关于北斗 S 信号受地面 5G 干扰影响的分析及对策研究
北斗卫星导航系统与第五代地面移动通信（5G）系统都是国家重大基础设施。卫星无线电测定业务（Radio-Determination Satellite Service，RDSS）是北斗系统的特色服务，其出站信号位于 S 频段，与地面 5G 信号频率接近。
由于 5G 基站发射信号的功率远高于北斗 S 信号的落地电平，因此会对北斗 S 信号造成干扰。从信号角度出发，研究地面 5G 对北斗 S 信号的影响及处理对策。分析了北斗 S 信号的特征，用等效载噪比评估了地面 5G 信号对北斗 S 信号的干扰，提出了 3 种提升北斗 RDSS 和地面 5G 兼容性的策略。仿真结果表明，在无遮挡条件下，经过干扰滤波处理后，北斗 RDSS 用户机与 5G 基站的最小安全距离为 40 m。
北斗卫星导航系统是我国重要时空信息基础设施，为全球用户提供全天候、全天时、高精度、高可靠、高实时的卫星导航定位服务，也为我国国家安全提供重要的基础保障。卫星无线电测定业务（Radio-Determination Satellite Service，RDSS）是北斗系统特色优势服务，可为我国及周边用户提供快速定位、位置报告及短报文通信服务。
第五代移动通信系统（5G）具有高速率、低时延等特点，是我国重点发展的通信基础设施。工业和信息化部将 5G 频率划分为 4 个频段：2 515～2 675 MHz，3 300～3 400 MHz，3 400～3 600 MHz 和 4 800～4 960 MHz，其中，2 515～2 675 MHz 频段与北斗 RDSS 出站信号频率相邻，隔离带仅 15 MHz。2018 年 12 月工信部发布的 5G 射频征求意见稿规定，2 515～2 675 MHz 频段 5G 信号在 2 483.5～2 500 MHz 内的带外无用发射信号最大值 为-40 dBm/MHz，2021 年初发布的试行稿[1]中该指标修订为-43 dBm/MHz，即 5G 信号泄漏到北斗RDSS 出站信号频带内的功率约为-30.8 dBm。
北斗系统是一个星基导航定位系统，其落地电平低，容易受到外部系统的干扰[2]。北斗 S 信号的落地电平约为-127 dBm，比 5G 信号泄漏的功率低 近 100 dB，且二者频率相隔较近，5G 信号将对北斗 RDSS 业务造成干扰。
北斗和 5G 均为国家重要信息基础设施，二者的电磁兼容是保证 2 个系统共同健康发展的基本前提。2011 年，美国联邦通信委员会就以干扰 GPS 接收机为由，无限期暂停 LightSquared 公司运营 4G 网络[3]。文献[4]给出了 LTE 系统对 GPS 和 Galileo 的影响模型。文献[5]从射频角度分析了 4G 信号与北斗二号 RDSS 之间的干扰，给出了 4G 对 RDSS 造成的带外干扰的分析方法。
RDSS 信号链路可分为入站链路和出站链路，入站链路是指 RDSS 用户机向主控站发送服务申请的信号链路；出站链路是指主控站向用户机播发服务信息的信号链路。从 RDSS 用户机角度，RDSS的入站信号位于 L 频段，具体频率为 1 610～1 626.5 MHz；出站链路位于 S 频段，具体频率为 2 483.5～ 2 500 MHz。由于入站信号频段与 5G 信号频段相隔较远，因此，下面主要分析 RDSS 的出站信号。RDSS 出站信号采用直接扩频序列，中心频点为 2 491.75 MHz，工作带宽 16.5 MHz，调制方式为QPSK[6]。用户机接收的北斗 S 信号可表示为：
式中， A 为信号幅度；c(t) 为扩频码；f0 为载波频率；0 为初相；d(t) 为电文；下标 p 和 d 分别表示导频支路和电文支路；n(t) 为零均值高斯白噪声。
从北斗 RDSS 用户机角度，外部系统造成的干扰可分为带内干扰与带外干扰两部分。带内干扰是由于干扰发射机中的功放、混频器和滤波器等非线性器件在工作频带以外产生辐射信号分量，包括热噪声、谐波、寄生辐射、频率转换产物和互调产物等落入北斗RDSS出站信号频段内，导致北斗RDSS 用户机的底噪抬升，造成灵敏度损失。带内干扰频谱示意图如图 1 所示。
图 1 带内干扰频谱示意
带外干扰是由于干扰信号在北斗 RDSS 出站信号的相邻频段注入，使北斗用户机的非线性器件产生失真，甚至饱和，造成其灵敏度损失。带外干扰频谱示意图如图 2 所示。
图 2 带外干扰频谱示意
带外干扰可通过提升接收机滤波的带外抑制指标来削弱，带内干扰则主要依靠扩频码的扩频增益抑制。下面主要分析带内干扰的影响。带内干扰对 S信号的影响可以用等效载噪比进 行评估。当存在带内干扰时，可以用等效载噪比来描述信号质量，其表达式为[7]：
式中，Cs为有用信号功率；N0为噪声功率谱密度；
为干扰信号功率；
为有用信号的归一化功率；
为有用信号与干扰信号之间的谱分离系数；
分别为有用信号和干扰信号的功率谱密度；为用户机前端带宽。谱分离系数描述了有用信号功率谱与干扰信号功率谱的一致性（重叠程度），是扩频码的扩频增益的频域表现。
式（2）表明，带内干扰对等效载噪比的影响与干扰功率和谱分离系数相关，干扰功率和谱分离系数越大，等效载噪比恶化越严重。
下面仿真了不同出站信息速率条件下等效载噪比随干扰功率的变化。仿真中，假设信号功率为-127 dBm，5G 信号对 RDSS 用户机的带内干扰的功率谱是平坦的，噪声温度为 290 K，用户机前端带宽为 16.5 MHz。等效载噪比随带内干扰功率变化的仿 真结果如图 3 所示。
图 3 等效载噪比随带内干扰功率的变化
从图 3 可以看出，随着带内干扰功率不断增加，等效载噪比恶化不断加剧。当带内干扰功率低于-108 dBm 时，等效载噪比恶化低于 1 dB；当带内干扰功率高于-103.5 dBm 时，等效载噪比低于 44.7 dBHz 的电文解调门限。
由于信号存在传输损耗，因此，当用户机与基站间距离不同时，所受的干扰业务不相同。自由空间的传输损耗为：
式中，F 为信号频率，单位 MHz；D 为传输距离，单位 km；L 单位为 dB。
图 4 仿真了不同距离下，5G 信号对 RDSS 用户机的干扰情况。仿真中，假设信号功率为-127 dBm，噪声温度为 290 K，5G 信号对 RDSS 用户机的带内干扰的功率谱是平坦的，干扰功率谱密度分别为-40 dBm/MHz 和-43 dBm/MHz[1]，用户机前端带宽为 16.5 MHz。仿真中假设北斗 S 信号和 5G 信 号均无遮挡，且基站和用户机的天线均为全向天线。
图 4 等效载噪比随 5G 基站距离的变化
需要注意的是，当前分析采用自由空间的传输损耗，对于实际的损耗可能还存在阴影衰落、穿透损耗等，而 5G 基站的发射天线通常不是全向天线，后续还需要 5G 基站发射天线、信道传播条件等相关参数以支持更完善的影响分析。
在实际 5G 环境中测试 5G 基站对 RDSS 通信成功率的影响。将 5 台 RDSS 用户机分别放置于距5G 基站不同距离，其中，3台配置了较强干扰滤波器、2台无专用抗干扰滤波器，测试距离分别为30，40 和 60 m。每个测试点位进行 1000 次通信测试。
测试点的 5G 基站和附近的 5G 信号分布如图 5 所示。
不同类型北斗RDSS用户机与单基站在不同距离情况下的成功率如表 1 所示。其中，抗干扰滤波器抗带外干扰能力为 50 dB。
通过上述理论仿真与实际测试可知，地面 5G信号对北斗 S 信号是客观存在干扰影响的。由于北斗 S 信号的落地电平远低于地面 5G 信号电平，因此，提升二者的兼容性主要考虑减小地面 5G 对北 斗 S 信号的干扰。可以采用 3 种策略提升两系统的兼容性。
从北斗 RDSS 系统角度，提升 RDSS 出站链路信号发射功率，采用扩频增益较大的扩频码，可以提升 S 信号抗带内干扰的能力。
从北斗 RDSS 用户机角度，提升带外抑制性能是削弱地面 5G 造成的带外干扰有效方法。
增大对 5G 基站发射信号的约束，降低地面5G 信号在北斗 S 频段内的无用发射功率。
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