張雙健 鄭燕燕

(1.上海申通地鐵資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(guó)各運(yùn)營(yíng)商的3G牌照均已正式發(fā)放。在3G正式商用時(shí),GSM(全球移動(dòng)通信)、碼分多址通信(CDMA)、WCDMA(寬帶碼分多址)和 TDSCDMA(時(shí)分同步碼分多址)等系統(tǒng)已發(fā)展到一定階段,而在我國(guó)3G中又有三種標(biāo)準(zhǔn)共存。上海軌道交通民用通信系統(tǒng)的移動(dòng)通信引入系統(tǒng)包含了GSM、CDMA、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)與所有3G系統(tǒng),在站廳、站臺(tái)和隧道區(qū)間共用一個(gè)分布系統(tǒng)的POI(多系統(tǒng)接入平臺(tái))、天線和漏纜,因此系統(tǒng)間的干擾必須嚴(yán)格加以控制。本文將分別對(duì)多系統(tǒng)共站、共纜產(chǎn)生干擾的機(jī)制、隔離度計(jì)算進(jìn)行剖析,并提出工程上消除對(duì)關(guān)鍵器件干擾的指標(biāo)要求。

1 多系統(tǒng)共用地鐵分布式系統(tǒng)的干擾

各系統(tǒng)的有源設(shè)備在發(fā)射有用信號(hào)的同時(shí),在其工作頻帶外還會(huì)產(chǎn)生雜散、諧波、互調(diào)等無(wú)用信號(hào)。這些信號(hào)落到其他系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi),就會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)形成干擾。干擾會(huì)導(dǎo)致通信質(zhì)量下降、系統(tǒng)容量受限,因此必須采取有效的抗干擾措施。在對(duì)地鐵共用集約化分布式系統(tǒng)所帶來(lái)的頻譜間干擾進(jìn)行分析時(shí),需根據(jù)各系統(tǒng)之間的頻率關(guān)系以及發(fā)射、接收特性具體研究。

1.1 干擾分類

系統(tǒng)間的干擾主要分為以下三類:

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

(2)互調(diào)干擾,集中在各系統(tǒng)的下行輸出,是進(jìn)行合路時(shí)的互調(diào)產(chǎn)物,主要表現(xiàn)為三階互調(diào)干擾。如果互調(diào)產(chǎn)物落在其中某一個(gè)系統(tǒng)的上行接收頻段內(nèi),將對(duì)該系統(tǒng)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(tǒng)的下行信號(hào)功率較強(qiáng),雖在系統(tǒng)的頻帶外,但降低了接收機(jī)的靈敏度。當(dāng)較強(qiáng)功率加于接收機(jī)時(shí)可能導(dǎo)致接收機(jī)過(guò)載,使它的增益下降或者被抑制。

1.2 干擾源分類

對(duì)于一個(gè)多系統(tǒng)和共用分布系統(tǒng)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(tǒng)主要采用饋線、光纖進(jìn)行射頻信號(hào)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(guò)終端天線和泄漏電纜進(jìn)入采用POI合路的分布系統(tǒng)。

(2)內(nèi)部干擾源。這種干擾源主要來(lái)自于采用POI合路的分布系統(tǒng)的所有有源器件和無(wú)源器件。有源器件產(chǎn)生的干擾信號(hào)主要是互調(diào)產(chǎn)物和雜散產(chǎn)物;無(wú)源器件如天線、饋線、功分器、耦合器、合路器等,由于其機(jī)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(hào)在不同材料連接處非線性混頻,產(chǎn)生不同幅度的互調(diào)產(chǎn)物。

2 我國(guó)目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)

2.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)頻譜劃分

根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部相關(guān)頻率規(guī)劃的規(guī)定,目前我國(guó)移動(dòng)通信系統(tǒng)頻譜劃分如表1所示。

表1 移動(dòng)通信系統(tǒng)頻譜劃分

2.2 多系統(tǒng)共用地鐵無(wú)線分布式系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

針對(duì)我國(guó)目前通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)狀況,GSM 900、CDMA 800、TD-SCDMA 、WCDMA 、CDMA 2000和WLAN在未來(lái)幾年內(nèi)將并存,從而避免重復(fù)投資,為運(yùn)營(yíng)商節(jié)約建設(shè)資金和后期維護(hù)管理費(fèi)用。地鐵通常采用的組網(wǎng)方式如圖1所示。

2.3 各系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率級(jí)

各系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率級(jí)計(jì)算如下:

式中:

K——波爾茲曼常數(shù),K=1.38×10-23;

T——絕對(duì)溫度,常溫下取值為 T=290 K;

B——信號(hào)帶寬,Hz。

將常量代入,公式可簡(jiǎn)化為:

圖1 地鐵組網(wǎng)方式圖

由式(2)可得:

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

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

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

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

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

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

3 雜散干擾分析

3.1 無(wú)源分布系統(tǒng)的雜散隔離度計(jì)算

3.1.1 各種基站的雜散指標(biāo)

各種基站的雜散指標(biāo)如表2～8所示。

表2 GSM/DCS蜂窩發(fā)信機(jī)雜散指標(biāo)

3.1.2 雜散隔離度計(jì)算

發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)通常為大功率信號(hào),在產(chǎn)生大功率信號(hào)的過(guò)程中會(huì)在發(fā)射信號(hào)的頻帶之外產(chǎn)生較高的雜散,且這些雜散分布在非常寬的頻率范圍內(nèi)。如果雜散落入某個(gè)系統(tǒng)接收頻段內(nèi)的幅度較高,受害系統(tǒng)的前端濾波器將無(wú)法有效濾出,從而導(dǎo)致接收系統(tǒng)的輸入信噪比降低,通信質(zhì)量惡化。

表3 CDMA800蜂窩發(fā)信機(jī)雜散指標(biāo)

表4 WCDMA蜂窩發(fā)信機(jī)雜散指標(biāo)

表5 TD-SCDMA蜂窩發(fā)信機(jī)雜散指標(biāo)

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(fā)信機(jī)雜散指標(biāo)

表8 WLAN AP雜散指標(biāo)

通常認(rèn)為,干擾基站落入受害系統(tǒng)的干擾低于受害系統(tǒng)內(nèi)部的熱噪聲6.9 dB以下(此時(shí)受害系統(tǒng)的靈敏度惡化不到0.8 dB)時(shí),干擾可以忽略。這樣,對(duì)應(yīng)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(cè)量帶寬,kHz;

WAffected——被干擾系統(tǒng)的信道帶寬,kHz;

Pn——被干擾系統(tǒng)接收帶內(nèi)熱噪聲,dB(m);

Nf——接收機(jī)的噪聲系數(shù),基站的接收機(jī)噪聲系數(shù)一般不會(huì)超過(guò)5 dB。

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

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

另外,隔離度要求過(guò)大的系統(tǒng)合路時(shí),可考慮在干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)后增加一級(jí)濾波器來(lái)降低干擾系統(tǒng)的雜散輸出,再與其他系統(tǒng)合路。

3.2 有源分布系統(tǒng)的雜散隔離度計(jì)算

軌道交通的分布系統(tǒng)原則上不采用直放站,高頻段的3G系統(tǒng)目前運(yùn)營(yíng)商要求采用RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)的方式進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋,所以可認(rèn)為屬于準(zhǔn)無(wú)源分布系統(tǒng),一般不必進(jìn)行雜散隔離度計(jì)算。

4 互調(diào)干擾分析

互調(diào)干擾產(chǎn)生于器件的非線性度。在合路系統(tǒng)里,主要關(guān)注無(wú)源器件的互調(diào)干擾,即合路器產(chǎn)生的互調(diào)干擾。

無(wú)源器件的互調(diào)干擾是射頻電流流經(jīng)不同金屬器件的接觸點(diǎn),特別是壓力接觸點(diǎn)(如兩金屬器件靠螺絲固定)而產(chǎn)生。

表9 無(wú)源分布系統(tǒng)隔離度匯總表dB

合路器的互調(diào)抑制比一般為120 dB(c)?；フ{(diào)抑制比是指兩個(gè)功率相等、適當(dāng)類型的調(diào)制信號(hào)進(jìn)入合路器輸入端,由合路器的非線性引起的互調(diào)信號(hào)電平,其中一個(gè)信號(hào)電平與互調(diào)產(chǎn)生的信號(hào)電平之比。

多系統(tǒng)合路較突出的互調(diào)產(chǎn)物主要為二階互調(diào)產(chǎn)物(FIM2)和三階互調(diào)產(chǎn)物(FIM3),其中二階和三階互調(diào)產(chǎn)物的計(jì)算公式為:

4.1 可能的二階互調(diào)干擾組

通過(guò)列出二階互調(diào)的表格分析,以軌道交通現(xiàn)有的系統(tǒng)合路時(shí),受二階互調(diào)產(chǎn)物干擾影響的系統(tǒng)有GSM 900、DCS 1800和 PHS。后2個(gè)系統(tǒng)在上海軌道交通內(nèi)不使用。

4.2 可能的三階互調(diào)干擾組

通過(guò)列出三階互調(diào)的表格分析,以軌道交通現(xiàn)有的系統(tǒng)合路時(shí),三階互調(diào)產(chǎn)物對(duì)參與合路的各系統(tǒng)都產(chǎn)生了干擾影響,所以有必要在上海軌道交通采用無(wú)三階互調(diào)頻率組。

4.3 互調(diào)隔離度計(jì)算

互調(diào)隔離度計(jì)算式為:

LMC=max(P1,P2,P3)+合路器互調(diào)指標(biāo)-

式中:

LM C——隔離度;

Pn——被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲,dB(m);

Nf——接收機(jī)的噪聲系數(shù),基站的接收機(jī)噪聲系數(shù)一般不超過(guò)5 dB;

P1——干擾系統(tǒng)1的信號(hào)電平,dB(m);

P2——干擾系統(tǒng)2的信號(hào)電平,dB(m);

P3——干擾系統(tǒng)3的信號(hào)電平,dB(m)。

式中合路器的互調(diào)指標(biāo)取-140 dB(c)。

這里,互調(diào)要求的隔離度是按最大的干擾信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的,實(shí)際的互調(diào)信號(hào)電平都不大于這個(gè)值。

減少互調(diào)干擾可采取以下措施:

①合理的頻率分配方案,采用無(wú)互調(diào)的信道組;

②合理調(diào)整干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)功率;

③增加干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和被干擾系統(tǒng)接收機(jī)之間的隔離度,采用收發(fā)分開的天饋系統(tǒng),通過(guò)信號(hào)的空中鏈路衰減增加隔離度。

互調(diào)隔離度計(jì)算表格以及產(chǎn)生干擾的頻率的組合可通過(guò)運(yùn)營(yíng)間的協(xié)調(diào)被排除在外。

5 阻塞干擾分析

當(dāng)一個(gè)較大干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)前端的低噪放時(shí),由于低噪放的放大倍數(shù)是根據(jù)放大微弱信號(hào)所需要的整機(jī)增益來(lái)設(shè)定的,強(qiáng)干擾信號(hào)電平在超出放大器的輸入動(dòng)態(tài)范圍后可能會(huì)將放大器推入到非線性區(qū),導(dǎo)致放大器對(duì)有用的微弱信號(hào)的放大倍數(shù)降低,甚至完全抑制,從而嚴(yán)重影響接收機(jī)對(duì)弱信號(hào)的放大能力,影響系統(tǒng)的正常工作。

在地鐵多系統(tǒng)合路的POI設(shè)計(jì)時(shí),只要保證到達(dá)接收機(jī)輸入端的強(qiáng)干擾信號(hào)功率不超過(guò)系統(tǒng)指標(biāo)要求的阻塞電平,系統(tǒng)就可以正常工作。

設(shè)接收機(jī)的阻塞電平指標(biāo)為Pb,干擾發(fā)射機(jī)的輸出功率為Po,當(dāng)Pb≥Po-LMC時(shí),強(qiáng)干擾信號(hào)就不會(huì)阻塞接收機(jī)。此時(shí)需要的系統(tǒng)隔離度為:

通常,把增益下降到比線性增益低1 dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點(diǎn)。為了防止接收機(jī)過(guò)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(diǎn)。

5.1 阻塞干擾指標(biāo)

(1)GSM系統(tǒng)對(duì)于阻塞干擾的要求:根據(jù)3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),GSM系統(tǒng)對(duì)于阻塞干擾的要求如表10所示。

表10 GSM的阻塞干擾指數(shù)

(2)CDMA系統(tǒng)對(duì)于阻塞干擾的要求:在TIA/EIA-97-D《CDMA基站子系統(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)》中,沒有對(duì)2G頻帶左右的帶外阻塞指標(biāo)做規(guī)定,因此按照阻塞干擾公式來(lái)計(jì)算阻塞干擾所需要的隔離度。其中CDMA基站的接收濾波器對(duì)其他信號(hào)的衰減,一般在60 dB以上。CDMA系統(tǒng)接收機(jī)1 dB壓縮點(diǎn)一般為-18 dB(m)。根據(jù)以上隔離度準(zhǔn)則,CDMA基站RX接收到的載頻總功率應(yīng)比1 dB壓縮點(diǎn)低5 dB,即CAFF_RX=-23 dB(m)。則Eoverload=Ctotal_interfering-37,37既為CDMA系統(tǒng)的阻塞干擾電平。

(3)WCDMA系統(tǒng)對(duì)于阻塞干擾的要求:如表11所示。

表11 WCDMA的阻塞干擾指數(shù)

(4)TD-SCDMA系統(tǒng)對(duì)于阻塞干擾的要求:如表12所示。

表12 TD-SCDMA的阻塞干擾指數(shù)

(5)WLAN系統(tǒng)對(duì)于阻塞干擾的要求:干擾信號(hào)如果沒有落在正在使用的WLAN載波的鄰道中,則它對(duì)WLAN接收機(jī)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(hào)功率級(jí)應(yīng)比WLAN的發(fā)射功率級(jí)小16 dB以上。

5.2 阻塞隔離度計(jì)算

在分析阻塞干擾時(shí),主要考慮發(fā)射機(jī)(包括基站和直放站)發(fā)射的信號(hào)對(duì)接收機(jī)的干擾,而發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的雜散信號(hào)主要通過(guò)落入接收機(jī)的工作信道對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生同頻干擾。

由通道隔離度計(jì)算方法以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中涉及的阻塞干擾電平的要求可知,消除阻塞干擾對(duì)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(tǒng)發(fā)射機(jī)后或在被干擾系統(tǒng)接收機(jī)前加一個(gè)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(tǒng)的阻塞隔離度如表13所示。

表13 各系統(tǒng)阻塞隔離度匯總 dB

6 結(jié)語(yǔ)

地鐵在滿足移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商要求時(shí),必定會(huì)遇到完善現(xiàn)有系統(tǒng)以及規(guī)劃滿足將來(lái)3G要求的新系統(tǒng)的問題,并考慮所有 3G系統(tǒng)的兼容,甚至是與WLAN的兼容。這不是簡(jiǎn)單的覆蓋問題,需要綜合考慮異種系統(tǒng)共存時(shí)的互干擾抑制。本文對(duì)現(xiàn)存系統(tǒng)相互之間的干擾作了初步的分析和計(jì)算。分析表明,現(xiàn)在和將來(lái)的各運(yùn)營(yíng)商無(wú)線系統(tǒng)完全可以在地鐵環(huán)境內(nèi)共用分布系統(tǒng)建設(shè)和使用,但必須保證POI和多頻合路器的指標(biāo)滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 900 M Hz TDMA數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)設(shè)備總技術(shù)規(guī)范 第二部分基站子系統(tǒng)(BSS)設(shè)備技術(shù)規(guī)范[R].北京:郵電部電信傳輸研究所,1995.

[2] 信息產(chǎn)業(yè)部:信部無(wú)[2002]65號(hào).關(guān)于800 MHz頻段CDM A系統(tǒng)基站和直放機(jī)雜散發(fā)射限值及與 900 M Hz頻段GSM系統(tǒng)鄰頻共用設(shè)臺(tái)要求的通知[EB/OL].http:∥www.cnii.com.cn/20020808/ca90221.htm.

[3] YD/T 1029—1999 800 MHz CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備總技術(shù)規(guī)范:基站部分[S].

[4] YD/T 1047—2000 800 MHz CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)備總測(cè)試規(guī)范:基站部分[S].

[5] 信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線電管理委員會(huì):信部無(wú)[2002]353號(hào).關(guān)于調(diào)整2.4 GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問題的通知[EB/O L].[2009-05-19].http:∥wwb.x lgl.gov.cn/zwgk/tzgg/200706/t20070613_18785.htm.