第三代移动通信系统中的干扰及其分析方法

1、引言

　　移动通信日益发展，射频资源日趋紧张，各种潜在的干扰源正以惊人的速度不断地产生。原有的无线电系统占用现有频率资源、不同运营商网络配置不当、发射机的设置问题、小区重叠、环境、电磁干扰（EMI）以及有意干扰，都是移动通信网络射频干扰产生的原因。目前，已有的移动通信体制占用的射频资源全部在2.5G以下，这一频带的特点，就是干扰与被干扰的关系，因此，移动通信网络必然存在射频干扰问题。

2、移动通信系统中的干扰及其分类

　　从本质上来说，干扰是指未按频率分配规定的信号占据了合法信号的频率，造成合法信号无法正常工作。因此，对干扰的分析和解决过程，是移动通信网络规划优化工作的重要组成部分。解决干扰问题，不仅要对移动网络常见干扰有深刻的认识，还必须对现有移动通信制式的频率分配了如指掌。

　　鉴于移动通信信号的特点，可将其所受干扰按如下方法进行分类。

　　2.1　从频段来分

　　从频段来分，可分为上行干扰与下行干扰。上行干扰定义为干扰信号在移动网络上行频段，移动基站受外界射频干扰源干扰。上行干扰的后果是造成基站覆盖率的降低。从物理上看，手机在无上行干扰的情况下，基站能够接收较远处手机信号。当上行干扰出现时，手机信号需克服干扰信号才能与基站联络，因此手机必须离基站更近。

　　下行干扰是指干扰源发出的干扰信号在移动网络下行频段，手机接收到干扰信号，在无法区分正常基站信号时，会使手机与基站联络中断，造成掉话或无法登记。

　　由于基站下行信号较强，因此，上行干扰的危害通常比下行干扰更严重。

　　2.2　从频点来分

　　从频点来分，可分为同频干扰与非同频干扰。同频干扰广义上是指干扰源占用的频率恰好与正常信号频率相同，上行下行都存在。CDMA系统中小区内用户采用相同系统频率，采用扩频码加以区分，相邻小区也可以采用相同频率。扩频码的非正交性、多径传输，引起接收机中存在同频干扰。

　　在通信系统采用多载波，或者其它通信系统工作在相邻频率时，存在非同频干扰（邻频干扰）。这是由发射机的邻信道泄漏、接收机的邻信道选择性、接收机阻塞指标等因素引起的。此外，谐波畸变（失真）、互调也会引起非同频干扰。在某些情况下，非同频干扰将严重影响系统的性能。

　　2.3　从干扰源来分

　　从干扰源来分，可分为固定频率干扰、随机宽带干扰、强信号对弱信号的干扰以及互调干扰等。

　　固定频率干扰是指具有固定频率的干扰源工作于移动通信频段。这种干扰频率几乎不变，或在小范围抖动，一般来说上下行都可能存在。随机宽带干扰，是指具有宽频带或频率随机变化的干扰源工作于移动通信频段，这种干扰幅度起伏不定，频率随机飘动，主要存在于上行。强信号对弱信号的干扰，是指合法的信号占用合法的频率，由于功率过强，造成邻近频段接收设备阻塞，或由于强信号杂散辐射过宽，造成对邻接频段的干扰。互调干扰，是由于外部一个或多个无线信号源由馈缆进入接收装置的非线性放大器产生的。

3、CDMA系统中的干扰

　　在第一代和第二代基于FDMA或TDMA的移动通信系统中，是通过间隔一定距离或不同时隙的频率复用来区分不同的用户的，主要的干扰是同频干扰。只要相同的信道组之间相隔的距离足够远，相互间的干扰水平就可以保持在可接受的界限之内。通过频率规划、小区分裂、分扇区等方法可以抑制移动通信系统内的这种干扰。

　　在码分多址的移动通信系统中最重要的是多址干扰。CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时，通过各用户不同的多址码将各个用户的信号分离开。理想情况下，利用扩频码的正交特性可以保证解调时无偏差地解调出用户数据。而在实际系统中，由于同步的不准确、空间信道的多径特性等的影响，导致各用户信号之间不能维持理想的正交特性。这时，对某一特定用户而言，所有工作在同频段的其它用户的信号都是干扰信号，随着用户数目的增多，干扰逐渐增大，系统用户数增加到一定数量时，干扰将增大到无法将有用信号提取出来的地步，因此，CDMA系统是个干扰受限的系统。对于CDMA系统而言，减少系统干扰是提高系统容量的一个重要方法。

　　在CDMA系统中，抑制MAIi干扰可从以下几方面采取措施：扩频码的设计、应用功率控制机制、前向纠错编码、自适应天线技术、多用户检测、语音激活技术。

　　基于CDMA的第三代移动通信分为FDD和TDD两种方式，我国自主提出的TD-SCDMA系统属于TDD方式。TD-SCDMA系统中的干扰不同于FDD系统中的干扰。在FDD系统中，由于上下行链路工作在不同的频段，下行的信道只会受到其它下行的信道干扰，上行信道只会受到其它上行信道的干扰。与工作在FDD方式的CDMA系统相比，在TD-SCDMA系统中，存在上行用户之间的干扰和下行基站发出信号间的干扰，称为同向干扰，如图1所示的干扰（2）。同时，由于上下行链路工作在相同频率，在上下行信道之间会产生干扰，即移动台与移动台之间，基站与基站之间会产生相互干扰，这种干扰不同于前面的干扰，被称为反向干扰，如图1所示的干扰（1），这种干扰会对系统的性能产生较大的影响。上下行信道之间的反向干扰主要是由于小区间的不同步，或小区虽然同步，但是具有不相同的信道对称性所引起的，或由于多径传播时延引起的。

图1　TDD CDMA系统中的反向与同向干扰

4、干扰的分析方法

　　中国3G建设的即将到来使第三代移动通信系统的性能分析尤为重要。CDMA系统是干扰受限的移动通信系统，干扰将影响系统的容量、覆盖和业务质量，研究TD-SCDMA系统的干扰问题对其容量分析、网络规划优化都具有重要的意义。通过对CDMA系统中干扰的研究方法进行了总结，分为以下三种方法：干扰的统计模型分析、干扰的仿真分析、干扰的容量分析。

　　4.1　干扰的统计模型分析

　　有关参考文献对干扰环境进行的描述给出了干扰的统计模型，这些统计模型根据相关随机（Relevant Stochastic）分布给出了干扰的统计规律，适合于分析同信道的统计干扰，例如Rayleigh、Rician、Lognormal、和Nakagami。有些模型描述了总的统计干扰，例如Middleton A、B、C统计模型。通过这些统计模型可以研究误码率、系统掉话率、小区内和小区外干扰等。

　　上述的统计模型可能不能充分地反映系统的干扰，尤其是多个移动台形成的干扰不能用一个简单的分布规律来描述。例如，对来自临小区的同信道干扰采用高斯近似在窄带TDMA是合适的，但是在CDMA系统中是不使用的。CDMA系统的精确建模需要对于干扰源完全仿真，这样做将会带来算法复杂的问题，因而在建模时需要抓住干扰的本质。

　　功率控制算法增加了干扰分析的复杂度。在理想的功率控制算法下，可以假设干扰是高斯分布。但是非理想功率控制算法使得干扰不符合高斯分布，尤其是在分析阴影和远近效应时。

　　系统中的干扰和用户的分布、数目有关，在分析中根据用户位置进行统计平均，得到系统中的平均干扰功率，得到的概率分布是和临小区干扰比等系统参数相关的。Jaeweon Cho提出了下行链路的干扰统计模型，根据Wilkinson的近似定理得出了其它小区干扰的统计模型的表达式。Allen He给出了上行链路中非理想信道下的用户间干扰的统计模型。Li-Chun Wang给出了TDD-CDMA系统中基站采用方向天线的一种干扰统计模型。

　　在上述干扰分析统计模型中，不能考虑临小区的干扰和系统外的干扰。另外，由于每个系统都是单独分析其干扰水平，因而没有一种合适的方法分析系统间的干扰。更重要的是，上述方法得到的干扰分析结果是一个平均功率值，不能分析干扰的高阶特性，而干扰的高阶特性对于系统性能分析是很重要的。因此，采用统计模型不能提供一个干扰的全面分析。

　　4.2　系统模型与干扰仿真

　　上面提到了用统计模型分析干扰时的缺陷，很多系统开发商和研究机构面对上述干扰分析模型的限制时，转而采用仿真的方法来研究移动通信系统的性能。仿真方法的特点是计算量大，通常采用特定的仿真工具，并且不采用动态仿真，而采用静态仿真（蒙特卡罗仿真）的方法。与前述的统计分析模型相比，仿真分析方法可以加入小区外干扰以及系统外的干扰，也可以通过多次仿真得到干扰的高阶统计规律，因而更能反映系统的性能。

　　静态仿真是一种在多个不同时间“快照”下分析网络性能的方法，在每一幅快照中移动台根据统计规律分布，认为移动台的业务与状态在仿真时刻是固定的，可通过一个迭代过程计算出每一个移动台和网络建立链接的能力。重复进行仿真可能得到不同的结果，但在大量快照的情况下，仿真结果能够反映网络的统计性能。

　　静态仿真的过程（如图2所示）包括两个循环，即外部循环（快照循环）和内部循环（功率控制循环）。外部循环的目的是生成并分析很多的快照，对这些快照结果进行统计平均能够得到网络的分析结果。单个快照分析是通过迭代的方法实现的。内部循环应确保能够得到收敛的结果。内部循环迭代方法的选取对于静态仿真的运算时间有较大的影响。不合适的迭代会使迭代得不到收敛的结果。通常采用的迭代方法有Gauss-Seidel和Jacobi方法。

图2　静态仿真流程

　　Saloua Ammari通过仿真分析的方法研究了两个用户之间的干扰规律并仿真了小区内和小区间干扰。Robert也通过仿真干扰，分析了小区容量。Nguyen中仿真分析了热点小区干扰对系统容量的影响。

　　4.3　干扰的容量分析方法

　　由于CDMA系统的容量受限于系统的干扰，因而可以通过对系统的容量进行研究以反映系统中的干扰情况。系统中的干扰分为上行链路干扰和下行链路干扰，系统容量的分析也分为上行链路和下行链路的容量，要分别进行分析。其中Gilhousen研究了理想功率控制情况下的小区容量，Prasad和Viterbi研究了非理想功率控制情况下的小区容量，对于上行链路，Prasad和Viterbi分别计算基站处总干扰信号的统计特性服从对数正态分布和高斯分布，并由此计算系统的中断概率。对于下行链路，Prasad只研究了移动台位于三小区边界处的最恶劣情况下的容量性能，Viterbi则只给出了小区容量的契诺夫界，但契诺夫界是个比较保守的界。此后，Evans首次推导了上行链路总干扰信号的概率分布函数解析式，但分析过程复杂，而未被其它文献所采用。

5、总结

　　本文首先对移动通信系统中的干扰进行了定义与分类，然后对第三代移动通信系统中的干扰进行了简要的分析，最后对干扰的分析方法进行了归类总结。干扰对于移动通信网络的规划和优化具有重要的意义，本文中总结的干扰种类和分析方法对规划和优化具有指导意义。