隨著通信網(wǎng)絡(luò)中采用的無線技術(shù)越來越多，不可避免會(huì)產(chǎn)生干擾問題。無論是何種類型的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)噪聲都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能。噪聲可以自內(nèi)部或外部產(chǎn)生。

管理干擾的水平?jīng)Q定了服務(wù)品質(zhì)。例如，控制 LTE 網(wǎng)絡(luò)中的上行鏈路噪聲可以顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能。在企業(yè)無線局域網(wǎng) LAN 中，適當(dāng)?shù)男诺婪峙浜蛷?fù)用可以確保網(wǎng)絡(luò)達(dá)到預(yù)定的連接速度；而衛(wèi)星地面站中優(yōu)化的天線位置/方向圖則有助于增強(qiáng)各種氣象條件下的通信可靠性。

為了檢測(cè)要求嚴(yán)格的信號(hào)以及診斷網(wǎng)絡(luò)問題，測(cè)試人員在外場(chǎng)必須擁有實(shí)時(shí)信號(hào)分析 (RTSA) 能力。在本文中，我們將介紹各種網(wǎng)絡(luò)中可能遇到的干擾、RTSA 技術(shù)及其關(guān)鍵性能指標(biāo)，并探索可以診斷和解決雷達(dá)、電子戰(zhàn) (EW) 和通信網(wǎng)絡(luò)中干擾問題的應(yīng)用。

回顧射頻和微波干擾問題

無線干擾的挑戰(zhàn)

商用數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)面臨的一大難題是如何在可用頻譜內(nèi)提供盡量高的容量。在這一設(shè)計(jì)目標(biāo)的推動(dòng)下， 業(yè)界著手實(shí)施更嚴(yán)格的頻率復(fù)用和更廣泛的信道部署。由于蜂窩站點(diǎn)相互之間非常接近，并且基站同時(shí) 發(fā)射信號(hào)，因此在下行鏈路（從基站到移動(dòng)設(shè)備的方向）上產(chǎn)生了非常大的噪聲。移動(dòng)天線下行鏈路上的這種較大噪聲會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備增大輸出功率，以克服該噪聲的影響。這反過來又會(huì)導(dǎo)致基站天線上行鏈路（從移動(dòng)設(shè)備到基站的方向）的噪聲增加。基站收發(fā)信機(jī) (BTS) 天線上的噪聲過大，會(huì)使得蜂窩基站的容量下降。這些情況都屬于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾。

除了內(nèi)部干擾之外，外部干擾也變得越來越普遍。造成外部干擾的原因主要是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的保護(hù)頻帶過小，欠缺網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以及非法使用頻譜。

LTE網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題

LTE網(wǎng)絡(luò)受到噪聲的很大限制。它的頻率復(fù)用比為1，這意味著每個(gè)蜂窩站點(diǎn)使用同一個(gè)頻道。LTE網(wǎng)絡(luò)要想正常運(yùn)行，必須采用復(fù)雜而高效的干擾管理方案。

在下行鏈路上，LTE基站依靠來自移動(dòng)設(shè)備的信道質(zhì)量指示符 (CQI) 報(bào)告來估計(jì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的干擾。CQI衡量的是下行鏈路信道或某些資源塊上的信號(hào)干擾比。根據(jù)這個(gè)重要信息，基站可以調(diào)度帶寬并確定向移動(dòng)設(shè)備提供的吞吐量。干擾既包括蜂窩站點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，又包括外部發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的干擾。如果下行鏈路上有外部干擾，那么 CQI 就會(huì)下降，需要重新傳輸數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度大幅下降。下行鏈路干擾是最難處理的問題之 一，因?yàn)榛静粫?huì)直接反饋表示存在干擾。

圖1.  LTE功率控制和資源塊分配

在 LTE 干擾管理中，由于服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)共享同一頻道，因此精確的功率控制非常重要。網(wǎng)絡(luò)需要盡量降低小區(qū)邊緣的干擾，同時(shí)還要為邊緣用戶提供足夠的功率，使其可以獲得出色的服務(wù)質(zhì)量。LTE 基站在小區(qū)中心在整個(gè)頻譜上提供較低功率。在小區(qū)邊緣，它會(huì)分配較少的資源塊（子載波），但會(huì)提供更大功率（圖 1）。這種方法改善了小區(qū)的整體吞吐量并將干擾降至最低。

無論系統(tǒng)的信道帶寬是多少，LTE控制信道始終位于信道的中心，帶寬為1.08 MHz。關(guān)鍵的下行鏈路控制信道包括主同步信道、輔同步信道和廣播信道。主同步信道和輔同步信道將移動(dòng)設(shè)備與小區(qū)同步，并解碼系統(tǒng)信息。靠近 LTE 信道中心的窄帶干擾主要會(huì)影響移動(dòng)設(shè)備的同步過程，有時(shí)也會(huì)阻塞整個(gè)小區(qū)。例如，某些模擬700 MHz FM無線麥克風(fēng)就很容易阻塞LTE小區(qū)，因此美國聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 禁止使用這些麥克風(fēng)。

微波回程干擾問題

全球大約 50%的基站通過微波無線信號(hào)進(jìn)行回程信號(hào)傳輸。隨著微波千兆以太網(wǎng)的最新發(fā)展，將微波無線信號(hào)用作 4G/LTE 部署的回程方案頗具吸引力。

與其他無線技術(shù)一樣，這種網(wǎng)絡(luò)也始終存在著干擾。對(duì)于微波無線電網(wǎng)絡(luò)而言，主要的干擾來自以下領(lǐng)域。

反射和折射

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，微波無線電臺(tái)廣泛用于建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和城區(qū)內(nèi)的部署。如果傳輸路徑被阻塞，信號(hào)會(huì) 發(fā)生回彈，損失一部分傳播給遠(yuǎn)程接收機(jī)的能量，這種情況稱為反射；信號(hào)彎折并改變方向則形成折射。這兩種情況都會(huì)造成系統(tǒng)中斷。

免許可頻段上的干擾

近年來，移動(dòng)回程廣泛采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)微波鏈路，它們不僅操作方便，而且成本較低。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路可以在許可或免許可頻段上運(yùn)行，如5.3 GHz、5.4 GHz和5.8 GHz。在免許可頻段中，系統(tǒng)中斷更多地與干擾有關(guān)。這些頻段非常接近802.11n或802.11ac無線局域網(wǎng) (WLAN) 所使用的頻率，因此我們看到這兩個(gè)系統(tǒng)之間開始出現(xiàn)干擾。例如，當(dāng)5.8 GHz微波無線電臺(tái)附近有WLAN在工作時(shí)，WLAN可能會(huì)提高微波無線電臺(tái)接收機(jī)的功率電平，這會(huì)使微波無線電臺(tái)誤認(rèn)為自己需要降低鏈路上的發(fā)射功率，因此不會(huì)發(fā)射足夠的功率來維持所需的實(shí)際信號(hào)電平，從而造成中斷。

5G信號(hào)和潛在干擾

5G部署極大地?cái)U(kuò)展了無線通信使用的頻段。當(dāng)前的蜂窩頻段 (< 2 GHz)、中頻段（3.5 至 4.5 GHz）和毫米波頻段 (> 24 GHz) 都可供5G使用。

圖2.  5G頻段和頻譜分配

這是地面通信第一次使用毫米波頻段，因此給部署帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。第三代 合作伙伴計(jì)劃 (3GPP) 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將6 GHz以下頻段稱為頻率范圍1 (FR1)，將24 GHz以上的毫米波頻段稱為頻率范圍 2 (FR2)。5G信道帶寬從 10 MHz 到 400 MHz 不等，可以提供靈活的信道分配并支持不同的業(yè)務(wù)，例如超低時(shí)延和移動(dòng) 寬帶通信。

除了FR1和FR2工作頻段之外，5G還引入了獨(dú)立組網(wǎng) (SA) 和非獨(dú)立組網(wǎng) (NSA) 兩種部署模式。獨(dú)立組網(wǎng)模式意味著5G網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立運(yùn)行；從空中接口的角度來看，用戶設(shè)備 (UE) 或移動(dòng)設(shè)備只在5G網(wǎng)絡(luò)上交換控制信息和流量信息。雖然獨(dú)立組網(wǎng)模式支持5G的全部優(yōu)勢(shì)，但用它來搭建5G網(wǎng)絡(luò)的成本也最高。與之相反，非獨(dú)立組網(wǎng)部署模式會(huì)盡量利用現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，讓LTE充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)錨點(diǎn)。控制信道位于LTE網(wǎng)絡(luò)上，用戶設(shè)備也支持5G。用戶設(shè)備在5G數(shù)據(jù)信道上發(fā)送和接收流量，如果5G無法提供足夠的覆蓋范圍，那么用戶設(shè)備會(huì)退回到LTE。在5G部署的初始階段，非獨(dú)立組網(wǎng)模式更加可靠，而且比獨(dú)立組網(wǎng)模式更早支持無線運(yùn)營商提供5G業(yè)務(wù)。當(dāng)然，在非獨(dú)立組網(wǎng)模式下，如果LTE網(wǎng)絡(luò)受到干擾或破壞，5G網(wǎng)絡(luò)也同樣會(huì)受到影響。

航空航天與國防 (A/D) 和公共安全領(lǐng)域的干擾問題

大多數(shù)常見的航空航天與國防通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)以及安全通信（公共安全）網(wǎng)絡(luò)。隨著商用和航空航天與國防領(lǐng)域的無線技術(shù)迅猛發(fā)展，越來越多的干擾也蔓延到了航空航天與國防系統(tǒng)中。 為了解決這些問題，航空航天與國防系統(tǒng)向更高頻率轉(zhuǎn)移，部署更窄的雷達(dá)脈沖，并采取高度加密的數(shù)字無線系統(tǒng)進(jìn)行通信。

這些技術(shù)手段可以抵御外部干擾，但它們也會(huì)加大外場(chǎng)故障診斷的難度。有效維護(hù)航空航天與國防通信系統(tǒng)需要使用新的工具和測(cè)量方法。

公共安全無線系統(tǒng)被兩大問題困擾：一個(gè)是鄰道干擾，另一個(gè)是互調(diào)失真。公共安全無線通信通常采用窄帶系統(tǒng)，帶寬為 25/12.5/6.25 kHz 等，其發(fā)射功率遠(yuǎn)高于商用系統(tǒng)。它要求 80 到 100 dB 的信道抑制。 如果雙工器或雙信器調(diào)諧不當(dāng)，基站的工作信道之間會(huì)產(chǎn)生鄰道干擾，導(dǎo)致覆蓋范圍縮小。

由于公共安全發(fā)射機(jī)是以更高的功率電平運(yùn)行，如果其功率放大器飽和，則會(huì)發(fā)生互調(diào)，并且其諧波很可能落在相鄰頻段上。當(dāng)這些諧波產(chǎn)物落到LTE控制頻率上時(shí)（參見圖3），網(wǎng)絡(luò)服務(wù)就會(huì)中斷。

衛(wèi)星地面站的干擾問題 航空航天與國防網(wǎng)絡(luò)中通常會(huì)部署有衛(wèi)星通信系統(tǒng)。這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是為軍事機(jī)構(gòu)提供大容量的通信鏈路。增加系統(tǒng)容量主要有兩個(gè)途徑：一個(gè)是將工作頻率從C和Ku頻段提高到Ka頻段，另一個(gè)是使用多個(gè)波束來部署頻率復(fù)用。

頻率越高，波束就越小。這就需要更精確的天線對(duì)準(zhǔn)。如果沒有對(duì)準(zhǔn)，可能會(huì)產(chǎn)生同道干擾和鄰道干擾。多波束頻率復(fù)用使得相鄰區(qū)域可以共享同一個(gè)頻率規(guī)劃和極化。如果系統(tǒng)沒有經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化，則可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的同道干擾、鄰道干擾和交叉極化干擾。

圖4.  衛(wèi)星地面站工作中的干擾類型

傳統(tǒng)干擾分析方法面臨的挑戰(zhàn)

與目標(biāo)地面站相同的極化 干擾的分類方式不止一種。從信號(hào)交互的角度來看，干擾可以分為同道干擾、鄰道干擾和互調(diào)（無源和 有源）。從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的角度來看，干擾可以分為下行鏈路干擾（基站到移動(dòng)設(shè)備）、上行鏈路干擾（移動(dòng)設(shè)備到基站）和外部干擾。

如果網(wǎng)絡(luò)中存在干擾，系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)工具會(huì)報(bào)告這些問題，例如上行鏈路本底噪聲在沒有明顯流量的情況下增加、連接故障、信噪比過高等等。下一步是檢測(cè)干擾的來源。配有定向天線的頻譜分析儀通常是偵測(cè)和定位干擾的首選工具。

傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧頻譜分析儀和快速傅立葉變換 (FFT) 頻譜分析儀可以有效檢測(cè)常發(fā)信號(hào)，并可使用“最大 保持”功能檢測(cè)間歇信號(hào)。傳統(tǒng)的分析儀要么靜寂時(shí)間較長，在回掃過程中不會(huì)捕獲數(shù)據(jù)，要么靜寂時(shí)間無法預(yù)測(cè)。因此在處理隨機(jī)猝發(fā)信號(hào)、窄脈沖（如雷達(dá)信號(hào)）或持續(xù)時(shí)間由網(wǎng)絡(luò)流量條件決定的信號(hào)時(shí)，分析的有效性會(huì)打折扣。

鑒于無線寬帶網(wǎng)絡(luò)中的猝發(fā)信號(hào)不斷增加，現(xiàn)在需要找到一種互補(bǔ)性工具來提高頻譜分析的有效性。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀 (RTSA) 介紹

我們?cè)趥蓽y(cè)干擾時(shí)面臨兩大挑戰(zhàn)：一個(gè)是由于數(shù)字無線信號(hào)本質(zhì)上是時(shí)分復(fù)用信號(hào)，而正在調(diào)查的干擾更偏向于猝發(fā)信號(hào)；另一個(gè)是頻譜分析儀的靜寂時(shí)間過長，導(dǎo)致錯(cuò)過一些信號(hào)。

要克服這些挑戰(zhàn)，最有效的方法是盡量縮短（最好是消除）傳統(tǒng)頻譜分析儀中存在的靜寂時(shí)間。我們需要 一種新工具來偵測(cè)最有挑戰(zhàn)性的信號(hào)，這就是無間隙頻譜分析或?qū)崟r(shí)頻譜分析 (RTSA)。

頻譜分析儀接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述

為了更好地理解RTSA的功能，我們務(wù)必要看一看傳統(tǒng)的頻譜分析儀接收機(jī)的體系結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

掃描調(diào)諧接收機(jī)

圖 5.  超外差頻譜分析儀/掃描調(diào)諧頻譜接收機(jī)

外差意味著要進(jìn)行混頻。在超外差（也稱為掃描調(diào)諧）頻譜分析儀中，射頻輸入信號(hào)與本地振蕩器 (LO)  信號(hào)混頻，將輸入信號(hào)從較高頻率轉(zhuǎn)換為較低頻率 —— 中頻 (IF)。包絡(luò)檢波器可以檢測(cè)信號(hào)幅度并將其顯示為垂直點(diǎn)。

為了控制水平頻率軸的顯示，我們使用斜坡/掃描發(fā)生器來控制本振的調(diào)諧動(dòng)作，使其達(dá)到預(yù)期頻率。通過設(shè)置掃描時(shí)間和頻率掃寬，我們可以控制 LO調(diào)諧速率。頻譜分析儀的前端包含由衰減器和預(yù)選器（低通濾波器）組成的信號(hào)調(diào)理電路。這些電路的作用是確保輸入信號(hào)在到達(dá)混頻器之前處于**電平。前端預(yù)選器有助于阻止帶外噪聲，從而改善接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。調(diào)諧本振讓接收機(jī)具有更好的選擇性。它可以很自然地阻止不需要的帶外信號(hào)，這就是超外差接收機(jī)具有出色動(dòng)態(tài)范圍的原因。

由于斜坡發(fā)生器以固定速率進(jìn)行掃描，因此可以在頻率掃寬上精確控制掃描時(shí)間。通過控制掃描速率， 接收機(jī)能夠以超過 FFT 分析儀的掃描速度掃描超大掃寬。  

超外差接收機(jī)的最大缺點(diǎn)是它可能會(huì)錯(cuò)過間歇性信號(hào)，尤其是寬帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)。另一個(gè)問題是， 在窄分辨率帶寬 (RBW) 下它的掃描時(shí)間會(huì)顯著變長。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀是一種沒有靜寂時(shí)間的 FFT 分析儀。接收機(jī)停留在感興趣的頻率帶寬內(nèi)，該帶寬受到實(shí)時(shí)頻率帶寬的限制，沒有調(diào)諧或步進(jìn)。它具有足夠大的信號(hào)緩沖區(qū)、FFT 引擎和顯示引擎，可先處理完上一個(gè)數(shù)據(jù)幀并清空存儲(chǔ)器，再讓后續(xù)數(shù)據(jù)幀進(jìn)入。

在其捕獲帶寬內(nèi)，它可以檢測(cè)各種瞬態(tài)信號(hào)、動(dòng)態(tài)信號(hào)和射頻脈沖。

但是，RTSA受到帶寬的限制。如果接收機(jī)試圖測(cè)量超出其實(shí)時(shí)帶寬的信號(hào)時(shí)，則必須調(diào)諧本振。此時(shí)它不再是實(shí)時(shí)的或無間隙的。

由于 RTSA 沒有調(diào)諧，要檢測(cè)的信號(hào)可能不會(huì)位于中心頻率，并且它檢測(cè)到的信號(hào)電平可能不像使用傳統(tǒng)頻譜分析儀時(shí)那么準(zhǔn)確，因此我們不建議使用RTSA來進(jìn)行精確的功率測(cè)量。