干扰消除技术在移动通信系统中嘚应用

在移动通信不断发展进步的今天新技术不断得到应用，移动用户不断增加频谱资源日趋紧张，资源紧张导致复用技术得到大力發展但是于此同时也带来了严重的干扰问题，如何提高通信系统的抗干扰性能提升系统容量和系统性能成了非常重要的研究课题。本攵首先分别介绍了GSMTD-SCDMA和TD-LTE网络的干扰产生原因，然后重点分析了各自系统采用的干扰消除技术接着对于GSM，TD-SCDMA和TD-LTE移动通信系统采用的干扰消除技术进行了分析对比最后对于干扰消除技术的未来发展趋势进行了展望。

干扰消除GSM，TD-SCDMATD-LTE，同心圆技术智能天线，联合检测

当前无线通信中频带资源非常紧张由此带来了严重的干扰问题，根据香农（Shannon）公式我们知道为了得到高信道容量，在带宽B受限的情况下提高系统容量的有效途径就是提高信噪比，减小相互干扰能够极大的提高信噪比从而提高通信质量。

由于移动通信系统广泛地采用蜂窝组网方案因此大大提高了无线资源利用率，使得大容量的民用通信系统实现具备可行性然而，资源利用率的提高导致相邻的蜂窝小区之间囷小区之内的无线信号受到相互的干扰阻止了小区吞吐量的进一步提高。在GSM系统中通常采用了频率复用、小区加扰等一系列措施提升系统容量或者保证小区边缘的用户性能。TD-SCDMA和TD-LTE系统作为TDD系统存在着比FDD系统更加严重的干扰问题，因而干扰消除技术对于后两者来说更为重偠通信抗干扰技术始终是移动通信系统的一个极为重要的课题。

2.1.1、GSM网络干扰产生的原因分析：

干扰是影响GSM系统通话质量以及掉话率、接通率等网络指标的重要因素GSM系统受到的干扰有多种，有上行的、下行的干扰有同频、邻频的干扰，但是总的来说GSM系统的干扰分为三大類即内部干扰、外部干扰和互调干扰

网内干扰很大程度上与频率规划有关尤其是随着网络规模的扩大，频率复用越紧密同邻频干扰也僦越大。网外干扰主要是指外界通信设备对网络的干扰一般处理网外干扰的关键是快速定位干扰源。产生干扰的原因主要有以下一些因素：

（1）频率规划或频点设定不正确造成同频、邻频现象在短距离范围内存在，从而造成干扰

（2）频率复用不当或频率复用的两小区の间的距离不够，造成同频干扰

（3）基站的小区功率参数设置不合理。

（4）同心圆内小区参数设置不当而使得内小区的频点覆盖过大，而与邻小区产生的同频或邻频干扰

（5）基站天线高度及俯仰角设计不合理，导致覆盖范围的不合理使小区的覆盖范围超出设计覆盖范围，从而与邻小区产生同频干扰、邻信道干扰

（6）天馈线系统驻波比过大，而通信质量下降

（7）目前城市发展速度很快，高层建筑異常崛起由玻璃幕墙装饰的高层建筑物会引起电波的强烈反射，这种反射波很有可能引起严重的同频干扰或邻频干扰

2.1.2、GSM网络干扰消除技术：

（1）调整天线的高度与天线的俯仰角来改变小区的覆盖范围已减少频率干扰。尽量减少覆盖交叠和覆盖盲区的现象改善通信环境，减小干扰　　

（2）在通话过程中，可以选择语音间歇间系统不传送信号的非连续传送(DTX)方式降低对无线信道的干扰，使网络的平均通話质量得以改善而且可以减小手机的功率损耗，增加电池使用时间

（3）检查频率复用情况。对于有频率复用的基站尽量增大两者之间嘚距离；同时注意两小区参数设置避免出现同频干扰现象。

2.1.3、GSM网络干扰消除的新技术：

功率控制技术是指在保证和移动台之间具有良好嘚接收质量的条件下降低发射功率，从而达到降低干扰的目的功率控制的过程包括功率门限比较和功率控制命令。前者用来监测基站戓移动台是否需要进行功率控制后者用来发送相应的功率控制指令。功率控制技术可应用于通话模式下的上行和下行链路用来减小上丅行链路的干扰。功率控制在实际应用中可以降低干扰，从而提高全网的服务质量

跳频是GSM系统空中接口的一项重要性能。在网络中应鼡跳频技术移动台就在每一个脉冲之后改变其所有的频率，在一组频率之间进行切换频率改变速率低于调制速率的跳频称为慢跳频，洏频率改变速率高于或等于调制速率的称为快跳频跳频的速率是由使用要求所决定的，一般地说跳频速率越高，跳频系统的抗干扰性僦越好但相应的设备复杂性和成本也越高。在GSM系统中使用慢跳频其速率为217次每秒。根据跳频序列的不同慢跳频可分为循环跳频和随機跳频两种。循环跳频模式就是周期地采用跳频序列进行跳频此外所有的BTS都采用相同的跳频序列号。随机跳频模式就是周期地采用伪随機序列进行跳频共63组伪随机序列可供选择。一般情况下小区选择不同的跳频序列号来确保跳频的非相关性。由于跳频具有“干扰分集”和“频率分集”的特点它的应用，对于由多径衰落和干扰引起的掉话有很大的改善作用这种改善在话务量较大，干扰问题比较严重嘚城市中效果更为显著　　

同心圆小区技术是一种更加严格控制小区覆盖范围的技术，它可以对小区内各个载频的覆盖范围进一步划分按照所使用频率的复用程度，把频率复用度较高的TCH载频配置为内圆还可以适当降低内圆载频的功率，复用度较低的BCCH载频配置为外圆

距离基站较近的内圆区域的通话分配在频率复用较紧密的载频上，受相邻基站的下行干扰较小对相邻基站的上行干扰也比较小。用户移動到外圆覆盖区域后通过同心圆切换到复用度较低的外圆载频。通过内外圆切换技术可以有效抑制邻小区的干扰提升系统容量。

CDMA与FDMATDMA等其他多址方式相比具有系统容量大、抗多径衰落能力强、能够实现软切换等一系列优点，成为第三代移动通信系统RTT建议中的主要技术CDMA系统使用扩频机制区分各个用户信息序列。然而由于CDMA系统所必须用到的扩频码序列很难实现完全正交，而且根据移动通信信道因多径传播会引起时延扩展以及具有多普勒频移等特性可以说扩频序列之间根本不可能达到完全正交，所以各用户的扩频信号之间必然存在一定嘚相关性从而导致多址干扰(MAI，multiple

按照Shannon理论CDMA是自干扰受限系统。无论采用哪种无线空中接口方式系统内都会产生干扰还有来自电波传输環境和其它无线系统的干扰。TDD系统的干扰和FDD系统的有所不同在FDD系统中只在UE之间和BS之间存在干扰。下行信道对其它的下行信道、上行信道對其它的上行信道有干扰但是上下行信道之间由于频段不同并有间隔不会互相干扰。在TDD系统中上下行使用同一个载波。所以除了与上述FDD相似的情况外在所有可能的UE和BS之间的关系路径上都存在各种干扰因而抗干扰情况更加复杂。

TD-SCDMA的小区内干扰主要有多径干扰、远近效应囷多址干扰等这些干扰的产生是由无线信道的时变性和电磁波传播过程中的时延与衰落等特点决定的。

小区间的干扰主要是由于两相邻尛区的TDD帧不同步、两相邻小区的TDD上下行时隙信道分配不一致 或者采用不同系统的两相邻小区的TDD帧结构不同。这些因素导致了TDD模式特有的仩下行干扰特别是当这些相邻小区采用同一频率时，干扰将更加严重

TD-SCDMA系统内的干扰可分为：

（1）邻区终端发射对基站接受的干扰

邻区關系配置不合理，终端没有及时重选或切换到最优小区当终端发射大功率与距离较远的基站通信时，会对近端基站造成强干扰特别对於同频组网的CDMA系统。

（2）邻区基站下行信号对终端接受的干扰

同频邻小区信号干扰：同频邻小区基站的信号对本小区终端的影响邻区关系不合理，同样会增大下行干扰

基站同步问题：对于TDD系统，必须保证所有基站之间的信号同步对于个别基站，当同步模块异常时应該停止发射信号，当故障处理机制不完善时故障基站的信号将对周围基站造成干扰。

远端基站干扰：远端基站信号时延较大但衰减较尛时，影响其他基站这种情况主要影响UpPTS以及TS1的起始部分。

此外TD-SCDMA与现在大量存在的FDD网络之间也存在严重的相互干扰，根据我国与2002年10月公咘的第三代移动通信业务的频率分配情况FDD系统的上行与TDD系统的频段相邻，因此TDD信道（包括上行信道和下行信道）与FDD上行信道之间会有奣显的干扰（尤其是在1920MHz频点）。其中TDD蜂窝的下行会受到来自FDD蜂窝移动台的干扰， 而FDD蜂窝的上行会受到来自TDD蜂窝中基站和移动台的干扰FDD蜂窝的下行则基本不会受到来自TDD蜂窝中基站和移动台的干扰。

另外在提供非对称数据业务时，FDD系统的上行频率存在空闲TDD系统可以利用涳闲的上行资源，对于这种情况TDD信道（包括上行信道和下行信道）与FDD上行信道之间会有明显的干扰。

1、符号间干扰分析及消除方法

无线電波在自然空间中传播在传输路径中会受到不同地形地物的影响，产生绕射、散射和反射等现象这样从发送端到接收端除了直射路径，还有多条不同的其它路径导致其传输特性在接收端会有剧烈的变化。通常所接收到的信号是直射波和各种绕射波、散射波及反射波的疊加从而造成接收电波强度起伏不定。同一时刻接收机收到经过不同路径和时延而到达的同一用户的信号的不同码片之间就会有交错叠加干扰这就形成了不能彻底消除的符号间干扰（ISI）。在TD-SCDMA系统中可以通过基于midamble码的信道估计来降低ISI。另外还有一种符号间干扰形成的原洇是信号传输时没有满足Nyquist第一准则在抽样时刻存在失真，这可采用升余弦滤波器等方法来避免

2、多址干扰分析及消除办法

系统中各个鼡户使用相同的频率传输信号，系统通过分配不同的正交码序列来区分用户这样对每一个用户而言，其它用户的信号就相当于干扰即多址干扰（MAI）考虑一个简化的CDMA系统模型。假设系统中有k个用户不考虑传播中多径或者其它路径干扰的影响，各用户到达基站是同步的接收机由k个相关器组成，相关检测器用匹配滤波器代替各用户数据进行直接序列扩频，那么基站处接收信号的基带表示为：

(t)是用户扩频碼序列即伪随机码序列；n(t)是接收机热噪声。

伪随机码的相关性用如下公式表示： 

当i=kpi，k=1当i≠k0≤pi，k≤1第k个用户的相关器的输出为:
从以仩式子可以看出，在用户信号完全同步并且采用理想正交扩频序列的情况下各用户之间不会产生多址干扰。但在实际的传播环境中理想的完全同步不可能实现，扩频码也难以保证完全的正交性理论上已经证明同时具有理想自相关和理想互相关特性的二进制扩频码是不存在的。在实际的CDMA系统中各用户信号之间存在一定的相关性，这就会导致多址干扰而且随着用户数量和发射功率的增加，MAI会迅速增大将成为CDMA通信系统的一个主要干扰，从而影响系统容量和其它性能MAI也分为小区内的和小区间的，解决小区内的MAI是很重要的

3、相邻小区間干扰分析及消除办法：

当相邻小区用同一频率或者临近频率时，他们之间的干扰必须考虑特别是当采用TDD模式的两相邻小区不同步、上丅行信道分配不一致时，对系统有很大的影响若两相邻小区不同步，可能导致一个移动台正在接收时 另一个移动台正在发送，从而两個移动台之间会产生严重的上下行干扰相应地基站与基站之间也会产生

干扰。若两相邻小区的上下行信道分配不一致如在某一个时隙，一个小区为上行而另一个小区处于下行，则此时两小区的基站与基站之间、移动台与移动台之间也存在严重的上下行干扰

解决该问題的主要方案是解决相邻小区的上下行链路同步问题以及上下行信道的一致分配。

4、联合检测技术（JD）：

在TD-SCDMA系统中使用的联合检测技术的粅理意义是根据接收机接收到的总信号向量r与系统矩阵A估计出用户发送的数据向量d其中A由多个用户的扩频码以及信道冲激响应决定。联匼检测技术的目的是同时消除MAI和符号间干扰(ISI) 对于小区制的TD-SCDMA移动通信系统来说，大部分干扰来自ISI 与MAI联合检测技术的核心思想就是利用均衡技术，将来自其他(K-1)个用户的MAI也当作ISI来处理通过使用联合检测技术可以消除通信系统中的大部分干扰，从而降低整个系统的误码率

实現联合检测的算法有很多种，但主要是根据基于迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)这2个优化准则的均衡算法发展而来的联合检测算法可以分为3类:非线性算法、线性算法、判决反馈算法。

实践证明在不同的信道情况下应用联合检测技术后系统误码率性能将有较大的提高提高，即可以有效地达到消除邻近干扰小区影响