湖南國網230 MHz專網干擾分析及解決方案

蘇 雷，陳小惠，劉 洋，趙 兆，蔡汝婷

（國網湖南省電力有限公司信息通信分公司，湖南 長沙 430004）

1 230 MHz頻段干擾分析

在230 MHz網絡建設實踐中，使用專業設備檢測環節中的無線電頻率分布，采用基站進行信號采樣分析等手段，對230 MHz的空口環境進行深入的評估，發現該頻段主要存在兩大類干擾：窄帶鄰頻/同頻干擾，以及覆蓋230 MHz全頻段的寬頻干擾，并對干擾的來源和特征進行了分析。

公網工作頻段高，一般不會受到類似的干擾。此外，公網不同網絡間一般都有保護帶，目的就是要保證系統間的隔離度，盡量減小相互間的干擾。尤其針對制式不同的網絡，在網絡建設時需要保證站點物理空間的隔離度。但230 MHz頻段載波間無保護帶，異系統間載波穿插，設備需要更強的帶外抑制以及抗干擾能力。

1.1 窄帶干擾

窄帶干擾主要來自窄帶通信設備。根據干擾源信號中心頻點與IoT-G 230 MHz頻譜之間的相互關系，窄帶干擾又可進一步分為同頻窄帶干擾和鄰頻窄帶干擾。

同頻窄帶干擾主要來自非法窄帶通信設備，常見的有非法數傳電臺。其在IoT-G 230 MHz的授權頻段占用部分載波進行數據收發，對IoT-G 230 MHz的上行或下行數據傳輸造成強干擾。

鄰頻窄帶干擾主要來自工作于IoT-G 230 MHz相鄰載波的窄帶通信系統。電力行業230 MHz專網的頻譜為梳狀離散頻譜，其間穿插水利、農業等其他行業的通信載波。因為鄰道泄露以及接收機的非線性，鄰頻異系統對IoT-G 230 MHz會產生干擾。

從理論上看，數傳電臺發射功率在城區為5 W（37 dBm），與230 MHz無線專網基站間有隔離距離，將會有較大的傳播損耗。在實際組網中，基站與數傳電臺間普遍在500米以上。按照500米計算，自由空間傳播損耗為73.6 dB。由于230 MHz波長較長，視線即使沒有遮擋，其路徑上的第一菲涅爾區也會被遮擋，實際傳播損耗比自由空間損耗大10 dB以上，所以這時傳播損耗將達到83.6 dB以上，這樣數傳電臺功率到達230 MHz無線專網基站的功率將低于37-83.6=-46.6 dBm，增加遮擋損耗功率會進一步減少至少10 dB，即低于-55 dBm，這與前面實際測試到的值一致。所以，無論基站與數傳電臺間視線是否有遮擋，到達基站的干擾均低于華為設備允許的鄰道干擾功率-45 dBm，這樣當系統部署在這些受干擾頻點的鄰道及其他頻點時，系統性能所受影響可以忽略。

對于數傳電臺干擾，湖南現網近300小區統計的TOP10干擾強度結果如表1所示。

表1 干擾明細表

1.2 寬頻干擾

1.2.1 230 MHz平均寬頻干擾底噪比理論值高20 dB以上

在不同的時間地點、頻率，進行干擾統計分析，具體情況（參考表1）如下。

（1）密集城區、一般城區、郊區的所有小區，對于223～235 MHz的12 MHz頻段，范圍內的所有頻點，上午平均環境干擾底噪比理論值高20 dB左右。

（2）相比郊區，密集城區干擾底噪升高約5 dB以上。

（3）通常夜間干擾底噪高于白天的干擾底噪。

（4）終端收到的下行干擾信號主要來自附近視距干擾源；部分基站因天線安裝位置高，受到的干擾信號相比位置較低基站增加明顯，上行較下行干擾大約5 dB左右（見表2）。

表2 不同區域全頻段上行干擾平均值

某城區小區不同時間、頻點的上行干擾統計：（頻點與系統載波編號的換算關系為頻點（MHz）=230+0.025×（載波編號+1））

1.2.2 寬頻干擾將會在230 MHz頻段長期存在

經排查定位，發現干擾主要來自各種LED電子屏、電子廣告牌、電子銘牌以及射燈或照明燈。LED廣告燈的電源裝置的工作原理如下。

（1）使用普通脈沖寬度調制（PWM，Pulse-Width Modulation）的開關電源，作為前級低壓直流電源，頻率范圍約為幾十千赫茲。

（2）采用斬波方式進行后級低頻脈沖寬度調制，以調節占空比的方式來調節LED燈具的亮度。此部分電路沒有統一標準，導致各廠家自行開發的開關頻率差異較大，頻率范圍從數百赫茲到幾十千赫茲不等。

（3）在脈沖寬度調制工作方式中，斬波過程中會產生高次諧波，對其他弱電系統產生干擾，影響其他設備的正常工作。此外，由于電源裝置中的整流電路和電容濾波電路會使工頻電流發生畸變，產生的低次諧波會對電網造成污染，影響其他電氣設備正常運行。LED干擾源分布普遍，無法實現徹底清除，因此高頻干擾底噪將會在230 MHz頻段長期存在（見表3）。

表3 典型干擾源及其干擾強度

1.2.3 高頻干擾底噪導致小區覆蓋半徑收縮至原來的30%，上行瓶頸更加凸顯

230 MHz頻段上下行干擾的大幅抬升，嚴重影響了小區覆蓋范圍，單站覆蓋面積將收縮到原來的10%。小區覆蓋上行受限，即使在無干擾情況下，下行速率大于上行速率，當上行速率受干擾程度增強時，上、下行速率差距會進一步擴大，因此，基站天線可以采用改變安裝位置、改變方向角等措施來降低下行受干擾的影響程度。綜上所述，上行干擾問題是決定小區覆蓋提升效果的關鍵（見圖1）。

圖1 上下行覆蓋差距進一步加大，上行瓶頸更加凸顯

2 抗鄰頻窄帶干擾方案

華為基站和終端的高性能濾波器通過對鄰頻信號的有效抑制（衰減），將因接收機非線性引發的、鄰頻信號造成的干擾最大限度地降低，其原理如圖2所示。

圖2 濾波器鄰道抑制原理

3 抗同頻窄帶干擾方案

3.1 方案原理（見圖3）

圖3 跳頻算法原理

在230 MHz無線專網基站的工作頻率內，通信模組使用的子載波每10 ms即進行隨機改變。通過跳頻模式，使終端受到的長時間連續窄帶干擾變為隨機不連續干擾。此外，采用10 ms超短周期，可以有效降低平均干擾水平，有效抑制短時隨機窄帶干擾。同時，基于業務數據承載的需要，可采用單載波或多載波聚合的通信模式。在230 MHz無線專網終端通信模組中，有單載波獨立跳頻和多載波分組跳頻兩種工作模式。單載波獨立跳頻，即以單個載波為單位進行跳頻；多載波分組跳頻，即以終端所分配到的多個載波綁定為一組為單位進行跳頻。

3.2 測試驗證結果

通過實驗室加載同頻窄帶干擾測試可知，跳頻開啟后SINR可獲得1～2 dB增益。

3.2.1 測試場景和方法

⊙ 基站小區工作帶寬，40×25 kHz，物理頻點編號1～40。

⊙ 模擬干擾持續窄帶干擾，加載于6號和18號物理載波上，干擾載波比例為5%。

⊙ 跳頻關閉時，終端固定在4～7號載波上收發數據。

⊙ 觀測跳頻算法生效前后的SINR和吞吐量。

3.2.2 測試結果（見表4）

表4 跳頻增益測試結果

4 抗寬頻干擾方案

基于對寬頻干擾場景以及特征的詳細分析，華為公司研發團隊經過嚴謹的方案評估和選型，憑借在無線抗干擾以及網絡規劃和優化領域的多年積累，最后采用在上行側使用超高頻濾波器組干擾抑制算法（VFAIR）進行噪聲抑制；下行使用用用戶級別功率控制算法（UBPC）來加強指定用戶的信號強度[1]。經測試驗證，抗干擾解決方案大幅提升了網絡覆蓋范圍和邊緣用戶速率。對于個別干擾過強站點，可輔以網優工程手段進行點對點降干擾措施，但復雜度相對較高，效率較低。

4.1 上行抗干擾方案

4.1.1 方案原理

利用兩收天線空間相關性，VFAIR算法用于基站上行側，在最大化提高有用信號質量的同時，將收到的強干擾信號降低至最小（見圖4）。

圖4 VFAIR原理圖

基站雙天線收到的兩路信號y1和y2分別是：

式中，s是用戶側發出的信號；h1和h2是終端到基站2天線的信道響應；h3和h4是噪聲源到基站2天線的信道響應；I是噪聲源發射出的信號；n1和n2是接收天線收到的噪聲?？梢酝ㄟ^收到的信號y1和y2的配合檢測將干擾I去除[2]。

具體而言，是終端發送信號s的信號估計值，則可以用下式表示：

W是需要通過均衡算法獲得的矩陣：

對于空間白噪聲場景，矩陣只有對焦元素，而對于寬頻干擾這樣的空間有色干擾噪聲場景，存在非對角元素：

在使用上行VFAIR算法時，方向和干擾正交，干擾在方向上的投影最小，實際考慮底噪的影響會有一些變化（見圖5、圖6）。

圖5 上行VFAIR（通過矩陣分解將有用信號和干擾信號分解到與干擾信號正交的W信道上以此降低干擾信號的影響）

圖6是開啟VFAIR前后的效果示意圖，可以看到開啟后干擾噪聲得到明顯抑制。

圖6 VFAIR開啟后效果示意

4.1.2 測試驗證結果

VFAIR的性能增益在湖南現網進行了測試驗證。湖南現網測試結果表明，在干擾強度為-98 dBm時，采用VFAIR覆蓋半徑提升64%，遠點用戶吞吐量提升超過70%。預計在干擾底噪抬升20 dB以上的實際環境中，95%的小區SINR增益可達3～7 dB。

4.1.2.1 測試地點

某市A站點。

4.1.2.2 測試場景和方法

⊙ 天線主覆蓋方向200 m范圍內有LED電子廣告屏；各方向上同時存在多種LED燈干擾源。

⊙ 增加一塊基帶板用于VFAIR算法相關處理。

⊙ 信號質量與速率測試方法：終端定點距離基站2.2 k m處。此時終端處于小區覆蓋遠點（-100～ -106 dBm），邊緣速率約為9.6 kbps，比較打開VFAIR前后信號質量和數據傳輸速率。

⊙ 覆蓋測試方法：干擾水平在-98 dBm下，拉遠終端直至上行速率降低到9.6 kbps，比較打開VFAIR前后的覆蓋。

4.1.2.3 測試結果

（1）信號質量和速率結果（見表5）。

表5 信號質量和速率結果

（2）-98 dBm干擾底噪場景下的小區覆蓋結果（見圖7）。

圖7 湖南現網覆蓋測試

4.2 下行抗干擾方案

4.2.1 方案原理

終端受限于單個天線，無法在下行側采用干擾抑制算法，因此，較合適的方式是采用增加有用信號功率的方式來降低噪聲。通過下行側的UBPC算法將未使用的載波上的有用功率集中到邊緣用戶的工作子載波上，從而達到成倍提升邊緣用戶的有效信號強度的目的（見圖8）。

圖8 下行UBPC原理

對于常用的雙端口基站，法律及規定要求單一設備的單載波最大信號功率不能超過33 dBm；對單端口基站，單用戶設備的單載波發射功率不能超過30 dBm。華為基站是雙端口設計，UBPC在華為基站上能獲得比單端口基站多3 dB的增益。

4.3 網優工程方案

4.3.1 方案原理

干擾來源具有方向性，在不影響覆蓋效果的前提下，可通過調整方位角來減少外部干擾的影響。如圖9所示，干擾源在方位2相比干擾源在方位1的干擾強度低13.3 dB。但是在實際環境中往往還存在其他干擾源，另外天線角度的調整還受到小區覆蓋要求的限制，采用調整天線方位角的方式，預計可帶來4～9 dB的信號增益提升。

圖9 方位角調整原理

4.3.2 測試驗證結果

在湖南現網選擇兩個小區進行了摸底測試。

步驟1：使用頻譜儀+定向天線定位干擾源，均為大型LED廣告屏。

步驟2：調整受到噪聲干擾小區天線的方位角，通過基站的空口統計數據分析研判底噪改善與角度的關系。

步驟3：在保證業務終端正常接入以及盡量少地影響覆蓋范圍的前提下調整天線方位角。

5 結束語

干擾230 MHz專網的因素眾多，本文詳細分析了針對干擾因素的解決方案，并進行測試驗證，以期為無線接入技術的發展提供理論支持及試驗技術數據指導。