論CDMA無線通信系統的干擾管理論文和開題報告

論CDMA無線通信系統的干擾管理論文和開題報告

CDMA無線通信系統的干擾管理
 【摘要】 在無線通信系統中，干擾一直是影響網絡質量的重要因素。隨著中國聯通CDMA精品網絡建設的不斷深入，如何最大限度減少干擾對網絡的影響，是廣大網絡優化人員共同關注的課題。本文從CDMA通信系統的頻譜特點出發，分析了CDMA系統中不同類型的干擾情況，并結合實際工作對如何偵測及排除干擾做了詳細的闡述。
 【關鍵詞】 CDMA  干擾  管理
 無線通信系統中的無線干擾是指能引起無線網絡性能下降甚至無法正常工作的電磁能量，它的存在直接影響到網絡質量的好壞。對CDMA通信系統而言，其獨特的頻譜利用方式決定了其在干擾的管理上與GSM和AMPS移動通信系統不盡相同。在目前聯通CDMA網絡建設日趨完善的今天，如何最大限度地降低無線干擾對網絡的影響、改善網絡質量、提高用戶滿意度已經是網絡優化工作的重要內容。
 1 CDMA系統的頻譜特點
 1.1擴展頻譜的概念
 CDMA系統所采用的擴頻通信技術中，信號所占用的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬（基帶寬度）；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現的，與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解析及恢復所傳信息數據。CDMA采用的是直接序列擴頻系統（DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum）的方法，直接序列擴展頻譜（DSSS）系統具有合成的RF帶寬，比傳輸基帶數據率的最小帶寬要求大得多。而GSM和AMPS無線通信系統中是使用最小的射頻（RF）帶寬來傳輸基帶數據（Base Band Data），這些系統被稱為窄帶系統。
 1.2 CDMA系統抗干擾性分析
 1）無線頻譜利用率高，抗干擾性強
 在窄帶通信系統（如GSM、AMPS）中，主要依靠頻道劃分來防止信道之間的干擾。以中國聯通GSM網為例，頻帶寬度只有6M（共29個頻點），由于采用TDMA時分多址的復用方式，頻率復用困難與用戶增長的矛盾非常突出。而CDMA系統采用碼分多址技術，采用擴頻碼序列的擴頻調制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區分不同用戶的信號，提取出有用信號，從而讓許多用戶共享某個信道1.23M的寬頻帶，大大提高頻帶的利用率。而其中的各種干擾信號，因其在收端的非相關性，解擴后得到的窄帶信號中只有很微弱的成份，能夠有效得到抑制。正常條件下，誤碼率可低至l0-10。
 2） 采用有效的功率控制手段，保證系統容量
 CDMA系統是自干擾系統，移動臺的功率發射對小區內的其他用戶而言就是干擾。為此CDMA采用了一系列功率控制技術，減少系統內的相互干擾，使系統容量最大化。CDMA系統的功率控制類型有：反向開環功率控制、反向閉環功率控制和前向功率控制。反向閉環功率控制系統保證了每一部使用相同信道的移動臺以相同的功率被基站接收。而CDMA 1X 采用的快速功率控制使功率控制更加精確。
 3）能有效抑制多徑干擾
 CDMA系統采用兩種方法來抵抗多徑干擾的影響：一是采用分集接收技術，即采用空分或極化天線把最強的有用信號分離出來，排除其他路徑的干擾信號；二是采用其特有的RAKE接收技術，將不同路徑來的不同延遲、不同相位的信號在接收端從時域上對齊相加，合并成較強的有用信號。RAKE接收技術能有效解決目前困擾GSM和AMPS系統的多徑干擾問題。
 2 CDMA系統干擾的類型
 干擾可能是系統內部產生，也可能是外部施加于系統的。系統內部干擾，是由于多個用戶使用相同的無線接口或系統內不同設備間所引起的；外部干擾是由不受系統操作影響的干擾源產生的干擾。
 2.1系統內部干擾分析
 內部干擾分為如下幾種：
 2.1.1由于用戶過量增長，導致RF總噪聲的增加
 為了確保系統有比較好的處理增益，單扇區、單載頻的用戶數受到了限制。理論上，基站的平均接收功率應該在熱噪聲功率以上的0-5dB內，如果一個小區滿載時，會導致噪聲基底增加5dB左右。在IS-95系統中，可以推算得到，每當用戶增加1倍，信道處理增益就要下降3dB。當扇區內手機用戶接近于極限時，手機的發射功率就容易失控。在極限狀況下，額外的手機用戶所帶來的附加手機發射功率，會將總功率提高到熱噪聲水平之上，這會導致所有的其他手機用戶提高發射功率，以保持適當的Eb/No（每比特能量與噪聲頻譜密度比，Energy per bit to Noise spectral density ）值，這最終會產生“雪球”效應。特別是在一些突發話務熱點地區，會比較容易發生因RF總噪聲的增加而導致呼叫困難、話音質量差、無線上網速度變慢的現象。
 2.1.2直放站干擾
 直放站作為網絡深度、廣度覆蓋的有效手段，因其建設周期短，價格低廉，靈活性好，目前正被大量采用。直放站屬于同頻放大設備，從傳輸方式來分有無線直放站、光纖傳輸直放站和移頻傳輸直放站。其中無線直放站最容易產生干擾，需要重點關注。直放站干擾可以分為上行和下行干擾
 1）上行干擾
 在CDMA系統中，接入到基站接收機入口的噪聲功率應小于-113dB。當直放站的上行增益設置過大時，上行背景噪聲被不合理地放大，經有效路徑損耗后進入基站，和施主扇區接收機的噪聲疊加就會提高基站噪聲電平，使接收機靈敏度降低，反向誤幀率上升，施主基站覆蓋范圍縮小，嚴重的會造成整個施主扇區無法工作。目前，聯通使用的直放站上下行的噪聲系數一般都小于6dB。
 2）下行干擾
 當施主天線和重發天線隔離度不足時，經重發天線發射的放大后的信號會經其旁瓣或后瓣被施主天線的旁瓣或后瓣接收，從而形成一個反饋環路，造成直放站自激，產生下行干擾。一般施主天線和重發天線的隔離度要求達到90~95dB，不當的前向增益設置會產生接收信號很強，但無法通話的情況。直放站自激時，會造成覆蓋區通話音質變差，起呼成功率下降，掉話率上升；嚴重時使施主基站和其周圍的基站發生癱瘓。當隔離度大于直放站增益15dB時，才能保證不產生自激。2.1.3鄰小區導頻干擾
 CDMA系統前向信道中，不同基站扇區使用周期為215-1的M序列的不同相位來區分，定義相位偏置單位為64個碼片，即共有512個相位可用。每個扇區的相位稱為PN OFFSET（簡稱PN碼）。在確定的PN相位偏置增長系數（PILOT_INC）及PN GROUP情況下，如何合理分配不同基站扇區PN碼就至關重要。如果相鄰扇區被分配了相同或鄰近相位的PN碼，會造成移動臺無法識別應該為其提供服務的扇區，造成移動臺無法正常登陸、經常脫網、起呼成功率低、掉話率升高的后果。
 此外，由于城區存在一些高站，易形成越區覆蓋，或者是幾個相鄰扇區天線位置（如方位角、俯仰角）、天饋連接或功率設置不合理，會造成某一地點PN碼雜亂，移動臺無法識別一個穩定的主導頻，從而產生信號不穩定，呼叫接續時間偏長、掉話增加等問題。例如，在金華聯通永康花街CDMA基站開通后，經常接到用戶投訴，反映該基站附近呼叫接續時間偏長，而且經常會有無法接通的現象。經現場檢查發現基站內第一和第二扇區有一對饋線的跳線存在“鴛鴦線”連接，在進行重新連接后信號恢復了正常。
 2.2系統外部干擾分析
 當CDMA網絡下行或者上行有較強的外來干擾時，干擾會造成系統的基底噪聲（Noise Floor）抬高，使得基站或者手機不得不加大發射功率以對抗外來的干擾，這種情況會對網絡性能造成負面影響，使網絡性能質量下降。強烈的外來干擾產生后，可以從普通手機用戶的實際感受和系統性能的統計數據中得到直觀的反映。外部干擾可分自然界的和人為產生的兩大類。
 2.2.1來自自然界的干擾
 來自自然界的干擾是由某些自然現象引起的。最常見的是雷電、太陽黑子活動、火山噴發和地震引起的磁暴等產生的電磁干擾。雷電會在廣大地區從幾千赫到幾百兆赫以上的極寬頻率范圍內產生嚴重電磁干擾。而太陽黑子活動會對CDMA的GPS衛星時鐘同步系統造成干擾，嚴重的會造成網絡中斷。當然，來自自然界的干擾的影響面畢竟有限，而且概率也很低，在日常網絡優化過程中，不會將其作為工作重點。
 2.2.2人為產生的干擾
 與系統內部干擾不同，人為產生的干擾由于存在“不可預見性”和“不易控制性”，因此往往只能事后補救，但其對網絡質量的影響卻不容忽視。
 1)射頻電磁干擾。目前，人為產生的射頻電磁干擾已經成為CDMA系統干擾的重要組成部分。人為產生的干擾可分為窄帶干擾和寬帶干擾。窄帶干擾指干擾源產生的干擾信號帶915

CDMA無線通信系統的干擾管理
 寬比CDMA單載頻的帶寬窄，但中心頻率落在了CDMA的上行頻帶(825-835Mhz)或者下行頻帶(870-880Mhz)的某個工作頻道內，如某些大功率無繩電話，不規范使用的集群通信系統，電視放大器，違法使用的廣播電臺，會產生輻射的微波治療儀器等；寬帶干擾信號是能夠引起CDMA前向或反向的一個或多個頻道背景噪聲整體提升的干擾，如大功率軍用通信設備、為了保密需要使用的寬帶干擾機等。其中上行鏈路最容易受到干擾的影響，一旦上行鏈路受到干擾，會使基站無法對移動臺做出正確的功率控制，從而影響整個扇區范圍內的網絡質量，甚至無法通話。對下行鏈路的干擾一般只會對局部區域的少數用戶產生影響，除非干擾信號非常強。
 2)脈沖放電。主要來自電源開關器、絕緣擊穿、電焊機和點火設置的脈沖能量，例如切斷大電流電路時產生的火花放電,其瞬時電流變率很大,會產生很強的電磁干擾；在城市中，車輛點火干擾也很常見。但這種干擾是在非常短的脈沖中包含了極少的能量，因此對CDMA網絡的影響非常小，可以忽略。
 3 CDMA系統干擾的偵測及排除辦法
 3.1干擾的偵測
 干擾的存在必然在一定程度上導致性能質量下降，因此如何及時發現干擾也是優化工作的問題解決的關鍵。判斷、確定外部干擾的存在，通常采用以下方法：
 3.1.1各類性能報表分析
 1）在每日話務指標的分析中，關注局部區域扇區或全系統是否存在反向誤幀率（FER）、系統呼叫建立失敗率、系統掉話率、反向RSSI、手機的發射功率等指標異常升高的情況。在排除硬件故障的情況下，可以初步認為干擾的存在。
 2）對個別基站的軟切換統計數據、基站接收噪聲統計數據等性能指標進行深度分析。一個扇區的軟切換話務突然減少表明該小區可能存在干擾；在朗訊公司的SMART分析工具中，可以通過RSSI(Receive Signal Strength Index) Avg和RSSI Peak兩項統計數據研究基站所受到干擾的程度。正常情況下，RSSI Avg和RSSI Peak的值都小于10。如果RSSI Avg小于10而RSSI Peak大于10，則可能是受到一個突發的脈沖干擾；如果RSSI Avg和RSSI Peak均大于10，則可能存在一個較強的穩定的干擾。
 3.1.2用戶投訴分析
 用戶投訴是發現網絡問題的重要手段。在干擾管理工作中，應重點關注用戶的以下方面投訴：
 1）起呼時間較正常起呼時間長；經常出現起呼失敗，或根本無法起呼。
 2）做被叫時經常會提示聯系不上；短信無法正常發送、接收。
 3）話音質量差，有嚴重的斷續、雜音等現象，掉話現象嚴重
 4）手機在起呼失敗后可能伴隨有脫網現象
 對于上述投訴，必須要了解清楚所反映現象發生的具體時間、地點、規律性，以便優化人員有針對性地進行現場測試。
 3.1.3現場測試
 現場測試包括撥打測試（CQT）、路測（DT）和通過專用干擾分析儀表測試等手段。撥打測試是一種比較簡單的手段，通過測試手機的測試模式的使用，可以初步確定干擾現象的存在；通過路測，可以有效找出一些直放站設置不當、鄰區設置不當或過覆蓋產生的干擾，結合掃頻模塊的使用，可以初步確定干擾源的位置；目前浙江聯通采用的干擾測試儀表是泰克公司的YBT250干擾分析儀和羅德斯瓦茨頻譜分析儀，由于可以對接收點位置相當寬范圍內的頻譜進行分析，因此在日常干擾分析中非常有用。同時，朗訊MODCELL基站設備也提供了專門用于測試用的J5口（每個扇區兩個），可以將頻譜分析儀與J5口相連（需斷開負載），檢查帶寬內是否出現窄帶尖峰干擾信號或是否存在造成噪聲電平高于正常值的寬帶干擾信號。
 3.2干擾的排除
 3.2.1系統內部干擾的排除
 1) 對于因單載頻負載過高，導致RF總噪聲的增加從而引起系統整體性能下降，只能通過合理規劃網絡配置，擴容信道板、增加頻點或在其周圍增加基站的方法解決。尤其是隨著CDMA數據業務的廣泛開展，在一些話務密集區，數據的流量也很大，因此在進行擴容時還應關注支持數據業務的處理板（如朗訊設備的CCU32板）的配置數是否合理。
 2) 對于直放站引起的干擾，應主要從收發天線隔離度、直放站增益設置兩方面著手處理。對于無線直放站，為達到隔離要求，可以從增大收發天線距離、采用高隔離度天線或角反射天線、盡可能利用建筑物阻擋或安裝隔離網等手段。對于城市中心，特殊情況下可采用移頻直放站。理論上，直放站增益設置比有效路徑損耗越小，直放站對基站的影響就越小，因此在信號滿足通話的情況下，應盡量減低直放站的增益。在目前的無線設計中，在一個基站帶一個直放站的情況下，對基站的噪聲影響要求控制在1dB以內。在室內覆蓋大規模建設的今天，城區一個基站可能往往下掛了多個室內直放站，如果直放站增益不做控制，勢必造成施主扇區噪聲的抬高，嚴重影響基站的覆蓋質量。在日常的室內分布系統建設中，必須合理規劃直放站的掛接方式及控制增益，對于一些大型樓宇，盡可能采用光纖接入。
 3.2.2外部干擾的排除
 外部干擾的排除一般要經過“網管指標和投訴數據分析”、“現場測試確定干擾源”、“清除干擾源”等三個步驟。下面將以金華聯通處理某醫院微波診療儀對CDMA信號產生干擾的過程為例，簡要說明：
 2004年5月初，金華聯通網優中心陸續收到本市某醫院門診部大樓用戶投訴，反映在每天的上午10點至下午3點，在該醫院內CDMA手機經常會出現無網絡服務及打電話困難的情況。網優人員到現場撥測，發現問題出現時手機幾乎無信號（Ec/Io達-30），根本無法進行通話，但走出醫院大門后手機又能正常使用。考慮到附近基站近期在各項指標上沒有異常，故初步定位是醫院內的某種治療儀器產生下行干擾。5月14日，技術人員通過羅德斯瓦茨頻譜分析儀對門診大樓1至3層進行了下行鏈路掃頻，結果發現在878.5MHZ頻點上存在峰值為－30dBm左右的窄帶信號（剛好位于283頻點帶寬內），并定位在門診2樓東側的微波診療室，以下是羅德－施瓦茨FSP掃頻測得的圖形。
 
 圖1  干擾信號存在時的頻譜圖
 由于干擾尖峰處于下行283頻段內，造成干擾區內手機用戶出現無網絡服務及呼叫困難的現象。經與醫院方聯系，暫時關閉微波治療儀后，干擾信號立即消失，現場的手機主被叫均正常，見圖2。經了解，該微波診療儀為北京博醫康技術公司生產的BYK-50型設備，當時所開功率為32W，而且沒有任何屏蔽措施。后要求該醫院對該微波設備進行屏蔽等處理后，問題得到徹底解決。
 
 圖2  干擾信號排除后的頻譜圖
 由于外部干擾存在不確定性，加上干擾源往往在室內，這給排除工作帶來一定困難。對于那些人為產生的惡意的外部干擾，應及時向當地無線電管理委員會匯報，遵照國家相關法律、法規進行處理。
 4 干擾的預防
 盡管產生CDMA干擾的原因種類繁多，干擾發生的隨機性很強，但是如果采取一些有效的預防措施，很多干擾還是可以避免的。干擾的預防主要可以通過以下幾種方法：
 1） 做好網絡開通前的清頻工作，防患于未然。這在新增覆蓋的區域和新加載頻的區域是必不可少的一步工作。對于未正式投入商用的區域，一旦發現存在同頻段的干擾，可以比較容易定位干擾源的具體位置。目前常用的清頻工具有：頻譜儀或惠普E74XX S/W路測儀。
 2） 注重工程前期的網絡規劃。在前期規劃中應注重站址位置的選取、新站周圍無線環境的分析、對覆蓋和話務的預測、PN的合理分配、天線類型和掛高的合理配置等。在中國聯通CDMA建設初期，由于投資規模有限，按照“大覆蓋，小容量”的思路建設，建設了一部分城區高天線增益、高掛高的站點。隨著網絡建設的深入，這些站點的覆蓋很難控制，已經成為導頻污染和過多軟切換的主要因素。因此，在新建工程時，應對原有網絡進行仔細地摸底，及時對一些站點進行優化調整。
 3） 加強與無線電管理部門的協作。移動通信運營商應加強與無委會的合作與交流，努力提高廣大人民群眾對國家無線電管理法規的認識，盡可能減少人為干擾事件的發生。
 干擾的處理是一項長期、艱巨的工作，不能急于求成。相信只要方法正確，通過認真的分析和測試，就一定能將干擾的影響降至最低。
 作者簡介：金漢，男，1975年10月15日出生，畢業于北方交通大學，從1997年5月參加金華聯通建設以來，一直從事無線系統的維護與優化工作， 現任中國聯通金華分公司運行維護與互聯互通部經理助理，曾在于2002年2月和7月的《電信技術》雜志上分別發表過《無線通信系統中影響接通率的因素及改善方法》和《移動通信系統的運維管理》等論文。

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