頻率重用技術(shù)干擾問題研究

梁童，陳偉輝，張冬晨

（1 中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080；2 中國人民解放軍96669部隊，北京 102208)

1 引言

隨著移動通信技術(shù)和市場飛速發(fā)展，LTE以其數(shù)字化、寬帶化、高速率、高質(zhì)量等特點受到各大運營商的青睞。目前，全球已有多個國家開始了LTE商用進程，隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及和2G、3G用戶的逐步遷移，LTE網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)量將大大提升，現(xiàn)有2G頻譜使用率將大大降低。為了充分利用頻譜資源，全球大多數(shù)國家都在考慮將頻段低、傳播特性優(yōu)異的2G網(wǎng)絡(luò)頻率部分重整后用于發(fā)展LTE，以提升LTE業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。將2G頻譜的部分頻率同時用于發(fā)展LTE，必將帶來2G網(wǎng)絡(luò)與LTE的共存問題，在制定頻率分配方案時需預(yù)留充足的頻率保護間隔，避免LTE網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)之間的相互干擾，這也是頻率重用技術(shù)所需要解決的關(guān)鍵問題之一。

2 干擾原因及場景分析

2.1 干擾原因分析

工作于相鄰頻率的系統(tǒng)間的干擾，本質(zhì)上都是由于發(fā)射機和接收機的非完美性造成的。發(fā)射機的非理想性會造成發(fā)射信號信道外泄露，落入接收機工作信道內(nèi)，造成干擾的主要原因有以下幾點：脈沖成形濾波器帶外雜散、功率放大器的非線性、射頻濾波器的鄰頻抑制能力等。發(fā)射機的帶外發(fā)射指標可以用頻譜發(fā)射模板MASK和鄰道泄漏比ACLR、帶外雜散等指標進行衡量。頻譜發(fā)射模板MASK主要用一組參數(shù)或者圖示規(guī)定了測量發(fā)信機發(fā)射頻譜的“輪廓”，以保證主信道外沒有過多的功率發(fā)射，而鄰道泄漏比ACLR是指鄰道發(fā)射信號落入到接收機通帶內(nèi)的能力，定義為發(fā)射功率與相鄰信道上的測得功率之比。發(fā)信機的雜散指標規(guī)定了邊帶以及鄰道以外離散頻率上的輻射，也是衡量發(fā)射機性能的重要指標之一。

接收機的非理想性造成接收信道外信號進入接收機，因而造成干擾。造成的干擾主要原因有以下幾點：接收機射頻濾波器的鄰頻抑制能力，接收機功率放大器的非線性等。接收機的帶外抑制能力可以用接收機鄰道選擇性ACS、阻塞指標等進行衡量。鄰道選擇性ACS是指在相鄰信道信號存在的情況下，接收機在其指定信道頻率上接收有用信號的能力，定義為接收機濾波器在指定信道頻率上的衰減與在相鄰信道頻率上的衰減的比值。阻塞指標規(guī)定了接收機抗阻塞的能力，從而規(guī)定了帶外干擾信號不能超過該門限值。

2.2 干擾場景分析

TD-LTE采用時分雙工，上、下行采用相同的頻率，LTE-FDD采用頻分雙工，上下行之間存在保護間隔，由于制式差異，在考慮與GSM網(wǎng)絡(luò)干擾時，如果將GSM的部分頻率用于TD-LTE系統(tǒng)，GSM的上、下行頻率中將有對稱的頻率分配給TD-LTE，主要干擾包括基站間干擾和基站對終端的干擾，終端見干擾主要為LTE終端對GSM終端接收的干擾。GSM網(wǎng)絡(luò)與LTE-FDD同為FDD網(wǎng)絡(luò)，因此，將GSM頻率部分用于LTE-FDD后，將不會存在GSM基站與LTEFDD基站及GSM終端與LTE-FDD終端之間的相互干擾。

GSM網(wǎng)絡(luò)與LTE-FDD同為FDD網(wǎng)絡(luò)，由于上下行之間存在較大的保護間隔，因此，將GSM頻率部分用于LTE-FDD后，將不會存在GSM基站與LTE-FDD基站及GSM終端與LTE-FDD終端之間的相互干擾。

3 研究方法

本文中采用確定性計算和仿真分析方法分析GSM與LTE系統(tǒng)間的干擾，其中確定性計算方法基于鏈路預(yù)算原則，簡單高效，通過數(shù)值計算得出兩系統(tǒng)共存所需隔離度，主要用于分析“最惡劣”情況下的干擾。系統(tǒng)級動態(tài)仿真方法通過仿真建立多個小區(qū)的蜂窩無線通信系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)選擇、用戶特性和業(yè)務(wù)特性等多個方面的因素，盡可能真實的模擬網(wǎng)絡(luò)運行情況，能夠較為準確的評估實際網(wǎng)絡(luò)中的干擾情況。

3.1 確定性計算

確定性計算方法從理論上分析最差鏈路條件下的干擾情況，得出系統(tǒng)共存所需額外隔離度要求：

其中，ISO為需要的隔離度 (dB)，PT為干擾源設(shè)備在被干擾設(shè)備接收帶寬內(nèi)的發(fā)射功率值(dBm)，GT為干擾源的發(fā)射天線增益 (dBi)，GR為被干擾設(shè)備的接收天線在干擾源發(fā)射信號方向上的接收增益(dBi)，LT和LR分別為發(fā)射端和接收端的插入損耗 (dB)，Imax為被干擾端所允許的最大干擾值 (dB)。Imax采用接收機靈敏度準則進行計算。

在實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，在LTE基站與GSM基站很可能出現(xiàn)共站共存的情況，即天線架設(shè)在同一個鐵塔的不同天面上，此時所需額外隔離度需要考慮最小交叉耦合損耗（MCL）的影響，具體計算方法為：

3.2 系統(tǒng)級動態(tài)仿真方法

系統(tǒng)級動態(tài)仿真方法可以提供完整的網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋分析，對于移動臺一側(cè)是用戶的業(yè)務(wù)過程以及狀態(tài)的仿真，對于網(wǎng)絡(luò)一側(cè)來說是實時的無線資源管理仿真，該方法涉及到整個系統(tǒng)的動態(tài)過程。

在多系統(tǒng)共存的網(wǎng)絡(luò)部署時，一般存在共覆蓋共存或共站共存兩種不同的部署方式，兩種方式的網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示，LTE系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)均為宏蜂窩且采用相同的拓撲結(jié)構(gòu)，每個基站分為3個扇區(qū)。同時，為了用有限的蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋全平面，消除邊界效應(yīng)，仿真中采用Wrap around技術(shù)。

4 參數(shù)配置及研究結(jié)果

4.1 參數(shù)配置

LTE設(shè)備參數(shù)參照3GPP TS 36.101和36.104中的規(guī)定，GSM設(shè)備參數(shù)參考3GPP TS 45.005，主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

4.2 確定性計算結(jié)果

在進行干擾分析過程中， LTE系統(tǒng)帶寬以20 MHz進行分析?？紤]GSM干擾LTE系統(tǒng)時，GSM載波帶寬為200 kHz，在GSM與LTE系統(tǒng)緊鄰頻共存時，LTE系統(tǒng)10 MHz帶寬時的有效帶寬為9 MHz，與GSM載波之間仍有0.5 MHz的頻率隔離，GSM為窄帶系統(tǒng)，其濾波器能夠使功率泄漏在0.5 MHz以外有很大程度的降低，而LTE接收機性能成為影響GSM干擾LTE系統(tǒng)的決定性因素。類似的，當(dāng)LTE干擾GSM系統(tǒng)時，LTE在GSM載波內(nèi)的功率泄漏是影響LTE干擾GSM的決定性因素。

4.2.1 帶外干擾隔離度要求

圖1 LTE系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)部署示意圖

本節(jié)分析了LTE與GSM系統(tǒng)間隔離帶寬分別為0 kHz、200 kHz、1 MHz和5 MHz時，除現(xiàn)有設(shè)備間等效ACIR之外的額外隔離度要求。從以上分析可以看出，基站間的干擾最為嚴重，在鄰頻的情況下需要較大的額外隔離，在實際情況中，我們可以通過設(shè)置基站主瓣方向、增加射頻濾波器、設(shè)置隔離帶寬和隔離距離來降低干擾。在確定性計算中，我們考慮的是天線主瓣正對的情況，但是在實際網(wǎng)絡(luò)中，基站的扇區(qū)天線方向會對干擾值產(chǎn)生影響，運營商可以通過設(shè)置LTE系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)基站扇區(qū)天線的指向降低兩系統(tǒng)基站間的干擾。基站和終端間干擾的場景，在實際網(wǎng)絡(luò)中由于基站和終端之間的距離較遠，其隔離度要求可以通過距離隔離來滿足。終端間的干擾所需要的隔離度最低，在網(wǎng)絡(luò)中也可以通過距離隔離來滿足要求。對于LTE與GSM基站共站場景下的額外隔離度要求，表2給出了確定性分析的結(jié)果。

表2 LTE與GSM基站共站共存隔離度要求（單位：dB)

確定性分析方法考慮的是在最嚴格的保護要求情況下，對隔離度的要求。在實際網(wǎng)絡(luò)中考慮信號強度、天線方向、距離隔離和功率控制等多方面的因素，隔離度要求相比確定性分析結(jié)果有很大程度的降低，因此，考慮多種因素影響的仿真分析相比確定性分析更能準確分析網(wǎng)絡(luò)中的實際干擾情況。

4.2.2 阻塞干擾隔離度要求

由于LTE系統(tǒng)工作帶寬較寬，相對而言GSM系統(tǒng)為窄帶信號，GSM與LTE基站信號有可能造成對方接收機的阻塞，LTE基站的發(fā)射會阻塞GSM基站的接收，因此為保證GSM基站的正常工作，在MCL=50 dB的基礎(chǔ)上，LTE基站與GSM基站間至少需要設(shè)置36 dB的額外隔離。

4.3 仿真結(jié)果

仿真中LTE系統(tǒng)采用同頻組網(wǎng)，載波帶寬為20 MHz，GSM系統(tǒng)采用4×12×3的頻率復(fù)用方式，777的載波配置。不同干擾場景的仿真分析結(jié)果如下。

4.3.1 TD-LTE干擾GSM系統(tǒng)

如圖2所示，LTE下行干擾GSM上行場景下，在共站部署時，一般情況下不同系統(tǒng)采用不同的天面，天線間存在較大的垂直隔離度，因此在LTE基站與GSM基站共站部署時不存在干擾。在共覆蓋部署時，由于基站發(fā)射功率較大，同時考慮基站架設(shè)高度高，傳播損耗較小，因此干擾較為嚴重。

圖2 LTE干擾GSM的仿真結(jié)果

圖3 GSM干擾LTE的仿真結(jié)果

LTE下行干擾GSM下行的場景，在共覆蓋共存時，LTE基站位于GSM小區(qū)的邊緣，將對GSM小區(qū)邊緣用戶的性能產(chǎn)生較大影響，因此共覆蓋部署時干擾較為嚴重，需要等效ACIR約為43 dB，共站部署時的干擾相對較小，ACIR約為28 dB。LTE上行干擾GSM上行的結(jié)果與LTE下行干擾GSM下行的場景類似，在共覆蓋部署時，LTE系統(tǒng)邊緣用戶距離GSM基站較近，同時距離服務(wù)基站較遠，由于功率控制的影響，LTE邊緣用戶發(fā)射功率較大，因此對GSM基站接收的干擾比共站共存時嚴重。但由于基站與終端之間的距離較遠，鄰頻共存時設(shè)備間存在一定的ACIR隔離，因此LTE終端對GSM基站基本沒有干擾。LTE上行干擾GSM下行即LTE終端干擾GSM終端的場景，從分析結(jié)果可以看出，LTE終端與GSM終端之間基本不存在干擾。

4.3.2 GSM干擾LTE系統(tǒng)

如圖3所示，GSM下行干擾LTE上行的結(jié)果與LTE下行干擾GSM上行類似，在共站部署時，由于天線間垂直隔離度的影響，LTE基站與GSM基站共站部署時不存在干擾。在共覆蓋部署時，干擾較為嚴重。GSM下行干擾LTE下行的場景，在共覆蓋共存時，GSM基站位于LTE小區(qū)的邊緣，將對LTE小區(qū)邊緣用戶的性能產(chǎn)生較大影響，因此共覆蓋部署時干擾較為嚴重。

GSM上行干擾LTE上行的場景，在共覆蓋部署時，GSM系統(tǒng)邊緣用戶距離LTE基站較近，邊緣用戶發(fā)射功率較大，因此對LTE基站接收的干擾比共站共存時嚴重。但由于基站與終端之間的距離較遠，鄰頻共存時設(shè)備間存在一定的ACIR隔離，因此LTE終端對GSM基站基本沒有干擾。GSM上行干擾LTE下行即GSM終端干擾LTE終端的場景，與LTE終端干擾GSM終端的結(jié)果類似，GSM終端與LTE終端之間基本不存在干擾。

通過仿真研究，可以得到LTE系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)鄰頻共存時所需要的隔離度。設(shè)備現(xiàn)有ACIR指標的選取參考確定性計算分析中的設(shè)備指標。僅基站間的干擾需要額外的隔離度要求，其余干擾場景現(xiàn)有的設(shè)備指標即可達到共存要求。其中GSM基站對LTE系統(tǒng)基站的干擾較為嚴重，主要原因是LTE工作帶寬較寬，現(xiàn)有規(guī)定的接收機鄰道抑制能力較差造成的。由于LTE系統(tǒng)帶寬較寬，增加49.3 dB的額外隔離需要較大的隔離帶寬。對于LTE基站干擾GSM基站的場景，干擾的主要原因是LTE鄰道泄露功率落入GSM接收機帶內(nèi)造成的，若滿足12.24 dB的額外隔離要求，需要10MHz以上的頻率隔離。

從干擾場景可以看出， 基站間的干擾僅存在于GSM與TD-LTE系統(tǒng)之間，GSM與LTE-FDD系統(tǒng)共存時不存在基站間干擾。因此當(dāng)GSM頻率部分給LTE-FDD網(wǎng)絡(luò)使用時，兩系統(tǒng)間不需要頻率隔離，當(dāng)GSM頻率部分用于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)時，在不改變設(shè)備現(xiàn)有射頻指標的前提下，兩系統(tǒng)共存需要10MHz以上的頻率隔離。

5 結(jié)論及建議

結(jié)合確定性分析和仿真分析的結(jié)果，將2G頻譜的部分頻率用于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)后，TD-LTE系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)間至少需要10～15 MHz的頻率隔離，需要通過提升設(shè)備射頻指標，增加額外的射頻濾波器的方式對LTE基站進行改造。而將2 GHz頻譜部分頻率用于LTE-FDD網(wǎng)絡(luò)后，GSM與LTE-FDD系統(tǒng)間基本不需要頻率隔離，相比用于TD-LTE系統(tǒng)，頻譜使用率大大提高。

[1] 3GPP TS 45.005 V10.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Radio Transmission and Reception (Release 10)[S].

[2] 3GPP TS 36.101 V9.8.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception (Release 9)[S].

[3] 3GPP TS 36.104 V9.1.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) Radio Transmission and Reception (Release 9)[S].

[4] 3GPP TR 25.816 V8.0.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; UMTS 900 MHz Work Item Technical Report (Release 8)[S].

[5] 3GPP TR 25.942 V10.0.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; Radio Frequency(RF) System Scenarios (Release 10)[S].

[6] 3GPP TR 36.942 V8.2.0, 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Frequency (RF) System Scenarios; (Release 8)[S].

[7] ICS 33.060, Technical Requirements for Co-location and Sharing of the Telecommunication Infrastructure: Part 1:Communication Steel Tower and Mast[S].