WLAN與TD-LTE系統在2.4 GHz頻段共存干擾

王 侃 ，楊家瑋

(西安電子科技大學信息科學研究所，陜西西安 710071)

2002年10月23日，原信息產業部公布了我國第三代公眾移動通信系統頻率規劃，其中2 300～2 400 MHz是TDD方式的補充工作頻段。目前3GPP定義TDD的頻段有:1 850～1 920 MHz;2 010～2 025 MHz;2.3～2.4 GHz;2 570～2 620 MHz。

目前，我國TD-LTE系統實驗用的頻段為2 300～2 400 MHz。同時，2 400～2 483.5 MHz為ISM頻段。根據頻譜規劃，在2.4 GHz頻段將會出現TD-LTE與WLAN系統共存的場景。

作為系統共存產生的帶外干擾，由接收機和發射機特性的不完善造成。工作于ISM頻段的WLAN設備的帶外輻射值會對TD-LTE系統造成一定程度的干擾，因此，需要對WLAN設備的帶外輻射值進行限制。由此可見，研究TD-LTE和WLAN系統的共存問題很有實際意義。運營商在進行網絡規劃時，必須對WLAN設備的帶外干擾值進行限制，否則會影響TD-LTE系統的正常工作。

1 WLAN系統對TD-LTE系統干擾分析

TD-LTE與WLAN系統都是TDD工作方式且不同步。當WLAN和TD-LTE系統都工作于上行或下行時隙時，WLAN的AP(Access Point)會對TD-LTE的UE(User Equipment)產生干擾，或WLAN的STA(Station)對TD-LTE的eNodeB干擾;當兩系統共存于不同時隙時，則會產生AP對UE的干擾或STA對eNodeB的干擾。因此，WLAN與TD-LTE系統的共存干擾主要包括以下8種場景[1]:(1)WLAN系統STA(Station)對TD-LTE系統基站干擾。(2)WLAN系統AP(Access Point)對TD-LTE系統基站干擾。(3)WLAN系統STA對TD-LTE系統終端干擾。(4)WLAN系統AP對TDLTE系統終端干擾。(5)TD-LTE系統終端對WLAN系統AP干擾。(6)TD-LTE系統基站對WLAN系統AP干擾。(7)TD-LTE系統終端對WLAN系統STA干擾。(8)TD-LTE系統基站對WLAN系統STA干擾。

當WLAN設備作為干擾源時，產生的輻射主要分為帶外輻射(Out-Of-Band，OOB)和雜散輻射。WLAN系統STA的空中接口物理層要求在YDC 079-2009《移動用戶終端無線局域網技術指標和測試方法》做了規定。WLAN系統在2.4 GHz頻段的工作范圍為2 400～2 483.5 MHz。

1.1 工作信道

WLAN系統在2.4 GHz頻段的工作信道編號和信道中心頻率如表1所示[3]。

表1 2.4 GHz頻段信道分配方案

1.2 無線指標要求

1.2.1 uhy等效全向輻射功率

等效全向輻射功率應滿足:(1)天線增益 ＜10 dBi時:≤100 mW或≤20 dBm;(2)天線增益=10 dBi時:≤500 mW或≤27 dBm。

帶外輻射功率≤-80 dBm/Hz(EIRP);雜散輻射功率≤ - 30 dBm/1 MHz[3]。

1.2.2 TD-LTE設備受干擾保護準則

TD-LTE系統接收機所受到的干擾電平可表示為

其中，N表示接收機熱噪聲電平，計算公式

B為接收機信道帶寬;NF為噪聲系數。TD-LTE系統基站的熱噪聲系數為5 dB，移動臺的熱噪聲系數為9 dB。I/N為接收機輸入端噪聲功率與干擾功率的比值。TD-LTE系統基站的噪聲功率與干擾功率比值為-10 dB，移動臺噪聲功率與干擾功率的比值取-6 dB。

可得到TD-LTE設備對WLAN設備帶外干擾功率值的要求為

Pathloss為干擾機到接收機的路徑損耗，GTX為干擾機的天線增益，GRX為接收機的天線增益。由此可計算出TD-LTE系統所允許的WLAN設備的最大帶外干擾功率值。

2 仿真平臺設計

2.1 仿真方法

系統仿真分為靜態仿真和動態仿真，靜態仿真又稱蒙特卡羅仿真。該方法將對基站和移動臺的發射功率、基站的負載等情況進行仿真，將整個系統的運轉區間劃分為若干個間隔，每兩個間隔之間為一個快照(Snapshot)取樣時刻，將所有快照時刻的取樣結果進行記錄，用統計方法加以分析，產生所需結果，所以這種方法又稱為靜態快照方法。

文中采用靜態仿真，每次仿真時設定滿足通信要求的區域覆蓋面積，計算出所要求的WLAN系統最大帶外干擾功率值。在CCSA中，此種方法又稱為干擾地理分布研究[5]。

2.2 仿真參數設定

TD-LTE系統主要參數如表2所示[8-9]。

表2 TD-LTE系統參數配置

WLAN系統主要參數如表3所示[2]。

表3 WLAN系統參數配置

2.3 仿真場景

根據文獻[6]，場景1中WLAN系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 室內WLAN系統對TD-LTE移動臺干擾拓撲結構圖

此WLAN系統位于一3層辦公樓內。如圖1所示[6]，房間的面積為10 m×10 m，走廊寬5 m，長100 m，每層樓高為3 m。圖中所示黑點為AP的分布。S表示干擾機，即WLAN系統的STA;D為被干擾機，即TD-LTE系統的終端。仿真設定中，AP共20個，如圖1所示分布。STA共200個，位于房間的概率為90%。

場景2中網絡拓撲結構如圖2所示。其中，3層辦公樓中WLAN設備的分布與圖1相同。TD-LTE的基站位于室外，位于辦公樓中心25 m處。Xoffset為基站偏離辦公樓中心的距離。θ為基站天線到辦公樓外墻的入射角。Yoffset為基站天線與相應樓層的相對高度。

圖2 室內WLAN系統對室外TD-LTE基站干擾拓撲結構圖

場景3中網絡拓撲結構圖如圖3所示[6]。

圖3 室外WLAN系統對室外TD-LTE系統移動臺干擾網絡拓撲結構圖

室外WLAN系統對室外TD-LTE移動臺的干擾網絡拓撲結構采用曼哈頓結構。各個街區大小為200 m×200 m，街道寬度為30 m，總區域面積為6.5 km2。AP如圖中黑色實點所示，共72個。STA均勻分布于街道中心，仿真中所采用數量為72×5=360。TD-LTE系統的被干擾終端位于街道中心。

場景4中，室外WLAN系統對室外TD-LTE系統基站干擾的網絡拓撲結構采用如圖3所示結構。此時，TD-LTE的基站位于整個街區的中心位置。

3 仿真結果

下面將根據4種場景的仿真結果，得到TD-LTE系統達到95%和99%覆蓋時對WLAN設備帶外功率的限值。圖4～圖7分別得到不同場景下TD-LTE設備對WLAN設備帶外輻射功率限值CDF曲線圖。

圖4 場景1TD-LTE終端對WLAN設備帶外功率限值CDF曲線圖

室內場景下TD-LTE終端達到99%的覆蓋時，對WLAN設備帶外功率輻射要求為-91.64 dBm(5 MHz)，達到95%覆蓋時為-80.08 dBm(5 MHz)。

圖5 場景2TD-LTE基站對WLAN設備帶外功率限值CDF曲線圖

場景2仿真結果如表4所示。

表4 場景2對WLAN設備限值的計算結果

圖6 場景3TD-LTE終端對WLAN設備帶外功率限值CDF曲線圖

室外曼哈頓街區中TD-LTE終端達到99%的覆蓋時，WLAN設備帶外功率限值為 -69.56 dBm(9 MHz)，達到95%覆蓋時是-59.30 dBm(9 MHz)。

圖7 場景4TD-LTE基站對WLAN設備帶外功率限值CDF曲線圖

室外曼哈頓街區中TD-LTE基站達到99%覆蓋時，WLAN設備帶外功率限值為 -79.24 dBm(9 MHz)，達到95%覆蓋時是-54.80 dBm(9 MHz)。

4 結束語

綜合4種場景的分析結果，可知WLAN和TD-lTE系統鄰頻共存時，WLAN系統的帶外輻射會對TD-LTE系統造成較大干擾，使系統吞吐量下降。

為使WLAN系統和TD-LTE系統共存組網，可增加兩系統間的頻率間隔，減小WLAN設備落入TD-LTE接收機內的雜散輻射值。由于WLAN設備工作于ISM頻段，頻率較為靈活，所以可將TDLTE設備的工作頻段＜(2 400-9)MHz=2 391 MHz，即TD-LTE和WLAN系統相隔一個WLAN信道帶寬的頻率間隔。

同時制定更為嚴格的規范，將WLAN設備的帶外輻射和雜散輻射功率降低到更低的限值，以減少對TD-LTE及其他系統的干擾。根據以上分析，WLAN設備帶外功率限值建議取-60 dBm(9 MHz)。

[1]陳禹.LTE TDD物理層關鍵技術研究[D].北京:北京郵電大學，2010.

[2]中華人民共和國工業和信息化部.移動用戶終端無線局域網技術指標和測試方法[S].北京:中華人民共和國工業和信息化部，2009.

[3]許猛.基于LTE的系統級仿真平臺設計[D].北京:北京郵電大學，2008.

[4]王東.TD-LTE和LTE-FDD共存的干擾研究[D].西安:西安電子科技大學，2010.

[5]梁童，李男，王大鵬，等.TD-LTE與WLAN共存研究報告更新建議[C].北京:CCSA TC5 WG8，2010.

[6]肖霖.UWB與IMT-2000 FDD系統共存研究[D].北京:北京郵電大學，2007.

[7]沈嘉，索士強.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[8]3rd Generation Partnership Project.Radio Frequency(RF)system scenarios(Release 9)，3GPP TR 36.942 V9.2.0[S].France:3GPP Organizational Partners，2009.

[9]3rd Generation Partnership Project.Base Station(BS)radio transmission and reception(Release 8)，3GPP TS 36.104 V8.5.0[S].France:3GPP Organizational Partners，2009.