地鐵環(huán)境中多網(wǎng)通信共存的干擾分析

賈連志 師 煜

(1.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，330038，南昌;2.華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，330013，南昌;3.中鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)(北京)有限公司，100036，北京∥第一作者，工程師、碩士研究生)

不同移動(dòng)制式信源主體產(chǎn)生信號(hào)的機(jī)理不同，按照信號(hào)產(chǎn)生的原因或來(lái)源干擾一般分為雜散干擾和互調(diào)干擾(也稱組合干擾)。前者是由于系統(tǒng)本身的不完善性造成的在必要帶寬之外某個(gè)或某些頻率的發(fā)射，對(duì)頻譜的其他用戶造成干擾;后者是系統(tǒng)內(nèi)部的有用信號(hào)在單個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)系統(tǒng)間相互作用而產(chǎn)生的不需要的干擾分量。根據(jù)造成的后果干擾一般分為雜散干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾。一般干擾會(huì)造成系統(tǒng)接收靈敏度降低、減小系統(tǒng)覆蓋范圍，相應(yīng)地影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)將阻塞系統(tǒng)接收，造成系統(tǒng)癱瘓，形成阻塞。因此有必要對(duì)地鐵環(huán)境中不同制式下多網(wǎng)共存的通信系統(tǒng)間的干擾進(jìn)行分析。

1 干擾的種類分析

1.1 雜散干擾

雜散干擾主要是指由于發(fā)射機(jī)的濾波特性不好，而使一些二次和三次諧波分量在發(fā)射機(jī)輸出極輸出，產(chǎn)生雜波輻射信號(hào)。另外，如果發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)不合格也會(huì)使以載波為中心的噪聲分布相當(dāng)寬，在幾兆赫茲的頻帶內(nèi)造成干擾。包括Tx和Rx頻帶雜散、交叉頻帶雜散和帶外雜散。

1.1.1 Tx和 Rx頻帶雜散

Tx頻帶雜散是指落入各個(gè)通信系統(tǒng)Tx頻帶的雜散信號(hào)。Rx頻帶雜散是發(fā)射機(jī)向Rx頻帶發(fā)射雜散信號(hào)，其大小關(guān)系到Tx雜散不會(huì)“阻塞”或者說(shuō)使相鄰信道接收機(jī)的靈敏度降低。表1為各系統(tǒng)的Tx和Rx頻帶。

表1 各系統(tǒng)的Tx和Rx頻帶 MHz

1.1.2 交叉頻帶雜散

在我國(guó)，CDMA 800和GSM 900是并存的，包括新推出的第三代(3G)通信系統(tǒng)?；诖?，ETSI 3GPP標(biāo)準(zhǔn)需要規(guī)范交叉頻帶性能以確保發(fā)射機(jī)向各個(gè)系統(tǒng)接收頻帶輻射最小的能量。為避免相互干擾，我國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)制定了相應(yīng)的規(guī)范。

1.1.3 帶外雜散信號(hào)

帶外雜散信號(hào)是覆蓋100 kHz到12.75 GHz這一很大頻率范圍的一系列頻譜。

1.2 互調(diào)干擾

互調(diào)干擾主要是由系統(tǒng)設(shè)備中的非線性引起的，由于非有用信號(hào)混入而造成的干擾。互調(diào)干擾又分為發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾和接收機(jī)互調(diào)干擾。發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾是多部發(fā)射機(jī)信號(hào)落入另一部發(fā)射機(jī)，并在此末級(jí)功放的非線性作用下相互調(diào)制，產(chǎn)生不需要的組合頻率，對(duì)接收信號(hào)頻率與這些組合頻率相同的接收機(jī)造成的干擾。接收機(jī)互調(diào)干擾是當(dāng)多個(gè)強(qiáng)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，在接收機(jī)前端非線性電路作用下產(chǎn)生互調(diào)頻率，互調(diào)頻率落入接收機(jī)頻帶內(nèi)造成的干擾。

1.3 阻塞干擾

阻塞干擾是指當(dāng)接收微弱的有用信號(hào)時(shí)，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內(nèi)一強(qiáng)干擾信號(hào)的干擾。輕則降低接收靈敏度，重則造成接收機(jī)飽和，通信中斷。阻塞干擾在于鄰近頻率的強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入了接收機(jī)而造成接收機(jī)的信道阻塞。表2為GSM移動(dòng)臺(tái)的阻塞特性。其中，f為信號(hào)接受頻率，fo為f的鄰近頻率。

表2 GSM移動(dòng)臺(tái)的阻塞特性

WCDMA 的阻塞特性參考3GPP TS25.104V 3.8.0，在輸入有用信號(hào)業(yè)務(wù)信道功率為－114 dBm/3.84 MHz時(shí)，頻偏10 MHz，阻塞電平 －51 dBm;頻偏15 MHz，阻塞電平－39 dBm。阻塞干擾指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雜散或互調(diào)干擾指標(biāo)要求。這反過(guò)來(lái)證明，只要雜散影響滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)也就滿足阻塞要求，因此在以后的干擾分析中重點(diǎn)分析雜散和互調(diào)干擾的影響。

2 干擾對(duì)系統(tǒng)的影響

互調(diào)干擾和雜散干擾對(duì)系統(tǒng)的影響主要是造成靈敏度降低。靈敏度是接收機(jī)性能的基本指標(biāo)，規(guī)范了在給定的解調(diào)信息錯(cuò)誤百分比下最小的接收信號(hào)電平。干擾對(duì)系統(tǒng)的影響與系統(tǒng)的特性有關(guān)。信道內(nèi)、信道外和頻帶外等3個(gè)頻率區(qū)域的性能是十分關(guān)鍵的(見(jiàn)圖1)。

圖1 信道內(nèi)、信道外和頻帶外三個(gè)頻率區(qū)域示意圖

(1)信道內(nèi)同頻干擾:凡是無(wú)用信號(hào)的載頻與有用信號(hào)的載頻相同，并對(duì)接收同頻道有用信號(hào)的接收機(jī)造成干擾的都稱為同頻干擾。

(2)信道外鄰頻道干擾:干擾臺(tái)鄰頻道功率落入接收鄰頻道接收機(jī)通帶內(nèi)造成的干擾。

(3)帶外干擾:發(fā)射機(jī)的諧波或雜散輻射在接收有用信號(hào)的通帶內(nèi)造成的干擾。給無(wú)線電頻譜的非本系統(tǒng)用戶(如軍事、公安、航空等)也帶來(lái)了干擾。所有其他的雜散信號(hào)(諧波、寬帶信號(hào)等)都包含在這一項(xiàng)里。

3 靈敏度分析

本文所涉及的無(wú)線通信系統(tǒng)，種類不同，各有特點(diǎn)，抗干擾性能各不相同，以下從靈敏度等指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行分析。

GSM系統(tǒng)均采用0.3 GMSK(高斯最小頻移鍵控)調(diào)制技術(shù)，F(xiàn)DD/TDMA復(fù)用，基站接收靈敏度一般為－106 dBm左右。呼叫質(zhì)量用載波干擾保護(hù)比表示。

同頻干擾保護(hù)比:C/I≥12 dB(不開(kāi)跳頻);C/I≥9B(開(kāi)跳頻)。

鄰頻干擾保護(hù)比:200 kHz鄰頻干擾保護(hù)比，C/I≥ －6 dB。

相對(duì)于GSM系統(tǒng)，CDMA系統(tǒng)的抗干擾性要強(qiáng)一些。CDMA系統(tǒng)是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)。擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測(cè)的辦法來(lái)解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過(guò)窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這樣，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在接收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式。

窄帶信號(hào)通過(guò)采用專門(mén)的代碼擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)，任何出現(xiàn)在信道中的干擾，在接收端都被降低G=Bss/B倍，稱為處理增益。Bss為擴(kuò)頻后的信號(hào)帶寬，B為擴(kuò)頻前信號(hào)帶寬。對(duì)于EIA/TIA—1995－B標(biāo)準(zhǔn)，處理增益為 10 lg(1.23/0.009 6)=21 dB。CDMA信號(hào)在傳輸中要經(jīng)受強(qiáng)干擾，主要是來(lái)自相同小區(qū)其他用戶的干擾和來(lái)自相鄰小區(qū)的干擾?？偢蓴_還包括本底噪聲和其它寄生信號(hào)。當(dāng)信號(hào)被接收時(shí)，相關(guān)器恢復(fù)所需要的信號(hào)，抑制干擾。相關(guān)器使用處理增益把需要的信號(hào)從噪聲中恢復(fù)。CDMA擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)原理框圖如圖2所示。

圖2 CDMA擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)原理框圖

CDMA呼叫質(zhì)量用每比特能量與干擾功率密度比來(lái)表示，要求Ec/Io≥－10 dB系統(tǒng)的接收靈敏度可達(dá)－116 dBm。

4 熱噪聲分析

多種頻段信號(hào)進(jìn)入一套分布系統(tǒng)后，單一系統(tǒng)的雜散信號(hào)和若干系統(tǒng)的互調(diào)信號(hào)將可能干擾另外的通信系統(tǒng)，不僅影響系統(tǒng)通信效果，嚴(yán)重時(shí)將阻塞基站，使受干擾系統(tǒng)癱瘓。

熱噪聲是任何通信系統(tǒng)都會(huì)面臨的噪聲干擾。電路中熱噪聲是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中熟知的干擾源，是由導(dǎo)體中載流子的熱隨機(jī)振動(dòng)引起的，本質(zhì)是“電荷的布朗運(yùn)動(dòng)”。熱噪聲公式:N=kTB，其中k是波爾茲曼常數(shù)，單位:J/K;T是環(huán)境溫度，單位:K;B是測(cè)量系統(tǒng)帶寬，單位:Hz。

由于熱噪聲特性決定其噪聲功率譜密度是一常數(shù)，與頻率無(wú)關(guān)，因此也叫白噪聲。并且，在通信鏈路中噪聲功率和所要求的信號(hào)功率一起線性增加，從而會(huì)降低接收系統(tǒng)的靈敏度。如對(duì)一具有20 dB增益的通信鏈路，噪聲功率同樣會(huì)上升20 dB;如對(duì)一具有20 dB衰減的通信鏈路，噪聲功率會(huì)下降，但不會(huì)低于自然環(huán)境下熱噪聲電平。

N0=kTB=－174 dBm/Hz，將常量代入公式可以簡(jiǎn)化為:

下面給出了各種移動(dòng)通信系統(tǒng)的熱噪聲電平計(jì)算結(jié)果:

(1)GSM系統(tǒng)工作信道帶寬為200 kHz，因此，由式(1)，GSM、DCS 1800系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn1=－121 dBm。

(2)CDMA系統(tǒng)工作信道帶寬為1.23 MHz，因此，由式(1)，CDMA系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn2=－113 dBm。

(3)TD-SCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬為1.28×(1+α)MHz(TD-SCDMA系統(tǒng)一個(gè)頻道的帶寬，α為基帶成型濾波器的滾降系數(shù)，α=0.22)，因此，由式(1)，TD-SCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn3=－112 dBm。

(4)WCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬為 3.84×(1+α)MHz(WCDMA系統(tǒng)一個(gè)頻道的帶寬)，因此，由式(1)，WCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn4=－107 dBm。

5 系統(tǒng)噪聲分析

由于區(qū)間的狹長(zhǎng)和系統(tǒng)信號(hào)的衰減，對(duì)于有些區(qū)間不可避免地需要使用有源中繼設(shè)備作為補(bǔ)充。目前3G、WLAN及2G系統(tǒng)在中繼設(shè)備的選用上是有所區(qū)別的，由此，各系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的機(jī)理也是不同的，分述如下。

5.1 3G、WLAN系統(tǒng)噪聲分析

3G系統(tǒng)主要采用RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)作為區(qū)間的補(bǔ)充方式。RRU采用基帶處理模式，將上下行的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為基帶I/Q兩路信號(hào)，并饋入上下行專用光纖分別傳輸，不會(huì)產(chǎn)生射頻噪聲的積累與疊加。故不會(huì)給系統(tǒng)的鏈路帶來(lái)噪聲的積累。

WLAN系統(tǒng)作用機(jī)理與3G系統(tǒng)相似，故同樣不會(huì)給系統(tǒng)的鏈路帶來(lái)噪聲的積累。

5.2 2G系統(tǒng)噪聲分析

2G系統(tǒng)主要采用光纖直放站作為區(qū)間的補(bǔ)充方式。光纖直放站是將基站的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)后，通過(guò)單獨(dú)的光纖傳輸，在遠(yuǎn)端再將信號(hào)恢復(fù)成無(wú)線信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲。以下對(duì)GSM和CDMA系統(tǒng)分析如下:

(1)直放站的噪聲到達(dá)基站接收機(jī)輸入端的等效熱噪聲電平Nin=kTB+NFrep+Grep－LEDP。其中:NFrep為直放站噪聲系數(shù);Grep為直放站增益;LEDP為有效路徑損耗。

(2)基站接收機(jī)等效熱噪聲電平Nbts=kTB+NFbts。NFbts為基站接收機(jī)噪聲系數(shù)。

(3)基站接收機(jī)等效熱噪聲電平升高ΔNROT=10 lg［(Nbts+Nin)/Nbts］。

圖3 基站的熱噪聲提升與噪聲注入余量的關(guān)系

圖3為基站的熱噪聲提升與噪聲注入余量的關(guān)系圖。從圖3及以上的公式可以看出:基站接收機(jī)輸入端熱噪聲的增加量ΔNROT決定了直放站反向鏈路對(duì)主基站反向鏈路的影響，即Nin值越大，則直放站在主基站接收端引起的噪聲增加量ΔNROT越小，反之則越大。而Nin直接取決于直放站反向鏈路增益Grep，若Grep值越大，則Nin越小，導(dǎo)致ΔNROT增大，使得主基站接收靈敏度降低。若Grep值越小，則Nin越大，此時(shí)ΔNROT增加不大，對(duì)主基站接收靈敏度無(wú)明顯影響，但直放站的覆蓋范圍會(huì)變小。通常當(dāng)Grep比LEDP減NFrep小時(shí)，直放站對(duì)基站的影響比較小，此時(shí)直放站的輸出功率應(yīng)比基站功率低。綜合考慮接收機(jī)接收靈敏度、基站覆蓋范圍和直放站覆蓋范圍這3個(gè)因素，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)調(diào)整直放站反向鏈路增益來(lái)達(dá)到最優(yōu)化的目的。

6 雜散干擾

由于是無(wú)源系統(tǒng)，系統(tǒng)本身不產(chǎn)生任何雜散發(fā)射。作為發(fā)射信號(hào)設(shè)備的基站，其雜散發(fā)射特性應(yīng)滿足國(guó)家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。根據(jù)國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)、信息產(chǎn)業(yè)部的要求和相關(guān)國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)GSM、CDMA、WCDMA系統(tǒng)設(shè)備雜散干擾指標(biāo)要求如表3所示。

表3 設(shè)備雜散干擾指標(biāo)要求

從表3中可以看出，對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備雜散指標(biāo)要求較GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高。

引入眾多的無(wú)線通信系統(tǒng)，必然會(huì)產(chǎn)生信號(hào)相互的干擾。根據(jù)上述分析，CDMA是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)，所以抗干擾能力很強(qiáng)，一般情況GSM系統(tǒng)對(duì)其干擾很小;相反，GSM相比CDMA其抗干擾能力弱。由于CDMA與GSM從頻段分配上更為接近，于是問(wèn)題主要集中在CDMA系統(tǒng)對(duì)GSM系統(tǒng)的干擾上。

GSM 900和CDMA 800的頻段劃分。CDMA的發(fā)射頻段距離GSM的接收頻段最小只有5 MHz的間隔(CDMA 880 MHz，GSM 885 MHz)，在兩系統(tǒng)臨界處CDMA為基站下行發(fā)射，功率較大，GSM為上行接收，CDMA基站發(fā)射通道的帶外雜散信號(hào)很容易落在GSM基站的接收通道內(nèi)。雜散干擾與CDMA系統(tǒng)目前在885 MHz附近的帶外發(fā)射有關(guān)，這是接收方(GSM系統(tǒng))自身無(wú)法克服的，抬高了GSM基站接收噪聲的電平，使系統(tǒng)靈敏度降低，影響GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將導(dǎo)致GSM系統(tǒng)信噪比下降，服務(wù)質(zhì)量惡化甚至阻塞基站。

根據(jù)前面熱噪聲的分析，常溫下(27℃)熱噪聲功率為－174 dBm/Hz，GSM技術(shù)體制下信道寬度(200 kHz)內(nèi)的熱噪聲功率為－121 dBm。假設(shè)基站噪聲系數(shù)為2 dB，可推算基站輸入端固有等效噪聲功率為－119 dBm。為了不對(duì)基站接收靈敏度造成影響，希望基站接收的上行信號(hào)底部噪聲應(yīng)為這個(gè)值的1/10，即≤－129 dBm，相當(dāng)基站接收靈敏度惡化0.4 dB。熱噪聲對(duì)系統(tǒng)的惡化影響主要與使用有源設(shè)備有關(guān)。

即使分布系統(tǒng)全部采用無(wú)源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雜散干擾仍然會(huì)影響整個(gè)通信系統(tǒng)正常工作，因此必須提高分布系統(tǒng)對(duì)引入不同無(wú)線信號(hào)的隔離度指標(biāo)。

7 互調(diào)干擾

電路的非線性特性是造成互調(diào)干擾的根本原因。當(dāng)幾個(gè)不同頻率信號(hào)同時(shí)加入一非線性網(wǎng)絡(luò)，會(huì)產(chǎn)生各種頻率組合成分，若這些組合頻率正好落在某一頻段并為接收機(jī)接收，便造成組合頻率干擾?；フ{(diào)組合將產(chǎn)生很多干擾頻率，根據(jù)互調(diào)干擾產(chǎn)生的機(jī)理，可將影響因素分為3種:存在非線性部件;輸入信號(hào)頻率滿足其組合頻率能落入接收頻段;輸入信號(hào)幅度足夠大就產(chǎn)生幅度較大的干擾成分。后兩種影響因素是由蜂窩基站或引入信源系統(tǒng)具體情況確定的，與分布系統(tǒng)無(wú)關(guān)，因此設(shè)計(jì)的要點(diǎn)就是如何改善和提高系統(tǒng)的線性度，從而改善系統(tǒng)本身的互調(diào)指標(biāo)。另一點(diǎn)就是如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的收發(fā)隔離度，降低互調(diào)信號(hào)進(jìn)入接收通道的強(qiáng)度。

根據(jù)本文介紹的引入信號(hào)種類，分析并列出所有可能的二階和三階組合頻率，其中部分落入接收系統(tǒng)頻段的組合頻率便構(gòu)成組合頻率干擾。更高階數(shù)的組合頻率同樣存在，但由于其功率電平分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二階和三階分量，可忽略不計(jì)。

7.1 二階組合頻率列表分析

二階互調(diào)干擾的結(jié)果主要表現(xiàn)為移動(dòng)通信接收系統(tǒng)將受影響，降低系統(tǒng)接收靈敏度，信噪比下降和服務(wù)質(zhì)量惡化，更加嚴(yán)重的甚至讓接收機(jī)飽和而無(wú)法工作，整個(gè)系統(tǒng)因此癱瘓。二階組合干擾如圖4所示。

圖4 二階組合干擾

圖4中有底色的部分就是能產(chǎn)生干擾的信號(hào)。如果是上、下行分開(kāi)(GSM，CDMA，3G(FDD))的系統(tǒng)，因?yàn)樵黾恿丝臻g的隔離度，所以不會(huì)造成干擾。

7.2 三階組合頻率列表分析

三階組合干擾表如表4所示。三階互調(diào)干擾的結(jié)果主要表現(xiàn)為移動(dòng)通信接收系統(tǒng)將受影響，降低系統(tǒng)接收靈敏度，信噪比下降和服務(wù)質(zhì)量惡化，更加嚴(yán)重的甚至讓接收機(jī)飽和而無(wú)法工作，整個(gè)系統(tǒng)因此癱瘓。

表4 三階組合干擾表

［1］黃標(biāo)，彭木根，王文博.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)干擾共存研究［J］.電信科學(xué)，2004(7):326.

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