LTE系统邻频合路隔离度研究

潘桂新+黄晓明+李卫

【摘 要】隔离度为合路器的关键指标，控制驻波、杂散及阻塞干扰的要求共同决定了系统合路的隔离度指标。结合LTE系统邻频的特点，详细研究并确定了LTE邻频系统合路对隔离度的要求，并通过实验验证了该指标满足3GPP要求，隔离度要求的降低减少了合路需要的隔离带宽，节省了宝贵的频谱资源。

【关键词】邻频系统 合路 隔离度 杂散 阻塞干扰

1 引言

中国联通与中国电信竞合逐步展开，双方1.8 GHz频段LTE FDD室内分布系统的共建共享成为主要内容。不同LTE系统间合路时为避免合路系统间的相互干扰，系统间必须满足一定的隔离度。通信系统中通过空间隔离或频率隔离方式来实现指标要求的隔离度为当前最常见的两种技术方案。由于共用一套室内分布系统，不存在空间隔离的可能，则频率隔离成为唯一的解决方案。室分合路的技术标准一般要求合路器系统间达到80 dB以上的隔离度，则需要5 MHz以上的频率隔离。而在1.8 GHz频段，中国联通和中国电信LTE FDD上行/下行频率（中国联通上行/下行：1745 MHz—1765 MHz/1840 MHz—1860 MHz，中国电信上行/下行：1765 MHz—1785 MHz/1860 MHz—1880 MHz）是相邻的（简称“邻频系统”），不存在频率间隔，5 MHz的频率隔离对宝贵的频谱资源形成了巨大的浪费，所以以上两个系统合路时，隔离度指标成为合路的一个关键技术指标。本文主要针对中国联通和中国电信1.8 GHz LTE FDD室分系统邻频合路的特殊场景，利用合路的LTE系统间邻频的特点，研究并分析出合适的隔离度指标，以减少对隔离带宽的要求，实现节省宝贵频谱资源的目的。

2 LTE共址系统隔离度要求分析

3GPP将基站共站共址分为共存（Co-existence）和共址（Co-location）两种场景[1]，邻频多网合路共用一套室内分布属于一种特殊的“共存”场景。为保证各基站系统独立运行，避免相互干扰，3GPP对“共址”和“共存”基站提出了基站间隔离要求，下面分别分析共存的LTE系统为避免杂散和阻塞干扰对系统间隔离度的要求。

2.1 杂散干扰对隔离度的要求

杂散干扰是指基站发射机在其它频段产生的杂散信号，对工作在该频段的其它移动通信系统信号的接收形成的干扰，会导致接收信号质量恶化，接收机灵敏度下降，信息发生误差或丢失，甚至阻断通信，两系统合路时一个通道系统的杂散信号串入另一个通道即形成杂散干扰。

灵敏度是衡量基站接收机接收微弱有效信号能力的指标，是接收机在一定的解码误码率下，对应的最小接收有用信号强度（Sm，单位为dBm）。灵敏度指标与信噪比（SNR，单位为dB）、噪声系数（F）、增益（G，单位为dB）等电路参数和自然噪声（N0）、外部干扰（Ir，单位为dBm）等接收机放大电路基本指标参数公式关系推导如下：

信噪比：SNR=S-N （1）

增益：G=Sout-Sin或 （2）

噪声系数：

（3）

将公式（2）带入公式（3）即可得：

（4）

其中，SNR为信噪比，S为有效信号（单位为dBm），N为噪声（单位为dBm），其对应的线性值分别为“snr”、“s”和“n”；“in”和“out”分別表示输入和输出。

接收机放大电路基本原理如图1所示，信号Sin和底噪Nin输入，经放大器放大后，获得增益G，信号和底噪输出分别为G+Sin和G+Nin。

在没有外界干扰的情况下，接收机输入底噪为自然热噪声n0时，根据公式（1），可以得到系统灵敏度（即放大器最小输入信号强度Sm）与输出信噪比SNRm（单位为dBm）之间的关系，满足如下公式：

SNRm=Sm_out-Nm_out （5）

按照公式（2）和公式（4）分别可得到如下公式（6）和公式（7）：

Sm_out=Sm+G （6）

Nm_out=10lg（F×g×n0） （7）

将公式（6）和（7）代入公式（5）得：

SNRm=Sm+G-10lg（F×g×n0） （8）

在存在干扰ir的情况下，接收机输出总的噪声为10lg[（F×g×n0）+g×ir]，则依据公式（8），此时系统灵敏度（即放大器最小输入信号强度S'm）与输出信噪比SNRm之间的关系满足如下公式：

SNRm=S'm+G-10lg[（F×g×n0）+g×ir] （9）

公式（8）减公式（9）可得：

（10）

根据3GPP[1]相关文档要求，当LTE系统共存时，杂散干扰对被干扰系统灵敏度降低的影响不能超过0.8 dB，即≤0.8 dB，将此要求代入公式（10），并进行变换可得到公式（11）：

Ir≤N0+NF-7 （11）

一般系统噪声系数NF取为5 dB，自然热噪声N0为-124 dBm/100 kHz，代入公式（11）可以得出，为满足杂散干扰对共存LTE系统的灵敏度降低不超过0.8 dB的要求，杂散干扰信号经过合路器通道间隔离度大小的衰减到达被干扰LTE系统的杂散干扰不能超过-126 dBm/ 100 kHz。根据3GPP协议[1]的规定，LTE系统共存时杂散干扰不超过-96 dBm/100 kHz，由此可以推导出LTE系统共存时，为防止杂散干扰所需的系统间隔离度（Isolation_SEM）要求，如下：

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

100kHz））=30（dB） （12）

2.2 阻塞干扰对隔离度的要求

阻塞干扰是指基站接收机接收移动终端微弱的上行有用信号时，受到带外强干扰信号影响，会引起接收机放大器工作偏离线性区，进入非线性失真甚至饱和区，产生非线性失真甚至阻塞。

3GPP协议[1]对LTE系统接收机抗阻塞的要求为：当干扰信号不高于16 dBm时，系统仍可以正常工作。假定LTE主设备的典型发射功率为46 dBm，可以推导出要使干扰系统发射的信号到达被干扰LTE系统接收机时功率不超过16 dBm，从而不阻塞接收机所需要的隔离度（Isolation_blocking）为：

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

（13）

综合以上公式（12）和（13）可以得出，LTE系统共址合路时，从控制杂散和阻塞干扰指标要求来看，合路的系统间要求有30 dB以上的隔离度，这也是3GPP隔离度要求的来历。

3 LTE系统邻频合路隔离度要求分析

现有技术标准和规范中的“共存”和“共址”都是针对室外宏站独立天馈的建设模式而言，并没有特别考虑到室内分布系统多网共用室内天馈系统这一更为特殊的基站共存形式。合路的系统间不仅基站共址，而且所有信号通过合路器共用室内分布天馈，实现一套天馈共同覆盖。基站“共址”，覆盖“共存”。共址基站没有物理空间分隔，系统间避免干扰需要的隔离度无法像室外基站那样通过空间隔离实现，而只能通过合路器端口间的隔离来实现，从而避免相互间的干扰。

中国联通和中国电信1.8 GHz LTE FDD室分合路不仅具备上面提到的室分合路这一特殊的基站“共存”特点，同时，由于中国联通和中国电信的LTE系统的频段是邻频分配的，所以两者间的“共存”还具备很多其它特征，对两者合路需要的隔离度也产生了独特的影响，下面进行详细的分析。

合路共址基站两个独立系统间相互干扰的通道可能有4个，如图2所示。①干扰基站发射对被干扰基站发射的影响（BS Tx2→BS Tx1）；②干扰基站发射对被干扰基站接收的干扰（BS Tx2→BS Rx1）；③干扰终端发射对被干扰基站接收的干扰（MS Tx2→BS Rx1）；④干扰终端发射对被干扰基站发射的影响（MS Tx2→BS Tx1）。

（1）干扰基站发射对被干扰基站发射的影响

合路BS（Base Station，基站）高功率发射信号可能通过合路通道间耦合，相互反串进入对方基站下行通道，对对方发射系统造成影响。如果合路BS发射信号在不同频段，下行通道发射滤波器会将反串信号阻隔，无法继续进入。但是，合路的中国联通和中国电信LTE系统邻频，BS发射信号属于同一频段，反串信号在对方发射滤波器通带内，从而可顺利通过滤波器到达发射功放模块的输出端。逆向进入的信号直接进入功放电路，可能会导致电路饱和或阻塞。不过，基站发射机为了防止自身射频输出阻抗不匹配时大功率射频发射造成发射机烧毁，在输出前端均设有环形器和吸收负载，将逆向传输的信号功率衰减后导向吸收负载，以保护功放模块，并设有驻波告警，对反射功率过高发起提醒，告警门限一般设置在驻波系数1.5（相当于4%的反射功率，反射回波损耗14 dB）。

一般来说，基站RRU系统的环路器对逆向信号一般有20 dB以上的隔离，从而能有效保护发射机功放电路不被阻塞，但长期驻波告警或发射功率过强，可能会触发BS自保护机制，将发射机自动关闭。即使不会触发驻波告警，但长期存在较强反串信号会使吸收负载发热严重，对RRU的电路产生不良影响。

因此，邻频LTE系统共址合路为避免通过通道①的反串功率引起驻波告警，需要在反串功率在经过合路器时进行一定衰减，即合路器的隔离度要不小于驻波告警门限1.5（其对应的回波损耗为14 dB）。考虑到一定的工程裕量（取6 dB），可得到为防止驻波告警需要的合路器通道间隔离度（Isolation_VSWR），如下：

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

（2）干擾基站发射对被干扰基站接收的干扰

BS发射的下行信号中包含的被干扰系统接收频段的杂散信号可能通过通道②耦合进入合路的对端BS接收通道，对其接收系统形成阻塞和杂散干扰。为避免以上干扰，系统间的隔离度要求一般与普通“共存”场景下的要求一致。但是，由于中国联通与中国电信LTE位于相邻频段且同频段，BS为保证其本身接收机的正常工作和灵敏度指标，发射通道及其滤波器必须严格控制其发射信号中包含的本身接收机频段的杂散辐射，使其远低于3GPP要求的-96 dBm/100 kHz（经测试一般可达到-120 dBm/100 kHz以上）。所以，在邻频合路这一特殊“共存”场景下，根据公式（12）可得抑制杂散干扰影响需要的隔离度要求，可放宽如下：

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

100kHz））=6（dB） （15）

同理，LTE接收机直接面临本身发射频段强信号的阻塞，对其发射频段强信号的抗阻塞干扰能力要求须超过3GPP对一般频段抗阻塞能力要求，故自然也能承受与其发射机信号位于同一频段的干扰系统强信号的阻塞干扰，所以对合路器通道间的隔离度没有额外的要求，即邻频合路抗阻塞干扰（Isolation_blocking）的隔离度要求可放宽为0 dB。

综上分析，利用LTE系统邻频合路的特点，突破了3GPP对系统“共存”的隔离度要求，可将LTE系统邻频合路这一系统“共存”的特殊场景的隔离度要求大大降低至6 dB。

（3）干扰终端发射对被干扰基站的干扰

对于被干扰系统接收机通过上行接收通道③受到其它系统终端的上行信号的干扰，3GPP标准[1]对基站接收机的ACS（Adjacent Channel Selection，邻道选择）能力有指标要求，具体如表1所示，有用信号和干扰信号功率差远超过现网场景下邻频共存的两个不同LTE系统终端信号到达基站接收机时的功率差（LTE系统上行功率控制一般使到达基站接收机功率基本稳定），因此，通道③的干扰可不考虑。

对于通道④产生的干扰，一般终端的发射功率为几十到几百毫瓦，与RRU几瓦到几十瓦的发射功率相比，相差1000倍，再加上空间链路损耗，通道④产生的干扰可以忽略不计。因此，通道④干扰也可忽略。

综上所述，合路共址BS干扰主要考虑通道①和②。通过前面的分析，可以得出在邻频合路的场景下，为避免合路系统间的相互干扰，合路器通道间的隔离度要求计算如下：

隔离度≥max{Isolation_VSWR， Isolation_SEM， Isolation_Blocking}=20（dB） （16）

4 实验验证

按照上文研究得出的隔离度指标，研发出中国联通和中国电信1.8 GHz LTE FDD邻频合路器样品，实现了无隔离邻频合路。按照图3的组网拓扑，将中国联通和中国电信1.8 GHz LTE FDD RRU使用邻频合路器进行合路，结合相关仪器设备搭建实验环境。主要验证以上隔离度指标在合路时，各LTE系统与隔离度相关的关键射频指标和业务指标是否受到影响。实验室测试场景图如图3所示：

对国内5家主要无线设备供应商（中兴、华为、诺基亚、爱立信、上海贝尔）LTE设备在邻频合路器合路场景下系统性能指标进行实验，以中兴设备的测试结果为例（其它各家设备测试结果与中兴基本一致），其结果如表2所示。

通过以上实验可得出如下结论：

1）邻频合路方式下，关键射频指标均优于3GPP/中国联通工程标准的要求；

2）邻频合路器的隔离度指标设计合理，合路后系统性能基本不受影响。

确定了邻频合路器的隔离度指标后，结合普通合路器的通带插损指标要求（一般要求≤1 dB），利用合路器仿真设计软件得出结论：一般情况下，要实现20 dB的隔离度，两个系统合路所需的隔离带宽最小为1.75 MHz。如此，中国联通和中国电信1.8 GHz LTE FDD系统邻频合路所需隔离带宽相比原来所需的5 MHz减少了65%，节省了宝贵的频谱资源。

5 结束语

对基于3GPP等标准的LTE基站“共存”下隔离度指标进行研究，并结合邻频合路的特点，使邻频合路器的隔离度要求得到降低，创新性地突破了3GPP的相关要求，实现了中国联通和中国电信1.8 GHz LTE FDD系统的邻频合路，并节省了宝贵的频谱资源。通过实验验证得出，该隔离度指标对系统性能基本没有影响，目前根据该关键指标生产的邻频合路器已经在中国联通和中国电信的室分系统中进行了试用，并取得了良好的效果，所以后期建议可将其广泛商用并在全国推广。

参考文献：

[1] 3GPP TS 36.104. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） radio transmission and receptionV9.1.0[S]. 2011.

[2] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical Channels and Modulation V9.1.0[S]. 2011.

[3] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE–The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice[M]. WILEY， 2009.

[4] 沈嘉，索士強，全海洋，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[5] 甘本祓，吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M]. 北京： 科学出版社， 1976.

[6] 万迪智. 移动通信室内多系统合路方案设计[D]. 南京： 南京邮电大学， 2011.

[7] 蔡亭亭. LTE/LTE-A系统中的邻频干扰研究与仿真[D]. 北京： 北京邮电大学， 2013.

[8] 潘峮，李男，王大鹏，等. F频段TD-LTE与其他系统间共存干扰分析[A]. 全国无线及移动通信学术大会[C]. 2012.

[9] 李俊，黄伟锋，林青群，等. LTE FDD与其它通信系统的隔离度分析[J]. 中国新通信， 2014（4）： 19-20.