WLAN與TD-LTE系統(tǒng)在2.4 GHz頻段共存干擾

王 侃 ，楊家瑋

(西安電子科技大學(xué)信息科學(xué)研究所，陜西西安 710071)

2002年10月23日，原信息產(chǎn)業(yè)部公布了我國(guó)第三代公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃，其中2 300～2 400 MHz是TDD方式的補(bǔ)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(guó)TD-LTE系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用的頻段為2 300～2 400 MHz。同時(shí)，2 400～2 483.5 MHz為ISM頻段。根據(jù)頻譜規(guī)劃，在2.4 GHz頻段將會(huì)出現(xiàn)TD-LTE與WLAN系統(tǒng)共存的場(chǎng)景。

作為系統(tǒng)共存產(chǎn)生的帶外干擾，由接收機(jī)和發(fā)射機(jī)特性的不完善造成。工作于ISM頻段的WLAN設(shè)備的帶外輻射值會(huì)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)造成一定程度的干擾，因此，需要對(duì)WLAN設(shè)備的帶外輻射值進(jìn)行限制。由此可見(jiàn)，研究TD-LTE和WLAN系統(tǒng)的共存問(wèn)題很有實(shí)際意義。運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，必須對(duì)WLAN設(shè)備的帶外干擾值進(jìn)行限制，否則會(huì)影響TD-LTE系統(tǒng)的正常工作。

1 WLAN系統(tǒng)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)干擾分析

TD-LTE與WLAN系統(tǒng)都是TDD工作方式且不同步。當(dāng)WLAN和TD-LTE系統(tǒng)都工作于上行或下行時(shí)隙時(shí)，WLAN的AP(Access Point)會(huì)對(duì)TD-LTE的UE(User Equipment)產(chǎn)生干擾，或WLAN的STA(Station)對(duì)TD-LTE的eNodeB干擾;當(dāng)兩系統(tǒng)共存于不同時(shí)隙時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生AP對(duì)UE的干擾或STA對(duì)eNodeB的干擾。因此，WLAN與TD-LTE系統(tǒng)的共存干擾主要包括以下8種場(chǎng)景[1]:(1)WLAN系統(tǒng)STA(Station)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)基站干擾。(2)WLAN系統(tǒng)AP(Access Point)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)基站干擾。(3)WLAN系統(tǒng)STA對(duì)TD-LTE系統(tǒng)終端干擾。(4)WLAN系統(tǒng)AP對(duì)TDLTE系統(tǒng)終端干擾。(5)TD-LTE系統(tǒng)終端對(duì)WLAN系統(tǒng)AP干擾。(6)TD-LTE系統(tǒng)基站對(duì)WLAN系統(tǒng)AP干擾。(7)TD-LTE系統(tǒng)終端對(duì)WLAN系統(tǒng)STA干擾。(8)TD-LTE系統(tǒng)基站對(duì)WLAN系統(tǒng)STA干擾。

當(dāng)WLAN設(shè)備作為干擾源時(shí)，產(chǎn)生的輻射主要分為帶外輻射(Out-Of-Band，OOB)和雜散輻射。WLAN系統(tǒng)STA的空中接口物理層要求在YDC 079-2009《移動(dòng)用戶終端無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法》做了規(guī)定。WLAN系統(tǒng)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(tǒng)在2.4 GHz頻段的工作信道編號(hào)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(wú)線指標(biāo)要求

1.2.1 uhy等效全向輻射功率

等效全向輻射功率應(yīng)滿足:(1)天線增益 ＜10 dBi時(shí):≤100 mW或≤20 dBm;(2)天線增益=10 dBi時(shí):≤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(shè)備受干擾保護(hù)準(zhǔn)則

TD-LTE系統(tǒng)接收機(jī)所受到的干擾電平可表示為

其中，N表示接收機(jī)熱噪聲電平，計(jì)算公式

B為接收機(jī)信道帶寬;NF為噪聲系數(shù)。TD-LTE系統(tǒng)基站的熱噪聲系數(shù)為5 dB，移動(dòng)臺(tái)的熱噪聲系數(shù)為9 dB。I/N為接收機(jī)輸入端噪聲功率與干擾功率的比值。TD-LTE系統(tǒng)基站的噪聲功率與干擾功率比值為-10 dB，移動(dòng)臺(tái)噪聲功率與干擾功率的比值取-6 dB。

可得到TD-LTE設(shè)備對(duì)WLAN設(shè)備帶外干擾功率值的要求為

Pathloss為干擾機(jī)到接收機(jī)的路徑損耗，GTX為干擾機(jī)的天線增益，GRX為接收機(jī)的天線增益。由此可計(jì)算出TD-LTE系統(tǒng)所允許的WLAN設(shè)備的最大帶外干擾功率值。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 仿真方法

系統(tǒng)仿真分為靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真，靜態(tài)仿真又稱蒙特卡羅仿真。該方法將對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率、基站的負(fù)載等情況進(jìn)行仿真，將整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間劃分為若干個(gè)間隔，每?jī)蓚€(gè)間隔之間為一個(gè)快照(Snapshot)取樣時(shí)刻，將所有快照時(shí)刻的取樣結(jié)果進(jìn)行記錄，用統(tǒng)計(jì)方法加以分析，產(chǎn)生所需結(jié)果，所以這種方法又稱為靜態(tài)快照方法。

文中采用靜態(tài)仿真，每次仿真時(shí)設(shè)定滿足通信要求的區(qū)域覆蓋面積，計(jì)算出所要求的WLAN系統(tǒng)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(shù)設(shè)定

TD-LTE系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示[8-9]。

表2 TD-LTE系統(tǒng)參數(shù)配置

WLAN系統(tǒng)主要參數(shù)如表3所示[2]。

表3 WLAN系統(tǒng)參數(shù)配置

2.3 仿真場(chǎng)景

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，場(chǎng)景1中WLAN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 室內(nèi)WLAN系統(tǒng)對(duì)TD-LTE移動(dòng)臺(tái)干擾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

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

場(chǎng)景2中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，3層辦公樓中WLAN設(shè)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(yīng)樓層的相對(duì)高度。

圖2 室內(nèi)WLAN系統(tǒng)對(duì)室外TD-LTE基站干擾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

場(chǎng)景3中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示[6]。

圖3 室外WLAN系統(tǒng)對(duì)室外TD-LTE系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)干擾網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

室外WLAN系統(tǒng)對(duì)室外TD-LTE移動(dòng)臺(tái)的干擾網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用曼哈頓結(jié)構(gòu)。各個(gè)街區(qū)大小為200 m×200 m，街道寬度為30 m，總區(qū)域面積為6.5 km2。AP如圖中黑色實(shí)點(diǎn)所示，共72個(gè)。STA均勻分布于街道中心，仿真中所采用數(shù)量為72×5=360。TD-LTE系統(tǒng)的被干擾終端位于街道中心。

場(chǎng)景4中，室外WLAN系統(tǒng)對(duì)室外TD-LTE系統(tǒng)基站干擾的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用如圖3所示結(jié)構(gòu)。此時(shí)，TD-LTE的基站位于整個(gè)街區(qū)的中心位置。

3 仿真結(jié)果

下面將根據(jù)4種場(chǎng)景的仿真結(jié)果，得到TD-LTE系統(tǒng)達(dá)到95%和99%覆蓋時(shí)對(duì)WLAN設(shè)備帶外功率的限值。圖4～圖7分別得到不同場(chǎng)景下TD-LTE設(shè)備對(duì)WLAN設(shè)備帶外輻射功率限值CDF曲線圖。

圖4 場(chǎng)景1TD-LTE終端對(duì)WLAN設(shè)備帶外功率限值CDF曲線圖

室內(nèi)場(chǎng)景下TD-LTE終端達(dá)到99%的覆蓋時(shí)，對(duì)WLAN設(shè)備帶外功率輻射要求為-91.64 dBm(5 MHz)，達(dá)到95%覆蓋時(shí)為-80.08 dBm(5 MHz)。

圖5 場(chǎng)景2TD-LTE基站對(duì)WLAN設(shè)備帶外功率限值CDF曲線圖

場(chǎng)景2仿真結(jié)果如表4所示。

表4 場(chǎng)景2對(duì)WLAN設(shè)備限值的計(jì)算結(jié)果

圖6 場(chǎng)景3TD-LTE終端對(duì)WLAN設(shè)備帶外功率限值CDF曲線圖

室外曼哈頓街區(qū)中TD-LTE終端達(dá)到99%的覆蓋時(shí)，WLAN設(shè)備帶外功率限值為 -69.56 dBm(9 MHz)，達(dá)到95%覆蓋時(shí)是-59.30 dBm(9 MHz)。

圖7 場(chǎng)景4TD-LTE基站對(duì)WLAN設(shè)備帶外功率限值CDF曲線圖

室外曼哈頓街區(qū)中TD-LTE基站達(dá)到99%覆蓋時(shí)，WLAN設(shè)備帶外功率限值為 -79.24 dBm(9 MHz)，達(dá)到95%覆蓋時(shí)是-54.80 dBm(9 MHz)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合4種場(chǎng)景的分析結(jié)果，可知WLAN和TD-lTE系統(tǒng)鄰頻共存時(shí)，WLAN系統(tǒng)的帶外輻射會(huì)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)造成較大干擾，使系統(tǒng)吞吐量下降。

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

同時(shí)制定更為嚴(yán)格的規(guī)范，將WLAN設(shè)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(duì)TD-LTE及其他系統(tǒng)的干擾。根據(jù)以上分析，WLAN設(shè)備帶外功率限值建議取-60 dBm(9 MHz)。

[1]陳禹.LTE TDD物理層關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:北京郵電大學(xué)，2010.

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.移動(dòng)用戶終端無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法[S].北京:中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部，2009.

[3]許猛.基于LTE的系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[D].北京:北京郵電大學(xué)，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(xué)，2010.

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

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

[7]沈嘉，索士強(qiáng).3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，2008.

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