SCDMA系统与GSM系统共存干扰研究

摘要　文章采用仿真的方法分析了SCDMA无线市话网络和DCS1800移动通信网络组网情况下的共存干扰，通过准确的研究和分析，给出了解决干扰的建议。

1、引言

　　2002年10月我国对3G系统频率使用进行了规划，如图1所示，其中SCDMA系统的工作频段为1785MHz～1805MHz，GSM1800系统的主要工作频段为1805MHz～1850MHz。根据此规划方案，SCDMA系统和GSM1800系统可能在多个频点处邻频共存。由于发射机和接收机滤波器的不完善性，共存的两个系统会产生相互干扰，造成链路质量下降和系统容量降低。


图1　中国的3G频谱分配

2、研究内容

　　SCDMA和GSM1800系统共存时，可能存在的干扰情况为GSM1800下行链路和SCDMA上/下行链路之间的干扰。同时考虑到实际系统采用全向和三扇区定向天线结构，这里对以下场景进行研究：

　　全向结构宏小区：GSM1800基站对SCDMA基站的干扰；

　　全向结构宏小区：SCDMA基站对GSM1800移动台的干扰；

　　三扇区结构宏小区：GSM1800基站对SCDMA基站的干扰；

　　三扇区结构宏小区：SCDMA基站对GSM1800移动台的干扰。

3、频率干扰原理

　　干扰产生的原因是多种多样的。原有的专用无线电系统占用现有频率资源、网络配置不同、发信机自身设置问题、小区重叠、环境、电磁兼容（EMI）以及有意干扰，都是移动通信网络射频干扰产生的原因。而移动通信系统的干扰主要有同频干扰、邻频干扰、带外干扰、互调干扰和阻塞干扰。

　　工作于不同频率的系统间的共存干扰，主要是由于发射机和接收机的性能不完善产生的。在发射机方面，如果频率稳度太差或调制度过大，都会使发射频谱过宽，对他台造成邻频干扰。若不严格控制影响发射机带宽的因素，很容易产生不必要的带外辐射。在接收机方面，当中频滤波器选择性不良时，便容易形成干扰或使干扰变得严重。在接收机射频通带内或通带附近的信号，经变频后落入中频通带内会造成邻频干扰；弱有用信号和强干扰信号可使接收机出现阻塞干扰，使接收机信噪比下降，灵敏度降低。

　　共存系统的干扰可以用邻道干扰比ACIR来衡量：


　　　 （1）

　　其中，邻道泄漏比ACLR是指邻道发射信号落入到接收机通带内的能力，定义为发射功率与相邻信道上的测得功率之比。邻道选择性ACS是指在相邻信道信号存在的情况下，接收机在其指定信道频率上接收有用信号的能力，定义为接收机滤波器在指定信道频率上的衰减与在相邻信道频率上的衰减的比值。由此可见，提高邻频共存系统的系统性能，抑制共存干扰，需要从改善射频发射机的发射性能和射频接收机的接收性能两个方面考虑，降低干扰系统的邻道泄漏功率和提高接收机对邻道干扰的抑制能力。

4、干扰分析

　　4.1　网络拓扑结构和参数

　　（1）网络结构

　　◆非扇区化天线，其网络结构如图2所示：SCDMA系统和GSM系统的网络拓扑为宏蜂窝，采用Wrap Round技术，考虑小区周围两层共19个小区的干扰，小区半径为577m，两个系统的距离分别为0、1/2R、R三种情况，SCDMA系统和GSM系统均采用4/12频率复用方式。


图2　非扇区化天线网络结构图


图3　扇区化天线网络结构图

　　◆扇区化天线，其网络结构如图3所示：SCDMA系统和GSM系统的网络拓扑为宏蜂窝，每个小区采用3扇区，扇区半径为577m，小区半径为1000m。计算一个扇区用户链路的干扰时，需要考虑至少23个扇区的影响。为了用有限的蜂窝结构覆盖全平面，消除边界效应，采用了Wrap Around技术，使用4/12频率复用方式。

　　（2）频率复用

　　系统使用的是4/12频率复用方式，将48个扇区分成4个平行四边形的簇，每个簇含有12个扇区，这12个扇区使用不同的频点，不同簇中位于平行四边形相同位置的扇区为同频扇区。图4是频率复用的示意图：


图4　频率复用示意图

　　（3）SCDMA仿真参数

　　SCDMA的仿真参数如表1所示。

表1　SCDMA仿真参数


　　（4）GSM1800仿真参数

　　GSM1800的仿真参数如表2所示。

表2　GSM1800仿真参数


　　4.2　干扰的计算方法

　　（1）接收信号功率的计算

　　对某一用户而言，其接收到的有用信号和干扰信号的计算方法均使用如下的公式：


　　　（2）

　　其中，Rx是接收信号功率，Tx是发送信号功率，pathloss是路径损耗，G_Tx是发送天线增益，G_Rx是接收天线增益，MCL是最小耦合损耗。

　　（2）信噪比的计算

　　◆上行

　　对某一用户信号而言，其它用户的信号之和为对该用户的干扰。上行信噪比计算公式为：

　　SIRUL=　（3）

　　其中，S是接收到的信号，Gp是处理增益，IOWN是来自同一基站下的所有其它用户的干扰，IOTHER是来自其它小区的干扰（在多运营商情况下，IOTHER也包括来自邻近运营商降低ACIR的干扰），No是热噪声，b是由于使用多用户检测（MUD）技术等引起的干扰降低因子。如果MUD不包括在仿真中，则β=0；否则，0＜β＜1。

　　◆下行

　　下行信噪比计算公式为：

　　SIRDL=　（4）

　　其中，S是接收到的信号，Gp是处理增益，IOWN是来自同一基站下的所有其它用户的干扰，IOTHER是来自其它小区的干扰（在多运营商情况下，IOTHER也包括来自邻近运营商降低ACIR的干扰），No是热噪声，α是正交因子。正交因子α考虑了由于多径传播而引起的下行不能完全正交的情况，交因子为0对应于小区内用户完全正交的情况，正交因子为1表示小区内干扰与小区间干扰具有相同的影响。

　　4.3　传播模型

　　宏小区通常采用典型的六边形小区模型。

　　（1）UE-BS之间

　　宏小区采用UMTS 30.03中车载环境模型。R是间隔距离（km），基站天线高度Dhb=15m。载波频率f=1805MHz，1850MHz。对数正态阴影衰落10dB。

　　Pathloss=40*（1-4×10-3*Dhb）lg（R）-18lg（Dhb）+21*lg（f）+80+LogF　（5）

　　（2）BS-BS之间

　　双折线模型。其中，天线高度30m，建筑物平均高度24m，第一菲涅尔半径为921.6m。距离R小于第一菲涅尔半径时，使用自由空间模型：

　　Pathloss=38.11+20*log10（R）

　　超过第一菲涅尔半径后，斜率变为原来的两倍，存在10dB的对数正态阴影衰落：

　　Pathloss=38.11+40*log10（R）-20*log10（921.6）+10

　　（3）UE-UE之间

　　距离小于50m，采用自由空间损耗模型，不存在阴影衰落：

　　Pathloss=38.11+20*log10（R）

　　距离大于50m，采用Xia.h公式（适用于所有天线高度），其中，△hm=10.5m，x=15m，d=80m，△hb=-10.5m，对数正态阴影衰落12dB。

　　Pathloss=55.78+40*log10（R）+12

　　4.4　功率控制过程

　　SCDMA和GSM系统均需要考虑慢速功率控制余量，功率控制以增加了余量的信噪比为目标，上行链路的功率控制目标为Eb/No=（8+3）dB，下行链路的功率控制目标为Eb/No=（8+7）dB。如果功率控制使用户的发射功率达到最大值，此时的信噪比如果没有达到增加了余量的信噪比，但超过了目标值，则认为该用户是满意用户；如果信噪比低于目标值，则认为是不满意用户。

　　以SCDMA系统上行功率控制为例。对某一用户来说，首先计算该用户的发射功率P和基站端接收用户的SIR，判断功率控制的条件为：

　　P＜Pmax且SIR＜11dB，功率控制增加终端发射功率；

　　P＜Pmax且SIR＞=11dB，功率控制完成，该用户为满意用户；

　　P=Pmax且SIR＞8dB，功率控制完成，该用户为满意用户；

　　P=Pmax且SIR＜8dB，功率控制完成，该用户为不满意用户。

　　其中，Pmax为终端最大发射功率。

　　4.5　系统容量准则

　　SCDMA和GSM系统上、下行均采用5%中断概率准则，即有5%的用户不能达到目标信噪比。

5、研究结果

　　5.1　GSM DL→SCDMA UL

　　（1）非扇区化天线


图5　GSM DL→SCDMA UL时，SCDMA UL相对容量和ACIR的关系

　　从图5中GSM基站干扰SCDMA基站的仿真结果（小区半径R=577m，分基站间距D=0，R/2，R三种情况），可以得到如下结论：

　　◆ACIR增大，GSM BS对SCDMA BS的干扰减小，相应的SCDMA上行容量损失减小。

　　◆当R=577m时，SCDMA上行容量损失随着两系统基站之间偏移距离的增大而减小。

　　D=0时，要保证SCDMA上行容量损失小于5%，所需的ACIR为47dB；

　　D=R/2时，要保证SCDMA上行容量损失小于5%，所需的ACIR为32dB；

　　D=R时，要保证SCDMA上行容量损失小于5%，所需的ACIR为29dB。

　　（2）扇区化天线

　　从图6中GSM基站干扰SCDMA基站的仿真结果（扇区半径R=577m，小区半径1000m，分基站间距D=0、0.866R、1.732R三种情况），可以得到如下结论：

　　◆ACIR增大，GSM BS对SCDMA BS的干扰减小，相应的SCDMA上行容量损失减小。

　　◆当R=577m时，SCDMA上行容量损失随着两系统基站之间偏移距离的增大而减小。

　　D=0时，要保证SCDMA上行容量损失小于5%，所需的ACIR为63dB；

　　D=0.866R时，要保证SCDMA上行容量损失小于5%，所需的ACIR为42dB；

　　D=1.732R时，要保证SCDMA上行容量损失小于5%，所需的ACIR为35dB。


图6　GSM DL→SCDMA UL时，SCDMA UL相对容量和ACIR的关系

　　5.2　SCDMA DL—＞GSM DL

　　仿真表明，R=577 m时，GSM系统在各种基站偏移（R，R/2，0）情况下，下行均没有容量损失，两系统可以共存。

6、结论和建议

　　典型情况小区半径等于577m的条件下，GSM基站发射会对邻频段的SCDMA基站接收产生较大干扰，若不采取措施会造成SCDMA系统容量的较大损失。干扰最为严重的情况为GSM基站与SCDMA的基站共站的情况，采用全向天线时所需的ACIR为47dB，采用三扇区天线时所需的ACIR为63dB。现在设备指标无法达到足够的ACIR，需要采取额外的保护措施才能使SCDMA系统容量损失在5%以内。为了解决GSM与SCDMA系统共存的问题，建议综合使用频谱隔离（保护带宽）、站点隔离、天线隔离、外置滤波器等综合措施，在现场加以解决。

　　保护带解决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。随着隔离的增大，干扰系统发射机信号落入被干扰接收机接受带宽内的分量减小，且接收机接受滤波器对干扰系统发射信号的衰落加大，从而使系统间干扰减小。同时，在考虑使用附加滤波器来限制干扰信号时，由于理想线性的滤波器难以实现，因此，也需要留有一定的保护带为滤波器提供过渡带。

　　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，以达到系统间共存所需的隔离度。由于滤波器过渡带有一定带宽，因此采用滤波器的方法必须和频率保护带相结合。

　　基站间距方法对解决干扰是有利的，可以通过基站间的空间隔离以减少系统间干扰。

　　天线安装包括天线倾角、方位角、垂直和水平隔离等，提高天线间的耦合损失，可以降低干扰。SCDMA系统采用智能天线。智能天线特有的零陷技术可以带来10dB的额外隔离。对于三扇区基站，可以调整天线方向和位置，使得SCDMA天线在CDMA2000系统天线前面、平面智能天线阵前后隔离超过20dB，由此可以带来额外的隔离。

　　通过综合采取以上几种措施，可以实现SCDMA网络和GSM网络的共存和共址。
作者：韦峥　王艺晨    来源：移动通信