TD-SCDMA基站和WCDMA基站的共存分析

摘　要　主要探討了WCDMA系統與TD-SCDMA系統基站間的共存問題，并從鄰頻干擾的角度進行了深入的分析；采用確定性計算方法和靜態仿真方法研究TD-SCDMA基站對WCDMA基站產生的鄰頻干擾，并分析了采用智能天線后帶來的改善。

　　0、前言

　　在移動通信從第二代向第三代過渡的今天，新技術不斷得到應用，新的移動網絡運營商日益發展壯大。由于射頻資源的日益緊張，各種潛在的干擾源正以驚人的速度不斷產生，其中鄰頻干擾就是由于頻率規劃原因造成的，使得處于相鄰頻段的不同模式或不同運營商的共存受到一定的限制。

　　根據國內已經公布的3G頻率方案，TDD頻段1880～1920MHz與FDD上行頻段1920～1980MHz相鄰，而3G外場測試表明：當TDD系統與FDD系統共存時，在頻點1920MHz附近存在干擾，如果WCDMA與TD-SCDMA共享站址，則這種干擾將會更加明顯。因此對不同系統之間共存問題的研究就顯得日益重要。

　　干擾分析的方法主要分為確定性計算方法和仿真模擬方法兩大類，其中仿真模擬方法又分為動態仿真和靜態仿真。本文針對WCDMA和TD-SCDMA系統間的鄰頻干擾問題，分別采用確定性計算方法和靜態仿真方法，深入討論WCDMA和TD-SCDMA的基站共存問題，并引入智能天線技術，分析其對鄰頻干擾的改善。本文側重討論的是TD-SCDMA基站對WCDMA基站的干擾問題，這也是2個系統之間存在的主要干擾。

　　1、鄰頻干擾原理

鄰頻干擾來自相鄰載頻信道，主要是由于發射機和接收機的不理想性，使得相鄰信道的信號泄漏到傳輸帶寬內引起的。干擾系統發射機的帶外輻射，體現為發射機的鄰信道泄漏功率比（ACLR）；被干擾系統接收機的選擇性，體現為接收機的鄰信道選擇性（ACS）。ACLR和ACS共同作用的結果可用鄰信道干擾功率比（ACIR）來衡量，見式（1）。

　
（1）

　　干擾系統的發射信號對鄰頻共存的被干擾系統接收機端的干擾可通過ACIR體現。因此，為有效提高兩種系統鄰頻共存時的系統性能，需要同時改善干擾系統的發射特性（ACLR）和被干擾系統的接收機接收特性（ACS）。單方面改善發射機的發射特性要求或接收機特性要求均不能有效抑制干擾，增強系統容量。

　　2、確定性計算方法

　　2.1　方法描述

　　確定性計算方法主要用來評價基站間干擾，即基站—基站（BS—BS）類型的干擾。通過計算被干擾接收機可以容忍的最大干擾，來計算可以容忍增加的鄰頻干擾。

　　本小區和鄰小區的同頻干擾，即系統內干擾是CDMA系統的固有干擾，鄰頻干擾的增加是以減少一定的同頻干擾，即犧牲被干擾系統一定的容量作為補償的。


　　　　 （2）

　　式中：

　　Iaci——干擾系統產生的鄰頻干擾

　　Pbt——干擾基站發射功率

　　Lb——干擾基站到被干擾基站的基本隔離值，由天線增益和路徑損耗組成，天線增益就是干擾發射機發射增益和被干擾接收機接收增益之和

　　2.2　最大可以容忍的鄰頻干擾的計算

　　對于WCDMA系統的上行鏈路，隨著用戶數的增加，本小區和鄰小區的同頻干擾增大，當噪聲增加量（Mr）達到一定的門限時，系統有最大容量[4]。


　　　　 （3）

　　式中：

　　η——系統負載因子，是當前的用戶數和系統的極限容量之比

　　理想功控下，基站接收到各移動臺的信號具有相同功率電平（C）。假設N為小區內的用戶數，α為話音激活因子。對于小區內任意一個移動臺而言，來自本小區的干擾功率（Ior）為


　　　　 （4）

　　假設β為來自外小區的功率和本小區功率之比，則基站接收到的其他小區的總功率（Poc）為


　　　　 （5）

　　由式（4）和式（5）可以得出基站處的Eb/No


　　　　 （6）

　　式中：

　　W——擴頻帶寬

　　Rb——信息速率

　　g——處理增益

　　F——基站接收機的噪聲系數

　　Nth——熱噪聲密度

　　隨著用戶的增加，Eb/No不斷下降，當減小到解調所需要的最低門限（d）時，系統的容量達到極限。由此，可以得出小區內的用戶數


　　　　 （7）

　　令基站的信噪比趨于無窮大（忽略熱噪聲），可得到系統反向鏈路的極限容量（Nmax）[3]。


　　　　 （8）

　　假設為理想功控，所有移動臺到達基站接收電平相等，均為有用信號C（dBm）。則在基站接收機端可以容忍的最大干擾為


　　　　 （9）

　　式中：

　　No——噪聲電平（dBm）

　　可以看出每減少一個用戶，系統可以增加α（1+β）×10C/10的鄰頻干擾。對于α%的系統容量損失，Nmax為系統的極限容量，可以容忍的最大鄰頻干擾為[2]


　　　　 （10）

　　3、靜態仿真模擬方法

　　靜態仿真模擬方法是3GPP提案[1]中的快照式仿真，其特點是激活UE與小區的連接關系固定，單個快照仿真的設置時間很短，一般是150個功率調整次數，相當于系統工作時間的0.1s時間。靜態仿真一般假設所有的UE都處于激活狀態，并且都分配給網絡資源。每個UE無論處于什么狀態，只要能夠解調導頻信號，都認為可以與基站建立連接和功率控制關系。

　　靜態仿真技術主要用于系統容量的計算，這種仿真方法在開始時無法知道系統的準確容量。除了在理論上可以計算系統大概的容量以外，一般采用試探方法來猜測系統容量，即通過隨機放置激活UE在網絡中。仿真結束后，統計用戶的滿意率，如果低于滿意率，則下次系統仿真時增加放置UE數量，這樣一直循環下去，直到放置UE的數量剛好達到預置條件。如可以設置用戶滿意率為95%。或者需要剛好達到6 dB的噪聲增加量。

　　3.1　仿真原理

　　用靜態仿真方法來模擬實際的移動通信系統，分析用戶數與干擾的關系。定義C/I為用戶接收到的有用信號和干擾的比。當某條通信鏈路的C/I大于接收機要求的C/I時，稱該用戶為滿意用戶，當這條鏈路的C/I小于最小要求時，則認為該條通信鏈路中斷。

　　對于WCDMA系統的上行鏈路有：


　　　　 （11）

　　對于TD-SCDMA系統同步情況下的上下行鏈路有：


　　　　 （12）

　　式中：

　　β——干擾消除因子

　　由于在TD-SCDMA系統中，采用了聯合檢測技術，所以在理想情況下，可以完全消除同小區的同頻干擾。

　　有了每條鏈路的C/I，就可以根據一定的仿真準則來統計系統的用戶數。對于WCDMA系統的上行鏈路，采用噪聲增加量小于6 dB準則。而TD-SCDMA系統，由于在該仿真中是作為干擾系統存在的，因此不需要統計其系統容量，每次放入固定的用戶數（N），在N個用戶情況下分析對WCDMA系統的干擾情況。TD-SCDMA系統中，每個時隙的最多用戶數為8。

　　單系統情況下，首先給定一個初始系統用戶數，然后按照仿真準則進行仿真。如果系統沒有達到仿真要求，則增加用戶數直到滿足仿真準則，得到單系統用戶數（Ns）；系統存在干擾的情況下，同樣重復上面的仿真步驟，只是加入了鄰頻干擾的考慮，得到兩系統并存時的用戶數（Nm），則系統容量損失統計如下：


　　　　 （13）

　　3.2　路徑損耗模型

　　對于基站和基站間以及基站和移動臺間的路徑損耗可采用不同的損耗模型。基站和移動臺間采用如下的路徑損耗公式[10]，該式適用于城市和遠郊等建筑物均勻等高的情況。

　　

　　式中：

　 　

　　Δhm——建筑物平均高度與移動臺天線高度差

　　x——移動臺與發射邊緣的水平距離

　　取典型數據Δhm=10.5 m，x=15 m，d=80 m，Δhb=15 m，R為發射機和接收機之間的距離，ƒ為載波頻率，則式（14）可簡化為


　　　　 （15）

　　考慮到基站天線一般都架得比較高，基站間存在視距傳播的可能性很大，基站間路徑損耗可采用自由空間路徑損耗公式計算，見式（16）。


　　　　 （16）

　　3.3　鄰頻干擾仿真

　　對于TD-SCDMA基站對WCDMA基站的鄰頻干擾，只需仿真WCDMA的上行鏈路和TD-SCDMA的下行鏈路。鄰頻干擾的分析通常要考慮下述兩種情況：

　　a）共站情況，2個基站的距離設為10 m，這是最壞的情況，但也是實際中很容易遇到的情況：

　　b）兩系統基站間距為小區半徑的一半，假設兩個系統的小區半徑相同。

　　鄰頻干擾的來源如圖1所示，仿真參數如表1所示。


圖1　鄰頻干擾來源

表1　仿真參數表
項目 WCDMA UL TD-SCDMA DL 最大發射功率（dBm）23 43 話音速率（kbit/s）12.2 12.2 目標Eb/Io（dB）5 6 標準差（dB）10 10 MCL（dB）53 53 噪聲功率（dBm）-103 -106

　　從圖2和圖3可以看出，要滿足WCDMA系統容量損失不大于5%，共站情況下，ACIR需為120 dB才能滿足干擾系統不同負載情況下的共站隔離要求；基站間隔為小區半徑一半時，ACIR需為70 dB才能滿足隔離要求。根據式（1）和參考文獻[1，5]給出的鄰頻泄漏參數可計算出TD-SCDMA基站與WCDMA基站共存時實際的ACIR約為39 dB，可見遠遠不能滿足系統共存要求。因此，在TD-SCDMA基站對WCDMA干擾的情況下，要使WCDMA系統的容量損失不低于5%，需要再增加額外的隔離度。


圖2　共站下容量損失和ACIR


圖3　基站間隔為小區半徑一半下容量損失和ACIR

　　3.4　智能天線技術的引入

　　智能天線技術是TD-SCDMA系統的關鍵技術之一，它利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷點對準干擾信號到達方向，以充分高效利用有用信號并抑制或消除干擾。圖4示出的是均勻間隔的8陣元的線陣模型的賦形圖，從圖中可以看到天線方向圖是關于陣元所在直線對稱的，若有2個用戶的位置恰好關于陣元所在直線對稱，那么一個用戶的賦形圖必然會對另外一個用戶造成很大的干擾。這是采用線陣值得考慮的問題，但可以采用其他辦法，如采用原陣或其他的波束賦形算法加以改善。

　　圖5和圖6是采用智能天線后容量損失和ACIR的仿真結果。與圖2和圖3比較可以看出，采用智能天線技術后，所需的ACIR值有一定的改善，共站情況下減少了20 dB，100 dB就可以滿足系統容量要求，基站間隔為小區半徑一半下減少了10 dB，但還是遠遠不能滿足系統共存要求。


圖5　共站下容量損失和ACIR（with SA）


圖6　基站間隔為小區半徑一半下容量損失和ACIR（with SA）

　　4、結束語

　　本文針對TD-SCDMA基站對WCDMA基站的鄰頻干擾采用了確定性分析方法和靜態仿真方法進行分析，兩種方法同樣適用于其他系統間干擾，具有較為廣泛的意義。

　　從仿真結果也可以看出，系統共存問題是一個不可忽視的問題，尤其對于工作在相鄰頻段的不同運營商而言，必須增加一定的額外隔離度才能滿足鄰頻干擾的需求。如可以采用頻率和天線隔離手段：

　　a）頻率隔離：由于TD-SCDMA和WCDMA分配的頻譜在1 920 MHz處相鄰，而頻譜資源又十分緊張，可以使用的頻率隔離受限很大，不能從根本上降低TD-SCDMA對WCDMA的干擾，但卻降低了TD-SCDMA滿足這一指標的實現要求。

　　b）天線隔離：利用不同的天線極化方式和天線朝向以及天線高度改變天線增益，增加天線間的耦合損耗，目前這是最經濟有效的方法。

　　在實施中還可以依據具體地形地物進行一定的隔離，減小干擾。在網絡建設時要充分利用地理條件，盡量增加基站間的隔離度。