WCDMA/GSM共址時的干擾及其隔離度分析
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1、引言
隨著我國電信市場的日漸開放，3G牌照發(fā)放的日期也逐漸臨近，對GSM網(wǎng)絡(luò)運營商而言，WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，工程涉及面廣、周期長、投資大，在建設(shè)初期為降低運營成本，盡快啟動市場，基站在滿足條件的情況下應(yīng)進行共站址建設(shè)。 這樣就必然增加了WCDMA系統(tǒng)與同址或鄰近的GSM系統(tǒng)互相產(chǎn)生干擾的機會，WCDMA系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)的電磁環(huán)境兼容問題將會暴露出來。本文將分別對共站產(chǎn)生干擾的機制、隔離度計算進行剖析，并提出工程上消除干擾的解決方法。
2、主要干擾的數(shù)學(xué)模型
對被干擾系統(tǒng)來說有三種性能損失需要考慮：接收機靈敏度降低、IMP干擾（即互調(diào)干擾）和接收機過載。從干擾站接收的雜散輻射信號將導(dǎo)致接收機靈敏度降低，而從同址站接收到的所有載頻的合成造成了IMP干擾，接收機過載的原因是接收機收到的總信號功率太大。為了將這些性能損失降到最小而不修改現(xiàn)有發(fā)送和接收單元，在同站址的GSM系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)之間需保持適當(dāng)?shù)母綦x。
這三種性能損失對應(yīng)的主要干擾分別為雜散干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾。下面我們分別闡明這三種干擾的數(shù)學(xué)模型。兩個共址射頻站間相互干擾的原理如圖1所示：
圖1 兩個共址射頻站相互干擾的原理框圖
與兩個同址站間相互干擾計算相關(guān)的重要射頻器件，有干擾站的發(fā)射放大器、發(fā)射濾波器、發(fā)射天線和被干擾站的接收濾波器、接收機、接收天線等。這里定義A點到B點的射頻電平之差為天線隔離度。
2.1 雜散干擾
接收機靈敏度降低是由于接收機噪聲基底的增加而造成的。如果干擾基站在被干擾基站接收頻段內(nèi)的雜散輻射很強，并且干擾基站的發(fā)送濾波器沒有提供足夠的帶外衰減（濾波器的截止特性不好），將會導(dǎo)致接收機噪聲門限的增加。從干擾基站的天線連接處輸出的雜散輻射經(jīng)兩個基站間的一定隔離而得到衰減，因此被干擾基站的天線連接處接收到的雜散干擾按以下公式進行計算：
IB=CTX-E雜隔-10log（WA/WB） ?。?）
其中，IB為被干擾基站天線連接處接收到的干擾電平；CTX為干擾基站天線連接處輸出的雜散輻射電平；E雜隔為天線隔離度；WA為干擾電平的可測帶寬；WB為被干擾系統(tǒng)的信道帶寬。
2.2 互調(diào)干擾
互調(diào)干擾是由于系統(tǒng)的非線性導(dǎo)致多載頻的合成產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物落到相鄰WCDMA系統(tǒng)的上行頻段，使接收機信噪比下降，主要表現(xiàn)為WCDMA系統(tǒng)信噪比下降和服務(wù)質(zhì)量惡化。由兩個相同強度的載波產(chǎn)生的三階互調(diào)干擾可表示如下：
IMP3（dBm）=3PIN-2×TOI ?。?）
PIN為被干擾基站接收機輸入端的干擾載波電平；TOI為接收機輸入端定義的三階截止點（dBm），與接收機本身的特性有關(guān)。因此為了盡量減小三階互調(diào)干擾，應(yīng)降低PIN,而根據(jù)式（3）：
PIN=CA-EIMP3-LR_B ?。?）
其中CA為干擾基站天線連接處的最大載波發(fā)射功率（dBm）；LR_B為被干擾基站的接收濾波器在干擾基站發(fā)射帶寬內(nèi)的衰減（dB）；EIMP3為天線隔離度（dB）。
所以當(dāng)允許的三階互調(diào)干擾一定時，天線隔離度由下式?jīng)Q定：
EIMP3=CA-LR_B-（IMP3+2×TOL）/3 ?。?）
2.3 阻塞干擾
當(dāng)較強功率加于接收機端時，可能導(dǎo)致接收機過載，使它的增益下降。原因是放大器有一個線性動態(tài)范圍，在此范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，這兩個功率之比就是功率增益G。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增大而線性增大，也就是說，其輸出功率低于所預(yù)計的值。通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，此時輸入功率定義為輸入功率的1dB壓縮點。為了防止接收機過載，從干擾基站接收的總的載波功率電平需要低于它的1dB壓縮點。天線隔離度方面有以下要求：
E阻隔=CP_A-LR_B-CP_B ?。?）
CP_A：干擾基站天線連接處的載頻總功率（dBm）；
LR_B：被干擾基站的接收濾波器在干擾基站發(fā)射帶寬內(nèi)的衰減（dB）；
CP_B：被干擾基站天線連接處接收到的載頻總功率（dBm）；
E阻隔：天線隔離度（dB）。
一般來說，三種干擾中最嚴(yán)重的是雜散干擾，只要雜散干擾能夠避免，阻塞干擾和互調(diào)干擾一般也可以避免。
3、天線隔離標(biāo)準(zhǔn)
為保證好的系統(tǒng)性能，上述三種性能下降必須避免或最小化。因此必須保證兩個同址基站的天線間有好的隔離度。一般來說工程上對以上三種干擾應(yīng)遵守以下準(zhǔn)則：
?。?）被干擾基站從干擾基站接收到的雜散輻射信號強度應(yīng)比它的接收噪聲底限低10dB。
假設(shè)被干擾基站的接收噪聲底限為NB（dBm），干擾基站的雜散輻射在被干擾基站的接收機處引入的噪聲功率為NI（dBm），則由被干擾基站自身的噪聲和雜散干擾引入的噪聲功率累計噪聲功率為：
Ptotal=PB-PI=10NB/10+10NI/10 ?。?）
當(dāng)NI=NB-10dB時，由被干擾基站引入的噪聲惡化量為：
這樣的噪聲惡化量不會對基站帶來明顯的影響，因此雜散輻射信號強度應(yīng)比它的接收噪聲底限低10dB。
?。?）在被干擾基站生成的三階互調(diào)干擾（IMP3）電平應(yīng)比接收機噪聲限低10dB，原因與第一條準(zhǔn)則相同。
（3）受干擾站從干擾站接收到的總載波功率應(yīng)比接收機的1dB壓縮點低5dB，這主要是因為工程上為了避免放大器工作在非線性區(qū)，常把工作點從1dB壓縮點回退5dB。
如果系統(tǒng)間的隔離度能夠滿足以上準(zhǔn)則，受干擾系統(tǒng)的接收機的靈敏度將只下降0.5dB左右，這對于絕大多數(shù)通信系統(tǒng)來說都是可以接受的。
4、WCDMA與GSM系統(tǒng)間的干擾與隔離分析
綜上所述，產(chǎn)生干擾的最終原因與共址站之間的天線隔離度有很大關(guān)系。為了將性能損失降到最小而不修改現(xiàn)有的發(fā)送和接收單元，在共址站間需要保持適當(dāng)?shù)母綦x。
WCDMA主要頻段與移動現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的頻段如表1所示：
表1 WCDMA主要頻段與移動現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的頻段
對GSM1800系統(tǒng)來說，其發(fā)射頻段距離WCDMA頻段的接收頻段間隔較近，兩系統(tǒng)臨界處WCDMA為上行頻率，GSM1800為下行頻率，下行功率相對較大，GSM1800基站發(fā)射通道的帶外雜散信號很容易落在WCDMA基站的接收通道內(nèi)，會抬高WCDMA基站接收噪聲的電平，使WCDMA系統(tǒng)上行鏈路變差、靈敏度降低，影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋，另外，信號過載或互調(diào)干擾也會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。所以問題主要集中在GSM1800與WCDMA之間的干擾上。
4.1 GSM1800對WCDMA的影響
?。?）雜散干擾
WCDMA接收機的噪聲基底：
Nfloor（dBm）=NO（dBm/Hz）+W(dBHz）+NF（dB）
在上式中：NO：噪聲譜密度，是由于電子的熱運動產(chǎn)生的，計算公式為：NO=KT。
K是波爾茲曼常數(shù)（等于1.38×10-23J/K），T是絕對溫度（為290K），由于J=W×s，1W=1000mW=30dBm，將KT轉(zhuǎn)換成dBm得到：
NO=KT=10log（1.38×10-23×290）+30dBm×s=-174dBm×s
W：WCDMA系統(tǒng)的帶寬，其值為3.84MHz，即10log（3840kHz）=65.8dBHz。
NF：WCDMA接收機的噪聲系數(shù)，用于度量信號通過接收機后，SNR降低的程度。噪聲系數(shù)屬于接收機本身的屬性。WCDMA基站接收機的噪聲系數(shù)為4dB左右。
因此，WCDMA基站接收機的噪聲基底：
Nfloor（dBm）=-174+65.8+4=-104dBm
GSM技術(shù)規(guī)范有新舊兩個版本，它們對工作帶外雜散的要求具體如表2所示：
表2 對工作帶外雜散的要求
根據(jù)以上天線隔離準(zhǔn)則，GSM1800基站與WCDMA基站天線之間的隔離度至少應(yīng)為：
E雜隔=-29-（-104-10）=85dB?。ㄅf版本）
E雜隔=-80-（-104-10）=34dB （新版本）
?。?）互調(diào)干擾
每個接收機都被設(shè)計為在特定的帶寬內(nèi)正常工作，如果接收到的信號落入這個帶寬，它的強度會被增強，反之則被衰減，從某種意義上說接收機相當(dāng)于一個帶通濾波器，它對通帶內(nèi)的信號均有增益，而對帶外信號則是高衰減，這種衰減程度取決于接收機的設(shè)計和載波與通帶的頻率差異。有些時候輸入載波的頻率可能偏離通帶幾十兆赫，接收機基本上可以將這些信號完全濾除（衰減一般都在60dB以上）。
GSM1800下行頻段中任意兩個或三個載波經(jīng)過非線性后產(chǎn)生的多種IMP3頻率也不會落入WCDMA的上行頻段（1920MHz～1980MHz）中，并且偏離達(dá)幾十至幾百兆赫，因此GSM1800系統(tǒng)的互調(diào)也不會對WCDMA產(chǎn)生干擾。
（3）阻塞干擾
根據(jù)WCDMA的規(guī)范，當(dāng)與GSM1800系統(tǒng)共址時，在921MHz～960MHz，1805MHz～1880MHz頻段內(nèi)可允許16dBm的阻塞干擾存在（此時有用信號的功率在-115dBm以上）。假設(shè)GSM1800基站的最大發(fā)射功率為43dBm，則WCDMA與GSM1800天線間隔離至少為：
E阻隔=43-16=27dB
4.2 WCDMA對GSM1800的影響
（1）雜散干擾
和上節(jié)的計算方法一樣，N仍為-174dBm，GSM1800系統(tǒng)的帶寬W為200kHz，即10log（200kHz）=53dBHz；GSM基站接收機的噪聲系數(shù)一般取為4dB。
因此，GSM1800基站接收機的噪聲基底為Nfloor（dBm）=-174+53+8=-113dBm。
根據(jù)3GPP TS 25.104 V3.10.0規(guī)范，在共址情況下，WCDMA基站在1710MHz～1785MHz頻段的雜散不應(yīng)大于-98dBm/100kHz，其測量帶寬為100kHz，換算為GSM系統(tǒng)的帶寬即為-98+10log（200k/100k）=-95dBm/200kHz。
根據(jù)以上天線隔離準(zhǔn)則，WCDMA基站與GSM1800基站天線之間的隔離度至少應(yīng)為：
E阻隔=-95-（-113-10）=28dB
?。?）互調(diào)干擾
同樣的，由于WCDMA的下行頻段（2110MHz～2170MHz）中任意兩個或三個載波經(jīng)過非線性后產(chǎn)生的多種IMP3頻率，如：（2f1-f2）、（2f1+f2）等都不會偏離GSM1800的上行頻段（1710MHz～1755MHz），并且偏離達(dá)幾百兆赫，因此WCDMA系統(tǒng)的互調(diào)不會對GSM1800產(chǎn)生干擾。
?。?）阻塞干擾
WCDMA系統(tǒng)下行頻段與GSM1800上行頻段相差約幾百兆赫，根據(jù)GSM標(biāo)準(zhǔn)（GSM 05.05，Section 5.1）可知當(dāng)GSM的帶外阻塞指標(biāo)為3MHz＜|f-f0|時，阻塞干擾應(yīng)小于-13dBm，工程上要求比阻塞門限再小5dB，即-18dBm。假設(shè)WCDMA基站的最大發(fā)射功率為43dBm，則不考慮天饋線設(shè)備的增益和衰耗時，隔離至少為：
E阻隔=43+18=61dB。
5、結(jié)論
綜上所述，若為舊版本GSM1800系統(tǒng)時，兩系統(tǒng)之間最大的干擾為GSM1800對WCDMA的雜散干擾，隔離要求為85dB。若為新版本，最大的干擾則為WCDMA對GSM1800的阻塞干擾，隔離度要求為61dB，工程中只要能滿足最大干擾的隔離要求，其他干擾也能滿足。
我們采用雙斜率傳播模型分析基站天線間的傳播損耗，根據(jù)經(jīng)驗公式：
可計算出兩種情況下所需的最大隔離度和天線隔離距離，如表3所示：
表3 最大隔離度和天線隔離距離
此處的水平隔離未考慮干擾站和接收站的天線方向性及增益等因素。
由表3可知，若GSM系統(tǒng)滿足新的技術(shù)規(guī)范要求時，天線的隔離要求比較低，共址比較容易實現(xiàn)；而當(dāng)GSM系統(tǒng)為舊版本時，天線的隔離要求較高，要實現(xiàn)共址必須要采用一定的方法來降低干擾。
需要指出的是本文只是根據(jù)規(guī)范對接收機和發(fā)射機的性能要求而提出的一種計隔離度算方法，這種要求是設(shè)備至少應(yīng)滿足的要求，而各個廠家的設(shè)備在這些指標(biāo)上往往優(yōu)于規(guī)范的要求，因此最終的隔離要求要比以上結(jié)果小。在實際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中可根據(jù)設(shè)備實際的性能參數(shù)進行詳細(xì)計算。
根據(jù)以上考慮，工程上解決GSM與WCDMA共址時它們之間的干擾主要有以下幾種方法：
（1）充分利用鐵塔平臺的隔離和建筑物的隔離，盡量采用垂直隔離。
（2）適當(dāng)調(diào)整兩系統(tǒng)的功率和扇區(qū)天線方位間的位置和角度，保證水平背向一定角度來減少天線間的路徑增益和增加空間隔離度。
（3）加裝高性能的雙工濾波器，改善發(fā)射性能，提高帶外濾波特性，降低帶外雜散信號的強度。帶來的影響是增加了0.2dB左右的鏈路損耗（濾波器插損）。
?。?）共饋纜，GSM基站和WCDMA基站通過雙頻合路器合路后共饋線到塔頂，再通過雙頻分路器分路到達(dá)各自的天線系統(tǒng)。通過兩個合路器疊加增加一定的隔離度，但同時也帶來了0.4dB左右的插損。
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