FDD 1 800室分接收底噪不达标问题研究

吴德胜，刘鹏程，刘立洋（.中国移动通信集团山东有限公司，山东济南 5000；.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 00080）

0 引言

FDD 引入之后，4G网络的不同制式不同频段在上下行覆盖能力和容量方面存在较大差异，多频段、多制式共存对网络优化带来极大挑战。FDD 1 800 MHz能够弥补TD-LTE 上行能力不足的短板，同时也是TD-LTE 网络容量的有效补充。为提升室内用户感知，部分区域在室分系统E 频段基础上引入了FDD 1 800 MHz 补充容量。将FDD 1 800 MHz 合路至原室分系统后，个别区域出现了FDD 1 800 MHz 室分底噪异常抬升的问题，影响了现网4G用户感知。

本文针对FDD 1 800 室分接收底噪不达标问题，以室分无源器件性能指标为切入点，重点关注无源互调抑制度和功率容量2 项关键指标，深入分析了干扰产生的原因，结合现网无源器件性能现状，提出了高性能器件与一般器件相结合的干扰问题解决方案，通过高性能器件替换和功率容限合理制定，有效解决了底噪不达标问题，既保障了用户感知，又减少了器件更换和改造成本。

1 FDD 1 800室分系统构架及元器件

1.1 某FDD 1 800室分合路建设构架

某FDD 1 800 室分系统中，TDD E 频段配置2 个20 MHz 载波，频点分别为2 320～2 340 MHz 和2 340～2 360 MHz，单载波发射功率为46 dBm。新增FDD 1 800频段配置为15 MHz 载波，频点为1 805～1 820 MHz，载波发射功率为47.7 dBm。该FDD 1 800 室分系统合路建设构架如图1所示。

图1 室内分布系统构架示意图

1.2 室分系统无源器件及性能影响分析

FDD 1 800 室分合路建设中，其覆盖单元包括多频合路器、三功分器、耦合器及室内天线等。射频信号经过室分系统的器件、线缆后会产生一定的开销损耗。一般来说，多频合路器损耗约0.5 dBc，每段连接射频电缆损耗约0.5 dBc，三功分器损耗约5 dBc，耦合器直通端的损耗约0.5 dBc，如表1所示。

室分系统无源器件的关键性能指标包括互调抑制、功率容量、插损、隔离度以及驻波比等，其中对干扰影响最大的关键指标为互调抑制和功率容量。

a）互调抑制。无源互调是射频信号路径中2个或多个射频信号因各种无源器件的非线性特性引起的混频干扰信号。在大功率、多信道系统中，铁磁材料、金属氧化物接点和松散的射频连接器都会产生信号的混频，其最终结果就是PIM（Passive Inter-Modulation）干扰信号。互调产物的大小取决于器件的互调抑制度。互调抑制度越差，互调产物越大；互调抑制度越好，互调产物越小、互调产物的大小还和输入信号的功率密切相关。在相同的互调抑制度情况下，输入功率越大，互调产物越大。一般取三阶互调来衡量互调水平，三阶互调越高，五阶互调也越高。

表1 室内分布系统主要器件信号损耗表

b）功率容量。无源器件功率容量指标包括平均功率和峰值功率。平均功率指信号持续不断加到器件上的功率，会引起器件发热，导致器件老化、变形等损坏。峰值功率是指多载波工作时，产生极高的瞬间电磁场导致电压飞弧现象，使器件损坏。平均功率容量和峰值功率容量指不产生上述损坏所容许通过的功率。当器件输入极限功率时，自身热耗导致温度升高，温度升高导致损耗增大，一般情况下，当无源器件损耗增加1倍（损耗小于1 dB）或增加1 dB时的允许输入的最大功率，即为无源器件的极限功率容量。室内分布系统无源部件的功率容量一般是指环境温度为+65℃时部件所能承受的最大功率。功率容量是网络干扰的直接体现，对网络的可靠性有直接影响。无源器件的功率容量不达标表现为输入信号超出器件承受值后，会产生上行宽频的脉冲噪声（飞弧噪声），对系统产生宽带的上行干扰，严重情况下器件直接打火烧坏。就平均功率而言，当输入信号的平均功率超出器件平均功率容量，将抬升网络底噪，产生上行干扰。峰值功率更易产生飞弧和打火。器件的工艺、毛刺都会产生瞬间打火现象，往往有效功率尚未进入器件功率容限时，因峰值功率的影响，器件已进入瞬间脉冲造成的打火引发区间，直接表现在器件所涉及的工作区域内出现无规则脉冲噪声。

2 FDD 1 800室分底噪不达标原因分析

2.1 FDD-LTE和TDD-LTE互调干扰分析

2.1.1 无源器件产生互调杂散的原理

无源器件的理想状态，即负载驻波比为1的状态，以功率放大器为例，当放大器输入一个理想的单音信号时，输出信号除了基波外，还会产生2，3，4……次谐波，也就是说输出信号是基波和多次谐波的矢量叠加值。当放大器输入2 个单音信号时，其频率分别为f1和f2，它的输出仍然是2个单音信号以及它们多次谐波的矢量叠加。

对于实际的工程器件，驻波比根本不可能等于1，这样经过负载反射回到放大器的2次谐波和基波混频就会产生多个互调杂散频率信号。f1的基波和f2的2次谐波2f2反射信号，混频就会产生一个三阶互调杂散频率信号，这个频率为2f2-f1；f2的基波和f1的2 次谐波2f1反射信号，混频就会产生一个三阶互调杂散频率信号，这个频率为2f1-f2。负载反射的f1的3次谐波和f2的2 次谐波混频就会产生5 阶互调杂散频率信号3f1-2f2；负载反射的f2的3次谐波和f1的2次谐波混频就会产生5阶互调杂散频率信号3f1-2f2。

对于放大器，假设其输入双音信号功率为P1=P2=P0，在这个输入功率下测试到的某装置或部件3 阶互调指标为PIM30（dBc），当输入双音信号功率为P1=P2==Px，此时，PIM3x和PIM30的关系为PIM30+2（Px-P0），当Px值比P0值高时，PIM3x就比PIM30差，假设功率大1 dBc，互调指标就会下降2 dBc；PIM3（dBm）和PIM3（dBc）的关系为PIM3（dBm）=P+PIM3（dBc），假设输入双音信号功率增加1 dBc，互调杂散绝对功率值则抬升3 dBc。

2.1.2 FDD-LTE和TDD-LTE跨频段互调干扰分析

TDD-LTE 3 次谐波频率范围为6 960～7 020 MHz和7 020～7 080 MHz。TDD-LTE 3 次谐波经过负载反射后混频后的差拍频率为0～120 MHz。

0～120 MHz 差拍频率经过负载发射后再和FDDLTE 的1 805～1 820 MHz 混频后产生的杂散频率范围为1 685～1 820 MHz，其中和FDD-LTE 的1 710～1 725 MHz 接收频率重合可能会导致底噪抬升。假设部件驻波比为1.3，其回波损耗为-17.6 dBc，加上混频增益-7～-8 dBc，0～120 MHz 差拍信号幅度比三阶互调PIM3大约低25 dBc。

0～120 MHz 3 次谐波差拍频率经过再次反射后产生的FDD-LTE 和FDD-LTE 跨频段混频产物为1 685～1 820 MHz，杂散比PIM3杂散产物大约低50 dBc。

2.1.3 FDD-LTE频段内发射载波互调干扰分析

FDD-LTE 工作在1 800 MHz 频段内，其中发射和接收频点之间的间隔为95 MHz，将配置的发射载波频率跨度设为W，当95/2=47.5 MHz≤W≤75 MHz 时，PIM3会和接收频点重合导致接收底噪抬升；当95/3=31.67 MHz≤W≤47.5 MHz 时，PIM5 会和接收频点重合导致接收底噪抬升。FDD-LTE 1 800 MHz 的配置带为15 MHz，大于95/7=13.57 MHz 且小于95/6=15.83 MHz；LTE 15 MHz 的PIM13 杂散频点1 715～1 725 MHz 会和1 800 MHz接收频点重合。

一般而言PIM5=PIM3-10；PIM7=PIM5-10=PIM3-20；PIM9=PIM7-5=PIM3-25，高阶互调大约比PIM3 低30～35 dBc。由此可见，FDD-LTE 1 800 MHz 发射产生的PIM13 杂散是影响FDD-LTE 接收底噪抬升的主要因素。

2.1.4 FDD-LTE发射对接收底噪的抬升值估计

TDD-LTE 每载波发射功率为40 W，FDD-LTE 发射功率为60 W，总共3载波，每载波功率（40+40+60）/3=46.67 W。预计互调杂散对接收底噪抬升时，+46.69 dBm 估计室分系统PIM13 杂散相对值，47.7 dBm 预计PIM13绝对值比较准确。

室分系统产生互调杂散干扰主要是多频合路器和三路功分器，功分器后器件输入功率较小，可以忽略不计。多频合路器产生的互调杂散绝对值为：47.7-（160-2×（46.7-43））=-104.9 dBm/15 MHz=-123.65 dBm/Rb。三路功分器产生的互调杂散绝对值为：46.7-（150-2×（45.69-43））=-97.9 dBm/15 MHz=-116.67 dBm/RB。

输入功率增大1 倍，PIM3 相对值恶化2 dBc，这是功率放大器在非线性区估算互调指标的一般规律，对于不同的功放个体会存在一定的偏差，特别是当实际输入功率比测试PIM3参数时输入功率大时，会出现较大的偏差，实际功率比测试PIM3指标时的功率差值越大，偏差越大。对于无源器件也有相同的问题，甚至偏差还会更大。因此，根据经验必须对理论结果进行校准，对于多频合路器，PIM15 导致的FDD-LTE 接收底噪抬升值为-117 dBm/RB 较为合理；三路功分器为-111 dBm/RB比较合理。

多频合路器和三路功分器PIM15杂散叠加后的值为-110 dBm/RB。

2.1.5 TDD-LTE载波关断对FDD-LTE 底噪的影响

TDD-LTE 载波关断前多频合路器，三路功分器输入功率分别为：3×46.69 dBm 和3×45.69 dBm，TDDLTE 载波关断后总功率分别为：2×44.77 dBm 和2×43.78 dBm，比TDD-LTE 没有关断前输入功率下降了1.92 dBc，而三路功分器PIM 杂散是接收底噪抬升的主要因素，TDD 载波关断后互调杂散减少理论值为：1.91×3=5.7 dBc。

2.2 FDD 1 800合路室分无源器件性能验证

对现网室分系统进行调研发现，一方面，大部分室分系统建设年限较长，较多设备已经老化，指标恶化严重；另一方面，随着室分承载话务增多，系统扩容需求加大，在原有的室分系统中进行扩容，往往超出了器件所能承受的界限。

现网FDD 1 800 室分合路建设后，FDD 1 800 平均底噪出现异常抬升现象，整体底噪水平不达标。通过模拟加载，当PRB 利用率大于95%时，FDD 1 800 平均底噪为-106～-107 dBm，上行干扰信号明显。根据无源互调理论计算结果，FDD-LTE 接收底噪因为PIM 杂散影响抬升至-110 dBm，而网络实测结果接收底噪抬升至-106 dBm，两者相差4 dBc，实际结果比理论值差。

对室分合路系统进行无源器件更换，发现FDD 1 800 平均底噪存在明显的波动现象，如表2 所示。由此可见，无源器件性能不佳是导致FDD 1 800 室分底噪不达标的主要原因。

表2 室内分布系统器件更换与底噪波动表

3 FDD 1 800室分底噪不达标问题解决方案

当前中国移动对于无源器件功率容量的标准要求是平均200 W，按照LTE 制式对功率的要求，可以满足LTE 系统多载波的平均功率要求。但引入FDDLTE后，由于峰均比较大，在多载波和大话务量的冲击下，很容易带来宽带互调杂散干扰。

FDD 1 800 直接利旧合路在TDD 室分天馈中，由于射频能量传输的“趋肤效应”，阻抗变化将会引起信号的反射，传输介质的温度变化都会转化为热能。因此，为了保证室内分布系统中无源器件的正常工作，有必要合理制定器件的功率容限，即无源器件最大输入信号所引起的热能不会产生问题的最大承受限度。

对于FDD 1 800 室分合路建设底噪不达标问题，一方面，建议替换互调抑制度不低于-140 dBc 的高性能器件；另一方面，设置合理的器件功率容限，建议将发射功率降低到每载波20 W以下使用。

按照业界对无源器件互调指标的标注，对于现存的无源器件，可对其进行场景化功率容限配置。互调指标PIM＜-120 dBc@2×43 dBm 的无源器件适合2 W每载波及以下的小功率场景，降低组网成本。互调指标PIM＜-130 dBc@2×43 dBm 的无源器件适合2 W 每载波至20 W 每载波场景，提高网络质量。互调指标PIM＜-140 dBc@2×43 dBm 的无源器件适合于20 W 每载波以上的超大功率场景，提高网络质量。

4 结束语

本文首先对引入FDD 后室分系统存在的上行干扰原因进行了分析，然后分析了无源器件功率容量对网络性能的影响，最后提出了高性能器件与一般器件相结合的干扰解决方案，根据网络实际需要定制无源器件功率容量指标，既保证室分系统的质量和稳定性，又能减少器件更换及改造成本，具有极强的现实指导意义。