PHS下行对TD-SCDMA上行的干扰

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随着3G脚步的日益临近，各大运营商在对自己目前的网络加大优化力度的同时，都面临着如何更好与后续系统相兼容的问题，都在从成本代价最小、工程最具操作性、对现有网络影响最小的角度出发，寻求网络建设中存在的互干扰问题的解决方案。    政府主管部门也在密切关注并通过行业标准化组织来研究和制订符合中国国情的最佳3G决策方案和政策规定。
    如何实现个人手持机系统(PHS)和时分同步码分多址(TD-SCDMA)网络的融合和共存，成为运营商共同关心和研究的重大课题，这个问题如果解决得当，可以极大地节省投资，有效控制风险，使运营商投资获利最大化，会产生巨大的社会经济效益。
    中国对3G系统频率使用进行了规划，规定1 880～1 920 MHz为时分双工(TDD)使用频段之一。目前，中国已大规模商用的PHS系统占用的是1 900～1 920 MHz频段。因此，TD-SCDMA系统和PHS系统将在多个频点处邻频共存。由于发射机和接收机滤波器的不完善性，共存的两个系统会产生相互干扰，造成覆盖半径减小和系统容量降低。研究TD-SCDMA与PHS系统之间的干扰问题，可以为移动网络规划提供重要的参考依据。随着TD-SCDMA逐步走向商用化，TD-SCDMA与PHS系统之间的干扰与共存问题已提到议事日程上来[1-5]。
    1 干扰分析
    干扰的产生是多种多样的，某些专用无线电系统占用没有明确划分的频率资源、不同运营商网络配置不当、收发滤波器的性能、小区重叠、环境、电磁兼容(EMC)以及有意干扰，都是移动通信网络射频干扰产生的原因。系统间干扰类型主要有：加性噪声干扰、邻道干扰、交调干扰和阻塞干扰。
    加性噪声干扰是指干扰源在被干扰接收机工作频段产生的噪声，包括干扰源的杂散、噪底、发射互调产物等等，使被干扰接收机的信噪比恶化。
    阻塞干扰是指当强的干扰信号与有用信号同时加入接收机时，强干扰会使接收机链路的非线性器件饱和，产生非线性失真。
    邻道干扰指在接收机第一邻频存在的强干扰信号，由于滤波器残余、倒易混频和通道非线性等原因引起的接收机性能恶化。
    交调干扰指当多个强信号同时进入接收机时，在接收机前端非线性电路作用下产生交调产物，交调产物频率落入接收机有用频带内造成的干扰。
    考虑到PHS和TD-SCDMA两个系统均为TDD系统，且TD-SCDMA有一段频段与PHS系统的频段重叠，实际情况中应该会是邻频共存。因此TD-SCDMA与PHS互干扰主要考虑PHS下行对TD-SCDMA上行的干扰和TD-SCDMA下行对PHS系统上行的干扰。对于PHS系统，由于占用的频带为1 900～1 920 MHz，跟TD-SCDMA系统1 880～1 900 MHz频带最为靠近，因此主要分析TD-SCDMA在该频段上受到PHS系统下行的干扰，只要在该频段上PHS对TD-SCDMA的干扰解决了，TD-SCDMA在其他频段上受PHS干扰的问题也就解决了。
    由于PHS系统的带宽为300 kHz，因此假设PHS系统的中心频率在1 900.15 MHz，根据中国通信标准化协会(CCSA)TC5 WG1频谱子工作组召开的会议确定的TD-SCDMA系统宏小区对PHS系统间共存的研究方法、仿真原理和仿真假设，规定PHS邻道泄漏功率为：2△f的频带内泄漏功率小于800 nW；3△f的频带内泄漏功率小于250 nW，其中△f表示PHS系统带宽(如图1所示)。则TD-SCDMA系统在1 880～1 900 MHz频段分两种情况考虑。取TD-SCDMA的一个带宽间隔1 888.40 MHz(PHS的3倍频干扰在一个TD带宽内，3倍频以外的干扰当作杂散干扰进行处理)为分隔点。在1 888.40MHz～11 900 MHz之间为最差情况，既要考虑杂散干扰又要考虑邻频干扰；在1 880～1 888.40 MHz当作杂散干扰来处理。

    按RCR STD28 V4.0最新标准，核心频段内的杂散功率为1.6×251 nw=401.6 nW≌-34.0 dBm(≌表示nW与dBm之间的等效)。最差的情况，即中心频率在1 900.15 MHz的载频产生的泄漏功率为800 nW＋250 nW=1 050 nW≌-29.8 dBm，邻道泄漏值大于杂散干扰值，所以在这个频段必须考虑邻道泄漏；对于1 880～1 888.40 MHz的频段，如考虑邻道泄漏，计算邻道功率为250 nW≌-36 dBm，其值小于杂散干扰值，因此无需考虑邻道泄漏，只考虑杂散干扰。
    综合上述考虑，在不同频段的干扰类型和功率为：
    1880MHz～1888.40 MHz(杂散干扰)：401.6 nW≌-34.0 dBm，1 898.72 MHz～1 900 MHz(杂散＋邻道干扰)：401.6+800+250 nW=1451.6 nW≌-28.4 dBm，2 010 MHz～2 025 MHz(杂散干扰)：401.6 nW≌-34.0 dBm，2 300 MHz～2 400 MHz(杂散干扰)：401.6 nW≌-34.0 dBm。
    2 仿真研究
    2.1仿真过程介绍
    仿真的思想基于TD-SCDMA单系统同频组网平台，分析PHS下行对TD-SCDMA上行的干扰情况。信噪比(SIR)公式[6]为：

    其中ν是话务激活因子(语音通常为0.6，数据为1)，b是联合检测因子，a是多用户检测抑制因子，P是基站接收到TD-SCDMA用户的功率，I own是本小区干扰，I other是邻小区干扰，IPHS是PHS下行对TD-SCDMA上行的干扰，N是热噪声。
    本仿真的重点是I PHS的计算，仿真中采用1C7T的PHS基站(8个时隙，其中一个是控制时隙，支持7个用户)，每个PHS基站最多容纳7个用户。由于我们只关心PHS下行对TD-SCDMA的影响，PHS系统本身做了许多简化。仿真中计算干扰的时候，把某个空口时隙的PHS信号减某个ACIR值的衰减作为干扰功率[7]，具体为：
    I PHS＝基站的发射功率－ACIR－路损(包括模型损耗和阴影衰落损耗)＋TD用户智能天线增益赋形图在PHS基站方向上的增益＋基站天线增益－TD馈线损耗－PHS馈线损耗
    其中，ACIR是邻道干扰比，可以表示共存系统的干扰。
    ACIR与邻道泄漏比(ACLR)和邻道选择性(ACS)关系公式为：

    其中ACLR是指邻道(或者带外)发射信号落入到被干扰接收机通带内的能力，ACS定义为发射功率与相邻信道(或者被干扰频带)上的测得功率之比。ACS是指在相邻信道信号存在的情况下，接收机在其指定信道频率上接收有用信号的能力，ACS定义为接收机滤波器在指定信道频率上的衰减与在相邻信道频率上的衰减的比值。
    TD-SCDMA系统采用智能天线技术，该技术核心是自适应天线波束赋形技术，可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向(DOA)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。本仿真采用的智能天线分为全向基站和定向基站两种，全向天线采用的是8阵元的均匀圆阵，定向天线是8阵元均匀线阵。只要把全向或定向天线的方向图主波束对准单用户，计算出PHS基站和该用户之间的夹角，就可以得到PHS基站的赋形增益值。
    传播模型的损耗与基站间的距离有关，与环境也有关系。本仿真采取的PHS基站到TD-SCDMA系统基站之间的传播模型如图2所示[7]。

    至于阴影衰落损耗，由于它服从正态分布，因此通过产生高斯正态分布随机数的函数来模拟阴影衰落。考虑到各个PHS基站与TD-SCDMA基站间的阴影衰落具有相关性，因此计算阴影衰落的时候采用公式：
    Shadowj =a×hadowj +b×Shadow计算，其中 阴影衰落的相关系数通常为0.5，Shadow表示所有基站位置产生的公共阴影衰落部分，Shadowj 表示单独由第j 个基站位置产生的阴影衰落部分。
    仿真流程是：按照一定的方式分布基站，然后进行多次快照，每次快照在这些小区(全向的或者扇区化的)中按照一定的方式撒入用户，假定这些用户不移动，计算这些用户上行受到PHS基站干扰后的上行信噪比，然后对这些用户进行上行功率控制，如果SIR目标

    具体步骤如下：
    (1)分布基站。本文采用的是按照规则六边形的蜂窝状小区来分布基站，基站可以是全向的也可以是扇区化的。
    (2)进行快照循环。在每次快照中重新撒入用户，进行功率控制。对于某一次快照，撒入的用户分布可能具有一定的特殊性，所以需要进行大量的快照，用大量快照的统计平均来模拟实际情况。
    (3)在一次快照中，首先是撒入用户，然后是功率控制过程。撒入用户的方法是：撒入一个用户，在广播信道中计算该用户到周围各基站的实际路损，根据广播信道的路损来判断该用户物理归属小区，还需要根据一定的规则来判断归属小区是否接受该用户，如果不满足条件就需要重新撒入，如果满足条件就算撒入了一个用户。重复上面的过程直到撒入足够的用户个数。
    (4)干扰计算，下行4个空口时隙对TD-SCDMA的干扰分别计算，再对4个下行空口时隙的结果做平均，然后计算在这个干扰基础上的TD-SCDMA用户的中断率，最后做各个快照间的中断结果的平均。
    2.2仿真结果
    对于中断率的仿真，首先选取小区覆盖半径，做法如下：在没有PHS下行干扰的情况下，即在TD-SCDMA单系统找到中断率非常接近5%下的相对应的TD-SCDMA系统蜂窝小区覆盖半径(由于TD是单系统同频组网，所以参数ACIR值不影响中断率)，然后固定小区半径，仿真不同的ACIR值下得到的中断率变化曲线。
    本仿真TD-SCDMA系统采用的是全向基站系统中断率为4.967%下的对应的半径(388 m)；定向基站是中断率5.029%下的对应的半径(512 m)。根据CCSA的统一设置，PHS系统基站的半径取为TD-SCDMA系统基站半径的1/4。
    得到TD-SCDMA系统基站和PHS基站的分布如图4所示，TD-SCDMA采用的是2层蜂窝系统，PHS采用的是9层蜂窝系统。

    在快照时均匀随机的撒入用户时，首先判断撒入的用户属于哪个小区，然后判定该用户是否被小区接收。如果撒入的用户符合以下条件的可以被所在的小区接受，否则丢弃该用户并重新撒入用户。
    条件1：总用户数未到小区最大用户数。
    条件2：与基站间的距离大于设定的最小距离。
    条件3：到服务小区的路损应该在路损的最小值和最大值之间。
    如果TD-SCDMA的基站属于定向基站，那么撒入的用户还应该满足智能天线的应用条件。
    一次快照中撒入有效用户的位置分布，全向基站如图5所示，定向基站如图6所示。

    基本上是一个小区8个用户，对于有的小区出现多于8个用户也是正常的，因为小区边缘的用户可能到邻小区的链路损耗更小，它实际上属于邻小区。
    最后分别得到全向基站和定向基站再加入PHS干扰后TD-SCDMA用户的中断情况(如图7所示)。

    从图7中可以看出，智能天线采用定向基站的效果明显好于全向基站，同样在TD-SCDMA单系统下，要求5%中断率的情况下，全向基站蜂窝小区覆盖的距离约为388 m，而定向基站可以覆盖到512 m左右；在加入PHS下行的干扰后，同样在5%中断率的情况下，TD-SCDMA系统采用全向基站必须与PHS基站有95 dB左右的空间隔离度，而定向基站的空间隔离度在85 dB左右。
    在仿真的时候，理论分析考虑的都是很恶劣的情况：
    (1)仿真的中断率是一个统计平均值。根据经验，5%的中断率相当于现网1%的掉话率，因此对TD-SCDMA系统5%的中断率这一指标要求还是很高的。
    (2)所有TD-SCDMA和PHS系统的天线高度一样，而且还有可能出现天线对打情况，而实际中各天线的高度各异，也不存在主瓣对打情况；由于TD-SCDMA天线的空间位置高于PHS基站天线的空间位置，所以可以将PHS天线更换为对上副瓣抑制较大的类型。
    (3)仿真采用同频组网，如果是异频组网，TD-SCDMA系统的性能将大大提高。
    (4)若采用垂直隔离将大大提高工程实施的可行性。
    (5)仿真PHS天线没有考虑滤波器作用，实际操作可通过PHS基站发射天线加带通滤波器来减小PHS杂散。同时采用垂直隔离和加滤波器滤波方法将更具有工程可实施性。
    (6)理论分析TD-SCDMA的工作频段为1 880～1 900 MHz，实际中TD-SCDMA优先使用2 010～2 025 MHz频段，在该频段上TD-SCDMA受到PHS系统的干扰减小，所需的空间隔离度也就小些。
    综上所述，实际网络中PHS干扰TD-SCDMA系统所需的空间隔离将好于上述理论分析。
    3 结束语
    目前TD-SCDMA逐步走向商用化，对TD-SCDMA与PHS系统之间的干扰问题的讨论成为热点。本文在中兴通讯股份有限公司TD-SCDMA单系统平台基础上，基于干扰的主要类型，着重分析了PHS下行对TD-SCDMA上行的干扰问题[8]。通过对TD-SCDMA系统的基站分别采用全向基站和定向基站进行讨论，得出两种系统共存的情况下两个系统的基站所需要的空间隔离度。
    4 参考文献
    [1]徐福新.小灵通(PAS)个人通信接入系统[M]. 修订版.北京:电子工业出版社,2004.
    [2]TD-SCDMA与PHS互干扰预算分析[R].深圳:中兴通讯股份有限公司,2005.
    [3]李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M].北京:人民邮电出版社,2003.
    [4]3GPPTS25.142 v6.1.0. Case Station (BS) conformance testing (TDD) [S]. 2004.
    [5]TD-SCDMA系统智能天线模型[R].北京:大唐移动通信设备有限公司, 2004.
    [6]TD-SCDMA静态系统仿真概要设计[R].深圳:中兴通讯股份有限公司, 2005.
    [7]PHS干扰WCDMA上行的仿真测试报告[R].深圳:中兴通讯股份有限公司, 2005.
    [8]王衍文.PHS系统中的智能基站[J].中兴通讯技术, 2004,10(1):27-31.