3G時代軌道交通移動通信系統共址干擾分析

張雙健 鄭燕燕

(1.上海申通地鐵資產經營管理有限公司,200233,上海;2.上海申通軌道交通研究所,201103,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

目前我國各運營商的3G牌照均已正式發放。在3G正式商用時,GSM(全球移動通信)、碼分多址通信(CDMA)、WCDMA(寬帶碼分多址)和 TDSCDMA(時分同步碼分多址)等系統已發展到一定階段,而在我國3G中又有三種標準共存。上海軌道交通民用通信系統的移動通信引入系統包含了GSM、CDMA、無線局域網(WLAN)與所有3G系統,在站廳、站臺和隧道區間共用一個分布系統的POI(多系統接入平臺)、天線和漏纜,因此系統間的干擾必須嚴格加以控制。本文將分別對多系統共站、共纜產生干擾的機制、隔離度計算進行剖析,并提出工程上消除對關鍵器件干擾的指標要求。

1 多系統共用地鐵分布式系統的干擾

各系統的有源設備在發射有用信號的同時,在其工作頻帶外還會產生雜散、諧波、互調等無用信號。這些信號落到其他系統的工作頻帶內,就會對其他系統形成干擾。干擾會導致通信質量下降、系統容量受限,因此必須采取有效的抗干擾措施。在對地鐵共用集約化分布式系統所帶來的頻譜間干擾進行分析時,需根據各系統之間的頻率關系以及發射、接收特性具體研究。

1.1 干擾分類

系統間的干擾主要分為以下三類:

(1)雜散干擾,是一個系統的發射頻段外的雜散發射落入到了另一個系統的工作頻段中而可能造成的干擾。雜散干擾對系統最直接的一個影響就是降低了系統的接收靈敏度。

(2)互調干擾,集中在各系統的下行輸出,是進行合路時的互調產物,主要表現為三階互調干擾。如果互調產物落在其中某一個系統的上行接收頻段內,將對該系統基站的接收靈敏度造成一定的影響。

(3)阻塞干擾,就是其它系統的下行信號功率較強,雖在系統的頻帶外,但降低了接收機的靈敏度。當較強功率加于接收機時可能導致接收機過載,使它的增益下降或者被抑制。

1.2 干擾源分類

對于一個多系統和共用分布系統而言,干擾源可分為:

(1)外部干擾源。采用POI合路的地鐵分布系統主要采用饋線、光纖進行射頻信號的傳輸,饋線和光纖的屏蔽性能極好,因此主要外部干擾源只能通過終端天線和泄漏電纜進入采用POI合路的分布系統。

(2)內部干擾源。這種干擾源主要來自于采用POI合路的分布系統的所有有源器件和無源器件。有源器件產生的干擾信號主要是互調產物和雜散產物;無源器件如天線、饋線、功分器、耦合器、合路器等,由于其機械連接的不可靠,或使用具有磁滯特性的材料、污損的接觸面等原因,不同頻率的信號在不同材料連接處非線性混頻,產生不同幅度的互調產物。

2 我國目前的移動通信系統

2.1 移動通信系統頻譜劃分

根據信息產業部相關頻率規劃的規定,目前我國移動通信系統頻譜劃分如表1所示。

表1 移動通信系統頻譜劃分

2.2 多系統共用地鐵無線分布式系統的組網方式

針對我國目前通信運營商的網絡狀況,GSM 900、CDMA 800、TD-SCDMA 、WCDMA 、CDMA 2000和WLAN在未來幾年內將并存,從而避免重復投資,為運營商節約建設資金和后期維護管理費用。地鐵通常采用的組網方式如圖1所示。

2.3 各系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級

各系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級計算如下:

式中:

K——波爾茲曼常數,K=1.38×10-23;

T——絕對溫度,常溫下取值為 T=290 K;

B——信號帶寬,Hz。

將常量代入,公式可簡化為:

圖1 地鐵組網方式圖

由式(2)可得:

(1)GSM 900系統工作信道帶寬為200 kHz,其系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級 Pn2=Pn3=-121 dB(m)。

(2)CDMA系統工作信道帶寬為1.23 MHz,其系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級 Pn4=-113 dB(m)。

(3)PHS系統工作信道帶寬為300 kHz,其系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級Pn5=-119 dB(m)。

(4)WCDMA系統工作信道帶寬為3.84 MHz,其系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級Pn6=-108 dB(m)。

(5)TD-SCDMA系統工作信道帶寬為1.28 MHz,其系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級Pn7=-113 dB(m)。

(6)WLAN系統工作信道帶寬為22 MHz,其系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率級Pn8=-101 dB(m)。

3 雜散干擾分析

3.1 無源分布系統的雜散隔離度計算

3.1.1 各種基站的雜散指標

各種基站的雜散指標如表2～8所示。

表2 GSM/DCS蜂窩發信機雜散指標

3.1.2 雜散隔離度計算

發射機輸出的信號通常為大功率信號,在產生大功率信號的過程中會在發射信號的頻帶之外產生較高的雜散,且這些雜散分布在非常寬的頻率范圍內。如果雜散落入某個系統接收頻段內的幅度較高,受害系統的前端濾波器將無法有效濾出,從而導致接收系統的輸入信噪比降低,通信質量惡化。

表3 CDMA800蜂窩發信機雜散指標

表4 WCDMA蜂窩發信機雜散指標

表5 TD-SCDMA蜂窩發信機雜散指標

表6 特殊頻段TD-SCDMA的雜散輻射要求

表7 CDMA 2000EV-DO(下行工作于2 110 MHz～2 170 MHz)蜂窩發信機雜散指標

表8 WLAN AP雜散指標

通常認為,干擾基站落入受害系統的干擾低于受害系統內部的熱噪聲6.9 dB以下(此時受害系統的靈敏度惡化不到0.8 dB)時,干擾可以忽略。這樣,對應雜散所需要的隔離度為:

式中:

LM C——隔離度;

Pspu——干擾基站的雜散輻射電平,dB(m);

WInterfering——干擾電平的測量帶寬,kHz;

WAffected——被干擾系統的信道帶寬,kHz;

Pn——被干擾系統接收帶內熱噪聲,dB(m);

Nf——接收機的噪聲系數,基站的接收機噪聲系數一般不會超過5 dB。

式(3)中的 Pspu-10log(WInterfering/WAffected)即為干擾基站在被干擾系統信道帶寬內的雜散輻射電平。

根據式(3)可算出 CDMA 800、GSM 900、CDMA 2000、WCDMA、WLAN等作為干擾系統的雜散隔離度(見表9)。

另外,隔離度要求過大的系統合路時,可考慮在干擾系統發射機后增加一級濾波器來降低干擾系統的雜散輸出,再與其他系統合路。

3.2 有源分布系統的雜散隔離度計算

軌道交通的分布系統原則上不采用直放站,高頻段的3G系統目前運營商要求采用RRU(射頻拉遠單元)的方式進行補充覆蓋,所以可認為屬于準無源分布系統,一般不必進行雜散隔離度計算。

4 互調干擾分析

互調干擾產生于器件的非線性度。在合路系統里,主要關注無源器件的互調干擾,即合路器產生的互調干擾。

無源器件的互調干擾是射頻電流流經不同金屬器件的接觸點,特別是壓力接觸點(如兩金屬器件靠螺絲固定)而產生。

表9 無源分布系統隔離度匯總表dB

合路器的互調抑制比一般為120 dB(c)。互調抑制比是指兩個功率相等、適當類型的調制信號進入合路器輸入端,由合路器的非線性引起的互調信號電平,其中一個信號電平與互調產生的信號電平之比。

多系統合路較突出的互調產物主要為二階互調產物(FIM2)和三階互調產物(FIM3),其中二階和三階互調產物的計算公式為:

4.1 可能的二階互調干擾組

通過列出二階互調的表格分析,以軌道交通現有的系統合路時,受二階互調產物干擾影響的系統有GSM 900、DCS 1800和 PHS。后2個系統在上海軌道交通內不使用。

4.2 可能的三階互調干擾組

通過列出三階互調的表格分析,以軌道交通現有的系統合路時,三階互調產物對參與合路的各系統都產生了干擾影響,所以有必要在上海軌道交通采用無三階互調頻率組。

4.3 互調隔離度計算

互調隔離度計算式為:

LMC=max(P1,P2,P3)+合路器互調指標-

式中:

LM C——隔離度;

Pn——被干擾系統的接收帶內熱噪聲,dB(m);

Nf——接收機的噪聲系數,基站的接收機噪聲系數一般不超過5 dB;

P1——干擾系統1的信號電平,dB(m);

P2——干擾系統2的信號電平,dB(m);

P3——干擾系統3的信號電平,dB(m)。

式中合路器的互調指標取-140 dB(c)。

這里,互調要求的隔離度是按最大的干擾信號進行計算的,實際的互調信號電平都不大于這個值。

減少互調干擾可采取以下措施:

①合理的頻率分配方案,采用無互調的信道組;

②合理調整干擾系統發射機的輸出信號功率;

③增加干擾系統發射機和被干擾系統接收機之間的隔離度,采用收發分開的天饋系統,通過信號的空中鏈路衰減增加隔離度。

互調隔離度計算表格以及產生干擾的頻率的組合可通過運營間的協調被排除在外。

5 阻塞干擾分析

當一個較大干擾信號進入接收機前端的低噪放時,由于低噪放的放大倍數是根據放大微弱信號所需要的整機增益來設定的,強干擾信號電平在超出放大器的輸入動態范圍后可能會將放大器推入到非線性區,導致放大器對有用的微弱信號的放大倍數降低,甚至完全抑制,從而嚴重影響接收機對弱信號的放大能力,影響系統的正常工作。

在地鐵多系統合路的POI設計時,只要保證到達接收機輸入端的強干擾信號功率不超過系統指標要求的阻塞電平,系統就可以正常工作。

設接收機的阻塞電平指標為Pb,干擾發射機的輸出功率為Po,當Pb≥Po-LMC時,強干擾信號就不會阻塞接收機。此時需要的系統隔離度為:

通常,把增益下降到比線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點。為了防止接收機過載,從干擾基站接收到的總載波功率電平需要低于它的1 dB壓縮點。

5.1 阻塞干擾指標

(1)GSM系統對于阻塞干擾的要求:根據3GPP相關標準,GSM系統對于阻塞干擾的要求如表10所示。

表10 GSM的阻塞干擾指數

(2)CDMA系統對于阻塞干擾的要求:在TIA/EIA-97-D《CDMA基站子系統最低性能標準》中,沒有對2G頻帶左右的帶外阻塞指標做規定,因此按照阻塞干擾公式來計算阻塞干擾所需要的隔離度。其中CDMA基站的接收濾波器對其他信號的衰減,一般在60 dB以上。CDMA系統接收機1 dB壓縮點一般為-18 dB(m)。根據以上隔離度準則,CDMA基站RX接收到的載頻總功率應比1 dB壓縮點低5 dB,即CAFF_RX=-23 dB(m)。則Eoverload=Ctotal_interfering-37,37既為CDMA系統的阻塞干擾電平。

(3)WCDMA系統對于阻塞干擾的要求:如表11所示。

表11 WCDMA的阻塞干擾指數

(4)TD-SCDMA系統對于阻塞干擾的要求:如表12所示。

表12 TD-SCDMA的阻塞干擾指數

(5)WLAN系統對于阻塞干擾的要求:干擾信號如果沒有落在正在使用的WLAN載波的鄰道中,則它對WLAN接收機的影響可以不考慮;如果落在正在使用的WLAN載波的鄰道中,則干擾信號功率級應比WLAN的發射功率級小16 dB以上。

5.2 阻塞隔離度計算

在分析阻塞干擾時,主要考慮發射機(包括基站和直放站)發射的信號對接收機的干擾,而發射機產生的雜散信號主要通過落入接收機的工作信道對接收機產生同頻干擾。

由通道隔離度計算方法以及相關標準中涉及的阻塞干擾電平的要求可知,消除阻塞干擾對多頻合路器的通道隔離度要求并不高。如果POI合路器的隔離度不夠,可在干擾系統發射機后或在被干擾系統接收機前加一個濾波器消除阻塞干擾。通常隔離度如能滿足雜散干擾的要求,就一定能滿足阻塞干擾的要求。CDMA 800、GSM 900、WCDMA、TD-SCDMA 、WLAN等系統的阻塞隔離度如表13所示。

表13 各系統阻塞隔離度匯總 dB

6 結語

地鐵在滿足移動運營商要求時,必定會遇到完善現有系統以及規劃滿足將來3G要求的新系統的問題,并考慮所有 3G系統的兼容,甚至是與WLAN的兼容。這不是簡單的覆蓋問題,需要綜合考慮異種系統共存時的互干擾抑制。本文對現存系統相互之間的干擾作了初步的分析和計算。分析表明,現在和將來的各運營商無線系統完全可以在地鐵環境內共用分布系統建設和使用,但必須保證POI和多頻合路器的指標滿足一定的標準。

[1] 900 M Hz TDMA數字蜂窩通信系統設備總技術規范 第二部分基站子系統(BSS)設備技術規范[R].北京:郵電部電信傳輸研究所,1995.

[2] 信息產業部:信部無[2002]65號.關于800 MHz頻段CDM A系統基站和直放機雜散發射限值及與 900 M Hz頻段GSM系統鄰頻共用設臺要求的通知[EB/OL].http:∥www.cnii.com.cn/20020808/ca90221.htm.

[3] YD/T 1029—1999 800 MHz CDMA數字蜂窩移動通信系統設備總技術規范:基站部分[S].

[4] YD/T 1047—2000 800 MHz CDMA數字蜂窩移動通信網設備總測試規范:基站部分[S].

[5] 信息產業部無線電管理委員會:信部無[2002]353號.關于調整2.4 GHz頻段發射功率限值及有關問題的通知[EB/O L].[2009-05-19].http:∥wwb.x lgl.gov.cn/zwgk/tzgg/200706/t20070613_18785.htm.