5G与卫星通信的共存

The Coexistence of 5G and Satellite Communication

Greg Jue, Keysight Technologies

今天的6GHz以下频谱拥挤、复杂、只剩非常有限的可用频段。相比之下，厘米和毫米波频带可能为高数据吞吐率的5G应用提供更宽的连续频谱。为此，监管机构正在开放更多的频谱。例如，2016年7月，美国联邦通信委员会（FCC）在高频频谱中为无线宽带分配了11GHz的频谱，以实现下一代5G技术和服务的快速开发和部署¹。这包括总共3.85 GHz的需许可的频谱和7 GHz的免许可广播频谱：28GHz（27.5至28.35 GHz），37GHz（37至38.6 GHz）和39GHz（38.6至40 GHz）以及64至71 GHz的新的免许可频带。

共享许可频谱是未来政策的关键要素，FCC的声明证明了这一点。28GHz频段是现有的用于地对空应用的固定卫星服务（FSS）许可频段²。

卫星和5G应用之间的频谱共享提出了它们如何和平共存的问题。这可能成为发现潜在问题的越来越重要的研究领域。在实际现场测试和部署硬件系统之前，灵活的测试床可以在研发实验室环境中探索许多不同的信号共存场景。

本文展示了一个新的测试床，可用于28GHz频带，探索潜在的5G和卫星通信共存场景。通过使用仿真软件，结合宽带高频测试设备，可以灵活地生成信号场景。本文将使用28GHz频带中的5G候选波形和卫星通信波形来进行案例研究，以评估它们在若干不同场景中的共存。测试床是可扩展的，也可用于6GHz以下的共存案例研究以及毫米波应用。

共存测试床

为了产生28GHz的卫星和5G候选宽带测试信号，联合使用了具有宽带IQ输入的矢量PSG和宽带高精度任意波形发生器（AWG）。图5显示了将用于28GHz案例研究的测试床。AWG产生I和Q，矢量PSG将其调制到大约28GHz的载波频率。AWG和矢量PSG的这种组合可以产生高达44GHz的测试信号，具有高达2GHz的调制带宽。使用1GHz带宽的50GHz信号分析仪或33GHz示波器分析测试信号。设计仿真软件安装在AWG的嵌入式控制器上。这将用于生成接下来要讨论的共存场景。

图5：用于28GHz共存案例研究的测试床

28GHz共存案例研究

图6中的设计仿真原理图用于生成28GHz共存信号场景。对于这种共存场景，宽带幅度与相移键控（APSK）波形被用作卫星波形的示例。APSK仿真信号源在图6的左上方显示。对于5G候选波形，使用自定义宽带正交频分复用（OFDM）波形，在图6的左下方显示。对于这两个仿真信号源，有多个可以被设置的参数来配置波形特性。我们选择的这两种波形类型是为了说明共存场景概念，而用户可以根据自己感兴趣的实际应用将其替换为其它类型的波形。

图6：产生和下载28GHz共存测试信号的仿真原理图

仿真设计软件中的信号合路功能被用于对卫星波形和5G候选波形进行重新采样和合并。该功能合并具有不同中心频率、带宽和采样率的多个输入波形，产生单个复合输出波形，此波形可以下载到测试设备来生成共存测试信号。

在仿真原理图的右侧使用AWG下载器。复合的复杂波形的I和Q在仿真完成后自动下载到AWG。AWG的I和Q输出被路由到矢量PSG信号发生器后面板的宽带IQ输入，以将它们调制到大约28GHz的载波频率。

得到的测试信号如图7所示。自定义OFDM波形显示在频谱图的左侧，卫星APSK信号显示在频谱图的右侧。对于这个场景，中心频率和带宽被设置为使得两个信号之间存在足够的保护带。

图7：5G候选波形与卫星波形的良好共存

通过使用测试设备上的矢量信号分析软件来解调自定义OFDM波形演示了这个场景的共存情况。对于这个场景，OFDM星座看起来相对干净，显示了两个波形之间良好的共存。然后通过改变两个信号之间的频率间隔来修改信号场景。图8显示了卫星信号侵占了自定义OFDM波形，两个信号之间的保护带不够宽。

图8：5G候选波形与卫星波形的不良共存

这个场景的共存性能影响可以在VSA测量结果中观察到。作为卫星信号干扰星座的结果，星座显示出显著的色散。通过测量子载波的EVM可以对这种干扰进行更仔细的检查，如图9所示。

图9：EVM与子载波的关系以及对干扰的仔细检查

在图9中左侧的VSA显示屏上，右上方的EVM与子载波关系图显示了卫星信号的影响，特别是在靠近频带上边缘的子载波上。左侧VSA显示屏右下角的EVM结果显示了相对较高的EVM，表明在这个场景下候选5G自定义OFDM波形和卫星波形之间的不良共存。该EVM数是在信号的整个采集时间和带宽上的平均值，但是VSA软件可以提供误差相对于频率（或子载波）或误差相对于时间（或符号）的详细数据。

在右侧的VSA显示屏上，x轴已放大到可以看清受卫星干扰源影响的子载波。白色迹线是子载波的平均EVM。可以观察到，在卫星信号干扰候选5G OFDM信号的频带上边缘处，EVM显著增加。蓝色和绿色垂直线表示每个子载波处的EVM结果与符号的分布。

结论

在5G继续演进期间以及频谱政策制定方面，共存可能成为一个越来越重要的话题。本文讨论了一个灵活的测试床，可用于调查各种信号场景下的潜在共存问题。虽然在本文中仿真软件与宽带测试设备组合使用，但是也可以通过独立仿真（例如，共存对仿真误码率的影响）评估共存场景。尽管在本文中未显示，但该测试床也已可用于在39GHz频带中生成共存信号场景。可以打开www.keysight.com/find/5G中的视频链接观看演示视频。

参考文献

1. Press Release: “FCC Takes Steps to Facilitate Mobile Broadband and Next-Generation Wireless Technologies in Spectrum Above 24 GHz,” https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC-340301A1.pdf.

2. FCC-16-89A1.docx – Federal Communications Commission.