无线通信系统频率干扰原理及其解决之道

2007-08-06 10:29:44来源: 数据通信
随着计算机和通信技术的迅猛发展,全球信息网络正在快速向以ip为基础的下一代网络(ngn)演进。未来全球个人多媒体通信的宽带化、移动化的技术趋势,加之灵活性、便利性的市场要求,使得无缝覆盖、无线连接的目标正在日益变为现实。当前,各种无线技术呈现出百花齐放、百技争鸣的局面,这在加速无线应用普及的同时,也因无线技术所固有的频率干扰而面临不可忽视的问题。

1、频率干扰原理分析

无线干扰的产生是多种多样的,原有的专用无线电系统占用现有频率资源、不同运营商网络配置不当、发信机自身设置问题、小区重叠、环境、电磁兼容(emc)等,都是无线通信网络射频干扰产生的原因。工作于不同频率的系统间的共存干扰,本质上都是由于发射机和接收机的非完美性造成的。通常,有源设备在发射有用信号的同时,由于器件本身的原因和滤波器带外抑制的限制,在它的工作频带外还会产生杂散、谐波、互调等无用信号,这些信号落到其他无线系统的工作频带内,就会对其形成干扰。

对于无线系统而言,发射机在发射有用信号时会产生带外辐射,它包括由于调制引起的邻频辐射和带外杂散辐射。接收机在接收有用信号的同时,落入信道内的干扰信 号可能会引起接收机灵敏度的损失,落入接收带宽内的干扰信号可能会引起带内阻塞;同时接收机也存在非线性带来的非完美性,带外信号(发射机有用信号)会引起接收机的带外阻塞。

有源设备产生的带外杂散、谐波、互调等无用信号的强度除了与设备本身的质量有关以外,还与两个因素有关:自身的输出功率越大,无用信号的输出越大;偏离工作带宽的程度,离工作带宽越远,无用信号越小。系统对外来干扰的承受能力也与两个因素有关:本身信号的强度,信号越强受干扰的机会越少;干扰信号的大小,干扰信号电平越小,信号受干扰程度越低。此外,发射机和接收机间的干扰还取决于两个系统工作频段的间隔和收发信机空间隔离等因素。

无线和移动通信系统的干扰主要有同频干扰、邻频干扰、带外干扰、互调干扰和阻塞干扰。

2、无线通信系统频率干扰情形

从我国的实际情况看,主要的无线通信技术将有:属于第二代蜂窝移动通信技术的gsm和窄带cdma、定位为固定电话补充的phs(小灵通)和scdma (大灵通)、同属第三代蜂窝移动通信体系的tdd系统td-scdma和fdd系统wcdma/dma2000、应用于宽带无线接入的 wlan/wimax、立足于短距离通信的uwb以及将应用于无线识别的frid等。这些技术的应用领域虽然有所重合,但其特定的市场需求,将在较长时期内共存,因而必须考虑其干扰情形。

2.1 现有无线通信频谱方案

我国现有的无线与移动通信频谱具体分配情况如图1所示,此外,wlan使用无需许可的ism频段,uwb使用3.5/5.8g频段,而wimax和rfid尚未最终确定频段,其中wimax有可能分配在2.5g、3.5g或5.8g频段。

2.2 无线干扰基本情形

由图1可以看出,gsm1800、phs、scdma、td-scdma、cdma2000、wcdma等无线系统的频段直接相邻或重合,难以避免之间的相互干扰,而uwb的超宽带的特点也会造成干扰,如图2所示。

图1 我国无线通信技术现有频谱分配

图2 无线干扰示意图

2.3 移动通信系统干扰

移动通信系统中的各种干扰一般可以分为小区内的干扰、小区间的干扰、不同通信制式之间的干扰、不同运营商之间的干扰、系统设备造成的干扰等。

小区内的干扰主要有多径干扰、远近效应和多址干扰等。这些干扰的产生是由无线信道的时变性和电磁波传播过程中的时延与衰落等特点决定的,当相邻小区采用同一频率时产生的干扰,对于tdd系统来说尤为严重。tdd系统与fdd系统之间的干扰,主要是tdd信道(包括上行信道和下行信道)与fdd上行信道之间的干扰。除了上面的干扰之外,不同运营商之间的干扰、系统设备造成的干扰等也是需要加以考虑的问题。

3、干扰解决方案

无线通信系统中的干扰虽然普遍存在,但根据干扰的产生根源和干扰情况的分析,结合计算机仿真和大范围的现场试验,也找到了一些降低和消除干扰的有效办法。这些方法主要分为两大类:基本技术类和工程建设类。

3.1 基本技术类方法

从具体技术角度分析,小区内干扰可以采用设计正交性好的多址码、上下行链路同步、纠错编码、功率控制、分集接收/发送、联合检测、智能天线、空时处理等信号处理技术加以改善或解决。而小区间的干扰以及tdd与fdd系统间的干扰,可以从物理层技术方面考虑,也可以从高层的无线资源管理技术着手。从物理层来看,同步技术和智能天线技术是很好的措施,从无线资源管理角度分析,动态信道分配是十分有效的方案。此外,还需要考虑不同运营商统一协调网络规划等。

3.2 工程建设类方法

工程建设方案是在移动网络规划和建设的过程中,从工程的角度采用一些优化办法改善无线干扰。这些方法主要有:增加频率保护带、提高滤波精度、增加站址间距、优化天线安装、限制设备参数等。

增加频率保护带解决方案是通过频率规划,使得干扰系统的发射频段和被干扰系统的接收频段在频域上得到一定的隔离。随着隔离的增大,干扰系统发射机信号落入被干扰接收机接受带宽内的分量减小,同时接收机接受滤波器对干扰系统发射信号的衰落加大,由此系统间干扰减小。

适当地频率保护带可以有效缓解干扰问题。同时,在考虑使用附加滤波器来限制干扰信号时,由于理想线性的滤波器难以实现,因此也需要留有一定的保护带为滤波器提供过渡带。但另一方面,由于频率资源的稀缺,以及发射、接收滤波器频率响应特性的不同,使用保护带时也应综合考虑其他干扰解决方案,尽量减少保护带宽的大小。

提高滤波精度解决方案是在原有设备的无线收发系统基础上,通过使用高精度滤波器或附加滤波器来进一步提高发射机或接收机的滤波特性,达到系统间共存所需的隔离度。提高 滤波精度是有效解决干扰的途径之一,但也意味着成本的增加。

增加站址间距方法可以有效降低干扰,但此方法受到站址资源匮乏和多运营商共存情况等的限制,具体工程实施难度较大。

优化天线安装包括天线倾角、方位角、垂直和水平隔离等,通过采取一些优化措施,提高天线间的耦合损失,降低干扰。

限制设备参数是规定足够的设备指标来保证收发频率相邻的共存问题,主要有严格限制发射功率等。

4、结论

分析不同的无线干扰情形,有针对性的采取相关解决措施,进而在技术演进、设备研发、网络规划、系统建设、运营和优化中,减弱乃至消除干扰是一个重要的研究领域。在3g建设前夜,尤其需要我国的科研和工程技术人员为打造精品网络、构造和谐通信作出更多的努力。

关键字:电磁  兼容  谐波  滤波

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