无源互调对基站覆盖范围的影响分析

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本文摘自《移动通信》2012年17期。作者：宋国伟  张需溥

【摘要】基站系统无源互调干扰已经成为影响基站性能的重要因素，文章运用干扰叠加原理，利用Okumura—Hata模型计算基站覆盖范围，分析了无干扰和存在同频干扰两种情况下无源互调对基站覆盖范围的影响。
　　【关键词】无源互调 基站 覆盖范围 干扰
　　1 引言
　　由无源器件（如同轴电缆、波导、连接器、合路器和天线等）的非线性产生的互调称为无源互调（PIM）。二十世纪七八十年代，国外不少卫星因无源互调问题而影响整星性能，如FLTSATCOM（美国舰队通信卫星）的3阶和MARECS（欧洲海事通信卫星）的43阶互调产物都落入接收频带，引起严重干扰问题[1]。
　　无源互调会造成基站接收灵敏度下降、误码率增加，在同样移动台发射功率情况下造成覆盖范围减小；或者在保持误码率不下降的情况下，要求移动台增加发射功率，潜在带来其他干扰问题[2]。
　　2 Okumura—Hata模型
　　Okumura—Hata模型[3]是城区信号预测中使用最广泛的经验模型，模型中所采用的参数如下：d是间隔距离（km），f是载波频率（MHz），hBS是以平均屋顶高度为基准的基站天线高度（m），hMS是移动台天线高度（m），lgf是标准偏差为10dB的对数正态分布，α（hMS）是移动台天线高度的校正因子，Ccity是与传播环境区域类型相关的校正因子，计算得到的路径损耗单位均为dB。
　　其中：
　　当移动台的天线高度在1.5米（常见值）左右时，不同城市规模下的校正因子值差别很小。假定频率为900MHz，那么简化后的校正因子为α（hMS）=0.016。假定基站天线高度为30米，则简化后的路径损耗公式为：
　　3 基站覆盖范围计算
　　在计算基站覆盖范围前，假设如下：
　　（1）GSM发信机发射功率为2×43dBm（两载波，每载波20W）。
　　尽管基站实际可能工作在多载波情况下，且每载波功率低于20W；但是其总功率仍然接近46dBm，在多载波情况下会产生更多互调信号，且多个互调信号相互叠加，导致总功率不变的情况下，多载波互调与两载波互调的电平差别不大。为简化起见，用2×43dBm两载波模拟基站发射功率是合理的。
　　（2）在信号传输和发射过程中，只有天线处产生互调，其他地方均不产生互调。
　　（3）天线的互调基于2×43dBm两载波定义，如—140dBc@2×43。
　　（4）天线互调随输入功率（单位dBm）线性变化，变化斜率为3，即输入功率变化1dB，输出变化3dB。
　　尽管现有文献[4]证明，无源互调随输入功率线性变化，器件不同变化系数也不同，且一般情况下小于3，但是不妨碍将变化斜率设为3。
　　（5）考虑一简单基站系统，没有塔放TMA应用。
　　根据以上假设，首先分析一理想基站（没有其他干扰，仅有系统热噪声）覆盖范围受无源互调影响的情况，基站覆盖范围具体计算步骤如表1所示。无任何干扰的GSM基站覆盖半径为2.77km，如果天线的互调为—140dBc@2×43dBm，则覆盖半径缩短为2.03km，缩短了26.8%。
　　运用表1所示方法，首先计算不同天线互调值对基站覆盖范围的影响。从图1中可以看出，当天线互调小于—150dBc@2×43dBm时，无源互调对覆盖范围的影响小于5%。这也可以解释，为什么包括天线在内的高性能无源器件互调要求小于—150dBc@2×43dBm。
　　其次分析无源互调对已存在某种干扰的基站覆盖范围的影响。假设一GSM基站存在同频干扰，且该同频干扰使基站收信机灵敏度下降3dB，即从—104dBm变为—101dBm，基站覆盖范围计算过程如表2所示。图2给出了存在同频干扰的情况下，无源互调对基站覆盖范围的影响。可以看出，其他干扰的存在一定程度上减轻了互调干扰对接收灵敏度的影响；无源互调对基站覆盖范围的影响降低，同样在—140dBc@2×43dBm天线情况下，覆盖半径缩小13.3%，远低于理想基站的26.8%。
　　4 结论
　　通过分别分析无干扰和存在同频干扰两种情况下无源互调对基站覆盖范围的影响，可以清楚发现，无源互调对基站覆盖范围有较大影响，尤其是当天线无源互调指标低于—140dBc@2×43dBm时。本文仅仅分析了最简单的无塔放情况下的基站覆盖范围，该方法可以进一步应用到有塔放基站的覆盖范围分析。