76-81GHz車載雷達(dá)與業(yè)余無線電共存研究

房 驥，林 磊，劉瑞婷，許瑞琛，彭 瀟，劉曉勇

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京　100041）

1　引言

隨著高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS，Advanced Driver Assistance Systems）產(chǎn)業(yè)和無人駕駛行業(yè)的快速發(fā)展，國際主要發(fā)達(dá)國家和國際標(biāo)準(zhǔn)組織均投入了大量的精力研究車載雷達(dá)。作為最核心的傳感器之一，車載雷達(dá)推動(dòng)了智能汽車和智慧交通行業(yè)的發(fā)展。目前車載雷達(dá)使用的頻率主要包括：24GHz ISM頻段（24-24.25GHz）、24GHz 超寬帶頻段（24.25-26.65GHz）、76GHz頻段（76-77GHz）和79GHz頻段（77-81GHz）。

在世界無線電大會(huì)WRC-15之前，車載雷達(dá)尚沒有全球統(tǒng)一的頻率劃分，77.5-78GHz頻段并沒有被分配給無線電定位業(yè)務(wù)。工作在77-81GHz的汽車?yán)走_(dá)僅被視為某種設(shè)備，屬于次要業(yè)務(wù)，須接受來自其他業(yè)務(wù)的干擾并且不能對(duì)其他業(yè)務(wù)造成干擾。WRC-15期間，1.18議題確定將77.5-78GHz頻段被分配給無線定位業(yè)務(wù)，至此77-81GHz頻段被全球統(tǒng)一劃分為無線電定位業(yè)務(wù)，可用于汽車?yán)走_(dá)，并且在76-81GHz之間的汽車?yán)走_(dá)被定為主要業(yè)務(wù)。目前，歐盟、美國、智利、俄羅斯、白俄羅斯、新加坡、越南、馬來西亞、日本、中國香港等國家和地區(qū)已將77-81GHz頻段劃分給汽車?yán)走_(dá)定位業(yè)務(wù)。

隨著全球5G系統(tǒng)的規(guī)劃與發(fā)展，毫米波頻段作為5G峰值流量的候選頻段，國際電信聯(lián)盟（ITU）為2019年世界無線電通信大會(huì)（WRC-19）專設(shè)了1.13議題，針對(duì)24.25-86GHz頻段范圍的11 個(gè)候選頻段開展研究。歐盟委員會(huì)無線頻譜政策組（RSPG）于2016年11月發(fā)布了歐洲5G頻譜戰(zhàn)略，將24.25-27.5GHz頻段作為歐洲5G先行頻段。日本計(jì)劃將27.5-29.5GHz用于5G。韓國計(jì)劃將26.5-29.5GHz頻段用于5G；針對(duì)WRC-19，支持優(yōu)先研究24.25-27.5GHz，31.8-33.4GHz和37-40.5GHz頻段。我國工業(yè)和信息化部于2017年6月8日發(fā)布公告《公開征集在毫米波頻段規(guī)劃第五代國際移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）使用頻率的意見》，征求意見中包含24.75-27.5GHz頻段，與目前我國24GHz車載雷達(dá)頻段24.25-26.65 GHz有重合。從全球車載雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)來看，未來24GHz車載雷達(dá)將逐步過渡到79GHz頻段。

為配合我國77-81GHz頻譜劃分工作順利開展，需要前期開展77-81GHz頻段車載雷達(dá)與現(xiàn)有無線電業(yè)務(wù)之間共存研究工作，為頻譜劃分提供理論依據(jù)。根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》（2014版）[1]，在76-81GHz頻段內(nèi)現(xiàn)有無線電業(yè)務(wù)包括：無線電定位、射電天文、業(yè)余、衛(wèi)星業(yè)余和空間研究（空對(duì)地）。本文主要分析76-81GHz頻段車載雷達(dá)與業(yè)余無線電業(yè)務(wù)之間共存情況，通過仿真計(jì)算得到車載雷達(dá)與業(yè)余無線電臺(tái)之間共存所需的保護(hù)距離。

2　76-81GHz頻段業(yè)余無線電業(yè)務(wù)頻率劃分情況

根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》（2014版），76-81GHz頻段的業(yè)余無線電業(yè)務(wù)主要分布在：76-77.5GHz、77.5-78GHz、78-79GHz、79-81GHz，其中77.5-78GHz頻段的業(yè)余無線電業(yè)務(wù)為主要業(yè)務(wù)，其他頻段的業(yè)余無線電業(yè)務(wù)為次要業(yè)務(wù)，具體見表1。

表1　76-81GHz頻段業(yè)余無線電業(yè)務(wù)頻率劃分情況

3　業(yè)余無線電業(yè)務(wù)及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)ITU-R M.2322[2]，77-81GHz頻段內(nèi)業(yè)余業(yè)務(wù)主要包括：莫爾斯電報(bào)、單邊帶電話、調(diào)頻電話和多媒體（數(shù)據(jù)、電視），具體技術(shù)參數(shù)見表2。

根據(jù)ITU-R M.2322，目前沒有在軌業(yè)余衛(wèi)星使用77-81GHz頻段，為了干擾分析的完備性及未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，這里采用ITU-R M.1732[3]報(bào)告中關(guān)于業(yè)余衛(wèi)星的參數(shù)來分析與車載雷達(dá)之間干擾共存情況，如表3所示。

表2　77-81GHz頻段內(nèi)業(yè)余業(yè)務(wù)及技術(shù)參數(shù)

表3　業(yè)余衛(wèi)星參數(shù)表

4　干擾場(chǎng)景

4.1　場(chǎng)景一

業(yè)余接收機(jī)被安裝在山頂，如圖1所示。

圖1　業(yè)余接收機(jī)被安裝在山頂

其中，h為山高，固定為1500米；業(yè)余接收機(jī)被固定在山頂，坐標(biāo)為（0，0，h）。其天線指向（x，y，0）平面；dh為雷達(dá)與山之間的距離，汽車位置為（0，dh，0），雷達(dá)發(fā)射方向?yàn)?y方向。

4.2　場(chǎng)景二

業(yè)余接收機(jī)被安裝在樓頂，如圖2所示。

圖2　業(yè)余接收機(jī)被安裝在樓頂

其中，h為樓高，固定為30米；業(yè)余接收機(jī)被固定在樓頂，坐標(biāo)為（0，0，h）。其天線指向（x，y，0）平面；b為樓與路之間的距離，固定為10米；dh為雷達(dá)與樓之間的距離，汽車位置為（0，dh，0），雷達(dá)發(fā)射方向?yàn)?x方向。

4.3　干擾準(zhǔn)則

參照ITU-R M.2322，受擾業(yè)余業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠承受的最大外來干擾信號(hào)強(qiáng)度要求比受擾系統(tǒng)熱噪聲低6dB，即：I/N=-6dB。

以下分析計(jì)算中假設(shè)車載雷達(dá)干擾信號(hào)帶寬為4GHz，分別計(jì)算各業(yè)余系統(tǒng)受到的干擾。

4.4　傳播模型

汽車?yán)走_(dá)信號(hào)傳播損耗模型使用ITU-R M.2322 中的模型，即：

式中，γg為空氣損耗，包括氧氣損耗γo和水分損耗γH2o，γg=γo+γH2o（dB/km），當(dāng)頻率 f=77GHz時(shí)，計(jì)算γg值為0.3582dB/km為射電天文臺(tái)容忍的觀察信號(hào)丟失時(shí)間的最小比例，取值為2%；FSL為自由空間傳播模型，即：

式中，f為頻率（MHz）；d為干擾源與射電天文臺(tái)天線之間的距離（km）；Ad為繞射損耗，計(jì)算方法參見ITU-R P.526[4]。

此外，假設(shè)環(huán)境為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P=1013hPa，溫度T=15°，大氣中水蒸氣密度ρ=7.5g/m3。其他因素沒有考慮（例如：雨、霧等），只考慮在良好天氣狀況下的干擾，即只計(jì)算最嚴(yán)苛情況下的干擾。

5　計(jì)算模型

5.1　單個(gè)汽車?yán)走_(dá)與業(yè)余無線電接收機(jī)之間共存計(jì)算模型

使用以下模型計(jì)算業(yè)余接收機(jī)收到的單個(gè)汽車?yán)走_(dá)發(fā)射的干擾功率：

式中，PRX為在受擾系統(tǒng)接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)功率；PRX為車載雷達(dá)發(fā)射功率；FLTX為車載雷達(dá)饋線損耗；GTX為發(fā)射天線增益；PL為路徑損耗；GRX為接收天線增益；FLRX為接收系統(tǒng)饋線損耗；BCF為帶寬修正因子。

由于PTX采用全向等效輻射功率，因此GTX=0dBi，且FLTX=0dBi。由于一般業(yè)余業(yè)務(wù)的發(fā)射機(jī)安裝在高處（高山或樓頂），因此，車載雷達(dá)與受擾業(yè)余系統(tǒng)之間的天線不是正對(duì)的，干擾信號(hào)主要是從受擾系統(tǒng)接收天線的旁瓣接收，根據(jù)ITU-R M.2322建議，接收天線增益GRX=0dBi，用來評(píng)估更貼近實(shí)際的干擾情況。帶寬修正因子見表4。

表4　帶寬修正因子

5.2　多個(gè)汽車?yán)走_(dá)與業(yè)余無線電接收機(jī)之間共存計(jì)算模型

參考ECC Rep-056[5]中的干擾計(jì)算模型，以業(yè)余無線電接收機(jī)為中心，分別計(jì)算同心圓環(huán)中干擾設(shè)備對(duì)射電天文臺(tái)的干擾，假設(shè)干擾設(shè)備的分布為均勻分布，將各同心圓環(huán)內(nèi)干擾設(shè)備的干擾積分得到全部干擾。同心圓環(huán)寬度為1km，與中心的最小距離為最小隔離距離，最大距離為最小距離+30km。由于業(yè)余無線電的天線具有方向性，此處假設(shè)為120°，因此只需計(jì)算1/3圓環(huán)內(nèi)車輛的數(shù)量即可，如圖3所示。

圖3　汽車?yán)走_(dá)與業(yè)余無線電共存仿真模型圖

在業(yè)余無線電接收機(jī)接收到來自第i個(gè)扇形內(nèi)汽車?yán)走_(dá)的干擾功率 為：式中，Ni為在第i個(gè)圓環(huán)內(nèi)的汽車?yán)走_(dá)數(shù)量，，n為汽車?yán)走_(dá)的密度（個(gè)/km2）。

那么，在業(yè)余無線電接收機(jī)接收到的干擾總功率為：Nr為在仿真中用到的最大圓環(huán)數(shù)量。

6　計(jì)算結(jié)果

按照上述干擾計(jì)算模型及評(píng)估準(zhǔn)則，計(jì)算得到單個(gè)77-81GHz車載雷達(dá)與業(yè)余無線電接收機(jī)之間的干擾保護(hù)距離，如表5所示。從計(jì)算可以看出，單個(gè)車載雷達(dá)對(duì)業(yè)余和業(yè)余衛(wèi)星業(yè)務(wù)沒有干擾，可以共存。

表5　單個(gè)77-81GHz車載雷達(dá)與業(yè)余無線電接收機(jī)之間所需保護(hù)距離

多個(gè)車載雷達(dá)對(duì)業(yè)余無線電接收機(jī)的集總干擾如表6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)車輛密度較小時(shí)，車載雷達(dá)不會(huì)對(duì)業(yè)余接收機(jī)產(chǎn)生干擾；當(dāng)車輛密度較大時(shí)，車載雷達(dá)會(huì)對(duì)業(yè)余無線電接收機(jī)產(chǎn)生干擾，最大所需干擾隔離距離約為30km。

7　結(jié)束語

本文分析了76-81GHz 頻段汽車?yán)走_(dá)與業(yè)余無線電之間的共存情況，為我國開放77-81GHz頻段提供了理論依據(jù)。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，76-81GHz頻段車載雷達(dá)對(duì)業(yè)余無線電業(yè)務(wù)之間的干擾取決于業(yè)余無線電接收機(jī)周圍車輛數(shù)量，當(dāng)車輛數(shù)量較少時(shí)，車載雷達(dá)不會(huì)對(duì)業(yè)余接收機(jī)造成干擾，當(dāng)車輛數(shù)量較多時(shí)會(huì)對(duì)業(yè)余無線電接收機(jī)產(chǎn)生干擾，最大所需保護(hù)距離約為30km。■

表6　不同車輛密度下車載雷達(dá)對(duì)業(yè)余接收機(jī)的干擾保護(hù)距離

[1]中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定[EB/OL].“http：//www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/c5975595/content.html”.

[2]Systems characteristics and compatibility of automotive radars operating in the frequency band 77.5-78 GHz for sharing studies[EB/OL].“https：//www.itu.int/pub/R-REP-M.2322-2014”.

[3]Characteristics of systems operating in the amateur and amateur-satellite services for use in sharing studies[EB/OL].“http ：//www.itu.int/rec/R-REC-M.1732/en”.

[4]Propagation by diffraction[EB/OL].“https：//www.itu.int/rec/R-REC-P.526/en”.

[5]COMPATIBILITY OF AUTOMOTIVE COLLISION WARNING SHORT RANGE RADAR OPERATING AT 79 GHZ WITH RADIOCOMMUNICATION SERVICES[EB/OL].“test.ecodocdb.dk/docdb/download/d540ffd2-e973/ECCREP056.PDF”.