TD-LTE系統(tǒng)與雷達(dá)的干擾仿真分析

劉陽 李冰琪 方箭

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068;2.國家無線電監(jiān)測中心 西安 710068)

0 引言

TD-LTE 系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代移動通信技術(shù)TD-SCDMA 的演進系統(tǒng)［1］。根據(jù)國家相關(guān)政策，2300 ～2400MHz 頻段帶寬資源較豐富(100MHz)，可能成為TD-LTE 系統(tǒng)首選工作頻段。

然而，目前我國在2300 ～2400MHz 頻段上存在的業(yè)務(wù)主要是無線電定位業(yè)務(wù)，由軍用雷達(dá)使用，且發(fā)射功率較大，如果TD-LTE 系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)在同一區(qū)域內(nèi)工作時，可能會存在相互干擾，因此，本文采用多系統(tǒng)共存研究方法評估了TD-LTE 系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)在2300 ～2400MHz 頻段兼容共存的可行性。

本文首先介紹了TD-LTE 系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理，并對系統(tǒng)干擾場景建模;其次，本文對TD-LTE 和雷達(dá)系統(tǒng)的干擾做了確定性計算分析，并通過系統(tǒng)級仿真對確定性計算結(jié)果進行驗證。最后，本文對仿真結(jié)果進行了總結(jié)，并分析了TD-LTE 系統(tǒng)對雷達(dá)可能造成干擾的原因。

1 干擾場景建模

1.1 TD－LTE 系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理

雷達(dá)的主要工作原理是通過接收、處理由雷達(dá)發(fā)射并被物體反射后載有物體信息的電磁波，以實現(xiàn)預(yù)警探測［2］。目前，我國在2300 ～2400MHz 頻段上部署的雷達(dá)主要為軍用脈沖式雷達(dá)，如圖1所示，接收回波是在發(fā)射脈沖休止期內(nèi)，所以它的發(fā)射和接收鏈路是時間分離的。

TD-LTE 的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，無線幀長為10ms，該幀被劃分為兩個5ms 的半幀，每個半幀包括1 個特殊子幀(被劃分為UpPTS、GP 和DwPTS 等3 個特殊時隙)和4 個普通子幀(被劃分為兩個0.5ms 的時隙)。因為TD-LTE 采用TDD 雙工方式，不需要對稱頻段，但也使上、下行鏈路都會與雷達(dá)同頻或鄰頻工作。

根據(jù)TD-LTE 系統(tǒng)TDD 雙工方式的特性，該系統(tǒng)與雷達(dá)共存產(chǎn)生的干擾情況可以分為以下四種情況:TD-LTE 終端對雷達(dá)接收機的干擾;TD-LTE 基站對雷達(dá)接收機的干擾;雷達(dá)對TD-LTE 終端鏈路的干擾;雷達(dá)對TD-LTE 基站鏈路的干擾。

圖1 雷達(dá)脈沖序列圖

圖2 TD-LTE 系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)干擾場景建模

通常情況下，雷達(dá)部署于城市遠(yuǎn)郊或者偏遠(yuǎn)山區(qū)，且一般為單站方式運行;TD-LTE 系統(tǒng)以多站成網(wǎng)絡(luò)方式運行。如圖3所示，本文研究TD-LTE和雷達(dá)混合部署時，以雷達(dá)為中心，四周部署TD-LTE 系統(tǒng)。

圖3 TD-LTE 系統(tǒng)和雷達(dá)的干擾場景

上述場景中，一個小區(qū)包含劃分為3 個扇區(qū)的19 個基站;本文以19 個基站為單位對該拓?fù)湎蜻h(yuǎn)離雷達(dá)的方向向外進行延拓，得到TD-LTE 系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4。

考慮到軍用雷達(dá)的保密性，本文研究考慮的是雷達(dá)系統(tǒng)的通用參數(shù)，主要參數(shù)見表1所示。

TD-LTE 支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz 和20MHz 等系統(tǒng)帶寬?？紤]到2300 ～2400MHz 頻段僅有100MHz 帶寬，本文只考慮系統(tǒng)帶寬為5MHz 的情況。根據(jù)3GPP TS 36.101、TS36.101 和TS36.104 得到表2 的TD-LTE 系統(tǒng)帶寬為5MHz 時的主要仿真參數(shù)，以及表3 的TD-LTE 基站和終端天線模型［3-9］。

表1 雷達(dá)的主要參數(shù)

主瓣增益(dBi)30副瓣增益(dBi)2插入損耗(dB)2接收機3dB 帶寬(MHz)2.5

表2 TD-LTE 系統(tǒng)的主要參數(shù)

表3 TD-LTE 基站和終端天線模型

圖4 TD-LTE 系統(tǒng)的拓?fù)鋱D

2 TD －LTE 系統(tǒng)與雷達(dá)干擾的確定性計算

根據(jù)鏈路功率預(yù)算進行系統(tǒng)干擾的確定性計算，解析得出兩系統(tǒng)在互不干擾條件下部署所需的物理間隔［10-11］。

2.1 TD－LTE 系統(tǒng)對雷達(dá)干擾的確定性計算

TD 系統(tǒng)對雷達(dá)系統(tǒng)的干擾為式(1):

式中:

IRD-雷達(dá)接收到的干擾功率，dBm;

Pt-TD 系統(tǒng)發(fā)射功率，dBm;

Gr-雷達(dá)接收在TD 系統(tǒng)發(fā)射方向上的天線增益，dBi

Gt-TD 系統(tǒng)發(fā)射在雷達(dá)接收方向上的天線增益，dBi;

Lt-TD 系統(tǒng)發(fā)射機插入損耗，通?；緸? dB，終端為0dB;

Lp-TD 系統(tǒng)發(fā)射機與雷達(dá)接收機之間的路徑損耗，dB;

Lr-雷達(dá)接收機插入損耗，通常雷達(dá)為2dB;

FDR-頻率隔離度(Frequency Dependent Rejection)，dB。

FDR 定義為下式。

式中:

P(f)-干擾信號等效于中頻的功率譜密度;

H(f)-接收機的頻率響應(yīng);

Δf= ft-fr，ft為干擾源中心頻率，fr為接收機中心頻率。

在仿真中，雷達(dá)所受到的干擾是由TD-LTE 系統(tǒng)內(nèi)所有的干擾源的總和。因為在仿真場景中本文假設(shè)了基站的周圍都布滿了TD-LTE 系統(tǒng)，所以本文可以假設(shè)雷達(dá)在轉(zhuǎn)動中一直受到干擾。

對于下行鏈路，TD-LTE 基站不涉及功率控制，采用固定功率發(fā)射。所以對于下行鏈路干擾雷達(dá)，本文采用固定某一角度計算TD-LTE 系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)在互不干擾條件下部署所需要的物理間隔。

對于上行鏈路，通過TD-LTE 系統(tǒng)的功率控制，并且伴隨著移動終端的變化。所以對于上行鏈路干擾雷達(dá)，本文采用統(tǒng)計雷達(dá)在固定隔離距離時雷達(dá)所受到的干擾概率。

3.2 雷達(dá)對TD-LTE 系統(tǒng)干擾的確定性計算

雷達(dá)系統(tǒng)對TD 系統(tǒng)的干擾為:

式中:

ITD-TD 接收到的干擾功率，dBm;

Pt-雷達(dá)發(fā)射功率，dBm;

Gr-TD 接收在雷達(dá)發(fā)射方向上的天線增益，dBi;

Gt-雷達(dá)發(fā)射在TD 系統(tǒng)接收方向上的天線增益，dBi;

Lt-雷達(dá)發(fā)射機插入損耗，通常雷達(dá)為2dB;

Lr-TD 系統(tǒng)接收機插入損耗，通常基站為2 dB，終端為0 dB;

Lp-雷達(dá)發(fā)射機與TD 系統(tǒng)接收機之間的路徑損耗，dB;

FDR-頻率隔離度(dB)，dB。

對于雷達(dá)對TD 系統(tǒng)單站的干擾，可根據(jù)TD 系統(tǒng)的干擾門限進行計算，然后得到相應(yīng)的隔離距離。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述方法，并且依據(jù)TD-LTE 系統(tǒng)與雷達(dá)發(fā)射機和接收機頻譜特性，計算得到FDR 值分別見表4。

表4 TD-LTE 和雷達(dá)之間干擾的FDR 值(單位dB)

3 TD －LTE 系統(tǒng)與雷達(dá)干擾的仿真分析

本文采用系統(tǒng)級仿真分析了TD-LTE 系統(tǒng)與雷達(dá)之間的干擾。

系統(tǒng)級仿真是在鏈路級仿真的基礎(chǔ)上，輸入每條鏈路的性能參數(shù)，并且對通信協(xié)議仿真。仿真系統(tǒng)的參數(shù)主要在系統(tǒng)配置階段生成［12］。主要參數(shù)類型包括系統(tǒng)配置參數(shù)、傳播模型參數(shù)和系統(tǒng)鏈路參數(shù)。

3.1 TD－LTE 和雷達(dá)的干擾仿真

TD-LTE 和雷達(dá)的干擾仿真主要采用動態(tài)仿真。如圖5所示，系統(tǒng)仿真的總體過程如下［13-14］:

(1)系統(tǒng)初始化參數(shù)輸入和系統(tǒng)配置;主要包括兩類參數(shù):雷達(dá)和TD-LTE 系統(tǒng)參數(shù)，以及仿真控制參數(shù);

(2)判斷系統(tǒng)仿真類型，判定系統(tǒng)仿真類型，如果是單系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)第(3)步，如果是雙系統(tǒng)仿真量則轉(zhuǎn)第(4)步;

(3)單系統(tǒng)仿真啟動一次放置用戶撒點，在基站固定情況下設(shè)置終端位置，采用隨機撒點方式;

(4)反復(fù)進行(3)，當(dāng)放置用戶的次數(shù)觸發(fā)預(yù)定條件，統(tǒng)計TD 系統(tǒng)干擾雷達(dá)的概率，生成結(jié)果;

(5)對于雙系統(tǒng)仿真，首先要判斷誰是受干擾系統(tǒng)，并判斷干擾方向是上行還是下行，選擇雷達(dá)的型號。系統(tǒng)仿真啟動一次放置用戶撒點，在基站固定情況下設(shè)置終端位置，采用隨機布點;

(6)反復(fù)進行(5)，當(dāng)放置用戶的次數(shù)觸發(fā)預(yù)定條件，統(tǒng)計TD 系統(tǒng)干擾雷達(dá)的概率，生成結(jié)果。

根據(jù)干擾場景的分析，仿真結(jié)果可以分為兩個方面:一是TD-LTE 對雷達(dá)的干擾，二是雷達(dá)對TD-LTE 系統(tǒng)的干擾。

3.2 TD－LTE 系統(tǒng)對雷達(dá)的干擾

TD-LTE 系統(tǒng)對于雷達(dá)的干擾又可以分為基站對雷達(dá)的干擾和終端對雷達(dá)的干擾。

其中，TD-LTE 基站對雷達(dá)的干擾結(jié)果見表5。

表5 TD-LTE 基站干擾雷達(dá)需要的隔離距離

仿真可得，TD-LTE 終端對于雷達(dá)的干擾概率見圖6，TD-LTE 終端和雷達(dá)之間的中心頻率間隔越大，避免二者干擾所需的隔離距離越小，可得，當(dāng)TD-LTE 終端集總干擾對雷達(dá)干擾為0 時，二者中心頻率間隔和所需的隔離距離的關(guān)系如表6所示。

圖5 總體仿真流程圖

表6 TD-LTE 終端干擾雷達(dá)需要的隔離距離

3.3 雷達(dá)對TD－LTE 系統(tǒng)的干擾

根據(jù)雷達(dá)對TD-LTE 的干擾場景，由于天線高度不同，本文將場景分為了城區(qū)和郊區(qū)兩種，在兩種場景下雷達(dá)干擾基站時的調(diào)制編碼損失分別為圖7和圖8，雷達(dá)和TD-LTE 終端之間的中心頻率間隔越大，避免二者干擾所需的隔離距離越小，并以5%為標(biāo)準(zhǔn)限值可得到TD-LTE 終端和雷達(dá)在不同中心頻率間隔條件下需要的隔離距離如表7所示。

表7 雷達(dá)干擾TD-LTE 基站需要的隔離距離

在雷達(dá)對TD-LTE 終端的干擾場景，本文得到如圖9 的雷達(dá)對郊區(qū)一個TD-LTE 扇區(qū)內(nèi)的終端調(diào)制編碼損失曲線，并以5%為標(biāo)準(zhǔn)限值可得到TD-LTE 終端和雷達(dá)在不同中心頻率間隔條件下需要的隔離距離如表8所示。

表8 雷達(dá)干擾TD-LTE 移動終端需要的隔離距離

4 結(jié)論

根據(jù)確定性計算和仿真結(jié)果，總體來說，需要的隔離距離都小于100km。在相同頻率隔離情況下，TD-LTE 系統(tǒng)對雷達(dá)干擾時所需要的物理間隔要大于反方向干擾所需物理間隔，可能的主要原因為TD-LTE 系統(tǒng)干擾是多個小區(qū)基站干擾的累加結(jié)果，同時，也有雷達(dá)系統(tǒng)需要的干擾保護條件偏高等原因。

圖6 TD-LTE 終端對雷達(dá)干擾概率

圖7 雷達(dá)干擾基站時的調(diào)制編碼損失(城區(qū))

圖8 雷達(dá)干擾基站時的調(diào)制編碼損失(郊區(qū))

圖9 雷達(dá)干擾終端時的調(diào)制編碼損失(郊區(qū))

［1］王映民，孫韶輝.TD-LTE 技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京，人民郵電出版社，2010.

［2］Merrill Skolnik 著，左群聲，徐國良，馬林等譯.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論(第三版)［M］.北京，電子工業(yè)出版社，2007.

［3］User Equipment(UE)radio transmission and reception，(Release 8)3GPP.TS 36.101.V8.2.0(2008-05)

［4］Base Station(BS)radio transmission and reception，(Release 8)3GPP.TS 36.104.V8.2.0(2008-05)

［5］Physical Channels and Modulation，(Release 8)，3GPP.TS 36.211.V8.4.0(2008-09)

［6］Radio Frequency(RF)system scenarios，(Release 8)，3GPP.TS.36.942.V8.0.0(2008-09)

［7］ITU-R 標(biāo)準(zhǔn)文件P 452-12.

［8］ITU-R 標(biāo)準(zhǔn)文件P 526-9.

［9］ITU-R 標(biāo)準(zhǔn)文件M.1461.

［10］中國通信標(biāo)準(zhǔn)化組織文件，CWTS_WG1_3G_SPEC_054.

［11］TC5_WG8_2008_041B，2300-2400MHz 雷達(dá)與TD-SCDMA 干擾共存研究，CCSA.

［12］Tranter，W.H.等著，肖明波等譯.通信系統(tǒng)仿真原理與無線應(yīng)用［M］.北京，機械工業(yè)出版社，2005.

［13］梁童，孟德香.TD-LTE 系統(tǒng)與WLAN 系統(tǒng)共存研究［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，1:4-9.

［14］李超，滕建輔，李瑞杰，徐大為.TD-LTE 與WCDMA 系統(tǒng)共存的干擾研究［J］.微處理機，2012，4:40-45.