CDMA下行信号对EGSM上行信号的同频干扰研究

雷方元,雷 刚

(1.广东技术师范学院电子与信息学院 广州510665；2.中兴通讯第一营销事业部巴基斯坦代表处 深圳518057)

1 引言

随着用户对无线通信的依赖加强，运营商的网络规模正变得越来越大，同时，用户对网络服务质量的要求也越来越高。网络的外部干扰是影响无线网络服务质量的重要因素。特别是在国家之间的边境地区，不同类型的运营商采用各自的无线频段提供服务，不同国家的运营商有可能采用相同的频段来提供不同类型的网络服务。因此，外部干扰问题尤为突出，存在网络内部、网络之间以及同频段之间、异频段之间相互混杂等情况。

在B国的Z运营商的EGSM网络受到Y国CDMA运营商的同频干扰，严重影响网络用户感受和网络的KPI指标。本文将从后台KPI指标统计分析和实际测试方面来分析定位干扰源，并将从传播理论上对干扰源的影响范围进行分析。最后，在理论和实际相结合的基础上提出相关具体的解决方案。

2 EGSM网络外部干扰源定位

2.1 问题来源

在B国的Z运营商的EGSM网络中，用户通话的感知较差，在通话过程中出现杂音，严重时根本听不清楚对方的语音。在和Y国接壤的边境地区，这种现象尤为明显。在CQT测试分析和后台KPI数据统计分析中，均发现存在严重的外部干扰，且晚上的干扰强度明显比白天的干扰强度大。在CQT测试中，在同一基站下通话，接通率和掉话率都是正常的，但是晚上的通话质量感知明显要比白天差许多。因此，对于干扰源的准确定位将有助于提出解决方案以有效地解决运营商Z的网络外部干扰。

与Y国的CDMA频段资源信息相比较，发现Y国的运营商R和运营商T的CDMA下行频段与Z运营商的EGSM上行频段大部分重叠。具体的频段信息资源如图1所示。Z运营商的下行频段为882.5～890.10 MHz，其中频段882.5～884.20 MHz与Y国的R运营商的CDMA频段的上行频率重叠；884.60～888.40 MHz的下行频率与Y国的T运营商的上行CDMA频率重叠。因此，怀疑Z运营商的强干扰来源于CDMA。Z运营商要求明确定位干扰源的影响范围、影响程度，并给出解决方案。

2.2 外部干扰统计

2.2.1 后台话务数据统计

从后台话务统计SHW区域9月12日-14日连续3天的72 h的干扰数据和相关的网络KPI。干扰与KPI指标关系如图2所示。

图1 运营商Z的上行频段与R和T下行频段信息

图2 外部干扰与KPI关系

从图2可以得出如下结论。

·干扰发生的时间段：强干扰主要发生在晚上18:00以后到第二天上午10:00以前的时段，特别是凌晨0:00以后。强大的干扰对TCH掉话率影响较大，在干扰越强时，TCH掉话率就越高，TCH&SDCCH拥塞率以及SDCCH掉话率相对比较平稳。

·干扰强度与话务量关系走势分析：根据图表数据所示，干扰强度与话务量高低没有关系，即该干扰属于外部强干扰。

·干扰强度切换成功率关系走势分析：切换成功率与受到干扰的强度成反比关系，即当干扰强度越大时，切换成功率就越低，反之，则切换成功率越高。

·干扰强度与呼叫建立成功率走势关系分析：呼叫建立成功率虽然在个别时段略有波动，但是起伏不大，受到的影响不是很明显。

综上所述：该强干扰与话务量高低没有关系，属于外部强干扰，并且该干扰对TCH掉话率、切换成功率、呼叫建立成功率等影响较大。

2.2.2 外部干扰带统计

提取了2009年8月22日午忙时（13:00-14:00）和8月27日晚忙时（00:00-01:00）全网所有小区的干扰带数据，并按照小区收到干扰的强弱在地图上进行了分布渲染，得到如图3和图4所示干扰分布渲染。图中渲染是根据4～5级干扰带受到外部干扰比例进行着色的，其中颜色最深处表示干扰的比例超过66.1%。

图3 午忙时干扰分布渲染

图4 晚忙时干扰分布渲染

从图3和图4对比可以得出，晚上干扰带4～5级的比例超过30%的区域远大于白天忙时的区域，从而也进一步证明了话统数据分析得出的结论。

通过网络外部干扰统计可以看出干扰的总体特点如下：

·干扰主要为外部干扰，晚上干扰要明显大于白天；

·靠近东部边境地区干扰严重，在远离边境的西部地区干扰较少（东部区干扰明显强于西部区）；

·CDMA干扰的范围白天在边境内50～100 km，夜晚可以达到200 km以上。

如此大面积、大强度的外部干扰远远超出通常的传播模型的适用范围。因此，需要进一步地从实际测试中来对干扰源进行定位。

2.3 外部干扰测试

2.3.1 外部干扰的频谱测试

为了验证Y国的CDMA干扰(CDMA一个频点带宽为1.25 MHz，3个频点的干扰信号可以达到3.8 MHz宽频干扰）影响到底能传播到多远，采用扫频仪直接连接到天馈的方法。站点选取从东部边境以50 km为粒度，每个间隔点选取了1～3个有代表性站点进行了测试，一直测试到了300 km处。对测试站点，天线方向每隔45°进行测试取样，同一站点24 h不间断测试。

通过对比发现同一位置区域的站点白天和夜间的干扰信号，发现夜间的干扰信号强度远远高于白天，波动普遍超过15 dB，甚至达到30 dB。典型的测试结果如图5和图6所示。

从大量的测试数据可以得出CDMA外部干扰的一些特性。

图5 离边境50 km站点白天和夜间的测试对比

图6 距离边界50～150 km站点夜间扫频测试对比

·具有时段性，晚上干扰要明显强于白天，特别是在150 km以外，大部分基站白天观察到的干扰相对很小或者没有。

·具有方向性，一般在45°～135°方向具有较为明显的干扰波形。

·强度方面具有地域性，在200 km外，最强方向的最强值下降到-100 dBm左右。

·CDMA干扰信号在夜晚是可以干扰到距离边界200 km范围的区域。

2.3.2 CDMA手机测试

为了进一步确定外包CDMA干扰来源，从Y国带过来R和T运营商的UIM。选择的测试点边境均无明显的建筑或者树木的遮挡的地方，使用CDMA手机测试的结果如下。

·晚上在距离边境25 km的城市的4楼楼顶（距地面约为15 m），可以收到运营商R和T的CDMA信号，手机的信号强度可以达到4至5格。

·晚上接收到的CDMA信号强度明显较白天强。

2.4 外部干扰源确定

通过大量的测试和后台KPI统计分析表明，Z运营商的外部干扰源为Y国的CDMA网络的上行信号，该信号同频干扰Z的EGSM频率的下行信号。

·主要干扰为Y国CDMA信号（R和T运营商）干扰。原因是Y国的CDMA下行频段与Z运营商的EGSM上行频段重合，造成干扰强度较大，干扰范围较大；

·CDMA干扰在白天可以影响到境内100 km范围的站点，夜间则可以影响到境内200 km内站点。实测表明CDMA信号夜间比白天增强可多达20 dB以上。

3 CDMA干扰理论

由于CDMA信号在夜间干扰的范围过大，超过传统传播理论计算经验值。传播模型的选择需要参考网络覆盖的具体地理环境，传播模型的基础是自由传播模型。常用的传播模型，如Okumura-Hata经验模型，是经过不同阶段的修正和完善而获得的，包括Okumura-Hata城市模型、Okumura-Hata郊区模型、Okumura-Hata农村模型等。COST-231 Hata模型是Okumura-Hata模型的扩展模型，适用于在城市中基站密集的地域和城市密集区域的微小区。COST 231-Walfish-Ikegami模型是在Walfish和Ikegami模型的基础上的修正，用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。

CDMA下行信号对EGSM上行信号造成的同频干扰，是CDMA下行的无用信号的载频与EGSM上行的有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。为了保证手机用户的通话质量，在理论上，要求C/I同频干扰保护比C/I≥9 dB，实际工程中要求C/I>12 dB；如果C/I不能满足上述要求否则将直接影响到手机的通话质量，会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。

本节主要通过不同的传播模型理论计算，评估CDMA信号是否可能干扰到250 km以外的EGSM站点。同时，针对CDMA白天和夜间干扰范围差别较大这一问题进行分析，讨论CDMA呼吸效应引起的前向功率的起伏是否会导致干扰范围出现如此大的变化。

3.1 理论计算的背景

3.1.1 无线环境

B国和Y国接壤的区域地形属于冲击平原，而CDMA下行天线和EGSM上行天线挂高都比较高，多在30～60 m。中间几乎没有任何阻挡，形成空对空的传播途径。具体模型如下。

（1）发射方：CDMA下行信号

下行使用频段为882～888 MHz，下行灵敏度最大为-43 dBm。

天线挂高30～50 m，天线增益17 dBi，下倾角0°～2°。

（2）接收方：EGSM上行信号

上行使用频段为882～890 MHz，上行灵敏度为－112 dBm。

天线挂高30～50 m，天线增益16 dBi，下倾角0°～2°。

3.1.2 CDMA的呼吸效应

CDMA呼吸效应的含义为：在一个小区内，其他手机对于某一个手机来说，它们发射的信号都是干扰。如果用户数越多，干扰越大，此时这个手机就会增大发送功率（功率控制实现）以达到反向的解调门限，而对于前向而言，基站为了防止更多的用户接入系统，造成当前的手机无法解调，也会减小发生功率（也是功率控制实现），此时小区的覆盖面积就会减小。所以，CDMA的系统就会出现业务量增大时，小区面积减小的情况。

CDMA的前向功率控制：通过基站周期性地降低发射到移动台的发射功率、移动台测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加1%，每15～20 ms进行一次调整。下行链路低速控制调整的动态范围是±6 dB。

通常CDMA载波功率的最大值为20 W，即43 dBm，而下行链路功率控制的范围为±6 dB，故考虑出现呼吸效应时前向的功率最小可能为：43－12＝31 dBm。

3.2 不同传播模型覆盖距离计算

由于实际应用中没有200 km左右适用的传播模型，根据现场的实际环境，采用以下两个模型进行计算。

3.2.1 空间自由传播模型

模型公式为：

其中，PL为自由空间的路损(path loss)，单位是dB，与载波的频率和接收点与发射点的距离有关；f为载波的频率，单位是MHz；d为发射源与接收点的距离，单位是km；Gt（dBi）、Gr（dBi）表示接收端和发射端的天线增益；L（dB）为系统损耗因子。

3.2.2 Hata农村传播模型

Hala农村传播模型公式为：

其中，f为载波的频率，单位是MHz；d为发射源与接收点的距离，单位是km；hb、hm是指发射天线和接收MS的高度，单位为m(注：由于Hata模型的使用范围上限在35 km左右，而现场远远超出标称距离，未能反映地球曲面、绕射损耗影响）。

根据空间自由传播模型和Hata农村模型计算的结果见表2。从表2可以分析得出，如果用自由空间损耗模型（损耗因子L为0），距离250 km，计算得到的接收端接收功率偏大，达-80～-90 dBm(尚未考虑接收侧天线增益)，肯定会造成严重干扰。

如果采用Hata农村模型计算，CDMA信号满功率发射情况下，250 km处EGSM天线接收到的干扰强度在－93 dBm左右，仍有比较明显的干扰。出现呼吸效应时，前向功率下降后，250 km处EGSM天线接收到的干扰强度下降到－105dBm左右，此时的干扰已经相对较弱。

使用空间自由传播模型计算出250 km外EGSM接收到的干扰明显大于实际测试值。而使用Hata农村模型计算出250 km外的干扰则与实际测试结果相对接近。实际现场225～250 km测试夜间最大干扰为-110～-100 dBm，与理论计算的最大干扰（－93 dBm）相差10～15 dBm。

考虑到这个Hata农村模型没有考虑绕射损耗等因素，计算出来的路损应该是偏小的。实际情况下，干扰程度应该是比理论计算要小。所以使用Hata农村模型计算的结果相对是比较贴近实际情况，具有较高的参考意义。

表2 不同传播模型计算的干扰强度

3.3 早晚干扰差异

CDMA干扰理论计算关注的另外一个现象是中区白天和夜间收到CDMA干扰的强度和范围差别很大。通过现场测试白天CDMA波形干扰最多只能达到边境内100 km的站点，而夜间境内225～250 km的站点则都可能收到干扰。

通过CDMA相关的资料得知，CDMA前向功率控制的范围通常是±6 dB（不同厂商可能有所不同）。因此CDMA前向功率变化最大的范围为12 dB。根据Hata农村模型的计算，100 km处，CDMA使用最小功率发射时，EGSM天线接收到的上行强度为-91 dBm左右，与250 km处，CDMA使用最大功率发射时EGSM接收到的电平相似（－93 dBm）。

由于该模型并未考虑绕射损耗，假设绕射损耗L为10～15 dB（CDMA地面对天空模型中的绕射损耗为9 dB，地表绕射损耗应该会更大），则在100 km处，CDMA最小功率发射的情况下，外部干扰可能已经下降到比较低的水平（-100～-110 dBm），与现场测试的实际数据基本相符合。

另外，Y国的CDMA基站前向功率控制范围前文仅按照通常的规范推算的。通过对比在两国边境30～50 km基站白天和夜晚测试到的干扰强度的对比，发现实际白天和夜晚干扰信号的强度变化远远超过12 dB，达到20～25 dB（两者信号的波形对比基本一致，可以认定是同一个干扰源）。

由此推算可能Y国的CDMA基站前向功率的波动范围较大，可能达到20 dB，从侧面也可以说明白天和夜间干扰范围差别很大的原因。

3.4 CDMA干扰理论分析结论

通过使用不同传播模型对CDMA干扰覆盖范围进行了计算，通过与实际测试数据进行对比，发现使用Hata农村模型计算得到的CDMA干扰强度与实际测试的比较相符。通过Hata模型计算并结合实际测试结果可以得出CDMA干扰有如下特点。

·CDMA基站满功率发射时，最远可以干扰到250 km外的EGSM基站。

·CDMA基站前向功控范围为12 dB时，CDMA最小功率发射，最远可以干扰到100 km外EGSM基站。

·通过测试对比边境EGSM站点白天和夜晚接收到的CDMA干扰信号强度，发现CDMA信号强度变化远远超过12 dB，甚至超过20 dB。

4 外部干扰解决方案及实施效果

根据前文的分析，给出解决Z运营商的EGSM网络的外部CDMA干扰的方案如下。

（1）调整Y国的R和T运营商的CDMA基站的工程参数，如站点的天线挂高、下倾角、方向角和前向功率参数。这样可以彻底将CDMA干扰控制在较小的范围内。

（2）使用较干净的频点1 017～1 023 MHz就行频率规划。CDMA干扰主要影响到1小区，对2、3小区影响相对较小。

（3）降低天线高度可以减小CDMA干扰的强度。对受到CDMA干扰严重的站点降低天线挂高，修改天线方位角，以减轻其受到的干扰。

（4）若前述方法都无法良好解决网络CDMA外部干扰问题，则应该尽量使用1 800 MHz频段进行覆盖，减少EGSM频段使用的范围。

针对上述的解决方案（1），在和Y国的运营商R和T协调后，对方基本上没有任何行动最后无疾而终。在2009年之后，由于网络负荷不高，运营商Z采用了方案（4）的办法，在靠近边境区域的重干扰城市中全部关停EGSM基站，使用1 800 MHz频段进行覆盖。关停EGSM基站之后，网络的质量和用户的感受显著提升。

从2011年下半年开始，运营商Z的网络负荷激增，扩容之后的1 800 MHz网络已经不能满足要求。因此，在方案（2）和（3）的基础上，使用EGSM频段，降低天线高度和使用背离边境方向的小区来解决大城市的热点区域的容量问题，该方案实施后取得了良好的效果。图7是2013年3月29日-4月3日晚忙时外部干扰渲染效果，图中的严重外部干扰区域已经大幅减少。因此，进一步验证了方案的有效性。

图7 2013年3月29日-4月3日晚忙时的干扰渲染

5 结束语

本文针对于B国Z运营商和Y国CDMA运营商之间的同频段网络外部干扰，给出了详细的外部干扰源分析与定位的过程。这种外部干扰源的影响范围超过了常用的传播模型的适用范围，也不同于一般意义上的网络异频段间的外部干扰。本文在理论上采用了自由传播模型和Hata农村模型来与实际的结果进行对比分析，并分析了理论模型和实际结果之间差异的原因来源于CDMA的呼吸效应，这一应用案例扩展了Hata农场模型的适用范围。在实际测试分析和理论分析的基础上，给出了解决外部干扰的方案，并在Z运营商的网络中推广使用过程中进一步证明了方案的有效可靠。

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