3G系統(tǒng)與大靈通系統(tǒng)電磁兼容研究

　　摘要　首先分析了大靈通系統(tǒng)（SCDMA）與第3代移動通信系統(tǒng)（3G）的干擾產(chǎn)生及類型，分別從理論分析和蒙特卡羅靜態(tài)仿真兩方面對干擾大小進行研究。最后，結(jié)合理論分析及仿真結(jié)果給出系統(tǒng)共存時的干擾程度及減少干擾所需的規(guī)避措施，為多系統(tǒng)干擾共存提供了重要依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞　SCDMA　3G　電磁兼容　蒙特卡羅　相鄰信道干擾比

1、引言

　　SCDMA系統(tǒng)，俗稱“大靈通”，脫胎于我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的3G技術(shù)TD-SCDMA。它融合了智能天線、同步碼分多址、軟件無線電及全質(zhì)量話音壓縮編碼等先進技術(shù)，在技術(shù)層面上全面超過了小靈通系統(tǒng)，具有輻射小、保密性好、通話質(zhì)量高和不易掉線等優(yōu)點，目前在我國市場特別是“村村通”工程中正穩(wěn)步發(fā)展。隨著3G系統(tǒng)的引入，國內(nèi)無線通信領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)SCDMA與3G系統(tǒng)鄰頻共存的局面。由于發(fā)射機和接收機的非理想性，鄰頻共存的無線通信系統(tǒng)間會彼此產(chǎn)生干擾，如果沒有采取有效的規(guī)避措施，這些干擾可能造成一方或雙方的鏈路質(zhì)量下降和容量損失。因此研究SCDMA與3G系統(tǒng)之間的電磁兼容（EMC：Electromagnetic Compatibility）是極具現(xiàn)實意義的，國際電聯(lián)（ITU：International Telecommunications Union）和中國通信標準化協(xié)會（CCSA：China Communications Standards Association）也已就以上課題立項進行相關(guān)研究。本文主要通過對SCDMA和鄰頻共存的IMT2000（FDD）系統(tǒng)間干擾的研究，闡述了無線通信系統(tǒng)間電磁兼容研究的基本理論分析方法和靜態(tài)干擾仿真思想。

2、干擾類型

　　SCDMA的工作頻段為1 785～1 805 MHz， WCDMA與CDMA2000的候補頻段在1 755～1 785 MHz和1 850～1 880 MHz，而TD-SCDMA與SCDMA由于在頻段上有75 MHz的間隔，故可暫不研究二者間干擾。如圖1所示為各系統(tǒng)所處頻段位置關(guān)系，可能存在SCDMA上下行與IMT2000（FDD）上行間的相互干擾。


圖1　SCDMA和3G系統(tǒng)鄰頻共存示意圖

3、研究方法

　　3.1　理論分析

　　衡量兩系統(tǒng)能否共存的一個重要指標是被干擾系統(tǒng)能夠正常運營所需的額外保護度，理論上可以對其進行估算。首先，根據(jù)干擾源發(fā)射機的相鄰頻道泄漏比（ACLR，Adjacent Channel Leakage Ratio）和被干擾系統(tǒng)接收機的鄰道選擇性（ACS，Adjacent Channel Selectivity）求兩系統(tǒng)間的鄰道干擾比（ACIR，Adjacent Channel Interference Ratio），再由被干擾系統(tǒng)容量評估準則求出受害接收機所能容納的最大外來干擾，通過公式（1）求出所需額外保護度△L的近似值。

　　△L=PTx+GTx+Gbf-Pathloss+GRx-ACIR-Imax　（1）

　　式中，PTx為干擾源發(fā)射功率；GTx為干擾源天線增益；Gbf為發(fā)送或接收分集增益；Pathloss為干擾鏈路路徑損耗；GRx為接收機天線增益；Imax為受害接收機能容忍的最大外來干擾強度。

　　以SCDMA基站對WCDMA基站干擾為例，分析方法如下：假設(shè)兩系統(tǒng)鄰頻共處，無額外保護頻帶，則WCDMA與SCDMA系統(tǒng)最小載波中心頻率間隔為2.75 MHz，根據(jù)輻射模板計算，此時SCDMA基站對WCDMA基站的ACIR約為44 dB。

　　引入基站天線間最小耦合損耗（MCL，Minimum Coupling Loss）

　　MCL=Pathloss-GTx-GRx后可得

　　△L=PTx-ACIR-MCL-Imax　（2）

　　基站靈敏度損失在不考慮本系統(tǒng)干擾時，可以等效為底噪抬升，具體關(guān)系如下：

　　Sd=（Iext+No）/No=0.8 dB�。�3）

　　WCDMA上行的No為-103 dB，可推出Iext為-110 dB，則最大干擾電平約為-110 dB。取SCDMA基站最大發(fā)射功率33 dBm，MCL=50 dB，代入公式（2）可得額外保護度△L為49 dB。

　　以上理論分析選取干擾最嚴重的鏈路，由于實際網(wǎng)絡中SCDMA采用頻率復用組網(wǎng)，而理論評估時考慮的是頻差最小的頻點，相應的基站間路徑損耗又為最小耦合損耗MCL，故所得干擾值較實際系統(tǒng)偏大，但此方法簡單高效，有一定參考價值。


圖2　雙系統(tǒng)基站間干擾示意圖

　　為得到更精確的理論分析值，可以考慮受害接收機周圍一層甚至幾層干擾源的影響。同樣以SCDMA基站干擾WCDMA基站為例，圖2為雙系統(tǒng)基站間干擾示意圖，在系統(tǒng)間基站偏移D為R/2（R為小區(qū)半徑，取1 000 m）的情況下，19個灰色小區(qū)表示SCDMA系統(tǒng)，白色小區(qū)表示偏移R/2的WCDMA系統(tǒng)（只畫出一部分），對一個WCDMA基站影響較大的周圍第一層干擾鏈路如圖所示。根據(jù)公式（1）中的鏈路預算求出幾個SCDMA基站對WCDMA基站的干擾之和為ITotal，然后由ITotal-Imax得到額外隔離度與基站偏移D的關(guān)系如表1所示。

表1　基站偏移與額外隔離度的關(guān)系
[table]

D	O	R/2	R
△L/dB	49.0	36.9	35.0

[/table]

　　3.2　Monte-Carlo仿真方法

　　本文采用參考文獻[1]建議的靜態(tài)Monte Carlo仿真方法，依據(jù)所研究系統(tǒng)特性，拓撲結(jié)構(gòu)，仿真場景，傳播模型等建模。仿真中通過對兩個系統(tǒng)進行有限多次快照（snapshot）所采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出相應的系統(tǒng)間干擾大小。無線通信系統(tǒng)間干擾共存仿真的流程可簡單分解為干擾源系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)單系統(tǒng)容量仿真，固有保護度計算，雙系統(tǒng)干擾計算，統(tǒng)計結(jié)果輸出（被干擾系統(tǒng)接收到干擾電平值、被干擾概率、所需額外保護度與相對容量損失關(guān)系等指標值）。

　　仿真基于六邊形宏蜂窩模型，小區(qū)半徑為1 000 m，采用wrap around拓撲結(jié)構(gòu)消除有限覆蓋的邊界效應，共61個基站，統(tǒng)計數(shù)據(jù)在中心19個基站中收集。在每次快照下，用戶位置均服從均勻分布，這樣就可以利用有限多次快照來模擬實際網(wǎng)絡中用戶各種位置的可能性，使仿真結(jié)果更加合理可信。

　　SCDMA系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表2。仿真中SCDMA系統(tǒng)使用臨近1 785 MHz的連續(xù)12個頻點，采用4*3頻率復用方式組網(wǎng)，并使用自適應智能天線，同步碼分多址和慢速功率控制等技術(shù)，大大提升了系統(tǒng)容量。IMT2000（FDD）系統(tǒng)采用理想閉環(huán)功率控制，非正交技術(shù)，軟切換技術(shù)等，具體仿真參數(shù)見表3和表4。

表2　SCDMA系統(tǒng)仿真參數(shù)
[table]

參數(shù)	下行鏈路	上行鏈路
MCL (三扇區(qū)，包括天線增益，IMT2000(FDD)此參數(shù)相同)	BS-MS：70 dB MS-MS：40 dB BS-BS：50 dB	BS-MS：70 dB MS-MS：40 dB BS-BS．50 dB
天線增益(包括損耗)	單根天線增益：16.3 dBi 智能天線賦形增益：9 dBi	單根天線增益：16.3 dBi 智能天線賦形增益：9 dBi
功控模式	基于目標C/I，慢速功率控制	基于目標C/I，慢速功率控制
功控余量	7 dB	3 dB
噪聲功率	-107 dBm	-111 dBm
最大發(fā)射功率	基站最大發(fā)射功率33 dBm 每碼道最大發(fā)射功率20 dBm	23 dBm
Min．CIR for  12.2 kbps speech	-7 dB	-7 dB

[/table]

表3　WCDMA系統(tǒng)仿真參數(shù)
[table]

參數(shù)	上行鏈路	下行鏈路
天線增益(包括損耗)	14 dBi(三扇區(qū))	14 dBi(三扇區(qū))
噪聲功率	-103 dBm	-99 dBm
最大發(fā)射功率	21 dBm	最大發(fā)射總功率：43 dBm 每用戶最大發(fā)射功率：30 dBm
非正交因子	N/A	0.4(干擾降低為原來的40%)
Min．CIR for 12.2kbps speech	-18.9 dB	-17.1 dB

[/table]

表4　CDMA2000系統(tǒng)仿真參數(shù)
[table]

參數(shù)	上行鏈路	下行鏈路
天線增益(包括損耗)	14 dBi(三扇區(qū))	14 dBi(三扇區(qū))
噪聲功率	-108 dBm	-104 dBm
最大發(fā)射功率	24 dBm	單天線每用戶最大發(fā)射功率：33 dBm單天線總最大發(fā)射功率：43 dBm
非正交因子	N/A	0.4
Min．CIR for 12.2kbps speech	-17 dB	-15.5 dB

[/table]

　　仿真中WCDMA與CDMA2000上行采用6 dB噪聲提升準則，對應75%的負荷因子，下行采用5%中斷概率準則。SCDMA系統(tǒng)上、下行容量均采用5%中斷概率準則，如公式（4）所示。

　　CUL=CDL=arg{P(C/I＜(C/Itarget-O.5)，Nsingle)}=5%�。�4）

　　Monte Carlo仿真所得數(shù)據(jù)更加接近實際網(wǎng)絡的真實運營情況，對頻率規(guī)劃、網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化都極具參考價值，但隨著系統(tǒng)復雜性的提高，運算量和系統(tǒng)資源需求會急劇增加。仿真結(jié)果及分析見下章。

4、仿真結(jié)果及分析

　　一般情況下，影響兩系統(tǒng)共存的只是一條或幾條邏輯干擾鏈路，我們稱之為主要干擾鏈路，可以由3.1節(jié)中介紹的理論計算方法得出，影響SCDMA與IMT2000系統(tǒng)共存的主要干擾鏈路為：SCDMA下行對WCDMA和CDMA2000上行的干擾，SCDMA上行對WCDMA和CDMA2000上行的干擾。以下仿真結(jié)果針對以上主要干擾鏈路，其它鏈路由于干擾較小，結(jié)果不再贅述。（注：各圖中D為兩系統(tǒng)基站的偏移距離）由圖3可得以下結(jié)論：

　�。�1）SCDMA基站干擾WCDMA基站時，WCDMA上行容量損失隨兩系統(tǒng)基站偏移增大而減小，在基站偏移為0、R／2、R，ACIR分別大于80 dB、70 dB、67 dB時，WCDMA上行容量損失小于5%；兩系統(tǒng)基站偏移為0時，所需ACIR為80 dB，大于此條干擾鏈路固有ACIR（44 dB），所需額外保護度為36 dB，較理論分析值（49 dB）小，原因前面已經(jīng)闡述。要實現(xiàn)系統(tǒng)共存，需要采取一定的規(guī)避措施。

　　（2）SCDMA終端干擾WCDMA基站時，WCDMA的上行容量損失隨著兩系統(tǒng)基站偏移的增大而增大，在基站偏移0、R/2、R，ACIR分別大于26 dB、36 dB、42 dB時，WCDMA上行容量損失小于5%；所需最大ACIR為42 dB，與此種情況下的固有ACIR相當，故不需要額外保護度兩系統(tǒng)即可共存。



圖3　SCDMA與IMT2000（FDD）主要干擾鏈路ACIR與相對容量關(guān)系圖

　�。�3）SCDMA基站干擾CDMA2000基站時，在兩種系統(tǒng)基站偏移0、R/2、R，ACIR分別大于85 dB、75 dB、72 dB時，WCDMA上行容量損失小于5%；所需ACIR為85 dB，大于系統(tǒng)間固有ACIR（45 dB），需采取一定的規(guī)避措施以實現(xiàn)系統(tǒng)共存。

　�。�4）SCDMA終端干擾CDMA2000基站時，在兩種系統(tǒng)基站偏移0、R/2、R，ACIR分別大于30 dB、40 dB、44 dB時，WCDMA上行容量損失小于5%，所需ACIR為44 dB，與此種情況下的固有ACIR相當，故不需要額外保護度。

5、共存可行性分析及規(guī)避措施

　　由以上分析知，SCDMA和IMT2000（FDD）系統(tǒng)間的干擾主要是SCDMA基站干擾WCDMA和CDMA2000基站，因此有必要采取規(guī)避措施實現(xiàn)系統(tǒng)間共存，可采用的規(guī)避措施主要有5種。

　　（1）使用頻率保護帶

　　頻率保護帶方案就是通過頻率規(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。

　�。�2）增加天線間的MCL

　　增加天線間的最小耦合損失（MCL），即通過調(diào)整天線的下傾角，選用不同方向角或調(diào)整兩系統(tǒng)天線的水平垂直隔離距離等方法提高天線間的最小耦合損失，從而有效降低干擾。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10 dB左右的額外隔離。對于三扇區(qū)基站，可以調(diào)整天線方向，使得SCDMA天線在WCDMA或CDMA2000天線前面，平面智能天線陣前后隔離超過20 dB，由此帶來額外隔離。

　�。�3）采用共存濾波器

　　濾波器解決方案即在原有設(shè)備的無線收發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過附加濾波器來進一步提高發(fā)射機或接收機的濾波特性。由于濾波器過渡帶有一定帶寬，因此采用濾波器方法必須和頻率保護帶相結(jié)合。采用共存濾波器是一種比較有效的方法，但對于大規(guī)模網(wǎng)絡來說其費用也是需要考慮的。

　　（4）設(shè)備參數(shù)限制

　　設(shè)備參數(shù)限制即規(guī)定足夠的設(shè)備指標來保證收發(fā)頻率相鄰的共存問題。按照仿真結(jié)果設(shè)計設(shè)備參數(shù)，可以達到共存要求，但會導致設(shè)備成本增加。

　�。�5）合理的多系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃

　　運營商在建設(shè)多個網(wǎng)絡的時候應合理規(guī)劃，盡量避免工作頻率相鄰的不同系統(tǒng)的基站共址工作，增加基站間的空間隔離度能有效減少相互間的干擾。另外，可以給共址的多系統(tǒng)小區(qū)分別分配間隔較大的頻點，合理的頻率規(guī)劃也可以減小系統(tǒng)間干擾。

　　選用干擾規(guī)避措施時，通常首先考慮使用頻率保護帶的方法，因為它是適用于全網(wǎng)的。其它4種措施中，措施2和5相對經(jīng)濟有效，可以優(yōu)先采用，如果還不能達到干擾規(guī)避的目的，就要兼顧其余兩種方案，實現(xiàn)SCDMA與3G系統(tǒng)的有效共存。

6、結(jié)語

　　通過對SCDMA和3G系統(tǒng)間干擾共存研究方法的闡述，使讀者對靜態(tài)干擾研究有了一個更深層次的理解。干擾研究所得相關(guān)結(jié)論不僅對多系統(tǒng)頻譜劃分和設(shè)備射頻指標有較強指導意義，而且對網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化也有重要的實際應用價值。

　　參考文獻

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　　2　3GPP TS25.104 v5.7.0：“Base Station（BS）radio transmission and reception（FDD）”[S]，2003，6

　　3　3GPP2 C.S0010-B V2.0：“Recommended Minimum Performance Standards for cdma 2000 Spread Spectrum Base Stations—Release B”[S]，2004，2

　　4　李男，朱雪田，彭木根，王文博.TD-SCDMA系統(tǒng)間干擾與共存研究[J].電信科學，2006，04：32-37

　　5　王榮，彭木根，王文博.PHS與TD-SCDMA系統(tǒng)電磁兼容研究[C].中國通信學會無線及移動通信委員會學術(shù)年會論文集，2005