地铁环境中多网通信共存的干扰分析

贾连志 师 煜

(1.南昌轨道交通集团有限公司，330038，南昌;2.华东交通大学信息工程学院，330013，南昌;3.中铁通信信号勘测设计(北京)有限公司，100036，北京∥第一作者，工程师、硕士研究生)

不同移动制式信源主体产生信号的机理不同，按照信号产生的原因或来源干扰一般分为杂散干扰和互调干扰(也称组合干扰)。前者是由于系统本身的不完善性造成的在必要带宽之外某个或某些频率的发射，对频谱的其他用户造成干扰;后者是系统内部的有用信号在单个系统或多个系统间相互作用而产生的不需要的干扰分量。根据造成的后果干扰一般分为杂散干扰、互调干扰、阻塞干扰。一般干扰会造成系统接收灵敏度降低、减小系统覆盖范围，相应地影响系统的通信质量，严重时将阻塞系统接收，造成系统瘫痪，形成阻塞。因此有必要对地铁环境中不同制式下多网共存的通信系统间的干扰进行分析。

1 干扰的种类分析

1.1 杂散干扰

杂散干扰主要是指由于发射机的滤波特性不好，而使一些二次和三次谐波分量在发射机输出极输出，产生杂波辐射信号。另外，如果发射机的技术指标不合格也会使以载波为中心的噪声分布相当宽，在几兆赫兹的频带内造成干扰。包括Tx和Rx频带杂散、交叉频带杂散和带外杂散。

1.1.1 Tx和 Rx频带杂散

Tx频带杂散是指落入各个通信系统Tx频带的杂散信号。Rx频带杂散是发射机向Rx频带发射杂散信号，其大小关系到Tx杂散不会“阻塞”或者说使相邻信道接收机的灵敏度降低。表1为各系统的Tx和Rx频带。

表1 各系统的Tx和Rx频带 MHz

1.1.2 交叉频带杂散

在我国，CDMA 800和GSM 900是并存的，包括新推出的第三代(3G)通信系统。基于此，ETSI 3GPP标准需要规范交叉频带性能以确保发射机向各个系统接收频带辐射最小的能量。为避免相互干扰，我国无线电管理委员会制定了相应的规范。

1.1.3 带外杂散信号

带外杂散信号是覆盖100 kHz到12.75 GHz这一很大频率范围的一系列频谱。

1.2 互调干扰

互调干扰主要是由系统设备中的非线性引起的，由于非有用信号混入而造成的干扰。互调干扰又分为发射机互调干扰和接收机互调干扰。发射机互调干扰是多部发射机信号落入另一部发射机，并在此末级功放的非线性作用下相互调制，产生不需要的组合频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰。接收机互调干扰是当多个强信号同时进入接收机时，在接收机前端非线性电路作用下产生互调频率，互调频率落入接收机频带内造成的干扰。

1.3 阻塞干扰

阻塞干扰是指当接收微弱的有用信号时，受到接收频率两旁、高频回路带内一强干扰信号的干扰。轻则降低接收灵敏度，重则造成接收机饱和，通信中断。阻塞干扰在于邻近频率的强干扰信号进入了接收机而造成接收机的信道阻塞。表2为GSM移动台的阻塞特性。其中，f为信号接受频率，fo为f的邻近频率。

表2 GSM移动台的阻塞特性

WCDMA 的阻塞特性参考3GPP TS25.104V 3.8.0，在输入有用信号业务信道功率为－114 dBm/3.84 MHz时，频偏10 MHz，阻塞电平 －51 dBm;频偏15 MHz，阻塞电平－39 dBm。阻塞干扰指标远远低于杂散或互调干扰指标要求。这反过来证明，只要杂散影响满足系统要求，系统也就满足阻塞要求，因此在以后的干扰分析中重点分析杂散和互调干扰的影响。

2 干扰对系统的影响

互调干扰和杂散干扰对系统的影响主要是造成灵敏度降低。灵敏度是接收机性能的基本指标，规范了在给定的解调信息错误百分比下最小的接收信号电平。干扰对系统的影响与系统的特性有关。信道内、信道外和频带外等3个频率区域的性能是十分关键的(见图1)。

图1 信道内、信道外和频带外三个频率区域示意图

(1)信道内同频干扰:凡是无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频道有用信号的接收机造成干扰的都称为同频干扰。

(2)信道外邻频道干扰:干扰台邻频道功率落入接收邻频道接收机通带内造成的干扰。

(3)带外干扰:发射机的谐波或杂散辐射在接收有用信号的通带内造成的干扰。给无线电频谱的非本系统用户(如军事、公安、航空等)也带来了干扰。所有其他的杂散信号(谐波、宽带信号等)都包含在这一项里。

3 灵敏度分析

本文所涉及的无线通信系统，种类不同，各有特点，抗干扰性能各不相同，以下从灵敏度等指标对其进行分析。

GSM系统均采用0.3 GMSK(高斯最小频移键控)调制技术，FDD/TDMA复用，基站接收灵敏度一般为－106 dBm左右。呼叫质量用载波干扰保护比表示。

同频干扰保护比:C/I≥12 dB(不开跳频);C/I≥9B(开跳频)。

邻频干扰保护比:200 kHz邻频干扰保护比，C/I≥ －6 dB。

相对于GSM系统，CDMA系统的抗干扰性要强一些。CDMA系统是一个扩频系统。扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。

窄带信号通过采用专门的代码扩展，经过扩频技术，任何出现在信道中的干扰，在接收端都被降低G=Bss/B倍，称为处理增益。Bss为扩频后的信号带宽，B为扩频前信号带宽。对于EIA/TIA—1995－B标准，处理增益为 10 lg(1.23/0.009 6)=21 dB。CDMA信号在传输中要经受强干扰，主要是来自相同小区其他用户的干扰和来自相邻小区的干扰。总干扰还包括本底噪声和其它寄生信号。当信号被接收时，相关器恢复所需要的信号，抑制干扰。相关器使用处理增益把需要的信号从噪声中恢复。CDMA扩频调制解调原理框图如图2所示。

图2 CDMA扩频调制解调原理框图

CDMA呼叫质量用每比特能量与干扰功率密度比来表示，要求Ec/Io≥－10 dB系统的接收灵敏度可达－116 dBm。

4 热噪声分析

多种频段信号进入一套分布系统后，单一系统的杂散信号和若干系统的互调信号将可能干扰另外的通信系统，不仅影响系统通信效果，严重时将阻塞基站，使受干扰系统瘫痪。

热噪声是任何通信系统都会面临的噪声干扰。电路中热噪声是通信系统设计中熟知的干扰源，是由导体中载流子的热随机振动引起的，本质是“电荷的布朗运动”。热噪声公式:N=kTB，其中k是波尔兹曼常数，单位:J/K;T是环境温度，单位:K;B是测量系统带宽，单位:Hz。

由于热噪声特性决定其噪声功率谱密度是一常数，与频率无关，因此也叫白噪声。并且，在通信链路中噪声功率和所要求的信号功率一起线性增加，从而会降低接收系统的灵敏度。如对一具有20 dB增益的通信链路，噪声功率同样会上升20 dB;如对一具有20 dB衰减的通信链路，噪声功率会下降，但不会低于自然环境下热噪声电平。

N0=kTB=－174 dBm/Hz，将常量代入公式可以简化为:

下面给出了各种移动通信系统的热噪声电平计算结果:

(1)GSM系统工作信道带宽为200 kHz，因此，由式(1)，GSM、DCS 1800系统工作信道带宽内总的热噪声功率Pn1=－121 dBm。

(2)CDMA系统工作信道带宽为1.23 MHz，因此，由式(1)，CDMA系统工作信道带宽内总的热噪声功率Pn2=－113 dBm。

(3)TD-SCDMA系统工作信道带宽为1.28×(1+α)MHz(TD-SCDMA系统一个频道的带宽，α为基带成型滤波器的滚降系数，α=0.22)，因此，由式(1)，TD-SCDMA系统工作信道带宽内总的热噪声功率Pn3=－112 dBm。

(4)WCDMA系统工作信道带宽为 3.84×(1+α)MHz(WCDMA系统一个频道的带宽)，因此，由式(1)，WCDMA系统工作信道带宽内总的热噪声功率Pn4=－107 dBm。

5 系统噪声分析

由于区间的狭长和系统信号的衰减，对于有些区间不可避免地需要使用有源中继设备作为补充。目前3G、WLAN及2G系统在中继设备的选用上是有所区别的，由此，各系统产生噪声的机理也是不同的，分述如下。

5.1 3G、WLAN系统噪声分析

3G系统主要采用RRU(射频拉远单元)作为区间的补充方式。RRU采用基带处理模式，将上下行的射频信号转化为基带I/Q两路信号，并馈入上下行专用光纤分别传输，不会产生射频噪声的积累与叠加。故不会给系统的链路带来噪声的积累。

WLAN系统作用机理与3G系统相似，故同样不会给系统的链路带来噪声的积累。

5.2 2G系统噪声分析

2G系统主要采用光纤直放站作为区间的补充方式。光纤直放站是将基站的射频信号转化为光信号后，通过单独的光纤传输，在远端再将信号恢复成无线信号。在这个过程中会产生噪声。以下对GSM和CDMA系统分析如下:

(1)直放站的噪声到达基站接收机输入端的等效热噪声电平Nin=kTB+NFrep+Grep－LEDP。其中:NFrep为直放站噪声系数;Grep为直放站增益;LEDP为有效路径损耗。

(2)基站接收机等效热噪声电平Nbts=kTB+NFbts。NFbts为基站接收机噪声系数。

(3)基站接收机等效热噪声电平升高ΔNROT=10 lg［(Nbts+Nin)/Nbts］。

图3 基站的热噪声提升与噪声注入余量的关系

图3为基站的热噪声提升与噪声注入余量的关系图。从图3及以上的公式可以看出:基站接收机输入端热噪声的增加量ΔNROT决定了直放站反向链路对主基站反向链路的影响，即Nin值越大，则直放站在主基站接收端引起的噪声增加量ΔNROT越小，反之则越大。而Nin直接取决于直放站反向链路增益Grep，若Grep值越大，则Nin越小，导致ΔNROT增大，使得主基站接收灵敏度降低。若Grep值越小，则Nin越大，此时ΔNROT增加不大，对主基站接收灵敏度无明显影响，但直放站的覆盖范围会变小。通常当Grep比LEDP减NFrep小时，直放站对基站的影响比较小，此时直放站的输出功率应比基站功率低。综合考虑接收机接收灵敏度、基站覆盖范围和直放站覆盖范围这3个因素，在实际应用中可以通过调整直放站反向链路增益来达到最优化的目的。

6 杂散干扰

由于是无源系统，系统本身不产生任何杂散发射。作为发射信号设备的基站，其杂散发射特性应满足国家制定的相关标准规范。根据国家无线电管理委员会、信息产业部的要求和相关国际、国内标准，对GSM、CDMA、WCDMA系统设备杂散干扰指标要求如表3所示。

表3 设备杂散干扰指标要求

从表3中可以看出，对CDMA网络设备杂散指标要求较GSM网络设备高。

引入众多的无线通信系统，必然会产生信号相互的干扰。根据上述分析，CDMA是一个扩频系统，所以抗干扰能力很强，一般情况GSM系统对其干扰很小;相反，GSM相比CDMA其抗干扰能力弱。由于CDMA与GSM从频段分配上更为接近，于是问题主要集中在CDMA系统对GSM系统的干扰上。

GSM 900和CDMA 800的频段划分。CDMA的发射频段距离GSM的接收频段最小只有5 MHz的间隔(CDMA 880 MHz，GSM 885 MHz)，在两系统临界处CDMA为基站下行发射，功率较大，GSM为上行接收，CDMA基站发射通道的带外杂散信号很容易落在GSM基站的接收通道内。杂散干扰与CDMA系统目前在885 MHz附近的带外发射有关，这是接收方(GSM系统)自身无法克服的，抬高了GSM基站接收噪声的电平，使系统灵敏度降低，影响GSM网络覆盖，将导致GSM系统信噪比下降，服务质量恶化甚至阻塞基站。

根据前面热噪声的分析，常温下(27℃)热噪声功率为－174 dBm/Hz，GSM技术体制下信道宽度(200 kHz)内的热噪声功率为－121 dBm。假设基站噪声系数为2 dB，可推算基站输入端固有等效噪声功率为－119 dBm。为了不对基站接收灵敏度造成影响，希望基站接收的上行信号底部噪声应为这个值的1/10，即≤－129 dBm，相当基站接收灵敏度恶化0.4 dB。热噪声对系统的恶化影响主要与使用有源设备有关。

即使分布系统全部采用无源结构设计，杂散干扰仍然会影响整个通信系统正常工作，因此必须提高分布系统对引入不同无线信号的隔离度指标。

7 互调干扰

电路的非线性特性是造成互调干扰的根本原因。当几个不同频率信号同时加入一非线性网络，会产生各种频率组合成分，若这些组合频率正好落在某一频段并为接收机接收，便造成组合频率干扰。互调组合将产生很多干扰频率，根据互调干扰产生的机理，可将影响因素分为3种:存在非线性部件;输入信号频率满足其组合频率能落入接收频段;输入信号幅度足够大就产生幅度较大的干扰成分。后两种影响因素是由蜂窝基站或引入信源系统具体情况确定的，与分布系统无关，因此设计的要点就是如何改善和提高系统的线性度，从而改善系统本身的互调指标。另一点就是如何通过合理设计，提高系统的收发隔离度，降低互调信号进入接收通道的强度。

根据本文介绍的引入信号种类，分析并列出所有可能的二阶和三阶组合频率，其中部分落入接收系统频段的组合频率便构成组合频率干扰。更高阶数的组合频率同样存在，但由于其功率电平分量远远小于二阶和三阶分量，可忽略不计。

7.1 二阶组合频率列表分析

二阶互调干扰的结果主要表现为移动通信接收系统将受影响，降低系统接收灵敏度，信噪比下降和服务质量恶化，更加严重的甚至让接收机饱和而无法工作，整个系统因此瘫痪。二阶组合干扰如图4所示。

图4 二阶组合干扰

图4中有底色的部分就是能产生干扰的信号。如果是上、下行分开(GSM，CDMA，3G(FDD))的系统，因为增加了空间的隔离度，所以不会造成干扰。

7.2 三阶组合频率列表分析

三阶组合干扰表如表4所示。三阶互调干扰的结果主要表现为移动通信接收系统将受影响，降低系统接收灵敏度，信噪比下降和服务质量恶化，更加严重的甚至让接收机饱和而无法工作，整个系统因此瘫痪。

表4 三阶组合干扰表

［1］黄标，彭木根，王文博.第三代移动通信系统干扰共存研究［J］.电信科学，2004(7):326.

［2］黄标.第三代移动通信系统频率使用的研究［J］.中国无线电，2004(8):16.

［3］苏华鸿，孙儒石，薛锋章.蜂窝移动通信射频工程［M］.北京:人民邮电出版社，2007.