WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析

1/1/2008来源:无线技术人气:10007

  随着中国移动集团“随e行”WLAN工程的建设开展,WLAN与GSM室内覆盖双网合路技术逐步得到应用。

    该方案的技术优势在于能降低网络建设成本,减少工程安装量,缩短工程建设周期,提高网络建设质量等方面。本文主要针对双网合路的要害技术点进行基本分析。

    2、合路技术原理

    2.1概念

    双网合路的技术思路,是将WLAN的无线射频信号通过合路器馈入GSM室内覆盖系统,各频段信号共用天馈进行覆盖,如图1所示。在天馈系统无源器件无法满足合路频段要求,或由于天线安装位置不合理导致无法达到预定信号覆盖强度等情况下,可对原有天馈系统进行扩频或结构改造,以实现双网(GSM、WLAN)或多网(如GSM、3G、WLAN)合路。图1说明,G网、3G网和WLAN之间并不存在直接的相互关系,只是通过合路单元(多频合路器)实现射频信号共用天馈传输。

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图一)

    图1  双/多网合一原理图

    2.2合路频段范围与元器件要求

    在进行双网合路之前,应确定原有GSM覆盖系统中所有无源器件及天线的频段范围是否满足并网要求,现行各运营商系统的网络频段使用如表1所示:

    表1  运营商网络频段表

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图二)

    与双网合路有关的元器件主要包括合路器、功分器、耦合器、天线等,另外影响合路效果的器件还有天馈线、馈线接头,相同的器件对不同频段射频信号通过造成的插损和线路损耗均不同,对于WLAN的2.4G高频信号造成的影响最大。

    2.3合路要害设备

    (1)合路器

    合路器对电磁波信号进行过滤,让需要的信号通过,抑制不需要的信号,再将信号合成一路,同样的,也可以把宽带信号分离成多路,其特性可以用以下指标来描述:

    ◆通带工作频段:即滤波器答应通过电磁波的频率范围;

    ◆通带插入损耗:由于系统中增加了滤波器,会对系统信号造成一定的衰减,通带插入损耗(简称插损)度量了损耗的幅度,一般希望损耗越小越好;

    ◆阻带抑制度:理想的滤波器是矩形的,通带内的信号全部通过,通道外的信号全部过滤掉,但实际情况是,只能过滤掉一部分能量,阻带抑制度反映了对过滤信号的衰减幅度,通常也称为通道外抑制;

    ◆端口驻波比:端口驻波也是衡量滤波器性能的一个要害指标,反映滤波器件与系统中其它部件的匹配程度;

    ◆回波损耗:从概念上指的是一种损耗,实际上,它测量的是传输信号被反射到发射端的比例。

    现在,工程采用的合路器(以京信公司生产的合路器COM-CLNN00为例)可用于GSM、DCS/3G、WLAN四网合一,其中将800MHz~960MHz和1710MHz~2170MHz合成一路,再与2400MHz~2500MHz并联合路,如图2所示:

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图三)

    图2  合路器原理

    我们先算相对带宽:

    对于800~960MHz,CW1=△f/f01=160/880=0.182;

    对于1710~2170MHz,CW2=△f/f02=460/1940=0.24;

    对于2400~2500MHz,CW3=△f/f03=100/2450=0.041。

    对于同轴腔型式的滤波器,0.2%~4%的相对带宽便于实现,因为合路器前二路相对带宽达20%,故而采用梳状滤波器型式,为统一起见,三路滤波器均采用梳状结构。

    在滤波器的设计中,按不同的频域或时域特性要求,可分为巴特沃斯(Butterworth)型、切比雪夫(Chebyshev)型、贝塞尔(Bessel)型和椭圆型等标准型,以及仿真和实验相结合所得出的非标准型。相同的电路,选取不同的R、C参数可实现不同的类型。巴特沃斯型要求传递函数中分母采用巴特沃斯多项式。这种滤波器具有最平坦的通带幅频特性。若传递函数中分母采用切比雪夫多项式,则为切比雪夫型,其特点是通带内增益有起伏(纹波),但这种滤波器的通带边界下降快。贝塞尔型通带边界下降较缓慢,但其相频特性接近线性。椭圆型的滤波特性很好,但电路复杂,元器件选择困难,实现难度大,故不予采用。非标准型与标准型相比并不拘泥于经典型式,仿真和实验相结合也可以得到基于非凡要求的滤波效果。考虑到指标要求通带纹波较小、带外抑制高、插入损耗小等特点,我们采用切比雪夫式小纹波低通原型滤波器,结构采用高Q值的梳状腔体。

    (2)WLAN功率放大器

    由于合路以后WLAN系统信号直接馈入GSM室内信号分布系统,因此由多系统共用天线对用户区进行覆盖,但是,由于AP发射功率有限,在天馈系统中经过层层分支后,信号到达末端时功率不足会成为制约双网合路应用的一个因素。为了使单个AP的信号覆盖更大区域,工程中需要采用WLAN功率放大器,将AP信号放大。WLAN功率放大器的原理图如图3所示:

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图四)

    图3  WLAN功率放大器原理框图


    图中:下行信号通过功放模块(PA)和收发转换开关(T/RSW)到达天线;上行信号通过天线接收以后,经过收发转换开关(T/RSW)进行低噪声放大器(LNA)放大到达AP。一般设计时在收发转换开关(T/RSW)和天线之间增加带通滤波器(BPF),可以滤除部分由于有源器件自身导致的带外信号或噪声。

    3、合路接入点技术

    3.1简单直接合路接入

    图4是最简单的合路方式,AP设备通过本身的射频输出直接注入天馈系统,按照国家无委对2.4G频段设备的功率限制要求,AP最大输出一般为100mW(20dBm),由于功率有限,因此简单直接合路方式只适用于天馈系统比较简单的方案,或者在天馈的支路末梢进行合路。

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图五)   

图4  简单直接合路接入

    3.2增加功放合路接入

    为保证天馈系统有足够的2.4G频段信号功率注入,可通过WLAN功放增强AP的信号输出。目前市场可提供的2.4G功放产品有500mW、1W、2W、4W和5W等规格,另外厂家可根据市场的需要定制更高规格的设备。

    3.3非凡信号合路接入

    在天馈系统中碰到GSM或3G功率放大器存在的情况下,首先需要将原来含有GSM、ISM和3G三路信号的射频进行分路,并对分路之后的WLAN信号进行独立放大,再通过合路器重新合路。在这里可以采用将合路器倒置使用的方法,进行信号分路,如图5所示:

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图六)

    图5  增加功放合路接入(1)

    为建少AP数量,降低设备投资,净化信道环境,减少信道干扰,并扩大单个AP的信号覆盖范围,可采用跨支路进行多重合路的技术,如图6所示。采用该合路方式,避免了主干合路技术造成的不利因素影响,可作为主干合路的替代方式之一。

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图七)

    图6  非凡信号合路接入(2)

    WLAN应用还需考虑用户容量的问题,如商务活动密集的场所,需要使用多个AP进行信号覆盖。一般以30用户作为推算单个AP用户容量的经验值。如采用两个AP合路,可提供的用户容量是60。由于IEEE802.11b标准原理限定了同一区域只能有三路信道(1、6、11信道)共同覆盖,因此,不存在大于3个AP合路的方式。假如要进一步扩大用户容量,可采用支持802.11g标准的设备,该标准下单个AP最佳最大并发用户接入数是75。

    4、WLAN与GSM共用天馈信号影响分析

    4.1扩频干扰简析

    通常,扩频系统具有较强的抗干扰能力,而且抗干扰能力随着带宽的增加而加强,随着传输速率的增高而减弱。任何其他系统的离散型干扰对扩频系统而言都可化作噪声的增加从而转化成系统容量的下降(百分比)或覆盖区减小(百分比)。

    当一个窄带干扰信号进入扩频系统的信息频段时,由于其相关特性,系统将扩展窄带信号的功率谱使其降低到1/GP,而接收机将扩频编码信号扩展为GP倍。

    扩频增益GP为:GP=10lg(射频带宽/信息速率);

    对于WLAN系统而言,GP最大时为:GP=10lg(22/1)=13.4;

    GP最小时为:GP=10lg(22/11)=3。

    也就是说,当到达该扩频系统接收端的窄带离散型干扰的幅度接近扩频信号的2GP倍时,才会对其造成干扰。这意味着,WLAN系统只能承受高于有用信号3dB的干扰,否则,系统只能降低数据传输速率以增加抗干扰性。

    WLAN是一个DSSS系统,为了降低多个接入点引入的相互干扰,该标准将同时传输的信号分配到三个不同的频带,每个频带22MHz,其数据传输速率是可变的,从最低的1Mb/s到最高的11Mb/s,因此,该系统的扩频增益GP也是可变的,从13dB~3dB。而GSM系统无论是900MHz或者是1800MHz频段都采用TDMA制式,其载频传输方式是一种时分的突发脉冲,功率电平相对较高。这两个系统在室内信号分布系统内合路建设时,相互间存在较大的保护频段,且其工作频率间也不存在邻道、互调及谐波干扰。因此,主要是分析上行基站接收机的噪声增量是否影响系统的正常工作。

    4.2WLAN下行→GSM上行

    图7是共址时通常采用的合路器件,例如用京信公司的CM-CLNN00蜂窝,WLAN合路器。

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图八)

    图7  WLAN下行→GSM上行


    AP经放大器后输出功率30dBm;带外噪声电平-80dBc;合路器WLAN端口对GSM频段的带外抑制也是80dB。GSM通带宽相对WLAN系统的带宽增益为10lg(200k/22MHz)=-20dB。

    因此WLAN下行信号通过合路器耦合到GSM上行输入端的噪声电平为:

    30dBm-80dB-80dB-20dB=-150dBm

    可见,因WLAN下行信号对GSM上行信号的噪声增量甚微,可忽略不计。

    4.3GSM下行→WLAN上行

    GSM放大器输出最大功率电平+33dBm;GSM带外杂散-30dBm(即-63dBc);合路器GSM端口对WLAN频段的带外抑制60dB;WLAN系统扩频增益最低为3dB。因此,GSM下行信号通过合路器耦合到WLAN上行输入端的杂散电平为:

    -30dBm-60dB-3dB=-93dBm

    而WLAN/AP上行输入端口的信号功率电平通常为:

    -75dBm-16dB=-91dBm

    也就是说,它能承受-91dBm+3dB=-88dBm的干扰,与-93dBm相比,尚有5dB的余量。

    由于扩频增益将随着数据速率降低而增加,取3dB是最低的;GSM杂散电平-30dBm是设备指标值,并不表示在WLAN频段(2.4GHz频段)恰巧存在离散的杂散辐射。

    由于AP可能有多点接入,而GSM分路器来自于一个放大源,因此,从AP发出的WLAN信号可能会通过GSM分路路径而反馈到另一个AP一起发送而构成干扰,其路径如图8所示:

WLAN与GSM室内覆盖合路原理和干扰分析(图九)

    图8  WLAN信号经耦合系统的反馈

    图8中,实线表示正常信号路径,而虚线表示反馈路径。正常信号路径表明,在A点WLAN的AP2下行功率电平为:

    15dBm-1dB=14dBm

    其中,带内插损0.6dB+带内波动0.4dB=1dB;

    AP1通过GSM路径反馈至A点的干扰功率电平为:

    AP1放大器输出-H1合路器衰减指标值-G1耦合损耗-G1~G2馈线损耗-G2耦合度指标值-H2合路器衰减指标值+AP2放大器增益-H2插损=30dBm-80dB-6dB-2dB-15dB-60dB+15dB-1dB=-119dBm

    上述计算表明,由AP1通过GSM路径反馈至A点的干扰信号将比正常信号低:

    +14dBm-(-119dBm)=133dB

    因此,采用宽带合路器不需要在GSM的耦合器输出端加滤波器或单向环形器件。

    以上理论性的分析表明,WLAN与GSM系统完全可以在微蜂窝内共址建设。