1.8 GHz頻段TD-LTE系統(tǒng)與異系統(tǒng)間干擾共存分析

許富馨 嚴(yán)天峰

1(蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070)2(甘肅省高精度北斗定位技術(shù)工程實驗室 甘肅 蘭州 730070)3(甘肅省無線電監(jiān)測及定位行業(yè)技術(shù)中心 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

在全球無線電頻譜資源匱乏的大背景下，如何更高效利用現(xiàn)有的頻譜資源成為了當(dāng)前的熱點之一。在此背景下，我國工信部重新發(fā)布了對1 785～1 805 MHz頻段使用的規(guī)定，為使用有限的頻譜資源提供了新機(jī)遇，如何有效地利用該20 MHz 帶寬具有重要意義。為了能夠為政府、公共安全等部門提供專用的安全可靠的專用無線通信網(wǎng)絡(luò)，政府決定將在1 785～1 805 MHz頻段內(nèi)建設(shè)無線行業(yè)專網(wǎng)[2]來提供應(yīng)急通信、指揮調(diào)度等保障服務(wù)。

1 1.8 GHz頻段使用現(xiàn)狀

1.8 GHz頻率分布使用情況如圖1-圖4所示，其中：中國移動DSC1800系統(tǒng)頻率為1 710～1 735 MHz/1 805～1 830 MHz[3]；中國聯(lián)通DSC1800系統(tǒng)在1 735～1 755 MHz/1 830～1 850 MHz；LTE FDD系統(tǒng)預(yù)留在1 755～1 785 MHz/1 850～1 880 MHz。目前，已經(jīng)在該頻段內(nèi)建成的系統(tǒng)有基于無線通信的列車控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control System，CBTC)和多載波無線信息本地環(huán)(Multi_Carrier Wireless Information Local Loop，McWiLL)。

圖1 國內(nèi)移動通信450～915 MHz分布圖

圖2 國內(nèi)移動通信930～1 850 MHz分布圖

圖3 國內(nèi)移動通信1 850～2 125 MHz分布圖

圖4 國內(nèi)移動通信2 130～5 850 MHz分布圖

2 干擾類型及場景

2.1 干擾類型

(1) 鄰頻干擾：在相鄰頻域工作的不同系統(tǒng)，因為接收機(jī)鄰道選擇性和發(fā)射機(jī)鄰道泄漏性能限制，會產(chǎn)生鄰道干擾[4]。

(2) 雜散干擾：由于發(fā)射機(jī)的非理想特性，發(fā)射機(jī)會在自身工作頻帶以外的頻率上產(chǎn)生非期望輻射。緊鄰工作頻帶一定頻率范圍內(nèi)的非期望輻射稱為帶外輻射，在此范圍之外的各種非期望輻射則統(tǒng)稱為雜散輻射。

(3) 阻塞干擾：對于接收機(jī)來講，造成接收機(jī)飽和阻塞是由于接受功率超出了其所允許的最大動態(tài)范圍，進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)不能正常工作，時間較長還會影響到接收機(jī)，使其性能下降。

(4) 互調(diào)干擾：當(dāng)無源射頻器件中同時出現(xiàn)兩個或兩個以上頻率的射頻信號功率時，就會有無源互調(diào)產(chǎn)物產(chǎn)生。互調(diào)產(chǎn)物有可能恰好落在基站的接收或發(fā)射波段內(nèi)，從而干擾接收機(jī)，嚴(yán)重時可能使接收機(jī)不能正常工作。

2.2 干擾場景

系統(tǒng)間的干擾場景如圖5所示，分析可知，基站間的干擾為主要干擾，為減小系統(tǒng)間的干擾，不同基站之間必須有足夠的隔離度。

圖5 干擾場景

3 TD-LTE系統(tǒng)間干擾分析

3.1 IMT系統(tǒng)間干擾分析

目前國內(nèi)三大運營商手機(jī)模式采用的模式有DSC、GSM、WCDMA、CDMA、TD-SCDMA、LTE FDD系統(tǒng)，TD-LTE系統(tǒng)也將與它們長期共存[5]。目前，移動通信間的主要干擾場景為基站間的干擾，根據(jù)3GPP TS 36.101[6]和3GPP TS 36.104[7]協(xié)議規(guī)定的雜散和阻塞指標(biāo)及各個系統(tǒng)的參數(shù)，并計算出TD-LTE與其他各個系統(tǒng)所需要的隔離度，然后通過隔離公式將隔離度轉(zhuǎn)化為隔離距離。

3.1.1分析方法

(1) 雜散干擾分析。在干擾分析中，基站可允許的底噪抬升小于0.8 dB。此時：

(1)

式中：Imax表示接收機(jī)可承受最大干擾信號強(qiáng)度門限；N表示接收機(jī)底噪，計算式如下：

N=-174 dBm/Hz+10lgBW+NF

(2)

式中：NF表示接收機(jī)噪聲系數(shù)；BW表示接收帶寬。

消除系統(tǒng)雜散干擾所需的隔離度為：

(3)

式中：S表示干擾源的雜散指標(biāo)；BWm表示測量帶寬。

(2) 阻塞干擾分析。規(guī)避阻塞干擾所需的隔離度Db(dB)=Tx-B，其中：Tx表示干擾系統(tǒng)的發(fā)射功率；B(dB)表示受擾系統(tǒng)的抗阻塞指標(biāo)。

(3) 隔離距離計算。計算系統(tǒng)共址所需的水平或者垂直距離時，隔離度值取Ds和Db的最大值。

水平和垂直隔離計算公式：

(4)

式中：SH表示天線水距離(m)；λ表示被干擾系統(tǒng)中心頻率對應(yīng)的波長(m)；Gt表示發(fā)射天線增益(dBi)；Gr表示接收天線增益(dBi)，Gt+Gr默認(rèn)為1 dB。

(5)

式中：SV表示天線垂直間距(m)。

3.1.2干擾規(guī)避措施

用確定性分析法進(jìn)行干擾隔離度計算時，我們通過表1和表2給出的參數(shù)和3.1.1節(jié)中給出的計算公式得到。從表3-表5的數(shù)據(jù)分析可以得出，WLAN與TD-LTE兩系統(tǒng)共址時所需的干擾隔離度較高。

表1 各系統(tǒng)分析參數(shù)及雜散和抗阻塞指標(biāo)

續(xù)表1

表2 各系統(tǒng)分析參數(shù)及雜散和抗阻塞指標(biāo)

表3 TD-LTE與TD-SCDMA、WCDMA系統(tǒng)共址時干擾隔離度

表4 TD-LTE與CDMA2000、GSM900系統(tǒng)共址時干擾隔離度

表5 TD-LTE與DSC1800、WLAN系統(tǒng)共址時干擾隔離度

其他的系統(tǒng)與TD-LTE共址時的隔離度要求較低，可采取如下措施：

(1) 當(dāng)TD-LTE與WLAN兩系統(tǒng)室外共址時，可以增大系統(tǒng)間的垂直隔離距離，即在天線的安裝過程中垂直布放天線來進(jìn)行干擾隔離。

(2) 當(dāng)受擾系統(tǒng)和干擾源同屬于一家運營商時，協(xié)調(diào)起來更加方便，可以直接調(diào)整天線位置或加裝濾波器來進(jìn)行隔離。

(3) 當(dāng)受擾系統(tǒng)和干擾源分屬于不同的運營商時，可以先進(jìn)行企業(yè)間的協(xié)調(diào)工作，可采用共同站點改造的方式來進(jìn)行隔離。如果協(xié)調(diào)失敗，則只能本企業(yè)內(nèi)部獨自調(diào)整受擾基站，進(jìn)行天線位置的調(diào)整或者加裝濾波器。

3.2 TD-LTE與McWiLL系統(tǒng)間干擾共存

查詢國家無線電中心數(shù)據(jù)得知，工作于1 785～1 805 MHz頻段的McWiLL系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用，其工作頻段覆蓋了1 785～1 805 MHz整個20 MHz頻段，各個基站帶寬范圍為1～5 MHz，發(fā)射功率為1～3 W，部署于地面。

3.2.1分析方法

(1) 雜散干擾分析。TD-LTE系統(tǒng)信號泄漏到相鄰信道時的功率約為33 dBm/MHz-45 dB(ACLR)=-12 dBm/MHz，為避免鄰道干擾，則允許底噪抬升3 dB，此時，最大干擾噪聲為-110 dBm/MHz，則TD-LTE與McWiLL系統(tǒng)間的隔離度要求為-12-(-110)=98 dB。

(2) 阻塞干擾分析。阻塞干擾隔離度=TD-LTE載波發(fā)射功率-(McWill系統(tǒng)抗阻塞門限)，查詢相關(guān)參數(shù)并計算得到阻塞干擾隔離度為83 dB。

(3) 隔離距離計算。將雜散干擾和阻塞干擾進(jìn)行對比，取兩者的最大值進(jìn)行干擾分析，則干擾隔離度應(yīng)為98 dB。通過干擾隔離度計算，TD-LTE與McWiLL系統(tǒng)共址時，干擾的隔離度如表6所示。

表6 TD-LTE與McWiLL系統(tǒng)共址時干擾隔離度

3.2.2干擾規(guī)避措施

McWiLL和TD-LTE兩系統(tǒng)共存時，為降低系統(tǒng)間的干擾，可以考慮采取加裝濾波器、空間隔離和頻率隔離的方法。具體如下：

(1) 加裝濾波器：為TD-LTE和McWiLL分別加裝不同規(guī)格的腔體濾波器來增大系統(tǒng)間的隔離度。

(2) 空間隔離：由表6可知，空間隔離有兩種不同的方式，水平和垂直隔離，具體可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行綜合考慮。

(3) 頻帶隔離：1.8 GHz頻段上邊緣要與LTE FDD系統(tǒng)隔離3 MHz，下邊緣要與DSC1800系統(tǒng)隔離3 MHz。通過調(diào)整頻點分布，在McWiLL只占用5 MHz頻率的情況下，加上各網(wǎng)之間的保護(hù)帶寬，只有6 MHz的頻率提供給TD-LTE組網(wǎng)，理論上在1.8 GHz頻段可以組成一個5 MHz頻寬的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，具體如圖6所示。

圖6 TD-LTE與McWiLL兩網(wǎng)兼容組網(wǎng)頻率分配

3.3 TD-LTE與CBTC系統(tǒng)間的干擾共存

新興的城市軌道交通系統(tǒng)簡稱為CBTC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)比較安全和可靠[9]。隨著國家無線電管理機(jī)構(gòu)重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段的使用相關(guān)事宜，為了提升軌道交通的安全性，在1 785～1 805 MHz頻段進(jìn)行CBTC系統(tǒng)的部署，所以要考慮CBTC和TD-LTE兩系統(tǒng)的同頻干擾問題。

3.3.1CBTC系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

表7 CBTC系統(tǒng)射頻相關(guān)參數(shù)

3.3.2干擾問題分析

(1) 干擾場景分析。CBTC系統(tǒng)的運行區(qū)域可能和將來的無線專網(wǎng)區(qū)域重疊，研究兩系統(tǒng)間的干擾共存非常必要，因此，需要考慮TD-LTE基站和終端對CBTC列車端的干擾[10]。

(2) 安全隔離距離計算。安全隔離度計算公式為：

LP=PT+GT+GR-LT-LR-ACIR-I

(6)

式中：PT表示干擾系統(tǒng)最大發(fā)射功率(dBm)；GT表示干擾系統(tǒng)的天線增益(dB)；GR表示受擾系統(tǒng)的天線增益(dB)；LR表示受擾系統(tǒng)饋線損耗(dB)；ACIR表示鄰道干擾功率比(dB)；I表示受擾系統(tǒng)可以承受的最大干擾信號功率(dBm)。

基站到CBTC終端間采用UMTS車載環(huán)境模型[11]：

LP=40·(1-4×10-3·(H-h))lgd-

18lg(H-h)+21·lgf+80+s

(7)

式中：d表示距離(km)；H表示天線高度(m)；h表示基準(zhǔn)屋頂高度；f表示載波頻率(MHz)，這里設(shè)為15 m；s表示對數(shù)正態(tài)分布的均值，這里取5 dB。

終端到終端路徑損耗模型表示為：

(8)

將表7中的數(shù)據(jù)帶入式(7)和式(8)中，計算出不同情況下的隔離度及隔離距離，如表8所示。

表8 CBTC列車端和干擾系統(tǒng)間的隔離度和隔離距離

3.3.3干擾規(guī)避措施

分析表8的數(shù)據(jù)可知，同頻部署CBTC和TD-LTE兩系統(tǒng)時，TD-LTE系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)間沒有ACIR的干擾，CBTC列車端將受到比較嚴(yán)重的同頻干擾。考慮到TD-LTE一般采用天線覆蓋，而CBTC系統(tǒng)一般采用漏纜覆蓋。因而在進(jìn)行干擾規(guī)避時，先從系統(tǒng)間的隔離距離考慮，選取合適的建站位置。在隔離距離不能滿足時，可采取調(diào)整天線輻射角度、降低干擾系統(tǒng)發(fā)射功率、提高被干擾系統(tǒng)覆蓋場強(qiáng)、提高濾波器性能等措施。

3.4 TD-LTE與LTE FDD系統(tǒng)間的干擾

LTE支持TDD和FDD兩種雙工模式，從國內(nèi)無線電頻譜資源劃分的情況可以看出，1.8 GHz LTE FDD系統(tǒng)所在頻段為3GPP組織規(guī)定的Band3頻段,具體就是1 710～1 785 MHz(上行)、1 805～1 880 MHz(下行)。TD-LTE系統(tǒng)所在的頻段為1 785～1 805 MHz。分析TD-LTE系統(tǒng)和LTE FDD系統(tǒng)間的干擾共存，對提升系統(tǒng)性能有著重要意義。

3.4.1分析方法及模型的建立

靜態(tài)系統(tǒng)仿真方法，也稱蒙特卡洛仿真方法或者快照式仿真法，其思想為多次抓拍通信系統(tǒng)場景并為每次抓拍建立理想系統(tǒng)平衡點，之后統(tǒng)計系統(tǒng)達(dá)到理想平衡時的性能。

按照系統(tǒng)仿真流程，建立好相應(yīng)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行LTE系統(tǒng)間的靜態(tài)系統(tǒng)仿真。

3.4.2仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖7-圖12所示。

圖7 農(nóng)村地區(qū)TDD下行干擾FDD系統(tǒng)的用戶接入

圖8 城市地區(qū)TDD下行干擾FDD系統(tǒng)的用戶接入

圖9 農(nóng)村地區(qū)TDD上行干擾FDD系統(tǒng)的用戶接入

圖10 城市地區(qū)TDD上行干擾FDD系統(tǒng)的用戶接入

圖11 使用小區(qū)內(nèi)干擾協(xié)調(diào)機(jī)制時10MHz LTE系統(tǒng)上行相對吞吐量

圖12 使用波束賦形技術(shù)時10MHz LTE系統(tǒng)的下行相對吞吐量

經(jīng)分析可知：

(1) TD-LTE系統(tǒng)干擾LTE FDD系統(tǒng)時，下行干擾為主要干擾，且農(nóng)村地區(qū)較城市地區(qū)干擾程度低。

(2) TD-LTE使用波束賦形技術(shù)后，所需的ACIR值明顯降低，且兩系統(tǒng)共址時的干擾比兩系統(tǒng)偏移433米時的干擾大。

(3) 引入小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制后，TD-LTE系統(tǒng)的性能明顯提升，且在兩系統(tǒng)偏移433米時同樣適用。

4 結(jié) 語

通過查詢相關(guān)協(xié)議并通過確定性計算的分析方法，對1.8 GHz頻段TD-LTE系統(tǒng)與IMT系統(tǒng)、McWiLL系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)共存的可行性問題進(jìn)行了討論，并從實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，提出了增大空間隔離距離和加裝濾波器等措施來增大系統(tǒng)間的隔離度，從而進(jìn)行干擾規(guī)避。通過建立蒙特卡洛模型，對TD-LTE系統(tǒng)與LTE FDD系統(tǒng)鄰頻共存進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)的結(jié)論并驗證了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制和波束賦形技術(shù)能夠顯著提升系統(tǒng)性能，為下一步的工程實踐提供參考。