UMTS与LTE FDD系统铁塔共建共享干扰分析
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【摘要】电信基础设施共建共享是建设资源节约型、环境友好型社会的必然要求，也是企业实现自身科学发展的必然途径。在移动通信系统的共建共享中，基站建设是其重要内容之一，而天线隔离度则是其实现共建共享的关键参量。从非共站共存和共站共存两种情况对umts系统与lte fdd系统并存时的天线隔离度进行了计算，该计算规避了杂散干扰和阻塞干扰，最后还给出了两系统共存时对天线的间隔要求。
【关键词】UMTS LTE FDD 空间隔离 天线隔离度
1 概述
2009年1月7日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通分别发放了全业务牌照，全业务牌照包括基础电信业务牌照和第三代移动通信业务牌照（即3G牌照），随着3G牌照的发放，中国电信业正式开启了3G时代。2012年4月19日，中国移动（微博）香港有限公司宣布推出新一代4G LTE移动通信服务，意味着电信服务从3G迈向了4G时代。在电信业急速发展的同时，运营商之间的竞争或运营商自身系统的升级都牵涉到基站的建设与后期维护，无论是出于经济效益方面，还是出于提高通信质量方面，或者是出于社会责任性方面，基站（铁塔）共建共享始终是一个重要的研究方向。
基站共建共享会产生干扰，而干扰产生的原因又是多种多样的。原有的专用无线电系统占用现有频率资源、不同运营商网络配置不当、发信机工作频率与功率配置等自身设置问题、小区重叠、环境、电磁兼容（EMC）以及有意干扰等，都是产生移动通信网络射频干扰的原因。
不同系统之间的互干扰产生原因及影响程度，与干扰和扰两个系统之间的特点及射频指标紧密相关，而与收发信机的关系则更密切。发信机在发射有用信号时会产生无用发射，此无用发射包括调制引起的带外发射和杂散发射。接收机在接收有用信号的同时，落入信道内的干扰信号会引起接收机灵敏度的损失，落入接收带宽内的干扰信号可能会引起带内阻塞；同时接收机也存在非线性，带外信号会产生接收机的带外阻塞。无论是带内阻塞或是带外阻塞，最终都将严重影响接收机对信号的接收。
干扰源的发射信号从天线口被放大发射出来后，经过了空间损耗，最后进入扰接收机。如果空间隔离不够的话，使这两副天线间的天线隔离度下降，进入扰接收机的干扰信号强度将被增强；若其干扰强度足够大，将会使接收机信噪比恶化并可能产生饱和失真，甚至完全阻塞。
本文仅考虑基站（铁塔）共站时天线之间的空间隔离问题：在发射端，全部发射可分为有用发射和无用发射，无用发射又可分为带外发射和杂散发射；在接收端，可能影响两系统共存的干扰有加性噪声干扰、互调干扰、阻塞干扰和邻道干扰等。在实际应用中，由于杂散发射一般都比较小，因此其主要产生加性噪声干扰；而有用发射和带外发射信号比较大，是系统产生互调干扰、阻塞干扰和邻道干扰的主要因素。
带外发射是直接在必要带宽外由于调制引起的不必要发射，但杂散发射除外。杂散发射是在必要带宽外某个或某些频率上的发射，其发射电平可降低但不影响相应信息传递。杂散发射包括谐波发射、寄生发射、互调产物以及变频产物，但带外发射除外。一般来说，落在中心频率两侧，必要带宽±250%处或以外的发射都认为是杂散发射。其关系如图1所示，通常把50%必要带宽到250%必要带宽所在的区域称为带外区域，把250%必要带宽外的称为杂散区域[1]。由图1可知，带外发射在带外区域的信号占主导，杂散信号在杂散区域占主导，但这两种发射在50%必要带宽外的全部区域都是存在的。
加性噪声干扰是干扰源在扰接收机工作频段产生的噪声，包括干扰源的杂散、噪底等，使扰接收机的信噪比恶化。由于其主要来源于干扰源的杂散，也称为杂散干扰。互调干扰是当多个信号同时进入接收机时，在接收机前段非线性电路作用下会产生互调产物，这些互调产物落入接收机有用频带内时会对信号造成干扰。阻塞干扰是指当强的干扰信号与有用信号同时加入接收机时，强干扰会使接收机链路的非线性器件饱和甚至极度饱和，使电路输出不受输入信号控制的饱和信号。产生阻塞的主要原因是器件的非线性，非线性会产生互调多阶产物，多阶产物功率密度的增加，更促使接收机的动态范围受限，使其产生阻塞干扰。当然，有用信号过强时也会产生阻塞；同时，接收机的动态范围受限也会引起阻塞干扰。邻道干扰是指相邻或邻近信道信号落入本接收机通频带内造成的干扰，或者说这些外来的邻信道信号引起本接收机信噪比性能的恶化。通常用邻道选择性（ACS）指标来衡量接收机抗邻道干扰的能力。
2 系统共存研究方法
由于发射机发射成型滤波器以及接收机接收成型滤波器的非理想性，在两个系统共存时会产生干扰，导致扰接收机宽带接收总功率（RTWP）抬升，对系统的覆盖和容量造成影响。共存系统的干扰可以用广义的邻道干扰比（ACIR）来衡量：。
其中，邻道泄漏比（ACLR）是指邻道（或者带外）发射信号落入到扰接收机通带内的能力，定义为发射功率在相邻信道（或者扰频带）上的测得功率与相邻信道接收（信号）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，即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。
在具有一定隔离带宽的条件下，可以利用两个系统之间的ACIR值，计算扰系统收到来自干扰系统发送功率的杂散干扰和邻道泄漏干扰功率值，将这些干扰功率值与扰系统本身的自干扰相叠加，终将导致扰系统的容量、覆盖等方面的损失，本文将研究消除这些干扰影响或者说影响程度可略时所需要的隔离度。
确定性分析方法和系统仿真方法是目前无线通信系统间干扰共存研究普遍采用的两种方法[2]。确定性分析方法是基于链路预算原则进行分析的一种方法，该方法通过数值计算得出两系统共存所需的空间隔离度，简单高效；但由于一般选取干扰最严重的链路（路径损耗最小，发射功率最大，收发天线增益最大），而使此分析法所得干扰结果比较悲观，需要的隔离度与实际情况差距较大，往往只作为一定程度上的参考。系统仿真方法则通过复杂、精确的迭代仿真，得出系统间干扰共存时的有关统计数据，数据接近真实情况，因此得到越来越广泛的应用。而且此分析方法通过实际工程应用，还可不断反馈和修正确定性分析、系统仿真建模，能进一步完善干扰理论研究方法。
本文采用的研究方法分为两步：首先通过得出两系统共站共存（Co-located，两系统的基站位置完全重合）、非共站共存（Co-existence，两系统的基站位置不相重合）所需的空间隔离度；然后再依据电波传播与空间隔离度关系，计算出两系统共站设置时所需的隔离距离。
3 研究假设
由于两系统非共站共存时，不同运营商的基站天线摆放位置难以事先确定，因此较难计算两天线间的增益影响，各国研究多从收发天线共站共存考虑。本文在进行空间隔离估算时，也只考虑收发天线共站共存的情况。
非共抱杆时两天线位置关系如图2所示：
其中，α为天线的最大辐射方向在水平面的投影与两天线联线段在水平面的投影之间的夹角；两天线主瓣相对时两天线方向角均为0°，两天线主瓣相背时两天线方向角均为180°；d为两天线抱杆间的水平距离。
假定两系统使用的都是定向天线，且天线增益设为15dB。在实际情况下，图2所示的两定向天线的方位角可能有多种情况，下面分别以极限情况的安装位置，即两天线有正增益（两天线主瓣相对时，图2中α为0°；两天线最大辐射方向相同时，α为90°）和两天线无正增益情况（α为120°）三种典型情况下，说明不同系统天线的水平隔离距离要求。此外，对于垂直隔离距离要求而言，本文统一按照两天线最大辐射方向一致来计算。若在这种情况下能达到隔离的距离要求，当两天线最大辐射方向不一致，即两天线方向角还存在差异时，此两天线空间距离则更能满足其空间隔离度的要求。
4 系统分析
4.1 干扰场景
对UMTS与LTE FDD不同频段干扰如图3所示：
由图3干扰场景可以看出，可能存在的互干扰有一个系统的基站干扰另一个系统终端、一个系统的终端干扰另一个系统基站、一个系统的基站干扰另一个系统基站、一个系统终端干扰另一个系统终端等情况。但由于两个系统的频率间隔很大，因此基站与终端之间的干扰、终端与终端之间的干扰都非常小，这里可忽略不计，只考虑UMTS基站与LTE FDD基站间的干扰。
4.2 干扰分析
（1）UMTS基站对LTE FDD基站上行的加性噪声干扰
根据协议规范，要求UMTS系统与其他系统非共站共存时的杂散辐射必须满足表1所示要求，而与其他系统共站共存时必须满足表2所示要求。
（2）UMTS基站对LTE FDD基站上行阻塞干扰
在LTE FDD系统中，对BS接收机的阻塞特性要求如表5所示：
根据3GPP协议，规避阻塞干扰所需要的隔离度如表6所示：
（3）LTE FDD基站对UMTS基站上行的加性噪声干扰
根据协议规范，要求LTE FDD系统与其他系统非共站共存时的杂散辐射必须满足表7所示要求，而与其他系统共站共存时必须满足表8所示要求。
根据3GPP协议，非共站共存以及共站共存时规避杂散干扰所需要的隔离度与UMTS基站对LTE FDD基站上行的加性噪声干扰中描述相同。
（4）LTE FDD基站对UMTS基站上行阻塞干扰
在UMTS系统中，对BS接收机的阻塞特性要求如表9所示：
根据3GPP协议，规避阻塞干扰所需要的隔离度如表10所示：
4.3 天线空间隔离度计算
当收发天线完全正对时，它们的增益Gt和Gr最大，均为15dBi；当收发天线在正对方向上偏转90°时，根据天线方向图可计算得出Gt和Gr的增益均为0dBi；当收发天线在正对方向上偏转120°时，可计算得出Gt和Gr的增益均为0dBi。
将规避干扰所需的隔离度、干扰的工作频率、收发天线增益代入天线水平隔离度DH（dB）计算公式[5]，即可算得天线的水平间距s（m）。
由于垂直隔离度DV（dB）与天线增益无关，只需将规避干扰所需的隔离度、干扰的工作频率代入天线垂直隔离度计算公式[5]，即可算得天线的垂直间距s（m）。
由之前计算的隔离要求可知，不同天线方向角下的水平和垂直距离如表11所示。
5 研究结果
从上面的分析可知，UMTS 2.1GHz与LTE FDD 2.6GHz非共站共存、共站共存两种情况下规避杂散和阻塞干扰所需的隔离度如表12所示。
UMTS 2.1GHz与LTE FDD 2.6GHz共站共存时的天线间距要求如表13所示。由于天线垂直方向的隔离距离要求较小，因此只给出了水平隔离距离要求。
6 结论
由以上分析可见，UMTS 2.1GHz与LTE FDD 2.6GHz共站建设是完全可能的，只需处理好垂直隔离距离和水平隔离距离的组合。若由于实际场景的限制而无法实现所定出的最小空间距离的无线站，则需要另外增加外接带通滤波器。必要时，应对网络的无线设计做适当的调整或对网络进行优化，以弥补由于使用外接带通滤波器对网络覆盖和容量产生的不良影响。
天线隔离度是基站共建共享的一个关键参量，笔者认为这一思想在室内分布系统及其他无线电通信系统共建共享时仍然有效。
参考文献：
[1] 信息产业部无线电管理局. 中华人民共和国无线电频率划分规定[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.
[2] 3GPP TR 25.942 v6.1.0. Radio Frequency（RF） system scenarios[S].
[3] 3GPP TS 25.104 v6.18.0. Base Station（BS） radio transmission and reception（FDD）[S].
[4] 3GPP TS 36.104 v9.1.0. Base Station（BS） radio transmission and reception[S].
[5] 中国通信标准化协会. 电信基础设施共建共享技术要求（第一部分：钢塔架）[S].