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2020年第6期 安全与电磁兼容
引言
具备高等级自动驾驶功能的智能网联汽车将成为未来汽车产业发展的重要方向，其车载传感器和车载通信系统也越来越依赖于电磁波进行工作，这些功能的频率共存性对于未来智能网联汽车的安全行驶至关重要。本文以智能网联汽车遇到的典型的频率共存性问题为研究对象，对24 GHz 毫米波雷达与5G 毫米波通信间相互影响进行了定量分析。
1 毫米波雷达与5G 通信的频谱划分
1.1 车载毫米波雷达的频谱划分
如图1所示，目前合法在中国使用的车载毫米波雷达工作频率共有三种：24.00~24.25 GHz、24.25~26.65 GHz 及76~77 GHz。2005年，原信息产业部就发布了《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》[1]，将76~ 77 GHz 频段的微功率设备规划给车辆测距雷达使用，并限制其峰值等效全向辐射功率55 dBm，同时
也允许24 GHz 雷达以不大于20 mW（p）工作于24.00~24.25 GHz 频段。此后，工信部于2012年发布了《关于发布24 GHz 频段短距离车载雷达设备使用频率的通知》[2]，将24.25~26.65 GHz 频段规划为UWB 超宽带短距离车载雷达业务的频率。我国的无线电主管部门——工信部无线电管理局对车载雷达的频率划分一直在积极推进之中。
1.2 5G 毫米波频段频谱规划
如表1所示，目前全球5G 频谱资源主要分为两个域：低频（FR1）和高频（FR2）。其中：FR1又称为
摘要
以未来智能网联汽车两大关键部分——“毫米波雷达”与“5G 通信” 为研究对象，通过理论分析，选取5G 通信中n258频段（24.25~27.5 GHz）与窄带毫米波雷达频段（24.00~24.25 GHz）间的相互影响进行研究。通过搭建测试平台，在业内首次实现了车载系统共存性测试。研究结果表明，24 GHz 毫米波雷达性能会受5G 通信中临近频段的影响，需为两种无线业务提供一定带宽的频谱隔离。此项研究得到了工信部无线电管理局的支持，研究成果将作为国内5G 频段规划的支撑材料。关键词
智能网联汽车；毫米波雷达；5G 通信；频率共存性Abstract
Taking the two key parts of the future intelligent connected car-"millimeter wave radar" and "5G commu
nication" as the research object, through theoretical analysis, select the n258 frequency band (24.25~27.5 GHz) and narrowband millimeter wave radar frequency band (24.00~24.25 GHz) in 5G communication to study their mutual influence. By building a test platform, the industry's first in-vehicle system coexistence test was achieved. Research results show that the performance of 24 GHz millimeter-wave radar will be affected by adjacent frequency bands in 5G communications, and it is necessary to provide a certain bandwidth of spectrum isolation for two wireless services. This research was supported by the State Radio Regulation Bureau of China and the Ministry of Industry and Information Technology, and the research results will serve as supporting materials for the domestic 5G spectrum planning.
Keywords
intelligent connected vehicle; millimeter wave radar; 5G communication; frequency coexistence
智能网联汽车频率共存性问题初探
Preliminary Study on the Frequency Coexistence of Intelligent Connected Vehicle
1
中国汽车技术研究中心有限公司
2
国家无线电监测中心
张旭1 钱肇钧*, 2 丁一夫1 武丹丹1 张悦1
图1
中国车载毫米波雷达合法频率
88SAFETY & EMC No.6 2020
Sub6G，主要用于更广泛的网络覆盖，以实现高可靠的万物互联为目标；FR2又称为mmWave，可以为移动设备提供更高的带宽，实现高速率为目标，也是与车载毫米波雷达存在潜在共存性问题的频段。
其中，最新的5G 标准规范中，可以使用的FR2段频率分为n257、n258、n260、n261几个子频段，具体如表2所示。
将表2与图1对比可以看出：
（1）24.25~26.65 GHz 车载雷达与5G n258频段完全重叠，与n257频段部分重叠；欧洲和美国已决定将此频段为5G 通信腾退频谱资源[3-6] ，2022年1月1日后此频段将不再允许使用于车载雷达中，因此与5G 通信将不存在共存性问题。
（2）24.00~24.25 GHz 车载毫米波雷达（工作于国际通用的ISM（工业、科学、医疗）免费频段[7] ，未来将继续合法使用），与5G n258频段紧邻，存在共存性问题的风险，需要开展频率共存性验证研究，如图2 所示。
2 频率共存性验证平台
为验证24 GHz 毫米波雷达与5G 通信间影响，依托现有测试设备、雷达样品、5G 样品，搭建了由“雷达性能测试系统”配合“5G 信号源”组成的验证平台结构，如图3所示。
图4中的雷达性能测试系统包括：频谱分析设备、时域波形分析设备、雷达目标模拟器及SMW 信号源（用于模拟5G 通信信号），其所用暗箱（如图5所示）为测试提供标准的可控环境；雷达目标模拟器提供雷达性
能评价所需各种距离、角度、速度、雷达反射面积（RCS）的虚拟目标；通过雷达上位机软件监控雷达探测结果，同时雷达性能测试系统可对毫米波雷达发射、接收信号质量进行监控与分析。试验过程中，在暗箱中模拟典型的不同雷达工作状态，进而对5G 毫米波信号干扰下雷达性能的下降程度进行定量分析。
3 试验结果分析
24 GHz 毫米波雷达与5G 通信的干扰，是一种典型的异系统干扰，需要控制在合理的范围内。但24 GHz 毫米波雷达性能相关国家标准目前尚空缺，因此验证试验以企业产品规格为参考，以性能满足产品规格为评估准则。
试验设定三种雷达工作条件：A 条件：无干扰；
B 条件：24.85 GHz 中心频点，带宽200 MHz 的5G 通信干扰；
C 条件：24.35 GHz 中心频点，带宽200 MHz 的5G
表1 5G
频率域的主要划分
表2 5G NR
频段
图2
频率共存性研究频谱示意图
图3 5G
通信对雷达影响验证平台结构
图4
测试系统外观
图5
测试用暗箱内部
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通信干扰。
分别基于最小目标RCS、距离测量精度，分析不同条件下5G 信号对毫米波雷达的影响。
3.1 基于最小目标RCS 分析不同条件下5G 信号对毫米波雷达的影响
通过雷达目标模拟器，分别模拟30 m、15 m 距离的障碍物，调节目标RCS 值，记录在A、B、C 条件下，雷达能稳定跟踪的最小RCS 值，如表3所示。
对24 GHz 雷达目标探测能力进行分析，在C 条件下，能探测到的目标大小为无干扰时的17.67倍（15 m）， 8倍（30 m）。在B 条件下，能探测到的目标大小为无干扰时的11倍（15 m）， 4倍（30 m）。因此C 条件下的5G 信号影响大于B 条件下的5G 信号。
3.2 基于距离测量精度分析不同条件下5G 信号对毫米波雷达的影响
选取10 dBsm 的目标RCS 值模拟典型机动车，选取0 dBsm 的目标RCS 值模拟典型行人。验证5G 通信对各类目标距离测量精度的影响。具体为：30 m 机动车目标、20 m 处机动车目标、20 m 行人目标。对比结果如图6~图8所示，通过对测量结果的统计分析，对三种条件下（无干扰和两种5G 通信频率干扰）的距离测量标准差进行对比分析，如图9~图11所示。
● 对于距离
广州汽车网30 m RCS 为10 dBsm 的机动车目标
1）在C 条件下的5G 信号干扰下，雷达无法探测到目标。
2）在B 条件下的5G 信号干扰下，目标距离测量标准差由无干扰时的0.47 m 增加至3.46 m，标准差增加至无干扰时的7.36倍。
说明在C 条件下的的5G 信号对机动车目标影响 更大。
● 对于距离
20 m RCS 为10 dBsm 的机动车目标
1）在C 条件下的5G 信号干扰下，目标距离测量
表3 不同条件下，30 m 与15 m 目标最小可探测RCS
值图6 典型机动车10 dBsm 目标30 m
距离测量精度对比图7 典型机动车10 dBsm 目标20 m
距离测量精度对比
图8 典型行人0 dBsm 目标20 m
距离测量精度对比
图9 典型机动车10 dBsm 目标30 m
距离测量标准差对比
图10 典型机动车10 dBsm 目标20 m
距离测量标准差对比图11 典型行人0 dBsm 目标20 m
距离测量标准差对比
标准差由无干扰时的0.19 m增加至0.84 m，标准差增加至无干扰时的4.4倍。
2）在B条件下的5G信号干扰下，目标距离测量标准差由无干扰时的0.19 m增加至0.35 m，标准差增加至无干扰时的1.84倍。
说明在C条件下的的5G信号对机动车目标影响 更大。
● 对于距离20 m RCS为0 dBsm的行人目标
1）24.35 GHz的5G信号，目标距离测量标准差由无干扰时的0.11 m增加至1.11 m，标准差增加至无干扰时的10.1倍。
2）24.85 GHz的5G信号干扰下，目标距离测量标准差由无干扰时的0.11 m增加至0.77 m，标准差增加至无干扰时的7倍。
说明在C条件下的5G信号对行人目标影响更大。
综上所述，B条件下的5G通信对距离测量精度有一定的影响，C条件下的5G通信对毫米波雷达距离测量精度影响更大。
4 结语
在工信部无线电管理局的支持下，本文对24 GHz 车载毫米波雷达与5G毫米波频段间的频率共存性问题进行了定量分析与测试，通过我们搭建的测试平台，验证了最高工作频率为24.25 GHz的车载毫米波雷达与最低工作频率为24.25 GHz的5G毫米波频段间存在一定的相互影响，本项研究所获得的数据，将为此保护性频段的设置及我国5G频谱规划提供理论支持。随着智能网联汽车的发展，有限的频谱资源将变得更加拥挤，V2X通信、WiFi通信以及其他新的无线通信技术之间也将面临更多的频率共存性问题，还需要进一步的深入研究。
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