WCDMA與cdma2000相鄰頻段共存性研究
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1、引言
當前，第三代移動通信系統(tǒng)3G已逐步走向商用化階段。國際電聯(lián)ITU為WCDMA，cdma2000和TD-SCDMA三大標準劃分了2GHz附近的核心頻段，這將導致未來3G移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)商用后，在同一片地理區(qū)域出現(xiàn)不同移動通信體制占用相鄰頻段的情況。由于高頻器件的非線性特性，這些不同系統(tǒng)之間將存在相互干擾，從而可能造成系統(tǒng)容量損失。
3GPP標準化組織充分考慮了3G系統(tǒng)間相互干擾的影響，制訂了規(guī)范的系統(tǒng)間干擾仿真方法與評估準則。本文主要針對未來3G商用的實際需求，參照3GPP TR25.942協(xié)議，設計一個系統(tǒng)級仿真評估方案，并對WCDMA系統(tǒng)與cdma2000系統(tǒng)在相鄰頻段共存時的干擾進行蒙特卡羅（Monte Carlo）仿真研究，從而得到有效可信的評估結果。
本文研究的主要目的是探討當前主流3G通信網(wǎng)絡在同一地理區(qū)域、相鄰頻段共存時可能存在的問題，并給出相應的干擾預防措施。
2、問題描述
1920～1980MHz和2110～2170MHz為分配給3G移動通信系統(tǒng)的對稱頻段，分別被WCDMA/cdma2000的上行和下行頻段占用。這將導致在未來3G移動通信系統(tǒng)商用的過程中，WCDMA與cdma2000兩種體制的移動通信網(wǎng)絡工作在相鄰頻段，從而可能產(chǎn)生系統(tǒng)間干擾。兩個系統(tǒng)間的干擾頻譜分配如圖1所示。
由于高頻器件的非線性特征，當兩系統(tǒng)在同一地理區(qū)域、相鄰頻段共存時，系統(tǒng)間干擾可能導致兩系統(tǒng)容量衰減。這些干擾主要來自干擾系統(tǒng)對受害系統(tǒng)的異實體干擾，即相鄰系統(tǒng)基站與終端間的干擾。
3、系統(tǒng)模型
在本文所研究的系統(tǒng)中，WCDMA與cdma2000網(wǎng)絡拓撲均采用如圖2所示的宏蜂窩系統(tǒng)。每個系統(tǒng)如圖所示有16個宏基站，每個宏基站均為三扇區(qū)結構，采用120度定向天線，扇區(qū)半徑為577m，小區(qū)半徑為1000m。
同時，在系統(tǒng)模型中采用“卷擾”技術，圖2中的灰色區(qū)域為“鏡象”區(qū)域以防止仿真中出現(xiàn)干擾“邊緣效應”。
圖2 WCDMA與cdma2000宏蜂窩網(wǎng)絡拓撲
在系統(tǒng)模型中，雙系統(tǒng)基站與終端間的鏈路損耗計算采用如下傳播模型：L=max（128.1+37.6Log（R）+Log（F），MCL）。
公式中，R是天線和終端間的距離，F(xiàn)表示10dB陰影衰落標準方差，MCL（最小連接損耗）被定義為系統(tǒng)中終端與基站之間的最小路徑損耗。
同時，系統(tǒng)模型中多扇區(qū)基站信號發(fā)送與接收的方向性增益計算基于3GPP TR25.996協(xié)議。
4、仿真算法
以下參照3GPP TR25.942協(xié)議，對WCDMA與cdma2000宏蜂窩在相鄰頻段共存的場景進行仿真研究。
為了評價雙系統(tǒng)共存帶來的影響，仿真將分別分析受害系統(tǒng)的單系統(tǒng)容量（Nsingle）與雙系統(tǒng)共存時的容量（Nmulti）。這樣系統(tǒng)間干擾帶來的影響可以通過容量損失來表示，其計算公式為：1-Nmulti/Nsingle。
在仿真中，外循環(huán)將計算滿足某一服務質量（QoS）要求的系統(tǒng)容量。即首先設定一定數(shù)量的終端，在仿真結束時計算出該系統(tǒng)平均的QoS。若未達到QoS要求，則通過調整終端用戶數(shù)量使仿真計算得到的QoS達到設定值。
在下行鏈路仿真中，QoS要求設定為5%呼損率；在上行鏈路仿真時，QoS要求設定為6dB噪聲提升。
內(nèi)循環(huán)執(zhí)行蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真，并通過計算數(shù)次快照的平均值得出可信的結果，其輸出結果為平均QoS值（如呼損、噪聲提升）。在每次快照開始時，終端被隨機分布在覆蓋區(qū)域。然后，計算每個終端和基站間的路徑損耗，得到鏈路增益并存入增益矩陣中。根據(jù)鏈路增益結果確定和終端連接的一個或若干個基站，來決定WCDMA/cdma2000的激活集。在閉環(huán)功率控制完成后得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)將沒有達到要求的終端設定為呼損。
5、仿真與討論
參照3GPP建議的系統(tǒng)仿真參量，對WCDMA與cdma2000雙系統(tǒng)共存的場景進行仿真研究。在仿真中，以地理偏移因子offset表示雙系統(tǒng)基站地理位置的偏移情況。顯然。offset=0對應雙系統(tǒng)基站共站時的情況，而offset=1則對應雙系統(tǒng)基站地理位置偏移最大化的場景。
由于文章篇幅的限制，以下僅給出不同地理偏移因子和附加頻率保護間隔下。WCDMA的上、下行鏈路由于系統(tǒng)間干擾導致的容量損失（見圖3、圖4、圖5、圖6）。
圖3 不同保護間隔以及不同地理偏移因子下的WCDMA上行容量損失
圖4 WCDMA上行容量損失與頻率保護間隔、地理偏移因子間的三維關系
圖5 不同保護間隔以及不同地理偏移因子的WCDMA下行容量損失
由仿真結果得出：當WCDMA與cdma2000移動通信系統(tǒng)共存時，WCDMA的上下行容量損失遠大于cdma2000。
當兩系統(tǒng)在相鄰頻段共存時，WCDMA與cdma2000的系統(tǒng)容量均隨著附加頻率保護間隔的增大而減小，這是鄰信道干擾比ACIR隨著載波間隔增加而增加的結果。
當兩系統(tǒng)在同一地理區(qū)域共存時，不同地理偏移因子對系統(tǒng)容量損失影響很大。在頻率保護間隔為定值的情況下，當?shù)乩砥埔蜃觨ffset=0時，雙系統(tǒng)的容量損失降至最??；當?shù)乩砥埔蜃觨ffset=1時，雙系統(tǒng)的容量損失最大化。
6、結束語
本文采用系統(tǒng)級仿真的方法對WCDMA與cdma2000宏蜂窩移動通信系統(tǒng)在同一地理區(qū)域、相鄰頻段共存的方案進行了研究，研究表明當兩系統(tǒng)共存時，WCDMA的容量損失遠大于cdma2000。同時，兩系統(tǒng)的容量損失均隨著頻率保護間隔的增大與基站地理偏移因子的減小而降低。因此，WCDMA運營商與cdma2000運營商如有條件，應盡可能共站，或者使用較小的基站間隔，從而降低系統(tǒng)間干擾，提高頻譜利用率。
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