第十五章 移动通信系统之间电磁兼容分析

1移动通信系统之间电磁兼容培训资料一、电磁兼容的定义根据GB/T4365-1995的定义电磁兼容为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不承受的电磁骚扰的能力”。毫无疑问，电磁兼容包括设备和系统两方面的内容。作为无线电管理工作者，在设备方面主要考虑设备是否满足相关的国家标准或行业标准，在系统方面主要考虑系统之间的干扰问题，使工作在同一电磁环境中的各种合法电台可以共存工作。本文主要讲述系统之间的电磁兼容的分析方法。二、系统间电磁兼容分析的步骤进行系统间的电磁兼容分析，主要有以下几个步骤：1.了解两种系统（或一种系统，包括施扰方或被干扰方）的工作原理，系统结构等；2.弄清楚系统的技术指标和设备参数，包括发射功率（包括邻道功率、各种杂散功率及频谱发射的MASK等）、天线增益、馈线损耗、接收机灵敏度等；3.确定系统设计标准。不同的覆盖区范围及服务等级将有不同的设计标准，根据这些设计标准来确定接收机的工作电平；4.根据C/I来确定允许干扰电平；5.建立数学模型进行实际计算。技术指标等可有相关标准查到，然后根据这些参数进行覆盖区的预测，下节将主要移动通信系统的设计及覆盖区的预测。三、移动通信系统设计概要移动通信系统设计除了要解决覆盖范围要求外，还要满足用户容量的要求，一般来说设计移动通信网无线覆盖区的工作比较复杂，其原因主要是：1、传播环境复杂，信号起伏大。移动通信主要用在城市市区及郊区，各种人为建筑物造成的多径传播差别很大，以至理论预测覆盖区比较困难。2、干扰现象严重。除人为噪声外，还有同频道干扰、邻频道干扰、互调干扰、近端对远端比干扰及其它无线电辐射干扰等。一个基站的覆盖区范围主要取决于下列因素：2·服务质量指标·发射机输出功率·接收机的可用灵敏度·天线的方向性及增益·天线高度·使用频带及传播环境（地形及人为环境）·分集接收的应用在用户密度很高的市区，由于频率资源的限制而广泛采用频率复用来满足要求，其结果使每个基站区受到来自使用同频道的其它基站区的干扰。此外，当现场有很多收发信机同时工作，其中一部分用户用相同频道，而其它用户用相邻频道进行通信时，也能形成干扰。另外，在进行覆盖区预测时，一条重要的原则是“实现上行线与下行线功率平衡”。上行线是指移动台发基站接收的链路，下行线是指基站发移动台接收的链路。由于基站的发射机输出功率大，移动台发射机输出功率小，所以必须采用其它措施来平衡它们之间的辐射功率差，才能完成双向通信。下面将重点介绍以下几个问题。（一）服务质量指标预测基站覆盖区时主要考虑两项服务质量指标，即：话音传输质量指标和覆盖区边缘（或区内）的无线可通率。1、话音质量传输指标衡量话音质量的传输指标有多种，主要有五级评分标准、音频带内信噪比、音频信号/噪声比和载干比等。五级评分标准ITU-R规定的话音质量主观评价通常分为5级，这个标准要求采用主观评定的办法来评定。优（5级，话音清晰，几乎无噪声和失真）良（4级，话音清楚，可感觉到有轻微噪声或失真）中（3级，话音可懂，可感觉到令人烦恼的噪声或失真）差（2级，话音可懂，有令人非常烦恼的噪声或严重失真）3劣（1级，话音几乎不可懂）音频带内信噪比以[（信号＋噪声＋失真）]/噪声表示，规定最低指标为29dB（标准测试音测试），它接近五级平分标准的4级话音。音频信号/噪声比（S/N）选择S/N＝20dB作为最低标准，这个指标相当于五级评分标准中的3级话音质量。载干比（C/I）对于调频系统，抑制同频干扰的C/I值为8dB（静态），在此基础上考虑快衰落及人为噪声影响后，在正常情况下可以取C/I＝18dB作为移动网设计指标，这时的话音自然度与清晰度都比较优良，几乎分辨不出是在与市话用户通话还是与移动用户通话。对于GSM系统，其C/I值为9dB。2、覆盖区边缘（或区内）的无线可通率由于在离基站一定距离上接收信号中值电平并非常数，而是随时间和位置变化，因此在覆盖区边缘（或区内）进行满意通话（指话音质量达到规定指标）的成功概率――位置概率和时间概率也应规定它们的取值标准。一般基站的覆盖半径都在50公里以内，接收信号中值电平随时间的变化远小于随位置的变化，也就是说由于时间的变化给通信概率带来的影响很小而可以不考虑时间概率。各国对无线可通率有不同的规定，有的国家采用覆盖区内无线可通率，有的国家采用覆盖区边缘可通率，虽然都规定无线可通率90％，但两种规定差别较大，由此预测出的覆盖区范围也不同。一般对市区蜂窝网基站，按车载台计算时取覆盖区边缘无线可通率为90％；对郊区蜂窝网基站，按车载台计算时取覆盖区边缘无线可通率为75％或覆盖区内无线可通率90％；对于农村、山区以及低密度用户的公路沿线的基站，按车载台计算时取覆盖区边缘无线可通率为50％。如果按手持机计算时，市区基站取覆盖区内无线可通率90％或覆盖区边缘无线可通率为75％。（二）、接收机可用灵敏度1、接收机灵敏度接收机可用灵敏度是指在无外界干扰、噪声的环境里,在接收机输4入端加上标准测试信号（调制频率为1KHz，调制度为30％或频偏为最大值的60％），并且标准测试信号源内阻与接收机输入电阻匹配，当改变输入的标准测试信号的电平，使接收机输出的音频功率不小于额定值的50％，其信纳比为12dB时所对应的输入信号，常用的单位为uV，或dBuV，也可用dBm表示。2、音频信噪比与信纳比的换算按照定义：音频信噪比为：（S＋N＋D）/N音频信纳比为：（S＋N＋D）/（N＋D）式中：S――信号N――噪声D――失真音频信噪比与音频信纳比的关系为：SNDNdB＝SNDNDdB＋10lg[1+DSDSNDN1]（1）式中：DSD＝DSD≈DS――失真系数，用功率比代入计算。以不同的失真系数代入（1）式，可以求得与29dB信噪比相当的信纳比，如下表所示。SNDNDb292929DS（％）2.55.010.0SNDND(dB)27.324.520.2移动电话网路技术体制中规定，音频谐波失真系数≤10％，因此音频信噪比29dB的指标相当于20.2dB信纳比，取20dB。实际上，800MHz频段的接收机其音频失真系数均≤2.5%，所以SNDN＝29dB相当于SNDND＝27dB。3、灵敏度与接收机输入端功率Pr的换算假设接收机的可用灵敏度为Sv（dBuV），输入阻抗为Rin，则由灵敏度换算成接收机输入端功率Pr的关系式为：5Pr＝Sv－10lgRin－96dBm（2）如果Rin＝50欧姆，快衰落及人为噪声恶化量为DN（取10dB），则在12dB信纳比（不加权）情况下接收机最低可用输入功率为：Pr＝-113＋Sv＋DNdBm（3）由于12dB信纳比（不加权）与20dB信纳比（加权）相当，而29dB信噪比与27dB信纳比相当，所以接收机可用功率（用Pr’表示）应比Pr提高7dB才能满足29dB信噪比指标，即Pr’=Pr＋7＝-106＋Sv＋DN（4）（三）、多径衰落多径效应是指实际到达收信天线的电波（除了来自发射天线的直射波外，还有因反射、绕射、折射和散射等经过不同路径的若干电波）被接收机接收所产生的影响的总称。在移动通信中由于移动台本身在“动”，多径影响将更严重，情况更复杂。统计分析表明，多径衰落的振幅服从瑞利（Rayleigh）分布，相位服从均匀分布。移动台的移动速度不同，对模拟FM系统和数字系统的影响也不一样。一般来说，低速移动时，其衰落对数子系统话音质量的影响要比模拟FM的大。相反，高速移动时，其衰落影响对模拟FM系统来说将更主要。例如：对于iDEN系统，在10％BER时，所需的静态C/(I+N)＝10dB（对改进的iDEN，9dB）。在瑞利衰落情况下，当4％BER时所需的C/(I+N)为19dB（对改进的iDEN，18dB）。当iDEN提供3：1的电话互连业务时，如果C/(I+N)为20dB，其话音质量将和模拟蜂窝系统的相类似。由于BER在噪声附近急剧下降，它不能象模拟FM系统那样可以工作在噪声附近，一般来说，为了获得相似的话音质量，iDEN将比模拟FM系统所需的信号高2dB。因此对于iDEN系统参考载干比C/(I+N)为20dB。（四）、传播模型-----Okumura/Hata公式Okumura/Hata模型是以准平滑地形的市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。Okumura/Hata模型市区的基本传输损耗模式为：Lb＝69.55＋26.16lgf－13.82loghb－α(hm)＋（44.9－6.55lghb）lgd（5）6Lb：市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）f：工作频率（MHz）hb：基站天线有效高度（m）hm：移动台天线有效高度（m）d：移动台与基站之间的距离（km）α(hm)：移动台天线高度因子对于大城市，移动台天线高度因子为8.29[lg(1.54hm)]2-1.1dBf≤200MHz（6）α(hm)＝3.2[lg(11.75hm)]2-4.97dB1500≥f≥400MHz当hm在1.5-4m之间，上面两式基本一致。对于中小城市（除大城市以外的其它所有城市）α(hm)＝（1.1lgf-0.7）hm－（1.56lgf－0.8）（7）对于郊区Lbs＝Lb（市区）－2[lg（f/28）]2-5.4dB（8）对于开阔地Lbq=Lb（市区）－4.78（lgf）2＋18.33lgf－40.94dB（9）（五）、上下行线的平衡我们以iDEN系统为例来说明上下行线的平衡，见下表1。由表中可以看出，由于基站的发射机输出功率大，移动台发射机输出功率小，为了上下行线平衡，基站输出的ERP要相应的减少，因此功放实际输出功率要比最大输出功率小，但为了计算方便，我们下文在覆盖区预测时仍取功放的最大输出功率计算。（六）、覆盖区的预测下面仍以数字集群系统（iDEN）和模拟集群系统为例来进行覆盖区的预测。1、iDEN系统和模拟集群系统的参数我们假设发射功率均为70W，发射天线增益均为10dB，覆盖区边缘的无线可通率为90％，其具体参数如表2。2、模拟系统的覆盖区从表2可以看出，模拟系统手机可用电平为－99dBm（4级话音质量），模拟基站的有效发射功率为51.05dBm，则路径损耗为：7Lb＝51.05－（－99）＝150.05dB根据公式（7），可得α(hm)＝3.2[lg(11.75hm)]2-4.97dB＝0dBLb＝69.55＋26.16lgf－13.82loghb－α(hm)＋（44.9－6.55lghb）lgd＝69.55＋75.95－25.50－0＋32.81lgd＝120.00＋32.81lgd因此对于市区来说，当满足无线覆盖区边缘90％的可通率，话音质量为4级时的覆盖区半径d1为：d1＝8.24公里（室外）表1数字集群（iDEN）系统的链路预算EBTS到0.5W手机0.5W手机到EBTS信号电平(dBm)信号电平(dBm)功放最大输出70W48.5dBm0.5w27.0dBm混合器损耗(注1)-6.5dB42.0dBm0.0dB27.0dBm馈线损耗(注2)-2.7dB39.3dBm0.0dB27.0dBm发射天线增益10dBd49.3dBm-7.6dBd19.4dBm发射ERP49.3dBm19.4dBm接收灵敏度(注3)-101dBm-101dBm-104.5dBm-104.5dBm分集接收改善0.0dBm-101dBm4.7dB-109.2dBm接收天线增益-7.6dBd-93.4dBm10dBd-119.2dBm馈线损耗(注2)0.0dB-93.4dBm2.7dB-116.5dBm有效接收机灵敏度-93.4dBm-116.5dBm最大路径损耗142.7dB135.9dB路径不平衡6.8dB调整EBTS的ERP42.5dBm18W功放实际输出41.7dBm15W覆盖区边缘的阈值-93dBm系统余量（注4）6dB满足可通率时覆盖区边缘阈值*-87dBm车内损耗13dB满足可通率时覆盖区边缘车内阈值*-82dBm建筑物损耗15dB覆盖区边缘建筑物内阈