TD-SCDMA和PHS系统干扰共存初探

摘要：本文利用确定性分析方法，研究TD-SCDMA和PHS两系统之间干扰共存问题。  
通过分析计算出各种干扰情况下两系统之间需要的隔离损耗，并就工程实施中经常使用的几种解决干扰问题的方法，进行详细地分析讨论。这些将对TD-SCDMA无线网络工程实施提供了有价值的参考。 
1、引言 
　　由信产部组织中国移动、中国电信和网通三大运营商实施的“TD-SCDMA规模网络技术应用试验”，正在厦门、保定和青岛三个城市中进行。相信这个规模网络技术应用试验结束后，政府会对3G牌照的发放有一个明确的政策颁布。据分析，两大固网运营商中国电信和网通（或其中之一）将可能获得TD-SCDMA的牌照，这样一个独立的TD-SCDMA网络将会在全国布置。而中国电信和网通目前正在运营着一个PHS的网络，它们的PHS用户已经超过9000万，几乎覆盖了全国所有乡镇以上的人口密集地区。这样它可能将和TD-SCDMA系统在一个相当长的时期内共存，尤其PHS系统目前还占据着TD-SCDMA的1900到1920Mhz的20Mhz频段, 这样它们相互之间的干扰共存问题研究 就显得十分必要和迫切。 
　　对于工作在同一地区的TD-SCDMA和PHS两个系统，它们之间的干扰可分成四种形式：TD-SCDMA基站干扰PHS中心站，TD-SCDMA终端干扰PHS中心站，TD-SCDMA基站干扰PHS用户站，TD-SCDMA终端干扰PHS用户站。根据文献[1]中的仿真分析，这两个系统的现有射频指标能够满足，基站对终端，终端对基站以及终端对终端的共存要求，而两个系统基站之间的干扰还需要进一步研究分析。本报告使用确定性分析方法研究TD-SCDMA基站和PHS基站干扰共存问题。 
2、确定性分析方法 
　　系统A对系统B产生干扰，可以用下面的干扰评估方程进行研究[2]： 
　　Pe(Fi) - MCL(Fi) ≤ Imax(Fi) （1） 
　　其中，Fi是研究的频率； 
　　Pe(Fi) 是产生干扰的发射机在频率Fi上的发射功率或杂散辐射； 
　　MCL(Fi) 是在频率Fi上发射机和接收机之间的最小耦合损耗； 
　　Imax(Fi) 是在频率Fi上可接受的最大干扰电平； 
　　根据上面的评估方程，按照干扰在不同频率范围，可以将它分成下面几种情况进行研究： 
　　系统A发射机发射的有用信号（一般来说，功率是比较大）,在系统B接收频段外(除了邻道外)造成的干扰，称为阻塞干扰。主要研究接收机在接收频段外抵抗强干扰信号的能力，可接受最大干扰电平(Imax )门限一般取接收机带外阻塞特性。 
　　系统A发射机的带外杂散辐射，在系统B接收通带内造成的干扰，称为带外干扰。它主要考察接收机接收灵敏度能够承受最大干扰信号程度，这样它可接受最大干扰电平(Imax)门限一般取接收机的灵敏度承受度。 
　　邻道干扰从两个方面考虑：系统A发射机发射的有用信号，在系统B接收第一邻道造成的干扰，称为邻道干扰（从广义上讲，可以称为邻道阻塞干扰）。另外，系统A发射机的邻道泄漏功率落入系统B接收机通带内造成的干扰，也称为邻道干扰。这样在接收机第一邻频上产生的干扰，其可接受最大干扰电平(Imax)门限分别取接收机的邻道选择性以及灵敏度承受度。 
　　如前面所说，如果在接收机通带内产生干扰，则抬高了系统接收噪声电平，将会对接收机灵敏度造成影响，一般认为，灵敏度损失介于0.2 dB 和1 dB都是合理的。本研究中采用的准则是基站接收机灵敏度损失为0.8 dB，相对应的TD-SCDMA和PHS基站可接受最大外来干扰电平为-115 dBm/1.28 MHz和-123dBm/300khz。 
3、干扰分析的主要结果 
　　3.1、分析计算中使用的系统参数 
　　文献[3，4]给出TD-SCDMA和PHS的阻塞特性、杂散辐射、邻道选择性和邻道泄漏功率等系统参数（如表1所示）。根据这些参数，利用方程（1）可以分别计算在不同干扰情况下，需要的最小耦合损耗MCL。基站间的最小耦合损耗包含发射天线增益，接收天线增益以及天线之间的隔离损耗三项，可表示为: 
　　MCL=IL(dB)-Gain_Tx(dB)-Gain_Rx (2) 
　　其中，Gain_Tx为发射天线增益； 
　　Gain_Rx为接收天线增益； 
　　IL为两天线之间的隔离损耗。 

考虑使用的确定性分析方法是研究在极端（最坏）情况小共存干扰的问题。在下面的分析计算中进行如下的假设：对8天线阵的智能天线，在业务信道上（TS0时隙控制信道是全向发射），天线发射时多天线合成功率因子为9dB, 智能天线的波束赋型因子是7dB；而智能天线接收时，仅考虑一个波束赋型因子7dB。另外，再假设不管共存干扰分析是在带内还是带外，全部认为天线的增益是相同的。
　　假设TD-SCDMA天线增益为11dBi, PHS的天线是9dBi。这样在分析计算中取TD-SCDMA发射端Gain_Tx=11+7+9=27dB；TD-SCDMA接收端Gain_Rx=11+7=18dB；PHS发射端Gain_Tx=9dB；PHS接收端Gain_Rx=9dB。
　　3.2、TD-SCDMA基站干扰PHS基站
　　TD-SCDMA基站在2010-2025Mhz 或1880-1900Mhz上发射功率，使得PHS基站接收机中产生阻塞干扰。PHS基站在TD-SCDMA的发射频段上的阻塞特性为-15dBm，而TD-SCDMA基站的发射功率为21dBm(基站最大发射30dBm,每个用户占有两个码道),这样可以推算出，当TD-SCDMA和PHS共存时，为了保护PHS基站，需要的基站间的最小耦合损耗是MCL=21dm-(-15dBm)=36dB。
　　工作在2010-2025Mhz 或1880-1900Mhz的TD-SCDMA基站将对PHS基站产生带外干扰，参照3GPP规范中，TD-SCDMA在1900-1920Mhz和非同步TDD基站共存时，发射功率带外杂散辐射的要求是-39 dBm/1.28Mhz=-45.3dBm/300khz，并考虑到PHS基站接收灵敏度为-123dBm/300khz。这样可以推算出，当TD-SCDMA和PHS共存时，为了保护PHS的基站，需要的基站间的最小耦合损耗MCL=-45.3dBm-(-123dBm)=77.7dB。
　　假如两个基站工作频段进一步靠近，以致工作在1900的邻频上，这时将产生邻道干扰。在PHS基站接收频段的邻频1900Mhz上，PHS基站的邻道选择性ACS=-47dBm。而TD-SCDMA基站的发射功率为21dBm,这样可以推算出，当TD-SCDMA和PHS共存时，为了保护PHS基站，需要的基站间的最小耦合损耗是MCL=21dBm-(-47dBm)=68dB
　　同样参照3GPP规范中，TD-SCDMA在1900的邻频上，和非同步TDD基站共存时邻道泄漏功率为-29dBm/1.28Mhz=-35.3dBm/300kMhz 。考虑到PHS基站接收灵敏度可承受度为-123dBm/300khz。这样可以推算出，当TD-SCDMA和PHS共存时，为了保护PHS的基站需要的基站间的最小耦合损耗MCL=--35.3dBm-(-123dBm)=87.7dB。
　　3.3、PHS基站干扰TD-SCDMA基站
　　根据表1中的系统参数,使用同样的分析方法，计算PHS基站对TD-SCDMA基站的干扰，需要的最小耦合损耗。将上面计算的最小耦合损耗和按照公式（2）计算的两系统之间需要的隔离损耗汇总在表2中。

从表2可以看到，TD-SCDMA和PHS共存时，PHS对TD-SCDMA的干扰比TD-SCDMA对PHS的干扰要大（特别在带外干扰时），这是由于PHS基站的带外杂散辐射比较大的缘故。
4、工程实施中解决办法的讨论
　　从上面的分析计算中看到，当TD-SCDMA和PHS两个系统共存时，为了使这两个系统基站之间不产生干扰，需要的隔离损耗如表2所示。下面讨论分析在实际工程实施中，通过一些方法来达到这些隔离损耗要求的情况。
　　4.1、利用空间隔离
　　使用信号传播的自由空间模型（视距传播条件），计算信号在空间的衰减。
　　Lf=20log （R）+38.12 (3)
　　式中，Lf是自由空间损耗（dB）；
　　R是两个基站之间的距离（m）；

通过上面的计算发现，假如仅使用空间隔离来达到需要的隔离损耗，那么在极端情况下需要最大的距离是19km，这个在网络布置中是不现实的。
　　4.2、增加保护带宽
　　TD-SCDMA的发射特性在定义规范时,已经考虑了和非同步TD系统的共存问题, 它的邻道泄露功率限制，在第一个邻道和第二个邻道都是-29dBm/1.28Mhz。假如两个系统有1.6MHz的保护带宽，这时它的第二邻道泄露功率落在PHS的接收机通带内，同前面在邻道干扰情况下需要的最小耦合损耗一样，计算得87.7dB的最小耦合损耗，而这时的TD-SCDMA发射有用信号对PHS接收机产生阻塞干扰(不是邻道干扰)，需要的最小耦合损耗和前面计算阻塞干扰时也一样（见表4.1）。
　　同样分析保护带宽为3.2Mhz时，这时它的邻道泄露功率产生的邻道干扰，可以认为是杂散辐射产生的带外干扰，这样需要的最小耦合损耗也是77.7dB。假如再增加保护带宽，它们就没有改进了。表4.1给出了不同保护带宽情况下的最小耦合损耗。

从上面可以看出，1.6Mhz的保护带宽对TD-SCDMA干扰PHS的改进不大，而3.2Mhz的保护带宽可以改进10dB的性能（需要的隔离损耗减少10dB）。再大于3.2Mhz又没有明显的改进了（带外干扰是主要因素了）。
　　PHS系统的邻道泄露功率在规范中有较严格的要求，而它的带外杂散就相对来说较大。假如两个系统有1.6MHz的保护带宽，这时带外杂散（非邻频杂散辐射）也是794nW/100khz,那么最小耦合损耗同样是95.1dB。而这时PHS发射有用信号对TD-SCDMA接收机产生阻塞干扰，需要的最小耦合损耗和前面计算的阻塞干扰中同样是67dB（见表4.2）。 可以看到假如再增加保护带宽，它们同样没有任何改进了（带外干扰是主要因素）。

从上面可以看出，1.6Mhz的保护带宽对PHS干扰TD-SCDMA的改进基本没有变化。从单个干扰分析看，有了这个保护带宽，它较严格ACP的性能没有发挥出来，反而是较差的带外杂散起了很大的重要。这样增加保护带宽已经没有任何意义了。
　　综合考虑，得到如下结论：
　　1） 1.6Mhz 带宽没有改进
　　2） 3.2Mhz带宽可以有10dB隔离损耗改进（TD-SCDMA对PHS的干扰可以增加10dB隔离损耗,反之则没有），但是从两者结合起来看，1.6Mhz（包括更多）的保护带宽只能改进123.7-122.1=1.6dB。
　　3） 大于3.2Mhz也没有改进。
　　因此，增加保护带宽，不是一个有效的办法。另外，现阶段TD-SCDMA系统的工作频段是在2010-2025Mhz，它和PHS的1900-1920Mhz 就存在较大的频率间隔。因此现阶段不用考虑增加保护带宽这个办法。
　　4.3、增加滤波器
　　从上面的分析可以看到，完全通过天线隔离的空间耦合,来达到需要的隔离耦合是不现实的，采取保护带宽的方法也不是很明显。那么考虑在TD-SCDMA和PHS的收发信机顶端直接增加滤波器是一个办法。根据前面分析计算需要的隔离度，下面给出了满足这些隔离度的滤波器一些主要技术指标

特别要注意的是，由于PHS的带外杂散比较大，甚至比它的邻道泄漏功率还要大，这样它的滤波器在2010-2025Mhz的抑制度要比1880-1900Mhz还要严格。
　　4.4、天线的安装
　　假如两个系统的天线安装靠得很近，比如20米以内，可以将它们看作是共站安装的情况。在这个共站的情况下，天线安装隔离度可以用如下的经验公式来计算：
　　Ih=22+20log(Dh/Lmd)-(Gt(q)+Gr(q)) （4）
　　Iv=28+40log(Dv/Lmd) （5）
　　式中，Ih是水平隔离度；
　　Iv是垂直隔离度（非视距）；
　　Dh是水平隔离距离；
　　Dv是垂直隔离距离；
　　Gt(q)是发射天线相对接收天线在q方向上的天线增益；
　　Gt(q)是接收天线相对发射天线在q方向上的天线增益；
　　Lmd是波长；
　　根据上面的公式可以计算出，如下图所示天线安装的总隔离损耗。

从上面计算可以看出，两个天线的垂直方向隔离度比水平方向隔离度要大，因此尽量使两个天线垂直安装是一个比较好的方法。比如在水平方向上相差1米，而在垂直方向上有20米时，两个天线的隔离度是109.6dB。而在垂直方向上20米，水平方向上1米时，天线之间的隔离度是63.8dB。
　　4.5、结果讨论
　　从上面的分析中，可以看到在TD-SCDMA和PHS收发信机顶端增加滤波器是一个最直接的方法，滤波器的指标要求如表5所示。但是考虑到这个滤波器指标的严格要求，实现比较困难，成本也很大。尤其对已经安装使要的PHS基站上安装附加的滤波器比较困难，可以综合考虑其它办法。比如尽量使两个系统垂直放置，并且尽量加大两个系统的距离 ，利用信号的空间隔离衰减，来满足需要的隔离损耗的要求。但是由于 PHS已经是一个已布置的基本上是全面覆盖的网络，要寻找满足这些条件的地方安装TD-SCDMA基站是十分困难的。
5、结论
　　通过上面的分析我们可以看到，TD-SCDMA和PHS两个系统之间是存在干扰的，干扰的主要原因是由于PHS的发射指标不够严格，尤其是带外杂散很大，对TD-SCDMA基站产生干扰。TD-SCDMA对PHS也会产生干扰，尤其在和PHS邻频工作，和智能天线波束指向哪个PHS基站时，将产生较大的干扰。另外，分析中可以看到增加保护带宽的措施不是很明显，这样在目前已布置大量PHS基站的情况下，寻找一个安装TD-SCDMA基站的地方是比较困难的，因此，对TD-SCDMA和PHS共存干扰研究还需要进一步研究。