防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急無線通信干擾分析

黃宏基

（廣東省防汛搶險(xiǎn)技術(shù)保障中心，廣東 廣州 510635）

防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急無線通信干擾分析

黃宏基

（廣東省防汛搶險(xiǎn)技術(shù)保障中心，廣東 廣州 510635）

無線通信是防汛工作的重要組成部分，針對(duì)防汛應(yīng)急通信的高要求，簡述無線干擾形成的原理，分析無線通信中干擾的隔離度要求，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)得到不同的類型的隔離度和角度方向的要求。為防汛搶險(xiǎn)工作中無線通信干擾提供降低干擾，提高通信質(zhì)量的方法，使得無線通信在防汛搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中達(dá)到更高的通話質(zhì)量，為防汛搶險(xiǎn)工作爭取時(shí)間、發(fā)揮更大的作用。

防汛搶險(xiǎn)；無線通信；干擾

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于防汛救災(zāi)各個(gè)領(lǐng)域，在防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而各大運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)種類繁多，特別是在中國鐵通的建設(shè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“共建共享”后，將不可避免地帶來一系列不同系統(tǒng)間電磁干擾問題，電磁干擾將會(huì)影響到通話質(zhì)量，這使防汛搶險(xiǎn)困難增加。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測試的方法提出防汛應(yīng)急無線通信中不同頻段和系統(tǒng)之間干擾隔離的有效措施。

1 無線通信干擾研究

無線通信基站間干擾類型主要有以下 3 種[1]：

1）雜散干擾。干擾源產(chǎn)生的大功率發(fā)射信號(hào)中在發(fā)射頻帶外產(chǎn)生較高的雜散信號(hào)落在被干擾接收機(jī)工作頻段上而產(chǎn)生的加性干擾，造成使被干擾接收機(jī)的信噪比惡化，輸入信噪比降低，通信質(zhì)量惡化。

2）阻塞干擾。一個(gè)強(qiáng)干擾與有用信號(hào)同時(shí)加入接收機(jī)時(shí)，強(qiáng)干擾會(huì)使接收機(jī)鏈路的非線性器件飽和，產(chǎn)生非線性失真，推到非線性區(qū)，導(dǎo)致放大器對(duì)有用信號(hào)放大倍數(shù)降低甚至抑制。阻塞會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)無法正常工作，長時(shí)間的阻塞還可能造成接收機(jī)的性能永久性下降。

3）互調(diào)干擾。若干個(gè)不同的信號(hào)同時(shí)作用在通信設(shè)備上，由于非線性的作用產(chǎn)生與有用信號(hào)相同或者接近的頻率，從而對(duì)通信系統(tǒng)中有用信號(hào)形成干擾。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中主要產(chǎn)生接收機(jī)、發(fā)射機(jī)及外部效應(yīng)引起的互調(diào)干擾[2]。

在通信系統(tǒng)中雜散干擾為最主要的干擾，這也是重點(diǎn)關(guān)注的一種干擾。

在無線通信中，空間隔離度是干擾判斷的重要方式，是工程上重要的隔離方法?？臻g隔離度即天線間的耦合損耗是指發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)功率，與該信號(hào)到達(dá)另一可能產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物的發(fā)射機(jī)輸出端（或者接收機(jī)輸入級(jí)）的功率比值，以 dB 表示。根據(jù)工信部無〔2015〕22 號(hào)，在近距離或者共站址設(shè)置等易發(fā)生無線電干擾的場景下，2 個(gè)系統(tǒng)基站間空間耦合度損耗應(yīng)不小于 65 dB[3]。

在防汛搶險(xiǎn)工作中，各個(gè)運(yùn)營商各種網(wǎng)絡(luò)制式均可能用到?，F(xiàn)階段三大運(yùn)營商頻段從 800 MHz～2.4 GHz 都有覆蓋，信源制式復(fù)雜多樣。不同網(wǎng)絡(luò)工作頻段如表1 運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)制式及頻率所示。

2 防汛無線通信中天線隔離度

防汛無線通信中天線隔離度模型如圖1 隔離度示意圖所示，一般情況下接收天線電平 Po設(shè)為 0 dBm，在發(fā)射天線發(fā)射出 1 個(gè)電平為 Pi的信號(hào)，然后用測試儀對(duì)天線接收下來的信號(hào)電平 Po進(jìn)行測試。其中隔離度 I = Pi– Po，LW為阻礙物損耗，覆蓋天線放大器正常工作的條件：I（隔離度）＞G（放大器增益）。

表1 運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)制式及頻率

圖1 隔離度示意圖

由于位于同一基站或周圍基站的發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的帶內(nèi)強(qiáng)信號(hào)或者帶外信號(hào)，將使接收機(jī)噪底抬升或者阻塞。為了保證較好的通信質(zhì)量，收發(fā)天線有足夠的空間距離使得隔離度 I 達(dá)到要求濾去帶內(nèi)干擾和帶外噪聲，才能有效保證接收機(jī)的靈敏度[4]。

隔離方式一般分為水平、垂直和傾斜隔離 3 種，如圖2 隔離方式所示。

圖2 隔離方式

下面針對(duì)這 3 種隔離方式，分別計(jì)算隔離距離。

1）水平隔離度 DH計(jì)算公式：

式中：22 是傳播常數(shù)；X 為天線水平距離；λ 為中心頻率波長；Gt為在收發(fā)天線直線連線上發(fā)射天線增益；Gr為在收發(fā)天線直線連線上接收天線增益。

2）垂直隔離因?yàn)榇怪狈较蛏咸炀€不可能正對(duì)，且俯仰的角度比較小，所以垂直方向空間隔離度的計(jì)算公式?jīng)]有將天線增益計(jì)算在內(nèi)。

垂直隔離度 DV計(jì)算公式：

式中：28 為傳播常數(shù)；y 為天線之間垂直距離。

3）傾斜隔離，一般在實(shí)際安裝中并不存在純垂直隔離或純水平隔離，通常介于兩者之間。傾斜隔離度 DS計(jì)算公式：

式中：θ 為天線之間的垂直夾角。

通過公式變化可以得到：當(dāng)天線傾斜架設(shè)時(shí)，天線隔離度大于水平隔離度但小于完全垂直隔離度。另外通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，實(shí)際測試數(shù)據(jù)與傾斜隔離度經(jīng)典計(jì)算公式的結(jié)果有一定差異，在實(shí)際應(yīng)用中建議計(jì)算值預(yù)加 10 dB[5]。

3 實(shí)驗(yàn)測試方法

本次實(shí)驗(yàn)測試以新一代 4G 無線通信中 LTE FDD 1.8 GHz 頻段系統(tǒng)與移動(dòng) TDD LTE 系統(tǒng)為例。使用信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、頻譜分析儀、收發(fā)天線等設(shè)備進(jìn)行鏈接，測試鏈接方式如圖3 所示。

圖3 測試鏈接方式

通過實(shí)驗(yàn)測試對(duì) 1.8 GHz LTE FDD 頻段基站與移動(dòng) TDD LTE 系統(tǒng)進(jìn)行分析，測試不同距離的隔離度是否滿足無線通信要求。其中信號(hào)發(fā)生器：中心頻點(diǎn)為 1 870 MHz/1 880 MHz，信號(hào)功率為 0 dBm；功率放大器為 33 dBm；收、發(fā)天線增益為 10 dBi；頻譜儀：掃頻帶寬為 20 MHz。

信號(hào)發(fā)生器在中心頻點(diǎn)為 1 870 MHz/1 880 MHz頻段產(chǎn)生的 200 kHz 信號(hào)脈沖，現(xiàn)場調(diào)整收發(fā)天線之間的水平距離、垂直距離、水平及垂直距離、方向角等參數(shù)，觀察頻譜儀在不同情況下的接收?qǐng)鰪?qiáng)，計(jì)算出隔離度。圖4 為信號(hào)發(fā)生器在 1 870 MHz 頻段產(chǎn)生的 200 kHz 信號(hào)脈沖時(shí)，頻譜分析儀的接收?qǐng)鰪?qiáng)在 10 dB 處的位置。

圖4 頻譜分析儀顯示結(jié)果

4 隔離度測試數(shù)據(jù)

通過以上的干擾隔離度分析和干擾距離的計(jì)算方法闡述，對(duì)防汛無線通信基站中不同運(yùn)營商各中系統(tǒng)干擾隔離測試，其中以 1.8 GHz LTE FDD 頻段基站與移動(dòng) TDD LTE 系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，通過對(duì)收發(fā)天線之間的水平距離、垂直距離、水平及垂直距離、方向角等參數(shù)進(jìn)行修正并進(jìn)行測試，其中垂直隔離度測試結(jié)果如表2 所示，水平隔離度測試結(jié)果如表3 所示，水平及垂直隔離度矩陣測試結(jié)果如表4所示，天線方向角測試結(jié)果如表5 所示。通過實(shí)際測試數(shù)據(jù)得到 1 880 MHz 頻段垂直隔離距離為 1 m時(shí)，隔離度為 68 dB，已滿足工信部要求的 65 dB。水平隔離為 2 m 時(shí)，隔離度為 73 dB，已滿足工信部要求的 65 dB。

表2 垂直隔離度測試結(jié)果

表3 水平隔離度測試結(jié)果

表4 水平及垂直隔離度矩陣測試結(jié)果

表5 天線方向角隔離度矩陣測試結(jié)果

通過理論和實(shí)驗(yàn)分析，以 1.8 GHz LTE FDD 頻段基站與移動(dòng) TDD LTE 系統(tǒng)為例，在防汛應(yīng)急無線通信干擾中，基站的天線隔離度必須使得垂直隔離距離 ＞ 1 m，水平隔離為 ＞ 2 m 時(shí)方向角外向角度要 ＞ 60°，才能有效減少干擾。

5 結(jié)語

無線通信經(jīng)過多年的發(fā)展，目前網(wǎng)絡(luò)從 2～4 GB/s，頻段從 800～2 400 MHz 都有各種不同的無線通信系統(tǒng)在使用，在防汛搶險(xiǎn)救災(zāi)中無線通信發(fā)揮著重要的作用。防汛無線電通信過程中，由于存在不同形式的干擾現(xiàn)象，若處理不當(dāng)，不但會(huì)影響通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至無法通信影響搶險(xiǎn)救災(zāi)工作[6]。如何減少在防汛通訊中減少干擾，提高通訊的質(zhì)量，本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)無線通信中不同無線通信系統(tǒng)的干擾進(jìn)行了闡述，提出了不同系統(tǒng)、隔離度和方向角的實(shí)際操作方法，對(duì)實(shí)際防汛搶險(xiǎn)通信有一定的理論價(jià)值，以及實(shí)際設(shè)計(jì)、施工建設(shè)指導(dǎo)意義。

通信聯(lián)絡(luò)是防汛搶險(xiǎn)工作的生命線，是貫徹“以防為主，防重于搶”和“有備無患”的防汛指導(dǎo)思想的重要措施之一，是防汛工作的重要組成部分。今后在防汛搶險(xiǎn)通信中仍需要不斷緊跟通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行技術(shù)更新與優(yōu)化調(diào)整。

[1] 曾小平. 電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享中的電磁干擾隔離分析[J]. 廣東通信技術(shù)，2009 （12）: 26-29.

[2] 馮愛國. 移動(dòng)通信中的干擾分析及防護(hù)措施[J]. 中國無線電，2005 （6）: 43-44.

[3] 工業(yè)和信息化部. 工信部無〔2015〕22 號(hào)[A]. 北京：工業(yè)和信息化部，2015: 2-3.

[4] 余澤兵. 3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)間干擾分析[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2007: 53-57.

[5] 陳勝. TD-SCDMA 與 WCDMA 共站互干擾研究[J]. 城市建設(shè)理論研究，2015: 32-34.

[6] 李宇. 防汛無線通信干擾及防范[J]. 水利天地，1991 （4）: 14-15.

Analysis of emergency wireless communication interference in flood prevention

HUANG Hongji

（Guangdong Provincial Technical Support Center of Flood Control, Guangzhou 510635, China）

Wireless communication is an important part of flood prevention. According to the high requirements of emergency communication in flood prevention, the isolation requirement of interference in wireless communication is analyzed. Different types of isolation and angle directions are obtained through theoretical analysis and experiment In this paper the method above is provided for reducing the interference of wireless communication and improving the communication quality. Through using the method higher communication quality is obtained, which speeds the flood control and disaster rescue work. The method is playing a greater and greater role.

flood prevention; wireless communication; interference

TV87

A

1674-9405（2017）03-0056-04

2017-01-09

黃宏基（1985-），男，廣東佛山人，碩士，主要從事防汛搶險(xiǎn)技術(shù)保障、通信系統(tǒng)、水利網(wǎng)絡(luò)安全與信息化相關(guān)技術(shù)研究工作。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.013