【無線射頻通信】-GSM共址時的干擾及其隔離度分析

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----WCDMA/GSM共址時的干擾及其隔離度分析1、引言

隨著我國電信市場的日漸開放，3G牌照發(fā)放的日期也漸漸接近，對GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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、大，在建設(shè)初期為降低運(yùn)營成本，盡快啟動市場，基站在滿意條件的狀況下應(yīng)進(jìn)行共站址建設(shè)。

這樣就必定增加了WCDMA系統(tǒng)與同址或鄰近的GSM系統(tǒng)相互產(chǎn)生干擾的機(jī)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(jī)制、隔離度計(jì)算進(jìn)行剖析，并提出工程上消退干擾的解決方法。

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(jī)智敏度降低、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將導(dǎo)致接收機(jī)智敏度降低，而從同址站接收到的全部載頻的合成造成了IMP干擾，接收機(jī)過載的緣由是接收機(jī)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)干擾和堵塞干擾。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(jì)算相關(guān)的重要射頻器件，有干擾站的放射放大器、放射濾波器、放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)智敏度降低是由于接收機(jī)噪聲基底的增加而造成的。假如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)送濾波器沒有供應(yīng)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(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)兩個基站間的肯定隔離而得到衰減，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-2TOI（2）

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,而依據(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放射功率（dBm）；LR_B為被干擾基站的接收濾波器在干擾基站放射帶寬內(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)干擾肯定時，天線隔離度由下式打算：

EIMP3=CA-LR_B-（IMP3+2TOL）/3（4）

2.3堵塞干擾

當(dāng)較強(qiáng)功率加于接收機(jī)端時，可能導(dǎo)致接收機(jī)過載，使它的增益下降。緣由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。隨著輸入功率的連續(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，其輸出功率低于所估計(jì)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(diǎn)，此時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（5）

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放射帶寬內(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)峻的是雜散干擾，只要雜散干擾能夠避開，堵塞干擾和互調(diào)干擾一般也可以避開。

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需避開或最小化。因此必需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：

（1）被干擾基站從干擾基站接收到的雜散輻射信號強(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（6）

當(dāng)NI=NB-10dB時，由被干擾基站引入的噪聲惡化量為：

（7）

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(qiáng)度應(yīng)比它的接收噪聲底限低10dB。

（2）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，緣由與第一條準(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(jī)的1dB壓縮點(diǎn)低5dB，這主要是由于工程上為了避開放大器工作在非線性區(qū)，常把工作點(diǎn)從1dB壓縮點(diǎn)回退5dB。

假如系統(tǒng)間的隔離度能夠滿意以上準(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)生干擾的最終緣由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1WCDMA主要頻段與移動現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的頻段

從表1可以看到，假如GSM和WCDMA共站建設(shè)，GSM900系統(tǒng)由于離WCDMA頻段較遠(yuǎn)，系統(tǒng)間不存在互調(diào)干擾，只要基站符合R99協(xié)議中對共站時的帶外雜散輻射要求：＜-96dBm/100kHz即可。目前大部分現(xiàn)網(wǎng)中的GSM900基站性能滿意且優(yōu)于R99協(xié)議中的共站要求，對工程中空間隔離的要求特別低，因此本文不再具體論述。

對GSM1800系統(tǒng)來說，其放射頻段距離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基站放射通道的帶外雜散信號很簡單落在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)掩蓋，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。

4.1GSM1800對WCDMA的影響

（1）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)動產(chǎn)生的，計(jì)算公式為：NO=KT。

K是波爾茲曼常數(shù)（等于1.3810-23J/K），T是肯定溫度（為290K），由于J=Ws，1W=1000mW=30dBm，將KT轉(zhuǎn)換成dBm得到：

NO=KT=10log（1.3810-23290）+30dBms=-174dBms

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)范有新舊兩個版本，它們對工作帶外雜散的要求詳細(xì)如表2所示：

表2對工作帶外雜散的要求

依據(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（舊版本）

E雜隔=-80-（-104-10）=34dB（新版本）

（2）互調(diào)干擾

每個接收機(jī)都被設(shè)計(jì)為在特定的帶寬內(nèi)正常工作，假如接收到的信號落入這個帶寬，它的強(qiáng)度會被增加，反之則被衰減，從某種意義上說接收機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)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）堵塞干擾

依據(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的堵塞干擾存在（此時有用信號的功率在-115dBm以上）。假設(shè)GSM1800基站的最大放射功率為43dBm，則WCDMA與GSM1800天線間隔離至少為：

E阻隔=43-16=27dB

4.2WCDMA對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。

依據(jù)3GPPTS25.104V3.10.0規(guī)范，在共址狀況下，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。

依據(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

（2）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。

（3）堵塞干擾

WCDMA系統(tǒng)下行頻段與GSM1800上行頻段相差約幾百兆赫，依據(jù)GSM標(biāo)準(zhǔn)（GSM05.05，Section5.1）可知當(dāng)GSM的帶外堵塞指標(biāo)為3MHz＜|f-f0|時，堵塞干擾應(yīng)小于-13dBm，工程上要求比堵塞門限再小5dB，即-18dBm。假設(shè)WCDMA基站的最大放射功率為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的堵塞干擾，隔離度要求為61dB，工程中只要能滿意最大干擾的隔離要求，其他干擾也能滿意。

我們采納雙斜率傳播模型分析基站天線間的傳播損耗，依據(jù)閱歷公式：

可計(jì)算出兩種狀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)滿意新的技術(shù)規(guī)范要求時，天線的隔離要求比較低，共址比較簡單實(shí)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(shí)現(xiàn)共址必需要采納肯定的方法來降低干擾。

需要指出的是本文只是依據(jù)規(guī)范對接收機(jī)和放射機(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)滿意的要求，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(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中可依據(jù)設(shè)備實(shí)際的性能參數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算。

依據(jù)以上考慮，工程上解決GSM與WCDMA共址時它們之間的干擾主