WCDMA/GSM共址時(shí)的干擾及其隔離度分析
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1、引言
隨著我國(guó)電信市場(chǎng)的日漸開放，3G牌照發(fā)放的日期也逐漸臨近，對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商而言，WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，工程涉及面廣、周期長(zhǎng)、投資大，在建設(shè)初期為降低運(yùn)營(yíng)成本，盡快啟動(dòng)市場(chǎng)，基站在滿足條件的情況下應(yīng)進(jìn)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(jī)會(huì)，WCDMA系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)的電磁環(huán)境兼容問題將會(huì)暴露出來。本文將分別對(duì)共站產(chǎn)生干擾的機(jī)制、隔離度計(jì)算進(jìn)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(duì)被干擾系統(tǒng)來說有三種性能損失需要考慮：接收機(jī)靈敏度降低、IMP干擾（即互調(diào)干擾）和接收機(jī)過載。從干擾站接收的雜散輻射信號(hào)將導(dǎo)致接收機(jī)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(jī)過載的原因是接收機(jī)收到的總信號(hào)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(duì)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(gè)共址射頻站間相互干擾的原理如圖1所示：
圖1 兩個(gè)共址射頻站相互干擾的原理框圖
與兩個(gè)同址站間相互干擾計(jì)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(jī)、接收天線等。這里定義A點(diǎn)到B點(diǎn)的射頻電平之差為天線隔離度。
2.1 雜散干擾
接收機(jī)靈敏度降低是由于接收機(jī)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(qiáng)，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(huì)導(dǎo)致接收機(jī)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(gè)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(jìn)行計(jì)算：
IB=CTX-E雜隔-10log（WA/WB） （1）
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(cè)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(jī)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(gè)相同強(qiáng)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(jī)輸入端的干擾載波電平；TOI為接收機(jī)輸入端定義的三階截止點(diǎn)（dBm），與接收機(jī)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 （3）
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(shí)，天線隔離度由下式?jīng)Q定：
EIMP3=CA-LR_B-（IMP3+2×TOL）/3 （4）
2.3 阻塞干擾
當(dāng)較強(qiáng)功率加于接收機(jī)端時(shí)，可能導(dǎo)致接收機(jī)過載，使它的增益下降。原因是放大器有一個(gè)線性動(dòng)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(gè)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(jìn)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(jì)的值。通常把增益下降到比線性增益低1dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，此時(shí)輸入功率定義為輸入功率的1dB壓縮點(diǎn)。為了防止接收機(jī)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(diǎn)。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(gè)同址基站的天線間有好的隔離度。一般來說工程上對(duì)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(hào)強(qiáng)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(jī)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(jì)噪聲功率為：
Ptotal=PB-PI=10NB/10+10NI/10 ?。?）
當(dāng)NI=NB-10dB時(shí)，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(huì)對(duì)基站帶來明顯的影響，因此雜散輻射信號(hào)強(qiáng)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(jī)噪聲限低10dB，原因與第一條準(zhǔn)則相同。
?。?）受干擾站從干擾站接收到的總載波功率應(yīng)比接收機(jī)的1dB壓縮點(diǎn)低5dB，這主要是因?yàn)楣こ躺蠟榱吮苊夥糯笃鞴ぷ髟诜蔷€性區(qū)，常把工作點(diǎn)從1dB壓縮點(diǎn)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(jī)的靈敏度將只下降0.5dB左右，這對(duì)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(dòng)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(dòng)現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的頻段
對(duì)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(duì)較大，GSM1800基站發(fā)射通道的帶外雜散信號(hào)很容易落在WCDMA基站的接收通道內(nèi)，會(huì)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(hào)過載或互調(diào)干擾也會(huì)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(duì)WCDMA的影響
?。?）雜散干擾
WCDMA接收機(jī)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，計(jì)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(duì)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(jī)的噪聲系數(shù)，用于度量信號(hào)通過接收機(jī)后，SNR降低的程度。噪聲系數(shù)屬于接收機(jī)本身的屬性。WCDMA基站接收機(jī)的噪聲系數(shù)為4dB左右。
因此，WCDMA基站接收機(jī)的噪聲基底：
Nfloor（dBm）=-174+65.8+4=-104dBm
GSM技術(shù)規(guī)范有新舊兩個(gè)版本，它們對(duì)工作帶外雜散的要求具體如表2所示：
表2 對(duì)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(gè)接收機(jī)都被設(shè)計(jì)為在特定的帶寬內(nèi)正常工作，如果接收到的信號(hào)落入這個(gè)帶寬，它的強(qiáng)度會(huì)被增強(qiáng)，反之則被衰減，從某種意義上說接收機(jī)相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，它對(duì)通帶內(nèi)的信號(hào)均有增益，而對(duì)帶外信號(hào)則是高衰減，這種衰減程度取決于接收機(jī)的設(shè)計(jì)和載波與通帶的頻率差異。有些時(shí)候輸入載波的頻率可能偏離通帶幾十兆赫，接收機(jī)基本上可以將這些信號(hào)完全濾除（衰減一般都在60dB以上）。
GSM1800下行頻段中任意兩個(gè)或三個(gè)載波經(jīng)過非線性后產(chǎn)生的多種IMP3頻率也不會(huì)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(huì)對(duì)WCDMA產(chǎn)生干擾。
?。?）阻塞干擾
根據(jù)WCDMA的規(guī)范，當(dāng)與GSM1800系統(tǒng)共址時(shí)，在921MHz～960MHz，1805MHz～1880MHz頻段內(nèi)可允許16dBm的阻塞干擾存在（此時(shí)有用信號(hào)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(duì)GSM1800的影響
（1）雜散干擾
和上節(jié)的計(jì)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(jī)的噪聲系數(shù)一般取為4dB。
因此，GSM1800基站接收機(jī)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(cè)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(gè)或三個(gè)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(huì)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(huì)對(duì)GSM1800產(chǎn)生干擾。
（3）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(shí)，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(shí)，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(shí)，兩系統(tǒng)之間最大的干擾為GSM1800對(duì)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(duì)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(yàn)公式：
可計(jì)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(shí)，天線的隔離要求比較低，共址比較容易實(shí)現(xiàn)；而當(dāng)GSM系統(tǒng)為舊版本時(shí)，天線的隔離要求較高，要實(shí)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(duì)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的性能要求而提出的一種計(jì)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(gè)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中可根據(jù)設(shè)備實(shí)際的性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。
根據(jù)以上考慮，工程上解決GSM與WCDMA共址時(shí)它們之間的干擾主要有以下幾種方法：
?。?）充分利用鐵塔平臺(tái)的隔離和建筑物的隔離，盡量采用垂直隔離。
?。?）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。
?。?）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(hào)的強(qiáng)度。帶來的影響是增加了0.2dB左右的鏈路損耗（濾波器插損）。
（4）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(gè)合路器疊加增加一定的隔離度，但同時(shí)也帶來了0.4dB左右的插損。
評(píng)論