干扰分析和优化.docx

干扰分析和优化.docx

《干扰分析和优化.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《干扰分析和优化.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

干扰分析和优化

第十章干扰分析和优化

在GSM数字移动通信系统中，无线频率干扰将引起误码增加，使通话时的话音质量下降，数据传输时的差错增加。

干扰严重时，甚至使无线信道由于干扰电平达到门限值而闭塞，引起频谱资源的浪费。

因此，无线频率干扰问题在移动通信系统的规划、运行和优化中是最重要的问题之一。

虽然互调干扰和码间干扰也在系统规划中构成问题，但是移动通信网络设计人员主要考虑的是同频干扰和邻频干扰。

目前的蜂窝系统都采用频率复用方法来提高频谱效率，这虽然增加了系统容量，但由于在不同小区中重复使用相同的频率而产生了同频干扰。

在这种情况，有用信号和（同频）干扰信号的功率密度谱是完全重叠的。

此时，同频干扰反过来又成为限制蜂窝系统容量的主要因素之一。

频率复用还会产生邻频干扰。

当相邻小区使用频谱上相互邻接的载波频率时就会出现这类干扰。

在这种情况，有用信号和干扰信号的功率密度谱部分发生重叠。

蜂窝网络设计人员通常考虑同频干扰、高斯噪声和脉冲噪声对移动无线环境中系统性能的影响。

研究人员在很久以前就对宏蜂窝系统中的同频干扰，以及它对系统性能的影响进行了大量的研究和评估。

10.1噪声

和考虑路径损耗同等重要的是噪声的考虑，这是因为通信系统的性能一般随所要求的信噪比而定，而不是信号功率和噪声功率的绝对值。

10.1.1加性高斯白噪声

电路中的热噪声是通信系统设计中熟知的干扰源。

热噪声是由导体中载流子的随机热激发振动引起的，本质上是“电荷的布朗运动”。

热噪声在1927年首先被贝尔实验室的J.B.约翰逊观察到，并在1928年由H.奈奎斯特首先在理论上进行描述。

因此，热噪声有时也称为约翰逊噪声或奈奎斯特噪声。

（10.1）

式中k是波尔兹曼常数13.8E-23W-s/K，T是用开尔文表示的导体温度，B是用赫兹表示的测量系统带宽。

因为可用功率是当所加的电阻负载等于源的内阻时该源能提供的功率，所以电阻R的均方根噪声电压被给出为：

（10.2）

前面两个关系式来源于经典物理观点，并且当hB/kT量变得比1大得多时，必须进行数量修正（这里h等于普朗克常数6.62E-34焦耳秒）。

在室温情况下，低于光频率时是不需要修正的；即使在低温温度时，低于10GHz的频率也不需要修正。

由于与由许多颜色组成的白光相似的原因，热噪声被称为“白”噪声（因为热噪声是由许多频率分量所组成）。

白是和“平坦”同义的，意思是指噪声功率谱密度是一常数，和频率无关。

因此，对每一个带宽B，不管所跨越的绝对频率是多少，它包含数量相同的噪声功率。

热噪声也被称为“高斯”噪声，因为瞬时噪声电压分布服从高斯概率密度分布（中心极限理论的结果）。

最后，术语“加性”经常和噪声一起使用，意思是在一个通信信道中噪声功率和所要求的信号功率一起线性增加。

10.1.2窄带或宽带的人为噪声

大多数研究把干扰噪声考虑为高斯噪声。

但是，实际的电磁（EM）环境还包括人为电磁干扰（或噪声），它在一定程度上呈现脉冲形状。

通信系统很少单独受到高斯噪声的干扰。

在通信领域，尤其是面对有限的可用带宽情况，人为噪声已成为大大关心的问题。

人们感兴趣的是窄带或宽带的人为噪声加上同频干扰后对移动无线网络的影响，为系统设计人员提供更可靠的工具。

大家知道在固定电话网上，人为噪声是数据传输中误码的首要来源。

对于移动无线系统来说，尤其在市区环境，汽车的非高斯噪声可能对系统影响很大。

因此，研究广义噪声对蜂窝系统性能的影响是非常有用的。

人为噪声使系统性能恶化的影响现在一般都认识到。

人为噪声源是多种多样的：

从各种电子设备的寄生辐射、无线通信设备的带外调制产物、汽车的点火系统、电力线等等。

人为噪声基本上是“脉冲”的，和系统中的热噪声不同，它有高度结构化的形式，可用干扰电平概率来表征，具有概率高、干扰电平大的特征。

因此，也称为非高斯噪声。

在大都市地区，人为干扰可以出现在30Hz到7GHz无线频谱范围。

在100MHz以上，频谱以汽车点火系统噪声的人为噪声和几种人为源形成的混合噪声占支配地位。

在较低的频率，脉冲发射图形的宽度和幅度是较大的，但是最大脉冲的平均占有率可能随频率而增加[2]。

这些高度非高斯随机过程能使系统性能有严重的下降，尤其对最传统的系统，因为它们通常被设计为对常规噪声最佳或接近最佳的性能。

非高斯噪声有几个名字，这里我们用最常用的名字：

人为噪声、电磁干扰、广义噪声，突发噪声和脉冲噪声。

为了避免混淆，一般我们可以认为人为噪声是不同类型的噪声源产生的波形不同的脉冲噪声。

根据脉冲噪声不同的频率常数或锐度，我们可以把噪声源分成两组：

（1）噪声带宽

比接收机前端带宽

小；

（2）噪声带宽

比接收机前端带宽

大。

接收机前端带宽在调制前由电路中最小带宽所决定。

据此，Middlefon把电磁干扰（包括了人为噪声和高斯噪声）分为三类[1]，把第一组

定义为

类噪声，第二组

定义为

类噪声，

类和

类的结合定义为

类噪声，即

•

类。

进入接收机的噪声的频谱带宽和接收系统的带宽是可比较的或小于它。

瞬态效应可忽略。

•

类。

噪声的带宽比接收系统的带宽大（也就是，噪声脉冲在接收机内产生瞬态过程）。

•

类。

类和

类的线性相加。

10.2干扰

对于GSM系统来说，干扰既可来自系统内，也可能来自系统外。

一般需要网络优化人员通过测试、分析后才能判断确定是什么干扰。

系统内的干扰主要是由于GSM采用频率复用技术引入的同频干扰和邻频干扰，因此系统内的干扰是不可避免的。

除了同频、邻频干扰外，系统内干扰还可能有互调干扰和由于时间色散引起的干扰。

系统外干扰指的是干扰源存在于系统之外，主要有工业干扰、自然干扰、其它系统如非法无线通信和非法安装射频中继器（直放站）引起的干扰等。

这类干扰一般具有宽频带的频谱，时间性较强，较难被发现。

10.2.1邻频干扰

邻频干扰是由于受到设备性能的限制所产生的，如频率不稳定性、接收机带宽、滤波器等。

另外，为了获得最大的频谱效率，频点相互之间非常靠近，由于衰落和远近效应引起的信号随机起伏加重了这个问题。

有些简单而有效的策略已被用来减轻邻频干扰的影响。

例如，在目前GSM系统中，把总的频谱分成两半，使组成上行链路（移动台到基站）的反向信道和组成下行链路（基站到移动台）的前向信道之间可以相隔一半频谱。

如果还有其它业务被插在这两个半频谱之间的话，那么就可达到更大的频率间隔，这样干扰电平可得到改善。

邻频干扰也可以通过在同一小区内避免使用邻频信道使其最小化。

用同样的方法，在相邻小区中不使用邻频信道使网络达到更好的性能。

可是，这种策略决定于蜂窝方案。

例如，如果选择3/9频率复用方案，邻频信道将不可避免地被分配给相邻小区。

10.2.2同频干扰

毫无疑问，在蜂窝规划中最关键的是同频干扰。

由于频率复有用，它出现在利用蜂窝结构的移动无线系统中。

图10.1和10.2分别画出了前向信道和反向信道的同频干扰环境。

在图10.1中，移动台离服务基站距离为

，离第一层

个同频基站的距离为

，

。

在图10.2中，移动台和服务基站之间的距离为

，服务基站离第一层

个同频小区中的6个干扰移动台的距离为

，

。

因此，同频干扰对前向信道和反向信道可能并不完全相同，因为在这两种情况下

并不是完全相同的。

这种现象称为链路不平衡。

图10.1移动台处前向信道上的同频干扰。

有6个干扰基站

在通信系统中对于噪声而言，需要考虑的是信噪比而不是噪声功率的绝对值。

同样,在蜂窝移动通信中，对于同频干扰和邻频干扰而言，并不需要保证干扰信号电平低于接收机的接收门限，而只需要有用信号高于干扰信号电平一定的dB值，即平均接收载干比

超过接收机门限（或称为干扰保护比

），传输质量就可接受。

否则，传输质量是不可接受的，并认为发生了中断。

在GSM规范中，给出了该门限值：

同频干扰

9dB

邻频干扰

-9dB

干扰保护比

的值决定于无线链路的许多参数，包括所用的调制和编码方案、接收机构造、链路质量、传播环境、移动台速度及其它因素。

例如在GSM系统中，都采用均衡和交织抵消技术等信号处理方法来抵制或抵消同频干扰。

在这种情况，无线接收机能容忍较大的同频干扰，其所需的干扰保护门限小于不采用这些技术系统的门限。

这就是说，同频干扰对无线链路性能的影响决定于系统本身抵制同频干扰的能力。

一旦干扰保护门限已被规定，由于路径损耗、阴影遮挡和包络衰落引起的

变化将确定中断概率。

对于快速运动的移动台，路径损耗和阴影就确定了传输质量。

相反，对于慢速运动移动台，当由于多径衰落使接收信号包络出现深衰落时，传输质量亦可能变得不可接受。

为了保证满足一定的中断概率，还必须在该门限值上加上衰落保护，例如阴影引起的慢衰落保护8dB，噪声和快衰落保护10dB。

10.3频谱效率

对于蜂窝系统运营商来说没有比频谱效率更重要的事情，频谱效率是评估蜂窝移动通信无线系统频率需要的一个重要参量。

有各种各样的频谱效率定义，但是合适的定义是用每单位带宽的空间话务量密度

来度量频谱效率。

如果一个信道被连续占用，没有空闲的时间，那么它的话务量强度为1爱尔兰（Erl），这是一个信道最大可承受的能力。

实际上每一个信道不可能没有间歇空闲的时间，因此每一信道的话务量强度总是小于1Erl。

若一个信道被占用

时间的话，那么它运送的话务量为

Erl。

这样我们可以把每个信道在单位时间间隔内被占用的时间定义为信道占用率

（或称中继效率），也就是每个信道完成的话务量。

Erl/信道（10.3）

式中，

是每个小区运送的话务量强度，

是每个小区流入信道的话务量强度，

是阻塞率，

是每个小区的中继或服务信道数。

对于由均匀六边形小区所组成的蜂窝系统，频谱效率

被定义为

Erl/

/MHz（10.4）

式中，

是系统总的带宽（MHz），

是小区面积

。

假设蜂窝系统中每簇的小区数为

，那么FDMA的每小区信道数是

（10.5）

式中

是每信道所占带宽。

如果是TDMA的话，那么

为每载频带宽（GSM是200kHz）被每载频信道数（GSM的每个载频有8个信道）除。

将（10.5）代入（10.4），频谱效率可被定为三个效率的乘积，也就是

（10.6）

式中，

称为带宽效率，

称为空间效率，

称为中继效率（信道占用率）。

1．带宽效率

通过利用低比特速率语音编码和带宽有效信令技术可以达到高的带宽效率。

2．空间效率

由

可知，小区面积

越小或每簇小区数

越少，则空间效率

越大。

第一项小区面积

越小，

越大，对于微蜂窝结构意义非常大，在微蜂窝中小区半径通常在200-500m左右。

而每簇小区数

的大小，则决定于频率复用方案。

在均匀六边形小区所组成的蜂窝系统中，

。

因此，应尽量减少系统内的同频干扰，使同频复用距离

最小，这样空间效率就提高。

一般采用如小区扇区化、智能天线、功率控制，不连续发射、有效的切换算法，宏观的基站分集等等技术来控制系统内的同频干扰电平。

另外，同频干扰对无线链路的影响可以利用如干扰抵消、差错控制编码、天线分集等技术来减轻。

3．中继效率

如果在信道分配方案中，使信道占用最大的话，就可以达到高的中继效率。

但是，高的中继效率（每信道完成的话务量）对应高的呼损率（阻塞概率），这可由爱尔兰B公式来说明。

例如，假设中继信道数

，当呼损率

时，查爱尔兰B（附录一）有

，代入（10.3）式计算得到

。

当呼损率

时，

，计算得到

。

虽然实际上爱尔兰B公式不能用于蜂窝系统，因为该公式没有考虑切换话务量。

而且，由于移动用户的空间运动，每小区提供的总话务量是时变的，而爱尔兰B公式中提供的话务量被假设是不变的。

不过，用来说明上述问题还是非常有用的。

从上面的计算结果可以看到，我们必须在中继效率和表示服务等级的新呼叫与切换的阻塞概率之间有一折衷。

10.4同频干扰分析

蜂窝移动通信系统通常是干扰受限系统