LTE-FDD與TD-LTE系統(tǒng)共存干擾分析

呂艷玲 李嶸崢 陳驍

(1.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司無線通信設(shè)計(jì)二部,河南鄭州 450007;2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司蘇州分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部,江蘇蘇州 215000)

LTE-FDD與TD-LTE系統(tǒng)共存干擾分析

呂艷玲1李嶸崢1陳驍2

(1.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司無線通信設(shè)計(jì)二部,河南鄭州 450007;2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司蘇州分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部,江蘇蘇州 215000)

本文主要研究了LTE-FDD系統(tǒng)在1800MHz頻段與TD-LTE系統(tǒng)在F頻段共存時(shí)由系統(tǒng)間干擾引起的性能損失,并分別在地理位置偏移和功控參數(shù)維度對其進(jìn)行仿真分析,最后給出了減小干擾的建議措施。

LTE-FDD TD-LTE 共存 干擾 ACIR 吞吐量

1 前言

GSA(Global Mobile Suppliers Association)2013年4月7日更新了其《LTE演進(jìn)(Evolution to LTE)》報(bào)告，確認(rèn)全球已有67個(gè)國家共163張LTE商用網(wǎng)絡(luò)，包含15張TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2013年底全球商用的LTE網(wǎng)絡(luò)總數(shù)將增至87個(gè)國家，共248張LTE網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)廣受關(guān)注的4G牌照發(fā)放期限終于在7月12日召開的國務(wù)院常務(wù)會(huì)議上被正式確定，LTE-FDD與TD-LTE混合組網(wǎng)難以避免，運(yùn)營商在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，必須慎重考慮兩個(gè)系統(tǒng)問的干擾問題，盡量減小共存帶來的系統(tǒng)吞吐量損失，從而更有效地利用頻譜資源。

本文主要研究了LTE-FDD在1800M頻段與TD-LTE系統(tǒng)在F頻段共存時(shí)由系統(tǒng)間干擾引起的性能損失，并分別在地理位置偏移和功控參數(shù)對其進(jìn)行仿真分析，最后給出了減小干擾的建議措施。

2 鄰頻干擾原理和場景分析

2.1 鄰頻干擾原理

鄰頻干擾，即指干擾臺(tái)鄰頻道功率落入接收鄰頻道接收機(jī)通帶內(nèi)造成的干擾，影響鄰頻干擾的大小有兩個(gè)主要的因素：鄰頻共存的干擾抑制比ACIR和基站間偏移。

通常用鄰道泄漏比ACLR來衡量鄰道發(fā)射信號落入到接收機(jī)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。接收機(jī)在接收有用信號的同時(shí)，落入信道內(nèi)的干擾信號可能會(huì)引起接收機(jī)靈敏度的損失，同時(shí)接收機(jī)也存在非線性帶來的損失。用鄰道選擇性ACS來衡量存在相鄰信道信號時(shí)，接收機(jī)在其指定信道頻率上接收有用信號的能力，定義為接收機(jī)濾波器在指定信道上的衰減與在相鄰信道上的衰減的比值。

ACLR和ACS共同作用的結(jié)果用鄰道干擾比ACIR來表示：

由此可見，要提高鄰頻的兩個(gè)系統(tǒng)共存時(shí)的系統(tǒng)性能，抑制鄰頻干擾，可以通過改善發(fā)射機(jī)的發(fā)射性能和接收機(jī)的接收性能兩個(gè)方面來綜合考慮。

單系統(tǒng)時(shí)由于子載波的正交性，占用不同信道的用戶間將不存在干擾。干擾僅存在于不同扇區(qū)內(nèi)占用相同信道的用戶之間，稱為共信道干擾(Co-channel Interference)。在不存在外系統(tǒng)干擾時(shí)，接收機(jī)信干噪比SINR計(jì)算公式為：

當(dāng)兩個(gè)LTE系統(tǒng)共存時(shí)，來自外系統(tǒng)的干擾信號除了受到路徑損耗和陰影衰落之外還要額外衰減一個(gè)ACIR，所有來自外系統(tǒng)的干擾為：

圖1 LTE-FDD與TD-LTE鄰頻干擾示意圖

圖2 LTE-FDD下行平均相對吞吐量損失

表1 LTE-FDD與TD-LTE鄰頻干擾分析

表2 功率控制參數(shù)集

表3 其他仿真關(guān)鍵參數(shù)

由于LTE系統(tǒng)同時(shí)并行發(fā)送多路信號，系統(tǒng)內(nèi)每路信號都會(huì)對鄰頻系統(tǒng)造成干擾，而信道間隔的不同將導(dǎo)致干擾程度的不同，用ACIR值來衡量干擾的程度。信道間隔越大，干擾越小，相應(yīng)ACIR值越大。

2.2 LTE-FDD與TD-LTE鄰頻場景分析

中國聯(lián)通LTE-FDD實(shí)驗(yàn)網(wǎng)采用1800MHz的FDD頻段(1755-1785MHz／1850-1880MHz)；中國移動(dòng)TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中F頻段

(1880-1900MHz)用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，D頻段(2575-2615MHz)用于增加數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)容量，E頻段(2330-2370MHz)用于室內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)。因D頻段和E頻段與中國聯(lián)通LTE-FDD實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頻段較遠(yuǎn)，鄰頻干擾幾乎可以忽略，本文主要研究分析TD-LTE的F頻段(1880-1900MHz)與LTE-FDD(1755-1785／1850-1880MHz)共存條件下的鄰頻干擾。TD-LTE(1880-1900MHz)只與LTE-FDD(1710-1785／1850-1880MHz)下行相鄰，鄰頻干擾示意和分析如（圖1）。

可以看到，兩系統(tǒng)間可能存在基站和終端之間的干擾、基站和基站之間的干擾，由于終端與終端間的干擾通常只有終端發(fā)射時(shí)且在小區(qū)邊界時(shí)才會(huì)發(fā)生，而在其他情況下干擾幾乎可以忽略，所以認(rèn)為此類干擾可以忽略（表1）。

相關(guān)研究表明，由于TD-LTE系統(tǒng)下行采用滿功率發(fā)射，所以LTE-FDD基站受TD-LTE基站干擾較大，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)需要著重考慮，本文主要對TD-LTE基站對LTE-FDD終端的干擾展開分析，LTE-FDD干擾TD-LTE的仿真與TD-LTE干擾LTE-FDD的仿真類似，本文暫不作研究。

3 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與參數(shù)

本文通過蒙特卡羅仿真方法進(jìn)行系統(tǒng)共存研究，該方法將對基站和移動(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，每兩個(gè)間隔之間為一個(gè)快照(Snap Shot)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)生所需要的結(jié)果，所以這種方法又稱為靜態(tài)快照方法。

3.1 仿真描述

本文主要通過基于MATLAB進(jìn)行仿真，研究TD-LTE干擾LTE-FDD的場景。首先仿真得到LTE-FDD單系統(tǒng)平均吞吐量，然后對于給定的ACIR值，引入TD-LTE干擾系統(tǒng)，仿真得到外系統(tǒng)干擾下的LTE-FDD系統(tǒng)平均吞吐量，進(jìn)而得到在某個(gè)特定的ACIR值(也稱為隔離度)下的LTE-FDD系統(tǒng)的性能降級。改變不同的ACIR值進(jìn)行雙系統(tǒng)仿真，即可以得到在不同隔離度下LTE-FDD系統(tǒng)的平均相對吞吐量損失。每次系統(tǒng)仿真運(yùn)行足夠多的快照來得到統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。仿真中根據(jù)不同的無線幀結(jié)構(gòu)用上、下行時(shí)間因子來區(qū)分TD-LTE和LTE-FDD系統(tǒng)。對于被干擾系統(tǒng)，計(jì)算出來自于外系統(tǒng)的干擾值，乘以時(shí)間因子作為外系統(tǒng)的干擾。當(dāng)TD-LTE系統(tǒng)作為干擾系統(tǒng)時(shí)，其上、下行干擾值分別乘以2/5作為外系統(tǒng)干擾。

表4 10MHzUE的ACLR和ACS的最低要求

表5 TD-LTE基站干擾LTE-FDD終端時(shí)的ACIR值

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文主要研究宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)下兩個(gè)LTE系統(tǒng)的干擾共存問題。仿真中采用正六邊形宏蜂窩結(jié)構(gòu)19小區(qū)；采用不分扇區(qū)的小區(qū)模型，基站位于小區(qū)中央，小區(qū)半徑R=433m，站間距I為了消除邊界效應(yīng)，仿真中采用Wrap around技術(shù)。為了使結(jié)果更加全面合理，仿真中考慮了不同的系統(tǒng)間地理偏移量D(D=0、R/2、R三種典型情況)，不同的載波頻率及不同的功控參數(shù)對結(jié)果的影響。

3.3 傳播模型

在宏蜂窩城區(qū)環(huán)境下，基站到移動(dòng)臺(tái)的傳播模型采用：

3.4 控制控制算法

LTE下行鏈路中，沒有功率控制，基站滿功率發(fā)射，給每個(gè)RB分配相同的功率；上行功率控制使用以下公式：

研究中用到的兩組不同參數(shù)集如（表2）。

3.5 吞吐量計(jì)算

由于LTE是一個(gè)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的系統(tǒng)，所以在LTE干擾共存研究中，主要以吞吐量表征系統(tǒng)性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，采用Shannon公式修正截短的形式把SINR映射為吞吐量。對于一個(gè)給定的SINR，可以通過下式近似得出吞吐量：

3.6 評估準(zhǔn)則

在LTE的共存研究中，采用5%相對吞吐量損失作為其所受外系統(tǒng)攝大干擾的評估準(zhǔn)則。每次仿真結(jié)束后統(tǒng)計(jì)各RB上的，根據(jù)公式(7)的映射方法，將映射為各RB吞吐量，累加得到一次仿真的系統(tǒng)吞吐量。多次仿真取平均得到系統(tǒng)平均吞吐量。平均相對吞吐量損失表示為：

3.7 資源分配方案

LTE資源分配的最小單位稱為一個(gè)資源塊，頻域上為180KHz。在不同信道帶寬下，系統(tǒng)可用的資源塊的數(shù)目不同。10MHz帶寬下，可傳輸?shù)馁Y源塊數(shù)目是50個(gè)。

對于下行鏈路，個(gè)用戶只占用一個(gè)資源塊；而對于上行鏈路，每個(gè)用戶可占用多個(gè)資源塊。上行鏈路仿真中，我們把所有資源塊均分給調(diào)度上的所有用戶。比如10MHz帶寬下，若上行鏈路每次調(diào)度5個(gè)用戶，則每個(gè)用戶分配10個(gè)資源塊。

3.8 其他仿真參數(shù)

如(表3)所示。

4 仿真結(jié)果與分析

本文主要對TD-LTE系統(tǒng)在F頻段(1880-1900MHz)與LTEFDD在1800MHz頻段(1710-1785／1850-1880MHz)的干擾展開分析，主要是TD-LTE基站干擾LTE-FDD終端。

[7]給出的10MHz帶寬下，終端的ACLR和ACS的最低要求如(表4)所示：

參照文獻(xiàn)[8]中基站的ACLR和ACS的取值，根據(jù)公式(1)可以求出各干擾鏈路的ACLR值，如（表5）所示：

結(jié)合以上協(xié)議指標(biāo)，對TD-LTE系統(tǒng)干擾下的LTE-FDD系統(tǒng)的平均相對吞吐率結(jié)果如(圖2）：

當(dāng)TD-LTE頻帶與LTE-FDD下行頻帶相鄰時(shí)，TD-LTE基站會(huì)對LTE-FDD終端的造成干擾。LTE-FDD下行在不同的系統(tǒng)間地理位置偏移下的平均相對吞吐量損失曲線如（表6）所示。由于（表5）中UE的ACS值取的是協(xié)議的最低要求，而實(shí)際的產(chǎn)品指標(biāo)會(huì)比協(xié)議的最低要求大一些，從而在無頻率保護(hù)間隔時(shí)的ACIR值應(yīng)該大于33dB，從（表6）可知，基站間距為0、R/2和R時(shí)平均相對吞吐量損失均在5%左右。所以當(dāng)TD-LTE頻帶與LTE-FDD下行頻帶相鄰于1880MHz時(shí)，無論是共站還是不共站都無需再加頻率保護(hù)間隔。

5 結(jié)論與建議

因TD-LTE的D頻段和E頻段與LTE-FDD的1800MHz頻段較遠(yuǎn)，鄰頻干擾幾乎可以忽略，本文主要研究分析TD-LTE的F頻段

(1880-1900MHz)與LTE-FDD(1755-1785／1850-1880MHz)共存條件下的鄰頻干擾。本文采用系統(tǒng)級仿真方法對兩個(gè)LTE系統(tǒng)(F頻段TD-LTE和1800MHz LTE-FDD系統(tǒng))在同一地理區(qū)域相鄰頻段下共存的情況進(jìn)行了研究，分析了地理位置偏移和功控參數(shù)對于兩個(gè)LTE系統(tǒng)共存時(shí)相對吞吐量損失的影響。

研究表明，當(dāng)TD-LTE頻帶與LTE-FDD下行頻帶相鄰于1880MHz時(shí)，目前LTE系統(tǒng)的射頻指標(biāo)基本可以滿足共存要求，無論是共站還是不共站都無需再加頻率保護(hù)間隔。而對于其他干擾場景，也可以通過小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)、增加天線隔離度、外接濾波器等方法來減小系統(tǒng)間干擾。

參考文獻(xiàn):

[1]3GPP TS 36.21l V8.6.O:E-UTRA Physical Channels and Modulation(Release 8)[S].2009.

[2]3GPP TS 36.213 V8.6.O:E-UTRA Physical layer procedures (Release 8)[S].2009.

[3]3GPP TS 36.104 V8.5.0:E-UTRA Base Station(BS) radio wansmission and reception(Release 8)[S].2009.

[4]王靜,張欣,房英龍等.TD-LTE和LTE-FDD系統(tǒng)共存的干擾分析[J].移動(dòng)通信.2009.

[5]王東,楊家瑋.TD-LTE和LTE-FDD在2.6GHz頻段共存的干擾分析[J].2009年全國無線電應(yīng)用與管理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2009.

[6]3GPP TR 36.942 V8.2.O:E-UTRA Radio Frequency(RF) system scenarios (Release 8)[S].2009.

[7]3GPP TS 36.101 V8.5.1:E-UTRA User Equipment(UE)radio transmission and reception(Release 8)[S].2009.

[8]TC5-WG8-2009-044B-2.6GHz頻段LTE系統(tǒng)之間共存研究[S].華為技術(shù)有限公司.2009.

呂艷玲,畢業(yè)于西安電子科技大學(xué),工程師,碩士,于中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司工作,主要從事移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)咨詢、規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作。李嶸崢,畢業(yè)于北京郵電大學(xué),工程師,碩士,于中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司工作,主要從事移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)咨詢、規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作。陳驍,畢業(yè)于浙江大學(xué),工程師,學(xué)士,于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司蘇州分公司工作,主要從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護(hù)及運(yùn)營工作。