3G系统与大灵通系统电磁兼容研究

　　摘要　首先分析了大灵通系统（SCDMA）与第3代移动通信系统（3G）的干扰产生及类型，分别从理论分析和蒙特卡罗静态仿真两方面对干扰大小进行研究。最后，结合理论分析及仿真结果给出系统共存时的干扰程度及减少干扰所需的规避措施，为多系统干扰共存提供了重要依据。

　　关键词　SCDMA　3G　电磁兼容　蒙特卡罗　相邻信道干扰比

1、引言

　　SCDMA系统，俗称“大灵通”，脱胎于我国具有自主知识产权的3G技术TD-SCDMA。它融合了智能天线、同步码分多址、软件无线电及全质量话音压缩编码等先进技术，在技术层面上全面超过了小灵通系统，具有辐射小、保密性好、通话质量高和不易掉线等优点，目前在我国市场特别是“村村通”工程中正稳步发展。随着3G系统的引入，国内无线通信领域将出现SCDMA与3G系统邻频共存的局面。由于发射机和接收机的非理想性，邻频共存的无线通信系统间会彼此产生干扰，如果没有采取有效的规避措施，这些干扰可能造成一方或双方的链路质量下降和容量损失。因此研究SCDMA与3G系统之间的电磁兼容（EMC：Electromagnetic Compatibility）是极具现实意义的，国际电联（ITU：International Telecommunications Union）和中国通信标准化协会（CCSA：China Communications Standards Association）也已就以上课题立项进行相关研究。本文主要通过对SCDMA和邻频共存的IMT2000（FDD）系统间干扰的研究，阐述了无线通信系统间电磁兼容研究的基本理论分析方法和静态干扰仿真思想。

2、干扰类型

　　SCDMA的工作频段为1 785～1 805 MHz， WCDMA与CDMA2000的候补频段在1 755～1 785 MHz和1 850～1 880 MHz，而TD-SCDMA与SCDMA由于在频段上有75 MHz的间隔，故可暂不研究二者间干扰。如图1所示为各系统所处频段位置关系，可能存在SCDMA上下行与IMT2000（FDD）上行间的相互干扰。


图1　SCDMA和3G系统邻频共存示意图

3、研究方法

　　3.1　理论分析

　　衡量两系统能否共存的一个重要指标是被干扰系统能够正常运营所需的额外保护度，理论上可以对其进行估算。首先，根据干扰源发射机的相邻频道泄漏比（ACLR，Adjacent Channel Leakage Ratio）和被干扰系统接收机的邻道选择性（ACS，Adjacent Channel Selectivity）求两系统间的邻道干扰比（ACIR，Adjacent Channel Interference Ratio），再由被干扰系统容量评估准则求出受害接收机所能容纳的最大外来干扰，通过公式（1）求出所需额外保护度△L的近似值。

　　△L=PTx+GTx+Gbf-Pathloss+GRx-ACIR-Imax　（1）

　　式中，PTx为干扰源发射功率；GTx为干扰源天线增益；Gbf为发送或接收分集增益；Pathloss为干扰链路路径损耗；GRx为接收机天线增益；Imax为受害接收机能容忍的最大外来干扰强度。

　　以SCDMA基站对WCDMA基站干扰为例，分析方法如下：假设两系统邻频共处，无额外保护频带，则WCDMA与SCDMA系统最小载波中心频率间隔为2.75 MHz，根据辐射模板计算，此时SCDMA基站对WCDMA基站的ACIR约为44 dB。

　　引入基站天线间最小耦合损耗（MCL，Minimum Coupling Loss）

　　MCL=Pathloss-GTx-GRx后可得

　　△L=PTx-ACIR-MCL-Imax　（2）

　　基站灵敏度损失在不考虑本系统干扰时，可以等效为底噪抬升，具体关系如下：

　　Sd=（Iext+No）/No=0.8 dB　（3）

　　WCDMA上行的No为-103 dB，可推出Iext为-110 dB，则最大干扰电平约为-110 dB。取SCDMA基站最大发射功率33 dBm，MCL=50 dB，代入公式（2）可得额外保护度△L为49 dB。

　　以上理论分析选取干扰最严重的链路，由于实际网络中SCDMA采用频率复用组网，而理论评估时考虑的是频差最小的频点，相应的基站间路径损耗又为最小耦合损耗MCL，故所得干扰值较实际系统偏大，但此方法简单高效，有一定参考价值。


图2　双系统基站间干扰示意图

　　为得到更精确的理论分析值，可以考虑受害接收机周围一层甚至几层干扰源的影响。同样以SCDMA基站干扰WCDMA基站为例，图2为双系统基站间干扰示意图，在系统间基站偏移D为R/2（R为小区半径，取1 000 m）的情况下，19个灰色小区表示SCDMA系统，白色小区表示偏移R/2的WCDMA系统（只画出一部分），对一个WCDMA基站影响较大的周围第一层干扰链路如图所示。根据公式（1）中的链路预算求出几个SCDMA基站对WCDMA基站的干扰之和为ITotal，然后由ITotal-Imax得到额外隔离度与基站偏移D的关系如表1所示。

表1　基站偏移与额外隔离度的关系
[table]

D	O	R/2	R
△L/dB	49.0	36.9	35.0

[/table]

　　3.2　Monte-Carlo仿真方法

　　本文采用参考文献[1]建议的静态Monte Carlo仿真方法，依据所研究系统特性，拓扑结构，仿真场景，传播模型等建模。仿真中通过对两个系统进行有限多次快照（snapshot）所采集到的数据进行统计分析，得出相应的系统间干扰大小。无线通信系统间干扰共存仿真的流程可简单分解为干扰源系统与被干扰系统单系统容量仿真，固有保护度计算，双系统干扰计算，统计结果输出（被干扰系统接收到干扰电平值、被干扰概率、所需额外保护度与相对容量损失关系等指标值）。

　　仿真基于六边形宏蜂窝模型，小区半径为1 000 m，采用wrap around拓扑结构消除有限覆盖的边界效应，共61个基站，统计数据在中心19个基站中收集。在每次快照下，用户位置均服从均匀分布，这样就可以利用有限多次快照来模拟实际网络中用户各种位置的可能性，使仿真结果更加合理可信。

　　SCDMA系统的仿真参数见表2。仿真中SCDMA系统使用临近1 785 MHz的连续12个频点，采用4*3频率复用方式组网，并使用自适应智能天线，同步码分多址和慢速功率控制等技术，大大提升了系统容量。IMT2000（FDD）系统采用理想闭环功率控制，非正交技术，软切换技术等，具体仿真参数见表3和表4。

表2　SCDMA系统仿真参数
[table]

参数	下行链路	上行链路
MCL (三扇区，包括天线增益，IMT2000(FDD)此参数相同)	BS-MS：70 dB MS-MS：40 dB BS-BS：50 dB	BS-MS：70 dB MS-MS：40 dB BS-BS．50 dB
天线增益(包括损耗)	单根天线增益：16.3 dBi 智能天线赋形增益：9 dBi	单根天线增益：16.3 dBi 智能天线赋形增益：9 dBi
功控模式	基于目标C/I，慢速功率控制	基于目标C/I，慢速功率控制
功控余量	7 dB	3 dB
噪声功率	-107 dBm	-111 dBm
最大发射功率	基站最大发射功率33 dBm 每码道最大发射功率20 dBm	23 dBm
Min．CIR for  12.2 kbps speech	-7 dB	-7 dB

[/table]

表3　WCDMA系统仿真参数
[table]

参数	上行链路	下行链路
天线增益(包括损耗)	14 dBi(三扇区)	14 dBi(三扇区)
噪声功率	-103 dBm	-99 dBm
最大发射功率	21 dBm	最大发射总功率：43 dBm 每用户最大发射功率：30 dBm
非正交因子	N/A	0.4(干扰降低为原来的40%)
Min．CIR for 12.2kbps speech	-18.9 dB	-17.1 dB

[/table]

表4　CDMA2000系统仿真参数
[table]

参数	上行链路	下行链路
天线增益(包括损耗)	14 dBi(三扇区)	14 dBi(三扇区)
噪声功率	-108 dBm	-104 dBm
最大发射功率	24 dBm	单天线每用户最大发射功率：33 dBm单天线总最大发射功率：43 dBm
非正交因子	N/A	0.4
Min．CIR for 12.2kbps speech	-17 dB	-15.5 dB

[/table]

　　仿真中WCDMA与CDMA2000上行采用6 dB噪声提升准则，对应75%的负荷因子，下行采用5%中断概率准则。SCDMA系统上、下行容量均采用5%中断概率准则，如公式（4）所示。

　　CUL=CDL=arg{P(C/I＜(C/Itarget-O.5)，Nsingle)}=5%　（4）

　　Monte Carlo仿真所得数据更加接近实际网络的真实运营情况，对频率规划、网络规划和优化都极具参考价值，但随着系统复杂性的提高，运算量和系统资源需求会急剧增加。仿真结果及分析见下章。

4、仿真结果及分析

　　一般情况下，影响两系统共存的只是一条或几条逻辑干扰链路，我们称之为主要干扰链路，可以由3.1节中介绍的理论计算方法得出，影响SCDMA与IMT2000系统共存的主要干扰链路为：SCDMA下行对WCDMA和CDMA2000上行的干扰，SCDMA上行对WCDMA和CDMA2000上行的干扰。以下仿真结果针对以上主要干扰链路，其它链路由于干扰较小，结果不再赘述。（注：各图中D为两系统基站的偏移距离）由图3可得以下结论：

　　（1）SCDMA基站干扰WCDMA基站时，WCDMA上行容量损失随两系统基站偏移增大而减小，在基站偏移为0、R／2、R，ACIR分别大于80 dB、70 dB、67 dB时，WCDMA上行容量损失小于5%；两系统基站偏移为0时，所需ACIR为80 dB，大于此条干扰链路固有ACIR（44 dB），所需额外保护度为36 dB，较理论分析值（49 dB）小，原因前面已经阐述。要实现系统共存，需要采取一定的规避措施。

　　（2）SCDMA终端干扰WCDMA基站时，WCDMA的上行容量损失随着两系统基站偏移的增大而增大，在基站偏移0、R/2、R，ACIR分别大于26 dB、36 dB、42 dB时，WCDMA上行容量损失小于5%；所需最大ACIR为42 dB，与此种情况下的固有ACIR相当，故不需要额外保护度两系统即可共存。



图3　SCDMA与IMT2000（FDD）主要干扰链路ACIR与相对容量关系图

　　（3）SCDMA基站干扰CDMA2000基站时，在两种系统基站偏移0、R/2、R，ACIR分别大于85 dB、75 dB、72 dB时，WCDMA上行容量损失小于5%；所需ACIR为85 dB，大于系统间固有ACIR（45 dB），需采取一定的规避措施以实现系统共存。

　　（4）SCDMA终端干扰CDMA2000基站时，在两种系统基站偏移0、R/2、R，ACIR分别大于30 dB、40 dB、44 dB时，WCDMA上行容量损失小于5%，所需ACIR为44 dB，与此种情况下的固有ACIR相当，故不需要额外保护度。

5、共存可行性分析及规避措施

　　由以上分析知，SCDMA和IMT2000（FDD）系统间的干扰主要是SCDMA基站干扰WCDMA和CDMA2000基站，因此有必要采取规避措施实现系统间共存，可采用的规避措施主要有5种。

　　（1）使用频率保护带

　　频率保护带方案就是通过频率规划，使得干扰系统的发射频段和被干扰系统的接收频段在频域上得到一定的隔离。

　　（2）增加天线间的MCL

　　增加天线间的最小耦合损失（MCL），即通过调整天线的下倾角，选用不同方向角或调整两系统天线的水平垂直隔离距离等方法提高天线间的最小耦合损失，从而有效降低干扰。SCDMA系统采用智能天线，智能天线特有的零陷技术可以带来10 dB左右的额外隔离。对于三扇区基站，可以调整天线方向，使得SCDMA天线在WCDMA或CDMA2000天线前面，平面智能天线阵前后隔离超过20 dB，由此带来额外隔离。

　　（3）采用共存滤波器

　　滤波器解决方案即在原有设备的无线收发系统的基础上，通过附加滤波器来进一步提高发射机或接收机的滤波特性。由于滤波器过渡带有一定带宽，因此采用滤波器方法必须和频率保护带相结合。采用共存滤波器是一种比较有效的方法，但对于大规模网络来说其费用也是需要考虑的。

　　（4）设备参数限制

　　设备参数限制即规定足够的设备指标来保证收发频率相邻的共存问题。按照仿真结果设计设备参数，可以达到共存要求，但会导致设备成本增加。

　　（5）合理的多系统网络规划

　　运营商在建设多个网络的时候应合理规划，尽量避免工作频率相邻的不同系统的基站共址工作，增加基站间的空间隔离度能有效减少相互间的干扰。另外，可以给共址的多系统小区分别分配间隔较大的频点，合理的频率规划也可以减小系统间干扰。

　　选用干扰规避措施时，通常首先考虑使用频率保护带的方法，因为它是适用于全网的。其它4种措施中，措施2和5相对经济有效，可以优先采用，如果还不能达到干扰规避的目的，就要兼顾其余两种方案，实现SCDMA与3G系统的有效共存。

6、结语

　　通过对SCDMA和3G系统间干扰共存研究方法的阐述，使读者对静态干扰研究有了一个更深层次的理解。干扰研究所得相关结论不仅对多系统频谱划分和设备射频指标有较强指导意义，而且对网络规划和优化也有重要的实际应用价值。

　　参考文献

　　1　3GPP TR25.942 v6.1.0：“Radio Frequency（RF）system scenarios”[S].2003，9

　　2　3GPP TS25.104 v5.7.0：“Base Station（BS）radio transmission and reception（FDD）”[S]，2003，6

　　3　3GPP2 C.S0010-B V2.0：“Recommended Minimum Performance Standards for cdma 2000 Spread Spectrum Base Stations—Release B”[S]，2004，2

　　4　李男，朱雪田，彭木根，王文博.TD-SCDMA系统间干扰与共存研究[J].电信科学，2006，04：32-37

　　5　王荣，彭木根，王文博.PHS与TD-SCDMA系统电磁兼容研究[C].中国通信学会无线及移动通信委员会学术年会论文集，2005
作者：姜大洁　彭木根　王文博    来源：中国电子科学研究院学报