超導濾波器在TD-SCDMA基站等網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化中的作用
0 前言
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/82186.htm超導技術(shù)被認為是21世紀具有戰略意義的高新技術(shù)之一,在能源、信息、交通、儀器儀表、國防等方面都有重要應用。目前世界各國均在積極開(kāi)展超導應用技術(shù)的研究。
超導濾波器利用導體在極低溫(-200℃左右)時(shí)導體電阻近似為零的原理制成帶通濾波器,應用于移動(dòng)通信基站接收機前端,大幅改善移動(dòng)基站上行鏈路性能,提高基站接收機靈敏度,降低帶內、帶外各種干擾,從而改善信號傳輸質(zhì)量,擴大上行覆蓋面積,提高信號傳輸速率。
研究超導濾波器在TD-SCDMA基站等網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化中的作用對我國目前正在積極發(fā)展的TD-SCDMA系統和2G系統網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化具有重要意義。
1 移動(dòng)通信的上行與下行鏈路分析
1.1 移動(dòng)通信主要受限于上行鏈路
移動(dòng)通信基站的發(fā)射功率遠大于手機發(fā)射功率,而基站接收機的靈敏度與手機接收機靈敏度相差無(wú)幾。因此,移動(dòng)通信主要受限于上行鏈路,上行覆蓋區往往小于下行覆蓋區。
此外,隨著(zhù)用戶(hù)不斷增加,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )勢必要增加基站數量。這使得進(jìn)入基站接收機的干擾和噪聲日益增多,加重了上行鏈路的負擔。
1.2 改善上行鏈路的一般方法
改善上行鏈路的一般方法是:在基站發(fā)射機RF輸出端加裝腔體濾波器,來(lái)抑制基站發(fā)射機的雜散輻射?;窘邮諜C采用分集接收方式,并在RF輸入端也采用腔體濾波器,以提高接收機靈敏度并抑制各種帶外干擾。
然而,由于腔體濾波器的Q值只能達5000左右,通帶損耗比較大,阻帶抑制度不夠,過(guò)渡帶也不夠陡峭。因此,這個(gè)方法并不能有效解決上行鏈路受干擾問(wèn)題,基站接收機的帶內干擾和底噪聲仍然比較高,基站容量利用率與接收靈敏度不高。
2 超導濾波器是解決基站干擾最佳方法之一
超導濾波器是利用導體在極低溫(約-200℃)時(shí)表面電阻近似為零的特性制成的濾波器,其Q值可達10萬(wàn),高于腔體濾波器的Q值近20倍。因此,超導濾波器具有極小的通帶插損(<0.1dB)、極高的阻帶抑制(>60dB)和極陡峭的過(guò)渡帶(-100dB/400KHz)。
配備在超導濾波器之后同樣在超低溫工作條件下的低噪放(LNA)(增益:12dB),具有極低的噪聲系數(<0.5dB)。作為基站接收機的射頻前端設備,它可以比較徹底地抑制基站接收機的各種干擾,并且提高接收機的靈敏度,基本能夠解決移動(dòng)通信的上行技術(shù)瓶頸問(wèn)題。此外,超導濾波器安裝在基站主接收機和分集接收機上,不影響分集接收機的抗多徑衰落功能。
目前,超導濾波器大幅改善移動(dòng)通信基站利用率的實(shí)例已經(jīng)很多。例如,“STI”公司已在美國大量使用安裝超導濾波器的基站(包括CDMA基站和GSM基站),基站運行情況表明超導濾波器起到了優(yōu)化移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的效果,比如改善了信號質(zhì)量,降低掉話(huà)率和阻塞率,擴大了CDMA網(wǎng)絡(luò )容量,使得CDMA手機發(fā)射功率下降等。
3 超導濾波器核心技術(shù)與器件
美國STI公司是目前世界上唯一擁有全套超導濾波器技術(shù)與專(zhuān)利并形成大規模商用產(chǎn)品生產(chǎn)的公司。它擁有兩個(gè)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的核心器件:高階薄膜濾波器和小體積制冷設備。
中國寶力集團于2007年8月收購并控股“STI”公司,并在中國成立合資公司“寶力超導技術(shù)有限公司”,把美國STI公司全套專(zhuān)利技術(shù)轉移到中國,并組建生產(chǎn)基地,以降低生產(chǎn)成本,更好地為中國無(wú)線(xiàn)電通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)。
4 我國目前移動(dòng)通信的狀況分析
目前,我國移動(dòng)通信用戶(hù)數已經(jīng)超過(guò)5億。規模較大城市的市中心區域的話(huà)務(wù)量巨大,基站數量也隨之猛增?;拘^分裂后,有的基站間距僅有500m。由此可見(jiàn),在大城市中心區,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )面臨容量不足的問(wèn)題。增加基站增加容量,但基站過(guò)于密集則會(huì )產(chǎn)生多種干擾使基站容量下降。
4.1 基站間的干擾分析
移動(dòng)通信基站之間的干擾大多是由于不同網(wǎng)絡(luò )上行與下行的頻段間隔較小、下行3階互調或5階互調造成的。大致有下列四種。
?。?)CDMA下行對移動(dòng)GSM上行干擾。
我國CDMA的下行頻段為870MHz~880MHz,移動(dòng)GSM上行頻段現已擴展到885MHz~909MHz,兩者間隔僅5MHz。CDMA下行鏈路的3階互調分量880MHz~890MHz、5階互調分量890MHz~900MHz以及7階互調分量900MHz~910MHz均可進(jìn)入GSM上行,形成干擾。這種現象在CDMA基站和GSM基站位置比較靠近時(shí),格外嚴重。
?。?)3G(TDD主) 1880MHz~1920MHz下行對3G(FDD主)1920MHz~1980MHz上行干擾。
當啟用3G(TDD)1880MHz~1920MHz時(shí),它下行的互調分量必將干擾相鄰的、沒(méi)有頻率間隔的3G(FDD主)上行1920MHz~1980MHz。
?。?)3G(FDD補)下行(1850MHz~18 80MHz)與3G(TDD主)(1880~1920MHz)為相鄰關(guān)系,容易產(chǎn)生互調干擾。
?。?)3G(TDD補)(2300MHz~2400MHz)和WLAN(2400MHz~2483.5MHz)也為相鄰關(guān)系, 容易產(chǎn)生互調干擾。
4.2 上行底噪聲隨基站數增加而升高
由于各移動(dòng)通信網(wǎng)基站接收機的射頻輸入端RF濾波器的阻帶抑制度不夠高,過(guò)渡帶不夠陡,其他網(wǎng)絡(luò )基站的下行強信號難免會(huì )通過(guò)RF濾波器進(jìn)入本網(wǎng)基站的低噪放(LNA)。LNA為有源放大器,存在非線(xiàn)性特征。因此,LNA難免會(huì )產(chǎn)生各階互調分量,其中有的互調分量處于本網(wǎng)基站的通帶之中,造成干擾使底噪聲抬高。雖然LNA產(chǎn)生的互調有大有小,鄰近基站下行的互調比較大,遠處的高階互調比較小,但基站密集區的干擾將積累成巨大的能量,使信號載噪比下降,從而使信號的傳輸質(zhì)量下降。由此可以推測,隨著(zhù)3G基站的大量建設,3G與2G網(wǎng)絡(luò )形成的底噪聲將進(jìn)一步抬高。
4.3 CDMA網(wǎng)絡(luò )基站應用超導濾波器優(yōu)化效果明顯
中國聯(lián)通CDMA 上行頻率為825MHz~835MHz,在該頻段附近沒(méi)有比較強的其他各網(wǎng)基站的下行信號,但是仍然遇到了互調干擾和底噪聲增加的問(wèn)題。根據美國STI公司在兩年前曾在我國5個(gè)城市(北京、深圳、秦皇島、惠州和陽(yáng)江)所做的CDMA超導濾波器的試驗,在CDMA基站接收機前端用超導濾波器之后與用原基站的 RF濾波器進(jìn)行對比,CDMA的平均話(huà)務(wù)量增加20%,掉話(huà)率下降60%,接通率升高55%,手機發(fā)射功率下降3dB~8dB,在秦皇島和陽(yáng)江海面覆蓋距離增加40km~60km。這些實(shí)測的對比數據表明,我國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )基站底噪聲普遍升高的現實(shí),以及超導濾波器可以明顯改善信號質(zhì)量。
美國STI公司目前已在美國的CDMA網(wǎng)和GSM網(wǎng)上應用超導濾波器將近7000臺,均起到了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )的效果。我國3G網(wǎng)絡(luò )即將開(kāi)始大規模建設,為了保證和提高TD-SCDMA上行鏈路的性能,應該考慮采用超導濾波器,以確保3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)取得成功。
5 TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )基站適宜加載超導濾波器
5.1 加載超導濾波器將極大地改善基站性能
當大量建設TD-SCDMA基站時(shí),由于TD-SCDMA采用結構較為復雜的智能天線(xiàn),其非線(xiàn)性將超過(guò)其他FDD制式的普通基站的天線(xiàn),也就是說(shuō)TD-SCDMA將受電磁環(huán)境影響的底噪聲增加量可能會(huì )高于FDD制式基站的底噪聲增加量。因此,TD-SCDMA基站如果采用超導濾波器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化,在改善傳輸信號質(zhì)量、掉話(huà)率、接通率、通信容量等諸多方面將產(chǎn)生更加明顯的效果。
5.1 適用超導濾波器的場(chǎng)合
(1) 基站遠距離覆蓋區域
因為超導濾波器可以提高基站接收機的靈敏度,加裝超導濾波器可以明顯改善超遠基站站距上行鏈路性能,減少同一覆蓋區域內的基站數量。
(2) 基站近距離覆蓋區域
此種情況下,只能利用超導濾波器的頻率選擇性能,克服干擾,降低基站底噪聲,改善傳輸信號的質(zhì)量。
(3) 鄰近頻段基站覆蓋區域
目前,我國存在頻段間隔較小的不同制式的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò ),而超導濾波器是有效抑制某基站下行對其他基站上行干擾的方法。
5.2 提高無(wú)線(xiàn)電頻譜資源有效利用率
近年來(lái),我國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的基站迅猛增多,使得無(wú)線(xiàn)電干擾與電磁環(huán)境的日益惡化,降低了已經(jīng)甚為緊缺的無(wú)線(xiàn)電頻譜有效利用率。在這種情況下,無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)可以選擇采用如超導濾波器等新技術(shù)來(lái)凈化電磁環(huán)境,提高頻譜利用率。
6 結束語(yǔ)
超導濾波器利用了導體在超低溫時(shí)導體表面電阻近似為零的特性,使多級濾波器具有了極高的Q值,從而擁有極小的帶內損耗、非常高的帶外抑制和非常陡峭的過(guò)渡帶特性。它可以用在任何制式的無(wú)線(xiàn)接收機內,可以較大地改善移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )上行鏈路的特性:提高可用靈敏度、選擇性等。其優(yōu)異的抗干擾特性可消除遠離接收頻帶的各種干擾,也能解決接收頻帶附近的強信號使接收機發(fā)生互調干擾的問(wèn)題,還可以使基站接收機底噪聲下降。
我國移動(dòng)通信即將進(jìn)入3G時(shí)代,而3G網(wǎng)絡(luò )對射頻系統提出了更高的要求。隨著(zhù)超導濾波器國產(chǎn)化進(jìn)一步加深,其成本將進(jìn)一步降低,相信超導濾波器必將為3G通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展作出貢獻。
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