地铁内多种制式移动通信系统共址干扰研究

地铁干扰

通信/信号

地铁内多种制式移动通信系统共址干扰研究

李!栋

(北京电铁通信信号勘测设计院,北京!100036)

摘!要:目前我国城市轨道交通发展较快,探讨地铁内2G/3G多种制式移动通信系统的共址干扰问题,为我国地铁内无线网络规划和优化提供依据和参考。采用基于MATLAB的MonteCarLo仿真方法得到了各系统共址时出近似真实环境的干扰情况,并进行了现场测试对比研究。根据仿真结果、测试数据得到了指导工程设计、规划的简化公式,并对利用简化公式、仿真方法、现场测试得到的不同系统的覆盖性能损失情况进行了对比,并得到了适用于工程实际的多系统共址环境下隔离度要求。本文给出的简化计算公式能为实际的工程规划和优化提供帮助和指导。

关键词:地铁;移动通信系统;干扰;蒙特卡罗仿真;测试中图分类号:U231+ 7!!文献标识码:A文章编号:1004 2954(2009)08 0097 06

统。地铁移动通信系统的信号类型及频率分配见表1,地铁移动通信系统频道间隔见表2。

表1!地铁移动通信系统类型及频率分配

接入系统地铁专用集群TETRA

政务专用集群TETRA

中国移动GSM中国移动DCS中国联通GSM中国电信CDMA中国电信PHS数字电视3GFDD(预留)3GTDD(预留)

WLAN

下行链路851~866

851~866930~9541805~1850954~960870~8801900~1910

中心频率722、带宽8

1920~1980

2400

MHz下行46955230相邻35100190

520230480375重叠

2110~2170

1880~1920、2010~2025

MHz

上行链路806~821

806~821885~9091710~1755909~915825~835

1!概述

随着我国轨道交通的快速发展,隧道和地铁内的移动网络覆盖很大程度上成为运营商的网络覆盖#短板 ,在未来相当长的一段时间内,2G网络将会与3G网络共存,尤其是在地铁内部,2G/3G移动通信系统共址建设和共用室内分布系统已成为发展趋势,多系统共址干扰分析和必要的预防措施是网络规划和优化者所要考虑的重要问题。

目前,地铁移动通信系统主要包含两类:一是地铁专用无线系统,主要为地铁运营和生产服务;二是公用无线通信系统,主要包括移动GSM、移动DCS、联通GSM、CDMA、电信PHS、数字电视、3G系统等无线系

收稿日期:2009 03 17;修回日期:2009 06 03作者简介:李!栋(1979 ),男,工程师。

表2!地铁移动通信系统频道间隔统计

系统

集群与ISGSM900与ISGSM1800与TDWCDMA与TD

95CDMA95CDMASCDMA(低)SCDMA(低)

集群与GSM900GSM1800与WCDMAGSM1800与PCSWCDMA与PCSGSM1800与WLANWCDMA与WLANPCS与WLANTDTD

SCDMA(高)与WLANSCDMA(低)与PCS

上行4695514595130相邻相邻615420480375重叠

!!到目前为止,国内外专家学者对于3G系统之间,3G系统与GSM、IS的研究

[1~9]

95之间的互干扰已经作了大量

,但是现有的研究也仅限于很少的系统制

期测试中,各项指标合格,系统运行稳定。(2)通过对胶济铁路GSM

案的优化,得出下列结论:

R工程中基站建设方

R数

况延长,以节省费用,提高效率;

d.胶济铁路GSMR系统自开通以来运用一直良好,提供的各项无线通信业务满足了运输需求。参考文献:

[1]!耿!直.胶济铁路GSM

R无线通信系统初步设计说明书[R].

R产

成都:铁道第二勘测设计院,2005.

[2]!宋保民.新一代铁路移动通信系统介绍[C].西门子GSM

品介绍会.济南,2005.

[3]!铁建设[2007]92号,铁路GSM

暂行规定[S].[4]!胶济铁路GSM

R系统工程示范段测试组.胶济铁路GSM

R系

统工程示范段测试报告[R].济南,2006.

R数字移动通信系统工程设计

a.优化后的场强覆盖完全符合 铁路GSM

字移动通信系统工程设计暂行规定 (铁建设[2007]92号)的有关要求;

b.在国内缺少建设经验的情况下,示范段的建设是非常必要的,可以从示范段的测试、试验中得到实际经验,调整建设方案,从而更好地完成系统的建设;c.对国内GSMR基站间距离按照6km考虑的建设设计常规,在地理条件好的地区,可以根据实际情

!AY!ARDDESIGN!(897

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式之间,没有针对中国地铁内特殊的环境、特殊的业务需求及众多的移动制式对各系统共址干扰进行研究,工程实际中为了消除系统间干扰,往往采用提高系统间隔离度的方法,但出于经济的考虑和技术的限制,很高的隔离度并不容易得到。针对这一工程实际,从干扰产生的原因、干扰分析的方法、干扰预防的措施等多个角度对地铁内2G/3G移动通信系统的共址共存时,各种无线系统干扰问题进行了详细分析。并采用基于Matlab的MonteCarLo仿真方法得到了各系统共址时近似真实环境的干扰情况,同时根据仿真结果得到了指导工程设计、规划的简化公式,并对利用简化公式和仿真方法得到的不同系统的覆盖性能损失情况进行了对比,并得到了适用于工程实际的多系统共址环境下隔离度要求。

2!研究原理与干扰衡量方法2 1!干扰原理

工作于不同频率系统间的共存干扰,是由于发射机和接收机的非完美性造成的。发射机在指定的工作信道发射有用信号时会产生带外辐射,带外辐射包括由于调制引起的邻道泄漏和带外杂散辐射。接收机在相应的工作信道接收其有用信号的同时,落入信道内的干扰信号可能会引起接收机灵敏度的损失,落入工作信道外但在接收带宽内的干扰信号可能会引起带内阻塞,带外干扰信号则可能会引起接收机的带外阻塞,由于接收机的非线性特性,信道外的干扰信号过强会引起接收机在其工作信道的解调能力下降。如图1所示,A系统发射机和B系统接收机间的干扰严重程度取决于两个系统工作频段的间隔和收发信号机空间隔

离等因素。

射机的带外辐射,体现为发射机的ACLR(AdjacentChannelLeakagepowerRatio邻信道泄漏功率比)与杂散辐射特性;被干扰系统的接收机的选择性,体现为接收机的ACS(AdjacentChanneLSeLectivity邻道选择性)与阻塞特性。

通过干扰源在工作频点上的发射功率和ACIR值,就能推导出被干扰接收机所受到的干扰大小。干扰系统的发射信号对邻频共存被干扰系统接收机端的干扰,可通过ACIR指标来体现。

由此可见,提高邻频共存系统的系统性能,抑制邻道干扰,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,降低干扰系统的邻道泄漏和杂散功率以及提高接收机对邻道干扰的抑制能力。3!互干扰仿真分析

3 1!仿真方法介绍

对互干扰的研究分析主要通过确定性计算、系统仿真和外场测试等多种手段来结合完成。一般情况下理论上的确定性计算基本可以反映出实际情况;当然除了使用确定性计算方法之外,系统仿真和外场测试的数据则更加具有权威指导意义。

研究两系统之间的干扰,本文主要是采用Monte Carlo静态仿真方法和仿真流程,对基站和移动台的发射功率、基站的负载等情况进行仿真,得出近似真实环境下的干扰情况。

3 2!仿真内容及思路

本文仿真的主要内容是分析地铁内多系统共址时得到因多系统共址对系统的覆盖及容量的影响;仿真的思路是在单独的被干扰系统仿真平台上逐步附加地铁内其他合路系统的影响,考虑最坏情况下(干扰系统间相互独立,互不干扰,且干扰系统对被干扰系统的干扰为白噪声,其实干扰系统也相互干扰,并且性能损失)被干扰系统覆盖和容量的性能损失,同时根据多种制式移动通信系统性能损失许可的范围确定系统所需要的隔离度。3 3!简化经验公式

对于共址被干扰系统来说,影响系统性能的因素主要有:被干扰系统的接收门限S、系统底噪PN0、干

图1!A系统发射机对B系统接收机产生干扰原理示意

!

扰系统的杂散发射功率ACLR、被干扰系统的邻道抑制比ACIR及系统间的隔离度MCL。

由于本文研究的主要内容为附加了干扰系统之后被干扰系统由于干扰系统的存在而造成的性能的改变,根据仿真数据猜想被干扰系统覆盖性能损失百分比公式如下

令

x=ACIR+MCL

(1)

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2 2!干扰的衡量方法

不同系统之间的互干扰,与干扰和被干扰两个系统之间的特点以及射频指标紧紧相关。工作于不同频率的系统产生共存干扰是由两个共存系统的两方面因素共同作用导致的,这两个因素产生的原因是两个系统内发射机和接收机特性的不完善,即:干扰系统的发

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!!则与单系统共址时被干扰系统覆盖性能损失百分比为

lsingle=-(x-S-ACLR-n)

3 4 2!对GSM900系统覆盖性能的仿真比较

利用猜想的简化公式和利用仿真得到的干扰对GSM系统覆盖性能影响曲线比较见图4~图5

。

(2)

式中!lsingle 与单系统共址时被干扰系统覆盖性能

损失百分比;

S 允许干扰系统最大干扰,dB;ACLR 干扰系统杂散发射功率,dB;n0 被干扰系统噪声,dB。

多系统共址时,干扰比较复杂,考虑最坏情况下系

统间共址干扰情况:即干扰系统间相互独立,互不干扰,且干扰系统对被干扰系统的干扰为白噪声,则与多系统共址时被干扰系统覆盖性能损失百分比为

lmulti=

%

n

i=1

-(x-Si-ACLRi-n0)

10

(3)

!

图4!与单系统共址时对GSM覆盖性能影响比较

式中!lmulti 多系统共址时对被干扰系统覆盖性能

损失百分比;

Si 允许第i个系统最大干扰,dB;ACLRi 第i个系统杂散发射功率,dB;

n0 被干扰系统噪声,dB;n 共址系统的个数。

3 4!干扰对系统覆盖性能仿真对比

3 4 1!对TETRA系统覆盖性能的仿真比较

利用猜想的简化公式和利用仿真得到对TETRA系统覆盖性能影响的曲线比较见图2~图3

。

图5!与多系统共址时对GSM覆盖性能影响比较

!

3 4 3!对DCS1800系统覆盖性能的仿真比较

利用猜想的简化公式和利用仿真得到的对DCS1800系统覆盖性能影响曲线比较见图6~图7

。

图2!与单系统共址时对TETRA覆盖性能影响比较

!

图6!与单系统共址时对DCS1800覆盖性能影响比较

!

3 4 4!CDMA系统覆盖性能的仿真比较

利用猜想的简化公式和利用仿真得到的对CDMA系统覆盖性能影响曲线比较见图8~图9。3 4 5!PHS系统覆盖性能的仿真比较

利用猜想的简化公式和利用仿真得到的对PHS

图3!与多系统共址时对TETRA覆盖性能影响比较

!

!AY!ARDDESIGN!(8系统覆盖性能影响曲线比较见图10~图11。

99

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图7!与多系统共址时对DCS1800覆盖性能影响比较

!

!

图11!与多系统共址时对PHS覆盖性能影响比较

图8!与单系统共址时对CDMA覆盖性能影响比较

!

!

图12!与多系统共址时对WCDMA覆盖性能影响比较

图9!与多系统共址时对CDMA覆盖性能影响比较

!

!

图13!与多系统共址时对WCDMA覆盖性能影响比较

3 5!对CDMA系统容量性能的仿真

3 5 1!单系统对CDMA容量性能的影响

当CDMA系统与其他2G/3G系统单独共址时,不同隔离度条件下干扰对CDMA系统容量性能的影响见图14~图16。

3 5 2!多系统对CDMA容量性能的影响

当CDMA系统与其他2G/3G系统多系统共址时,不同隔离度条件下干扰对CDMA系统容量性能的影响见图17。3 6!仿真结果

图10!与单系统共址时对PHS覆盖性能影响比较

!

3 4 6!WCDMA系统覆盖性能的仿真比较

利用猜想的简化公式和利用仿真得到的对WCD MA系统覆盖性能影响的曲线比较见图12~图13

。(1)当ACIR+MCL为常数时,被干扰系统覆盖半径的损失百分比也为定值,即可以通过提高ACIR来弥补MCL的不足,也可以通过提高MCL来弥补ACIR的不足,保证系统的抗干扰性。

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覆盖面积损失越小。

(3)对应相同的覆盖半径的损失百分比,被干扰系统与多系统共址时比与单一系统共址时需要的ACIR+MCL大;并且由于共址系统的不同,差值也有所不同,差值产生的原因由于其他共址系统干扰叠加引起的。

(4)对于CDMA系统,对应相同的ACIR+MCL,覆盖半径的损失百分比比容量损失百分比大得多,说明在保证系统覆盖范围的同时,系统容量基本不受影响。

图14!MCL=60dB时CDMA系统容量性能损失

!

(5)根据允许被干扰系统覆盖半径损失情况的不同,当满足表3要求时,地铁内2G/3G移动通信系统可以共址共存。

表3!多系统共址时系统覆盖性能损失总结比较

允许覆盖半径损失百分比&5%&10%

多系统共址时被干扰系统需要的MCL+ACIR/dB

TERAGSMCDMAPHSWCDMACDMA2000TD

SCDMA

静态仿真120简化公式125静态仿真115简化公式120

115120105115

105110100105

110120105110

10010595100

10010595105

10010595105

图15!MCL=70dB时CDMA系统容量性能损失

!

4!干扰测试

4 1!测试方案

目前干扰测试手段主要有两种:通过通话质量测试、干扰定量测试。干扰定量测试通过比较不同条件下被干扰系统侧的底噪数据来判定干扰程度,比通过通话质量测试直观和准确。依据现有的测试条件,采用定量测试的方法对广州地铁2号线内集群TETRA系统、联通CDMA800、移动GSM900、联通GSM900等系统的实际互干扰情况进行测试,将测试数据、设计数据及简化公式计算数据进行对比,分析地铁内多种制式移动通信系统共址干扰情况。地铁内多种制式移动

图16!MCL=80dB时CDMA系统容量性

能损失

通信系统时的系统组网方式如图18所示。

4 2!测试验证

由于目前地铁内引入的多种制式的移动通信系统仅开通了集群TETRA系统、联通CDMA800、移动GSM900、联通GSM900等系统(其他系统预留了开通的条件),在各系统间ACIR+MCL=120dB的情况下,对地铁2号线部分车站的部分天馈系统进行测试,对测试数据处理,得到测试数据与简化公式计算数据比较见表4。4 3!测试结果分析

(1)根据仿真结果推出的简化公式得到被干扰系统覆盖性能损失情况,去除由于测试方法及测试仪表带来的误差,采用的简化公式计算数据与现场测试数据基本相符。

101

图17!多系统对CDMA系统容量性能损失

(2)被干扰系统覆盖半径的损失百分比与ACIR+

MCL成反比,ACIR+MCL越大,覆盖半径损失越小,

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图18!地铁内多种制式移动通信系统共址组网方式

!

表4!测试数据与简化公式计算数据比较

场强/(dB V/m)实际覆盖简化公式覆

系统测试频序号测试场强半径损失盖半径损失

制式点/MHz设计场强

(统计平均)百分比/%百分比/%1234567891011

移动GSM联通GSM

943 800-69 30

947 600-76 60946 000-61 45954 400-77 20956 400-87 93957 600-63 99861 250-69 00

-69 45

-76 85-61 85-77 55-88 05-64 35-69 10-70 90-75 60-77 90-77 30-57 80-57 30-56 70

0 0170 0280 0450 0390 0140 0410 0110 0170 0140 0340 0340 0230 0340 045

0 0370 0370 0370 0370 0370 0370 0150 0150 0150 0710 0710 0710 0710 071

6!研究结论

测试地点

研究了地铁内2G/3G移动通信系统共址共存时

广州火车站广州火车站广州火车站广州火车站广州琶州站广州客村站广州琶州站广州琶州站广州火车站广州琶州站广州琶州站广州火车站广州火车站广州火车站

的干扰情况。从实际的应用角度来看,本研究得到的计算结果和简化公式具有一定的参考意义,能为实际的工程规划和优化提供帮助和指导。

但本研究采用的互干扰仿真属于静态仿真范畴,仿真时也仅仅考虑了多系统共址对被系统覆盖和上行容量的影响,同时在仿真中定义了很多参数,现场测试数据有待进一步补充完善。为了更好地拟合实际系统和网络,还需要进一步研究如何将静态仿真转向动态仿真,进一步验证和完善本研究得到的经验公式,早日应用于工程实际。参考文献:

[1]!HeiskaK.EffectofadjacentIS-95networktoWCDMAuplinkca

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[4]!JoyceR.M.,GravesB.D.,OsborneI.J.,ninvestigationof

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[5]!CalinD.,GoeusseF.,SartoriP.Performanceandinterferenceanal

ysisofWCDMAsystem[C].VehicularTechnologyConference,2001.VTC2001Spring.IEEEVTS53rdVolume4,62479

2483.

9May2001:

332.39.

[2]!黄!标,彭木根,王文博.第三代移动通信系统干扰共存研究[J].[3]!黄!标.第3代移动通信系统频率使用的研究[J].中国无线电,

联通

878 750-70 75

CDMA

878 750-75 48

861 312-77 60861 312-77 00

地铁

12863 312-57 60

TETRA13863 312-57 0014

863 312-56 30

!!(2)采用简化公式得到的基本反映实际网络损失情况,并有一定的余量,可以作为网络规划的依据。但当测试条件满足要求时,需要在多个工程中重新验证简化公式的适用性。

(3)工程应用时建议民用移动通信各系统间ACIR+MCL 120dB,以保证覆盖指标,符合工程规范,满足工程要求。

(4)由于TETRA集群系统与其他系统共址时需要的各系统间ACIR+MCL较大,而且专用系统又不能受到干扰,建议专用集群系统单独组网,以保证通信畅通,满足运营要求。5!干扰预防措施

考虑解决地铁2G/3G移动通信系统共址共存的问题,需要改善的程度取决于具体的运营网络配置等各种因素,因此根据地铁环境的具体特点,建议综合考虑使用频谱隔离(保护带宽)、天线隔离、外加滤波器、限制设备性能指标、上下行分缆传输、减少使用有源器件等综合措施,在现场加以解决。

[6]!张!灿,马肃平.WCDMA与PHS两网共存的探讨[J].电信科学,

2003(11):69.

[7]!SeidenbergP.,AlthoffM.P.,SchulzE.,nalysisofmutual

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2693.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oor1.html