部署TD-LTE系統(tǒng)空閑頻譜分布分析

張曉燕， 江 帆， 關(guān) 璐

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

部署TD-LTE系統(tǒng)空閑頻譜分布分析

張曉燕， 江 帆， 關(guān) 璐

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

為了得到部署時分-長期演進(jìn)(Time Division-Long Term Evolution, TD-LTE)系統(tǒng)的空閑頻譜，根據(jù)698～806 MHz頻譜占用度實(shí)測數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)“抗干擾門限準(zhǔn)則”，通過數(shù)值仿真，分析該頻段的頻譜使用現(xiàn)狀，從而獲得該頻段上部署TD-LTE系統(tǒng)的空閑頻譜資源。

時分-長期演進(jìn)；抗干擾門限；接收機(jī)靈敏度；空閑頻譜

隨著以長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)為代表的未來移動通信技術(shù)和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，移動通信頻率資源的需求日益突出。根據(jù)國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)及各國的研究報(bào)告，2020年用于國際移動通信(International Mobile Telecommunications, IMT)系統(tǒng)的頻譜資源需求大約在1 300～1 800 MHz之間[1-2]，而目前各國分配給IMT系統(tǒng)的頻譜資源與之存在較大的缺口。

為改善未來移動用戶的數(shù)據(jù)體驗(yàn)，世界無線電大會(World Radio communication Conference, WRC)分配了450～470 MHz、698～806 MHz、2 500～2 690 MHz、3 400～3 600 MHz等多段頻譜資源用于移動通信業(yè)務(wù)。在WRC-2007上，698～806 MHz頻段被標(biāo)識為IMT業(yè)務(wù)[3]。從中國和國際業(yè)務(wù)應(yīng)用情況來看，698 MHz頻點(diǎn)附近主要開展廣播電視業(yè)務(wù)。因此，如果要在698 MHz附近部署移動業(yè)務(wù)，首先需要在該頻段上找出能夠部署移動通信系統(tǒng)的空閑頻譜資源；然后在該頻段展開“頻率干擾與系統(tǒng)共存”研究工作，以此得出兩系統(tǒng)共存時所需的保護(hù)度和相應(yīng)的干擾規(guī)避措施，為頻率規(guī)劃和干擾協(xié)調(diào)提供必要的技術(shù)支撐。

在“頻率干擾與系統(tǒng)共存”研究中，通常采用確定性計(jì)算分析方法[4]。確定性計(jì)算分析方法不考慮用戶的分布統(tǒng)計(jì)特性，而僅從理論上基于最差鏈路條件下分析兩系統(tǒng)共存時的干擾情況，以此得出兩系統(tǒng)共存所需的額外隔離度。

為了能夠找到部署移動系統(tǒng)的空閑頻譜資源，本文首先對我國典型城市(如西安)、典型候選頻段(如698～806 MHz)的頻譜占用進(jìn)行了實(shí)際測量；在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們將實(shí)測信號看作是對移動系統(tǒng)(比如，TD-LTE系統(tǒng))的干擾，利用確定性計(jì)算中的系統(tǒng)“抗干擾門限準(zhǔn)則”，通過數(shù)值仿真分析了該頻段的頻譜使用情況，得到了該頻段上部署TD-LTE系統(tǒng)的空閑頻譜資源的實(shí)際分布。

1 實(shí)測數(shù)據(jù)

698～806 MHz屬于移動通信的低頻段資源，與屬于高頻段資源的2.3 GHz和2.6 GHz相比，其在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面具有明顯優(yōu)勢。因?yàn)闊o線信號工作頻率低，其傳播損耗小，傳播距離就遠(yuǎn)，部署LTE網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)量可以減少，這將大幅降低建網(wǎng)成本，有利于網(wǎng)絡(luò)快速形成規(guī)模覆蓋。

目前698～806 MHz主要用于廣播電視的傳送，隨著廣播電視技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字電視的頻譜利用率較模擬電視要高出很多。一般來說，傳輸1套模擬電視節(jié)目需要8 MHz帶寬，若轉(zhuǎn)換成數(shù)字方式，就可以同時傳輸4～6套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目。將廣播電視由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字技術(shù)后所節(jié)省出來的頻率資源稱為“數(shù)字紅利”頻率，將“數(shù)字紅利”頻率用于LTE已經(jīng)成為國際趨勢[5]。

為了了解我國典型城市698～806 MHz頻段的頻譜使用情況，從而為部署TD-LTE系統(tǒng)提供有效的實(shí)測數(shù)據(jù)支持，本文以典型城市西安為例，在城區(qū)和郊區(qū)等不同場景下，分析“數(shù)字紅利(698 ～ 806 MHz)”頻段下的頻譜占用情況，實(shí)測功率數(shù)據(jù)分別見圖1和圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為測量頻段分布，單位MHz，縱坐標(biāo)為特定場景下測得的功率，單位dBm。

圖1 698～806 MHz頻段城區(qū)接收信號強(qiáng)度

圖2 698～806 MHz頻段郊區(qū)接收信號強(qiáng)度

2 理論依據(jù)

“頻率干擾與系統(tǒng)共存”的確定性計(jì)算方法的基本工作原理是：干擾發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率經(jīng)過各種損耗(如路徑損耗)和鄰道干擾抑制(如鄰道隔離)后，將所得到的結(jié)果與被干擾接收機(jī)的最大允許干擾電平(稱為抗干擾門限)相比較，即得到兩系統(tǒng)能否共存的結(jié)論[6-7]。

在系統(tǒng)共存研究中，通常用被干擾接收機(jī)的靈敏度損失或惡化來衡量其接收系統(tǒng)性能的下降程度。第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)針對“頻率干擾與系統(tǒng)共存”的確定性分析時采用的準(zhǔn)則[8-9]是基站接收機(jī)靈敏度損失不超過0.8 dB，終端靈敏度損失不超過3 dB。

一般情況下，接收機(jī)靈敏度損失[10]

10lg(1+10(I-N)/10) ,

(1)

其中I為被干擾系統(tǒng)在工作帶寬內(nèi)收到的來自干擾系統(tǒng)的干擾功率；N為被干擾系統(tǒng)接收機(jī)底噪，其計(jì)算公式為

N(dBm)=10lg(KTB)+Nf=

-174+10lgB +Nf,

(2)

其中Nf為接收機(jī)噪聲系數(shù),K為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,B為接收機(jī)射頻載波帶寬，在TD-LTE系統(tǒng)中，B的取值可以為1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz和20MHz。

當(dāng)我們?nèi)』窘邮諜C(jī)靈敏度損失不超過0.8dB時，代入公式(1)中可計(jì)算出部署TD-LTE系統(tǒng)所需的“抗干擾門限”

Ith=0.2N。

(3)

工程中取分貝(dB)為單位，則

[Ith/N]dB=10 lg 0.2=-7(dB)，

即得到了部署TD-LTE系統(tǒng)時要求干擾I比底噪N低7 dB即可。換句話說，TD-LTE系統(tǒng)所遭受的實(shí)際干擾(I)不超過抗干擾門限Ith，此系統(tǒng)就可以正常工作。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，我們知道了被干擾接收機(jī)所能收到的實(shí)際空中干擾電平，能否在此頻段部署TD-LTE系統(tǒng)主要取決于該頻段上的實(shí)際干擾信號強(qiáng)度是否大于部署TD-LTE系統(tǒng)所需的抗干擾門限。

如果該空閑頻段上的接收信號強(qiáng)度(Ireceive)大于TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾門限(Ith)，即

Ireceive≥Ith,

(4)

則認(rèn)為此空閑頻段上存在干擾，會影響到TD-LTE系統(tǒng)的正常工作，此頻段不能部署TD-LTE系統(tǒng)；如果該空閑頻段上的接收信號強(qiáng)度小于TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾門限，即

Ireceive

(5)

則認(rèn)為此空閑頻段上干擾較小，不會影響到TD-LTE系統(tǒng)的正常工作，此頻段能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。

3 分析與結(jié)論

根據(jù)以上判決依據(jù)，我們分析了西安地區(qū)698～806 MHz頻段，在城區(qū)場景和郊區(qū)場景下分別部署TD-LTE系統(tǒng)的頻譜空閑分布情況。由于項(xiàng)目組在進(jìn)行頻譜測試的過程中，使用的是Agilent N8201A接收機(jī)，為了對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，必須要將Agilent N8201A接收機(jī)收到的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換，折合成TD-LTE接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)。

因此在對實(shí)測數(shù)據(jù)根據(jù)“抗干擾門限準(zhǔn)則”進(jìn)行分析的過程中，首先需要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1) 計(jì)算TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾門限

Ith=10lg(KTB)+Nf-7=

-174+10lgB+ 5 - 7=

-174+10lg(5×106) + 5 - 7=

-109 (dBm),

其中接收機(jī)噪聲系數(shù)Nf取5 dB，帶寬B取5 MHz計(jì)算。

(2) 根據(jù)文獻(xiàn)[11]得到TD-LTE系統(tǒng)的天線增益(GTD)為15 dB，饋線損耗(LTD)為2 dB；首先將TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾門限Ith折算到空間上去，得到

-109 + 2 - 15 = -122 (dBm)。

-122 - 1 + 8 = -115 (dBm)。

根據(jù)以上步驟，通過數(shù)值仿真得到的分析結(jié)果見圖3和圖4所示。圖中直線表示抗干擾門限 ，曲線表示實(shí)測信號強(qiáng)度。

圖3 城區(qū)部署TD-LTE系統(tǒng)的空閑頻段

圖4 郊區(qū)部署TD-LTE系統(tǒng)的空閑頻段

由圖3可見，698～806 MHz頻段、西安城區(qū)場景無空閑頻段能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。由圖4可見，698～806 MHz頻段、西安郊區(qū)場景共有將近91.25 MHz的空閑頻段能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。

4 結(jié)語

在頻譜占用實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將實(shí)測信號看作是對TD-LTE系統(tǒng)的干擾，利用確定性計(jì)算中的系統(tǒng)“抗干擾門限準(zhǔn)則”，通過接收機(jī)靈敏度計(jì)算得到TD-LTE系統(tǒng)允許的抗干擾門限，通過數(shù)值仿真分析了“數(shù)字紅利”頻段的頻譜使用情況，得到了該頻段上部署TD-LTE系統(tǒng)的空閑頻譜資源的實(shí)際分布。

在實(shí)際情況下如需部署TD-LTE系統(tǒng)，還需要在以上分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際部署系統(tǒng)的具體位置、實(shí)際的工作頻段以及兩系統(tǒng)具體的設(shè)備參數(shù)分別計(jì)算出最小耦合損耗(Minimum Coupling Loss, MCL)和鄰道干擾功率比(Adjacent Channel Interference power Ratio, ACIR)，根據(jù)共存原則判斷兩系統(tǒng)是否滿足共存條件及兩系統(tǒng)共存所需要的額外隔離度。

[1] ITU. ITU-R.M. 1768，Methodology for Calculation of Spectrum Requirements for the Future Development of the Terrestrial Component of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-2000[S]. Switzerland：ITU，2006.

[2] 郎保真. IMT-Advanced頻率需求計(jì)算方法及結(jié)果[J]. 移動通信，2006(10)：27-31.

[3] 郎保真. WRC07大會及未來移動通信發(fā)展的頻譜研究[J]. 移動通信，2008(16)：13-19.

[4] 王大鵬，李新. TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)與既有網(wǎng)絡(luò)的干擾分析[J]. 移動通信，2011(19)：33-38.

[5] 肖軍. 頻率數(shù)字紅利帶來的思考[J].中國有線電視，2012(10)：1147-1151.

[6] 陳彥名，孟德香，何繼偉，等. TD-LTE系統(tǒng)與數(shù)字廣播電視系統(tǒng)之間共存干擾研究[J]. 開發(fā)與研究，2011(1)：67-71.

[7] 劉德全. TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)干擾研究[J].廣東通信技術(shù)，2011(9)：31-35.

[8] 3GPP. 3GPP TS 36.104，Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)：Base station (BS) radio transmission and reception[S]. USA：3GPP，2010.

[9] 3GPP. 3GPP TS 25.105， Base station(BS) radio transmission and reception (TDD)[S]. USA：3GPP， 2010.

[10] 李建宇. 頻率干擾與系統(tǒng)共存理論分析與仿真評估[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2011：19-33.

[11] 大唐電信. 同一區(qū)域698MHz頻點(diǎn)附近IMT系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)共存研究[R]. 西安：CCSA TC5 WG8 第51次會議，2011.

[責(zé)任編輯:瑞金]

Idle spectrum analyses for TD-LTE deployment

ZHANG Xiaoyan, JIANG Fan, GUAN Lu

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to obtain the idle spectrum for TD-LTE system deployment, based on the basic of spectrum occupancy data, the spectrum occupation condition of band 698～806MHz is analysed in this paper by employing “rule of anti-interference threshold” and combining with numerical simulation. The idle spectrum for deployment TD-LTE system is acquired.

TD-LTE, anti-interference threshold, receiver sensitivity, idle spectrum

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.001

2014-05-15

工信部通信軟科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014R33，2014R34)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011JK8027)；西安郵電大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(109-0444)

張曉燕(1973-)，女，碩士，副教授，從事寬帶無線通信研究。E-mail: zxy@xupt.edu.cn 江帆(1982-)，女，博士，副教授，從事下一代無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn

TN929.52

A

2095-6533(2014)05-0001-04