Обзор типов фильтров для уменьшения интерференций в мобильных сетях

С ростом плотности базовых станций и увеличением трафика в мобильных сетях проблема интерференций становится одной из ключевых для поддержания высокого качества связи. Для обеспечения стабильной передачи данных и голосовой связи применяются различные методы подавления и уменьшения помех. Одним из наиболее эффективных инструментов являются фильтры, позволяющие избирательно пропускать полезные сигналы и подавлять нежелательные.

Интерференции в мобильных сетях

Интерференция — это нежелательное влияние одного или нескольких радиосигналов на работу другого, вызывающее искажение или потерю информации. В мобильных сетях интерференции особенно актуальны из-за высокой плотности пользователей, разнообразия стандартов связи и ограниченного спектра частот. В системах LTE и 5G интерференция возникает как внутри канала (внутризональная интерференция), так и между соседними ячейками (межклеточная интерференция).

Среди основных причин интерференций выделяют наложение спектров, отражение сигналов от зданий и ландшафта (мультипути), а также взаимодействие с устройствами работающими в близких частотных диапазонах. Эти факторы снижают уровень сигнала полезной связи и увеличивают уровень шума, что приводит к ухудшению качества приема, снижению скорости передачи данных и увеличению времени задержки.

Нормативы, как ГОСТ Р ИСО/МЭК 30141-2017, а также рекомендации 3GPP (TS 36.101, TS 36.104) описывают требования к параметрам радиоинтерфейсов и методы управления интерференциями для повышения устойчивости и эффективности работы мобильных сетей.

Причины и виды интерференций в мобильных сетях

Интерференции в мобильных сетях бывают разных типов. Наиболее распространённые из них:

• Внутриклеточная интерференция — возникает между сигналами пользователей внутри одной базовой станции, чаще всего из-за недостатка изоляции в мультиплексировании.
• Межклеточная интерференция — наблюдается между соседними сотами, особенно при частотном повторении.
• Интермодуляционные помехи — возникают из-за нелинейности усилителей и смесей сигналов разных частот.
• Интерференции отраженными сигналами (мультипути) — вызывают фазовое смещение и показатели затухания.

В LTE сетях значительная нагрузка растёт из-за частотного повторения (Frequency Reuse Factor = 1), что делает важным продвинутые методы борьбы с интерференциями. Согласно исследованиям Института связи (НИИС) и серии публикаций IEEE, интерференции в LTE-сетях могут снижать скорость передачи данных до 30% и превышать показатели эффекта ФАВ (Fast Adaptive Beamforming), если не принимать меры.

Обзор основных фильтров для уменьшения интерференций

Для эффективного подавления помех в мобильных сетях применяются различные типы фильтров в мобильных сетях. Основные категории:

• Пассивные фильтры: LC-фильтры, SAW-фильтры, керамические фильтры – не требуют питания и имеют высокую надежность.
• Активные фильтры: с использованием операционных усилителей, компенсационных цепей — более сложные, но с возможностью адаптации.
• Цифровые фильтры: реализуемые в цифровой обработке сигнала (DSP), обеспечивают высокую точность и гибкость.

Выбор типа фильтра зависит от рабочих частот, требований по подавлению, габаритов и условий эксплуатации. Например, SAW-фильтры при частоте 2 ГГц имеют размеры порядка 2×1×0.5 мм, выдерживают температуру от -40°C до +85°C и обеспечивают подавление вне рабочей полосы >40 дБ.

Анализ типов фильтров показывает, что для базовых станций оптимальны полосковые пассивные фильтры с высокой добротностью Q (от 500 до 1500) и узкой полосой пропускания (~5-10 МГц в LTE диапазоне). В мобильных устройствах – компактные SAW-фильтры или BAW-фильтры с формой характеристик, адаптированной под узкие полосы LTE или 5G.

Характеристики и принципы работы пассивных фильтров

Фильтры для помех в радиосвязи чаще всего пассивные – они не требуют дополнительного источника питания и базируются на резонансных контурах.

Пассивные фильтры для уменьшения интерференций работают за счет:

• Избирательного пропускания сигналов в узком диапазоне частот;
• Затухания вне полосы пропускания. Для базовых станций показатель подавления обычно превышает 40 дБ при ширине полосы около 10 МГц;
• Минимизации потерь полезного сигнала — коэффициент затухания в полосе пропускания обычно не более 2 дБ;
• Сопротивления термическим и механическим воздействиям — материалы должны работать до +85°C с надежностью более 10 лет, согласно ГОСТ 51709-2001.

Классические LC-фильтры состоят из индукторов и конденсаторов, настроенных на определённые резонансные частоты. Высококачественные керамические фильтры обеспечивают стабильность параметров в широком диапазоне температур (от -40°C до +85°C) и используются в стандартных диапазонах мобильных сетей 700–2600 МГц.

Для примера, пассивный полосковый фильтр с затуханием вне полосы пропускания 45 дБ и шириной полосы 10 МГц при центральной частоте 1800 МГц оказывает эффект подавления, позволяющий уменьшить интерференции до 15-20%, что в масштабах всей сети повышает общую пропускную способность.

Активные фильтры и современные методы подавления интерференций

Помимо пассивных, широко применяются активные фильтры и цифровые методы для устранения помех в мобильных сетях. Активные фильтры используют операционные усилители и фазовые сдвигатели для усиления или подавления сигналов, что позволяет динамически адаптироваться к изменяющейся спектральной среде.

Технологии, основанные на цифровой обработке сигнала (DSP) и алгоритмах адаптивного подавления интерференций, позволяют уменьшить уровень помех на 30-40% сверх возможностей пассивных фильтров. Например, алгоритмы MIMO (Multiple Input Multiple Output), Beamforming и Interference Cancellation реализуют эффекты направленного приема и снижения влияния соседних сигналов.

Согласно рекомендациям ITU-R M.2135-1, интеграция активных методов фильтрации с пассивными значительно повышает качество сервиса, особенно в условиях плотной урбанизации и сложного рельефа, где мультипутные и межклеточные интерференции максимальны.

Практические рекомендации по выбору и применению фильтров в мобильных сетях

При применении фильтров в мобильной связи необходимо учитывать ряд факторов:

• Диапазон частот: выбор фильтра по центру и ширине полосы пропускания; для LTE диапазонов 700-2600 МГц рекомендуются SAW или керамические фильтры с добротностью выше 1000.
• Температурный режим: для outdoor-базовых станций важна стабильность параметров при температурах от -40 до +65°C.
• Габариты и интегрируемость: для мобильных устройств критичен размер (SAW-фильтры с размером менее 3 мм² оптимальны).
• Уровень затухания и добротности: минимальные потери полезного сигнала и максимальное подавление помех сверх 30 дБ.
• Совместимость с нормативами: соответствие ГОСТ 30674-99 по устойчивости к электромагнитным помехам, а также рекомендациям 3GPP.

Как уменьшить интерференцию в сети — практические шаги включают комбинирование качественных пассивных фильтров с адаптивной цифровой обработкой, правильное планирование частотного использования и применение передовых технологий MIMO и Beamforming.

Внедрение фильтров стоит рассматривать не только с технической, но и с экономической точки зрения. Например, применение SAW-фильтров в массовых мобильных устройствах снижает количество брака и повышает долю удовлетворённых пользователей, что подтверждается исследованием компании Qualcomm (2022), согласно которому правильный выбор фильтра повышает качество связи на 15-25%.

Дополнительную информацию по данному вопросу можно найти в этих источниках:

• S. Wang et al., «Interference Mitigation in Mobile Networks Using Advanced Filtering Techniques,» IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018
• ГОСТ 30804.6.1-2013 – Электромагнитная совместимость оборудования радиоэлектронной аппаратуры
• 3GPP TS 38.101 – NR; User Equipment (UE) radio transmission and reception
• ITU-T Recommendation P.1441 – Interference mitigation techniques in mobile broadband networks

Что еще ищут читатели