包头市CMMB单频网与GSM系统共址建设时干扰分析.docx

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包头市CMMB单频网与GSM系统共址建设时干扰分析

包头市CMMB系统与GSM系统共址建设时干扰分析

【摘要】：

文章首先分析了包头市CMMB单频网与GSM系统共站址时的主要干扰类型，给出了各种干扰的数学计算模型，然后详细阐述了CMMB单频网与GSM系统相互之间的干扰情况，结合实际情况得出了CMMB单频网与GSM系统共址建设时所需的隔离度及天线空间隔离要求，并给出了工程实施过程中的解决方案。

【关键词】：

CMMB系统、GSM系统、干扰、杂散干扰、阻塞干扰、隔离度

1引言

CMMB是英文ChinaMobileMultimediaBroadcasting（中国移动多媒体广播）的简称。

它是国内自主研发的第一套面向手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑等多种移动终端的系统，地面发射中心将信号发向S波段同步卫星后，同步卫星对接收到的信号进行转发，转发后的S波段信号直接被地面的接收终端接收下来，也可以通过增补转发器处理后被地面的接收终端接收下来。

实现“天地”一体覆盖、全国漫游，支持25套电视节目和30套广播节目。

图1-1CMMB系统体系架构图

2006年10月24日，国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播行业标准，确定采用我国自主研发的移动多媒体广播行业标准。

2009年5月，中广卫星移动公司与中国移动通信公司正式签署了移动多媒体广播电视（CMMB）与第三代移动通信技术（TD-SCDMA）的项目业务合作协议，这使得中国广播和通信领域的两项有代表性的自主创新技术进入了协同发展阶段。

根据工业和信息化部、国务院国资委关于推进电信基础设施共建共享的通知，要求重组后的基础电信运营商推进电信基础设施共建共享，旨在节约土地、能源和原材料的消耗，保护自然环境和景观，减少电信设施重复建设，提高电信基础设施利用率。

广电总局对移动多媒体广播电视工作做了统一部署，中广传播公司本着资源共享、加强合作、互利双赢的原则，进行发射设备的安装建设。

目前中国移动通信集团包头分公司的基站数量远远大于其他运营商的基站数量，而且基础资源比较丰富。

中广传播运营商为了缩短建设周期，减少建设投资，意在利用移动基站进行基础资源共享，主要是考虑机房和铁塔等基础设施的共享。

根据内蒙古中广传播公司对包头地区的规划要求，对包头地区进行了细致考察，最终确定在包头市区周边增设四部发射机满足包头地区的覆盖要求。

建成后包头市区可以达到深度覆盖的标准。

根据频率规划结果，包头市区发射点采用DS-42频道组成CMMB单频网。

四个站点均选择与中国移动基站共址，分别是窦家梁基站、壕涞沟基站、兰贵窑子基站和小召湾基站。

规划点的选址均在规划范围内，机房满足工作条件。

目前这四个基站都建设在包头市的周边地区，基站内只有GSM系统设备，由于采用共址建设，这样就必然增加了CMMB系统与GSM系统共址建设互相产生干扰的机会，CMMB系统与GSM系统的电磁环境兼容问题将会暴露出来。

本文将分别对共站产生干扰的机制、隔离度计算进行剖析，并提出工程上消除干扰的解决方法。

2主要干扰的数学模型

由于需要共址建设，为了保证各系统间不至于互相影响，需要对各系统间的干扰情况进行分析。

从形成机理的角度，系统之间的干扰可以分为杂散干扰、接收机互调干扰和阻塞干扰。

下面我们分别阐明这三种干扰的数学模型。

两个共址射频站间相互干扰的原理如图2-1所示：

图2-1两个共址射频站相互干扰的原理框图

与两个同址站间相互干扰计算相关的重要射频器件，有干扰站的发射放大器、发射滤波器、发射天线和被干扰站的接收滤波器、接收机、接收天线等。

信号从发射天线的端口（A端口）到接收天线的端口（B端口）之间的衰减就是天线隔离度。

2.1杂散干扰

由于发射机中的功放、混频、滤波等器件工作特性非理想，会在工作带宽以外较宽的范围内产生辐射信号分量（不包括带外辐射规定的频段），包括电子热运动产生的热噪声、各种谐波分量、寄生辐射、频率转换产物以及发射机互调等。

3GPP将该部分信号通归为杂散辐射，因为其分布带宽很广，也有文献称为宽带噪声。

接收机灵敏度降低是由于接收机噪声基底的增加而造成的。

如果干扰基站在被干扰基站接收频段内的杂散辐射很强，并且干扰基站的发送滤波器没有提供足够的带外衰减（滤波器的截止特性不好），将会导致接收机噪声门限的增加。

从干扰基站的天线连接处输出的杂散辐射经两个基站间的一定隔离而得到衰减，因此被干扰基站的天线连接处接收到的杂散干扰按以下公式进行计算：

式（2.1-1）

其中，

为被干扰基站天线连接处接收到的干扰电平；

为干扰基站天线连接处输出的杂散辐射电平；E杂隔为天线隔离度；

为干扰电平的可测带宽；

为被干扰系统的信道带宽。

2.2互调干扰

互调干扰包括多干扰源形成的互调、发射分量与干扰源形成的互调（TxIMD）、交叉调制（XMD）干扰3种。

多干扰源形成的互调是由于被干扰系统接收机的射频器件非线性，在两个以上干扰信号分量的强度比较高时，所产生的互调产物。

发射分量与干扰源形成的互调是由于双工器滤波特性不理想，所引起的被干扰系统发射分量泄漏到接收端，从而与干扰源在非线性器件上形成互调。

交叉调制也是由于接收机非线性引起的，在非线性的接收器件上，被干扰系统的调幅发射信号，与靠近接收频段的窄带干扰信号相混合，将产生交叉调制。

互调干扰是由于系统的非线性导致多载频的合成产生的互调产物落到相邻系统的上行频段，使接收机信噪比下降，主要表现为被干扰系统信噪比下降和服务质量恶化。

由两个相同强度的载波产生的三阶互调干扰可表示如下：

IMP3（dBm）=3PIN-2×TOI式（2.2-1）

PIN为被干扰基站接收机输入端的干扰载波电平；TOI为接收机输入端定义的三阶截止点，与接收机本身的特性有关。

因此为了尽量减小三阶互调干扰，应降低PIN,而根据式（2.2-2）：

PIN=CA-EIMP3-LR_B式（2.2-2）

其中CA为干扰基站天线连接处的最大载波发射功率（dBm）；LR_B为被干扰基站的接收滤波器在干扰基站发射带宽内的衰减（dB）；EIMP3为天线隔离度（dB）。

所以当允许的三阶互调干扰一定时，天线隔离度由下式决定：

EIMP3=CA-LR_B-（IMP3+2×TOL）/3式（2.2-3）

2.3阻塞干扰

阻塞干扰并不是落在被干扰系统接收带宽内的，但由于干扰信号功率太强，而将接收机的低噪声放大器（LNA）推向饱和区，使其不能正常工作。

被干扰系统可允许的阻塞干扰功率一般要求低于LNA的1dB压缩点10dB。

当较强功率加于接收机端时，可能导致接收机过载，使它的增益下降。

原因是放大器有一个线性动态范围，在此范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加，这两个功率之比就是功率增益G。

随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增大而线性增大，也就是说，其输出功率低于所预计的值。

通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，此时输入功率定义为输入功率的1dB压缩点。

为了防止接收机过载，从干扰基站接收的总的载波功率电平需要低于它的1dB压缩点。

天线隔离度方面有以下要求：

E阻隔=CP_A-LR_B-CP_B式（2.3-1）

CP_A：

干扰基站天线连接处的载频总功率（dBm）；LR_B：

被干扰基站的接收滤波器在干扰基站发射带宽内的衰减（dB）；CP_B：

被干扰基站天线连接处接收到的载频总功率（dBm）；E阻隔：

天线隔离度（dB）。

为了避免异系统间干扰影响通信质量，一般要求不同系统的收发天线之间的耦合损耗大于发生会产生系统间干扰的最小门限。

考虑到不同型号、厂家、批次的设备在干扰抑制指标和滤波性能上可能存在的差异，在本文中主要按照体制标准所要求的规范值核算隔离度要求，以保证达到标准要求的设备都可以满足设计场景下的共址。

3天线隔离标准

为保证好的系统性能，上述三种性能下降必须避免或最小化。

因此必须保证两个同址基站的天线间有好的隔离度。

一般来说工程上对以上三种干扰应遵守以下准则：

（1）被干扰基站从干扰基站接收到的杂散辐射信号强度应比它的接收噪声底限低10dB。

假设被干扰基站的接收噪声底限为

（dBm），干扰基站的杂散辐射在被干扰基站的接收机处引入的噪声功率为

（dBm），则由被干扰基站自身的噪声和杂散干扰引入的噪声功率累计噪声功率为：

Ptotal=PB+PI=

式（3-1）

当

=

-10dB时，由被干扰基站引入的噪声恶化量为：

这样的噪声恶化量不会对基站带来明显的影响，因此杂散辐射信号强度应比它的接收噪声底限低10dB。

（2）在被干扰基站生成的三阶互调干扰（IMP3）电平应比接收机噪声限低10dB，原因与第一条准则相同。

（3）受干扰站从干扰站接收到的总载波功率应比接收机的1dB压缩点低5dB，这主要是因为工程上为了避免放大器工作在非线性区，常把工作点从1dB压缩点回退5dB。

如果系统间的隔离度能够满足以上准则，受干扰系统的接收机的灵敏度将只下降0.5dB左右，这对于绝大多数通信系统来说都是可以接受的。

4CMMB系统与GSM系统间的干扰与隔离分析

综上所述，产生干扰的最终原因与共址站之间的天线隔离度有很大关系。

为了将性能损失降到最小而不修改现有的发送和接收单元，在共址站间需要保持适当的隔离。

CMMB主要频段如表4-1所示：

表4-1CMMB主要频段

频段

内地

VHF频段

频段I:

48.5MHz-72.5MHz（DS1-DS3）

频段II:

76MHz-92MHz（DS4-DS5）

频段III:

167MHz-223MHz（DS6-DS12）

UHF频段

频段IV:

470MHz-566MHz（DS13-DS24）

频段V:

606MHz-958MHz（DS25-DS68）

CMMB系统与GSM系统的频段如表4-2所示：

表4-2CMMB系统与GSM系统的频段

系统

上行频段（MHz）

下行频段（MHz）

GSM900

885~915

930~960

CMMB（DS-42）

-

742~750

从表4-1和表4-2中可以看到，如果CMMB系统和GSM系统共站建设，由于CMMB系统只存在下行通道，故信源处不存在GSM900系统对CMMB系统的干扰。

CMMB系统其发射频段距离GSM系统频段的接收频段间隔较近，两系统临界处GSM为上行频率，CMMB系统为下行频率，下行功率相对较大，CMMB基站发射通道的带外杂散信号很容易落在GSM基站的接收通道内，会抬高GSM基站接收噪声的电平，使GSM系统上行链路变差、灵敏度降低，影响网络覆盖，另外，信号过载也会导致系统性能的下降。

所以问题主要集中在CMMB系统对GSM系统的干扰上。

4.1CMMB系统对GSM系统的影响

内蒙古包头市CMMB单频网的主设备采用的是北京北广科技有限公司生产的UHF波段的CMMB全固态风冷数字电视发射机，输出功率为1000W。

产品完全符合GY/T220.1-2006规定的全部工作模式（8M带宽）（CMMB）或GY/T229.4-2008规定的全部工作模式（8M带宽）（国标）。

（1）杂散干扰

根据CMMB系统技术规范，对工作带外杂散的要求具体如表4.1-1所示：

表4.1-1CMMB系统带外杂散指标

频率范围

最大值

测试带宽

9KHz~1GHz

-36dBm

100kHz

885~915MHz

-67dBm

100kHz

806~821MHz

-67dBm

100kHz

在共址情况下，CMMB基站在885MHz～915MHz频段的杂散不应大于-67dBm/100kHz，其测量带宽为100kHz，换算为GSM系统的带宽即为-67+10log（200k/100k）=-64dBm/200kHz。

GSM接收机的噪声基底：

Nfloor（dBm）=NO（dBm/Hz）+W（dBHz）+NF（dB）

在上式中：

NO：

噪声谱密度，是由于电子的热运动产生的，计算公式为：

NO=KT。

K是波尔兹曼常数（等于1.38×10-23J/K），T是绝对温度（为290K），由于J=W×s，1W=1000mW=30dBm，将KT转换成dBm得到：

NO=KT=10log（1.38×10-23×290）+30dBm×s=-174dBm×s

W：

GSM系统的带宽，其值为0.2MHz，即10log（200Hz）=53dBHz。

NF：

GSM系统接收机的噪声系数，用于度量信号通过接收机后，SNR降低的程度。

噪声系数属于接收机本身的属性。

GSM基站接收机的噪声系数为5dB左右。

因此，GSM基站接收机的噪声基底：

Nfloor（dBm）=-174+53+5=-116dBm

根据以上天线隔离准则，GSM基站与CMMB基站天线之间的隔离度至少应为：

E杂隔=-64-（-116-10）=62dB

（2）互调干扰

由于互调干扰主要出现在有两个以上不同的频率作用于非线性电路或器件时，将由这两个频率互相调制而产生新的频率，若这个新频率正好落于某一个信道而为工作于该信道的接收机所接收时，此时所构成的接收机的干扰。

本次共址建设的两个系统，只是共用铁塔、机房等公共设施，收发信机间并不共用电路或器件，所以不会直接共同作用在非线性器件上，间接落在某系统非线性器件上的不同频率分量一般强度不高，产生的新频率分量较微弱。

所以，本方案可以不考虑互调干扰。

（3）阻塞干扰

根据GSM标准（GSM05.05，Section5.1）可得出对带外阻塞和带内阻塞的要求。

①带外阻塞

   ●当f为100kHz～860MHz时，带外阻塞＜8dBm；

   ●当f为925～935MHz时，带外阻塞＜0dBm；

   ●当f为935MHz～12.75GHz时，带外阻塞＜8dBm。

②带内阻塞

   ●当∣f-f0∣为600～800kHz时，带内阻塞＜-26dBm；

   ●当∣f-f0∣为800kHz～3MHz时，带内阻塞＜-16dBm；

   ●当∣f-f0∣＞3MHz时，带内阻塞＜-13dBm。

工程上要求比阻塞门限再小5dB，在进行隔离度计算时，我们取带外阻塞门限为3dBm。

而目前假设CMMB基站的最大发射功率为60dBm（发射功率1000W），则不考虑天馈线设备的增益和衰耗时，隔离度至少为：

E阻隔=60-3=57dB

5结论

宏站天线之间的隔离度需求以杂散隔离度要求与阻塞隔离度要求之间取大值，综上所述，CMMB系统与GSM系统之间最大的干扰为CMMB系统对GSM系统的杂散干扰，隔离要求为62dB。

在工程中只要能满足最大干扰的隔离要求，其他干扰的隔离要求也能满足。

在工程上解决系统共址时的干扰主要有以下几种方法：

（1）充分利用铁塔平台的隔离和建筑物的隔离。

（2）适当调整两系统的功率和扇区天线方位间的位置和角度，保证水平背向一定角度来减少天线间的路径增益和增加空间隔离度。

（3）加装高性能的双工滤波器，改善发射性能，提高带外滤波特性，降低带外杂散信号的强度。

带来的影响是增加了0.2dB左右的链路损耗（滤波器插损）。

（4）共馈缆，GSM基站和CMMB基站通过双频合路器合路后共馈线到塔顶，再通过双频分路器分路到达各自的天线系统。

通过两个合路器叠加增加一定的隔离度，但同时也带来了0.4dB左右的插损。

在本工程中，由于第一次采用共址建设，并且工期要求比较紧，不再进行主设备的投资，同时又不能改变GSM网现网的结构，所以，可以通过对天线空间隔离度进行分析，计算出所需的空间隔离距离以满足实际工程的需要。

6天线空间隔离度

天线距离与隔离度之间有对数线性关系。

Celwave和kathrein天线公司以及麦罗拉等在试验的基础上，总结出了空间隔离计算的经验公式，符合一般的计算要求，是具有高通用性和公认的特定情况下的蜂窝移动天线隔离度计算公式，是分析不同运营商基站隔离度状况，解决隔离度计算分歧，达到统一的判断标准。

其中，水平隔离度计算公式如下：

式（6-1）

其中，d为收发天线水平间隔（单位：

m）；λ为天线工作波长（单位：

m）；Gt、Gr分别为收发天线增益；Lt、Lr为馈线损耗。

Gt和Gr是两天线在直线方向上的增益。

当两天线面对面是增益最大。

当天线以一定角度水平放置时，计算水平隔离度中代入公式的Gt、Gr，而不是天线的最大增益Gtx和Grx。

因此，天线间的水平隔离度与天线波瓣相关，如下图所示：

图6-1水平隔离度与天线波瓣的关系

其中，Gt=Gtx-SLtx；Gr=Grx-SLrx；Grx、Gtx为收发天线增益，SLrx、SLtx为收发天线在信号辐射方向上相对于最大增益的附加损失，这损失可以从天线的水平波瓣参数中查表得到。

在本工程中，CMMB系统采用增益为10.5dBi的全向天线，天线型号HD-RDT-028，在实际工程中如果CMMB系统的天线与GSM网天线同平台建设，很难确定天线之间的角度。

所以在本文中取GSM网的天线增益分别为15.5dBi（最大增益）、12.5dBi（半功率）、0dBi（最小增益）进行计算，得出天线水平隔离度，作为工程中的参考。

馈线的损耗取值4dB，同时，考虑到从发射机的发射口到天线还需要经过馈线连接器以及插损。

在这里我们取Lt和Lr为6dB进行计算。

λ取值0.34m。

代入到公式（6-1）中计算，对应不同的天线增益可以得到如下的表格：

表6-1GSM网天线不同增益下的水平隔离距离

GSM网天线增益

15.5dBi

12.5dBi

0dBi

水平隔离距离

170m

120.64m

94.4m

垂直隔离同天线的垂直波瓣关系不大，垂直隔离度Lv公式如下：

式（6-2）

经过计算，采用垂直隔离的情况下，垂直隔离距离为2.4m。

通过以上的计算，可以发现，在现网不改变的情况下，GSM网天线的增益即使为0dBi，天线水平隔离距离至少需要94.4m，而垂直隔离距离为2.4m,明显优于前者。

所以，在本工程的建设中采用垂直方式架设天线，可以很方便的解决干扰问题。

包头市的四个站点铁塔均为角钢塔，角钢塔的一平台已经安装了GSM天线，在工程施工过程中，CMMB系统天线安装在二平台，一、二平台之间有5m的距离足够满足垂直隔离要求。

工程施工后未对网络质量造成影响，基本上实现了干扰隔离。

7结束语

需要指出的是本文只是根据规范对接收机和发射机的性能要求而提出的一种隔离度计算方法，这种要求是设备至少应满足的要求。

同时，关于目前各电信运营商共址建设系统间干扰的结论性成果已经有很多，本文之所以取材这个题目主要是因为在实际工作当中遇到CMMB系统与通信系统进行共址建设的问题，而当时施工时也没有理论依据，所以特对其进行分析、计算并指导施工。

参考文献：

《移动多媒体广播第1部分：

广播信道帧结构、信道编码和调制》（GY/T220.1-2006）

《移动多媒体广播第2部分：

复用》（GY/T220.2-2006）

《地面数字电视广播单频网适配器技术要求和测量方法》（GYT229.1-2008）

《地面数字电视广播发射机技术要求和测量方法》（GY/T229.4-2008）

《无线电发射机杂散发射功率电平的限值和测量方法》（GB13421-92）

《无线电发射设备参数通用要求和测量方法》（GB/T12572-2008）

《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》（GB20600-2006）

《无线电设备杂散发射技术要求和测量方法》（YD/T1483-2006）

《地面数字电视广播激励器技术要求和测量方法》（GYT229.2-2008）

《无线广播电视发射设备产品生产许可证实施细则》国家质量监督检验检疫总局2011年1月19日公布2011年3月1日实施