直放站對移動通信網(wǎng)絡的干擾分析

摘 要

在簡單介紹直放站的基本原理的基礎上，著重就直放站對移動通信系統(tǒng)所造成的各種干擾進行分析，并提出減少干擾的措施，最后簡單介紹幾個案例的排查。

關鍵字

直放站 干擾 GSM CDMA 頻譜 隔離度

前言

直放站作為無線網(wǎng)絡覆蓋的重要產(chǎn)品，應用于移動通信網(wǎng)絡中。它在中繼無線信號、延伸無線覆蓋區(qū)、覆蓋特殊地形、調(diào)配業(yè)務、消除盲區(qū)、優(yōu)化網(wǎng)絡方面起了很大作用，但同時對周圍基站(特別是異系統(tǒng))產(chǎn)生了較多的干擾。如果直放站設置使用不合理，將對移動通信網(wǎng)絡造成嚴重干擾。近兩年實際工作中對中國移動通信網(wǎng)的干擾排查結果表明，直放站所造成的干擾最多，影響最為嚴重。所以研究減少干擾的方法、采取相應措施十分必要。

直放站簡介

1.1 直放站的工作原理

圖1所示為一個典型的射頻直放站框架。左側的施主天線正對所要轉發(fā)的基站天線，接收由基站發(fā)過來的前向微弱的無線信號。經(jīng)過雙工器、LNA(低噪聲放大器)、濾波、功率放大、雙工器后，信號得以增強。然后由轉發(fā)天線向無線信號盲區(qū)或微弱區(qū)輻射，達到增大前向覆蓋范圍或提高覆蓋質(zhì)量的目的。同時，右側轉發(fā)天線接收來自手機的信號，經(jīng)過類似的濾波、放大后，將增強的信號再通過施主天線發(fā)向基站天線。在整個過程中，直放站抵消掉了基站到直放站之間的無線信號路徑損耗，使無線信號得到延伸。

1.2 直放站的種類及特性比較

直放站可分為無線選頻直放站、無線移頻直放站、無線寬帶直放站和光纖直放站等。

無線寬帶直放站與無線選頻直放站相比，除濾波器部分外其余都相同，前者是寬帶組件，后者是選頻選件;寬帶直放站對整個頻段內(nèi)的信號都進行放大，因此比較容易給其他小區(qū)帶來干擾;相對寬帶直放站而言，選頻直放站具有更好的性能，能夠提高信號的質(zhì)量，其帶來的干擾影響相對較小。

光纖直放站和無線直放站的主要區(qū)別是施主鏈路不同，由于信號通過光纖進行傳輸，傳輸損耗小，傳輸距離遠，所受干擾及帶來的干擾比無線直放站小，同時由于沒有施主端的無線鏈路而無須考慮施主天線與轉發(fā)天線隔離度，但總系統(tǒng)價格比無線直放站高；無線直放站利用無線傳輸方式，建設周期短、投資小，但需考慮施/轉天線之間的隔離度。

直放站引入的干擾分析

2.1 直放站引入的上行底部噪聲干擾分析

上行底部噪聲是指空間的白噪聲和直放站的噪聲通過直放站上行鏈路放大以后，輸出到天線端的噪聲，如果過大將會影響或干擾基站。

對于CDMA系統(tǒng)，直放站等效于干擾源。即使所覆蓋區(qū)域沒有用戶使用，它也會向基站發(fā)出干擾噪聲，導致基站熱噪聲電平升高，使基站接收機的靈敏度降低，從而影響所有處于本基站覆蓋區(qū)的用戶(不影響直放站覆蓋區(qū)的用戶)。從下面的計算分析可以進一步分析此種噪聲的影響。

直放站作用于基站接收前端的熱噪聲電平為:

Prep_n = K*T*B+NFrep + Grep- LEdoPL （1）

基站接收前端的等效熱噪聲電平為:

Pbts_N＝K*T*B+NFbts　 （2）

其中: K*T為熱噪聲密度;B為系統(tǒng)信道帶寬;NFrep為直放站噪聲系數(shù);Grep為直放站增益;LEdoPL為有效路徑損耗;NFbts為基站接收機噪聲系數(shù)。

為了衡量基站接收端的噪聲電平變化量，可引入噪聲注入裕量NIM，表示為NIM=10lg(Pbts_N/Prep_n)。 而基站接收機等效熱噪聲電平升高量ROT則可表示為:

ROT=10lg(1+10-NIM/10)。

從圖2可以看出，NIM的值決定了直放站對施主基站上行鏈路的影響。每增加1 dB,就意味著該施主基站的上行鏈路功率減少1 dB或所允許的基站到手機的空間路徑損耗減少1 dB;對小區(qū)覆蓋范圍來講，會引起上行覆蓋半徑減小;對基站覆蓋區(qū)的用戶來講，手機的發(fā)射功率會相應增大，或者處在小區(qū)邊緣的用戶發(fā)生單通或上行話音質(zhì)量下降或掉話等現(xiàn)象。{{分頁}}

對于GSM系統(tǒng)，當上行底部噪聲過大時，會對基站造成阻塞干擾。在實際網(wǎng)絡建設和工程中，為保證基站正常接收手機信號，一般要求基站接收到的直放站噪聲電平小于-125 dBm。

從以上的分析可以看出，在直放站和基站位置確定的情況下，可以通過調(diào)整直放站上行增益Grep或增大路徑損耗LEdoPL來控制對其施主基站的影響。

2.2 直放站引入的下行干擾分析

通常下行干擾發(fā)生在無線同頻直放站。當施主天線和重發(fā)天線隔離度小于直放站的下行增益G時，施主天線從施主基站接收頻率為f的下行信號，經(jīng)過增益為G的直放站放大后，由重發(fā)天線發(fā)出去。一部分信號再經(jīng)過重發(fā)天線的后瓣（付瓣）耦合到施主天線的后瓣（付瓣），再由直放站放大。這樣無線同頻直放站就形成一個潛在的正反饋環(huán)路，產(chǎn)生自激，帶來下行干擾。直放站自激時，輕則是直放站的覆蓋區(qū)通話音質(zhì)變差，接通率下降，掉話率上升;嚴重時使施主基站和其周圍的基站發(fā)生癱瘓。

直放站天線間的隔離度取決于直放站下行增益的取值，決不可以超過恰好不發(fā)生自激時的隔離度系數(shù)。按照GSM規(guī)范03.30的要求，當該環(huán)路滿足隔離度F>G+15dB（F:隔離度;G:直放站下行增益）時，直放站才能穩(wěn)定工作，不會產(chǎn)生自激。

在實際工程中，一般采用下面簡化公式對隔離度進行估算，圖3是在建筑物上架設的直放站天線，此時天線的隔離度為:

ISO = F/Bo + Lw + F/BP + PL （3）

其中: F/Bo為直放站施主天線的前后比;Lw為隔離物帶來的損耗;F/BP為直放站(轉)重發(fā)天線的前后比;PL為自由空間傳播損耗。

可以看出，影響直放站施主天線與重發(fā)天線隔離度的因素主要有以下幾種:

① 天線前后比，由天線本身決定的;② 施主天線與重發(fā)天線之間自然或人為障礙引起的衰減;③ 施主天線與重發(fā)天線間的距離及高度差引起的空間傳輸損耗。

在實際的工程設計中，最好是能通過現(xiàn)場測量以決定天線的安裝位置是否達到所需的隔離度。

對天線水平、垂直隔離度的計算，如圖4、圖5所示可采用以下估算公式。

天線垂直隔離度的估算公式:

AV=47.3+40*10lgd dB (900 MHz)

AV=59.3+40*10lgd dB (1800 MHz)

其中，d為施主與重發(fā)天線之間距離， Gt和Gr是在兩天線連線方向的相對主瓣的增益,若兩天線背靠背放置，則Gt和Gr是天線的前后比。

若水平隔離與垂直隔離同時存在，則總隔離度可用下式進行估算: AS=(AV-AH)α/90+AH。其中: Av代表垂直隔離度;AH代表水平隔離度;α代表天線間的夾角，如圖6所示。

從以上的分析可以看出，避免下行干擾的主要措施是增大直放站隔離度。一般采用以下方式增大施主天線和重發(fā)天線間隔離度: ①采用前后比大的天線;②采用旁瓣抑制比大的天線;③增大兩天線安裝距離及高度差;④安裝天線時，兩天線盡量背對背并利用隔離網(wǎng)或建筑物隔離兩天線。 {{分頁}}

2.3 直放站引入后對本系統(tǒng)鄰區(qū)的干擾分析

直放站引入系統(tǒng)后，擴展了基站的覆蓋范圍，但是可能會在局部破壞了原先的網(wǎng)絡規(guī)劃，引起鄰區(qū)重疊混淆；同時擴大了覆蓋范圍也易增加多徑干擾。

對于GSM系統(tǒng)，直放站覆蓋區(qū)可能會與其他非施主小區(qū)重疊覆蓋，特別是在采用緊密復用網(wǎng)絡規(guī)劃的區(qū)域，更易產(chǎn)生同、鄰頻干擾的現(xiàn)象，需重新配置相應的鄰區(qū)關系，以避免干擾。

產(chǎn)生同、鄰頻干擾的解決辦法有: ①直放站是對網(wǎng)絡中一個扇區(qū)信號的放大，因此規(guī)劃時應納入整網(wǎng)中來考慮，需重新配置相應的鄰區(qū)關系;②對于光纖直放站，由于是直接從基站耦合信號不會引入其他無用信號，其在規(guī)劃中主要考慮目標覆蓋區(qū)同周圍其他基站的信號配合與交疊，避免干擾問題。

對于CDMA系統(tǒng)，直放站規(guī)劃不當可能會引入導頻混淆或污染，造成話音質(zhì)量差或掉話等問題。因此在規(guī)劃設計階段，應該根據(jù)覆蓋區(qū)域周圍基站的分布，對所有基站根據(jù)距離計算PN變化量和信號強度，由此判斷是否會產(chǎn)生PN混淆或導頻污染。

導頻混淆發(fā)生后的解決辦法有:①調(diào)整引起導頻混淆的小區(qū)的天線;②修改小區(qū)的導頻配置。

特別應引起重視的是,很多干擾的產(chǎn)生是采用直放站接入方式的室內(nèi)分布系統(tǒng)沒有嚴格控制對室外網(wǎng)絡的影響，如功率、天線位置及天線方向不當造成信號泄漏到室外。

直放站引入系統(tǒng)后，必須把它作為一個與基站等同的網(wǎng)元來看待，從系統(tǒng)的角度全面考慮與鄰區(qū)基站的相互關系，并控制好覆蓋區(qū)域，避免干擾。

2.4 直放站引入后對異系統(tǒng)的干擾分析

分析不同系統(tǒng)的干擾，需根據(jù)兩者頻率的關系及發(fā)射、接收特性來具體研究其干擾情況，干擾主要表現(xiàn)在雜散干擾、阻塞干擾和互調(diào)干擾三個方面。產(chǎn)生干擾的原因就是站址之間的天線隔離度不夠，這里講的天線隔離度指的是同置站天線終端間的路徑損失，即從干擾站發(fā)單元輸出端口到被干擾站收單元輸入端口的路徑損失。它體現(xiàn)空間傳輸損耗和兩個站有效天線增益的綜合作用。

直放站引入后，同樣也會對周邊其他系統(tǒng)的基站造成干擾影響，特別是CDMA直放站引入后對GSM系統(tǒng)的干擾問題比較嚴重。

從圖7可以看到中國聯(lián)通CDMA與GSM900系統(tǒng)所使用的頻段。GSM900的下行頻段為930～960 MHz，與CDMA的上行頻段825～835 MHz相差較遠，加上CDMA采用擴頻技術，抗干擾能力強，因此900 MHz GSM對800 MHz CDMA的干擾影響很小;中國聯(lián)通CDMA系統(tǒng)發(fā)射頻段為870～880 MHz，與中國移動GSM900系統(tǒng)的接收頻段885～909 MHz最小只相差5 MHz，如果設置不當，會產(chǎn)生較嚴重的干擾。因此800 MHz CDMA與900 MHz GSM間的互干擾主要體現(xiàn)在CDMA系統(tǒng)對GSM系統(tǒng)的干擾上。下面以中國聯(lián)通cdma2000 lx對中國移動GSM900 MHz的雜散干擾為例來進行分析。

CDMA直放站與GSM基站共站址，假設直放站的輸出功率為5W，直放站的雙工濾波器帶寬為870～880 MHz，濾波特性為60 dB，滿足信部無[2001]306號通知《800 MHzCDMA移動通信直放站技術指標》中關于帶外雜散的要求：每頻帶Δf>1.98 MHz≤-60 dBc/30 kHz，即在1.25 MHz信道帶寬以外信號衰減大于60 dB，按GSM技術體制要求，GSM接收機的雜散上限為-123 dBm。

其中:IRX為被干擾基站接收天線端接收到的干擾電平(dBm)，PTX_AMP為直放站功放輸出端額定最大載波功率電平(dBm)，PTX_REJ為發(fā)濾波器帶外抑制衰減，espurious為兩站天線間的隔離度(dB)，WRX為被干擾系統(tǒng)的信道帶寬，WTX為干擾信號的可測帶寬(也可以理解成雜散輻射定義帶寬)。

再根據(jù)上面的天線水平、垂直隔離度估算公式可得天線水平、垂直隔離距離。

分析表明，為了減小CDMA直放站對GSM的干擾，可以采用以下措施:①采用合適的空間隔離;②引入的直放站要盡量使用選頻、窄頻直放站，采用線性功放，提高發(fā)送濾波器的性能，降低落在GSM900 MHz頻段的雜散，同時注意如功率、天線位置及方向的控制;③增加室內(nèi)分布系統(tǒng)時要嚴格控制對室外周邊網(wǎng)絡的影響，防止信號泄漏到室外。

只有嚴格按照技術規(guī)范，特別是信部無[2002]65號通知的精神，加強對直放站使用及CDMA系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)共站設置的管理，并且不同的運營商之間要加強溝通及協(xié)調(diào)。從而直放站引入后對其他系統(tǒng)的干擾，如聯(lián)通CDMA直放站對移動GSM的干擾問題是可以克服的。

2.5 非法寬頻直放站的干擾分析

在深圳，由于存在大量的城中村（樓房密集、間距小），電波傳播損耗大，存在很多通信盲區(qū)，一些村民未經(jīng)批準擅自設置使用了價格便宜的劣質(zhì)寬頻直放站，有的方圓不到1公里的城中村就安裝了幾十臺劣質(zhì)寬頻直放站。據(jù)我站對近兩年來移動通信網(wǎng)的干擾排查結果的統(tǒng)計表明，未經(jīng)批準設置寬頻直放站的情況非常嚴重，給公眾移動通信網(wǎng)帶來嚴重的干擾，嚴重惡化了公眾移動通信頻段的電磁環(huán)境，使用戶手機掉線或無法接通的現(xiàn)象大量發(fā)生。

寬頻直放站為什么會給公眾移動通信網(wǎng)帶來嚴重的干擾？這是由于寬頻直放站大多對信號進行大功率全頻段放大，并且它無需高Ｑ值濾波器，與專用選頻放大器相比，價格要便宜得多。它對公眾移動通信系統(tǒng)造成的不良影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局在(1999)62號文中明確規(guī)定了直放站的頻段、功率、雜散、互調(diào)四項技術指標。其中選頻直放站的輸出功率不大于30W，寬頻直放站的輸出功率不大于50mW。但是根據(jù)無線電管理部門實際排查檢測統(tǒng)計，寬頻直放站的功率大都在1W左右，遠遠超出了規(guī)定指標。由于對周圍接收的手機、基站信號全段放大，必然產(chǎn)生許多互調(diào)分量，特別是下行功率超標時，會引起附近使用的手機噪聲干擾增大，掉線頻繁。②由于劣質(zhì)寬頻直放站的發(fā)射功率特別是上行功率是不能自動調(diào)整，從而難以保證到達基站接收端的電平均衡，往往會造成阻塞干擾。③劣質(zhì)寬頻直放站大都無濾波器或濾波器性能不良，易將鄰頻的無用信號也同時放大，使得周邊的干擾電平大幅提高，造成手機用戶難以正常使用。{{分頁}}

要徹底清除非法寬頻直放站，不僅需要無線電管理部門加強無線電管理和宣傳，加大排查干擾的力度，更主要的是運營商要不斷改善網(wǎng)絡覆蓋，消除盲區(qū)。

案例研究

3.1 案例展示

案例1 我監(jiān)測站接到中國移動的干擾投訴:其在市中心某GSM基站受到干擾，手機在這一區(qū)域掉線率很高。用頻譜測在基站樓頂測得一個寬帶噪聲信號，頻段為890～909 MHz，頻段底噪強度為-93 dBm。經(jīng)過干擾源定位搜索，確定干擾信號是中國移動安裝在基站東北面約800米處的樓頂?shù)闹狈耪井a(chǎn)生的。關閉該直放站后，話務統(tǒng)計，干擾指標恢復正常。經(jīng)分析該直放站原先與受干擾的施主基站之間有樓房相隔，但該片樓房舊村改造剛被拆除造成直放站與基站之間的空中耦合衰耗減小，使得施主基站的底噪抬高所致。

案例2 2004年5月，中國移動羅湖有三個基站受到干擾，其中基站A極為嚴重。根據(jù)提供的OMC統(tǒng)計的RSSI，觀察到基站A的第一扇區(qū)M1和第二扇區(qū)M2存在干擾，且干擾較強。經(jīng)過干擾源定向測試，在基站A天線底下測得兩個寬帶干擾信號，一個干擾信號在865～902 MHz，最大信號強度達-68 dBm，方向指向同一棟樓頂20米處的聯(lián)通CDMA直放站。在聯(lián)通的技術人員關閉聯(lián)通直放站后，第一個干擾信號消失，M1扇區(qū)的干擾指標變好，但M2扇區(qū)的干擾沒有改變;再次定向測試，方向指向正西面的黃貝村，頻率范圍為885～930 MHz，強度為-98 dBm。經(jīng)過搜索，確定干擾信號是黃貝村61號、154號、198號、201號、212號、214號樓頂私自安裝的直放站產(chǎn)生的。其他兩個基站受到干擾也是來自這些直放站。拆除這些直放站后，干擾消失。這表明基站A的第一扇區(qū)M1與聯(lián)通直放站空間隔離不夠，加上聯(lián)通直放站濾波器性能變差而造成共站干擾。此案例既有CDMA直放站對GSM的干擾，也有來自非法寬頻直放站的干擾。

案例3 2004年12月我檢測站接到中國聯(lián)通分公司的投訴:南山區(qū)多個聯(lián)通GSM基站近期出現(xiàn)了大范圍干擾。在干擾較為嚴重的基站用頻譜儀測得一寬帶信號，頻率為954～964 MHz，最大強度達-76 dBm的下行干擾信號。經(jīng)過干擾源定位搜索，確定干擾信號是聯(lián)通公司剛安裝在華僑城某酒店樓頂還未驗收的直放站發(fā)出。原因是在安裝該直放站時，沒有進行嚴格調(diào)測，直放站出現(xiàn)自激，并且所處地形較高，對周邊基站產(chǎn)生了較大范圍的干擾。

3.2案例分析總結

從以上分析可以看到，要想減少直放站對公眾移動通信系統(tǒng)的干擾影響，必須規(guī)范直放站的使用，這需要各方面的努力。

作為無線電管理部門，要做好以下幾點:①加強無線電管理和宣傳，加大排查非法使用寬頻直放站的力度;②嚴肅審批制度，對直放站功率、帶寬、雜散、互調(diào)等指標嚴格把關;③建立規(guī)范、健全的直放站臺站資料數(shù)據(jù)庫，以便在遇到干擾時，能快速地調(diào)閱資料，縮短查處干擾源的時間。

對于移動通信各運營商要做好以下幾點:①嚴格按技術規(guī)范對直放站進行使用;②在架設直放站前，一定要做好站址的電磁兼容分析，嚴格按信部無[2002]65號通知的要求進行共站設置，避免相互間產(chǎn)生干擾;③加強對新設備的檢測和對老設備的定期巡檢，以及時消除設備自身技術指標超標所引起的干擾隱患;④要不斷改善網(wǎng)絡覆蓋，消除盲區(qū)，從根本上消除非法寬頻直放站的使用。

參考文獻

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[2] 華為.《GSM無線網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化》. 人民郵電出版社

[3] 中興.《CDMA網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化》. 電子工業(yè)出版社

[4] 深圳無線電管理辦公室.《無線電管理文件匯編》