无源互调对室内分布系统覆盖范围影响分析

无源互调对室内分布系统覆盖范围影响分析
张需溥;赵培
【摘要】无源互调干扰已经成为影响移动通信性能指标及客户感知的重要因素，本文从无源互调产生机理入手，通过合理假设，运用干扰叠加原理，计算无源互调引起室内分布接收机灵敏度下降，利用路径损耗传播模型计算基站覆盖范
围。

%With the introduction of 3G and LTE, the interference produced by Passive InterModulaion (PIM) has become a major issue both from customer perception and for mobile network performance. This paper presents the mechanisms of PIM production. By the reasonable hypothesis and with interferences addition, the sensitivity is calculated with and without PIM interference present. The effects of PIM on indoor distribution system coverage are presented with the aid of mobile communication propagation model.
【期刊名称】《电信工程技术与标准化》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】4页(P61-63,64)
【关键词】无源互调;干扰;天线;覆盖范围;灵敏度;室内分布
【作者】张需溥;赵培
【作者单位】杭州紫光网络技术有限公司，杭州 310053;中国移动通信集团设计院有限公司北京 100080
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
1 前言
随着移动通信的发展，要求提供更好的室内移动通信业务，尤其是未来4G移动通信更多数据业务发生在室内，室内覆盖原理图见图1。

室内分布系统最需要解决问题有两个，其一如何减少传输中功率的损耗及如何将功率合理地分配到每一个分布天线，这点与室外覆盖有着很大的区别，室外覆盖更多地取决于基站的天线高度、增益及下倾；其二要最大程度降低干扰，干扰包括很多类型，同邻频干扰、系统间干扰及无源互调干扰等。

其中无源互调干扰取决于器件的损耗和合理的设计，因此，耦合器、功分器、接头和馈线等器件的选取显得非常重要。

由无源器件（如同轴电缆、波导、连接器及合路器和天线等）的非线性产生的互调干扰称为无源互调(PIM)[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情况下，相反会要求移动台增加发射功率，潜在带来其他干扰影响问题[2]。

本文运用干扰
叠加原理[3]，分析无源互调对室内覆盖系统覆盖范围影响程度。

图1 室内覆盖原理图
2 路径损耗因子模型
在室内电磁波传播受影响的因素很多，在有限的空间内环境变化大，墙、顶、地、人和室内物体等都会引起电磁的反射、折射、散射和吸收，电磁场分布十分复杂，电波传播模型相应多种多样。

本文使用路径损耗因子模型进行路径损耗计算，该模型灵活性很强，预测路径损耗与测量值的标准偏差为4 dB可以用公式表示如下：
其中：
PL：传播损耗(dB)；
PL(d0)：参考损耗（在d0=1米处的损耗值）（dB）；
Xσ：阴影衰落余量（dB）；
n：距离衰减因子；
FAF：不同层地板衰减因子（dB）。

考虑典型室分应用，d0设定为1m，PL(d0)=31.5 dB(f=900 MHz)，n=2.8，
Xσ=10，FAF=0。

3 室内分布系统覆盖范围计算
在对基站覆盖范围计算前，假设如下：
（1）GSM发信机发射功率为2×43 dBm(两载波，每载波20 W)。

尽管实际基站可能工作在多载波情况下，且每载波功率低于20 W，但是其总功率还是接近46 dBm，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，导致总功率不变情况下，多载波互调与两载波互调电平变化不大，简化起见，用2×43 dBm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，假设只有1个无源器件产生互调干扰，该器件靠近Tx/Rx信机，其插损可以忽略，除此外其他地方均不产生互调。

（3）无源器件的互调基于2×43 dBm两载波定义，譬如-140 dBc@2×43。

（4）假设无源器件互调随输入功率（单位dBm）线性变化，变化斜率为3，即输入功率变化1 dB，输出变化3 dB。

尽管现有文献证明，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。

根据以上假设，我们首先分析一理想室内分布系统（没有其他干扰，仅有系统热噪声）覆盖范围受无源互调影响情况，具体计算步骤如表1所示。

无任何干扰GSM
基站覆盖半径为30.3 m,如果室内分布系统的互调为-140 dBc@2×43 dBm，则
覆盖半径缩短为12.9 m,与无干扰室内分布系统覆盖半径相比，缩短了57.5%。

表1 理想室内分布系统覆盖范围计算参数数值代号GSM Tx信机下行功率 40 dBm a DAS互调指标(dBc)-140 dBc@2×43 b DAS互调指标(dBm)-97 dBm
c=b+43 DAS无源互调电平 -106 dBm d=c-3×(43-40)GSM Rx信机无源互调功率PIM3 -106 dBm e=d热噪声频谱密度 -174 dBm/Hz f热噪声带宽 53 dB
g=10lg(2×105)收信机噪声系数 5 dB h DAS损耗 35 dB i收信机热噪声 -116 dBm j=f+g+h接收机噪声+PIM3 -105.6 dBm k=10lg(10e/10+10j/10)收信机
信噪比Eb/Nt 9 dB l DAS天线增益 2 dBi m DAS接收灵敏度 -63.6 dBm
n=k+l-m+i GSM手机天线口最大输入功率 33 dBm o GSM手机天线最大增益 -
5 dB p GSM 手机最大等效全向辐射功率(EIPR)28 dBm q=o+p阴影衰落 10 dB
r多径衰落余量 6 dB s墙体损耗 3 dB t总衰减余量 19 dB u=r+s+t最大链路损
耗 72.6 t=q-n-u最大小区半径 12.9 v=10(t-41.5)/28
运用以上方法，我们计算不同天线互调值对基站覆盖范围影响，从图2中可以看出，当天线互调小于-150 dBc@2×43 dBm，无源互调对覆盖范围影响小于20%。

图2 没有其他干扰情况下互调对基站覆盖半径影响
其次我们分析无源互调对已存在某种干扰基站覆盖范围影响，假设一GSM室内分布系统存在同频干扰，且该同频干扰使基站收信机灵敏度下降3 dB，即从-109 dBm降低为-106 dBm，计算过程如表2所示。

同样图3给出存在同频干扰情况下，无源互调对基站覆盖范围影响。

从图3可以看出，由于其他干扰存在一定程
度减轻互调干扰对接收灵敏度影响，相比而言，无源互调对室内分布系统覆盖范围影响降低，同样-140 dBc@2×43 dBm无源互调情况下，覆盖半径缩小47.3%，远低于理想基站57.5%。

图3 同频干扰情况下互调对室内分布系统覆盖半径影响
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影响范围，可以清楚发现，无源互调对室内分布系统覆盖范围有较大影响，尤其是当天线无源互调指标低于-140 dBc@2×43 dBm。

对于已存在某种干扰导致灵敏度下降的分布系统，无源互调对覆盖范围的影响度降低，其中干扰越严重，带来灵敏度下降越严重，此种情况下无源互调对覆盖范围的影响度减小。

表2 同频干扰室内分布系统覆盖范围计算参数数值代号GSM Tx信机下行功率
40 dBm a DAS互调指标(dBc)-140 dBc@2×43 b DAS互调指标(dBm)-97 dBm c=b+43 DAS无源互调电平 -106 dBm d=c-3×(43-40)GSM Rx信机无源互调功率PIM3 -106 dBm e=d热噪声频谱密度 -174 dBm/Hz f热噪声带宽 53 dB
g=10lg(2×105)收信机噪声系数 5 dB h DAS损耗 35 dB i收信机热噪声 -116 dBm j=f+g+h基站收信机同频干扰电平 -116 dBm k接收机噪声+PIM3+同频干扰 -105.2 dBm l=10lg(10e/10+10j/10+10k/10)收信机信噪比Eb/Nt 9 dB m DAS天线增益 2 dBi n DAS接收灵敏度 -63.2 dBm o=l+m-n+i GSM手机天线
口最大输入功率 33 dBm p GSM手机天线最大增益 -5 dB q GSM手机最大等效
全向辐射功率(EIPR)28 dBm r=p+q阴影衰落 10 dB s多径衰落余量 6 dB t墙体损耗 3 dB u总衰减余量 19 dB v=s+t+u最大链路损耗 72.2 dB t=r-o-v最大小
区半径 11.2 v=10(t-41.5)/28
参考文献
[1]王辉球. 无源互调问题的初步研究[R]. 西安：航天工业总公司504研究所，1997.
[2]章坚武. 移动通信[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2007.
[3]Laiho J, et al. Radio Network Planning and Optimisation for
UMTS[M].Wiley & Sons, 2006.。