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标题: WCDMA与其他移动通信系统基站间干扰分析 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 14:15
标题: WCDMA与其他移动通信系统基站间干扰分析
摘要　文章首先阐述了干扰产生的原因及其对系统性能的影响，针对WCDMA系统与二代和三代各移动通信系统（包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、GSM、PHS等系统）室内分布共存时的干扰进行分析，通过发射机与接收机之间隔离度（耦合损耗）的计算，得出WCDMA与其他移动通信系统室内共存的可行性，最后提出有效预防干扰的措施。
虽然3G离我们越来越近，但是在相当长的一段时间内还不会完全取代2G系统，而且3G系统还存在三种主流的制式，各种移动通信系统的共存问题就摆在我们面前。目前各种移动通信基站布点密度已非常高，适合布放基站的地址又十分有限，第三代网络的建设不可避免地要重复利用许多无线站址，共站址及共存情况下干扰分析和必要的干扰预防措施是规划设计第三代网络所必须考虑的。
1、干扰产生的原因及其影响
工作于不同频段的A系统和B系统间的干扰，是由于发射机和接收机的不完善性造成的。干扰系统发射机在指定的载频信道内发射有用信号时会产生带外辐射，带外辐射包括由于调制引起的邻频道泄漏功率比（ACLR）和带外杂散辐射。从信道带宽边缘算起，两倍信道宽度以内的频率范围，带外辐射的主要能量来源于信号调制器的带外能量泄漏和宽带噪音；而在两倍信道带宽以外的频率范围，带外辐射的主要能量来源是宽带噪音、谐波交调及杂散辐射，一般统称为杂散辐射。被干扰系统接收机选择性地体现为邻信道选择性（ACS）和阻塞特性。阻塞特性有带外阻塞和带内阻塞，在相应的载频信道内接收其有用信号的同时，落入信道内的干扰信号可能会引起接收机灵敏度的损失，而落入工作信道外。但在接收带宽内的干扰信号可能会引起带内阻塞，带外干扰信号则可能会引起接收机的带外阻塞。由于接收机的非线性特性，信道外的干扰信号过强则会引起接收机在其工作信道的解调能力下降。
2、干扰分析结果
本文使用确定计算分析方法对各系统之间的干扰进行分析，并重点分析WCDMA与GSM之间、WCDMA与PHS之间共站、共存的可能性。
在网络无线设计中，干扰确定计算分析方法因其方法简单、使用方便等优点而被经常使用。干扰确定计算分析方法是针对某一特定的干扰分析场景，以产生干扰的发射机和被干扰的接收机的频谱相对关系，对被干扰的接收机的四个不同频率范围计算下面的评估方程：
Ptx(f)-MCL(f)≤Lext(f)　（1）
其中：f是考虑的频率；Ptx(f)是产生干扰的发射机在频率f上的发射功率；MCL（f）是在频率f上发射机和接收机之间的隔离度；Lext是在频率f上被干扰接收机可接受的最大干扰电平。
一般要考虑的四个频率范围为：a）接收机工作信道，在大多情况下，对应的是发射机的带外杂散辐射。b）接收机工作信道的第一邻频信道，对应的是发射机的有用信号发射或带外辐射。c）接收机接收频段内重点考虑发射机的带外辐射，邻频泄漏或杂散辐射。d）接收机接收频段外重点考虑发射机的发射载频，因为在发射机的发射载频上其发射功率最大。
2.1　WCDMA与GSM干扰隔离和共存
2.1.1　干扰机理分析
总的来说，干扰基站发射机对受干扰基站接收机的隔离取决于以下4个准则：a）从干扰发射机到受影响的接收机的杂散波功率在接收机底噪10dB以下。b）受影响的接收系统所接收到的全部干扰载波功率在。1dB压缩点的10dB以下。c）由干扰载波导致受影响接收机产生的每个三阶交调（IMP）在接收机底噪10dB以下。d）受影响系统接收滤波器衰减的全部干扰载波功率在接收机底噪10dB以下，防止接收机不敏感或阻塞。
根据相关资料，准则b受控于准则d，换句话说，如果隔离满足原则d，将自动满足原则b。因此，我们的分析将只考虑准则a、c和d。
由于GSM1800上行与WCDMA的工作频段间隔较大，因此WCDMA对GSM1800的干扰问题可以不予考虑，本文只考虑GSM1800干扰WCDMA的情况。而对于GSM900，与WCDMA的工作频段间隔进一步加大，满足GSM1800与WCDMA干扰隔离要求，即认为满足GSM900与WCDMA干扰隔离要求。
2.1.2　隔离度要求
1）杂散（准则a）
按照GSM标准，基站设备在频率偏移等于GSM1800与UMTS频率差值的地方，至少应提供-30dBm/3MHz的散射衰减。标准也指出，在与3G共存的情况下，该值增加到-96dBm/100kHz。这里取WCDMA接收机灵敏度为-113dBm/3.84MHz。
为满足准则a，对于GSM1800基站，满足GSM基本散射要求所需的隔离度为84.1dB。
满足与3G、共存时的散射要求所需的隔离度为32.8dB。
2）三阶交调（准则c）
根据相关资料，WCDMA基站的三阶截距估计为-22.8dBm。此外，从UMTS基站与GSM1800基站共址时的阻塞标准推得：UMTS基站接收的RF、IP和基带滤波器应该在GSM1800基站的发射带提供至少114dB的衰减。按照UMTS1900基站窄带阻塞标准，UMTS中频和基带滤波应在与UMTS中心频率偏移2.7MHz的地方提供至少50dB衰减。因此，UMTS RF滤波器能够给予GSM1800基站发射带至多64dB的衰减。
假设GSM1800载波在UMTS接收机前端（RF接收滤波器）被衰减了60dB，则所需的隔离度为37.9dB。
3）接收机阻塞（准则d）
为满足准则d，所需的隔离度为42dB 。
2.1.3　计算结果分析
基于以上计算，如果GSM基站发射机遵循基本的GSM杂散限制，则隔离度要求为84.1dB（取决于准则a）。当GSM基站满足更严格的与3G共存的杂散限制，则隔离度要求为42dB（取决于准则d）。应当注意的是，42dB的隔离要求是基于。UMTS基站的RF接收机滤波器在GSM1800发射带的60dB滤波的假设情况下。
如果用实际的UMTS基站RF滤波器，那么所推荐的天线隔离度应按实际情况作相应的修改。例如，如果实际的UMTS基站接收滤波是56dB（即低于假设4dB），那么隔离需求应当保持42dB，因为准则d仍为隔离需求的主导因素。如果实际的UMTS RF基站接收滤波是46dB（即低于假设14dB），那么实际的隔离需求应该增加至51.9dB，这取决于准则c。
2.1.4　　隔离距离要求
根据隔离度要求，使用传播模型公式可得到隔离距离要求，WCDMA与GSM1800的隔离距离要求见表1。

表1　WCDMA与GSM1800的隔离距离要求

由上述计算可看出，如果GSM1800基站不满足与3G共存时的散射要求，而只满足GSM基站基本散射要求时，共站基本无问题，垂直隔离距离3.8m比较容易实现，共存时要求水平隔离距离较大。满足与3G共存的散射要求时，基站水平隔离距离较近，可以实现共存。
2.2　WCDMA与PHS干扰隔离和共存
2.2.1　干扰机理分析
WCDMA基站的发射频率与PHS的工作频段并不相邻，所以可以认为WCDMA与PHS共存或共站时，WCDMA基站对PHS的干扰不会是个大问题。WCDMA上行频段与PHS的工作频段是相邻的，但考虑到WCDMA终端的发射功率较小，且终端位置不固定，同时考虑到PHS系统自身的动态信道选择功能使得PHS系统有着很强的抗干扰能力，所以WCDMA终端对PHS的干扰也不会太大。
PHS系统同样会对WCDMA系统产生不可避免的干扰，其主要原因是PHS基站和终端的带外杂散辐射电平过高。与2.1.1节中描述相同，分析只考虑准则a、c和d。
2.2.2　PHS基站干扰WCDMA基站的隔离度要求
1）杂散干扰（准则a）
PHS基站的总带外杂散辐射功率小于-26dBm，为了保证计算结果的可靠性，取落在WCDMA基站的接收频带的PHS基站的带外杂散辐射-26dBm，因而3.84MHz频带内的杂散辐射为-37.9dBm。
为满足准则a，所需的隔离度为75.1 dB。
2）邻道干扰（准则a）
PHS基站在偏离载频0.9MHz时，邻道泄漏功率为-36dBm/96kHz。PHS与WCDMA接收频段的最小间隔是5MHz，而邻道泄漏功率随着频率的偏移而降低。一般情况下频率偏离5MHz，邻道泄漏偏离最少下降5dB。据此分析，当偏离载频5MHz时，邻道泄漏功率小于（-36-5）dBm/96kHz=-41dBm/96kHz。
考虑PHS基站的射频滤波器在WCDMA接收频段的带外抑制能力大于15dB，因而PHS基站在WCDMA接收频段的带外发射功率最大为-40dBm。
为满足准则a，所需的隔离度为73dB。
3）三阶交调（准则c）
基于标准，UMTS第三阶截距估计为-22.8dBm，：PHS的发射功率为27dBm。如WCDMA系统接收滤波器对PHS系统发射频带衰减大于46dB，为满足准则c，所需的隔离度则为35.9dB。
4）接收机阻塞（准则d）
在UMTS标准中，阻塞要求并无规定在频带I（2100MHz频带）进行窄带衰减测试。如果假定UMTS FDD设备符合在频带Ⅱ（1900MHz频带）上所规定的窄带阻塞要求（在与中心频率偏置2.7 MHz的地方），基站将在UMTS FDD与PHS偏置之间提供50dB的衰减能力。为满足准则d，所需的隔离度为90dB。
2.2.3　WCDMA基站干扰PHS基站的隔离度要求
因为WCDMA基站的发射频段与PHS的接收频段之间有195MHz的保护带，因而在本节分析中仅考虑杂散辐射的影响。
根据WCDMA基站系统设备总技术规范，在1900MHz～1920MHz的频率范围内，WCDMA基站的带外杂散辐射为-57dBm/300kHz。
已知PHS接收机能承受的干扰电平为124dBm。为满足准则a，所需的隔离度为67 dB。
2.2.4　计算结果分析
基于前面计算，满足所有准则的隔离度要求是90dB，这取决于准则d。应注意的是这个数值是由UMTS标准中的接收机衰减规范导出的。实际的UMTS设备特性会比标准更严格，因此隔离度要求会获得改进。另外，PHS系统使用了动态信道指配功能，当PHS系统从邻带UMTS系统中探测到干扰时，PHS可分配远离UMTS的载波给PHS用户，这样隔离度要求也可因此降低。
2.2.5　隔离距离要求
根据隔离度要求，使用传播模型公式可得到隔离距离要求，WCDMA与PHS的干扰隔离距离要求见表2。

表2　WCDMA与PHS的干扰隔离距离要求

由上述计算可看出，PHS基站与WCDMA基站共站基本无问题，但共存难度很大。如果发射机或接收机不满足隔离度要求时，就需要利用空间隔离距离来减少干扰影响。由计算结果可以看出，共站时几米的垂直隔离距离比较容易实现；而不共站时要求的水平隔离距离较大，如果是在同一个地区，且面积较小，则较难实现共存。
2.3　WCDMA与WCDMA干扰隔离和共存
对于WCDMA基站共站的情况WCDMA设备规范的要求是在接收频段1920MHz～1980MHz上发射机的带外杂散辐射不超过-96dBm/100kHz。WCDMA基站参考灵敏度保护的外来干扰电平门限被确定为-110dBm/3.84MHz（对应的基站灵敏度损失是0.8dB，一般来说，灵敏度损失在0.2dB～1dB间都是合理的，为便于计算下文中这个取值会有变化），在共站情况下应保证的隔离度为30dB。
设备规范中对WCDMA接收机的带外阻塞特性共站时在2110MHz～2170MHz频段上的特殊要求为+16dBm，为满足阻塞特性要求所需的基站间隔离度，那么：
MCL=（43dBm（单载频最大功率）+3dBm（多载频富余度））-16dBm=30dB
所以，符合WCDMA设备规范规定的共站要求的WCDMA基站在基站间隔离度MCL≥30dB的条件下能够共站，其参考灵敏度损失不超过0.8dB。另外，在WCDMA设备规范中规定的基站发射互调要求是以30dB的最小隔离度的条件定义的，因此对于WCDMA系统基站共站的情景，一定要保证30dB的最小隔离度。
2.4　WCDMA与CDMA2000干扰隔离和共存
WCDMA与2GHz CDMA2000之间的干扰考虑到WCDMA和CDMA2000均为频分双工系统，发射频段和接收频段是不相邻的，中间有上下行双工频率间隔，所以在WCDMA和CDMA2000基站间不会存在发射机对接收机的邻频干扰。唯一可能的干扰源是发射机的带外杂散辐射，但是在规范中已经对发射机的带外杂散辐射做了特殊规定，所以WCDMA和CDMA2000基站能够共站。
WCDMA与800MHz CDMA2000间干扰由于工作频段间隔较大，因此这两个系统不存在邻频干扰，唯一可能的干扰是杂散辐射和带外阻塞特性。设备规范给出的基站在1920MHz～1980MHz频段上的杂散辐射一般要求为-30dBm/1MHz，也即-24dBm/3.84MHz，而保护WCDMA基站灵敏度所需的外来干扰门限电平取值为-110dBm/3.84MHz，因此800MHz CDMA2000基站和WCDMA基站间的最小隔离度应为86dB。
这是根据现有标准最小要求估算的最小隔离度，而设备的实际性能会比标准规定的最小要求要好。例如，北电的CDMA基站的发射机的带外杂散抑制度可以达到74.7dBc，优于标准规定的60dBc。
对于基站和终端之间的干扰情形，只要保证最小载频间隔保持在3.85MHz，此时容量损失就会小于5％。
2.5　WCDMA和TD-SCDMA干扰隔离与共存
1）非邻频情形
1850MHz～1880MHz和2110MHz～2170MHz 频段上，TD-SCDMA基站的阻塞特性为-15dBm，由此可推算出，在WCDMA和TD-SCDMA共存或共站时，为保护TD-SCDMA基站所需的基站间最小隔离度为58dB。
2010MHz～2025MHz和2300MHz～2400MHz频段上，WCDMA基站的带外阻塞特性是-15dBm，考虑到TD-SCDMA基站的有效发射功率是30dBm，那么在WCDMA和TD-SCDMA基站间应至少保持的最小隔离度为45dB。
在1880MHz～1920MHz频段（第一邻频除外）上，规定的WCDMA基站的带外阻塞特性是-40dBm，那么在基站间应至少保持的最小隔离度为70dB。
事实上，WCDMA基站在1880MHz～1920MHz上的带外阻塞特性可以做到比标准规定最小要求-40dBm高许多。比如，在1900MHz频点，采用适当的射频滤波器其带外阻塞特性一般可以做到0dBm，这样在1900MHz频点，只需要30dB的基站间最小隔离度就可以满足要求了。
2）邻频的情形
在1920MHz频段上，WCDMA基站的邻道选择性要求是-52dBm，现有的设备规范规定的设备性能指标还不能满足工作在邻频的两系统共存的要求。所以，必须采取有效的抗干扰措施以便保护两系统的性能损失不至于过大。
在TD-SCDMA基站接收频段的带外邻频1880MHz上，TD-SCDMA基站的邻道选择性ACS为-55dBm，带外阻塞特性为-15dBm，WCDMA基站的发射功率是43dBm，根据干扰分析结果，也得出同样的结论，现有的设备规范规定的设备性能指标不能够满足工作在邻频的两系统共存的需求。所以，当工作在邻频的TD-SCDMA基站和WCDMA基站共存或共站时，必需采取有效的抗干扰措施以便保护两系统的性能损失不至于过大。
3、有效的干扰预防措施
3.1　保护频带
在WCDMA与其他无线系统共存时保护频带是解决邻频干扰的有效措施之一。但保护频带大小的确定和保护频带的预留是一个十分复杂的过程，并受到许多因素的限制。
WCDMA的码片速率为3.84Mchip/s，若其调制波形的滚降系数为0.22，则射频带宽为4.28MHz，正常情况下，当不考虑预留保护带时，WCDMA载频间隔是5MHz。但若考虑保留一定的保护带以减少与其他系统共存时的相互干扰，若在频率分配时没有预留额外保护频带，这时就不得不压缩一些WCDMA载频间隔。欧洲一些WCDMA网络运营商的做法是将本网内的WCDMA载频间隔压缩为4.8MHz，从而保留0.2MHz或0.4MHz的频带作为邻网的保护频带，以降低与邻网之间的邻频干扰的概率。
3GPP已经用仿真方法对不同运营商WCDMA网络之间的共存问题进行了研究，结果表明，不同运营商的WCDMA网络工作在相邻频段时，在频率间隔为5MHz的情况下，干扰引起的容量损失约为2％。小于5MHz的载频间隔会在系统内引起由于邻频干扰产生的容量损失。经系统仿真估算当载频间隔为4.4MHz时，在同一系统内所引起的容量损失大约为3％左右。
这里不难看到预留保护频带可以减小与其它系统间的邻频干扰，从而减小由于其他系统的干扰所引起的容量损失，但同时却会由于本系统内的邻频干扰引起系统容量损失增大，所以在带宽有限的情况下，并不是预留的保护频带越大越好。另外，预留保护频带的决定通常是由无线电管理部门做出的，或是在不同的运营商之间的协商下达成的协议。
3.2　空间隔离
天线隔离度即天线耦合损耗，天线耦合损耗的测量参考点是在天线的馈线接口，而基站间的耦合损耗的测量参考点是在基站的天馈线接口。
共站情况下的天线空间距离的估算是根据干扰分析所得出的基站间耦合损耗推算出所需天线隔离度：基站间耦合损耗=天线隔离度-馈线损耗（A）-馈线损耗（B）。在2GHz频段，对应30m天线挂高的馈线损耗（含接头插入损耗）大约在3dB左右。
3.3　外接滤波器
有多种射频带通滤波器可供无线网络工程设计时选用。选取射频滤波器时，需要从以下几方面考虑：通带带宽、阻带、带外衰耗、群时延、插入损耗、随温度变化的性能稳定性、体积和成本。
若需要抑制发射机带外辐射信号，应在发射机端增加带通滤波器，由于带通滤波器插入损耗的原因，增加带通滤波器之后，其有效发射功率自然会受到一定的影响。
若需要抑制接收机带外干扰信号，采用外接滤波器来改善基站的带内或带外阻塞特性，这时自然要在接收机端加入外接带通滤波器。由于带通滤波器插入损耗的原因，增加带通滤波器之后，接收机的灵敏度会有一定的损失。
另外，如果发射机是多载频发射机，在带通滤波器的选择上一定要考虑到多载波发射的问题。
总而言之，无论是在发射机端还是在接收机端插入外接带通滤波器，都会对传输链路或多或少地产生一定的影响。
3.4　干扰预防措施的综合使用
在干扰预防措施的选择和采用上，没有一个通用的、适合于各种情况的最佳方案，通常的做法是首先考虑频带保护的措施，因为保护频带的措施是适用于全网的。其次，考虑天线空间隔离措施，如若采用多频带天线，在天线的选择上要充分考虑带间隔离度的要求；如若采用单频带天线，则需根据所要求的天线隔离度的要求确定其相应的最小空间距离，对于由于实际场景的限制而无法实现所定出的最小空间距离的无线站，则不得不另外增加外接带通滤波器，并要评估使用外接带通滤波器对网络覆盖和容量的影响。必要时，要对网络的无线设计做适当的调整，或对网络进行优化以弥补由于使用外接带通滤波器对网络覆盖和容量产生的不良影响。

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