WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析

2019-11-05 02:13:07

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供稿：網友

隨著中國移動集團“隨e行”WLAN工程的建設開展，WLAN與GSM室內覆蓋雙網合路技術逐步得到應用。

該方案的技術優勢在于能降低網絡建設成本，減少工程安裝量，縮短工程建設周期，提高網絡建設質量等方面。本文主要針對雙網合路的要害技術點進行基本分析。

2、合路技術原理

2.1概念

雙網合路的技術思路，是將WLAN的無線射頻信號通過合路器饋入GSM室內覆蓋系統，各頻段信號共用天饋進行覆蓋，如圖1所示。在天饋系統無源器件無法滿足合路頻段要求，或由于天線安裝位置不合理導致無法達到預定信號覆蓋強度等情況下，可對原有天饋系統進行擴頻或結構改造，以實現雙網（GSM、WLAN）或多網（如GSM、3G、WLAN）合路。圖1說明，G網、3G網和WLAN之間并不存在直接的相互關系，只是通過合路單元（多頻合路器）實現射頻信號共用天饋傳輸。

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖一）

圖1 雙/多網合一原理圖

2.2合路頻段范圍與元器件要求

在進行雙網合路之前，應確定原有GSM覆蓋系統中所有無源器件及天線的頻段范圍是否滿足并網要求，現行各運營商系統的網絡頻段使用如表1所示：

表1 運營商網絡頻段表

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖二）

與雙網合路有關的元器件主要包括合路器、功分器、耦合器、天線等，另外影響合路效果的器件還有天饋線、饋線接頭，相同的器件對不同頻段射頻信號通過造成的插損和線路損耗均不同，對于WLAN的2.4G高頻信號造成的影響最大。

2.3合路要害設備

（1）合路器

合路器對電磁波信號進行過濾，讓需要的信號通過，抑制不需要的信號，再將信號合成一路，同樣的，也可以把寬帶信號分離成多路，其特性可以用以下指標來描述：

◆通帶工作頻段：即濾波器答應通過電磁波的頻率范圍；

◆通帶插入損耗：由于系統中增加了濾波器，會對系統信號造成一定的衰減，通帶插入損耗（簡稱插損）度量了損耗的幅度，一般希望損耗越小越好；

◆阻帶抑制度：理想的濾波器是矩形的，通帶內的信號全部通過，通道外的信號全部過濾掉，但實際情況是，只能過濾掉一部分能量，阻帶抑制度反映了對過濾信號的衰減幅度，通常也稱為通道外抑制；

◆端口駐波比：端口駐波也是衡量濾波器性能的一個要害指標，反映濾波器件與系統中其它部件的匹配程度；

◆回波損耗：從概念上指的是一種損耗，實際上，它測量的是傳輸信號被反射到發射端的比例。

現在，工程采用的合路器（以京信公司生產的合路器COM-CLNN00為例）可用于GSM、DCS/3G、WLAN四網合一，其中將800MHz～960MHz和1710MHz～2170MHz合成一路，再與2400MHz～2500MHz并聯合路，如圖2所示：

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖三）

圖2 合路器原理

我們先算相對帶寬：

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

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

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

對于同軸腔型式的濾波器，0.2%～4%的相對帶寬便于實現，因為合路器前二路相對帶寬達20%，故而采用梳狀濾波器型式，為統一起見，三路濾波器均采用梳狀結構。

在濾波器的設計中，按不同的頻域或時域特性要求，可分為巴特沃斯（Butterworth）型、切比雪夫（Chebyshev）型、貝塞爾（Bessel）型和橢圓型等標準型，以及仿真和實驗相結合所得出的非標準型。相同的電路，選取不同的R、C參數可實現不同的類型。巴特沃斯型要求傳遞函數中分母采用巴特沃斯多項式。這種濾波器具有最平坦的通帶幅頻特性。若傳遞函數中分母采用切比雪夫多項式，則為切比雪夫型，其特點是通帶內增益有起伏（紋波），但這種濾波器的通帶邊界下降快。貝塞爾型通帶邊界下降較緩慢，但其相頻特性接近線性。橢圓型的濾波特性很好，但電路復雜，元器件選擇困難，實現難度大，故不予采用。非標準型與標準型相比并不拘泥于經典型式，仿真和實驗相結合也可以得到基于非凡要求的濾波效果?？紤]到指標要求通帶紋波較小、帶外抑制高、插入損耗小等特點，我們采用切比雪夫式小紋波低通原型濾波器，結構采用高Q值的梳狀腔體。

（2）WLAN功率放大器

由于合路以后WLAN系統信號直接饋入GSM室內信號分布系統，因此由多系統共用天線對用戶區進行覆蓋，但是，由于AP發射功率有限，在天饋系統中經過層層分支后，信號到達末端時功率不足會成為制約雙網合路應用的一個因素。為了使單個AP的信號覆蓋更大區域，工程中需要采用WLAN功率放大器，將AP信號放大。WLAN功率放大器的原理圖如圖3所示：

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖四）

圖3 WLAN功率放大器原理框圖

圖中：下行信號通過功放模塊（PA）和收發轉換開關（T/RSW）到達天線；上行信號通過天線接收以后，經過收發轉換開關（T/RSW）進行低噪聲放大器（LNA）放大到達AP。一般設計時在收發轉換開關（T/RSW）和天線之間增加帶通濾波器（BPF），可以濾除部分由于有源器件自身導致的帶外信號或噪聲。

3、合路接入點技術

3.1簡單直接合路接入

圖4是最簡單的合路方式，AP設備通過本身的射頻輸出直接注入天饋系統，按照國家無委對2.4G頻段設備的功率限制要求，AP最大輸出一般為100mW（20dBm），由于功率有限，因此簡單直接合路方式只適用于天饋系統比較簡單的方案，或者在天饋的支路末梢進行合路。

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖五）

圖4 簡單直接合路接入

3.2增加功放合路接入

為保證天饋系統有足夠的2.4G頻段信號功率注入，可通過WLAN功放增強AP的信號輸出。目前市場可提供的2.4G功放產品有500mW、1W、2W、4W和5W等規格，另外廠家可根據市場的需要定制更高規格的設備。

3.3非凡信號合路接入

在天饋系統中碰到GSM或3G功率放大器存在的情況下，首先需要將原來含有GSM、ISM和3G三路信號的射頻進行分路，并對分路之后的WLAN信號進行獨立放大，再通過合路器重新合路。在這里可以采用將合路器倒置使用的方法，進行信號分路，如圖5所示：

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖六）

圖5 增加功放合路接入（1）

為建少AP數量，降低設備投資，凈化信道環境，減少信道干擾，并擴大單個AP的信號覆蓋范圍，可采用跨支路進行多重合路的技術，如圖6所示。采用該合路方式，避免了主干合路技術造成的不利因素影響，可作為主干合路的替代方式之一。

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖七）

圖6 非凡信號合路接入（2）

WLAN應用還需考慮用戶容量的問題，如商務活動密集的場所，需要使用多個AP進行信號覆蓋。一般以30用戶作為推算單個AP用戶容量的經驗值。如采用兩個AP合路，可提供的用戶容量是60。由于IEEE802.11b標準原理限定了同一區域只能有三路信道（1、6、11信道）共同覆蓋，因此，不存在大于3個AP合路的方式。假如要進一步擴大用戶容量，可采用支持802.11g標準的設備，該標準下單個AP最佳最大并發用戶接入數是75。

4、WLAN與GSM共用天饋信號影響分析

4.1擴頻干擾簡析

通常，擴頻系統具有較強的抗干擾能力，而且抗干擾能力隨著帶寬的增加而加強，隨著傳輸速率的增高而減弱。任何其他系統的離散型干擾對擴頻系統而言都可化作噪聲的增加從而轉化成系統容量的下降（百分比）或覆蓋區減?。ò俜直龋?。

當一個窄帶干擾信號進入擴頻系統的信息頻段時，由于其相關特性，系統將擴展窄帶信號的功率譜使其降低到1/GP，而接收機將擴頻編碼信號擴展為GP倍。

擴頻增益GP為：GP=10lg（射頻帶寬/信息速率）；

對于WLAN系統而言，GP最大時為：GP=10lg（22/1）=13.4；

GP最小時為：GP=10lg（22/11）=3。

也就是說，當到達該擴頻系統接收端的窄帶離散型干擾的幅度接近擴頻信號的2GP倍時，才會對其造成干擾。這意味著，WLAN系統只能承受高于有用信號3dB的干擾，否則，系統只能降低數據傳輸速率以增加抗干擾性。

WLAN是一個DSSS系統，為了降低多個接入點引入的相互干擾，該標準將同時傳輸的信號分配到三個不同的頻帶，每個頻帶22MHz，其數據傳輸速率是可變的，從最低的1Mb/s到最高的11Mb/s，因此，該系統的擴頻增益GP也是可變的，從13dB～3dB。而GSM系統無論是900MHz或者是1800MHz頻段都采用TDMA制式，其載頻傳輸方式是一種時分的突發脈沖，功率電平相對較高。這兩個系統在室內信號分布系統內合路建設時，相互間存在較大的保護頻段，且其工作頻率間也不存在鄰道、互調及諧波干擾。因此，主要是分析上行基站接收機的噪聲增量是否影響系統的正常工作。

4.2WLAN下行→GSM上行

圖7是共址時通常采用的合路器件，例如用京信公司的CM-CLNN00蜂窩，WLAN合路器。

WLAN與GSM室內覆蓋合路原理和干擾分析（圖八）