TD-LTE與WCDMA系統(tǒng)共存的干擾研究

李 超，滕建輔，李瑞杰，徐大為

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

1 引言

W-CDMA是ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從碼分多址(CDMA)演變而來(lái)，被認(rèn)為是IMT-2000的直接擴(kuò)展，與現(xiàn)在市場(chǎng)上通常提供的技術(shù)相比，它能夠?yàn)橐苿?dòng)和手提無(wú)線設(shè)備提供更高的數(shù)據(jù)速率。輸入信號(hào)先被數(shù)字化，然后在一個(gè)較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴(kuò)頻模式進(jìn)行傳輸。窄帶CDMA使用的是200KHz寬度的載頻，而WCDMA使用的則是一個(gè)5MHz寬度的載頻。

WCDMA作為一種第三代無(wú)線通信技術(shù)，已經(jīng)在中國(guó)成功商用。相較于2G系統(tǒng)，WCDMA采用直接序列擴(kuò)頻碼分多址(DS-CDMA)、頻分雙工(FDD)方式，碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz。WCDMA能夠支持移動(dòng)/手提設(shè)備之間的語(yǔ)音、圖象、數(shù)據(jù)以及視頻通信，速率可達(dá)2Mb/s(對(duì)于局域網(wǎng)而言)或者384Kb/s(對(duì)于寬帶網(wǎng)而言)。另外，WCDMA還采用了智能天線和波束成形技術(shù)。智能天線技術(shù)提高了目標(biāo)用戶的接收信號(hào)功率。有較高的擴(kuò)頻增益、發(fā)展空間、全球漫游能力和技術(shù)成熟性。目前，中國(guó)聯(lián)通正采用此標(biāo)準(zhǔn)。

為提高3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，3GPP提出了一項(xiàng)新的標(biāo)準(zhǔn)，即長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE，Long Term Evolution)，LTE可以分為TDD和FDD兩種模式。在無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)側(cè)，將由CDMA技術(shù)改變?yōu)槟軌蚋行?duì)抗寬帶系統(tǒng)多徑干擾的OFDM(正交頻分調(diào)制)技術(shù)。而上行采用單載波頻分多工(SC-FDMA)技術(shù)。為進(jìn)一步提高頻譜效率，多輸入/多輸出(MIMO)技術(shù)也成為L(zhǎng)TE的必選技術(shù)。MIMO技術(shù)利用多天線系統(tǒng)的空間信道特性，能同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，從而有效提高數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。TD-LTE是TD-SCDMA系統(tǒng)的長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng)，是邁向4G通信系統(tǒng)的里程碑。LTE具有更高的容量、更大的覆蓋、更小的時(shí)間延遲和靈活的頻率帶。TD-LTE兼具TD-SCDMA的優(yōu)點(diǎn)，例如高頻率利用率、高系統(tǒng)容量、小損耗［1］。

將來(lái)，WCDMA與TD-LTE將可能共存于同一區(qū)域，這將產(chǎn)生相互干擾。雖然兩系統(tǒng)處于不同的頻帶，但仍將存在某些干擾，例如阻塞干擾、雜散干擾和鄰頻干擾。一般使用最小耦合損耗法(MCL)和蒙特卡羅靜態(tài)仿真法來(lái)分析不同系統(tǒng)間的干擾。相較于蒙特卡羅方法［2］，MCL 法［3-4］更簡(jiǎn)單，并且能得出最惡劣情況下的鏈路預(yù)算。此文使用MCL方法分析WCDMA與TD-LTE系統(tǒng)間的干擾。為有效地抑制相互間的干擾，此文還研究了相關(guān)的天線安裝技術(shù)［5-7］。

2 MCL方法

MCL方法簡(jiǎn)單易行，且能計(jì)算出最惡劣情況［3］下的干擾程度。首先計(jì)算隔離度(單位:dB)。然后根據(jù)隔離度，通過(guò)選擇合適的路徑損耗模型，可獲得物理隔離。最小耦合損耗由(1)可得:

其中，Ptransmit是施擾系統(tǒng)的發(fā)射功率，MCL是兩系統(tǒng)間的耦合損耗，而Imax是被干擾系統(tǒng)能承受的最大干擾。隔離度由(2)可得:

其中，Isolation代表兩系統(tǒng)間的隔離度，GR是被干擾系統(tǒng)的天線增益，GT是施擾系統(tǒng)的天線增益。根據(jù)隔離度值與傳播模型，可得出隔離距離。

3 共存場(chǎng)景

3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為每種標(biāo)準(zhǔn)劃分了不同的頻率帶。WCDMA的上行頻段為1920-1980MHz。而TD-LTE 可能使用1880-1920MHz頻段［9］，則兩系統(tǒng)會(huì)在頻點(diǎn)1920MHz處共存，產(chǎn)生的干擾相對(duì)比較嚴(yán)重。

兩系統(tǒng)共存時(shí)的相互干擾可分為四類。此文主要研究基站間的干擾。因?yàn)榛疚恢檬枪潭ǖ模赃@種場(chǎng)景比其他場(chǎng)景更適合使用MCL法。

由于WCDMA在1920MHz附近為上行，故存在的鄰頻干擾有WCDMA終端對(duì)TD系統(tǒng)的干擾和TD系統(tǒng)對(duì)WCDMA Node B的干擾。此處僅研究TD-LTE Node B對(duì)WCDMA Node B的干擾。

4 干擾類型

兩系統(tǒng)間的相互干擾主要可以分為3類，鄰頻干擾、雜散干擾和阻塞干擾。

4.1 雜散干擾

雜散干擾［10］:指干擾設(shè)備發(fā)射的帶外噪聲落入被干擾接收機(jī)的接收頻帶內(nèi)，形成對(duì)有用信號(hào)的同道干擾。雜散干擾造成接收機(jī)噪聲基底的增加，從而導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度降低。

4.2 鄰頻干擾

鄰頻干擾是由于收發(fā)設(shè)備濾波特性的非理想化導(dǎo)致相鄰頻道的發(fā)射機(jī)將信號(hào)泄露到被干擾接收機(jī)的工作頻帶內(nèi)，影響工作在相鄰頻道上的被干擾系統(tǒng)。

4.3 阻塞干擾

阻塞干擾與接收機(jī)的通帶外抑制能力有關(guān)，涉及到干擾信號(hào)的載波發(fā)射功率、接收機(jī)的濾波器特性等，使得被干擾系統(tǒng)的接收機(jī)受影響因飽和而無(wú)法工作。當(dāng) GSM、CDMA、TD-SCDMA、PHS及WLAN信號(hào)或其頻率組合成分落在這幾個(gè)系統(tǒng)中某基站接收機(jī)接收信道帶寬之外，卻仍能進(jìn)入該基站接收機(jī)，并且干擾大于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的干擾電平時(shí)，就會(huì)引起接收機(jī)靈敏度的下降，惡化接收機(jī)的性能，這時(shí)就引起了阻塞干擾。

5 隔離度要求

此文考慮TD-LTE BS干擾WCDMA BS。BS的最大發(fā)射功率見(jiàn)表1。

表1 BS最大發(fā)射功率

5.1 雜散干擾

根據(jù)雜散干擾的產(chǎn)生原則，此處可以通過(guò)式(1)得到MCL的值:

其中，P為TD-LTE BS的雜散發(fā)射功率，IMax為WCDMA BS能承受的最大干擾。雜散功率P根據(jù)頻譜模板［8］計(jì)算，而IMax根據(jù)底噪抬高量確定，此處取底噪抬高1dB。且分別使用 IMax=-112dBm，P=-77dBm。

5.2 鄰頻干擾

鄰頻干擾(ACI，adjacent channel interference)與鄰信道干擾功率比(ACIR，adjacent channel interference ratio)、鄰信道泄露比(ACIR，adjacent channel leakage ratio)和鄰道選擇性(ACS，adjacent channel selectivity)相關(guān)。ACIR，ACLR和ACS間的關(guān)系見(jiàn)式(3)［2］。

ACS和 ACIR 的參考值見(jiàn)表2［11-12］。

表2 鄰頻干擾參數(shù)

根據(jù)(3)，可得ACIR=43.5dB，則ACI可由(4)式計(jì)算:

其中P為TD-LTE BS的最大發(fā)射功率。

MCL的值可由以下公式計(jì)算:

其中，IMax為TD-SCDMA BS能承受的最大干擾，根據(jù)底噪抬高量確定，此處取底噪抬高1dB。雜散功率P根據(jù)頻譜模板計(jì)算，而IMax根據(jù)底噪抬高量計(jì)算。

5.3 阻塞干擾

根據(jù)阻塞干擾的產(chǎn)生原則，此處可以根據(jù)(1)式計(jì)算MCL的值

其中，P為TD-LTE BS的最大發(fā)射功率，IMax為WCDMA BS接收機(jī)的阻塞特性。

5.4 隔離度要求

表3列出了兩系統(tǒng)間相互干擾的隔離要求。TD-LTE對(duì)WCDMA系統(tǒng)鄰頻部署時(shí)，鄰頻干擾是系統(tǒng)間干擾的主要部分。雜散和阻塞干擾的指標(biāo)要求，相對(duì)于鄰頻干擾的指標(biāo)都比較寬松，只要兩系統(tǒng)之間能夠滿足對(duì)鄰頻干擾抑制的要求，也都可以滿足雜散和阻塞干擾抑制的要求。

表3 TD-LTE BS干擾WCDMA BS的隔離度要求總結(jié)

6 天線配置

根據(jù)表5可知，當(dāng)兩系統(tǒng)共存時(shí)，相互間的干擾難以完全避免。為此，必須采用其他有效方法，例如天線配置技術(shù)，添加濾波器等方法。

此文主要研究天線配置技術(shù)，天線配置技術(shù)主要包括水平隔離和垂直隔離。水平隔離Sh可以通過(guò)(4)式計(jì)算:

其中，d為兩天線間的水平距離，λ為載波波長(zhǎng)。GTx和GRx分別為發(fā)射天線與接收天線的天線增益。

垂直隔離Sv可以通過(guò)(5)式計(jì)算:

其中，d為兩天線間的水平距離，λ為載波波長(zhǎng)。

總隔離度St可以通過(guò)(6)式計(jì)算:

其中θ為天線間的垂直夾角。

圖1描述了總隔離度與天線的水平間隔、垂直間隔間的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，垂直間隔比水平間隔更有效。所以在實(shí)際天線安裝時(shí)，應(yīng)首先考慮垂直隔離，再考慮水平隔離。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直間隔達(dá)到25米時(shí)，兩系統(tǒng)間的干擾可完全避免。

圖1 總隔離度與水平、垂直間隔的關(guān)系

7 結(jié)束語(yǔ)

研究了TD-LTE系統(tǒng)與WCDMA系統(tǒng)間的相互干擾。主要采用MCL法分析隔離度要求。所有發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的參數(shù)均可從3GPP標(biāo)準(zhǔn)中獲取。最后，使用天線配置技術(shù)解決系統(tǒng)間的干擾。其他的分析方法，如蒙特卡羅仿真等，將在今后進(jìn)一步研究。

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