TD-SCDMA和PHS系統干擾共存初探

摘要：本文利用確定性分析方法，研究TD-SCDMA和PHS兩系統之間干擾共存問(wèn)題。
通過(guò)分析計算出各種干擾情況下兩系統之間需要的隔離損耗，并就工程實(shí)施中經(jīng)常使用的幾種解決干擾問(wèn)題的方法，進(jìn)行詳細地分析討論。這些將對TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )工程實(shí)施提供了有價(jià)值的參考。

1、引言

　　由信產(chǎn)部組織中國移動(dòng)、中國電信和網(wǎng)通三大運營(yíng)商實(shí)施的“TD-SCDMA規模網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用試驗”，正在廈門(mén)、保定和青島三個(gè)城市中進(jìn)行。相信這個(gè)規模網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用試驗結束后，政府會(huì )對3G牌照的發(fā)放有一個(gè)明確的政策頒布。據分析，兩大固網(wǎng)運營(yíng)商中國電信和網(wǎng)通（或其中之一）將可能獲得TD-SCDMA的牌照，這樣一個(gè)獨立的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )將會(huì )在全國布置。而中國電信和網(wǎng)通目前正在運營(yíng)著(zhù)一個(gè)PHS的網(wǎng)絡(luò )，它們的PHS用戶(hù)已經(jīng)超過(guò)9000萬(wàn)，幾乎覆蓋了全國所有鄉鎮以上的人口密集地區。這樣它可能將和TD-SCDMA系統在一個(gè)相當長(cháng)的時(shí)期內共存，尤其PHS系統目前還占據著(zhù)TD-SCDMA的1900到1920Mhz的20Mhz頻段,這樣它們相互之間的干擾共存問(wèn)題研究就顯得十分必要和迫切。

　　對于工作在同一地區的TD-SCDMA和PHS兩個(gè)系統，它們之間的干擾可分成四種形式：TD-SCDMA基站干擾PHS中心站，TD-SCDMA終端干擾PHS中心站，TD-SCDMA基站干擾PHS用戶(hù)站，TD-SCDMA終端干擾PHS用戶(hù)站。根據文獻[1]中的仿真分析，這兩個(gè)系統的現有射頻指標能夠滿(mǎn)足，基站對終端，終端對基站以及終端對終端的共存要求，而兩個(gè)系統基站之間的干擾還需要進(jìn)一步研究分析。本報告使用確定性分析方法研究TD-SCDMA基站和PHS基站干擾共存問(wèn)題。

2、確定性分析方法

　　系統A對系統B產(chǎn)生干擾，可以用下面的干擾評估方程進(jìn)行研究[2]：

　　Pe(Fi)-MCL(Fi)≤Imax(Fi)（1）

　　其中，Fi是研究的頻率；

　　Pe(Fi)是產(chǎn)生干擾的發(fā)射機在頻率Fi上的發(fā)射功率或雜散輻射；

　　MCL(Fi)是在頻率Fi上發(fā)射機和接收機之間的最小耦合損耗；

　　Imax(Fi)是在頻率Fi上可接受的最大干擾電平；

　　根據上面的評估方程，按照干擾在不同頻率范圍，可以將它分成下面幾種情況進(jìn)行研究：

　　系統A發(fā)射機發(fā)射的有用信號（一般來(lái)說(shuō)，功率是比較大）,在系統B接收頻段外(除了鄰道外)造成的干擾，稱(chēng)為阻塞干擾。主要研究接收機在接收頻段外抵抗強干擾信號的能力，可接受最大干擾電平(Imax)門(mén)限一般取接收機帶外阻塞特性。

　　系統A發(fā)射機的帶外雜散輻射，在系統B接收通帶內造成的干擾，稱(chēng)為帶外干擾。它主要考察接收機接收靈敏度能夠承受最大干擾信號程度，這樣它可接受最大干擾電平(Imax)門(mén)限一般取接收機的靈敏度承受度。

　　鄰道干擾從兩個(gè)方面考慮：系統A發(fā)射機發(fā)射的有用信號，在系統B接收第一鄰道造成的干擾，稱(chēng)為鄰道干擾（從廣義上講，可以稱(chēng)為鄰道阻塞干擾）。另外，系統A發(fā)射機的鄰道泄漏功率落入系統B接收機通帶內造成的干擾，也稱(chēng)為鄰道干擾。這樣在接收機第一鄰頻上產(chǎn)生的干擾，其可接受最大干擾電平(Imax)門(mén)限分別取接收機的鄰道選擇性以及靈敏度承受度。

　　如前面所說(shuō)，如果在接收機通帶內產(chǎn)生干擾，則抬高了系統接收噪聲電平，將會(huì )對接收機靈敏度造成影響，一般認為，靈敏度損失介于0.2dB和1dB都是合理的。本研究中采用的準則是基站接收機靈敏度損失為0.8dB，相對應的TD-SCDMA和PHS基站可接受最大外來(lái)干擾電平為-115dBm/1.28MHz和-123dBm/300khz。

3、干擾分析的主要結果

　　3.1、分析計算中使用的系統參數

　　文獻[3，4]給出TD-SCDMA和PHS的阻塞特性、雜散輻射、鄰道選擇性和鄰道泄漏功率等系統參數（如表1所示）。根據這些參數，利用方程（1）可以分別計算在不同干擾情況下，需要的最小耦合損耗MCL?；鹃g的最小耦合損耗包含發(fā)射天線(xiàn)增益，接收天線(xiàn)增益以及天線(xiàn)之間的隔離損耗三項，可表示為:

　　MCL=IL(dB)-Gain_Tx(dB)-Gain_Rx(2)

　　其中，Gain_Tx為發(fā)射天線(xiàn)增益；

　　Gain_Rx為接收天線(xiàn)增益；

　　IL為兩天線(xiàn)之間的隔離損耗。

　　考慮使用的確定性分析方法是研究在極端（最壞）情況小共存干擾的問(wèn)題。在下面的分析計算中進(jìn)行如下的假設：對8天線(xiàn)陣的智能天線(xiàn)，在業(yè)務(wù)信道上（TS0時(shí)隙控制信道是全向發(fā)射），天線(xiàn)發(fā)射時(shí)多天線(xiàn)合成功率因子為9dB, 智能天線(xiàn)的波束賦型因子是7dB；而智能天線(xiàn)接收時(shí)，僅考慮一個(gè)波束賦型因子7dB。另外，再假設不管共存干擾分析是在帶內還是帶外，全部認為天線(xiàn)的增益是相同的。

　　假設TD-SCDMA天線(xiàn)增益為11dBi, PHS的天線(xiàn)是9dBi。這樣在分析計算中取TD-SCDMA發(fā)射端Gain_Tx=11+7+9=27dB；TD-SCDMA接收端Gain_Rx=11+7=18dB；PHS發(fā)射端Gain_Tx=9dB；PHS接收端Gain_Rx=9dB。

　　3.2、TD-SCDMA基站干擾PHS基站

　　TD-SCDMA基站在2010-2025Mhz 或1880-1900Mhz上發(fā)射功率，使得PHS基站接收機中產(chǎn)生阻塞干擾。PHS基站在TD-SCDMA的發(fā)射頻段上的阻塞特性為-15dBm，而TD-SCDMA基站的發(fā)射功率為21dBm(基站最大發(fā)射30dBm,每個(gè)用戶(hù)占有兩個(gè)碼道),這樣可以推算出，當TD-SCDMA和PHS共存時(shí)，為了保護PHS基站，需要的基站間的最小耦合損耗是MCL=21dm-(-15dBm)=36dB。

　　工作在2010-2025Mhz 或1880-1900Mhz的TD-SCDMA基站將對PHS基站產(chǎn)生帶外干擾，參照3GPP規范中，TD-SCDMA在1900-1920Mhz和非同步TDD基站共存時(shí)，發(fā)射功率帶外雜散輻射的要求是-39 dBm/1.28Mhz=-45.3dBm/300khz，并考慮到PHS基站接收靈敏度為-123dBm/300khz。這樣可以推算出，當TD-SCDMA和PHS共存時(shí)，為了保護PHS的基站，需要的基站間的最小耦合損耗MCL=-45.3dBm-(-123dBm)=77.7dB。

　　假如兩個(gè)基站工作頻段進(jìn)一步靠近，以致工作在1900的鄰頻上，這時(shí)將產(chǎn)生鄰道干擾。在PHS基站接收頻段的鄰頻1900Mhz上，PHS基站的鄰道選擇性ACS=-47dBm。而TD-SCDMA基站的發(fā)射功率為21dBm,這樣可以推算出，當TD-SCDMA和PHS共存時(shí)，為了保護PHS基站，需要的基站間的最小耦合損耗是MCL=21dBm-(-47dBm)=68dB

　　同樣參照3GPP規范中，TD-SCDMA在1900的鄰頻上，和非同步TDD基站共存時(shí)鄰道泄漏功率為-29dBm/1.28Mhz=-35.3dBm/300kMhz ?？紤]到PHS基站接收靈敏度可承受度為-123dBm/300khz。這樣可以推算出，當TD-SCDMA和PHS共存時(shí)，為了保護PHS的基站需要的基站間的最小耦合損耗MCL=--35.3dBm-(-123dBm)=87.7dB。

　　3.3、PHS基站干擾TD-SCDMA基站

　　根據表1中的系統參數,使用同樣的分析方法，計算PHS基站對TD-SCDMA基站的干擾，需要的最小耦合損耗。將上面計算的最小耦合損耗和按照公式（2）計算的兩系統之間需要的隔離損耗匯總在表2中。

　　從表2可以看到，TD-SCDMA和PHS共存時(shí)，PHS對TD-SCDMA的干擾比TD-SCDMA對PHS的干擾要大（特別在帶外干擾時(shí)），這是由于PHS基站的帶外雜散輻射比較大的緣故。

4、工程實(shí)施中解決辦法的討論

　　從上面的分析計算中看到，當TD-SCDMA和PHS兩個(gè)系統共存時(shí)，為了使這兩個(gè)系統基站之間不產(chǎn)生干擾，需要的隔離損耗如表2所示。下面討論分析在實(shí)際工程實(shí)施中，通過(guò)一些方法來(lái)達到這些隔離損耗要求的情況。

　　4.1、利用空間隔離

　　使用信號傳播的自由空間模型（視距傳播條件），計算信號在空間的衰減。

　　Lf=20log （R）+38.12 (3)

　　式中，Lf是自由空間損耗（dB）；

　　R是兩個(gè)基站之間的距離（m）；

　　通過(guò)上面的計算發(fā)現，假如僅使用空間隔離來(lái)達到需要的隔離損耗，那么在極端情況下需要最大的距離是19km，這個(gè)在網(wǎng)絡(luò )布置中是不現實(shí)的。

　　4.2、增加保護帶寬

　　TD-SCDMA的發(fā)射特性在定義規范時(shí),已經(jīng)考慮了和非同步TD系統的共存問(wèn)題, 它的鄰道泄露功率限制，在第一個(gè)鄰道和第二個(gè)鄰道都是-29dBm/1.28Mhz。假如兩個(gè)系統有1.6MHz的保護帶寬，這時(shí)它的第二鄰道泄露功率落在PHS的接收機通帶內，同前面在鄰道干擾情況下需要的最小耦合損耗一樣，計算得87.7dB的最小耦合損耗，而這時(shí)的TD-SCDMA發(fā)射有用信號對PHS接收機產(chǎn)生阻塞干擾(不是鄰道干擾)，需要的最小耦合損耗和前面計算阻塞干擾時(shí)也一樣（見(jiàn)表4.1）。

　　同樣分析保護帶寬為3.2Mhz時(shí)，這時(shí)它的鄰道泄露功率產(chǎn)生的鄰道干擾，可以認為是雜散輻射產(chǎn)生的帶外干擾，這樣需要的最小耦合損耗也是77.7dB。假如再增加保護帶寬，它們就沒(méi)有改進(jìn)了。表4.1給出了不同保護帶寬情況下的最小耦合損耗。

　　從上面可以看出，1.6Mhz的保護帶寬對TD-SCDMA干擾PHS的改進(jìn)不大，而3.2Mhz的保護帶寬可以改進(jìn)10dB的性能（需要的隔離損耗減少10dB）。再大于3.2Mhz又沒(méi)有明顯的改進(jìn)了（帶外干擾是主要因素了）。

　　PHS系統的鄰道泄露功率在規范中有較嚴格的要求，而它的帶外雜散就相對來(lái)說(shuō)較大。假如兩個(gè)系統有1.6MHz的保護帶寬，這時(shí)帶外雜散（非鄰頻雜散輻射）也是794nW/100khz,那么最小耦合損耗同樣是95.1dB。而這時(shí)PHS發(fā)射有用信號對TD-SCDMA接收機產(chǎn)生阻塞干擾，需要的最小耦合損耗和前面計算的阻塞干擾中同樣是67dB（見(jiàn)表4.2）。 可以看到假如再增加保護帶寬，它們同樣沒(méi)有任何改進(jìn)了（帶外干擾是主要因素）。

　　從上面可以看出，1.6Mhz的保護帶寬對PHS干擾TD-SCDMA的改進(jìn)基本沒(méi)有變化。從單個(gè)干擾分析看，有了這個(gè)保護帶寬，它較嚴格ACP的性能沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，反而是較差的帶外雜散起了很大的重要。這樣增加保護帶寬已經(jīng)沒(méi)有任何意義了。

　　綜合考慮，得到如下結論：

　　1） 1.6Mhz 帶寬沒(méi)有改進(jìn)

　　2） 3.2Mhz帶寬可以有10dB隔離損耗改進(jìn)（TD-SCDMA對PHS的干擾可以增加10dB隔離損耗,反之則沒(méi)有），但是從兩者結合起來(lái)看，1.6Mhz（包括更多）的保護帶寬只能改進(jìn)123.7-122.1=1.6dB。

　　3） 大于3.2Mhz也沒(méi)有改進(jìn)。

　　因此，增加保護帶寬，不是一個(gè)有效的辦法。另外，現階段TD-SCDMA系統的工作頻段是在2010-2025Mhz，它和PHS的1900-1920Mhz 就存在較大的頻率間隔。因此現階段不用考慮增加保護帶寬這個(gè)辦法。

　　4.3、增加濾波器

　　從上面的分析可以看到，完全通過(guò)天線(xiàn)隔離的空間耦合,來(lái)達到需要的隔離耦合是不現實(shí)的，采取保護帶寬的方法也不是很明顯。那么考慮在TD-SCDMA和PHS的收發(fā)信機頂端直接增加濾波器是一個(gè)辦法。根據前面分析計算需要的隔離度，下面給出了滿(mǎn)足這些隔離度的濾波器一些主要技術(shù)指標

　　特別要注意的是，由于PHS的帶外雜散比較大，甚至比它的鄰道泄漏功率還要大，這樣它的濾波器在2010-2025Mhz的抑制度要比1880-1900Mhz還要嚴格。

　　4.4、天線(xiàn)的安裝

　　假如兩個(gè)系統的天線(xiàn)安裝靠得很近，比如20米以?xún)?，可以將它們看作是共站安裝的情況。在這個(gè)共站的情況下，天線(xiàn)安裝隔離度可以用如下的經(jīng)驗公式來(lái)計算：

　　Ih=22+20log(Dh/Lmd)-(Gt(q)+Gr(q)) （4）

　　Iv=28+40log(Dv/Lmd) （5）

　　式中，Ih是水平隔離度；

　　Iv是垂直隔離度（非視距）；

　　Dh是水平隔離距離；

　　Dv是垂直隔離距離；

　　Gt(q)是發(fā)射天線(xiàn)相對接收天線(xiàn)在q方向上的天線(xiàn)增益；

　　Gt(q)是接收天線(xiàn)相對發(fā)射天線(xiàn)在q方向上的天線(xiàn)增益；

　　Lmd是波長(cháng)；

　　根據上面的公式可以計算出，如下圖所示天線(xiàn)安裝的總隔離損耗。

　　從上面計算可以看出，兩個(gè)天線(xiàn)的垂直方向隔離度比水平方向隔離度要大，因此盡量使兩個(gè)天線(xiàn)垂直安裝是一個(gè)比較好的方法。比如在水平方向上相差1米，而在垂直方向上有20米時(shí)，兩個(gè)天線(xiàn)的隔離度是109.6dB。而在垂直方向上20米，水平方向上1米時(shí)，天線(xiàn)之間的隔離度是63.8dB。

　　4.5、結果討論

　　從上面的分析中，可以看到在TD-SCDMA和PHS收發(fā)信機頂端增加濾波器是一個(gè)最直接的方法，濾波器的指標要求如表5所示。但是考慮到這個(gè)濾波器指標的嚴格要求，實(shí)現比較困難，成本也很大。尤其對已經(jīng)安裝使要的PHS基站上安裝附加的濾波器比較困難，可以綜合考慮其它辦法。比如盡量使兩個(gè)系統垂直放置，并且盡量加大兩個(gè)系統的距離 ，利用信號的空間隔離衰減，來(lái)滿(mǎn)足需要的隔離損耗的要求。但是由于 PHS已經(jīng)是一個(gè)已布置的基本上是全面覆蓋的網(wǎng)絡(luò )，要尋找滿(mǎn)足這些條件的地方安裝TD-SCDMA基站是十分困難的。

5、結論

　　通過(guò)上面的分析我們可以看到，TD-SCDMA和PHS兩個(gè)系統之間是存在干擾的，干擾的主要原因是由于PHS的發(fā)射指標不夠嚴格，尤其是帶外雜散很大，對TD-SCDMA基站產(chǎn)生干擾。TD-SCDMA對PHS也會(huì )產(chǎn)生干擾，尤其在和PHS鄰頻工作，和智能天線(xiàn)波束指向哪個(gè)PHS基站時(shí)，將產(chǎn)生較大的干擾。另外，分析中可以看到增加保護帶寬的措施不是很明顯，這樣在目前已布置大量PHS基站的情況下，尋找一個(gè)安裝TD-SCDMA基站的地方是比較困難的，因此，對TD-SCDMA和PHS共存干擾研究還需要進(jìn)一步研究。