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TD-SCDMA与DCS1800系统电磁兼容研究
李男 彭木根 王文博 黄标
2010-03-23 00:00:00 来源:[中国无线电管理]

摘 要

从理论计算和计算机仿真两方面对TD-SCDMA系统与DCS1800系统间可能存在的干扰类型和干扰大小进行研究,给出了两系统共存时的干扰结论,并提出了减少干扰所需的规避措施。

关键词

TD-SCDMA DCS1800 ACIR MCL 电磁兼容

引言

TD-SCDMA系统采用时分双工(TDD)工作,基于同步CDMA、智能天线(Smart Antenna)、多用户检测(MUD:Multi-User Detection)、Turbo编码技术、ODMA等新技术。TD-SCDMA是我国首次拥有自主知识产权的移动通信标准,已正式成为ITU第三代移动通信标准IMT-2000建议的一个组成部分。根据信息产业部无线电管理局《关于第三代公众移动通信系统频率规划问题的通知》(信部无[2002]479 号)将1880~1920 MHz和2010~2025 MHz作为其工作频段。

DCS1800与GSM900的制式标准完全一样,也被称为GSM1800。双工模式为时分双工,以其较高的网络容量成为GSM900在部分“热点”地区的有效补充。国家无线电管理机构分配给DCS1800的频带为1710~1755 MHz(上行)和1805~1850MHz(下行)。由于TD-SCDMA和DCS1800下行工作频段相邻,随着两者网络规模逐步展开,研究其间的互扰问题就变得十分有理论价值和现实意义。

干扰产生及类型

移动通信系统间的干扰主要有:同频干扰、邻频干扰、带外干扰、互调干扰和阻塞干扰等。产生这些干扰的原因有很多,例如,原有的专用无线电系统占用现有的频率资源、不同运营商网络配置不当、发射机设置问题、地理位置重叠、电磁兼容(EMC)以及有意干扰等。

工作于不同频率的系统间的共存干扰,主要是由于发射机和接收机的非完美性造成的。发射机在发射有用信号时会产生带外辐射,包括由于调制引起的邻频辐射和带外杂散辐射,可以用ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio,相邻频道泄漏比)来标称接收机的邻频辐射特性。接收机在接收有用信号的同时,落入信道内的干扰信号可能会引起接收机灵敏度的损失,落入接收带宽内的干扰信号可能会引起带内阻塞,可以分别用ACS(adjacent-channel selectivity,邻信道选择性)和阻塞性来标称。发射机ACLR与接收机ACS共同的作用效果可以用ACIR(Adjacent Channel Interference Ratio 邻信道干扰比)来标称,它们的关系如公式(1)所示:

由于DCS1800的下行和TD-SCDMA在1880MHz处位于相邻频段,因此会存在DCS1800基站与TD-SCDMA的基站和终端之间的干扰,具体可分为:

* DCS1800下行对TD-SCDMA上行的干扰;

* DCS1800下行对TD-SCDMA下行的干扰;

* TD-SCDMA上行对DCS1800下行的干扰;

* TD-SCDMA下行对DCS1800下行的干扰。

分析方法

根据参考文献[1],干扰分析主要有两种方法:确定性计算方法和Monte-Carlo静态仿真方法,下面将分别应用以上两种方法对DCS1800与TD-SCDMA间干扰进行分析阐述。

3.1 理论分析估算

TD-SCDMA无线设备的(用户终端和基站)工作频段为1880 MHz~1920 MHz,距离DCS1800最近的频点的中心频率为1880.8 MHz,当其工作于此频率时受到DCS1800系统干扰最为严重,现就这种最典型的情况进行理论分析。

DCS1800距离TD-SCDMA最近的频点中心频率为1879.9 MHZ,与TD-SCDMA边缘频点的中心频率频差f-offset=0.9 MHz,在0.6~1.2 MHz范围之内。根据参考文献[2]与表1可求得相邻信道的接收功率Padj,如公式(2):

Padj=-70 dBm+10lg(0.2/0.1)=-67 dBm (2)

DCS1800基站发射功率为40 dBm,则ACLR=40 dBm-(-67 dBm)=107 dB,因f-offset在TD-SCDMA的Δf之内,TD-SCDMA基站的ACS=45 dB,根据公式(1),得到在以上假设条件下,DCS1800基站对TD-SCDMA基站固有的ACIR≈45 dB。

TD-SCDMA基站接收到的DCS1800基站的干扰信号如公式(3)所示:

I=PTx+GTx-Pathloss+GRx-ACIR-ΔL (3)

其中:I为接收端干扰信号功率,PTx为DCS1800基站的发送信号功率,GTx为发送天线增益,Pathloss为DCS1800基站与TD-SCDMA基站间路径损耗,GRx为接收端天线增益,为邻道干扰比,ΔL为额外引入的隔离度。

引入最小耦合损耗MCL(Minimum Coupling Loss)影响如公式(4)所示:

MCL=Pathloss=GTx=GRx (4)

将公式(4)代入公式(3)中得到公式(5)

ΔL=PTx-ACIR-MCL-I (5)

(Receiver Sensitivity)与接收机热噪声功率PThermaloise的关系如公式(6)所示:

RS=PThermaloise+C/Itarget (6)

最小接收功率为-110 dBm,对应最大干扰电平值Imax为-106 dBm,考虑0.5 dB的余量,则最大干扰电平为-106.5 dB。可得额外隔离度ΔL与最大隔离度L分别为

ΔL=40-45-MCI-(-106.5)=101.5 dB-MCL (7)

L=PTx-ACIR+GTx+GRx-I=121.5 dB (8)

由于现实网络中DCS1800系统采用多载波运营,理论评估时所选频点的频差最小,相应的基站间路径损耗又为最小耦合损耗MCL,因此,算得的所需额外隔离度会比实际系统中偏大一些。所需额外隔离度ΔL与MCL取值的关系如表2所示。

基站之间的路径损耗与所处的环境有关,对于视距来说,基站之间的隔离距离可用自由空间传播模型来计算;就市区而言,基站之间很可能不在视距内,这时的隔离距离需要用其它传播模块来求,所需最大保护距离与传播模型关系如表3所示。

以上方法只适于理论上估计和分析,所得出结论与实际系统有一定差距,但该方法简单高效,并具一定指导意义。

3.2 Monte-Carlo仿真方法

采用3GPPTR25.942建议的Monte-Carlo静态仿真方法,在DCS1800和TD-SCDMA两个系统正常运行时进行有限次快照(snapshot),根据所得的数据进行统计分析,得出两个系统之间的干扰状况。

仿真基于宏小区(Macro)六边形蜂窝模型,小区半径R=577米,采用三扇区wrap around拓扑结构,共61×3个小区,统计数据在中心19×3个小区收集。在每次快照下,用户均服从统计均匀分布,这样就可以利用有限次的快照来模拟实际网络中用户各种位置的可能性。

DCS1800系统的相关仿真参数见表4,(传播模型及其它参数详见参考文献[3])。在仿真平台内,DCS1800可根据用户设定,采用多种频率复用方案,并可选用小区簇内频点预留和动态分配技术,结合多种接纳控制算法,使其频谱利用率和系统容量显著增加。

TD-SCDMA的相关仿真参数见表5。在仿真中TD-SCDMA系统采用自适应智能天线技术,天线主波束自动跟踪通信用户,通过波束赋形增大天线的有效增益,另外,由于采用智能天线技术引入了空间分集,利用多径的能量改善性能,减少多址干扰,大大提升了系统的性能。同时仿真中还采用了基于C/I的理想开环和闭环功率控制,有效抑制系统中的“远近效应”,增大容量。

DCS1800和TD-SCDMA系统上、下行容量均采用95%用户满意率准则,TD-SCDMA不超过16码道限制,上下行容量如下所示:

由Monte-Carlo仿真所得数据更加接近实际网络的真实运营情况,对频率规划、网络规划和网络优化都极具指导意义,具体仿真结果见下章。

仿真结果

4.1 DCS1800下行干扰TD-SCDMA上行

从图2,图3,图4可以得出以下结论:

1. 增大MCL相当于增大共址基站之间的保护距离,降低了干扰,TD-SCDMA上行容量损失也随之减小。当MCL=50 dB、70 dB、80 dB时,要保证容量损失<5%,所需最小ACIR分别为88 dB、72 dB、66 dB,由于DCS1800基站对TD-SCDMA基站固有的ACIR为45 dB,所需额外保护分别为43 dB、27 dB、21 dB,较理论分析值稍小,原因在前面章节已经阐述。

2. 两系统基站间距增大后,相应的干扰链路的路径损耗增大,干扰降低,TD-SCDMA上行容量损失也随之减小,当D=0m、288.5m、577m时,要保证容量损失<5%,所需最小ACIR分别为88 dB、75 dB、73 dB。

3.当两基站共址,小区半径增大后,为了覆盖更大的范围,DCS1800基站的平均发射功率会随之增大,而TD-SCDMA小区边缘用户虽然经过功率控制,但其上行发射信号在接收端的有用功率还是有较大概率减小,这样要满足相同的容量损失,就需要更大的ACIR。当R=577m、1000m时,要保证容量损失<5%,所需最小ACIR分别为66 dB、69 dB。

4.2 DCS1800下行干扰TD-SCDMA下行

当DCS1800 BTS干扰TD-SCDMA MS时,由图5,图6,图7可以得出以下结论:

1. 增大MCL,相当于对DCS1800基站到TD-SCDMA终端增加了保护距离,加大了干扰链路的路径损耗,TD-SCDMA下行所受干扰和容量损失也随之减小,当MCL=50 dB、70 dB时,要保证容量损失<5%,所需最小ACIR分别为15 dB、12.5 dB。

2. 当两系统基站间距增大时,位于TD-SCDMA小区边缘的用户,从统计上多处于临近的DCS1800基站中心附近,受到的外系统平均干扰增加,进行功率控制后,基站下行平均发射功率增大,势必导致对其它用户的下行造成较大程度干扰。TD-SCDMA下行受到的内外系统干扰都增大,容量也因此降低,所以TD-SCDMA下行容量损失会随基站间距增大而增大,当D=0m、288.5m、577m时,要保证容量损失<5%,所需最小ACIR分别为15dB、32dB、34dB。

3. 当两基站共址,小区半径增大后,TD-SCDMA下行所受干扰增大,当R=577m、1000m时,要保证容量损失<5%,所需最小ACIR分别为12.5 dB、14 dB。

共存的可行性分析

由以上分析可知影响两系统共存的最大因素为DCS1800下行对TD-SCDMA上行的干扰,这种干扰不能消除,只能尽量减小;而DCS1800 下行对TD-SCDMA下行的干扰较小,可以通过适当措施避免。下面介绍几种常用降低干扰的保护措施。

1.使用频率保护带

使用频率保护带是一种比较通用、适用于全网的方法。不过由于DCS1800和TD-SCDMA具有不同的信号带宽,有限的频率保护带只对DCS1800的ACLR改善较大,例如,当两系统有0.5MHz频率间隔时,DCS1800基站的ACLR=110dB,但对TD-SCDMA的ACS基本没有改变,所以使用有限的保护频带对ACIR的改善并不明显。虽然这种方法不能有效降低DCS1800对TD-SCDMA的干扰,但它却降低了DCS1800系统满足这一指标的实现要求。

2. 增加天线间的最小耦合损失

增加天线间的最小耦合损失(MCL)是经济且有效的方法。可以通过调整天线的下倾角,选用不同方向角或调整两系统天线的水平垂直隔离距离等方法提高天线间的最小耦合损失,从而有效降低干扰。

3. 采用共存滤波器

采用共存滤波器是一种比较灵活有效的方法,既可以用于DCS1800发射端,也可以用在TD-SCDMA接收端来改善其ACS参数,但对于大规模网络来说其造价也是极为可观的。

4. 采用功放的线性化技术

采用功放的线性化技术可以降低射频的非线性,从而减少由于发射机和接收机的非线性带来的带外辐射干扰和杂散干扰。

5. 合理的多运营商网络规划

运营商在布网时应合理规划,尽量避免工作频率较近不同系统的基站共址工作,增加一定的空间隔离度能有效减小相互间的干扰。

结论

通过理论分析和仿真结果我们可以看出,DCS1800系统与TD-SCDMA系统在1880MHz频段处存在邻频干扰,其中DCS1800下行造成TD-SCDMA上行的容量损失最为严重,而其他情况的干扰造成的容量损失都相对较小,可以通过简单的规避措施避免。建议采取以上规避措施,实现两种系统有效共存。

参考文献

[1]. 3GPPTR25.942 v.4.0.0-2002, RF system scenarios [S].

[2]. ETSI TS 100 910 V8.18.0 Radio Transmission and Reception [S].

[3]. 3GPP TR 43.030 V5.2.0 Radio Access Network Radio network planning aspects [S].

[4]. 黄标. 彭木根. 王文博,第三代移动通信系统干扰共存研究[J].电信科学 2003.07

[5]. 彭木根.黄标,第三代移动通信系统FDDTDD之间频率干扰研究上[J].中国无线电2005.3

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