LTE系統(tǒng)鄰頻合路隔離度研究

潘桂新+黃曉明+李衛(wèi)

【摘 要】隔離度為合路器的關鍵指標，控制駐波、雜散及阻塞干擾的要求共同決定了系統(tǒng)合路的隔離度指標。結(jié)合LTE系統(tǒng)鄰頻的特點，詳細研究并確定了LTE鄰頻系統(tǒng)合路對隔離度的要求，并通過實驗驗證了該指標滿足3GPP要求，隔離度要求的降低減少了合路需要的隔離帶寬，節(jié)省了寶貴的頻譜資源。

【關鍵詞】鄰頻系統(tǒng) 合路 隔離度 雜散 阻塞干擾

1 引言

中國聯(lián)通與中國電信競合逐步展開，雙方1.8 GHz頻段LTE FDD室內(nèi)分布系統(tǒng)的共建共享成為主要內(nèi)容。不同LTE系統(tǒng)間合路時為避免合路系統(tǒng)間的相互干擾，系統(tǒng)間必須滿足一定的隔離度。通信系統(tǒng)中通過空間隔離或頻率隔離方式來實現(xiàn)指標要求的隔離度為當前最常見的兩種技術方案。由于共用一套室內(nèi)分布系統(tǒng)，不存在空間隔離的可能，則頻率隔離成為唯一的解決方案。室分合路的技術標準一般要求合路器系統(tǒng)間達到80 dB以上的隔離度，則需要5 MHz以上的頻率隔離。而在1.8 GHz頻段，中國聯(lián)通和中國電信LTE FDD上行/下行頻率（中國聯(lián)通上行/下行：1745 MHz—1765 MHz/1840 MHz—1860 MHz，中國電信上行/下行：1765 MHz—1785 MHz/1860 MHz—1880 MHz）是相鄰的（簡稱“鄰頻系統(tǒng)”），不存在頻率間隔，5 MHz的頻率隔離對寶貴的頻譜資源形成了巨大的浪費，所以以上兩個系統(tǒng)合路時，隔離度指標成為合路的一個關鍵技術指標。本文主要針對中國聯(lián)通和中國電信1.8 GHz LTE FDD室分系統(tǒng)鄰頻合路的特殊場景，利用合路的LTE系統(tǒng)間鄰頻的特點，研究并分析出合適的隔離度指標，以減少對隔離帶寬的要求，實現(xiàn)節(jié)省寶貴頻譜資源的目的。

2 LTE共址系統(tǒng)隔離度要求分析

3GPP將基站共站共址分為共存（Co-existence）和共址（Co-location）兩種場景[1]，鄰頻多網(wǎng)合路共用一套室內(nèi)分布屬于一種特殊的“共存”場景。為保證各基站系統(tǒng)獨立運行，避免相互干擾，3GPP對“共址”和“共存”基站提出了基站間隔離要求，下面分別分析共存的LTE系統(tǒng)為避免雜散和阻塞干擾對系統(tǒng)間隔離度的要求。

2.1 雜散干擾對隔離度的要求

雜散干擾是指基站發(fā)射機在其它頻段產(chǎn)生的雜散信號，對工作在該頻段的其它移動通信系統(tǒng)信號的接收形成的干擾，會導致接收信號質(zhì)量惡化，接收機靈敏度下降，信息發(fā)生誤差或丟失，甚至阻斷通信，兩系統(tǒng)合路時一個通道系統(tǒng)的雜散信號串入另一個通道即形成雜散干擾。

靈敏度是衡量基站接收機接收微弱有效信號能力的指標，是接收機在一定的解碼誤碼率下，對應的最小接收有用信號強度（Sm，單位為dBm）。靈敏度指標與信噪比（SNR，單位為dB）、噪聲系數(shù)（F）、增益（G，單位為dB）等電路參數(shù)和自然噪聲（N0）、外部干擾（Ir，單位為dBm）等接收機放大電路基本指標參數(shù)公式關系推導如下：

信噪比：SNR=S-N （1）

增益：G=Sout-Sin或 （2）

噪聲系數(shù)：

（3）

將公式（2）帶入公式（3）即可得：

（4）

其中，SNR為信噪比，S為有效信號（單位為dBm），N為噪聲（單位為dBm），其對應的線性值分別為“snr”、“s”和“n”；“in”和“out”分別表示輸入和輸出。

接收機放大電路基本原理如圖1所示，信號Sin和底噪Nin輸入，經(jīng)放大器放大后，獲得增益G，信號和底噪輸出分別為G+Sin和G+Nin。

在沒有外界干擾的情況下，接收機輸入底噪為自然熱噪聲n0時，根據(jù)公式（1），可以得到系統(tǒng)靈敏度（即放大器最小輸入信號強度Sm）與輸出信噪比SNRm（單位為dBm）之間的關系，滿足如下公式：

SNRm=Sm_out-Nm_out （5）

按照公式（2）和公式（4）分別可得到如下公式（6）和公式（7）：

Sm_out=Sm+G （6）

Nm_out=10lg（F×g×n0） （7）

將公式（6）和（7）代入公式（5）得：

SNRm=Sm+G-10lg（F×g×n0） （8）

在存在干擾ir的情況下，接收機輸出總的噪聲為10lg[（F×g×n0）+g×ir]，則依據(jù)公式（8），此時系統(tǒng)靈敏度（即放大器最小輸入信號強度S'm）與輸出信噪比SNRm之間的關系滿足如下公式：

SNRm=S'm+G-10lg[（F×g×n0）+g×ir] （9）

公式（8）減公式（9）可得：

（10）

根據(jù)3GPP[1]相關文檔要求，當LTE系統(tǒng)共存時，雜散干擾對被干擾系統(tǒng)靈敏度降低的影響不能超過0.8 dB，即≤0.8 dB，將此要求代入公式（10），并進行變換可得到公式（11）：

Ir≤N0+NF-7 （11）

一般系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF取為5 dB，自然熱噪聲N0為-124 dBm/100 kHz，代入公式（11）可以得出，為滿足雜散干擾對共存LTE系統(tǒng)的靈敏度降低不超過0.8 dB的要求，雜散干擾信號經(jīng)過合路器通道間隔離度大小的衰減到達被干擾LTE系統(tǒng)的雜散干擾不能超過-126 dBm/ 100 kHz。根據(jù)3GPP協(xié)議[1]的規(guī)定，LTE系統(tǒng)共存時雜散干擾不超過-96 dBm/100 kHz，由此可以推導出LTE系統(tǒng)共存時，為防止雜散干擾所需的系統(tǒng)間隔離度（Isolation_SEM）要求，如下：

Isolation_SEM≥-96（dBm/100kHz）–（-126（dBm/

100kHz））=30（dB） （12）

2.2 阻塞干擾對隔離度的要求

阻塞干擾是指基站接收機接收移動終端微弱的上行有用信號時，受到帶外強干擾信號影響，會引起接收機放大器工作偏離線性區(qū)，進入非線性失真甚至飽和區(qū)，產(chǎn)生非線性失真甚至阻塞。

3GPP協(xié)議[1]對LTE系統(tǒng)接收機抗阻塞的要求為：當干擾信號不高于16 dBm時，系統(tǒng)仍可以正常工作。假定LTE主設備的典型發(fā)射功率為46 dBm，可以推導出要使干擾系統(tǒng)發(fā)射的信號到達被干擾LTE系統(tǒng)接收機時功率不超過16 dBm，從而不阻塞接收機所需要的隔離度（Isolation_blocking）為：

Isolation_blocking≥46（dBm）-16（dBm）=30（dB）

（13）

綜合以上公式（12）和（13）可以得出，LTE系統(tǒng)共址合路時，從控制雜散和阻塞干擾指標要求來看，合路的系統(tǒng)間要求有30 dB以上的隔離度，這也是3GPP隔離度要求的來歷。

3 LTE系統(tǒng)鄰頻合路隔離度要求分析

現(xiàn)有技術標準和規(guī)范中的“共存”和“共址”都是針對室外宏站獨立天饋的建設模式而言，并沒有特別考慮到室內(nèi)分布系統(tǒng)多網(wǎng)共用室內(nèi)天饋系統(tǒng)這一更為特殊的基站共存形式。合路的系統(tǒng)間不僅基站共址，而且所有信號通過合路器共用室內(nèi)分布天饋，實現(xiàn)一套天饋共同覆蓋?；尽肮仓贰?，覆蓋“共存”。共址基站沒有物理空間分隔，系統(tǒng)間避免干擾需要的隔離度無法像室外基站那樣通過空間隔離實現(xiàn)，而只能通過合路器端口間的隔離來實現(xiàn)，從而避免相互間的干擾。

中國聯(lián)通和中國電信1.8 GHz LTE FDD室分合路不僅具備上面提到的室分合路這一特殊的基站“共存”特點，同時，由于中國聯(lián)通和中國電信的LTE系統(tǒng)的頻段是鄰頻分配的，所以兩者間的“共存”還具備很多其它特征，對兩者合路需要的隔離度也產(chǎn)生了獨特的影響，下面進行詳細的分析。

合路共址基站兩個獨立系統(tǒng)間相互干擾的通道可能有4個，如圖2所示。①干擾基站發(fā)射對被干擾基站發(fā)射的影響（BS Tx2→BS Tx1）；②干擾基站發(fā)射對被干擾基站接收的干擾（BS Tx2→BS Rx1）；③干擾終端發(fā)射對被干擾基站接收的干擾（MS Tx2→BS Rx1）；④干擾終端發(fā)射對被干擾基站發(fā)射的影響（MS Tx2→BS Tx1）。

（1）干擾基站發(fā)射對被干擾基站發(fā)射的影響

合路BS（Base Station，基站）高功率發(fā)射信號可能通過合路通道間耦合，相互反串進入對方基站下行通道，對對方發(fā)射系統(tǒng)造成影響。如果合路BS發(fā)射信號在不同頻段，下行通道發(fā)射濾波器會將反串信號阻隔，無法繼續(xù)進入。但是，合路的中國聯(lián)通和中國電信LTE系統(tǒng)鄰頻，BS發(fā)射信號屬于同一頻段，反串信號在對方發(fā)射濾波器通帶內(nèi)，從而可順利通過濾波器到達發(fā)射功放模塊的輸出端。逆向進入的信號直接進入功放電路，可能會導致電路飽和或阻塞。不過，基站發(fā)射機為了防止自身射頻輸出阻抗不匹配時大功率射頻發(fā)射造成發(fā)射機燒毀，在輸出前端均設有環(huán)形器和吸收負載，將逆向傳輸?shù)男盘柟β仕p后導向吸收負載，以保護功放模塊，并設有駐波告警，對反射功率過高發(fā)起提醒，告警門限一般設置在駐波系數(shù)1.5（相當于4%的反射功率，反射回波損耗14 dB）。

一般來說，基站RRU系統(tǒng)的環(huán)路器對逆向信號一般有20 dB以上的隔離，從而能有效保護發(fā)射機功放電路不被阻塞，但長期駐波告警或發(fā)射功率過強，可能會觸發(fā)BS自保護機制，將發(fā)射機自動關閉。即使不會觸發(fā)駐波告警，但長期存在較強反串信號會使吸收負載發(fā)熱嚴重，對RRU的電路產(chǎn)生不良影響。

因此，鄰頻LTE系統(tǒng)共址合路為避免通過通道①的反串功率引起駐波告警，需要在反串功率在經(jīng)過合路器時進行一定衰減，即合路器的隔離度要不小于駐波告警門限1.5（其對應的回波損耗為14 dB）。考慮到一定的工程裕量（取6 dB），可得到為防止駐波告警需要的合路器通道間隔離度（Isolation_VSWR），如下：

Isolation_VSWR≥14（dB）+6（dB）=20（dB） （14）

（2）干擾基站發(fā)射對被干擾基站接收的干擾

BS發(fā)射的下行信號中包含的被干擾系統(tǒng)接收頻段的雜散信號可能通過通道②耦合進入合路的對端BS接收通道，對其接收系統(tǒng)形成阻塞和雜散干擾。為避免以上干擾，系統(tǒng)間的隔離度要求一般與普通“共存”場景下的要求一致。但是，由于中國聯(lián)通與中國電信LTE位于相鄰頻段且同頻段，BS為保證其本身接收機的正常工作和靈敏度指標，發(fā)射通道及其濾波器必須嚴格控制其發(fā)射信號中包含的本身接收機頻段的雜散輻射，使其遠低于3GPP要求的-96 dBm/100 kHz（經(jīng)測試一般可達到-120 dBm/100 kHz以上）。所以，在鄰頻合路這一特殊“共存”場景下，根據(jù)公式（12）可得抑制雜散干擾影響需要的隔離度要求，可放寬如下：

Isolation_SEM≥-120（dBm/100kHz）–（-126（dBm/

100kHz））=6（dB） （15）

同理，LTE接收機直接面臨本身發(fā)射頻段強信號的阻塞，對其發(fā)射頻段強信號的抗阻塞干擾能力要求須超過3GPP對一般頻段抗阻塞能力要求，故自然也能承受與其發(fā)射機信號位于同一頻段的干擾系統(tǒng)強信號的阻塞干擾，所以對合路器通道間的隔離度沒有額外的要求，即鄰頻合路抗阻塞干擾（Isolation_blocking）的隔離度要求可放寬為0 dB。

綜上分析，利用LTE系統(tǒng)鄰頻合路的特點，突破了3GPP對系統(tǒng)“共存”的隔離度要求，可將LTE系統(tǒng)鄰頻合路這一系統(tǒng)“共存”的特殊場景的隔離度要求大大降低至6 dB。

（3）干擾終端發(fā)射對被干擾基站的干擾

對于被干擾系統(tǒng)接收機通過上行接收通道③受到其它系統(tǒng)終端的上行信號的干擾，3GPP標準[1]對基站接收機的ACS（Adjacent Channel Selection，鄰道選擇）能力有指標要求，具體如表1所示，有用信號和干擾信號功率差遠超過現(xiàn)網(wǎng)場景下鄰頻共存的兩個不同LTE系統(tǒng)終端信號到達基站接收機時的功率差（LTE系統(tǒng)上行功率控制一般使到達基站接收機功率基本穩(wěn)定），因此，通道③的干擾可不考慮。

對于通道④產(chǎn)生的干擾，一般終端的發(fā)射功率為幾十到幾百毫瓦，與RRU幾瓦到幾十瓦的發(fā)射功率相比，相差1000倍，再加上空間鏈路損耗，通道④產(chǎn)生的干擾可以忽略不計。因此，通道④干擾也可忽略。

綜上所述，合路共址BS干擾主要考慮通道①和②。通過前面的分析，可以得出在鄰頻合路的場景下，為避免合路系統(tǒng)間的相互干擾，合路器通道間的隔離度要求計算如下：

隔離度≥max{Isolation_VSWR， Isolation_SEM， Isolation_Blocking}=20（dB） （16）

4 實驗驗證

按照上文研究得出的隔離度指標，研發(fā)出中國聯(lián)通和中國電信1.8 GHz LTE FDD鄰頻合路器樣品，實現(xiàn)了無隔離鄰頻合路。按照圖3的組網(wǎng)拓撲，將中國聯(lián)通和中國電信1.8 GHz LTE FDD RRU使用鄰頻合路器進行合路，結(jié)合相關儀器設備搭建實驗環(huán)境。主要驗證以上隔離度指標在合路時，各LTE系統(tǒng)與隔離度相關的關鍵射頻指標和業(yè)務指標是否受到影響。實驗室測試場景圖如圖3所示：

對國內(nèi)5家主要無線設備供應商（中興、華為、諾基亞、愛立信、上海貝爾）LTE設備在鄰頻合路器合路場景下系統(tǒng)性能指標進行實驗，以中興設備的測試結(jié)果為例（其它各家設備測試結(jié)果與中興基本一致），其結(jié)果如表2所示。

通過以上實驗可得出如下結(jié)論：

1）鄰頻合路方式下，關鍵射頻指標均優(yōu)于3GPP/中國聯(lián)通工程標準的要求；

2）鄰頻合路器的隔離度指標設計合理，合路后系統(tǒng)性能基本不受影響。

確定了鄰頻合路器的隔離度指標后，結(jié)合普通合路器的通帶插損指標要求（一般要求≤1 dB），利用合路器仿真設計軟件得出結(jié)論：一般情況下，要實現(xiàn)20 dB的隔離度，兩個系統(tǒng)合路所需的隔離帶寬最小為1.75 MHz。如此，中國聯(lián)通和中國電信1.8 GHz LTE FDD系統(tǒng)鄰頻合路所需隔離帶寬相比原來所需的5 MHz減少了65%，節(jié)省了寶貴的頻譜資源。

5 結(jié)束語

對基于3GPP等標準的LTE基站“共存”下隔離度指標進行研究，并結(jié)合鄰頻合路的特點，使鄰頻合路器的隔離度要求得到降低，創(chuàng)新性地突破了3GPP的相關要求，實現(xiàn)了中國聯(lián)通和中國電信1.8 GHz LTE FDD系統(tǒng)的鄰頻合路，并節(jié)省了寶貴的頻譜資源。通過實驗驗證得出，該隔離度指標對系統(tǒng)性能基本沒有影響，目前根據(jù)該關鍵指標生產(chǎn)的鄰頻合路器已經(jīng)在中國聯(lián)通和中國電信的室分系統(tǒng)中進行了試用，并取得了良好的效果，所以后期建議可將其廣泛商用并在全國推廣。

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