LTE系統鄰頻合路隔離度研究

潘桂新+黃曉明+李衛

【摘 要】隔離度為合路器的關鍵指標，控制駐波、雜散及阻塞干擾的要求共同決定了系統合路的隔離度指標。結合LTE系統鄰頻的特點，詳細研究并確定了LTE鄰頻系統合路對隔離度的要求，并通過實驗驗證了該指標滿足3GPP要求，隔離度要求的降低減少了合路需要的隔離帶寬，節省了寶貴的頻譜資源。

【關鍵詞】鄰頻系統 合路 隔離度 雜散 阻塞干擾

1 引言

中國聯通與中國電信競合逐步展開，雙方1.8 GHz頻段LTE FDD室內分布系統的共建共享成為主要內容。不同LTE系統間合路時為避免合路系統間的相互干擾，系統間必須滿足一定的隔離度。通信系統中通過空間隔離或頻率隔離方式來實現指標要求的隔離度為當前最常見的兩種技術方案。由于共用一套室內分布系統，不存在空間隔離的可能，則頻率隔離成為唯一的解決方案。室分合路的技術標準一般要求合路器系統間達到80 dB以上的隔離度，則需要5 MHz以上的頻率隔離。而在1.8 GHz頻段，中國聯通和中國電信LTE FDD上行/下行頻率（中國聯通上行/下行：1745 MHz—1765 MHz/1840 MHz—1860 MHz，中國電信上行/下行：1765 MHz—1785 MHz/1860 MHz—1880 MHz）是相鄰的（簡稱“鄰頻系統”），不存在頻率間隔，5 MHz的頻率隔離對寶貴的頻譜資源形成了巨大的浪費，所以以上兩個系統合路時，隔離度指標成為合路的一個關鍵技術指標。本文主要針對中國聯通和中國電信1.8 GHz LTE FDD室分系統鄰頻合路的特殊場景，利用合路的LTE系統間鄰頻的特點，研究并分析出合適的隔離度指標，以減少對隔離帶寬的要求，實現節省寶貴頻譜資源的目的。

2 LTE共址系統隔離度要求分析

3GPP將基站共站共址分為共存（Co-existence）和共址（Co-location）兩種場景[1]，鄰頻多網合路共用一套室內分布屬于一種特殊的“共存”場景。為保證各基站系統獨立運行，避免相互干擾，3GPP對“共址”和“共存”基站提出了基站間隔離要求，下面分別分析共存的LTE系統為避免雜散和阻塞干擾對系統間隔離度的要求。

2.1 雜散干擾對隔離度的要求

雜散干擾是指基站發射機在其它頻段產生的雜散信號，對工作在該頻段的其它移動通信系統信號的接收形成的干擾，會導致接收信號質量惡化，接收機靈敏度下降，信息發生誤差或丟失，甚至阻斷通信，兩系統合路時一個通道系統的雜散信號串入另一個通道即形成雜散干擾。

靈敏度是衡量基站接收機接收微弱有效信號能力的指標，是接收機在一定的解碼誤碼率下，對應的最小接收有用信號強度（Sm，單位為dBm）。靈敏度指標與信噪比（SNR，單位為dB）、噪聲系數（F）、增益（G，單位為dB）等電路參數和自然噪聲（N0）、外部干擾（Ir，單位為dBm）等接收機放大電路基本指標參數公式關系推導如下：

信噪比：SNR=S-N （1）

增益：G=Sout-Sin或 （2）

噪聲系數：

（3）

將公式（2）帶入公式（3）即可得：

（4）

其中，SNR為信噪比，S為有效信號（單位為dBm），N為噪聲（單位為dBm），其對應的線性值分別為“snr”、“s”和“n”；“in”和“out”分別表示輸入和輸出。

接收機放大電路基本原理如圖1所示，信號Sin和底噪Nin輸入，經放大器放大后，獲得增益G，信號和底噪輸出分別為G+Sin和G+Nin。

在沒有外界干擾的情況下，接收機輸入底噪為自然熱噪聲n0時，根據公式（1），可以得到系統靈敏度（即放大器最小輸入信號強度Sm）與輸出信噪比SNRm（單位為dBm）之間的關系，滿足如下公式：

SNRm=Sm_out-Nm_out （5）

按照公式（2）和公式（4）分別可得到如下公式（6）和公式（7）：

Sm_out=Sm+G （6）

Nm_out=10lg（F×g×n0） （7）

將公式（6）和（7）代入公式（5）得：

SNRm=Sm+G-10lg（F×g×n0） （8）

在存在干擾ir的情況下，接收機輸出總的噪聲為10lg[（F×g×n0）+g×ir]，則依據公式（8），此時系統靈敏度（即放大器最小輸入信號強度S'm）與輸出信噪比SNRm之間的關系滿足如下公式：

SNRm=S'm+G-10lg[（F×g×n0）+g×ir] （9）

公式（8）減公式（9）可得：

（10）

根據3GPP[1]相關文檔要求，當LTE系統共存時，雜散干擾對被干擾系統靈敏度降低的影響不能超過0.8 dB，即≤0.8 dB，將此要求代入公式（10），并進行變換可得到公式（11）：

Ir≤N0+NF-7 （11）

一般系統噪聲系數NF取為5 dB，自然熱噪聲N0為-124 dBm/100 kHz，代入公式（11）可以得出，為滿足雜散干擾對共存LTE系統的靈敏度降低不超過0.8 dB的要求，雜散干擾信號經過合路器通道間隔離度大小的衰減到達被干擾LTE系統的雜散干擾不能超過-126 dBm/ 100 kHz。根據3GPP協議[1]的規定，LTE系統共存時雜散干擾不超過-96 dBm/100 kHz，由此可以推導出LTE系統共存時，為防止雜散干擾所需的系統間隔離度（Isolation_SEM）要求，如下：

Isolation_SEM≥-96（dBm/100kHz）–（-126（dBm/

100kHz））=30（dB） （12）

2.2 阻塞干擾對隔離度的要求

阻塞干擾是指基站接收機接收移動終端微弱的上行有用信號時，受到帶外強干擾信號影響，會引起接收機放大器工作偏離線性區，進入非線性失真甚至飽和區，產生非線性失真甚至阻塞。

3GPP協議[1]對LTE系統接收機抗阻塞的要求為：當干擾信號不高于16 dBm時，系統仍可以正常工作。假定LTE主設備的典型發射功率為46 dBm，可以推導出要使干擾系統發射的信號到達被干擾LTE系統接收機時功率不超過16 dBm，從而不阻塞接收機所需要的隔離度（Isolation_blocking）為：

Isolation_blocking≥46（dBm）-16（dBm）=30（dB）

（13）

綜合以上公式（12）和（13）可以得出，LTE系統共址合路時，從控制雜散和阻塞干擾指標要求來看，合路的系統間要求有30 dB以上的隔離度，這也是3GPP隔離度要求的來歷。

3 LTE系統鄰頻合路隔離度要求分析

現有技術標準和規范中的“共存”和“共址”都是針對室外宏站獨立天饋的建設模式而言，并沒有特別考慮到室內分布系統多網共用室內天饋系統這一更為特殊的基站共存形式。合路的系統間不僅基站共址，而且所有信號通過合路器共用室內分布天饋，實現一套天饋共同覆蓋?；尽肮仓贰?，覆蓋“共存”。共址基站沒有物理空間分隔，系統間避免干擾需要的隔離度無法像室外基站那樣通過空間隔離實現，而只能通過合路器端口間的隔離來實現，從而避免相互間的干擾。

中國聯通和中國電信1.8 GHz LTE FDD室分合路不僅具備上面提到的室分合路這一特殊的基站“共存”特點，同時，由于中國聯通和中國電信的LTE系統的頻段是鄰頻分配的，所以兩者間的“共存”還具備很多其它特征，對兩者合路需要的隔離度也產生了獨特的影響，下面進行詳細的分析。

合路共址基站兩個獨立系統間相互干擾的通道可能有4個，如圖2所示。①干擾基站發射對被干擾基站發射的影響（BS Tx2→BS Tx1）；②干擾基站發射對被干擾基站接收的干擾（BS Tx2→BS Rx1）；③干擾終端發射對被干擾基站接收的干擾（MS Tx2→BS Rx1）；④干擾終端發射對被干擾基站發射的影響（MS Tx2→BS Tx1）。

（1）干擾基站發射對被干擾基站發射的影響

合路BS（Base Station，基站）高功率發射信號可能通過合路通道間耦合，相互反串進入對方基站下行通道，對對方發射系統造成影響。如果合路BS發射信號在不同頻段，下行通道發射濾波器會將反串信號阻隔，無法繼續進入。但是，合路的中國聯通和中國電信LTE系統鄰頻，BS發射信號屬于同一頻段，反串信號在對方發射濾波器通帶內，從而可順利通過濾波器到達發射功放模塊的輸出端。逆向進入的信號直接進入功放電路，可能會導致電路飽和或阻塞。不過，基站發射機為了防止自身射頻輸出阻抗不匹配時大功率射頻發射造成發射機燒毀，在輸出前端均設有環形器和吸收負載，將逆向傳輸的信號功率衰減后導向吸收負載，以保護功放模塊，并設有駐波告警，對反射功率過高發起提醒，告警門限一般設置在駐波系數1.5（相當于4%的反射功率，反射回波損耗14 dB）。

一般來說，基站RRU系統的環路器對逆向信號一般有20 dB以上的隔離，從而能有效保護發射機功放電路不被阻塞，但長期駐波告警或發射功率過強，可能會觸發BS自保護機制，將發射機自動關閉。即使不會觸發駐波告警，但長期存在較強反串信號會使吸收負載發熱嚴重，對RRU的電路產生不良影響。

因此，鄰頻LTE系統共址合路為避免通過通道①的反串功率引起駐波告警，需要在反串功率在經過合路器時進行一定衰減，即合路器的隔離度要不小于駐波告警門限1.5（其對應的回波損耗為14 dB）?？紤]到一定的工程裕量（取6 dB），可得到為防止駐波告警需要的合路器通道間隔離度（Isolation_VSWR），如下：

Isolation_VSWR≥14（dB）+6（dB）=20（dB） （14）

（2）干擾基站發射對被干擾基站接收的干擾

BS發射的下行信號中包含的被干擾系統接收頻段的雜散信號可能通過通道②耦合進入合路的對端BS接收通道，對其接收系統形成阻塞和雜散干擾。為避免以上干擾，系統間的隔離度要求一般與普通“共存”場景下的要求一致。但是，由于中國聯通與中國電信LTE位于相鄰頻段且同頻段，BS為保證其本身接收機的正常工作和靈敏度指標，發射通道及其濾波器必須嚴格控制其發射信號中包含的本身接收機頻段的雜散輻射，使其遠低于3GPP要求的-96 dBm/100 kHz（經測試一般可達到-120 dBm/100 kHz以上）。所以，在鄰頻合路這一特殊“共存”場景下，根據公式（12）可得抑制雜散干擾影響需要的隔離度要求，可放寬如下：

Isolation_SEM≥-120（dBm/100kHz）–（-126（dBm/

100kHz））=6（dB） （15）

同理，LTE接收機直接面臨本身發射頻段強信號的阻塞，對其發射頻段強信號的抗阻塞干擾能力要求須超過3GPP對一般頻段抗阻塞能力要求，故自然也能承受與其發射機信號位于同一頻段的干擾系統強信號的阻塞干擾，所以對合路器通道間的隔離度沒有額外的要求，即鄰頻合路抗阻塞干擾（Isolation_blocking）的隔離度要求可放寬為0 dB。

綜上分析，利用LTE系統鄰頻合路的特點，突破了3GPP對系統“共存”的隔離度要求，可將LTE系統鄰頻合路這一系統“共存”的特殊場景的隔離度要求大大降低至6 dB。

（3）干擾終端發射對被干擾基站的干擾

對于被干擾系統接收機通過上行接收通道③受到其它系統終端的上行信號的干擾，3GPP標準[1]對基站接收機的ACS（Adjacent Channel Selection，鄰道選擇）能力有指標要求，具體如表1所示，有用信號和干擾信號功率差遠超過現網場景下鄰頻共存的兩個不同LTE系統終端信號到達基站接收機時的功率差（LTE系統上行功率控制一般使到達基站接收機功率基本穩定），因此，通道③的干擾可不考慮。

對于通道④產生的干擾，一般終端的發射功率為幾十到幾百毫瓦，與RRU幾瓦到幾十瓦的發射功率相比，相差1000倍，再加上空間鏈路損耗，通道④產生的干擾可以忽略不計。因此，通道④干擾也可忽略。

綜上所述，合路共址BS干擾主要考慮通道①和②。通過前面的分析，可以得出在鄰頻合路的場景下，為避免合路系統間的相互干擾，合路器通道間的隔離度要求計算如下：

隔離度≥max{Isolation_VSWR， Isolation_SEM， Isolation_Blocking}=20（dB） （16）

4 實驗驗證

按照上文研究得出的隔離度指標，研發出中國聯通和中國電信1.8 GHz LTE FDD鄰頻合路器樣品，實現了無隔離鄰頻合路。按照圖3的組網拓撲，將中國聯通和中國電信1.8 GHz LTE FDD RRU使用鄰頻合路器進行合路，結合相關儀器設備搭建實驗環境。主要驗證以上隔離度指標在合路時，各LTE系統與隔離度相關的關鍵射頻指標和業務指標是否受到影響。實驗室測試場景圖如圖3所示：

對國內5家主要無線設備供應商（中興、華為、諾基亞、愛立信、上海貝爾）LTE設備在鄰頻合路器合路場景下系統性能指標進行實驗，以中興設備的測試結果為例（其它各家設備測試結果與中興基本一致），其結果如表2所示。

通過以上實驗可得出如下結論：

1）鄰頻合路方式下，關鍵射頻指標均優于3GPP/中國聯通工程標準的要求；

2）鄰頻合路器的隔離度指標設計合理，合路后系統性能基本不受影響。

確定了鄰頻合路器的隔離度指標后，結合普通合路器的通帶插損指標要求（一般要求≤1 dB），利用合路器仿真設計軟件得出結論：一般情況下，要實現20 dB的隔離度，兩個系統合路所需的隔離帶寬最小為1.75 MHz。如此，中國聯通和中國電信1.8 GHz LTE FDD系統鄰頻合路所需隔離帶寬相比原來所需的5 MHz減少了65%，節省了寶貴的頻譜資源。

5 結束語

對基于3GPP等標準的LTE基站“共存”下隔離度指標進行研究，并結合鄰頻合路的特點，使鄰頻合路器的隔離度要求得到降低，創新性地突破了3GPP的相關要求，實現了中國聯通和中國電信1.8 GHz LTE FDD系統的鄰頻合路，并節省了寶貴的頻譜資源。通過實驗驗證得出，該隔離度指標對系統性能基本沒有影響，目前根據該關鍵指標生產的鄰頻合路器已經在中國聯通和中國電信的室分系統中進行了試用，并取得了良好的效果，所以后期建議可將其廣泛商用并在全國推廣。

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