1.8GHz 行業(yè)應(yīng)用頻段干擾規(guī)避方法研究

樊成軍 楊乾 周蕓 李燕春

(1.寧夏回族自治區(qū)無線電管理委員會辦公室,寧夏銀川 750000;2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州 310012)

0 前言

隨著各廠商不斷發(fā)力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè),寬帶無線接入技術(shù)和短距離無線技術(shù)相繼涌現(xiàn),無線接入技術(shù)發(fā)展已呈多樣化,如LoRa、SigFox、NwaveOnRamp、Weightless-NP、NB-IoT等眾多通訊技術(shù),LPWA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已呈現(xiàn)多家爭鳴的狀態(tài),不同的無線接入技術(shù)在不同的業(yè)務(wù)模式下表現(xiàn)出來的技術(shù)差異是巨大的,而目前產(chǎn)業(yè)運(yùn)用中絕大多數(shù)并不是大連接、大寬帶或是低時延高可靠的極致場景,而是融合了多種業(yè)務(wù)的綜合需求,用戶期望一張網(wǎng)絡(luò)同時滿足語音、數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務(wù),在此背景下eLTE寬帶集群技術(shù)正滿足了此類客戶的需求而被廣泛運(yùn)用。為科學(xué)規(guī)劃與合理配置頻譜資源,管好無線電臺站和設(shè)備,有效維護(hù)空中電波秩序,保障各類無線電業(yè)務(wù)各行其道、互不干擾,論文從頻譜精細(xì)化管理及系統(tǒng)間干擾規(guī)避兩方面進(jìn)行深入研究,做到事前審核、事中監(jiān)測、事后評估的全過程頻譜監(jiān)管體系。

1 精細(xì)化頻譜管理

圖1 行業(yè)應(yīng)用頻段劃分Fig.1 Frequency band division of industry application

合理的分配頻譜資源是規(guī)避系統(tǒng)內(nèi)干擾的最基本手段。集群通信的需求從語音發(fā)展到數(shù)據(jù),進(jìn)而有“百聞不如一見”的視頻要求,甚至要求實(shí)現(xiàn)超越標(biāo)清的高清視頻。因此,寬帶集群系統(tǒng)需要提供語音調(diào)度、數(shù)據(jù)調(diào)度、視頻調(diào)度等多種業(yè)務(wù)協(xié)同的融合調(diào)度功能[1]。不同的業(yè)務(wù)對系統(tǒng)能力需求差異是巨大的,而申請單位往往按需求最大化申請寬帶,這就需要頻譜管理人員根據(jù)用頻單位提供的業(yè)務(wù)需求類型、終端規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)特性等,計算出合量的帶寬需求,在滿足覆蓋、容量需求的前提下在在1.4 M、3M、5M、10M、15M、20M等可變帶寬內(nèi)靈活的規(guī)劃授權(quán)帶寬,最大程度上規(guī)避用戶間干擾,提升頻譜利用率[2]。

2 系統(tǒng)間干擾抑制

工行部發(fā)布的1785-1805MHz作為城市軌道交通、電力、石油等行業(yè)運(yùn)用專用頻段,技術(shù)體系為TDD時分雙工的方式,與此相鄰的1.8GHz商用運(yùn)用的頻段有DCS1800(上行)1710-1735MHz,DCS1800(下行)1805-1830MHz為中國移動DCS1800工作頻段,1735-1755MHz(上行),1830-1850MHz(下行)為中國聯(lián)通DCS1800工作頻段,如圖1所示。

1785-1805MHz頻段介于1.8GHz上下頻段之間,其下方是1755-1785MHz的FDD上行頻段(即手機(jī)發(fā)射頻率),上方是1805-1830MH的DCS1800下行頻段(即基站發(fā)射頻率),因?yàn)樯鲜鲱l段之間完全相鄰,其中1830MHz頻段以上間隔較大,因此主要關(guān)注T D D-L T E行業(yè)運(yùn)用頻段(以下簡稱“eLTE”)與DCS1800系統(tǒng)間的干擾,即中國移動1805-1830MHz的DCS1800基站下行發(fā)射頻率對1785-1805MHz的eLTE基站上行接收干擾;中國移動1805-1830MHz的DCS1800基站下行發(fā)射頻率對1785-1805MHz的eLTE基站下行接收干擾;同樣1785-1805MH的eLTE基站下行發(fā)射頻段和上行發(fā)射頻段對1805-1830MHz的DCS1800下行接收機(jī)的干擾也同樣存在。

通過精細(xì)化頻譜管理,使系統(tǒng)間有足夠的隔離帶,通過各自濾波器對干擾系統(tǒng)的功率進(jìn)行抑制,來實(shí)現(xiàn)干擾隔離,濾波器的抑制邊帶是一條滾降曲線,一般為保證生產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)性,在通帶邊的1-2 M H z 處是沒有抑制作用的,只有偏離5MHz以上才會獲得40dB以上的衰減,因此一般情況下至少需5MHz隔離帶來考慮,因此精細(xì)化分配eLTE行業(yè)運(yùn)用頻帶尤為重要,在滿足業(yè)務(wù)需求前提下分配10MHz,5MHz甚至3M的帶寬可以充分避開鄰頻頻段,如分配給地鐵、軌道交通使用1790-1800MHz頻段,利用1 80 0-18 0 5M Hz 的5M Hz 頻率作為系統(tǒng)隔離帶,相應(yīng)的DCS1800系統(tǒng)仍然可以從1805MHz開始配置載波,其發(fā)射濾波器的邊帶從1805MHz開始,符合運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)頻譜規(guī)劃通用做法。

2.1 DCS1800基站對eLTE的基站的雜散干擾

DCS1800發(fā)射功率按40W(46dBm)考慮,根據(jù)GSM規(guī)范(3GPPTS05.05v8.20.0)對DCS1800發(fā)射機(jī)的雜散電平應(yīng)小于等于-96dBm/100KHz[3]。系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)熱噪聲功率計算公式:

接收靈敏度一般以10log(KTB)+NF計算,NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)(TD-LTE基站接受機(jī)噪聲系數(shù)為5dB),B為系統(tǒng)載波寬帶(eLTE配置5MHz載波帶寬)。干擾容限以接收機(jī)靈敏度下降0.8dB計算,即干擾比系統(tǒng)接收靈敏度低7dB。在常溫17℃下,對任何帶寬的噪聲功率計算:

要使DCS1800基站對eLTE的干擾不受影響,eLTE所容忍的干擾容限為:-174+10log(5000000)+5-7=-109dBm。用最小耦合損耗(MCL)計算法計算干擾源系統(tǒng)發(fā)射指標(biāo)和被干擾系統(tǒng)接收指標(biāo)之間的隔離度要求:

其中:Pr為干擾系統(tǒng)的雜散干擾信號強(qiáng)度,BWAF表示帶寬調(diào)整因子,它的公式定義:

BandWidth_Rx:被干擾接收機(jī)工作帶寬

BandWidth_Measure:干擾電平可測量帶寬

當(dāng)被干擾系統(tǒng)工作帶寬與測量帶寬不一致時,需要進(jìn)行帶寬轉(zhuǎn)換。地面基站共存按照MCL為67dB的隔離度要求,BWAF=10×log50=17dB,則DCS1800發(fā)射機(jī)的雜散電平應(yīng)為-96dBm/100KHz=-79dBm/5MHz,隔離度=-79-(-109)=30dB。在MCL=67dB時,則DCS1800與eLTE專網(wǎng)共址建設(shè)時能滿足雜散隔離度要求。

2.2 DCS1800基站對eLTE基站的阻塞干擾

阻塞干擾是將接收機(jī)的低噪放大器LNA推向飽和區(qū),使其不能正常工作的強(qiáng)功率帶外干擾。與鄰道和雜散干擾信號不同,阻塞干擾并不落在被干擾系統(tǒng)接收帶寬內(nèi)的,而是在接收帶寬和鄰頻帶寬外的,用于描述遠(yuǎn)離接收信道的干擾,在遠(yuǎn)離接收機(jī)工作頻帶部分,雖然阻塞與雜散有頻率上的重疊,但阻塞干擾一般指干擾信號為窄帶信號或確定系統(tǒng)的調(diào)制信號。一般要求阻塞干擾功率比LNA的1dB壓縮點(diǎn)低10dB。

DCS1800的發(fā)射功率按照40W(46dBm)考慮,TD-LTE的帶外抗阻塞能力為-47dBm(3GPP25.104 Table7.5)[4],類似雜散干擾的情況,阻塞隔離度的公式:

Pr為干擾系統(tǒng)的發(fā)射功率,PB為TD-LTE帶外阻塞電平,Fs為濾波器抑制能力。

TDD-LTE與DCS1800共存時,按照MCL=67dB,則隔離度要求:

67=46-Fs-(-47)得出Fs=26,在5M隔離帶下,加裝濾波器可以滿足eLTE帶外阻塞電平要求。

2.3 DCS1800基站對eLTE基站的互調(diào)干擾

互調(diào)干擾是由傳輸信道中非線性電路產(chǎn)生的,當(dāng)兩個或多個不同頻率的信號輸入到非線性電路時,由于非線性器件的作用,會產(chǎn)生很多諧波和組合頻率分量,其中與所需要的信號頻率ω0 相接近的組合頻率分量會順利通過接收機(jī)而形成干擾,這種干擾稱為互調(diào)干擾。互調(diào)干擾特性取決于收發(fā)機(jī)的非線性器件,兩個頻率以上的作用,互調(diào)產(chǎn)物的頻率落入接收機(jī)內(nèi)才造成干擾,使信噪比下降。如果干擾的信號頻率為f1,f2,f3,其互調(diào)產(chǎn)物的頻率將為f=pf1+qf2+rf3+…,|p|+|q|+|r|為互調(diào)產(chǎn)物的階次,據(jù)此可列出干擾頻率f1、f2的兩個干擾信號的互調(diào)產(chǎn)物:

二階互調(diào):f1±f2或f2±f1

三階互調(diào):2×f2±f1或2×f1±f2

四階互調(diào):2×f1±2×f2或3×f1±f2

期中三階互調(diào)影響最大。

接收端的互調(diào)產(chǎn)物強(qiáng)度:PIMD=3×Pi－2×IIP3,期中IIP3是三階輸入截取點(diǎn),一般直接給出接收機(jī)所允許的互調(diào)干擾源強(qiáng)度指標(biāo),如圖2所示。

DCS1800的工作頻率為1805-1830MHz,如DCS1800低頻中心頻率f1=1810MHz,最高中心頻率為f2=1830MHz,則2F1-F2=1790MHz,落在專用頻段1785-1805MHz內(nèi),根據(jù)3GPP 25.105中對GMSK基站對G M S K 互調(diào)干擾的要求, 在對應(yīng)-115dBm所需要信號功率水平,單頻(CW)干擾信號不能高于-47dBm,由于DCS1800信號帶寬與TDD-LTE專網(wǎng)信號帶寬接近,可參考G S M K 基站對e L T E 基站的互調(diào)要求,MCL應(yīng)滿足46-MCL≤-47dBm,則MCL要求大于83dBm。在共址建設(shè)時MCL=67dB,5M隔離帶下,加裝濾波器可以滿足eLTE帶外阻塞電平要求。

3 結(jié)語

通過DCS1800與eLTE系統(tǒng)間的三種典型頻率干擾現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析得出以下結(jié)論:(1)在分配頻段時需要進(jìn)行與已有1.8GHz系統(tǒng)(例如McWiLL)的共存和兼容(例如后進(jìn)系統(tǒng)需要與已有系統(tǒng)的時隙對齊)等考慮。(2)1.8GHz帶寬分配策略,應(yīng)該優(yōu)先考慮5MHz帶寬,這樣既可以提高1.8GHz的利用率,又容易滿足與已有系統(tǒng)的兼容性。(3)1.8GHz頻段設(shè)備品種繁多,類型多樣,并廣泛分布在全國各地,因此建議對不符合要求的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行整頓和清理。

近幾年來,隨著介質(zhì)濾波器工藝的不斷進(jìn)步,介質(zhì)工藝逐漸成熟,成本也逐漸降低。對于一些雜散發(fā)射抑制要求較高的場合,建議考慮介質(zhì)濾波器并輔以必要的工程技術(shù)手段,保證eLTE系統(tǒng)的可靠工作。

圖2 諧波和組合頻率分量Fig.2 Harmonic and combined frequency components