互调干扰与GSM网络规划|互调干扰
时间：2019-05-03 03:16:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】文章基于对GSM网络上行五阶互调干扰、GSM网络下行三阶互调干扰的成因及作用机制的分析，从网络规划角度提出了降低互调干扰的措施。 【关键词】互调干扰 网络规划 天线 耦合器 GSM-R
1 引言
我国GSM网络自1992年在嘉兴建立和开通第一个演示系统以来，获得了迅猛发展，用户数量和网络规模都位居世界前列。但随着时间的推移，网络的内外部环境都发生了一定程度的改变。在GSM网络内部，一方面，由于近20年的网络运营，网络设备和器件（如天线等）老化，出现故障的问题越来越突出；另一方面，随着网络规模和投入的不断加大，运营商希望成本投入越来越小，这在一定程度上也导致了器件质量的下降。在GSM网络外部，国家对于运营商使用的频段也做了一定程度的调整，如移动EGSM频段退网（分给GSM-R系统）等。这些情况在互调干扰方面表现出三个突出问题：一是由于天线、接头的工艺和材料质量的下降，以及老化、变形、腐蚀、落入碎屑和灰尘、低劣的安装工艺等导致的五阶无源互调，对GSM上行造成干扰；二是由于耦合器、双工器等器件质量不过关或老化导致的三阶互调，对GSM下行造成干扰；三是GSM下行三阶互调对GSM-R铁路通信系统造成的干扰。由于器件问题的隐蔽性且长期存在，对网络的影响也是持久的，因此本文试图从网络规划的角度提出GSM频率划分和网络布局的相关建议，尽量降低互调干扰对网络质量的影响。
2 互调干扰的类型
按照目前现行的移动和联通GSM频率使用范围，使用三阶互调频率值（2f1-f2）和五阶互调干扰频率值（3f1-2f2）计算互调干扰范围，可得到表1。
由表1可见，对GSM网络构成影响的互调干扰主要是移动GSM900对移动上行本小区造成的五阶互调干扰、移动和联通三阶互调对下行的干扰以及移动三阶互调对GSM-R的干扰。由于五阶互调一般比三阶互调低10dB～15dB，因此移动GSM900对联通GSM900上行产生的五阶互调干扰、电信CDMA800对移动上行的五阶干扰、铁通GSM-R对移动上行的五阶干扰可忽略不计。铁通GSM-R三阶互调和电信CDMA800分别有3MHz和1MHz带宽落入移动上行频段，但由于GSM-R只分布于铁路沿线，且设备本身一般至少有30dB以上的三阶互调抑制，对外网的影响很小，因此也忽略不计。
3 五阶上行互调干扰及相关频率规划
3.1 无源互调产生的原因
在一个理想的线性传输系统内，其输出相对于输入是成正比的；而在非线性系统中，传输特性是按指数规律变化的（如图1所示）。从图1可明显地看出，正半周的幅度大于负半周的幅度，该波形的特性与原有信号相比已发生了质的变化，它是由原来的基波和相应的谐波叠加而成，这些谐波将同传输线上的其它载波进行互调。互调的结果就产生了一些额外的频率互调产物，如（2f1-f2）、（2f2-f1）、（3f1-2f2）、（3f2-2f1）等。当这些互调生成物在传输线中足够大时，就会像载波一样在传输线中传输，从而占用有效的信号通道。
在GSM900蜂窝移动通信基站上，由于传输功率较大，一些原本认为具有线性特性的无源元件（如耦合器、双工器、接头、天线和传输电缆等），都表现出了非线性特性。因此，有可能使不同频率的信号之间产生调制，这就是无源互调（PIM，Passive intermodulation）。在高功率条件下，产生无源互调的结果是使有效传输信号发生畸变，产生噪声和杂波，影响信号传输速率。
在网络中，产生无源互调的主要器件是天线和射频连接器（接头）。
（1）影响天线互调性能的因素
影响天线互调性能的主要因素是材质和制造工艺。根据天线各单元（振子、馈电网络、外罩）设计方案进行组合，当前天线整体设计方案主要有以下三种：
方案一：一次性铸造振子+同轴电缆+玻璃钢外罩
优点是可靠性高，机械、电气性能稳定，温度特性好，防震抗老化，可稳定工作10年以上，互调性能可达到低于-107dBm的标准；缺点是价格较高，国产15.5dB普通天线约在1100元左右，进口的约在2700元左右。
方案二：冲压组合振子+同轴电缆+玻璃钢或PVC外罩
整体性能一般，批量生产时冲压组合振子在互调性能上很难达标（ GSM的BCCH频点是否干净，对网络质量有重要影响。首先，由于RACH信道占用了BCCH频点TS0时隙，因此BCCH频点的干净程度，对网络的接入性能有很大影响；其次，网络的切换、重选和功率控制都依赖于对邻区BCCH频点测量的精度，BCCH受到干扰，势必导致切换、重选和功率控制不及时；再次，PCH信道通常占用BCCH频点的TS0时隙（MCCCH下还可占用TS2、TS4、TS6），BCCH频点受到干扰，还会影响网络的寻呼性能；最后，若静态PDCH信道放在BCCH频点上（如放在TS4～TS7），还会影响数据业务性能。因此，网络规划者往往尽量使BCCH的频率复用宽松。但从图2可以看到，在频率规划不当的情况下，若小区产生上行互调干扰，完全可能对该小区的BCCH造成重大影响。
举例：对于一个三载频的小区来说，若小区TCH频点为1和67，则其五阶互调产物为908.8MHz（94号频点）；若小区BCCH恰巧为94的话，则将导致强烈干扰。
仔细观察图2，还可以发现如下特点：
（1）不会产生低于895.0MHz（25号频点）的互调产物，因此网络BCCH频点规划在1～24号频点之间，是最佳选择。
（2）应慎用EGSM频点。从图2中可以看到，如果小区使用了EGSM频点，那么其产生五阶互调的可能性要高于PGSM频点，特别是当网络使用大频点作BCCH时。
（3）应尽量避免BCCH频点和TCH混用。假设频率规划BCCH频点范围为74～94，若小区使用1号频点作TCH，偷用74号频点也作TCH，则二者五阶互调产物为906.0MHz（80号频点）；若小区此时BCCH也为80，则将导致强烈干扰。
4 三阶互调干扰及相关频率规划
三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。三阶互调主要由器件的非线性导致。现网中大量使用的耦合器以及直放站的双工器、滤波器等，都有产生三阶互调产物的可能性。
4.1 移动GSM网络的三阶互调
根据三阶互调频率值（2f1-f2）的计算，可得到移动GSM900下行频段可能产生的各种三阶互调干扰频率组合。
（1）从图3可以看到，移动GSM900对GSM-R可能产生三阶互调干扰。高于44号频点（943.8MHz）的三阶频率组合不会落到GSM-R频段。但鉴于目前GSM网络配置都比较高，在铁路沿线将1020～1023、1～44号频点退频难度极大，因此需要考虑其他的措施（如在铁路沿线选用互调性能合格的耦合器、直放站或加装滤波器等），以避免移动GSM900对GSM-R的三阶互调干扰。
（2）从图4可以看到，在移动GSM网络内部，如果三阶互调控制不好，也会对自身产生很大的干扰。干扰概率分布服从“两边小、中间大”的态势，也就是说移动GSM900的低端和高端频点产生的三阶互调可能概率较小，而中间频率（如45号频点）可能产生三阶互调的可能性最大。因此在可能的情况下，建议将中间频点（如41～49号频点）划分为室分频点或优化频点，避免用于宏站。
（3）从图5可以看到，移动GSM900也可能对联通GSM900下行产生三阶互调干扰。互调基频组合从944.2MHz～953.8MHz（46～94号频点），特别是从60号频点开始，移动GSM900可能会对联通GSM900下行构成全频段干扰。
4.2 联通GSM网络的三阶互调
（1）从图6可以看到，在联通GSM网络内部，也存在因三阶互调控制不好对自身产生干扰的可能性。干扰概率分布服从“两边小、中间大”的态势。联通GSM900的低端和高端频点产生三阶互调的可能概率较小，而中间频率（如110号频点）可能产生三阶互调的可能性最大。因此在可能的情况下，建议将中间频点（如109～111号频点）划分为室分频点或优化频点，避免用于宏站。
（2）从图7可以看到，联通GSM900也可能会对移动GSM900下行产生三阶互调干扰。互调基频组合从954.2MHz～956.8MHz（96～110号频点）。对移动的可能干扰范围自948.6MHz～953.8MHz（69～94号频点）。由于移动无法控制联通的网络规划，鉴于BCCH频点的重要性，因此移动应避免将BCCH频点置于69～94号频点范围内。
5 降低互调干扰的措施
（1）使用互调抑制性能合格的器件
降低互调干扰的根本措施是使用互调抑制性能合格的器件。在现网中，导致互调干扰的主要器件是天线、接头和耦合器。对于运营商来讲，大批量地将现网天线更换为高性能天线是一笔不菲的投入，而且时间漫长，显然不太现实。因此对于天线和接头的五阶互调来讲，主要措施是对网络指标进行不间断的监控，发现互调干扰问题及时处理，同时应加强对VIP小区的排查以及进行合理的频率规划，尽量将天线和接头的五阶互调干扰影响降到最低。
但对于耦合器产生的三阶互调来说，由于现网直放站、GRRU以及室分系统的大量应用，如果耦合器互调性能不合格，对网络运行将产生较大影响且隐蔽性很强，很难发现。目前的情况是，随着耦合器价格的不断下降（极端情况从上千元降到20余元），耦合器的性能下降也比较明显（某地曾对仓库中22个40dB耦合器进行测试，合格的仅有4个）。所以应下决心进行彻底排查，需要更换的要立即更换。
（2）基于频率规划的考虑
从上述对三阶互调和五阶互调的分析来看，对于移动GSM900，使用低端频点（1～24）作BCCH，可以降低天馈五阶互调对网络上行的干扰；同时，若传统上移动采用高端频点（69～94）作BCCH，改用低端频点后也可以降低联通GSM900可能产生的下行三阶互调对移动网络的干扰。
此外，应尽可能开启跳频，均化可能产生的三阶互调干扰；尽可能开启功控，降低可能产生的互调干扰幅度。
（3）基于网络规划方面的考虑
从网络规划角度看，由于器件的老化不可避免，合格器件的更换不可能一蹴而就，所以应尽量减少直放站和GRRU等需要耦合信号的设备在网络中的使用，特别是在城市中。同时，应高度重视室分泄露的影响。在耦合器质量不合格的情况下，即使频率规划很合理，但室分的三阶互调泄露信号也可能对自身构成干扰，并且可能对运营商的GSM网络构成干扰。
6 总结
互调干扰是导致网络质量下降的重要因素。鉴于天线、接头及耦合器在现网中的大量使用，而其互调性能下降隐蔽性强，无法实时监控，因此必须引起网络运营者的高度重视。基于成本和实现周期性的考虑，在网络规划方面进行合理的调整十分必要。
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