WCDMA/GSM共址时的干扰及其隔离度分析

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摘要 文章首先分析了WCDMA与GSM系统共站址时的主要干扰类型,给出了各种干扰的数学计算模型,然后详细阐述了WCDMA与GSM系统相互之间的干扰情况,得出了WCDMA与GSM共址时所需的隔离度及天线隔离要求,并给出了工程中的解决方案

1、引言

  随着我国电信市场的日渐开放,3G牌照发放的日期也逐渐临近,对GSM网络运营商而言,WCDMA网络建设是一个系统工程,工程涉及面广、周期长、投资大,在建设初期为降低运营成本,尽快启动市场,基站在满足条件的情况下应进行共站址建设。 这样就必然增加了WCDMA系统与同址或邻近的GSM系统互相产生干扰的机会,WCDMA系统与GSM系统的电磁环境兼容问题将会暴露出来。本文将分别对共站产生干扰的机制、隔离度计算进行剖析,并提出工程上消除干扰的解决方法。

2、主要干扰的数学模型

  对被干扰系统来说有三种性能损失需要考虑:接收机灵敏度降低、IMP干扰(即互调干扰)和接收机过载。从干扰站接收的杂散辐射信号将导致接收机灵敏度降低,而从同址站接收到的所有载频的合成造成了IMP干扰,接收机过载的原因是接收机收到的总信号功率太大。为了将这些性能损失降到最小而不修改现有发送和接收单元,在同站址的GSM系统和WCDMA系统之间需保持适当的隔离。

  这三种性能损失对应的主要干扰分别为杂散干扰、互调干扰和阻塞干扰。下面我们分别阐明这三种干扰的数学模型。两个共址射频站间相互干扰的原理如图1所示:

                                                            图1 两个共址射频站相互干扰的原理框图

  与两个同址站间相互干扰计算相关的重要射频器件,有干扰站的发射放大器、发射滤波器、发射天线和被干扰站的接收滤波器、接收机、接收天线等。这里定义A点到B点的射频电平之差为天线隔离度。

  2.1 杂散干扰

  接收机灵敏度降低是由于接收机噪声基底的增加而造成的。如果干扰基站在被干扰基站接收频段内的杂散辐射很强,并且干扰基站的发送滤波器没有提供足够的带外衰减(滤波器的截止特性不好),将会导致接收机噪声门限的增加。从干扰基站的天线连接处输出的杂散辐射经两个基站间的一定隔离而得到衰减,因此被干扰基站的天线连接处接收到的杂散干扰按以下公式进行计算:

  IB=CTX-E杂隔-10log(WA/WB)  (1)

  其中,IB为被干扰基站天线连接处接收到的干扰电平;CTX为干扰基站天线连接处输出的杂散辐射电平;E杂隔为天线隔离度;WA为干扰电平的可测带宽;WB为被干扰系统的信道带宽。

  2.2 互调干扰

  互调干扰是由于系统的非线性导致多载频的合成产生的互调产物落到相邻WCDMA系统的上行频段,使接收机信噪比下降,主要表现为WCDMA系统信噪比下降和服务质量恶化。由两个相同强度的载波产生的三阶互调干扰可表示如下:

  IMP3(dBm)=3PIN-2×TOI  (2)

  PIN为被干扰基站接收机输入端的干扰载波电平;TOI为接收机输入端定义的三阶截止点(dBm),与接收机本身的特性有关。因此为了尽量减小三阶互调干扰,应降低PIN,而根据式(3):

  PIN=CA-EIMP3-LR_B  (3)

  其中CA为干扰基站天线连接处的最大载波发射功率(dBm);LR_B为被干扰基站的接收滤波器在干扰基站发射带宽内的衰减(dB);EIMP3为天线隔离度(dB)。

  所以当允许的三阶互调干扰一定时,天线隔离度由下式决定:

  EIMP3=CA-LR_B-(IMP3+2×TOL)/3  (4)

  2.3 阻塞干扰

  当较强功率加于接收机端时,可能导致接收机过载,使它的增益下降。原因是放大器有一个线性动态范围,在此范围内,放大器的输出功率随输入功率线性增加,这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大,放大器进入非线性区,其输出功率不再随输入功率的增大而线性增大,也就是说,其输出功率低于所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,此时输入功率定义为输入功率的1dB压缩点。为了防止接收机过载,从干扰基站接收的总的载波功率电平需要低于它的1dB压缩点。天线隔离度方面有以下要求:

  E阻隔=CP_A-LR_B-CP_B  (5)

  CP_A:干扰基站天线连接处的载频总功率(dBm);

  LR_B:被干扰基站的接收滤波器在干扰基站发射带宽内的衰减(dB);

  CP_B:被干扰基站天线连接处接收到的载频总功率(dBm);

  E阻隔:天线隔离度(dB)。

  一般来说,三种干扰中最严重的是杂散干扰,只要杂散干扰能够避免,阻塞干扰和互调干扰一般也可以避免。

3、天线隔离标准

  为保证好的系统性能,上述三种性能下降必须避免或最小化。因此必须保证两个同址基站的天线间有好的隔离度。一般来说工程上对以上三种干扰应遵守以下准则:

  (1)被干扰基站从干扰基站接收到的杂散辐射信号强度应比它的接收噪声底限低10dB。

  假设被干扰基站的接收噪声底限为NB(dBm),干扰基站的杂散辐射在被干扰基站的接收机处引入的噪声功率为NI(dBm),则由被干扰基站自身的噪声和杂散干扰引入的噪声功率累计噪声功率为:

  Ptotal=PB-PI=10NB/10+10NI/10  (6)

  当NI=NB-10dB时,由被干扰基站引入的噪声恶化量为:

 (7)

  这样的噪声恶化量不会对基站带来明显的影响,因此杂散辐射信号强度应比它的接收噪声底限低10dB。

  (2)在被干扰基站生成的三阶互调干扰(IMP3)电平应比接收机噪声限低10dB,原因与第一条准则相同。

  (3)受干扰站从干扰站接收到的总载波功率应比接收机的1dB压缩点低5dB,这主要是因为工程上为了避免放大器工作在非线性区,常把工作点从1dB压缩点回退5dB。

  如果系统间的隔离度能够满足以上准则,受干扰系统的接收机的灵敏度将只下降0.5dB左右,这对于绝大多数通信系统来说都是可以接受的。

4、WCDMA与GSM系统间的干扰与隔离分析

  综上所述,产生干扰的最终原因与共址站之间的天线隔离度有很大关系。为了将性能损失降到最小而不修改现有的发送和接收单元,在共址站间需要保持适当的隔离。

  WCDMA主要频段与移动现有的GSM网络的频段如表1所示:

                                                            表1 WCDMA主要频段与移动现有的GSM网络的频段

  从表1可以看到,如果GSM和WCDMA共站建设,GSM900系统由于离WCDMA频段较远,系统间不存在互调干扰,只要基站符合R99协议中对共站时的带外杂散辐射要求:<-96dBm/100kHz即可。目前大部分现网中的GSM900基站性能满足且优于R99协议中的共站要求,对工程中空间隔离的要求非常低,因此本文不再详细论述。

  对GSM1800系统来说,其发射频段距离WCDMA频段的接收频段间隔较近,两系统临界处WCDMA为上行频率,GSM1800为下行频率,下行功率相对较大,GSM1800基站发射通道的带外杂散信号很容易落在WCDMA基站的接收通道内,会抬高WCDMA基站接收噪声的电平,使WCDMA系统上行链路变差、灵敏度降低,影响网络覆盖,另外,信号过载或互调干扰也会导致系统性能的下降。所以问题主要集中在GSM1800与WCDMA之间的干扰上。

  4.1 GSM1800对WCDMA的影响

  (1)杂散干扰

  WCDMA接收机的噪声基底:

  Nfloor(dBm)=NO(dBm/Hz)+W(dBHz)+NF(dB)

  在上式中:NO:噪声谱密度,是由于电子的热运动产生的,计算公式为:NO=KT。

  K是波尔兹曼常数(等于1.38×10-23J/K),T是绝对温度(为290K),由于J=W×s,1W=1000mW=30dBm,将KT转换成dBm得到:

  NO=KT=10log(1.38×10-23×290)+30dBm×s=-174dBm×s

  W:WCDMA系统的带宽,其值为3.84MHz,即10log(3840kHz)=65.8dBHz。

  NF:WCDMA接收机的噪声系数,用于度量信号通过接收机后,SNR降低的程度。噪声系数属于接收机本身的属性。WCDMA基站接收机的噪声系数为4dB左右。

  因此,WCDMA基站接收机的噪声基底:

  Nfloor(dBm)=-174+65.8+4=-104dBm

  GSM技术规范有新旧两个版本,它们对工作带外杂散的要求具体如表2所示:

                                                             表2 对工作带外杂散的要求


  根据以上天线隔离准则,GSM1800基站与WCDMA基站天线之间的隔离度至少应为:

  E杂隔=-29-(-104-10)=85dB (旧版本)

  E杂隔=-80-(-104-10)=34dB (新版本)

  (2)互调干扰

  每个接收机都被设计为在特定的带宽内正常工作,如果接收到的信号落入这个带宽,它的强度会被增强,反之则被衰减,从某种意义上说接收机相当于一个带通滤波器,它对通带内的信号均有增益,而对带外信号则是高衰减,这种衰减程度取决于接收机的设计和载波与通带的频率差异。有些时候输入载波的频率可能偏离通带几十兆赫,接收机基本上可以将这些信号完全滤除(衰减一般都在60dB以上)。

  GSM1800下行频段中任意两个或三个载波经过非线性后产生的多种IMP3频率也不会落入WCDMA的上行频段(1920MHz~1980MHz)中,并且偏离达几十至几百兆赫,因此GSM1800系统的互调也不会对WCDMA产生干扰。

  (3)阻塞干扰

  根据WCDMA的规范,当与GSM1800系统共址时,在921MHz~960MHz,1805MHz~1880MHz频段内可允许16dBm的阻塞干扰存在(此时有用信号的功率在-115dBm以上)。假设GSM1800基站的最大发射功率为43dBm,则WCDMA与GSM1800天线间隔离至少为:

  E阻隔=43-16=27dB

  4.2 WCDMA对GSM1800的影响

  (1)杂散干扰

  和上节的计算方法一样,N仍为-174dBm,GSM1800系统的带宽W为200kHz,即10log(200kHz)=53dBHz;GSM基站接收机的噪声系数一般取为4dB。

  因此,GSM1800基站接收机的噪声基底为Nfloor(dBm)=-174+53+8=-113dBm。

  根据3GPP TS 25.104 V3.10.0规范,在共址情况下,WCDMA基站在1710MHz~1785MHz频段的杂散不应大于-98dBm/100kHz,其测量带宽为100kHz,换算为GSM系统的带宽即为-98+10log(200k/100k)=-95dBm/200kHz。

  根据以上天线隔离准则,WCDMA基站与GSM1800基站天线之间的隔离度至少应为:

  E阻隔=-95-(-113-10)=28dB

  (2)互调干扰

  同样的,由于WCDMA的下行频段(2110MHz~2170MHz)中任意两个或三个载波经过非线性后产生的多种IMP3频率,如:(2f1-f2)、(2f1+f2)等都不会偏离GSM1800的上行频段(1710MHz~1755MHz),并且偏离达几百兆赫,因此WCDMA系统的互调不会对GSM1800产生干扰。

  (3)阻塞干扰

  WCDMA系统下行频段与GSM1800上行频段相差约几百兆赫,根据GSM标准(GSM 05.05,Section 5.1)可知当GSM的带外阻塞指标为3MHz<|f-f0|时,阻塞干扰应小于-13dBm,工程上要求比阻塞门限再小5dB,即-18dBm。假设WCDMA基站的最大发射功率为43dBm,则不考虑天馈线设备的增益和衰耗时,隔离至少为:

  E阻隔=43+18=61dB。

5、结论

  综上所述,若为旧版本GSM1800系统时,两系统之间最大的干扰为GSM1800对WCDMA的杂散干扰,隔离要求为85dB。若为新版本,最大的干扰则为WCDMA对GSM1800的阻塞干扰,隔离度要求为61dB,工程中只要能满足最大干扰的隔离要求,其他干扰也能满足。

  我们采用双斜率传播模型分析基站天线间的传播损耗,根据经验公式:

  

  可计算出两种情况下所需的最大隔离度和天线隔离距离,如表3所示:

                                                              表3 最大隔离度和天线隔离距离


  此处的水平隔离未考虑干扰站和接收站的天线方向性及增益等因素。

  由表3可知,若GSM系统满足新的技术规范要求时,天线的隔离要求比较低,共址比较容易实现;而当GSM系统为旧版本时,天线的隔离要求较高,要实现共址必须要采用一定的方法来降低干扰。

  需要指出的是本文只是根据规范对接收机和发射机的性能要求而提出的一种计隔离度算方法,这种要求是设备至少应满足的要求,而各个厂家的设备在这些指标上往往优于规范的要求,因此最终的隔离要求要比以上结果小。在实际网络规划中可根据设备实际的性能参数进行详细计算。

  根据以上考虑,工程上解决GSM与WCDMA共址时它们之间的干扰主要有以下几种方法:

  (1)充分利用铁塔平台的隔离和建筑物的隔离,尽量采用垂直隔离。

  (2)适当调整两系统的功率和扇区天线方位间的位置和角度,保证水平背向一定角度来减少天线间的路径增益和增加空间隔离度。

  (3)加装高性能的双工滤波器,改善发射性能,提高带外滤波特性,降低带外杂散信号的强度。带来的影响是增加了0.2dB左右的链路损耗(滤波器插损)。

  (4)共馈缆,GSM基站和WCDMA基站通过双频合路器合路后共馈线到塔顶,再通过双频分路器分路到达各自的天线系统。通过两个合路器叠加增加一定的隔离度,但同时也带来了0.4dB左右的插损。