超导滤波器在TD-SCDMA基站等网络优化中的作用

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0 前言

超导技术被认为是21世纪具有战略意义的高新技术之一,在能源、信息、交通、仪器仪表、国防等方面都有重要应用。目前世界各国均在积极开展超导应用技术的研究。

超导滤波器利用导体在极低温(-200℃左右)时导体电阻近似为零的原理制成带通滤波器,应用于移动通信基站接收机前端,大幅改善移动基站上行链路性能,提高基站接收机灵敏度,降低带内、带外各种干扰,从而改善信号传输质量,扩大上行覆盖面积,提高信号传输速率。

研究超导滤波器在TD-SCDMA基站等网络优化中的作用对我国目前正在积极发展的TD-SCDMA系统和2G系统网络优化具有重要意义。

1 移动通信的上行与下行链路分析

1.1 移动通信主要受限于上行链路

移动通信基站的发射功率远大于手机发射功率,而基站接收机的灵敏度与手机接收机灵敏度相差无几。因此,移动通信主要受限于上行链路,上行覆盖区往往小于下行覆盖区。

此外,随着用户不断增加,移动通信网络势必要增加基站数量。这使得进入基站接收机的干扰和噪声日益增多,加重了上行链路的负担。

1.2 改善上行链路的一般方法

改善上行链路的一般方法是:在基站发射机RF输出端加装腔体滤波器,来抑制基站发射机的杂散辐射。基站接收机采用分集接收方式,并在RF输入端也采用腔体滤波器,以提高接收机灵敏度并抑制各种带外干扰。

然而,由于腔体滤波器的Q值只能达5000左右,通带损耗比较大,阻带抑制度不够,过渡带也不够陡峭。因此,这个方法并不能有效解决上行链路受干扰问题,基站接收机的带内干扰和底噪声仍然比较高,基站容量利用率与接收灵敏度不高。

2 超导滤波器是解决基站干扰最佳方法之一

超导滤波器是利用导体在极低温(约-200℃)时表面电阻近似为零的特性制成的滤波器,其Q值可达10万,高于腔体滤波器的Q值近20倍。因此,超导滤波器具有极小的通带插损(<0.1dB)、极高的阻带抑制(>60dB)和极陡峭的过渡带(-100dB/400KHz)。

配备在超导滤波器之后同样在超低温工作条件下的低噪放(LNA)(增益:12dB),具有极低的噪声系数(<0.5dB)。作为基站接收机的射频前端设备,它可以比较彻底地抑制基站接收机的各种干扰,并且提高接收机的灵敏度,基本能够解决移动通信的上行技术瓶颈问题。此外,超导滤波器安装在基站主接收机和分集接收机上,不影响分集接收机的抗多径衰落功能。

目前,超导滤波器大幅改善移动通信基站利用率的实例已经很多。例如,“STI”公司已在美国大量使用安装超导滤波器的基站(包括CDMA基站和GSM基站),基站运行情况表明超导滤波器起到了优化移动通信网络的效果,比如改善了信号质量,降低掉话率和阻塞率,扩大了CDMA网络容量,使得CDMA手机发射功率下降等。

3 超导滤波器核心技术与器件

美国STI公司是目前世界上唯一拥有全套超导滤波器技术与专利并形成大规模商用产品生产的公司。它拥有两个已经产业化的核心器件:高阶薄膜滤波器和小体积制冷设备。

中国宝力集团于2007年8月收购并控股“STI”公司,并在中国成立合资公司“宝力超导技术有限公司”,把美国STI公司全套专利技术转移到中国,并组建生产基地,以降低生产成本,更好地为中国无线电通信产业服务。

4 我国目前移动通信的状况分析

目前,我国移动通信用户数已经超过5亿。规模较大城市的市中心区域的话务量巨大,基站数量也随之猛增。基站小区分裂后,有的基站间距仅有500m。由此可见,在大城市中心区,移动通信网络面临容量不足的问题。增加基站增加容量,但基站过于密集则会产生多种干扰使基站容量下降。

4.1 基站间的干扰分析

移动通信基站之间的干扰大多是由于不同网络上行与下行的频段间隔较小、下行3阶互调或5阶互调造成的。大致有下列四种。

(1)CDMA下行对移动GSM上行干扰。

我国CDMA的下行频段为870MHz~880MHz,移动GSM上行频段现已扩展到885MHz~909MHz,两者间隔仅5MHz。CDMA下行链路的3阶互调分量880MHz~890MHz、5阶互调分量890MHz~900MHz以及7阶互调分量900MHz~910MHz均可进入GSM上行,形成干扰。这种现象在CDMA基站和GSM基站位置比较靠近时,格外严重。

(2)3G(TDD主) 1880MHz~1920MHz下行对3G(FDD主)1920MHz~1980MHz上行干扰。

当启用3G(TDD)1880MHz~1920MHz时,它下行的互调分量必将干扰相邻的、没有频率间隔的3G(FDD主)上行1920MHz~1980MHz。

(3)3G(FDD补)下行(1850MHz~1880MHz)与3G(TDD主)(1880~1920MHz)为相邻关系,容易产生互调干扰。

(4)3G(TDD补)(2300MHz~2400MHz)和WLAN(2400MHz~2483.5MHz)也为相邻关系, 容易产生互调干扰。

4.2 上行底噪声随基站数增加而升高

由于各移动通信网基站接收机的射频输入端RF滤波器的阻带抑制度不够高,过渡带不够陡,其他网络基站的下行强信号难免会通过RF滤波器进入本网基站的低噪放(LNA)。LNA为有源放大器,存在非线性特征。因此,LNA难免会产生各阶互调分量,其中有的互调分量处于本网基站的通带之中,造成干扰使底噪声抬高。虽然LNA产生的互调有大有小,邻近基站下行的互调比较大,远处的高阶互调比较小,但基站密集区的干扰将积累成巨大的能量,使信号载噪比下降,从而使信号的传输质量下降。由此可以推测,随着3G基站的大量建设,3G与2G网络形成的底噪声将进一步抬高。

4.3 CDMA网络基站应用超导滤波器优化效果明显

中国联通CDMA上行频率为825MHz~835MHz,在该频段附近没有比较强的其他各网基站的下行信号,但是仍然遇到了互调干扰和底噪声增加的问题。根据美国STI公司在两年前曾在我国5个城市(北京、深圳、秦皇岛、惠州和阳江)所做的CDMA超导滤波器的试验,在CDMA基站接收机前端用超导滤波器之后与用原基站的RF滤波器进行对比,CDMA的平均话务量增加20%,掉话率下降60%,接通率升高55%,手机发射功率下降3dB~8dB,在秦皇岛和阳江海面覆盖距离增加40km~60km。这些实测的对比数据表明,我国移动通信网络基站底噪声普遍升高的现实,以及超导滤波器可以明显改善信号质量。

美国STI公司目前已在美国的CDMA网和GSM网上应用超导滤波器将近7000台,均起到了优化网络的效果。我国3G网络即将开始大规模建设,为了保证和提高TD-SCDMA上行链路的性能,应该考虑采用超导滤波器,以确保3G移动通信网络在线取得成功。

5 TD-SCDMA网络基站适宜加载超导滤波器

5.1 加载超导滤波器将极大地改善基站性能

当大量建设TD-SCDMA基站时,由于TD-SCDMA采用结构较为复杂的智能天线,其非线性将超过其他FDD制式的普通基站的天线,也就是说TD-SCDMA将受电磁环境影响的底噪声增加量可能会高于FDD制式基站的底噪声增加量。因此,TD-SCDMA基站如果采用超导滤波器进行网络优化,在改善传输信号质量、掉话率、接通率、通信容量等诸多方面将产生更加明显的效果。

5.1 适用超导滤波器的场合

(1) 基站远距离覆盖区域

因为超导滤波器可以提高基站接收机的灵敏度,加装超导滤波器可以明显改善超远基站站距上行链路性能,减少同一覆盖区域内的基站数量。

(2) 基站近距离覆盖区域

此种情况下,只能利用超导滤波器的频率选择性能,克服干扰,降低基站底噪声,改善传输信号的质量。

(3) 邻近频段基站覆盖区域

目前,我国存在频段间隔较小的不同制式的移动通信网络,而超导滤波器是有效抑制某基站下行对其他基站上行干扰的方法。

5.2 提高无线电频谱资源有效利用率

近年来,我国移动通信网络的基站迅猛增多,使得无线电干扰与电磁环境的日益恶化,降低了已经甚为紧缺的无线电频谱有效利用率。在这种情况下,无线电管理部门可以选择采用如超导滤波器等新技术来净化电磁环境,提高频谱利用率。

6 结束语

超导滤波器利用了导体在超低温时导体表面电阻近似为零的特性,使多级滤波器具有了极高的Q值,从而拥有极小的带内损耗、非常高的带外抑制和非常陡峭的过渡带特性。它可以用在任何制式的无线接收机内,可以较大地改善移动通信网络上行链路的特性:提高可用灵敏度、选择性等。其优异的抗干扰特性可消除远离接收频带的各种干扰,也能解决接收频带附近的强信号使接收机发生互调干扰的问题,还可以使基站接收机底噪声下降。

我国移动通信即将进入3G时代,而3G网络对射频系统提出了更高的要求。随着超导滤波器国产化进一步加深,其成本将进一步降低,相信超导滤波器必将为3G通信网络的发展作出贡献。



来源:中国无线电