1.5 中继覆盖系统带来的电磁波干扰问题及对策

前面从基站覆盖需求的方面讨论了“移动中继覆盖系统”的必要性和必须实现的基本功能。然而世界上的任何事物都是矛盾的统一体，存在着正反两个方面的作用。在移动通信系统中，引入中继覆盖系统后，一方面解决了移动通信基站无线覆盖存在的阴影区和室内无线覆盖盲区问题，使得移动通信基站实现小区无缝全覆盖成为可能；另一方面，“中继覆盖系统”也给原有移动通信系统带来了新的一些问题。下面就讨论这些问题

1.5.1 重叠覆盖

由于实际的覆盖天线辐射波束形状不可能做到和遮挡阴影区的形状完全一样，即便采用了赋形天线设计方法也是如此，所以在阴影覆盖区与基站直接波覆盖区相连接的边沿处，或多或少都会出现“重叠覆盖”现象。如图1.9所示，在阴影区的上（下）边沿部分往往会出现一个重叠覆盖区。在这个重叠覆盖区内，同时存在基站直射波信号场强和中继覆盖信号场强，两个信号场强的大小也很接近，都能满足移动接收设备的接收电平要求。基站直接波信号和中继覆盖波信号是通过两个不同的传输路径到达同一区域的，实际上可以将它们看成人为形成的两个多径信号。在重叠区内，两条路径的两个信号相互干涉，导致重叠区内不同地点的场强变化起伏较大，影响通信传输效果。如图1.11所示为两种典型极化工作情况下的多径信号干扰情况。

图1.11（a）所示为相同极化工作时两条路径信号场强叠加的合成信号振幅变化示意图。图中表示了两个多径信号矢量“1”和“2”的相位差为0°、反相和90°时，合成信号场强矢量振幅“3”的变化情况。当信号“1”和“2”的相位相同时，合成信号的幅度最大，其幅度可达到单一路径信号场强幅度的2倍。当两路信号的相位反相时，两路信号将互相抵消，严重时可能出现全部抵消、信号为零的情况。两个相位差为90°的矢量信号的合成信号总是大于两个分矢量信号。为了克服重叠区内两条路径信号的互相干涉影响，最简单有效的方法是采用覆盖天线与基站发射天线极化相互正交的方式进行发射。这样可使重叠覆盖区中，两个不同路径的信号不会互相干涉，反而会互相补充。如图1.11（b）所示，两个极化正交的信号场强“1”和“2”的合成场强信号矢量为“3”，合成场强信号矢量“3”的幅度将随两个极化正交的信号场强幅度、极化方向变化而变化。由图可以看出：无论两正交极化场强矢量的幅度怎么变，合成场强矢量的振幅总是大于其中较大的那个信号场强矢量的振幅，不会出现两个正交分矢量场强互相抵消的情况，因此可以显著改善重叠覆盖区中移动用户的通信效果。

有人可能问：覆盖天线采用水平极化发送方式工作会不会影响非重叠覆盖区中移动站（手机）的正常通信呢？答案是不会的。因为人体本身就是一个最好的自适应系统。如果需要，移动手机使用者总是会适时调整自己手机的天线方位指向，以求改善其通信效果。就目前的现实情况来看：通常移动通信基站都是采取垂直极化方式进行发射。移动手机终端的天线也是使用垂直极化（边状）天线接收。然而，人们在使用手机打电话时，从来没有人要求大家一定要将手机保持与地面处于垂直状态进行通信。这是因为基站发送的垂直极化电波场强，可以分解为两个相互正交的分量F1和F2，如图1.12所示。在这种情况下，在移动手机终端的天线接收方向上，总是存在一个垂直极化分场强分量F2。且F2=Fcosφ，成为移动手机终端接收信号的有用信号场强分矢量。

此外电波在传播过程中，经地面或障碍物反射后，反射波极化方向是会发生旋转的。所以存在于阴影区或绕射区中的下行无线电波的实际极化方向，也并非纯粹的垂直极化波。只要基站下发无线电波的极化矢量指向在手机天线极化指向上的投影Fcosφ（分解矢量）足够大，即可保证通信业务的正常进行。有经验的手机使用者，在通信极度困难时会知道适当旋转手机天线指向，或适当改变自己位置，以适应当前的电波的强场和极化方向，达到改善通信质量的目的。

1.5.2 超覆盖区覆盖影响

基站覆盖区边界是相邻基站场强覆盖区域分界线的象征。所谓超覆盖区往往发生在相邻基站覆盖区的边缘，就像图1.9中的1#基站与相邻的3#基站边缘所发生超覆盖情况那样。其真实含义是：覆盖区内场强电平设计过高，边沿场强的覆盖区分界线部分越过本基站覆盖小区边界，进入相邻的3#基站小区。超覆盖现象一方面将使基站越区切换界线发生位移；另一方面将导致移动通信系统内部的整体的场强分布结构发生变化，增加系统内部同频无用干扰信号能量。因此，过高的中继覆盖区场强电平设计是不可取的。

此外，超覆盖区还可能发生在室内覆盖与室外覆盖系统之间。总之，对所有的中继覆盖方式来讲，合理的电平需求设计是必要的，过高的覆盖区边沿场强电平设计都是不可取的。

1.5.3 施主天线与覆盖天线之间的反馈干扰与隔离度问题

由于中继覆盖直放站覆盖天线与施主天线的接收和发射频率是相同的，而发送信号总是比接收信号大数十分贝，所以发送信号很容易从中继直放站的输出反馈到它的输入端，从而形成对输入信号的反馈干扰。反馈干扰信号将给直放站带来三个方面的影响：

（1）限制直放站放大器增益的提高。

（2）给移动通信业务信号带来反馈失真，恶化信号传输质量性能。

（3）反馈干扰严重时还会造成直放站系统自激，导致整个基站范围内的通信业务瘫痪。

为了保证中继直放站工作的稳定性和减小反馈干扰失真影响，必须要求直放站覆盖天线和施主天线之间有足够的隔离度，把反馈信号抑制到移动通信系统信号传输质量允许的范围之内。通常要求直放站系统的输出与输入之间的反馈耦合隔离度必须大于 K+（25～30）dB，K为中继直放站增益。后续章节将详细讨论。

直放站覆盖天线和施主天线之间的隔离度，主要取决于下列因素：

（1）覆盖天线和施主天线主副瓣（含背瓣）抑制度；

（2）覆盖天线和施主天线之间的路径传输损耗；

（3）中继直放站的增益；

（4）当覆盖天线采取与基站发射天线相互正交的极化方式工作时，对于提高覆盖天线与施主天线之间的隔离度是有益的。

在实际工作中，要保证直放站覆盖天线和施主天线之间的隔离度是一个较为棘手的问题，特别是在高增益直放站设计工作中。由于天线的副瓣（含背瓣）辐射抑制度有限（目前天线的前后比最高只能做到23dB左右），所以覆盖和施主天线发、收隔离度的主要任务就落在了反馈路径损耗的身上。当直放站的增益要求较高时，直放站收、发天线之间的隔离度要求往往是很难满足的。目前唯一的方法是加大覆盖天线和施主天线之间的距离。再有就是在覆盖天线和施主天线之间形成遮挡以增加路径损耗。其代价是增加了天线的馈线长度，提高了设备造价，降低了直放站的输出电平。

1.5.4 具有抵消反馈干扰信号功能的新型中继直放站设备工作原理

下面介绍一种能够降低覆盖天线和施主天线之的隔离度要求的新型中继直放站设备。据有关资料介绍，这种新设备能够使覆盖天线和施主天线之间的距离要求降低到1m左右，直放站还能保持正常工作。能够降低覆盖天线和施主天线之的隔离度要求的中继直放站新设备的基本工作原理及组成框图如图1.13所示。

该设备采用了射频反馈信号抵消技术来降低直放站收、发反馈信号的干扰影响，从而达到降低对收、发天线之间距离（或隔离度）要求的目的。具有射频反馈干扰抵消功能的直放站设备设计的理论分析与设备设计将在专门章节中进行讨论，这里就不再多说了。