多个UWB设备对航电设备的干扰分析
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向天线，又由于已假设 UWB 均匀分布并根据分布积分法原理给出该区域内部对空中航电接收机设备合成干扰公
式为
∫R
E[Pu ] = N
0
P(r) H
−r dr Re2 − r 2
2 ITU-R P.310 建议中定义有效地球半径，在大气环境标准折射率下，有效地球半径是地球实际半径的 4/3，大约 8500Km
2.1 干扰模型
假设航电接收机在高空 h 米处，UWB 发射机均匀分布于地面，在接收机正下方半径为 R 的范围内，相对航 电接收机距地表的高度，UWB 发射机的高度可以忽略，认为与地面高度为 0。
图 1 是 UWB 设备干扰模型，可知 UWB 实际分布区域为一弧面。观测范围内 UWB 发射机数量为 N。则该 区域内 UWB 分布密度为
图 1 UWB 设备干扰模型
ρ= N 2π Re H
其中 Re 为有效地球半径2， H 为观测区域弧面球冠高，其数值可表示为
H
=
Re (1 −
cos(arcsin
R e
))
由于 UWB 发射机功率有限，可以认为观测半径远小于地球半径即 R Re 。 UWB 设备均匀分布，根据累计分布函数（cumulative distribution function）定义，该区域内 UWB 的分布函
航空仪器着陆系统[6]（Instrument Landing System）是国际民间航空组织（International Civil Aeronautics Organization）标准降落系统。它提供航空器降落最终阶段精确导引，对飞行安全有着极为重要的作用。由于该 系统的使用处于地空，与 UWB 发射机距离最为接近，故选择其作为研究对象。航空仪器着陆系统（下文称 ILS） 通常包括两或三个指点信标（Marker Beacon），一个航向信标（Localizer）和一个滑翔斜率提供器（Glide Slope）。
CST
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多个 UWB 设备对航电设备的干扰分析∗
阎硕 赵成林 周正
（北京邮电大学无线网络实验室 100876） 摘 要：随着超宽带技术的成熟，大量 UWB 设备将被使用在 WLAN，无线传感器网络等设备中，虽然其功率被 严格限制，但高密度存在使得其合成干扰不能忽视。本文利用分部积分法原理，对大量均匀分布 UWB 发射机对 航空无线电设备的干扰进行了理论分析，并给出干扰公式。利用该结论在 FCC 与 ETSI 模板下，对 UWB 对航空 仪器着陆系统的干扰进行仿真。 关键词：UWB；电磁兼容；航空无线电；航空仪器着陆系统
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成干扰增强，但增加的趋势减缓。 图 2 中两条曲线分别表示观测半径为 50 与 100 米的情况，半径越大证明发射机数量越多，合成干扰也越强，
100 米观测半径的干扰强度大概比 50 米时高 5dB 左右。图 2 与图 3 为横向对比 FCC 模板与 ETSI 模板差异，可 以看到，在 ETSI 模板限制下，干扰值明显低于 FCC 限制，并且也低于 ILS 系统所能容忍的最大干扰功率，而在 FCC 限制下的干扰就显著高于 ILS 所能承受的干扰程度，将会对 ILS 接收机造成严重影响。图 4 中更加清晰的 表示出 FCC 限制过高，超出了 ILS 干扰容忍度。
基金项目：国家自然科学基金(60372097，60572020) ，国家自然科学基金重点项目（60432040)。
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2 干扰模型与路径损耗
干扰模型的家里分为三个步骤，首先根据航电设备与地面接收机分布建立干扰模型；其次是路径损耗模型选 择，根据以上模型可知，航电接收机与 UWB 之间可以视为无遮蔽视距传播采用自由空间损耗模型；最后综合两 种模型得到合成干扰公式。
数为
⎧
P
=
⎪ ⎨
⎪ ⎩
Re2 − r 2 − H
0
Re2 − R2
r<R r>R
则概率密度函数（probability density function）为
pdfUWB
=
dP dr
=
H
−r dr Re2 − r 2
上式提供了位于航电接收机正下方半径 R 内部，一个 UWB 发射机分布的概率，假设接收机与发射机使用全
图 3 ETSI 限制下 UWB 合成干扰
图 4 ILS 最大干扰功率下 UWB 发射功率限制
5 结束语
本文根据分布积分法推导出一般情况下，大量均匀分布 UWB 设备对航空无线电空中接收机干扰的理论公式， 并根据公式分析了在 FCC 与 ETSI 模板下，UWB 发射机对航空仪器着陆系统合成干扰，得出在 FCC 模板下，符 合上述模型的 UWB 分布将对 ILS 系统造成严重影响，而在 ETSI 模板则不会对 ILS 产生干扰。实际情况下，UWB 发射机通常不会同时开机，本文分析中没有考虑激活概率问题，所以实际 UWB 对 ILS 的干扰可能会小一些。
−r dr
Re2 − r 2
其中 N = 2πρ ReH ，经过积分变换与三角函数推导可得到最终的干扰公式为
A = λ 2 gt gr PT ρ Re ln( 2(Re + h)H + h2 )
16π (Re + h)
h2
3 仿真参数
航空无线电通信种类众多，频率分布也相当广泛，从 90KHz 到 30GHz，共有三十多种不同功能的通信信道 分布，这对于分布带宽巨大的超宽带通信是相当大的挑战。本文限于篇幅不可能对所有通信方式进行分析，选择 其一做仿真分析。
4 仿真结果
根据室外实际情况考虑，UWB 发射功率距离，距离过大的发射机对接收机影响可以忽略不计，根据这个原 则，选定航电接收机高度为 100 米，则不同观测半径下仿真图如下选定 R = 100m 时，在 ILS 接收机能够正常接 收信号时所能容忍的功率情况下，UWB 发射机密度与单独 UWB 发射机功率的关系如图 2 所示。
图 2 FCC 限制下 UWB 合成干扰
根据图 2 所示 FCC 限制下 UWB 合成干扰中，1 中表示在 UWB 发射机密度变化，这里考虑到实际情况，UWB 发射机为密度范围从 0/m2 到 1/m2 变化，因为在大范围情况下，1/㎡相当于 1000 个每平方公里，这个数字是符合 实际情况的。当密度变化时，对高度为 100 米的 ILS 接收机形成合成干扰的情况，可以看出，随着密度的增大合
P(r)
=
PT
⎡ ⎢( ⎢⎣
λ 4π
)2
(Re
−
Re2
1 − r2
+
h)2
+ r2
⎤
gt
g
r
⎥ ⎥⎦
2.3 UWB 合成干扰
综上所述，将 UWB 信号强度代入合成干扰公式中，得下式
∫ P(r) = 2π Re H ρ gt gr PT
R
(
λ
)2
0 4π (Re −
1 Re2 − r2 + h)2 + r2 H
数值 110 40 –116.3 46
6 10
–178.3
14
–134.3
单位 MHz KHz dBW dB dB dB dB(W/40 k Hz) dB dBm /MHz
目前对 UWB 发射功率提出限制的标准主要有美国 FCC 规定模板[5]和欧洲 ETSI 提出草案[4]，通过上述模板 在 ILS 频段范围内得到 UWB 最大发射功率为，FCC 室外为–41.3 dBm/MHz，ETSI 室外为–187.4 dBm/MHz。
1 引言
超宽带无线电是一种全新的无线电技术，是无线通信领域的一次重大进步，在全世界范围内得到了广泛的研 究，在民用和军用通信领域有着广阔的应用前景。UWB 利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，通常定义为带 宽在 500MHz 以上或带宽中心频率 20%以上的信号，按照 FCC 的规定，从 3.1GHz 到 10.6GH 之间的 7.5GHz 的 带宽频率为 UWB 所使用的频率范围。由于 UWB 设备在无线局域网，无线传感器网络等新技术中的突出表现， 其大规模使用已经不可避免，发射机高密度存在将导致其他通信系统的潜在干扰。文献[1][2]已经做出对 GSM 移 动通信系统干扰的分析，文献[3]提出对蓝牙等系统的共存问题。由于航空航电设备对电磁兼容有高度敏感性， 对其他电子设备的干扰限值极为严格。以前的文献对这方面的内容较少讨论。本文通过基本模型的建立，提出室 外大量 UWB 设备对现有航电设备，特别是指空中飞行器上的接收机设备，在某些信道上的干扰假设，并在 FCC 与 ETSI 模板限制下，UWB 发射功率的可行性进行仿真。
Interference Analysis of Multiple UWB Equipment to Aeronautical Services
Yan Shuo Zhao Chenglin Zhou Zheng
（Wireless Network lab, Beijing University Of Posts and Telecommunications 100876） Abstract：With the maturity of ultra-wideband technology, a large number of UWB equipments will be used in WLAN, wireless sensor networks, and other equipments. Although its power is strictly limited, its high-density existence of interference can not be ignored. This paper bases on the Principle of Integration by Parts, and makes a theoretical analysis of the interference between a large number of UWB transmitters which uniformly distribute and aeronautical services, and gives a conclusion at last. According to the formula mentioned above, we simulate the impact which the UWB equipments make on the Instrument Landing System under the FCC and ETSI limits. Keywords：UWB; EMC; aeronautical services; Instrument Landing System
