SCDMA系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)共存干擾研究

摘要　文章采用仿真的方法分析了SCDMA無(wú)線市話網(wǎng)絡(luò)和DCS1800移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)情況下的共存干擾，通過(guò)準(zhǔn)確的研究和分析，給出了解決干擾的建議。

1、引言

　　2002年10月我國(guó)對(duì)3G系統(tǒng)頻率使用進(jìn)行了規(guī)劃，如圖1所示，其中SCDMA系統(tǒng)的工作頻段為1785MHz～1805MHz，GSM1800系統(tǒng)的主要工作頻段為1805MHz～1850MHz。根據(jù)此規(guī)劃方案，SCDMA系統(tǒng)和GSM1800系統(tǒng)可能在多個(gè)頻點(diǎn)處鄰頻共存。由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)濾波器的不完善性，共存的兩個(gè)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相互干擾，造成鏈路質(zhì)量下降和系統(tǒng)容量降低。


圖1　中國(guó)的3G頻譜分配

2、研究?jī)?nèi)容

　　SCDMA和GSM1800系統(tǒng)共存時(shí)，可能存在的干擾情況為GSM1800下行鏈路和SCDMA上/下行鏈路之間的干擾。同時(shí)考慮到實(shí)際系統(tǒng)采用全向和三扇區(qū)定向天線結(jié)構(gòu)，這里對(duì)以下場(chǎng)景進(jìn)行研究：

　　全向結(jié)構(gòu)宏小區(qū)：GSM1800基站對(duì)SCDMA基站的干擾；

　　全向結(jié)構(gòu)宏小區(qū)：SCDMA基站對(duì)GSM1800移動(dòng)臺(tái)的干擾；

　　三扇區(qū)結(jié)構(gòu)宏小區(qū)：GSM1800基站對(duì)SCDMA基站的干擾；

　　三扇區(qū)結(jié)構(gòu)宏小區(qū)：SCDMA基站對(duì)GSM1800移動(dòng)臺(tái)的干擾。

3、頻率干擾原理

　　干擾產(chǎn)生的原因是多種多樣的。原有的專用無(wú)線電系統(tǒng)占用現(xiàn)有頻率資源、網(wǎng)絡(luò)配置不同、發(fā)信機(jī)自身設(shè)置問(wèn)題、小區(qū)重疊、環(huán)境、電磁兼容（EMI）以及有意干擾，都是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)射頻干擾產(chǎn)生的原因。而移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾主要有同頻干擾、鄰頻干擾、帶外干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾。

　　工作于不同頻率的系統(tǒng)間的共存干擾，主要是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能不完善產(chǎn)生的。在發(fā)射機(jī)方面，如果頻率穩(wěn)度太差或調(diào)制度過(guò)大，都會(huì)使發(fā)射頻譜過(guò)寬，對(duì)他臺(tái)造成鄰頻干擾。若不嚴(yán)格控制影響發(fā)射機(jī)帶寬的因素，很容易產(chǎn)生不必要的帶外輻射。在接收機(jī)方面，當(dāng)中頻濾波器選擇性不良時(shí)，便容易形成干擾或使干擾變得嚴(yán)重。在接收機(jī)射頻通帶內(nèi)或通帶附近的信號(hào)，經(jīng)變頻后落入中頻通帶內(nèi)會(huì)造成鄰頻干擾；弱有用信號(hào)和強(qiáng)干擾信號(hào)可使接收機(jī)出現(xiàn)阻塞干擾，使接收機(jī)信噪比下降，靈敏度降低。

　　共存系統(tǒng)的干擾可以用鄰道干擾比ACIR來(lái)衡量：


　　　 （1）

　　其中，鄰道泄漏比ACLR是指鄰道發(fā)射信號(hào)落入到接收機(jī)通帶內(nèi)的能力，定義為發(fā)射功率與相鄰信道上的測(cè)得功率之比。鄰道選擇性ACS是指在相鄰信道信號(hào)存在的情況下，接收機(jī)在其指定信道頻率上接收有用信號(hào)的能力，定義為接收機(jī)濾波器在指定信道頻率上的衰減與在相鄰信道頻率上的衰減的比值。由此可見(jiàn)，提高鄰頻共存系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，抑制共存干擾，需要從改善射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射性能和射頻接收機(jī)的接收性能兩個(gè)方面考慮，降低干擾系統(tǒng)的鄰道泄漏功率和提高接收機(jī)對(duì)鄰道干擾的抑制能力。

4、干擾分析

　　4.1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)

　�。�1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　◆非扇區(qū)化天線，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示：SCDMA系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇楹攴涓C，采用Wrap Round技術(shù)，考慮小區(qū)周圍兩層共19個(gè)小區(qū)的干擾，小區(qū)半徑為577m，兩個(gè)系統(tǒng)的距離分別為0、1/2R、R三種情況，SCDMA系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)均采用4/12頻率復(fù)用方式。


圖2　非扇區(qū)化天線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖


圖3　扇區(qū)化天線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　◆扇區(qū)化天線，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示：SCDMA系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇楹攴涓C，每個(gè)小區(qū)采用3扇區(qū)，扇區(qū)半徑為577m，小區(qū)半徑為1000m。計(jì)算一個(gè)扇區(qū)用戶鏈路的干擾時(shí)，需要考慮至少23個(gè)扇區(qū)的影響。為了用有限的蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋全平面，消除邊界效應(yīng)，采用了Wrap Around技術(shù)，使用4/12頻率復(fù)用方式。

　�。�2）頻率復(fù)用

　　系統(tǒng)使用的是4/12頻率復(fù)用方式，將48個(gè)扇區(qū)分成4個(gè)平行四邊形的簇，每個(gè)簇含有12個(gè)扇區(qū)，這12個(gè)扇區(qū)使用不同的頻點(diǎn)，不同簇中位于平行四邊形相同位置的扇區(qū)為同頻扇區(qū)。圖4是頻率復(fù)用的示意圖：


圖4　頻率復(fù)用示意圖

　�。�3）SCDMA仿真參數(shù)

　　SCDMA的仿真參數(shù)如表1所示。

表1　SCDMA仿真參數(shù)


　�。�4）GSM1800仿真參數(shù)

　　GSM1800的仿真參數(shù)如表2所示。

表2　GSM1800仿真參數(shù)


　　4.2　干擾的計(jì)算方法

　�。�1）接收信號(hào)功率的計(jì)算

　　對(duì)某一用戶而言，其接收到的有用信號(hào)和干擾信號(hào)的計(jì)算方法均使用如下的公式：


　　　（2）

　　其中，Rx是接收信號(hào)功率，Tx是發(fā)送信號(hào)功率，pathloss是路徑損耗，G_Tx是發(fā)送天線增益，G_Rx是接收天線增益，MCL是最小耦合損耗。

　　（2）信噪比的計(jì)算

　　◆上行

　　對(duì)某一用戶信號(hào)而言，其它用戶的信號(hào)之和為對(duì)該用戶的干擾。上行信噪比計(jì)算公式為：

　　SIRUL=�。�3）

　　其中，S是接收到的信號(hào)，Gp是處理增益，IOWN是來(lái)自同一基站下的所有其它用戶的干擾，IOTHER是來(lái)自其它小區(qū)的干擾（在多運(yùn)營(yíng)商情況下，IOTHER也包括來(lái)自鄰近運(yùn)營(yíng)商降低ACIR的干擾），No是熱噪聲，b是由于使用多用戶檢測(cè)（MUD）技術(shù)等引起的干擾降低因子。如果MUD不包括在仿真中，則β=0；否則，0＜β＜1。

　　◆下行

　　下行信噪比計(jì)算公式為：

　　SIRDL=�。�4）

　　其中，S是接收到的信號(hào)，Gp是處理增益，IOWN是來(lái)自同一基站下的所有其它用戶的干擾，IOTHER是來(lái)自其它小區(qū)的干擾（在多運(yùn)營(yíng)商情況下，IOTHER也包括來(lái)自鄰近運(yùn)營(yíng)商降低ACIR的干擾），No是熱噪聲，α是正交因子。正交因子α考慮了由于多徑傳播而引起的下行不能完全正交的情況，交因子為0對(duì)應(yīng)于小區(qū)內(nèi)用戶完全正交的情況，正交因子為1表示小區(qū)內(nèi)干擾與小區(qū)間干擾具有相同的影響。

　　4.3　傳播模型

　　宏小區(qū)通常采用典型的六邊形小區(qū)模型。

　�。�1）UE-BS之間

　　宏小區(qū)采用UMTS 30.03中車載環(huán)境模型。R是間隔距離（km），基站天線高度Dhb=15m。載波頻率f=1805MHz，1850MHz。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落10dB。

　　Pathloss=40*（1-4×10-3*Dhb）lg（R）-18lg（Dhb）+21*lg（f）+80+LogF　（5）

　�。�2）BS-BS之間

　　雙折線模型。其中，天線高度30m，建筑物平均高度24m，第一菲涅爾半徑為921.6m。距離R小于第一菲涅爾半徑時(shí)，使用自由空間模型：

　　Pathloss=38.11+20*log10（R）

　　超過(guò)第一菲涅爾半徑后，斜率變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，存在10dB的對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落：

　　Pathloss=38.11+40*log10（R）-20*log10（921.6）+10

　�。�3）UE-UE之間

　　距離小于50m，采用自由空間損耗模型，不存在陰影衰落：

　　Pathloss=38.11+20*log10（R）

　　距離大于50m，采用Xia.h公式（適用于所有天線高度），其中，△hm=10.5m，x=15m，d=80m，△hb=-10.5m，對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落12dB。

　　Pathloss=55.78+40*log10（R）+12

　　4.4　功率控制過(guò)程

　　SCDMA和GSM系統(tǒng)均需要考慮慢速功率控制余量，功率控制以增加了余量的信噪比為目標(biāo)，上行鏈路的功率控制目標(biāo)為Eb/No=（8+3）dB，下行鏈路的功率控制目標(biāo)為Eb/No=（8+7）dB。如果功率控制使用戶的發(fā)射功率達(dá)到最大值，此時(shí)的信噪比如果沒(méi)有達(dá)到增加了余量的信噪比，但超過(guò)了目標(biāo)值，則認(rèn)為該用戶是滿意用戶；如果信噪比低于目標(biāo)值，則認(rèn)為是不滿意用戶。

　　以SCDMA系統(tǒng)上行功率控制為例。對(duì)某一用戶來(lái)說(shuō)，首先計(jì)算該用戶的發(fā)射功率P和基站端接收用戶的SIR，判斷功率控制的條件為：

　　P＜Pmax且SIR＜11dB，功率控制增加終端發(fā)射功率；

　　P＜Pmax且SIR＞=11dB，功率控制完成，該用戶為滿意用戶；

　　P=Pmax且SIR＞8dB，功率控制完成，該用戶為滿意用戶；

　　P=Pmax且SIR＜8dB，功率控制完成，該用戶為不滿意用戶。

　　其中，Pmax為終端最大發(fā)射功率。

　　4.5　系統(tǒng)容量準(zhǔn)則

　　SCDMA和GSM系統(tǒng)上、下行均采用5%中斷概率準(zhǔn)則，即有5%的用戶不能達(dá)到目標(biāo)信噪比。

5、研究結(jié)果

　　5.1　GSM DL→SCDMA UL

　�。�1）非扇區(qū)化天線


圖5　GSM DL→SCDMA UL時(shí)，SCDMA UL相對(duì)容量和ACIR的關(guān)系

　　從圖5中GSM基站干擾SCDMA基站的仿真結(jié)果（小區(qū)半徑R=577m，分基站間距D=0，R/2，R三種情況），可以得到如下結(jié)論：

　　◆ACIR增大，GSM BS對(duì)SCDMA BS的干擾減小，相應(yīng)的SCDMA上行容量損失減小。

　　◆當(dāng)R=577m時(shí)，SCDMA上行容量損失隨著兩系統(tǒng)基站之間偏移距離的增大而減小。

　　D=0時(shí)，要保證SCDMA上行容量損失小于5%，所需的ACIR為47dB；

　　D=R/2時(shí)，要保證SCDMA上行容量損失小于5%，所需的ACIR為32dB；

　　D=R時(shí)，要保證SCDMA上行容量損失小于5%，所需的ACIR為29dB。

　　（2）扇區(qū)化天線

　　從圖6中GSM基站干擾SCDMA基站的仿真結(jié)果（扇區(qū)半徑R=577m，小區(qū)半徑1000m，分基站間距D=0、0.866R、1.732R三種情況），可以得到如下結(jié)論：

　　◆ACIR增大，GSM BS對(duì)SCDMA BS的干擾減小，相應(yīng)的SCDMA上行容量損失減小。

　　◆當(dāng)R=577m時(shí)，SCDMA上行容量損失隨著兩系統(tǒng)基站之間偏移距離的增大而減小。

　　D=0時(shí)，要保證SCDMA上行容量損失小于5%，所需的ACIR為63dB；

　　D=0.866R時(shí)，要保證SCDMA上行容量損失小于5%，所需的ACIR為42dB；

　　D=1.732R時(shí)，要保證SCDMA上行容量損失小于5%，所需的ACIR為35dB。


圖6　GSM DL→SCDMA UL時(shí)，SCDMA UL相對(duì)容量和ACIR的關(guān)系

　　5.2　SCDMA DL—＞GSM DL

　　仿真表明，R=577 m時(shí)，GSM系統(tǒng)在各種基站偏移（R，R/2，0）情況下，下行均沒(méi)有容量損失，兩系統(tǒng)可以共存。

6、結(jié)論和建議

　　典型情況小區(qū)半徑等于577m的條件下，GSM基站發(fā)射會(huì)對(duì)鄰頻段的SCDMA基站接收產(chǎn)生較大干擾，若不采取措施會(huì)造成SCDMA系統(tǒng)容量的較大損失。干擾最為嚴(yán)重的情況為GSM基站與SCDMA的基站共站的情況，采用全向天線時(shí)所需的ACIR為47dB，采用三扇區(qū)天線時(shí)所需的ACIR為63dB�，F(xiàn)在設(shè)備指標(biāo)無(wú)法達(dá)到足夠的ACIR，需要采取額外的保護(hù)措施才能使SCDMA系統(tǒng)容量損失在5%以內(nèi)。為了解決GSM與SCDMA系統(tǒng)共存的問(wèn)題，建議綜合使用頻譜隔離（保護(hù)帶寬）、站點(diǎn)隔離、天線隔離、外置濾波器等綜合措施，在現(xiàn)場(chǎng)加以解決。

　　保護(hù)帶解決方案就是通過(guò)頻率規(guī)劃，使得干擾系統(tǒng)的發(fā)射頻段和被干擾系統(tǒng)的接收頻段在頻域上得到一定的隔離。隨著隔離的增大，干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)信號(hào)落入被干擾接收機(jī)接受帶寬內(nèi)的分量減小，且接收機(jī)接受濾波器對(duì)干擾系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的衰落加大，從而使系統(tǒng)間干擾減小。同時(shí)，在考慮使用附加濾波器來(lái)限制干擾信號(hào)時(shí)，由于理想線性的濾波器難以實(shí)現(xiàn)，因此，也需要留有一定的保護(hù)帶為濾波器提供過(guò)渡帶。

　　濾波器解決方案，即在原有設(shè)備的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)附加濾波器來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的濾波特性，以達(dá)到系統(tǒng)間共存所需的隔離度。由于濾波器過(guò)渡帶有一定帶寬，因此采用濾波器的方法必須和頻率保護(hù)帶相結(jié)合。

　　基站間距方法對(duì)解決干擾是有利的，可以通過(guò)基站間的空間隔離以減少系統(tǒng)間干擾。

　　天線安裝包括天線傾角、方位角、垂直和水平隔離等，提高天線間的耦合損失，可以降低干擾。SCDMA系統(tǒng)采用智能天線。智能天線特有的零陷技術(shù)可以帶來(lái)10dB的額外隔離。對(duì)于三扇區(qū)基站，可以調(diào)整天線方向和位置，使得SCDMA天線在CDMA2000系統(tǒng)天線前面、平面智能天線陣前后隔離超過(guò)20dB，由此可以帶來(lái)額外的隔離。

　　通過(guò)綜合采取以上幾種措施，可以實(shí)現(xiàn)SCDMA網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)的共存和共址。