TD-SCDMA基站和WCDMA基站的共存分析
时间：03-21
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摘 要 主要探讨了WCDMA系统与TD-SCDMA系统基站间的共存问题，并从邻频干扰的角度进行了深入的分析；采用确定性计算方法和静态仿真方法研究TD-SCDMA基站对WCDMA基站产生的邻频干扰，并分析了采用智能天线后带来的改善。
0、前言
在移动通信从第二代向第三代过渡的今天，新技术不断得到应用，新的移动网络运营商日益发展壮大。由于射频资源的日益紧张，各种潜在的干扰源正以惊人的速度不断产生，其中邻频干扰就是由于频率规划原因造成的，使得处于相邻频段的不同模式或不同运营商的共存受到一定的限制。
根据国内已经公布的3G频率方案，TDD频段1 880～1 920 MHz与FDD上行频段1 920～1 980 MHz相邻，而3G外场测试表明：当TDD系统与FDD系统共存时，在频点1 920 MHz附近存在干扰，如果WCDMA与TD-SCDMA共享站址，则这种干扰将会更加明显。因此对不同系统之间共存问题的研究就显得日益重要。
干扰分析的方法主要分为确定性计算方法和仿真模拟方法两大类，其中仿真模拟方法又分为动态仿真和静态仿真。本文针对WCDMA和TD-SCDMA系统间的邻频干扰问题，分别采用确定性计算方法和静态仿真方法，深入讨论WCDMA和TD-SCDMA的基站共存问题，并引入智能天线技术，分析其对邻频干扰的改善。本文侧重讨论的是TD-SCDMA基站对WCDMA基站的干扰问题，这也是2个系统之间存在的主要干扰。
1、邻频干扰原理
邻频干扰来自相邻载频信道，主要是由于发射机和接收机的不理想性，使得相邻信道的信号泄漏到传输带宽内引起的。干扰系统发射机的带外辐射，体现为发射机的邻信道泄漏功率比（ACLR）；被干扰系统接收机的选择性，体现为接收机的邻信道选择性（ACS）。ACLR和ACS共同作用的结果可用邻信道干扰功率比（ACIR）来衡量，见式（1）。
（1）
干扰系统的发射信号对邻频共存的被干扰系统接收机端的干扰可通过ACIR体现。因此，为有效提高两种系统邻频共存时的系统性能，需要同时改善干扰系统的发射特性（ACLR）和被干扰系统的接收机接收特性（ACS）。单方面改善发射机的发射特性要求或接收机特性要求均不能有效抑制干扰，增强系统容量。
2、确定性计算方法
2.1 方法描述
确定性计算方法主要用来评价基站间干扰，即基站-基站（BS-BS）类型的干扰。通过计算被干扰接收机可以容忍的最大干扰，来计算可以容忍增加的邻频干扰。
本小区和邻小区的同频干扰，即系统内干扰是CDMA系统的固有干扰，邻频干扰的增加是以减少一定的同频干扰，即牺牲被干扰系统一定的容量作为补偿的。
（2）
式中：
Iaci--干扰系统产生的邻频干扰
Pbt--干扰基站发射功率
Lb--干扰基站到被干扰基站的基本隔离值，由天线增益和路径损耗组成，天线增益就是干扰发射机发射增益和被干扰接收机接收增益之和
2.2 最大可以容忍的邻频干扰的计算
对于WCDMA系统的上行链路，随着用户数的增加，本小区和邻小区的同频干扰增大，当噪声增加量（Mr）达到一定的门限时，系统有最大容量[4]。
（3）
式中：
η--系统负载因子，是当前的用户数和系统的极限容量之比
理想功控下，基站接收到各移动台的信号具有相同功率电平（C）。假设N为小区内的用户数，α为话音激活因子。对于小区内任意一个移动台而言，来自本小区的干扰功率（Ior）为
（4）
假设β为来自外小区的功率和本小区功率之比，则基站接收到的其他小区的总功率（Poc）为
（5）
由式（4）和式（5）可以得出基站处的Eb/No
（6）
式中：
W--扩频带宽
Rb--信息速率
g--处理增益
F--基站接收机的噪声系数
Nth--热噪声密度
随着用户的增加，Eb/No不断下降，当减小到解调所需要的最低门限（d）时，系统的容量达到极限。由此，可以得出小区内的用户数
（7）
令基站的信噪比趋于无穷大（忽略热噪声），可得到系统反向链路的极限容量（Nmax）[3]。
（8）
假设为理想功控，所有移动台到达基站接收电平相等，均为有用信号C（dBm）。则在基站接收机端可以容忍的最大干扰为
（9）
式中：
No--噪声电平（dBm）
可以看出每减少一个用户，系统可以增加α（1+β）×10C/10的邻频干扰。对于α%的系统容量损失，Nmax为系统的极限容量，可以容忍的最大邻频干扰为[2]
（10）
3、静态仿真模拟方法
静态仿真模拟方法是3GPP提案[1]中的快照式仿真，其特点是激活UE与小区的连接关系固定，单个快照仿真的设置时间很短，一般是150个功率调整次数，相当于系统工作时间的0.1s时间。静态仿真一般假设所有的UE都处于激活状态，并且都分配给网络资源。每个UE无论处于什么状态，只要能够解调导频信号，都认为可以与基站建立连接和功率控制关系。
静态仿真技术主要用于系统容量的计算，这种仿真方法在开始时无法知道系统的准确容量。除了在理论上可以计算系统大概的容量以外，一般采用试探方法来猜测系统容量，即通过随机放置激活UE在网络中。仿真结束后，统计用户的满意率，如果低于满意率，则下次系统仿真时增加放置UE数量，这样一直循环下去，直到放置UE的数量刚好达到预置条件。如可以设置用户满意率为95%。或者需要刚好达到6 dB的噪声增加量。
3.1 仿真原理
用静态仿真方法来模拟实际的移动通信系统，分析用户数与干扰的关系。定义C/I为用户接收到的有用信号和干扰的比。当某条通信链路的C/I大于接收机要求的C/I时，称该用户为满意用户，当这条链路的C/I小于最小要求时，则认为该条通信链路中断。
对于WCDMA系统的上行链路有：
（11）
对于TD-SCDMA系统同步情况下的上下行链路有：
（12）
式中：
β--干扰消除因子
由于在TD-SCDMA系统中，采用了联合检测技术，所以在理想情况下，可以完全消除同小区的同频干扰。
有了每条链路的C/I，就可以根据一定的仿真准则来统计系统的用户数。对于WCDMA系统的上行链路，采用噪声增加量小于6 dB准则。而TD-SCDMA系统，由于在该仿真中是作为干扰系统存在的，因此不需要统计其系统容量，每次放入固定的用户数（N），在N个用户情况下分析对WCDMA系统的干扰情况。TD-SCDMA系统中，每个时隙的最多用户数为8。
单系统情况下，首先给定一个初始系统用户数，然后按照仿真准则进行仿真。如果系统没有达到仿真要求，则增加用户数直到满足仿真准则，得到单系统用户数（Ns）；系统存在干扰的情况下，同样重复上面的仿真步骤，只是加入了邻频干扰的考虑，得到两系统并存时的用户数（Nm），则系统容量损失统计如下：
（13）
3.2 路径损耗模型
对于基站和基站间以及基站和移动台间的路径损耗可采用不同的损耗模型。基站和移动台间采用如下的路径损耗公式[10]，该式适用于城市和远郊等建筑物均匀等高的情况。
式中：
Δhm--建筑物平均高度与移动台天线高度差
x--移动台与发射边缘的水平距离
取典型数据Δhm=10.5 m，x=15 m，d=80 m，Δhb=15 m，R为发射机和接收机之间的距离，ƒ为载波频率，则式（14）可简化为
（15）
考虑到基站天线一般都架得比较高，基站间存在视距传播的可能性很大，基站间路径损耗可采用自由空间路径损耗公式计算，见式（16）。
（16）
3.3 邻频干扰仿真
对于TD-SCDMA基站对WCDMA基站的邻频干扰，只需仿真WCDMA的上行链路和TD-SCDMA的下行链路。邻频干扰的分析通常要考虑下述两种情况：
a）共站情况，2个基站的距离设为10 m，这是最坏的情况，但也是实际中很容易遇到的情况：
b）两系统基站间距为小区半径的一半，假设两个系统的小区半径相同。
邻频干扰的来源如图1所示，仿真参数如表1所示。
图1 邻频干扰来源
表1 仿真参数表
项目 WCDMA UL TD-SCDMA DL 最大发射功率（dBm）23 43 话音速率（kbit/s）12.2 12.2 目标Eb/Io（dB）5 6 标准差（dB）10 10 MCL（dB）53 53 噪声功率（dBm）-103 -106
从图2和图3可以看出，要满足WCDMA系统容量损失不大于5%，共站情况下，ACIR需为120 dB才能满足干扰系统不同负载情况下的共站隔离要求；基站间隔为小区半径一半时，ACIR需为70 dB才能满足隔离要求。根据式（1）和参考文献[1，5]给出的邻频泄漏参数可计算出TD-SCDMA基站与WCDMA基站共存时实际的ACIR约为39 dB，可见远远不能满足系统共存要求。因此，在TD-SCDMA基站对WCDMA干扰的情况下，要使WCDMA系统的容量损失不低于5%，需要再增加额外的隔离度。
图2 共站下容量损失和ACIR
图3 基站间隔为小区半径一半下容量损失和ACIR
3.4 智能天线技术的引入
智能天线技术是TD-SCDMA系统的关键技术之一，它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷点对准干扰信号到达方向，以充分高效利用有用信号并抑制或消除干扰。图4示出的是均匀间隔的8阵元的线阵模型的赋形图，从图中可以看到天线方向图是关于阵元所在直线对称的，若有2个用户的位置恰好关于阵元所在直线对称，那么一个用户的赋形图必然会对另外一个用户造成很大的干扰。这是采用线阵值得考虑的问题，但可以采用其他办法，如采用原阵或其他的波束赋形算法加以改善。
图5和图6是采用智能天线后容量损失和ACIR的仿真结果。与图2和图3比较可以看出，采用智能天线技术后，所需的ACIR值有一定的改善，共站情况下减少了20 dB，100 dB就可以满足系统容量要求，基站间隔为小区半径一半下减少了10 dB，但还是远远不能满足系统共存要求。
图5 共站下容量损失和ACIR（with SA）
图6 基站间隔为小区半径一半下容量损失和ACIR（with SA）
4、结束语
本文针对TD-SCDMA基站对WCDMA基站的邻频干扰采用了确定性分析方法和静态仿真方法进行分析，两种方法同样适用于其他系统间干扰，具有较为广泛的意义。
从仿真结果也可以看出，系统共存问题是一个不可忽视的问题，尤其对于工作在相邻频段的不同运营商而言，必须增加一定的额外隔离度才能满足邻频干扰的需求。如可以采用频率和天线隔离手段：
a）频率隔离：由于TD-SCDMA和WCDMA分配的频谱在1 920 MHz处相邻，而频谱资源又十分紧张，可以使用的频率隔离受限很大，不能从根本上降低TD-SCDMA对WCDMA的干扰，但却降低了TD-SCDMA满足这一指标的实现要求。
b）天线隔离：利用不同的天线极化方式和天线朝向以及天线高度改变天线增益，增加天线间的耦合损耗，目前这是最经济有效的方法。
在实施中还可以依据具体地形地物进行一定的隔离，减小干扰。在网络建设时要充分利用地理条件，尽量增加基站间的隔离度。
0、前言
在移动通信从第二代向第三代过渡的今天，新技术不断得到应用，新的移动网络运营商日益发展壮大。由于射频资源的日益紧张，各种潜在的干扰源正以惊人的速度不断产生，其中邻频干扰就是由于频率规划原因造成的，使得处于相邻频段的不同模式或不同运营商的共存受到一定的限制。
根据国内已经公布的3G频率方案，TDD频段1 880～1 920 MHz与FDD上行频段1 920～1 980 MHz相邻，而3G外场测试表明：当TDD系统与FDD系统共存时，在频点1 920 MHz附近存在干扰，如果WCDMA与TD-SCDMA共享站址，则这种干扰将会更加明显。因此对不同系统之间共存问题的研究就显得日益重要。
干扰分析的方法主要分为确定性计算方法和仿真模拟方法两大类，其中仿真模拟方法又分为动态仿真和静态仿真。本文针对WCDMA和TD-SCDMA系统间的邻频干扰问题，分别采用确定性计算方法和静态仿真方法，深入讨论WCDMA和TD-SCDMA的基站共存问题，并引入智能天线技术，分析其对邻频干扰的改善。本文侧重讨论的是TD-SCDMA基站对WCDMA基站的干扰问题，这也是2个系统之间存在的主要干扰。
1、邻频干扰原理
邻频干扰来自相邻载频信道，主要是由于发射机和接收机的不理想性，使得相邻信道的信号泄漏到传输带宽内引起的。干扰系统发射机的带外辐射，体现为发射机的邻信道泄漏功率比（ACLR）；被干扰系统接收机的选择性，体现为接收机的邻信道选择性（ACS）。ACLR和ACS共同作用的结果可用邻信道干扰功率比（ACIR）来衡量，见式（1）。
干扰系统的发射信号对邻频共存的被干扰系统接收机端的干扰可通过ACIR体现。因此，为有效提高两种系统邻频共存时的系统性能，需要同时改善干扰系统的发射特性（ACLR）和被干扰系统的接收机接收特性（ACS）。单方面改善发射机的发射特性要求或接收机特性要求均不能有效抑制干扰，增强系统容量。
2、确定性计算方法
2.1 方法描述
确定性计算方法主要用来评价基站间干扰，即基站-基站（BS-BS）类型的干扰。通过计算被干扰接收机可以容忍的最大干扰，来计算可以容忍增加的邻频干扰。
本小区和邻小区的同频干扰，即系统内干扰是CDMA系统的固有干扰，邻频干扰的增加是以减少一定的同频干扰，即牺牲被干扰系统一定的容量作为补偿的。
式中：
Iaci--干扰系统产生的邻频干扰
Pbt--干扰基站发射功率
Lb--干扰基站到被干扰基站的基本隔离值，由天线增益和路径损耗组成，天线增益就是干扰发射机发射增益和被干扰接收机接收增益之和
2.2 最大可以容忍的邻频干扰的计算
对于WCDMA系统的上行链路，随着用户数的增加，本小区和邻小区的同频干扰增大，当噪声增加量（Mr）达到一定的门限时，系统有最大容量[4]。
式中：
η--系统负载因子，是当前的用户数和系统的极限容量之比
理想功控下，基站接收到各移动台的信号具有相同功率电平（C）。假设N为小区内的用户数，α为话音激活因子。对于小区内任意一个移动台而言，来自本小区的干扰功率（Ior）为
假设β为来自外小区的功率和本小区功率之比，则基站接收到的其他小区的总功率（Poc）为
由式（4）和式（5）可以得出基站处的Eb/No
式中：
W--扩频带宽
Rb--信息速率
g--处理增益
F--基站接收机的噪声系数
Nth--热噪声密度
随着用户的增加，Eb/No不断下降，当减小到解调所需要的最低门限（d）时，系统的容量达到极限。由此，可以得出小区内的用户数
令基站的信噪比趋于无穷大（忽略热噪声），可得到系统反向链路的极限容量（Nmax）[3]。
假设为理想功控，所有移动台到达基站接收电平相等，均为有用信号C（dBm）。则在基站接收机端可以容忍的最大干扰为
式中：
No--噪声电平（dBm）
可以看出每减少一个用户，系统可以增加α（1+β）×10C/10的邻频干扰。对于α%的系统容量损失，Nmax为系统的极限容量，可以容忍的最大邻频干扰为[2]
3、静态仿真模拟方法
静态仿真模拟方法是3GPP提案[1]中的快照式仿真，其特点是激活UE与小区的连接关系固定，单个快照仿真的设置时间很短，一般是150个功率调整次数，相当于系统工作时间的0.1s时间。静态仿真一般假设所有的UE都处于激活状态，并且都分配给网络资源。每个UE无论处于什么状态，只要能够解调导频信号，都认为可以与基站建立连接和功率控制关系。
静态仿真技术主要用于系统容量的计算，这种仿真方法在开始时无法知道系统的准确容量。除了在理论上可以计算系统大概的容量以外，一般采用试探方法来猜测系统容量，即通过随机放置激活UE在网络中。仿真结束后，统计用户的满意率，如果低于满意率，则下次系统仿真时增加放置UE数量，这样一直循环下去，直到放置UE的数量刚好达到预置条件。如可以设置用户满意率为95%。或者需要刚好达到6 dB的噪声增加量。
3.1 仿真原理
用静态仿真方法来模拟实际的移动通信系统，分析用户数与干扰的关系。定义C/I为用户接收到的有用信号和干扰的比。当某条通信链路的C/I大于接收机要求的C/I时，称该用户为满意用户，当这条链路的C/I小于最小要求时，则认为该条通信链路中断。
对于WCDMA系统的上行链路有：
对于TD-SCDMA系统同步情况下的上下行链路有：
式中：
β--干扰消除因子
由于在TD-SCDMA系统中，采用了联合检测技术，所以在理想情况下，可以完全消除同小区的同频干扰。
有了每条链路的C/I，就可以根据一定的仿真准则来统计系统的用户数。对于WCDMA系统的上行链路，采用噪声增加量小于6 dB准则。而TD-SCDMA系统，由于在该仿真中是作为干扰系统存在的，因此不需要统计其系统容量，每次放入固定的用户数（N），在N个用户情况下分析对WCDMA系统的干扰情况。TD-SCDMA系统中，每个时隙的最多用户数为8。
单系统情况下，首先给定一个初始系统用户数，然后按照仿真准则进行仿真。如果系统没有达到仿真要求，则增加用户数直到满足仿真准则，得到单系统用户数（Ns）；系统存在干扰的情况下，同样重复上面的仿真步骤，只是加入了邻频干扰的考虑，得到两系统并存时的用户数（Nm），则系统容量损失统计如下：
3.2 路径损耗模型
对于基站和基站间以及基站和移动台间的路径损耗可采用不同的损耗模型。基站和移动台间采用如下的路径损耗公式[10]，该式适用于城市和远郊等建筑物均匀等高的情况。
式中：
Δhm--建筑物平均高度与移动台天线高度差
x--移动台与发射边缘的水平距离
取典型数据Δhm=10.5 m，x=15 m，d=80 m，Δhb=15 m，R为发射机和接收机之间的距离，ƒ为载波频率，则式（14）可简化为
考虑到基站天线一般都架得比较高，基站间存在视距传播的可能性很大，基站间路径损耗可采用自由空间路径损耗公式计算，见式（16）。
3.3 邻频干扰仿真
对于TD-SCDMA基站对WCDMA基站的邻频干扰，只需仿真WCDMA的上行链路和TD-SCDMA的下行链路。邻频干扰的分析通常要考虑下述两种情况：
a）共站情况，2个基站的距离设为10 m，这是最坏的情况，但也是实际中很容易遇到的情况：
b）两系统基站间距为小区半径的一半，假设两个系统的小区半径相同。
邻频干扰的来源如图1所示，仿真参数如表1所示。
从图2和图3可以看出，要满足WCDMA系统容量损失不大于5%，共站情况下，ACIR需为120 dB才能满足干扰系统不同负载情况下的共站隔离要求；基站间隔为小区半径一半时，ACIR需为70 dB才能满足隔离要求。根据式（1）和参考文献[1，5]给出的邻频泄漏参数可计算出TD-SCDMA基站与WCDMA基站共存时实际的ACIR约为39 dB，可见远远不能满足系统共存要求。因此，在TD-SCDMA基站对WCDMA干扰的情况下，要使WCDMA系统的容量损失不低于5%，需要再增加额外的隔离度。
3.4 智能天线技术的引入
智能天线技术是TD-SCDMA系统的关键技术之一，它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷点对准干扰信号到达方向，以充分高效利用有用信号并抑制或消除干扰。图4示出的是均匀间隔的8阵元的线阵模型的赋形图，从图中可以看到天线方向图是关于阵元所在直线对称的，若有2个用户的位置恰好关于阵元所在直线对称，那么一个用户的赋形图必然会对另外一个用户造成很大的干扰。这是采用线阵值得考虑的问题，但可以采用其他办法，如采用原阵或其他的波束赋形算法加以改善。
图5和图6是采用智能天线后容量损失和ACIR的仿真结果。与图2和图3比较可以看出，采用智能天线技术后，所需的ACIR值有一定的改善，共站情况下减少了20 dB，100 dB就可以满足系统容量要求，基站间隔为小区半径一半下减少了10 dB，但还是远远不能满足系统共存要求。
4、结束语
本文针对TD-SCDMA基站对WCDMA基站的邻频干扰采用了确定性分析方法和静态仿真方法进行分析，两种方法同样适用于其他系统间干扰，具有较为广泛的意义。
从仿真结果也可以看出，系统共存问题是一个不可忽视的问题，尤其对于工作在相邻频段的不同运营商而言，必须增加一定的额外隔离度才能满足邻频干扰的需求。如可以采用频率和天线隔离手段：
a）频率隔离：由于TD-SCDMA和WCDMA分配的频谱在1 920 MHz处相邻，而频谱资源又十分紧张，可以使用的频率隔离受限很大，不能从根本上降低TD-SCDMA对WCDMA的干扰，但却降低了TD-SCDMA满足这一指标的实现要求。
b）天线隔离：利用不同的天线极化方式和天线朝向以及天线高度改变天线增益，增加天线间的耦合损耗，目前这是最经济有效的方法。
在实施中还可以依据具体地形地物进行一定的隔离，减小干扰。在网络建设时要充分利用地理条件，尽量增加基站间的隔离度。