基于共存研究的認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)檢測(cè)門限分析?

方箭??，楊文翰，黃標(biāo)

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）

基于共存研究的認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)檢測(cè)門限分析?

方箭??，楊文翰，黃標(biāo)

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）

檢測(cè)門限作為認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的重要指標(biāo)，其合理設(shè)置是確保授權(quán)系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)對(duì)數(shù)字電視廣播信號(hào)的檢測(cè)門限分析利用系統(tǒng)間共存研究方法，仿真了不同典型參數(shù)下的覆蓋區(qū)和干擾保護(hù)區(qū)，基于鏈路的對(duì)稱性分析了認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)對(duì)數(shù)字電視廣播信號(hào)的最小檢測(cè)門限，并驗(yàn)證了此門限下的性能。仿真結(jié)果表明，－87 dBm檢測(cè)門限值既可滿足對(duì)數(shù)字電視系統(tǒng)的保護(hù)，也可實(shí)現(xiàn)良好的檢測(cè)和虛警性能。

認(rèn)知無(wú)線電；TD-LTE；檢測(cè)門限；共存研究；數(shù)字廣播電視；能量檢測(cè)

1 引言

目前，我國(guó)IMT系統(tǒng)已分配及近期可分配的頻率主要在2 GHz左右及以上頻率范圍，對(duì)于TD-LTE尤其如此。TD-LTE目前可能獲得的頻率資源都在2 GHz以上，為了滿足未來(lái)業(yè)務(wù)需求，在WRC07大會(huì)上，ITU通過(guò)決議將由數(shù)字廣播電視系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造而釋放的“數(shù)字紅利”頻段用于IMT。此頻段空閑頻率資源豐富、頻道帶寬較寬、頻率占用變化慢且富于規(guī)律，可以通過(guò)改變傳統(tǒng)的固定頻率分配及管理方式，利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，讓TD-LTE與現(xiàn)有授權(quán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)共享頻譜資源。認(rèn)知無(wú)線電的核心思想是在不影響授權(quán)頻段的正常通信的基礎(chǔ)上，具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以按照某種“機(jī)會(huì)方式”接入授權(quán)的頻段內(nèi)，并動(dòng)態(tài)地利用頻譜。對(duì)頻譜環(huán)境的感知是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提和先決條件，只有在對(duì)環(huán)境感知和檢測(cè)的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行對(duì)空閑頻譜資源的有效利用。而檢測(cè)門限則是頻譜檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)置合理與否決定了主次業(yè)務(wù)能否在不互相干擾的前提下最有效地共享頻率資源。

國(guó)內(nèi)很多研究課題已經(jīng)開(kāi)展了認(rèn)知無(wú)線電在“數(shù)字紅利”頻段應(yīng)用的研究，為未來(lái)潛在商用提供可能性。國(guó)際上，美國(guó)和歐盟也啟動(dòng)了相關(guān)認(rèn)知無(wú)線電項(xiàng)目，而ITU、ETSI等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也進(jìn)行了立項(xiàng)研究。認(rèn)知無(wú)線電指標(biāo)的確立是開(kāi)展此工作的前提，IEEE 802.22根據(jù)美國(guó)國(guó)內(nèi)ATSC數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)分析了“白頻譜”認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用的檢測(cè)門限［1］，而歐洲根據(jù)DVB-T的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)覆蓋區(qū)信號(hào)的概率分布特性研究了不同場(chǎng)景下的檢測(cè)門限［2］。中國(guó)于2006年發(fā)布了數(shù)字電視國(guó)標(biāo)，與歐美標(biāo)準(zhǔn)存在差異，國(guó)際的研究成果不能完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)情況，因此，需要分析國(guó)內(nèi)認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用指標(biāo)。

本文首選建立了數(shù)字廣播電視與TD-LTE系統(tǒng)共享的工作場(chǎng)景，利用數(shù)字電視規(guī)劃方法和系統(tǒng)間共存研究思路，形成了檢測(cè)門限的計(jì)算方法；基于提出的計(jì)算方法，仿真了不同場(chǎng)景、不同干擾保護(hù)要求下所需的認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)的檢測(cè)門限；最后通過(guò)傳統(tǒng)能量檢測(cè)算法驗(yàn)證仿真門限的可實(shí)現(xiàn)性。

2 檢測(cè)門限計(jì)算方法

認(rèn)知檢測(cè)門限是指達(dá)到一定檢測(cè)概率及虛警概率時(shí)，能檢測(cè)到的最小授權(quán)系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度。認(rèn)知檢測(cè)門限的選擇需要保證認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠有效地檢測(cè)到授權(quán)系統(tǒng)工作狀態(tài)，避免產(chǎn)生干擾，同時(shí)，使得認(rèn)知系統(tǒng)工作更加高效，并具有工程可實(shí)現(xiàn)性。檢測(cè)門限越低，表明認(rèn)知系統(tǒng)對(duì)授權(quán)系統(tǒng)越敏感，對(duì)授權(quán)系統(tǒng)的干擾就越小。但會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知系統(tǒng)的工作效率較低，同時(shí)，也給感知節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)；檢測(cè)門限越高，認(rèn)知系統(tǒng)的工作效率越高，但也越容易對(duì)授權(quán)系統(tǒng)造成干擾。

2.1 共享場(chǎng)景

在UHF頻段的認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用中，數(shù)字廣播電視系統(tǒng)作為授權(quán)系統(tǒng)，TD-LTE系統(tǒng)為認(rèn)知系統(tǒng)。其共享場(chǎng)景如圖1所示，授權(quán)臺(tái)站發(fā)射機(jī)位于覆蓋區(qū)的中心，覆蓋區(qū)內(nèi)有多個(gè)授權(quán)接收機(jī)；認(rèn)知小區(qū)發(fā)射機(jī)位于小區(qū)中心，認(rèn)知小區(qū)內(nèi)有多個(gè)認(rèn)知接收機(jī)。D是認(rèn)知小區(qū)基站與授權(quán)臺(tái)站發(fā)射機(jī)間距離，RI和RS分別為授權(quán)臺(tái)站覆蓋區(qū)半徑和認(rèn)知小區(qū)的覆蓋半徑。

認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)共享頻譜的同時(shí)，可能存在同頻干擾，具體表現(xiàn)為在廣播電視系統(tǒng)的覆蓋區(qū)內(nèi)會(huì)存在“盲區(qū)”，導(dǎo)致“盲區(qū)”的電視接收機(jī)無(wú)法正常接收信號(hào)。

圖1 認(rèn)知TD-LTE工作場(chǎng)景fig.1 Working scene of cognitive TD－LTE

同頻干擾產(chǎn)生主要是授權(quán)系統(tǒng)接入時(shí)，認(rèn)知系統(tǒng)并沒(méi)有檢測(cè)到其存在，檢測(cè)門限的合理設(shè)置是保證消除同頻干擾的重要因素。

2.2 計(jì)算方法

基于基站側(cè)進(jìn)行頻譜檢測(cè)前提下進(jìn)行分析。首先，參考國(guó)內(nèi)數(shù)字電視規(guī)劃思路計(jì)算覆蓋區(qū)；其次，利用系統(tǒng)間干擾保護(hù)要求，計(jì)算數(shù)字廣播電視系統(tǒng)覆蓋區(qū)的邊緣電視接收機(jī)干擾要求；在上述基礎(chǔ)上分析檢測(cè)門限；最后，分析檢測(cè)門限的可實(shí)現(xiàn)性。

計(jì)算流程如下。

第一步：數(shù)字廣播電視覆蓋區(qū)的計(jì)算

根據(jù)我國(guó)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)［3－4］，通過(guò)信噪比和噪聲功率大小可以計(jì)算出最小等效場(chǎng)強(qiáng)，然后，利用所選擇數(shù)字電視接收機(jī)類型選擇典型地點(diǎn)概率要求進(jìn)而計(jì)算出此時(shí)的最小中值場(chǎng)強(qiáng)（即規(guī)劃場(chǎng)強(qiáng)），選擇典型的發(fā)射機(jī)參數(shù)、典型傳播模型（ITU-R P.1546）

計(jì)算覆蓋半徑［5］。計(jì)算公式如下：

式中，Pmin為邊緣最小功率；Pmed為邊緣中值對(duì)應(yīng)功率；Pmmn為人為噪聲容限，在此取0；σm為大尺度均方差（σm＝5.5 dB）；σb為建筑物穿透損耗均方差（dB），在此為0；u為分布因子，在此取95%時(shí)的1.64；GtDTV為數(shù)字廣播電視機(jī)增益；GrDTV為廣播電視接收機(jī)最大增益（插入損耗已考慮其中）；PtDTV為數(shù)字廣播電視機(jī)發(fā)射功率；Losscoverage為數(shù)字廣播電視機(jī)與覆蓋邊緣接收機(jī)的路徑損耗；dcoverage為覆蓋半徑；f－1（x）為路徑損耗函數(shù)的逆函數(shù)。

第二步：覆蓋區(qū)邊緣數(shù)字電視接收機(jī)保護(hù)距離計(jì)算

在基于TD-LTE的認(rèn)知系統(tǒng)中，TD-LTE典型參數(shù)［7－9］選取3GPP典型參數(shù)。認(rèn)知發(fā)射機(jī)與數(shù)字接收機(jī)之間的保護(hù)距離計(jì)算如下：

式中，Lossprotecting為認(rèn)知LTE發(fā)射機(jī)與電視接收機(jī)之間的路徑損耗；PtLTE為認(rèn)知LTE發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；GtLTE為認(rèn)知LTE發(fā)射機(jī)的最大天線增益；IDTV為數(shù)字電視接收機(jī)最大允許干擾電平，在此利用I／N為－6或－10；dprotecting為數(shù)字電視接收機(jī)保護(hù)距離。

第三步：檢測(cè)門限計(jì)算

在認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)中，基站側(cè)進(jìn)行頻譜探測(cè)，即檢測(cè)模塊和基站處于相同的地理位置，因此，檢測(cè)門限計(jì)算如下：

式中，Pth為檢測(cè)門限。

第四步：門限適用性分析

由于能量檢測(cè)算法作為頻譜探測(cè)的基本算法，因此，將檢測(cè)門限作為檢測(cè)模塊的接收機(jī)輸入的最小電平值，利用能量檢測(cè)算法的檢測(cè)性能（虛警概率和檢錯(cuò)概率）評(píng)估其可用性［6］。具體計(jì)算公式如下：

檢錯(cuò)概率為

虛警概率為

式中，r－th為檢測(cè)門限，Noiselevel、DTVlevel為相應(yīng)噪聲與數(shù)字廣播電視的電平值，在此取前文中檢測(cè)門限大小，f（x）為信號(hào)和噪聲的概率密度函數(shù)，為了便于分析，在此認(rèn)為信號(hào)和噪聲均為高斯分布，因而，其能量求和為χ2分布的變形分布。

3 分析結(jié)果

3.1 仿真參數(shù)

根據(jù)3GPP TS36.101、26.104［7－9］和我國(guó)數(shù)字電視國(guó)標(biāo)［3－4］，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字電視臺(tái)站實(shí)際資料，選取典型仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters

3.2 仿真結(jié)果

如圖2所示，計(jì)算了數(shù)字廣播電視不同發(fā)射功率（10～1 000 kW）時(shí)，不同條件下的檢測(cè)門限。隨數(shù)字廣播電視發(fā)射功率的提高，檢測(cè)門限也相應(yīng)提高，為了確保不同條件下認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)都不會(huì)對(duì)數(shù)字廣播電視造成干擾，選擇最小發(fā)射功率條件下計(jì)算的檢測(cè)門限。電視接收機(jī)干擾門限采用I／N＝－6時(shí)，在城區(qū)的檢測(cè)門限為－69 dBm，郊區(qū)為－87 dBm；電視接收機(jī)干擾門限采用I／N＝－10時(shí)，在城區(qū)的檢測(cè)門限為－72 dBm，郊區(qū)為－87 dBm。

圖2 檢測(cè)門限性能Fig.2 Detection threshold performance

根據(jù)前面分析可知，在城市和郊區(qū)環(huán)境下檢測(cè)門限分別?。?9 dBm和－87 dBm可以有效地保護(hù)授權(quán)系統(tǒng)（數(shù)字廣播電視系統(tǒng)）不受認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)干擾進(jìn)行工作。基于－69 dBm和－87 dBm的檢測(cè)，輸入電平在10μs和1 ms檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)下進(jìn)行工作的虛警概率和檢錯(cuò)概率如圖3和圖4所示，橢圓區(qū)域表示可選擇的門限區(qū)域，基于1%虛警概率和1%檢錯(cuò)概率考慮，城區(qū)和郊區(qū)分別有8 dB和28 dB的可調(diào)范圍，證明了檢測(cè)門限選擇的有效性。

圖310 μs檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)下的虛警概率和檢錯(cuò)概率Fig.3 Detection probability of false alarm performance under 10μs

圖41 ms檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)下的虛警概率和檢錯(cuò)概率Fig.4 Detection probability of false alarm performance under 1 ms

4 結(jié)論

本文基于認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)在數(shù)字紅利頻段工作進(jìn)行研究，從系統(tǒng)間干擾分析角度給出了檢測(cè)門限的計(jì)算方法，并選取我國(guó)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)典型參數(shù)分析了認(rèn)知系統(tǒng)在不同場(chǎng)景時(shí)認(rèn)知檢測(cè)門限的大小，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)能量檢測(cè)算法驗(yàn)證了其適用性，解決了國(guó)內(nèi)在此方面研究的空白。本文對(duì)認(rèn)知系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的分析方法和建議指標(biāo)可為未來(lái)工程上指標(biāo)規(guī)范、潛在商用等提供借鑒和基礎(chǔ)。由于我國(guó)模擬電視系統(tǒng)還要繼續(xù)存在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，建議后續(xù)開(kāi)展對(duì)模擬電視的分析。

［1］IEEE Std 802.22TM－2011，IEEE Standard for Information Technology Telecommunications and information exchange between systems Wireless Regional Area Networks（WRAN）Specific requirements Part 22：Cognitive Wireless RAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications：Policies and Procedures for Operation in the TV Bands［S］.

［2］Technical and Operational Requirements for the Possible Operation of Cognitive Radio Systems in the‘White Spaces’of the Frequency Band 470－790 MHz［R］／／ECC Report 159. Cardiff：ECC，2011.

［3］GB 20600－2006，DTV地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制DTV地面國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］. GB 20600－2006，F(xiàn)raming Structure，Channel Coding and Modulation for Digital Television Terrestrial Broadcasting System［S］.（in Chinese）

［4］GY／T237－2008，VHF／UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則［S］. GY／T237－2008，F(xiàn)requency planning criteria for digital terrestrial television broadcasting in the VHF／UHF bands［S］.（in Chinese）

［5］ITU-R P.1546－4，Method for point-to-area predictions for terrestrial servicesinthefrequencyrange 30 MHzto 3 000 MHz［S］.

［6］Fang Jian，Zhu Xiao-pei，Huang Biao，et al.A novel detection scheme to mitigate the TD-LTE interference［C］／／Proceedings of 2010 International Conference on Communications，Circuits and Systems.Chengdu：IEEE，2010：59－62.

［7］3GPP TS 36.101，User equipment radio transmission and reception［S］.

［8］3GPP TS 36.104，Base station radio transmission and reception［S］.

［9］3GPP TR 36.942，Radio frequency（RF）system scenarios.［S］.

FANG Jian was born in Anhui Province，in 1986.He received the B.S.degree from Beijing U-niversity of Posts and Telecommunications in 2009. His research concerns the planning of radio spectrum，electromagnetic compatibility analysis，cognitive radio and so on.

Email：fangjian1986＠gmail.com

楊文翰（1983—），男，廣東人，2011年于北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院獲微波與電磁場(chǎng)博士學(xué)位，主要從事無(wú)線電頻譜規(guī)劃、認(rèn)知無(wú)線電等方面的研究工作；

YANG Wen-han was born in Guangdong Province，in 1983.He received the Ph.D.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 2011.His research concerns the planning of radio spectrum，cognitive radio and so on.

黃標(biāo)（1967—），男，安徽人，2004年于北京郵電大學(xué)獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為副總工程師，曾獲中國(guó)通信學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、二等獎(jiǎng)二項(xiàng)，獲中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，主要從事系統(tǒng)間電磁兼容分析研究、電波測(cè)量和電磁環(huán)境保護(hù)研究以及ITU-R IMT-Advanced關(guān)鍵技術(shù)的研究和評(píng)估工作，已在國(guó)內(nèi)、國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議和期刊上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文20余篇。

HUANG Biao was born in Anhui Province，in 1967.He received the B.S.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 2004.He is now an associate general engineer.His research concerns EMC.He has published more than 20 papers.

Detection Threshold Analysis of Cognitive TD-LTE System Based on Coexistence of TD-LTE and Digital Broadcasting Television

FANG Jian，YANG Wen-han，HUANG Biao
（The State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China）

As a key indicator，reasonable setting of detection threshold guarantees the authorization and cognitive system to work effectively.Under the guidance of coexistence analysis between TD-LTE and digital broadcasting television，detection threshold can be derived by calculating coverage and protecting areas employing symmetric link.Simulation results show that－87 dBm detection threshold can not only avoid interfering digital broadcasting television，but also achieve good performance of false alarm probability and detection probability.

cognitive radio（CR）；TD-LTE；detection threshold；coexistence study；DVB；energy detection

The National Science and Technology Major Project of China（2012ZX03003004，2012ZX03006003）

date：2012－11－02；Revised date：2013－04－28

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2012ZX03003004，2012ZX03006003）

??通訊作者：fangjian1986＠gmail.comCorresponding author：fangjian1986＠gmail.com

TN92

A

1001－893X（2013）07－0953－04

方箭（1986—），男，安徽人，2009年于北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院獲信號(hào)與信息處理系統(tǒng)專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事無(wú)線電頻譜規(guī)劃、系統(tǒng)間電磁兼容分析、認(rèn)知無(wú)線電等方面的研究工作；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.025

2012－11－02；

2013－04－28