国家层面的认证是必要的。具体操作步骤如下：
1. 制造商在UWB设备研发阶段，集成DAA功能模块。
2. 对支持DAA的UWB设备进行严格测试，确保其在检测到5G NR信号时能准确做出响应。
3. 国家相关部门制定DAA设备认证标准和流程，对符合要求的设备颁发认证证书。

FWA基站与GEO卫星接收器兼容性问题的深入探讨

干扰影响分析 ：随着无人机视频服务市场的不断发展，FWA基站数量持续增加，对GEO卫星接收器的干扰影响可能会进一步加剧。干扰不仅会影响卫星通信的质量，还可能导致数据传输中断等严重问题。因此，实时监测干扰水平并采取相应措施至关重要。
优化基站布局 ：通过合理规划FWA基站的地理位置和布局，可降低对GEO卫星接收器的干扰。例如，避免在卫星信号接收敏感区域密集部署基站，或者调整基站天线的方向和角度，减少向卫星方向的辐射。
建立干扰预警系统 ：利用先进的监测技术，建立干扰预警系统。当干扰水平接近或超过阈值时，及时发出警报，并采取相应的调整措施，如降低基站发射功率、调整信道等。具体流程如下：
mermaid graph LR A[监测干扰水平] --> B{是否超过阈值} B -- 是 --> C[发出警报] C --> D[调整基站参数] B -- 否 --> A

未来发展趋势与展望

技术融合与创新 ：未来，5G NR、UWB和FWA等技术可能会实现更深度的融合与创新。例如，开发新型的无线通信协议，使不同技术在同一频段内能够更高效地共存，减少相互干扰。
频谱资源管理的重要性 ：随着无线通信技术的不断发展，频谱资源变得愈发紧张。因此，加强频谱资源的管理和规划，提高频谱利用率，是解决兼容性问题的关键。相关部门需要制定更加科学合理的频谱分配政策，确保各技术能够公平、高效地使用频谱资源。
行业合作与标准制定 ：解决兼容性问题需要行业内各方的合作与共同努力。制造商、运营商、科研机构等应加强合作，共同开展技术研发和标准制定工作。例如，制定统一的设备兼容性标准，确保不同厂商的设备能够在同一环境下正常工作。

总之，6 GHz频段内5G NR与UWB设备以及FWA基站与GEO卫星接收器的兼容性问题是当前无线通信领域面临的重要挑战。通过深入研究和采取有效的解决措施，有望实现各技术的和谐共存，推动无线通信技术的健康发展。同时，随着技术的不断进步和市场需求的变化，我们还需要持续关注兼容性问题的发展动态，及时调整策略，以适应新的挑战。