無線通信系統(tǒng)頻率干擾原理及其解決之道

隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球信息網(wǎng)絡(luò)正在快速向以ip為基礎(chǔ)的下一代網(wǎng)絡(luò)(ngn)演進(jìn)。未來全球個(gè)人多媒體通信的寬帶化、移動(dòng)化的技術(shù)趨勢(shì)，加之靈活性、便利性的市場(chǎng)要求，使得無縫覆蓋、無線連接的目標(biāo)正在日益變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。當(dāng)前，各種無線技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放、百技爭(zhēng)鳴的局面，這在加速無線應(yīng)用普及的同時(shí)，也因無線技術(shù)所固有的頻率干擾而面臨不可忽視的問題。

1、頻率干擾原理分析

無線干擾的產(chǎn)生是多種多樣的，原有的專用無線電系統(tǒng)占用現(xiàn)有頻率資源、不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)配置不當(dāng)、發(fā)信機(jī)自身設(shè)置問題、小區(qū)重疊、環(huán)境、電磁兼容(emc)等，都是無線通信網(wǎng)絡(luò)射頻干擾產(chǎn)生的原因。工作于不同頻率的系統(tǒng)間的共存干擾，本質(zhì)上都是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的非完美性造成的。通常，有源設(shè)備在發(fā)射有用信號(hào)的同時(shí)，由于器件本身的原因和濾波器帶外抑制的限制，在它的工作頻帶外還會(huì)產(chǎn)生雜散、諧波、互調(diào)等無用信號(hào)，這些信號(hào)落到其他無線系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)其形成干擾。

對(duì)于無線系統(tǒng)而言，發(fā)射機(jī)在發(fā)射有用信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生帶外輻射，它包括由于調(diào)制引起的鄰頻輻射和帶外雜散輻射。接收機(jī)在接收有用信號(hào)的同時(shí)，落入信道內(nèi)的干擾信 號(hào)可能會(huì)引起接收機(jī)靈敏度的損失，落入接收帶寬內(nèi)的干擾信號(hào)可能會(huì)引起帶內(nèi)阻塞;同時(shí)接收機(jī)也存在非線性帶來的非完美性，帶外信號(hào)(發(fā)射機(jī)有用信號(hào))會(huì)引起接收機(jī)的帶外阻塞。

有源設(shè)備產(chǎn)生的帶外雜散、諧波、互調(diào)等無用信號(hào)的強(qiáng)度除了與設(shè)備本身的質(zhì)量有關(guān)以外，還與兩個(gè)因素有關(guān)：自身的輸出功率越大，無用信號(hào)的輸出越大;偏離工作帶寬的程度，離工作帶寬越遠(yuǎn)，無用信號(hào)越小。系統(tǒng)對(duì)外來干擾的承受能力也與兩個(gè)因素有關(guān)：本身信號(hào)的強(qiáng)度，信號(hào)越強(qiáng)受干擾的機(jī)會(huì)越少;干擾信號(hào)的大小，干擾信號(hào)電平越小，信號(hào)受干擾程度越低。此外，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的干擾還取決于兩個(gè)系統(tǒng)工作頻段的間隔和收發(fā)信機(jī)空間隔離等因素。

無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾主要有同頻干擾、鄰頻干擾、帶外干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾。

2、無線通信系統(tǒng)頻率干擾情形

從我國(guó)的實(shí)際情況看，主要的無線通信技術(shù)將有：屬于第二代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的gsm和窄帶cdma、定位為固定電話補(bǔ)充的phs(小靈通)和 scdma (大靈通)、同屬第三代蜂窩移動(dòng)通信體系的tdd系統(tǒng)td-scdma和fdd系統(tǒng)wcdma/dma2000、應(yīng)用于寬帶無線接入的 wlan/wimax、立足于短距離通信的uwb以及將應(yīng)用于無線識(shí)別的frid等。這些技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域雖然有所重合，但其特定的市場(chǎng)需求，將在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)共存，因而必須考慮其干擾情形。

2.1　現(xiàn)有無線通信頻譜方案

我國(guó)現(xiàn)有的無線與移動(dòng)通信頻譜具體分配情況如圖1所示，此外，wlan使用無需許可的ism頻段，uwb使用3.5/5.8g頻段，而wimax和rfid尚未最終確定頻段，其中wimax有可能分配在2.5g、3.5g或5.8g頻段。

2.2　無線干擾基本情形

由圖1可以看出，gsm1800、phs、scdma、td-scdma、cdma2000、wcdma等無線系統(tǒng)的頻段直接相鄰或重合，難以避免之間的相互干擾，而uwb的超寬帶的特點(diǎn)也會(huì)造成干擾，如圖2所示。

圖1　我國(guó)無線通信技術(shù)現(xiàn)有頻譜分配

圖2　無線干擾示意圖

2.3　移動(dòng)通信系統(tǒng)干擾

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的各種干擾一般可以分為小區(qū)內(nèi)的干擾、小區(qū)間的干擾、不同通信制式之間的干擾、不同運(yùn)營(yíng)商之間的干擾、系統(tǒng)設(shè)備造成的干擾等。

小區(qū)內(nèi)的干擾主要有多徑干擾、遠(yuǎn)近效應(yīng)和多址干擾等。這些干擾的產(chǎn)生是由無線信道的時(shí)變性和電磁波傳播過程中的時(shí)延與衰落等特點(diǎn)決定的，當(dāng)相鄰小區(qū)采用同一頻率時(shí)產(chǎn)生的干擾，對(duì)于tdd系統(tǒng)來說尤為嚴(yán)重。tdd系統(tǒng)與fdd系統(tǒng)之間的干擾，主要是tdd信道(包括上行信道和下行信道)與fdd上行信道之間的干擾。除了上面的干擾之外，不同運(yùn)營(yíng)商之間的干擾、系統(tǒng)設(shè)備造成的干擾等也是需要加以考慮的問題。

3、干擾解決方案

無線通信系統(tǒng)中的干擾雖然普遍存在，但根據(jù)干擾的產(chǎn)生根源和干擾情況的分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和大范圍的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，也找到了一些降低和消除干擾的有效辦法。這些方法主要分為兩大類：基本技術(shù)類和工程建設(shè)類。

3.1　基本技術(shù)類方法

從具體技術(shù)角度分析，小區(qū)內(nèi)干擾可以采用設(shè)計(jì)正交性好的多址碼、上下行鏈路同步、糾錯(cuò)編碼、功率控制、分集接收/發(fā)送、聯(lián)合檢測(cè)、智能天線、空時(shí)處理等信號(hào)處理技術(shù)加以改善或解決。而小區(qū)間的干擾以及tdd與fdd系統(tǒng)間的干擾，可以從物理層技術(shù)方面考慮，也可以從高層的無線資源管理技術(shù)著手。從物理層來看，同步技術(shù)和智能天線技術(shù)是很好的措施，從無線資源管理角度分析，動(dòng)態(tài)信道分配是十分有效的方案。此外，還需要考慮不同運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等。

3.2　工程建設(shè)類方法

工程建設(shè)方案是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的過程中，從工程的角度采用一些優(yōu)化辦法改善無線干擾。這些方法主要有：增加頻率保護(hù)帶、提高濾波精度、增加站址間距、優(yōu)化天線安裝、限制設(shè)備參數(shù)等。

增加頻率保護(hù)帶解決方案是通過頻率規(guī)劃，使得干擾系統(tǒng)的發(fā)射頻段和被干擾系統(tǒng)的接收頻段在頻域上得到一定的隔離。隨著隔離的增大，干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)信號(hào)落入被干擾接收機(jī)接受帶寬內(nèi)的分量減小，同時(shí)接收機(jī)接受濾波器對(duì)干擾系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的衰落加大，由此系統(tǒng)間干擾減小。

適當(dāng)?shù)仡l率保護(hù)帶可以有效緩解干擾問題。同時(shí)，在考慮使用附加濾波器來限制干擾信號(hào)時(shí)，由于理想線性的濾波器難以實(shí)現(xiàn)，因此也需要留有一定的保護(hù)帶為濾波器提供過渡帶。但另一方面，由于頻率資源的稀缺，以及發(fā)射、接收濾波器頻率響應(yīng)特性的不同，使用保護(hù)帶時(shí)也應(yīng)綜合考慮其他干擾解決方案，盡量減少保護(hù)帶寬的大小。

提高濾波精度解決方案是在原有設(shè)備的無線收發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過使用高精度濾波器或附加濾波器來進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的濾波特性，達(dá)到系統(tǒng)間共存所需的隔離度。提高 濾波精度是有效解決干擾的途徑之一，但也意味著成本的增加。

增加站址間距方法可以有效降低干擾，但此方法受到站址資源匱乏和多運(yùn)營(yíng)商共存情況等的限制，具體工程實(shí)施難度較大。

優(yōu)化天線安裝包括天線傾角、方位角、垂直和水平隔離等，通過采取一些優(yōu)化措施，提高天線間的耦合損失，降低干擾。

限制設(shè)備參數(shù)是規(guī)定足夠的設(shè)備指標(biāo)來保證收發(fā)頻率相鄰的共存問題，主要有嚴(yán)格限制發(fā)射功率等。

4、結(jié)論

分析不同的無線干擾情形，有針對(duì)性的采取相關(guān)解決措施，進(jìn)而在技術(shù)演進(jìn)、設(shè)備研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和優(yōu)化中，減弱乃至消除干擾是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。在3g建設(shè)前夜，尤其需要我國(guó)的科研和工程技術(shù)人員為打造精品網(wǎng)絡(luò)、構(gòu)造和諧通信作出更多的努力。