基于matlab评估机场监控雷达上 5G 新无线电（NR）信号的干扰

news2024/9/20 14:27:40

一、前言

随着5G NR系统的频率范围超出LTE中使用的频段，频谱管理变得更加复杂。对扩大5G覆盖范围的需求是由更高的数据速率和更低的延迟的好处推动的。新5G基站的实施反过来又推动了了解这些信号如何影响在相同频段上运行的已安装系统的需求。其中一个系统是空中交通管制雷达。

在此示例中，您将学习如何对在 5G 基站附近运行的空中交通管制雷达进行建模。我们将研究5G信号如何影响接收到的雷达信号。我们使用一个场景，即飞机从与基站相同的方向接近机场。从飞机返回的雷达在存在和不存在 5G 波形的情况下进行处理。

可以应用许多不同的缓解技术来减少干扰，但在本例中，我们在基站上实现了波束成形器，以减少雷达方向的传输能量。

二、场景

我们首先根据 3GPP TR 38.901 规范中的指导设置基站位置方案。基站安装在距离机场 2.5 公里的建筑物的屋顶上。

机场雷达模型基于机场监视雷达（ASR-11）。

一架飞机从与基站相同的方向接近雷达。

散射体被添加到场景中，以考虑由于飞机和雷达之间路径中的建筑物而导致的多路径反射。

% Airport Radar positionasrPos=[0; 0; 15];asrAxes = eye(3);asrVel = [0; 0; 0];% 5G Base Station positionbsPos = [2.5e+03; 0; 25]; bsAxes = rotz(180);% Approaching aircraft starting position and velocitytargetPos = [50E3;0;450];targetVel = [0;0;0];% Channel parameters% Generate 15 scatterers at random positionsrng(2021);                          % Initialize random number generatornumScat = 15; azRange = -180:+180;randAzOrder = randperm(length(azRange));elRange = 0;rRange = 0.5e3 : 2.5 : 1e3;randROrder = randperm(length(rRange));azAngInSph = deg2rad(azRange(randAzOrder(1:numScat)));elAngInSph = zeros(size(azAngInSph));r = (rRange(randROrder(1:numScat)));% Transform spherical coordinates to Cartesian coordinates[x,y,z] = sph2cart(azAngInSph,elAngInSph,r);scatPos = [x;y;z] + bsPos;scatCoef = ones(numScat,1)*1e-1;

可以绘制 5G 塔、雷达和散射体的位置。

figure; hold on; grid on; plot3(asrPos(1),asrPos(2),asrPos(3),...    'color','b','marker','o','MarkerFaceColor','b', ...    'DisplayName','Airport Radar')plot3(scatPos(1,:),scatPos(2,:),scatPos(3,:), ...    'LineStyle','none','color','k','marker','square','MarkerFaceColor','k', ...    'DisplayName','Scatterers')plot3(bsPos(1),bsPos(2),bsPos(3), ...    'color','r','marker','hexagram','MarkerFaceColor','r', ...    'DisplayName','Base Station')xlabel('X (m)'); ylabel('Y (m)'); legend('location','best')

三、雷达配置

可以配置雷达模型以匹配机场监视雷达（ASR-11）的参数。

fc     = 2.8e9;                     % Radar carrier frequency (Hz)c      = physconst('Lightspeed');   % Propagation speed (m/s)lambda = c/fc;                      % Radar wavelength (m)

雷达发射线性调频波形。

asrSamplingFrequency = 1e6; %  (Hz)PRF = 1000;                 % Pulse Repition Frequency (Hz)dutyCycle = 0.1;asrWaveform = phased.LinearFMWaveform( ...    'SampleRate', asrSamplingFrequency, ...    'DurationSpecification', 'Duty cycle', ...    'DutyCycle', dutyCycle, ...    'PRF', PRF);

ASR-11使用带有喇叭激励器的抛物面反射器。您可以使用天线工具箱中的天线元素来生成设计。

rad=2.5;        % radius [m]flen=2.5;       % focal length% Create antenna% (create)asrAntennaElement=design(reflectorParabolic('Exciter',horn),fc);% (orient)asrAntennaElement.Exciter.Tilt=90;asrAntennaElement.Exciter.TiltAxis=[0 1 0];asrAntennaElement.Tilt=90;asrAntennaElement.TiltAxis=[0 1 0];% (params)asrAntennaElement.Radius=rad;asrAntennaElement.FocalLength=flen;% (final create)asrAntenna = phased.ConformalArray('Element',asrAntennaElement);asrRadiator = phased.Radiator('OperatingFrequency',fc,...    'Sensor', asrAntenna);

定义雷达发射器

asrPower = 25000; % [W]asrGain = 32.8; % [dB]asrTransmitter = phased.Transmitter('PeakPower',asrPower, ...    'Gain',asrGain);

定义雷达接收机天线阵列和接收机前置放大器。

asrCollector = phased.Collector('OperatingFrequency', fc, ...    'Sensor', asrAntenna);asrReceiver = phased.ReceiverPreamp( 'SampleRate', asrSamplingFrequency, ...    'Gain', 20, ...    'NoiseMethod','Noise temperature',...    'NoiseFigure',6.31);

定义雷达横截面为 5m^2 的接近飞机。

radarTarget = phased.RadarTarget(...    'MeanRCS',5, ...    'OperatingFrequency',fc);

将雷达信号传播环境定义为自由空间。

radarEnv = phased.FreeSpace('TwoWayPropagation',true, ...    'SampleRate', asrSamplingFrequency, ...    'OperatingFrequency', fc, ...    'PropagationSpeed', c);

四、基站配置

可以使用 5G 工具箱生成一系列 5G 波形。此示例的波形数据是从引用的 .mat 文件加载的。

可以根据 3GPP TR 28.901 中的规范定义基站天线阵列。

五、接收信号生成

模拟雷达回波和 5G 信号传播，以在雷达接收器处生成接收信号。

5.1 模拟雷达回波

发送和接收雷达信号的仿真步骤如下。请注意，ASR-11的天线盘正常旋转，也可以对此进行建模，但对于此示例，我们考虑ASR-11指向基站的简化情况。实际上，MIMO信道中定义的散射体会引起多径效应并产生雷达反射。然而，这些反射被信号处理技术（如移动目标指示器（MTI）处理）所抵消。为了在不损失通用性的情况下简化仿真，我们对雷达信号在自由空间中的传播进行了建模。