移动通信抗干扰技术.docx
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移动通信抗干扰技术.docx
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移动通信抗干扰技术
摘要
通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志,在现代通信中遇到的一个重要问题就是干扰问题。
随着通信事业的发展,各类通信网络的建立,使得有限的频率资源更为拥挤,相互之间的干扰给为严重。
如何在恶劣环境条件下保证通信的有效、准确、迅速地进行时摆在当今通信科研人员面前的一个难题。
由于移动通信系统必须采用无线传输技术才能实现在移动中的信息交换,无线传输极易受到各种其他无线电波的干扰,干扰的大量存在会极大的影响网络通信的质量和系统的容量。
抗干扰技术具有对抗性强,技术综合性强,难度高,实用性和可靠性高等特点,在当今电磁环境越来越恶劣的情况下,抗干扰技术尤为引人注目。
将其用于通信系统中,可以大大提高通信系统的有效性和可靠性。
如今抗干扰技术已成为无线电通信的主流技术,它和通信领域联系最为密切。
文章中主要阐述的是移动通信抗干扰技术中关于GSM系统的干扰问题,包括GSM中的干扰种类、GSM自身具有的抗干扰能力和如何优化网络来达到抗干扰目的,从而在为适应用户要求提高系统容量的同时也能保持良好的通话质量。
关键词:
GSM抗干扰网络优化系统容量通话质量
Abstract
Communicationsmodernizationofhumansocietyintotheinformationage,animportantsymbolinmoderncommunicationsisanimportantproblemencounteredinterference.Withthedevelopmentofcommunications,theestablishmentofvarioustypesofcommunicationsnetworks,makingthelimitedfrequencyresourcesmorecrowded,theinterferencetoeachotherasserious.Howtoharshenvironmentalconditionstoensureeffectivecommunication,accurateandrapidmannerwhenplacedinfrontoftoday'sresearchersacommunicationproblem
Becausethemobilecommunicationssystemmustbeachievedbywirelesstransmissiontechnologyintheexchangeofinformationinthemobile,wirelesstransmissionvulnerabletoavarietyofotherradiowaveinterference,therearealotofinterferencewillgreatlyaffectthequalityofnetworktrafficandsystemcapacity.Stronganti-jammingtechnologyhasconfrontational,technologyintegratedandstrong,difficult,practicalandhighreliabilityintoday'sincreasinglyharshelectromagneticenvironmentisparticularlystrikingcase.Beusedincommunicationssystems,communicationssystemscangreatlyenhancetheeffectivenessandreliability.Today,radiocommunicationsjammingtechnologyhasbecomeamainstreamtechnology,itismostcloselyconnected,andcommunications.ThearticlemainlydiscussesthetechnologyofthemobilecommunicationsjamminginterferenceonGSMsystems,includingthetypesofinterferenceinGSM,GSMhasitsownanti-interferenceabilityandhowtooptimizethenetworktoachieveanti-jammingpurposes,inordertomeetuserrequirementsinordertoimprovesystemcapacitywhilealsomaintaininggoodcallquality.
Keywords:
GSM;anti-interference;network-Optimizations;systemcapacity;callquality
结束语30
1引言
移动通信系统出现在半个世纪以前,80年代以后得到了迅速发展。
数字程控交换技术的采用,综合业务数字网(INTEGRATEDSERVICESDIGITALNETWORK)的开发成功,智能网研究的新进展,为实现个人通信打下坚实的基础。
特别是随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现,移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、最灵活方便的的通信技术之一。
1.1移动通信的发展和背景
现移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。
1897年,M.G.马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的,距离为18海里。
现代移动通信技术的发展始于本世纪20年代,大致经历了五个发展阶段。
第一阶段从本世纪20年代至40年代,为早期发展阶段。
在这期间,首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统,其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。
该系统工作频率为2MHz,到40年代提高到30~40MHz可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段,特点是专用系统开发,工作频率较低。
第二阶段从40年代中期至60年代初期。
在此期间内,公用移动通信业务开始问世。
1946年,根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划,贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网,称为“城市系统”。
当时使用三个频道,间隔为120kHz,通信方式为单工,随后,西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年)等国相继研制了公用移动电话系统。
美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。
这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡,接续方式为人工,网的容量较小。
第三阶段从60年代中期至70年代中期。
在此期间,美国推出了改进型移动电话系统(1MTS),使用150MHz和450MHz频段,采用大区制、中小容量,实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。
德国也推出了具有相同技术水平的B网。
可以说,这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段,其特点是采用大区制、中小容量,使用450MHz频段,实现了自动选频与自动接续。
第四阶段从70年代中期至80年代中期。
这是移动通信蓬勃发展时期。
1978年底,美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝状移动通信网,大大提高了系统容量。
1983年,首次在芝加哥投入商用。
同年12月,在华盛顿也开始启用。
之后,服务区域在美国逐渐扩大。
到1985年3月已扩展到47个地区,约10万移动用户。
其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。
日本于1979年推出800MHz汽车电话系统(HAMTS),在东京、大胶、神户等地投入商用。
西德于1984年完成C网,频段为450MHz。
英国在1985年开发出全地址通信系统(TACS),首先在伦敦投入使用,以后覆盖了全国,频段为900MHz。
法国开发出450系统。
加拿大推出450MHz移动电话系统MTS。
瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT—450移动通信网,并投入使用,频段为450MHz。
这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统,并在世界各地迅速发展。
移动通信大发展的原因,除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外,还有几方面技术进展所提供的条件。
首先,微电子技术在这一时期得到长足发展,这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性,各种轻便电台被不断地推出。
其次,提出并形成了移动通信新体制。
随着用户数量增加,大区制所能提供的容量很快饱和,这就必须探索新体制。
在这方面最重要的突破是贝尔试验室在70年代提出的蜂窝网的概念。
蜂窝网,即所谓小区制,由于实现了频率再用,大大提高了系统容量。
可以说,蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。
第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展,从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。
第五阶段从80年代中期开始。
这是数字移动通信系统发展和成熟时期。
以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。
模拟蜂窝网虽然取得了很大成功,但也暴露了一些问题。
例如,频谱利用率低,移动设备复杂,费用较贵,业务种类受限制以及通话易被窃听等,最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。
解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。
数字无线传输的频谱利用率高,可大大提高系统容量。
另外,数字网能提供语音、数据多种业务服务,并与ISDN等兼容。
实际上,早在70年代末期,当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时,一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。
到80年代中期,欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。
随后,美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。
泛欧网GSM已于1991年7月开始投入商用,预计1995年将覆盖欧洲主要城市、机场和公路。
可以说,在未来十多年内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期,及有可能成为陆地公用移动通信的主要系统。
与其它现代技术的发展一样,移动通信技术的发展也呈现加快趋势,目前,当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段,正方兴末艾之时,关于未来移动通信的讨论已如火如菜地展开。
各种方案纷纷出台,其中最热门的是所谓个人移动通信网。
关于这种系统的概念和结构,各家解释并末一致。
但有一点是肯定的,即未来移动通信系统将提供全球性优质服务,真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。
1.2移动通信的现状
近年来,移动通信在全球范围内迅猛发展,数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。
我国的移动通信业也改革、改善服务质量,加大市场开发力度,保持了快速健康的发展势头。
1987年以来,我国移动通信运营业以年平均增长80%-100%的速度迅猛发展。
1987年我国蜂窝移动电话仅有3200个用户,1999年达到4324万户。
至今这增长速度仍然在继续保持,其中模拟技术已经退出了历史舞台。
目前国内3G网络覆盖正在逐渐完善,人们也密切关注着其的发展动态的同时,中移动TD-LTE网建设全面启动,中国移动负责承建的4G规模技术试验网络TD-LTE又取得新进展。
这标志着TD-LTE产业发展进入新的阶段,TD-LTE网络建设工程全面启动。
也许我国的移动通信网络逐渐还会向着更高的层次发展。
1.3移动通信网络目前存在的问题
随着信息化时代的不断进步,我们生存的世界充斥这越来越多电磁波,而由于移动通信系统必须采用无线传输技术才能实现在移动中的信息交换,无线传输极易受到各种其他无线电波的干扰,干扰的大量存在会极大的影响网络的通信质量和系统的容量,降低通信系统的有效性和可靠性。
而且目前话务量日剧增加,容量也是一个很大的问题,但频谱资源却有限,使得频率复用更加紧密,这导致了一些较密集城市里经常会出现邻频干扰和同频干扰。
还有一些偏远地区信号的覆盖也没完善。
总体来说,移动通信网络有很多问题都有待解决。
2移动通信抗干扰技术
通信装备及通信系统的通信目标为对抗来自干扰目标利用电磁能和定向能控制、攻击通信电磁频谱等上述干扰技术(不排除干扰目标有新的干扰技术),而展开的以提高通信目标在通信对抗中的生存能力所采取的通信反对抗技术体系、方法和措施,这就是目前学术界对通信抗干扰技术的普遍定义。
2.1移动通信网络中的干扰因素
2.1.1根据频段划分:
上行干扰、下行干扰
1、上行干扰
定义为干扰信号在移动网络上行频段,外界射频干扰源对基站产生的干扰。
上行干扰会造成基站覆盖范围的降低。
手机在无上行干扰的条件下,基站能够接收较远处手机信号;当上行干扰出现时,手机信号需强于干扰信号,才能与基站进行联络,因此,手机必须离基站更近。
2、下行干扰
下行干扰是指干扰源所发干扰信号在移动网络下行频段,手机接收到干扰信号,无法区分正常基站信号,使手机与基站联络中断,造成掉话或无法分配信道。
2.1.2根据频点划分:
同频干扰、非同频干扰
1、同频干扰
同频干扰是指所有落到接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰,亦称同信道干扰。
这些无用信号和有用信号一样,在接收机中经放大,变频而落到中频通带内,因此只要在接收机输入端存在同频干扰,接收系统就无法滤除和抑制它。
存在同频干扰的频率范围是
,
为有用信号载波频率,
为接收机中频带宽。
图2.1同频干扰图示
图2.1表示全向天线覆盖的两个同频率小区的同频干扰情况。
A小区的移动台会受到B基站发射机的干扰。
两同频工作的基站之间的距离D称为同频复用距离,同频复用距离与小区半径之比
称为同频复用比。
同频复用比与小区复用系数N的关系为:
或
(2.1)
若A、B基站具有相同的设备参数,发射功率都为
(dBw),则移动台接收机输入端信号和干扰功率电平分别为
(dBw)(2.2)
(dBw)(2.3)
式中,
和
分别为经过距离
和
的传呼损耗,传输损耗之比为
(dB)(2.4)
式中,n为路径损耗指数,在自由空间中传播时,n=2,在陆地移动通信的无线路径传播时,n=4。
用dB表示的载波/干扰比为
(dB)(2.5)
取n=4,将式(2-4)代入式(2-5),得到
(dB)(2.6)
2、非同频干扰
非同频干扰主要包括邻频干扰、互调干扰、阻塞干扰、杂散干扰
(1)邻频干扰
邻频干扰指来自所使用信号频率相邻频率的信号干扰。
邻频干扰是由于接收滤波器不理想,使得相邻频率的信号泄漏到传输带宽内而引起的。
邻频干扰可通过精确的滤波和信道分配而尽量减小。
远近效应:
如果相邻信道的基站在离用户接收机很近的范围内发射,而接收机使用预设信道的基站信号,这个问题就会变得很严重,这称作远近效应。
当离基站很近的移动台使用的信道与一个弱信号移动台使用的信道为相邻信道时,也会发生远近效应。
(在UMTS系统中,由于所有的移动台使用同一频带,远近效应影响更为明显,但UMTS系统使用良好的功率控制消除了远近效应的影响)。
(2)互调干扰
当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时,将互相调制产生新频率的信号输出。
如果该频率正好落在接收机工作信道带宽内,则构成对该接收机的干扰,成为互调干扰。
互调干扰可能是外部信号与发射信号混合产生;也有可能完全是两个外部信号产生,它们只是借助接收机的非线性器件来相互混合;有时,产生互调信号的摇篮并不仅仅是接收机,非线性结合点有可能是附近生锈的屋顶或围墙,当有高功率的无线电信号传送时,这种物理结构就像一个非线性器件一样,形成互调干扰,而且这种互调影响会随天气条件变化。
如GSM与DCS网络之间的互调干扰:
由于GSM900和DCS1800分别存在45MHz和95MHz的双工间隔,而它们的带宽仅为25MHz(如考虑GSM900扩充频率,则为35MHz)和75MHz。
因此在单独设计GSM900或DCS1800时二阶互调和三阶互调不会落入带内。
但对共站双频网的运营者,必须仔细分析互调干扰的情况。
二阶互调表现为fA+fB=fC或fA-fB=fC,对双频网可能的表现形式有:
情况1:
DCS1800Tx-GSM900Tx=GSM900Rx
情况2:
GSM900Tx1+GSM900Tx2=DCS1800Rx
Tx代表基站发射频率,Rx代表基站接收频率。
详细分析双频网的具体频段,后一种情况是不存在的,因此只需考虑情况1:
共站DCS1800发射频率与GSM900发射频率的差频不能等于GSM900的接收频率。
(3)阻塞干扰
任何接收机都有一定的接收动态范围,当频带外干扰信号强到一定程度,接收功率超过接收动态允许的最大功率电平时,会导致接收机饱和阻塞,从而影响系统的接收性能,这类干扰称为阻塞干扰。
阻塞会导致接收机无法正常工作,长时间的阻塞还可能造成接收机的永久性性能下降。
(4)杂散干扰
由于发射滤波器的滚降特性(任何滤波器都不可能是理想的阶跃方式),导致总存在一定的带外辐射,这就是我们通常所称的发射杂散。
由于发射杂散产生的干扰称为杂散干扰。
2.1.3根据干扰来源划分:
内部干扰、外部干扰
1、内部干扰
移动通信蜂窝系统采用频率复用方式,以提高频率利用率。
这虽然增加系统的容量,但同时也增加系统的干扰程度。
这些干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和交调干扰。
(1)同频干扰
所谓同频干扰,即指无用信号的载频与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。
现在一般采用频率复用的技术以提高频谱效率。
当小区不断分裂使基站服务区不断缩小,同频复用系数增加时,大量的同频干扰将取代人为噪声和其它干扰,成为对小区制的主要约束。
这时移动无线电环境将由噪声受限环境变为干扰受限环境。
当同频干扰的载波干扰比C/I小于某个特定值时,就会直接影响到手机的通话质量,严重的情况下,就会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。
(2)邻频干扰
所谓邻频干扰,即指干扰台邻频道功率落入接收邻频道接收机通带内造成的干扰。
由于频率规划原因造成的邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道或由于某种原因致使基站小区的覆盖范围比设计要求范围大,均会引起邻频道干扰。
当邻频道的载波干扰比C/I小于某个特定值时,就会直接影响到手机的通话质量,严重的情况下,也会会产生掉话或使手机用户无法建立正常的呼叫。
(3)交调干扰
当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时,将互相调制,产生新频率信号输出,如果该频率正好落在接收机工作信道带宽内,则构成对该接收机的干扰,我们称这种干扰为交调干扰。
交调干扰主要是指数、模共站的基站,由于模拟基站发射机的影响,而对数字基站产生的干扰。
这种干扰的直接后果是时隙分配不出去,造成基站资源的浪费,也会产生掉话。
2.2干扰产生的原因
移动通信系统中无线电波传播的特性,决定了其在通信过程中必然受到外界多种因素的影响,因此,外来电波的干扰是造成移动通信系统干扰的主要原因之一。
另外,由于移动通信系统的复杂性(有线与无线的综合体),它还一定程度上受到网络内部其它因素的影响,如同频干扰、领频干扰、交调干扰,以及其它因网络参数设定不当而造成的干扰等。
外来电波的干扰与外界环境有关,但主要还是由于移动系统内部原因造成的干扰。
1、频率规划时频率复用不当、频点设定不正确导致两同频小区之间的距离不能够满足标准值,造成同频、邻频现象在短距离范围内存在。
当手机在服务小区中收到很强的同频或邻频干扰信号时,会引起误码率恶化,使手机无法准确解调邻近小区的BSIC码或不能正确接收移动台测量报告,很有可能造成切换失败或掉话。
另外如出现同BCCH、同BSIC的情况时会对无线接口造成干扰。
在GSM系统的无线接口中,随机接入和切换接入信令使用相同的编码和脉冲方式,均使用8位信息码加上6位奇偶校验位,并且这6位奇偶校验位和目标小区的BSIC相异或。
小区收到接入信息时,与本小区的BSIC比较,若相同则进行下一步解码。
距离较近的同BCCH、同BSIC小区间可能会产生随机接入和切换接入的干扰(“幽灵接入”)。
由于切换多发生在小区边界,切换接入信令会在更近的距离产生干扰。
基站分布较密时切换频繁,出现干扰的可能性也就较大。
2、BTS的发射功率参数MS—TXPRW—MAX—CCH、BS—TXPWR一CCH、BS—TXPWR一MAX、BS-TXPWR—MIN等设置不合理,也会造成干扰问题的出现。
MS—TXPWR—MAX—CCH参数设置过高,则在基站附近的移动台会对本小区造成较大的邻频干扰,影响小区中其它移动台的接通和通话质量;过小则该小区边缘的手机将很难占上信道,受外界干扰更大。
BS—TXPWR—MAX—CCH参数设置过大,会与相邻小区产生覆盖交叠,造成信道干扰,手机占用信道困难,通话质量差等;过小会产少盲区。
3、基站天线的俯仰角及方位角设置不合理或存在偏差,导致基站的覆盖范围不合理,从而导致同频及邻频干扰。
选择合适的俯仰角可以使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之间处于无线垂直方向即增益衰减变化最大,从而使受干扰小区的同额及邻频干扰减至最小。
俯仰角过小,会造成对附近同频站的干扰,主要是指远端主轴方向;过大则会造成对相邻站的邻频干扰,主要是指左右扩散,两侧切换带加大,覆盖区变型,当然目前的切换机制、频率规划、跳频机制、DTX、DBPC、DMPC启动后,这方面可以不必考虑,所以一定程度上为避开对前方小区造成的同频干扰,适当加大下倾是有必要的。
方位角设置存在偏差(如安装准确度,台风以及话务调整原因),易导致基站的实际覆盖与所设计的不相符,从而导致一些意想不到的同频及邻频干扰。
另一个原因是阻挡引起一定区域服务小区的改变,另一个角度上,也是规划中的非现场考查带来的不足。
4、直放站设置不合理,造成对周围信号的干扰。
为减少投资,扩大覆盖范围,一些县城内的小基站普遍采用直放站直接放大其信号,但由于目前大量使用的直放站是900MHz宽带放大器,它对所接受的信号进行直接放大,然后再发射出去。
且基站与直放站之间绝大多数又是射频连接方式,加之直放站的规划和选址上存在一些问题,特别是施主天线的位置不正确,因而易造成对周围信号的干扰。
5、发射部分杂散辐射及接收部分杂散响应较大,会造成对本信道和其它信道的干扰,严重时将不能正常通话。
发射机倍频器的输出滤波器特性不好、频率合成器中鉴相器的屏蔽不好,都会带来较多的杂散辐射,这些杂散辐射会对正好以这些频率工作的信道产生干扰。
接收机—般采用超外差接收方式,如果接收机的输入电路选择性不好、镜频选择性不好或中频邻近选择性不好,会给系统带来一定的镜频干扰和中频干扰。
6、玻璃幕墙、湖泊和其他反射体的影响。
随着城市的快速发展,大城市中建造起越来越多的玻璃幕墙建筑物。
由玻璃幕墙装饰的高层建筑物会造成电波的强烈反射,这种杂乱的反射波很有可能引起严重的同频干扰或邻频干扰,此时需调整天线方位角以避开玻璃幕墙的反射。
2.3移动通信抗干扰技术及其原理
在现代通信中遇到的一个问题就是抗干扰问题。
随着通信事业的迅速发展,各类通信网的建立,使得有限的频率资源更加拥挤,相互之间的干扰更为严重,如何防止和降低这种相互之间的干扰,就成为一大难题。
移动通信抗干扰,一般可理解为,通信装备及系统为对抗干扰方利用电磁能和定向能控制、攻击通信电磁频谱,以提高其在通信对抗中的生存能力所采取的通信反对抗技术体系、方法和措施。
当前采用的抗干扰技术主要有以下几种。
1、扩展频谱技术。
扩展频谱技术具有很强的抗干扰
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