模擬集群系統和iDEN系統共用頻段時的干擾分析

名稱:模擬集群系統和iDEN系統共用頻段時的干擾分析
隨著技術的不斷進步，集群通信正向數字化方向發展， iDEN和TETRA系統就是我國行業標準所推薦的兩種數字集群體制。但當我們建立數字集群通信系統時，不可能也不應該立即廢止原有的模擬集群系統，因此，在800MHz集群通信頻段，模擬集群和數字集群系統將共存一段時間。本文擬探討iDEN系統與模擬集群系統共用頻段的干擾問題。
覆蓋區的預測
1、iDEN系統和模擬集群系統的參數
我們假設iDEN系統和模擬集群系統的發射功率均為70W，發射天線增益均為10dB，覆蓋區邊緣的無線可通率為90％，其具體技術參數如表1。
＊接收機可用功率：對於iDEN系統來說，它不僅考慮放大器、內部電纜、同道干擾和站址干擾等因素時的接收機雜訊特性，而且也考慮了瑞利衰落特性，是指在C/（I＋N）＝20dB時的接收機的功率。對於模擬系統是指在29dB信噪比時的可用功率。它們均相當於4級話音質量。
2、Okumura/Hata公式
Okumura/Hata模型是以准平滑地形的市區作基準，其餘各區的影響均以校正因子的形式出現。Okumura/Hata模型市區的基本傳輸損耗模式為：
Lb＝69.55＋26.16lgf－13.82lghb－α(hm)＋（44.9－6.55lghb）lgd (1)
Lb：市區准平滑地形電波傳播損耗中值（dB）
f：工作頻率（MHz）
hb：基站天線有效高度（m）
hm：移動台天線有效高度（m）
d：移動台與基站之間的距離（km）
α(hm)：移動台天線高度因子
對於大城市，移動台天線高度因子為α(hm)＝8.29[lg(1.54hm)]2-1.1 dB
f≤200MHz（2）
α(hm)＝3.2[lg(11.75hm)]2-4.97 dB 1500≥f≥400MHz（3）
當hm在1.5-4m之間，上面兩式基本一致。對於中小城市（除大城市以外的其它所有城市）
α(hm)＝（1.1 lgf-0.7）hm－（1.56 lgf－0.8）（4）
對於郊區
Lbs＝ Lb（市區）－2[lg（f/28）]2-5.4（5）
對於開闊地
Lbq= Lb（市區）－4.78（lg f）2＋18.33lg f－40.94（6）
3、模擬集群系統的覆蓋區
從表1可以看出，模擬系統手機可用電平為－99dBm（4級話音質量），模擬基站的有效發射功率為51.05dBm，則路徑損耗為：
Lb＝51.05－（－99）＝150.05 dB
根據公式（2），可得
α(hm)＝3.2[lg(11.75hm)]2-4.97 dB＝0 dB
根據公式（1），可得
Lb＝69.55＋26.16lgf－13.82lghb－α(hm)＋（44.9－6.55lghb）lgd
＝69.55＋75.95－25.50－0＋32.81lg d
＝120.00＋32.81lgd
因此對於市區來說，當滿足無線覆蓋區邊緣90％的可通率，話音質量為4級時的覆蓋區半徑d1為：
d1＝8.24km（室外）
4、iDEN系統的覆蓋區
同樣從表1可以看出，iDEN系統手機的可用電平為－101dBm，iDEN基站的有效發射功率為48.95dBm，則路徑損耗為：
Lb＝48.95－（－101）＝149.95 dB
同理可算出iDEN系統的其覆蓋區半徑d2為：
d2＝8.18km（室外）。
iDEN系統對模擬系統的干擾
假設iDEN系統基站的發射功率為70W，其帶外發射功率見表2。
當f0±25KHz時，其帶外發射功率為-9.55dBm，考慮天線增益及饋線損耗以後其帶外有效發射功率為：
Pts＝-9.55＋10－9.5=-9.05 dBm
當f0±50KHz時，其帶外發射功率為-16.55dBm，考慮天線增益及饋線損耗以後其帶外有效發射功率為：
Pts＝16.55+10－9.5=－16.05 dBm
1、接收機的熱雜訊
我們假設接收機的雜訊係數用F表示，則接收機的熱雜訊為：
PN＝－228.6＋10lgT＋10lgB＋F dBW（7）
式中：T為絕對溫度，取290K
B為接收機的中頻帶寬，Hz
F為雜訊係數。
模擬集群系統的中頻帶寬為16KHz，iDEN系統的中頻帶寬為20KHz，假設模擬集群系統和iDEN系統基站接收機的雜訊係數均為5dB，移動台的雜訊係數均為8dB，分別代入（7）式得：
模擬集群基站接收機的熱雜訊：PNAB＝－127dBm
模擬集群移動台的熱雜訊： PNAm＝－124dBm
iDEN基站接收機的熱雜訊：PNiB＝－126dBm
iDEN移動台的熱雜訊：PNim＝－123dBm
2、iDEN基站和模擬基站處於同一站址時
從第三節的計算可知，iDEN系統覆蓋區半徑為d2＝8.18km，基站到其覆蓋區邊緣的路徑損耗為時149.95dB，其帶外發射在邊緣時的功率為：
f0±25KHz時，-9.05－149.95＝－159dBm
f0±50KHz時，-16.05－149.95＝－166dBm
模擬集群移動台的熱雜訊為－124dBm，遠大於iDEN基站帶外發射產生的干擾，也就是說在iDEN系統覆蓋區邊緣由iDEN基站帶外發射產生的干擾與移動台系統雜訊相比很小，可以忽略不計，因此在iDEN系統覆蓋區邊緣iDEN基站不會對模擬移動台的接收產生干擾。
如果由iDEN基站帶外發射產生的干擾等於模擬移動台的熱雜訊，即－124dBm，其路徑損耗及移動台距基站的距離分別為：
f0±25KHz時，Lb＝114.95 dB
d＝0.70km
f0±50KHz時，Lb＝107.95 dB
d＝0.43km
這時雖然雜訊（干擾）增加一倍，但由於模擬系統的有用信號很強，相應的載干比也很大，因此也不會產生干擾。
從以上分析計算可知，在同站址時當覆蓋區邊緣的無線可通率為90％、話音質量滿足4級時，iDEN基站不會對模擬系統產生有害干擾。
3、iDEN基站和模擬基站不同站址時（iDEN信號強，模擬信號弱的情況）
我們假設模擬手機處在測試點C，測試點C是在模擬基站的覆蓋區邊緣，距模擬基站的距離為d1＝8.24km，同時又處於iDEN基站的覆蓋區內，見圖1。
為了使iDEN基站B對模擬集群系統的干擾在可接受的範圍內，我們假設iDEN基站在測試點C處產生的干擾等於模擬手機的熱雜訊，這樣等效於手機熱雜訊增加3dB（我們暫不考慮大氣、環境與多徑干擾），這時模擬手機接收到的iDEN的干擾信號為－124dBm。（由於系統是干擾受限，根據模擬的C/I＝18dB計算，實際的干擾I要比－124dBm大）。
在f0±25KHz時，由於帶外有效發射功率－9.05dBm，C點的功率為－124dBm，這樣路徑衰耗為114.95dB，代入Okumura-Hata公式，可得到C點距iDEN基站的距離d2為：
d2＝0.70km
在f0±50KHz時，由於帶外有效發射功率－16.05dBm，C點的功率為－124dBm，這樣路徑衰耗為107.95dB，代入Okumura-Hata公式，可得到C點距iDEN基站的距離d2為：
d2＝0.43km
這就是說兩基站不在同一站址時，基站的發射功率、天線高度及天線增益都相同時，模擬基站覆蓋區的邊緣距iDEN基站的距離大於0.70km時，模擬系統將不會受到有害干擾。一般由於天線的方向性，距離基站越近其增益越小，模擬基站覆蓋區的邊緣距iDEN基站的距離越近。
在模擬系統覆蓋區內，模擬移動台接收到的有用信號很強，而接收到iDEN的干擾信號相應的減少，因此不會對模擬系統產生干擾。從以上分析可知，當兩系統使用頻率相鄰或相差±50KHz時iDEN基站對模擬系統的在一定地理區域內將使干擾（雜訊）增加3dB，對模擬系統有一定的影響，但影響很小，一般不會幹擾模擬系統的正常工作（覆蓋區內）。
4、iDEN移動台對模擬基站的影響
根據iDEN資料，iDEN移動台最大發射功率為3W，其電纜損耗為－2.3dB，發射天線增益為－1dBd，因此移動台的有效輻射功率為：
PTi＝31.5 dBm
根據本章表1可知，當f0±25KHz時，其帶外發射功率為-23.5dBm；當f0±50KHz時，其帶外發射功率為-33.5dBm。
假設iDEN移動台處於模擬基站的正下方，即距模擬基站的距離d＝70m，則根據公式（5）可得路徑損耗Lb為：
Lb＝82.11 dB
模擬基站接收系統的總損耗為－7.4dB，天線增益為10dB，分集改善6dB，實際有效增益為：
Ge＝8.6dB
因此基站接收機接收到iDEN移動台的信號為：
PRi＝PTi－Lb＋Ge＝－42.01 dBm
我們知道模擬基站接收機的可用電平為－104dBm，兩者相差62dB，小於70dB的干擾抑制比，所以當兩系統鄰道使用時，不會對基站接收造成阻塞。
這時模擬基站接收機接收到iDEN移動台的帶外發射PRiO為：
當f0±25KHz時，PRiO＝-23.5dBm－82.11+8.6＝97.01 dBm
當f0±50KHz時，PRiO＝-33.5dBm－82.11+8.6＝107.01 dBm
很明顯，干擾電平已接近基站接收機的可用電平，因此基站接收機接收其覆蓋區邊緣的信號時，將受到近處iDEN手機的干擾。
那麼，iDEN移動台距離模擬基站多遠時，干擾才可以忍受呢？我們假設iDEN移動台的干擾等於模擬基站的熱雜訊，即－127dBm，則路徑傳播損耗為：
當f0±50KHz時， Lb＝－127－8.6－（－23.5）＝112.1 dBm
當f0±50KHz時， Lb＝－127－8.6－（－33.5）＝102.1 dBm
根據公式（1），可算出iDEN移動台距模擬基站的距離為：
當f0±25KHz時，d＝0.57km
當f0±50KHz時，d＝0.28km
其實這種遠近效應對整個移動通信系統都是存在的，是其特有的現象，我們只要注意就行了。
模擬集群系統對iDEN系統的干擾
1、iDEN基站和模擬基站處於同一站址時
從上面計算可知，模擬系統基站覆蓋區覆蓋區半徑為8.24km，基站到覆蓋區邊緣的路徑損耗為時150.05dB。假設模擬系統基站的發射功率為70W，鄰道功率<70dB，雜散射頻分量<70dB，而帶外發射功率為二者之和，即<67dB，因此帶外發射功率為-18.55dBm，考慮天線增益及饋線損耗以後其帶外有效發射功率為-18.55+10-7.4=-15.95dBm。其帶外發射在邊緣時的功率為：
-15.95－150.05）＝－166dBm
iDEN系統移動台的熱雜訊為－123dBm，遠大於模擬基站帶外發射產生的干擾，因此在iDEN系統在其覆蓋區邊緣不會被干擾。
如果由模擬基站帶外發射產生的干擾等於iDEN移動台的熱雜訊，即－123dBm，則移動台距基站的距離為0.40km。
這時雖然雜訊（干擾）增加一倍，但由於有用信號很強，因此不會產生干擾。從以上分析計算可知，在同站址時模擬基站不會對iDEN系統產生有害干擾。
2、iDEN基站和模擬基站不同站址時（iDEN信號弱，模擬信號強的情況）
我們假設iDEN手機處在測試點C，測試點C是在iDEN基站的覆蓋區邊緣，C點距iDEN基站的距離為d2＝8.18km，同時又處於模擬基站的覆蓋區內，如圖2所示。
我們假設模擬基站B在測試點C處產生的干擾等於iDEN手機的熱雜訊，這樣等效於手機熱雜訊增加3dB（我們暫不考慮大氣、環境與多徑干擾），這時iDEN手機接收到的模擬的干擾信號為－123dBm。
由於模擬系統基站帶外有效發射功率－15.95dBm，C點的功率為－123dBm，這樣路徑衰耗為107.05dB，代入Okumura-Hata公式，可得到C點模擬基站的距離d1為：
d1＝0.40km
這就是說兩基站不在同一站址時，基站的發射功率、天線高度及天線增益都相同時，iDEN基站覆蓋區的邊緣距模擬基站的距離為0.40公里時，將不會產生有害干擾。一般由於天線的方向性，距離基站越近其增益越小，iDEN基站覆蓋區的邊緣距模擬基站的距離越近。
在iDEN系統覆蓋區內由於iDEN移動台接收到的有用信號很強，而模擬的干擾信號相應的減少，因此iDEN移動台不會受到干擾。
從以上分析可知，模擬基站對iDEN系統的在一定地區將使干擾（雜訊）增加3dB，對iDEN系統有一定的影響，但影響很小，一般不會幹擾iDEN系統的正常工作（覆蓋區內）。
3、模擬移動台對iDEN基站的干擾
模擬手機的發射功率在0.2W-1.3W之間，最大發射功率為31.14dBm，鄰道功率一般<2.5uW，即－26.02dBm，iDEN基站接收機的饋線總損耗為－9.5dB，天線增益為10dB，分集接收改善4.7dB，因此實際的天線有效增益為：
Ge＝－9.5＋10＋4.7＝5.2dBi
假設模擬移動台在其覆蓋區邊緣，且距iDEN基站的距離為70m（處在iDEN基站的正下方），根據Okumura-Hata公式可計算出路徑衰耗為82.11dB，這時iDEN基站接收到模擬手機的功率為：
PRA＝31.14－82.11＋5.2=45.77 dBm
我們知道iDEN基站接收機的可用電平為－104.5dBm，兩者相差58.73dB，而一般集群系統在25KHz通道間隔時的鄰道干擾抑制比為70dB，因此模擬系統移動台不會對iDEN基站接收造成阻塞。
這時iDEN基站接收機接收到模擬移動台的帶外發射PRAO為：
PRAO＝-26.02dBm－82.11+5.2＝-102.93 dBm
很明顯，干擾電平已接近基站接收機的可用電平，因此iDEN基站接收機接收其覆蓋區邊緣的信號時，將受到近處模擬手機的干擾。
我們假設模擬移動台對iDEN基站的干擾等於iDEN基站的熱雜訊，即－127dBm，則路徑傳播損耗為：
Lb＝－127－5.2－（－26.02）＝106.18 dB
根據公式（5），可算模擬移動台距iDEN基站的距離為：
d＝0.38km
這樣，只要模擬移動台到iDEN基站的距離大於或等於380米，就不會對iDEN基站接收遠端信號時產生有害干擾。同上章一樣，這是整個移動通信系統都存在的遠近效應現象。
結論
從以上計算可知，模擬集群系統和iDEN系統可以使用相鄰頻道而不相互干擾。當要同頻復用時必須滿足C/I的要求，有一定的隔離距離。
以上計算均是以接收到的話音質量為4級、無線覆蓋區邊緣的可通率為90％、城區室外准平滑地形等條件為前提的。