TD-SCDMA基站和WCDMA基站的共存分析

摘　要　主要探討了WCDMA系統(tǒng)與TD-SCDMA系統(tǒng)基站間的共存問(wèn)題，并從鄰頻干擾的角度進(jìn)行了深入的分析；采用確定性計(jì)算方法和靜態(tài)仿真方法研究TD-SCDMA基站對(duì)WCDMA基站產(chǎn)生的鄰頻干擾，并分析了采用智能天線后帶來(lái)的改善。

　　0、前言

　　在移動(dòng)通信從第二代向第三代過(guò)渡的今天，新技術(shù)不斷得到應(yīng)用，新的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商日益發(fā)展壯大。由于射頻資源的日益緊張，各種潛在的干擾源正以驚人的速度不斷產(chǎn)生，其中鄰頻干擾就是由于頻率規(guī)劃原因造成的，使得處于相鄰頻段的不同模式或不同運(yùn)營(yíng)商的共存受到一定的限制。

　　根據(jù)國(guó)內(nèi)已經(jīng)公布的3G頻率方案，TDD頻段1880～1920MHz與FDD上行頻段1920～1980MHz相鄰，而3G外場(chǎng)測(cè)試表明：當(dāng)TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)共存時(shí)，在頻點(diǎn)1920MHz附近存在干擾，如果WCDMA與TD-SCDMA共享站址，則這種干擾將會(huì)更加明顯。因此對(duì)不同系統(tǒng)之間共存問(wèn)題的研究就顯得日益重要。

　　干擾分析的方法主要分為確定性計(jì)算方法和仿真模擬方法兩大類(lèi)，其中仿真模擬方法又分為動(dòng)態(tài)仿真和靜態(tài)仿真。本文針對(duì)WCDMA和TD-SCDMA系統(tǒng)間的鄰頻干擾問(wèn)題，分別采用確定性計(jì)算方法和靜態(tài)仿真方法，深入討論WCDMA和TD-SCDMA的基站共存問(wèn)題，并引入智能天線技術(shù)，分析其對(duì)鄰頻干擾的改善。本文側(cè)重討論的是TD-SCDMA基站對(duì)WCDMA基站的干擾問(wèn)題，這也是2個(gè)系統(tǒng)之間存在的主要干擾。

　　1、鄰頻干擾原理

鄰頻干擾來(lái)自相鄰載頻信道，主要是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的不理想性，使得相鄰信道的信號(hào)泄漏到傳輸帶寬內(nèi)引起的。干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的帶外輻射，體現(xiàn)為發(fā)射機(jī)的鄰信道泄漏功率比（ACLR）；被干擾系統(tǒng)接收機(jī)的選擇性，體現(xiàn)為接收機(jī)的鄰信道選擇性（ACS）。ACLR和ACS共同作用的結(jié)果可用鄰信道干擾功率比（ACIR）來(lái)衡量，見(jiàn)式（1）。

　
（1）

　　干擾系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)對(duì)鄰頻共存的被干擾系統(tǒng)接收機(jī)端的干擾可通過(guò)ACIR體現(xiàn)。因此，為有效提高兩種系統(tǒng)鄰頻共存時(shí)的系統(tǒng)性能，需要同時(shí)改善干擾系統(tǒng)的發(fā)射特性（ACLR）和被干擾系統(tǒng)的接收機(jī)接收特性（ACS）。單方面改善發(fā)射機(jī)的發(fā)射特性要求或接收機(jī)特性要求均不能有效抑制干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)容量。

　　2、確定性計(jì)算方法

　　2.1　方法描述

　　確定性計(jì)算方法主要用來(lái)評(píng)價(jià)基站間干擾，即基站—基站（BS—BS）類(lèi)型的干擾。通過(guò)計(jì)算被干擾接收機(jī)可以容忍的最大干擾，來(lái)計(jì)算可以容忍增加的鄰頻干擾。

　　本小區(qū)和鄰小區(qū)的同頻干擾，即系統(tǒng)內(nèi)干擾是CDMA系統(tǒng)的固有干擾，鄰頻干擾的增加是以減少一定的同頻干擾，即犧牲被干擾系統(tǒng)一定的容量作為補(bǔ)償?shù)摹?


　　　　 （2）

　　式中：

　　Iaci——干擾系統(tǒng)產(chǎn)生的鄰頻干擾

　　Pbt——干擾基站發(fā)射功率

　　Lb——干擾基站到被干擾基站的基本隔離值，由天線增益和路徑損耗組成，天線增益就是干擾發(fā)射機(jī)發(fā)射增益和被干擾接收機(jī)接收增益之和

　　2.2　最大可以容忍的鄰頻干擾的計(jì)算

　　對(duì)于WCDMA系統(tǒng)的上行鏈路，隨著用戶(hù)數(shù)的增加，本小區(qū)和鄰小區(qū)的同頻干擾增大，當(dāng)噪聲增加量（Mr）達(dá)到一定的門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)有最大容量[4]。


　　　　 （3）

　　式中：

　　η——系統(tǒng)負(fù)載因子，是當(dāng)前的用戶(hù)數(shù)和系統(tǒng)的極限容量之比

　　理想功控下，基站接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)具有相同功率電平（C）。假設(shè)N為小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)數(shù)，α為話(huà)音激活因子。對(duì)于小區(qū)內(nèi)任意一個(gè)移動(dòng)臺(tái)而言，來(lái)自本小區(qū)的干擾功率（Ior）為


　　　　 （4）

　　假設(shè)β為來(lái)自外小區(qū)的功率和本小區(qū)功率之比，則基站接收到的其他小區(qū)的總功率（Poc）為


　　　　 （5）

　　由式（4）和式（5）可以得出基站處的Eb/No


　　　　 （6）

　　式中：

　　W——擴(kuò)頻帶寬

　　Rb——信息速率

　　g——處理增益

　　F——基站接收機(jī)的噪聲系數(shù)

　　Nth——熱噪聲密度

　　隨著用戶(hù)的增加，Eb/No不斷下降，當(dāng)減小到解調(diào)所需要的最低門(mén)限（d）時(shí)，系統(tǒng)的容量達(dá)到極限。由此，可以得出小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)數(shù)


　　　　 （7）

　　令基站的信噪比趨于無(wú)窮大（忽略熱噪聲），可得到系統(tǒng)反向鏈路的極限容量（Nmax）[3]。


　　　　 （8）

　　假設(shè)為理想功控，所有移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站接收電平相等，均為有用信號(hào)C（dBm）。則在基站接收機(jī)端可以容忍的最大干擾為


　　　　 （9）

　　式中：

　　No——噪聲電平（dBm）

　　可以看出每減少一個(gè)用戶(hù)，系統(tǒng)可以增加α（1+β）×10C/10的鄰頻干擾。對(duì)于α%的系統(tǒng)容量損失，Nmax為系統(tǒng)的極限容量，可以容忍的最大鄰頻干擾為[2]


　　　　 （10）

　　3、靜態(tài)仿真模擬方法

　　靜態(tài)仿真模擬方法是3GPP提案[1]中的快照式仿真，其特點(diǎn)是激活UE與小區(qū)的連接關(guān)系固定，單個(gè)快照仿真的設(shè)置時(shí)間很短，一般是150個(gè)功率調(diào)整次數(shù)，相當(dāng)于系統(tǒng)工作時(shí)間的0.1s時(shí)間。靜態(tài)仿真一般假設(shè)所有的UE都處于激活狀態(tài)，并且都分配給網(wǎng)絡(luò)資源。每個(gè)UE無(wú)論處于什么狀態(tài)，只要能夠解調(diào)導(dǎo)頻信號(hào)，都認(rèn)為可以與基站建立連接和功率控制關(guān)系。

　　靜態(tài)仿真技術(shù)主要用于系統(tǒng)容量的計(jì)算，這種仿真方法在開(kāi)始時(shí)無(wú)法知道系統(tǒng)的準(zhǔn)確容量。除了在理論上可以計(jì)算系統(tǒng)大概的容量以外，一般采用試探方法來(lái)猜測(cè)系統(tǒng)容量，即通過(guò)隨機(jī)放置激活UE在網(wǎng)絡(luò)中。仿真結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)用戶(hù)的滿(mǎn)意率，如果低于滿(mǎn)意率，則下次系統(tǒng)仿真時(shí)增加放置UE數(shù)量，這樣一直循環(huán)下去，直到放置UE的數(shù)量剛好達(dá)到預(yù)置條件。如可以設(shè)置用戶(hù)滿(mǎn)意率為95%?；蛘咝枰?jiǎng)偤眠_(dá)到6 dB的噪聲增加量。

　　3.1　仿真原理

　　用靜態(tài)仿真方法來(lái)模擬實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)，分析用戶(hù)數(shù)與干擾的關(guān)系。定義C/I為用戶(hù)接收到的有用信號(hào)和干擾的比。當(dāng)某條通信鏈路的C/I大于接收機(jī)要求的C/I時(shí)，稱(chēng)該用戶(hù)為滿(mǎn)意用戶(hù)，當(dāng)這條鏈路的C/I小于最小要求時(shí)，則認(rèn)為該條通信鏈路中斷。

　　對(duì)于WCDMA系統(tǒng)的上行鏈路有：


　　　　 （11）

　　對(duì)于TD-SCDMA系統(tǒng)同步情況下的上下行鏈路有：


　　　　 （12）

　　式中：

　　β——干擾消除因子

　　由于在TD-SCDMA系統(tǒng)中，采用了聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，所以在理想情況下，可以完全消除同小區(qū)的同頻干擾。

　　有了每條鏈路的C/I，就可以根據(jù)一定的仿真準(zhǔn)則來(lái)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的用戶(hù)數(shù)。對(duì)于WCDMA系統(tǒng)的上行鏈路，采用噪聲增加量小于6 dB準(zhǔn)則。而TD-SCDMA系統(tǒng)，由于在該仿真中是作為干擾系統(tǒng)存在的，因此不需要統(tǒng)計(jì)其系統(tǒng)容量，每次放入固定的用戶(hù)數(shù)（N），在N個(gè)用戶(hù)情況下分析對(duì)WCDMA系統(tǒng)的干擾情況。TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個(gè)時(shí)隙的最多用戶(hù)數(shù)為8。

　　單系統(tǒng)情況下，首先給定一個(gè)初始系統(tǒng)用戶(hù)數(shù)，然后按照仿真準(zhǔn)則進(jìn)行仿真。如果系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到仿真要求，則增加用戶(hù)數(shù)直到滿(mǎn)足仿真準(zhǔn)則，得到單系統(tǒng)用戶(hù)數(shù)（Ns）；系統(tǒng)存在干擾的情況下，同樣重復(fù)上面的仿真步驟，只是加入了鄰頻干擾的考慮，得到兩系統(tǒng)并存時(shí)的用戶(hù)數(shù)（Nm），則系統(tǒng)容量損失統(tǒng)計(jì)如下：


　　　　 （13）

　　3.2　路徑損耗模型

　　對(duì)于基站和基站間以及基站和移動(dòng)臺(tái)間的路徑損耗可采用不同的損耗模型。基站和移動(dòng)臺(tái)間采用如下的路徑損耗公式[10]，該式適用于城市和遠(yuǎn)郊等建筑物均勻等高的情況。

　　

　　式中：

　 　

　　Δhm——建筑物平均高度與移動(dòng)臺(tái)天線高度差

　　x——移動(dòng)臺(tái)與發(fā)射邊緣的水平距離

　　取典型數(shù)據(jù)Δhm=10.5 m，x=15 m，d=80 m，Δhb=15 m，R為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，ƒ為載波頻率，則式（14）可簡(jiǎn)化為


　　　　 （15）

　　考慮到基站天線一般都架得比較高，基站間存在視距傳播的可能性很大，基站間路徑損耗可采用自由空間路徑損耗公式計(jì)算，見(jiàn)式（16）。


　　　　 （16）

　　3.3　鄰頻干擾仿真

　　對(duì)于TD-SCDMA基站對(duì)WCDMA基站的鄰頻干擾，只需仿真WCDMA的上行鏈路和TD-SCDMA的下行鏈路。鄰頻干擾的分析通常要考慮下述兩種情況：

　　a）共站情況，2個(gè)基站的距離設(shè)為10 m，這是最壞的情況，但也是實(shí)際中很容易遇到的情況：

　　b）兩系統(tǒng)基站間距為小區(qū)半徑的一半，假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)的小區(qū)半徑相同。

　　鄰頻干擾的來(lái)源如圖1所示，仿真參數(shù)如表1所示。


圖1　鄰頻干擾來(lái)源

表1　仿真參數(shù)表
項(xiàng)目 WCDMA UL TD-SCDMA DL 最大發(fā)射功率（dBm）23 43 話(huà)音速率（kbit/s）12.2 12.2 目標(biāo)Eb/Io（dB）5 6 標(biāo)準(zhǔn)差（dB）10 10 MCL（dB）53 53 噪聲功率（dBm）-103 -106

　　從圖2和圖3可以看出，要滿(mǎn)足WCDMA系統(tǒng)容量損失不大于5%，共站情況下，ACIR需為120 dB才能滿(mǎn)足干擾系統(tǒng)不同負(fù)載情況下的共站隔離要求；基站間隔為小區(qū)半徑一半時(shí)，ACIR需為70 dB才能滿(mǎn)足隔離要求。根據(jù)式（1）和參考文獻(xiàn)[1，5]給出的鄰頻泄漏參數(shù)可計(jì)算出TD-SCDMA基站與WCDMA基站共存時(shí)實(shí)際的ACIR約為39 dB，可見(jiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)共存要求。因此，在TD-SCDMA基站對(duì)WCDMA干擾的情況下，要使WCDMA系統(tǒng)的容量損失不低于5%，需要再增加額外的隔離度。


圖2　共站下容量損失和ACIR


圖3　基站間隔為小區(qū)半徑一半下容量損失和ACIR

　　3.4　智能天線技術(shù)的引入

　　智能天線技術(shù)是TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，以充分高效利用有用信號(hào)并抑制或消除干擾。圖4示出的是均勻間隔的8陣元的線陣模型的賦形圖，從圖中可以看到天線方向圖是關(guān)于陣元所在直線對(duì)稱(chēng)的，若有2個(gè)用戶(hù)的位置恰好關(guān)于陣元所在直線對(duì)稱(chēng)，那么一個(gè)用戶(hù)的賦形圖必然會(huì)對(duì)另外一個(gè)用戶(hù)造成很大的干擾。這是采用線陣值得考慮的問(wèn)題，但可以采用其他辦法，如采用原陣或其他的波束賦形算法加以改善。

　　圖5和圖6是采用智能天線后容量損失和ACIR的仿真結(jié)果。與圖2和圖3比較可以看出，采用智能天線技術(shù)后，所需的ACIR值有一定的改善，共站情況下減少了20 dB，100 dB就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)容量要求，基站間隔為小區(qū)半徑一半下減少了10 dB，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)共存要求。


圖5　共站下容量損失和ACIR（with SA）


圖6　基站間隔為小區(qū)半徑一半下容量損失和ACIR（with SA）

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文針對(duì)TD-SCDMA基站對(duì)WCDMA基站的鄰頻干擾采用了確定性分析方法和靜態(tài)仿真方法進(jìn)行分析，兩種方法同樣適用于其他系統(tǒng)間干擾，具有較為廣泛的意義。

　　從仿真結(jié)果也可以看出，系統(tǒng)共存問(wèn)題是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，尤其對(duì)于工作在相鄰頻段的不同運(yùn)營(yíng)商而言，必須增加一定的額外隔離度才能滿(mǎn)足鄰頻干擾的需求。如可以采用頻率和天線隔離手段：

　　a）頻率隔離：由于TD-SCDMA和WCDMA分配的頻譜在1 920 MHz處相鄰，而頻譜資源又十分緊張，可以使用的頻率隔離受限很大，不能從根本上降低TD-SCDMA對(duì)WCDMA的干擾，但卻降低了TD-SCDMA滿(mǎn)足這一指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要求。

　　b）天線隔離：利用不同的天線極化方式和天線朝向以及天線高度改變天線增益，增加天線間的耦合損耗，目前這是最經(jīng)濟(jì)有效的方法。

　　在實(shí)施中還可以依據(jù)具體地形地物進(jìn)行一定的隔離，減小干擾。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)要充分利用地理?xiàng)l件，盡量增加基站間的隔離度。