使用实时频谱分析(RTSA)应对外场射频和微波干扰的挑战

应对外场射频与微波干扰的挑战使用实时频谱分析

本应用指南介绍了使用实时频谱分析 (RTSA) 克服外场射频和微波干扰问题的实用方法。了解商用和航空航天与国防 (A/D) 行业无线通信网络遇到的各类干扰。揭示传统干扰分析的缺点，详细解释 RTSA 的原理，以及为什么需要 RTSA 分析来诊断猝发信号和偶发信号给当今网络带来的干扰问题。

目录

• 引言 -  3
• 回顾射频和微波干扰问题 -  3
• 无线干扰的挑战 -  3
• LTE 网络中的干扰问题 -  3
• 微波回程干扰问题 -  4
• 5G 信号和潜在干扰 -  5
• 航空航天与国防 (A/D) 和公共安全领域的干扰问题 -  5
• 公共安全/双向无线通信中的干扰问题 -  6
• 卫星地面站的干扰问题 -  6
• 传统干扰分析方法面临的问题 -  7
• 频谱分析仪接收机体系结构概述 -  8
• 扫描调谐接收机 -  8
• 快照式 FFT 接收机 -  9
• 实时频谱分析仪 (RTSA) -  9
• RTSA 信号流和数据处理 -  10
• RTSA 的关键性能指标 -  11
• RTSA 可以极大地提高解决干扰问题的效率 -  13
• 同道干扰 -  13
• LTE 上行链路操作验证和干扰 -  15
• 减轻或消除干扰的措施 -  16
• 在外场执行精准测量 -  17
• 结论 -  18

引言

随着通信网络中采用的无线技术越来越多，不可避免会产生干扰问题。无论是何种类型的网络，系统噪声都会影响网络性能。噪声可以自内部或外部产生。管理干扰的水平决定了服务品质。例如，控制 LTE 网络中的上行链路噪声可以显著改善网络性能。在企业无线局域网 LAN 中，适当的信道分配和复用可以确保网络达到预定的连接速度；而卫星地面站中优化的天线位置/方向图则有助于增强各种气象条件下的通信可靠性。

为了检测要求严格的信号以及诊断网络问题，测试人员在外场必须拥有实时信号分析 (RTSA) 能力。在本文中，我们将介绍各种网络中可能遇到的干扰、RTSA 技术及其关键性能指标，并探索可以诊断和解决雷达、电子战 (EW) 和通信网络中干扰问题的应用。

回顾射频和微波干扰问题

无线干扰的挑战

商用数字无线网络面临的一大难题是如何在可用频谱内提供尽量高的容量。在这一设计目标的推动下，业界着手实施更严格的频率复用和更广泛的信道部署。由于蜂窝站点相互之间非常接近，并且基站同时发射信号，因此在下行链路（从基站到移动设备的方向）上产生了非常大的噪声。移动天线下行链路上的这种较大噪声会导致移动设备增大输出功率，以克服该噪声的影响。这反过来又会导致基站天线上行链路（从移动设备到基站的方向）的噪声增加。基站收发信机 (BTS) 天线上的噪声过大，会使得蜂窝基站的容量下降。这些情况都属于网络内部干扰。

除了内部干扰之外，外部干扰也变得越来越普遍。造成外部干扰的原因主要是网络运营商之间的保护频带过小，欠缺网络规划和网络优化，以及非法使用频谱。

LTE 网络中的干扰问题

LTE 网络受到噪声的很大限制。它的频率复用比为 1，这意味着每个蜂窝站点使用同一个频道。LTE 网络要想正常运行，必须采用复杂而高效的干扰管理方案。在下行链路上，LTE基站依靠来自移动设备的信道质量指示符 (CQI) 报告来估计覆盖区域内的干扰。CQI衡量的是下行链路信道或某些资源块上的信号干扰比。根据这个重要信息，基站可以调度带宽并确定向移动设备提供的吞吐量。干扰既包括蜂窝站点内部产生的噪声，又包括外部发射机产生的干扰。如果下行链路上有外部干扰，那么 CQI 就会下降，需要重新传输数据，从而导致网络速度大幅下降。下行链路干扰是最难处理的问题之 一，因为基站不会直接反馈表示存在干扰。

在 LTE 干扰管理中，由于服务小区和相邻小区共享同一频道，因此精确的功率控制非常重要。网络需要尽量降低小区边缘的干扰，同时还要为边缘用户提供足够的功率，使其可以获得出色的服务质量。LTE 基站在小区中心在整个频谱上提供较低功率。在小区边缘，它会分配较少的资源块（子载波），但会提供更大功率（图 1）。这种方法改善了小区的整体吞吐量并将干扰降至最低。无论系统的信道带宽是多少，LTE 控制信道始终位于信道的中心，带宽为 1.08 MHz。关键的下行链路控制信道包括主同步信道、辅同步信道和广播信道。主同步信道和辅同步信道将移动设备与小区同步，并解码系统信息。靠近 LTE 信道中心的窄带干扰主要会影响移动设备的同步过程，有时也会阻塞整个小区。例如，某些模拟 700 MHz FM 无线麦克风就很容易阻塞 LTE 小区，因此美国联邦通信委员会 (FCC) 禁止使用这些麦克风。

微波回程干扰问题

全球大约 50%的基站通过微波无线信号进行回程信号传输。随着微波千兆以太网的最新发展，将微波无线信号用作 4G/LTE 部署的回程方案颇具吸引力。与其他无线技术一样，这种网络也始终存在着干扰。对于微波无线电网络而言，主要的干扰来自以下领域。

反射和折射

在移动网络中，微波无线电台广泛用于建立点对点连接和城区内的部署。如果传输路径被阻塞，信号会发生回弹，损失一部分传播给远程接收机的能量，这种情况称为反射；信号弯折并改变方向则形成折射。这两种情况都会造成系统中断。

免许可频段上的干扰

近年来，移动回程广泛采用了点对点以太网微波链路，它们不仅操作方便，而且成本较低。点对点微波链路可以在许可或免许可频段上运行，如 5.3 GHz、5.4 GHz 和 5.8 GHz。在免许可频段中，系统中断更多地与干扰有关。这些频段非常接近 802.11n 或 802.11ac 无线局域网 (WLAN) 所使用的频率，因此我们看到这两个系统之间开始出现干扰。例如，当 5.8 GHz 微波无线电台附近有 WLAN 在工作时，WLAN 可能会提高微波无线电台接收机的功率电平，这会使微波无线电台误认为自己需要降低链路上的发射功率，因此不会发射足够的功率来维持所需的实际信号电平，从而造成中断。

5G 信号和潜在干扰

5G 部署极大地扩展了无线通信使用的频段。当前的蜂窝频段 (< 2 GHz)、中频段（3.5 至 4.5 GHz）和毫米波频段 (> 24 GHz) 都可供 5G 使用。

这是地面通信第一次使用毫米波频段，因此给部署带来了独特的挑战。第三代 合作伙伴计划 (3GPP) 标准机构将 6 GHz 以下频段称为频率范围 1 (FR1)，将 24 GHz 以上的毫米波频段称为频率范围 2 (FR2)。5G 信道带宽从 10 MHz 到 400 MHz 不等，可以提供灵活的信道分配并支持不同的业务，例如超低时延和移动宽带通信。

除了 FR1 和 FR2 工作频段之外，5G 还引入了独立组网 (SA) 和非独立组网 (NSA) 两种部署模式。独立组网模式意味着 5G 网络完全独立运行；从空中接口的角度来看，用户设备 (UE) 或移动设备只在 5G 网络上交换控制信息和流量信息。虽然独立组网模式支持 5G 的全部优势，但用它来搭建 5G 网络的成本也最高。与之相反，非独立组网部署模式会尽量利用现有的 LTE 网络，让 LTE 充当网络锚点。控制信道位于 LTE 网络上，用户设备也支持 5G。用户设备在 5G 数据信道上发送和接收流量，如果 5G 无法提供足够的覆盖范围，那么用户设备会退回到 LTE。在 5G 部署的初始阶段，非独立组网模式更加可靠，而且比独立组网模式更早支持无线运营商提供 5G 业务。当然，在非独立组网模式下，如果 LTE 网络受到干扰或破坏，5G 网络也同样会受到影响。

航空航天与国防 (A/D) 和公共安全领域的干扰问题

大多数常见的航空航天与国防通信系统包括卫星、雷达、电子战系统以及安全通信（公共安全）网络。随着商用和航空航天与国防领域的无线技术迅猛发展，越来越多的干扰也蔓延到了航空航天与国防系统中。为了解决这些问题，航空航天与国防系统向更高频率转移，部署更窄的雷达脉冲，并采取高度加密的数字无线系统进行通信。

这些技术手段可以抵御外部干扰，但它们也会加大外场故障诊断的难度。有效维护航空航天与国防通信系统需要使用新的工具和测量方法。

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