WCDMA与WiMAX系统共存干扰分析

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摘要　本文根据IEEE802.16d和WCDMA的标准规范，结合实际网络的组网情况，通过计算机仿真，对WCDMA与WiMAX系统在同一地理区域共存可能存在的干扰类型和干扰大小进行分析，文章提出了一种新颖的系统共存研究的方法和相应的仿真流程，并给出了由于系统间干扰引起的WCDMA系统容量损失和WiMAX系统性能下降的分析结果，最后给出了减少干扰所需的措施。
1、引言
国际电联ITU-R第8F工作组第14次会议为3G的FDD（频分双工模式）和TDD（时分双工模式）系统划分了2.5～2.69 GHz频段。美国FCC（联邦通信委员会）在2004年允许固定微波业务使用2.495～2.69 GHz频段。这极大促进了WiMAX系统在此频段的设备研制和开发。不断增长的业务需求和有限的频谱资源，很有可能导致在部分地理区域，例如“热点”地区，出现WCDMA和WiMAX系统邻频共存的情况。由于高频器件的非线性特性，这些不同系统之间将存在相互干扰，从而可能造成WCDMA系统容量的损失以及WiMAX系统性能下降。基于这个原因。本文主要研究在2.5～2.69 GHz频段内WiMAX TDD系统和WCDMA系统邻频情况下（见图1），WiMAX系统（IEEE 802.16d TDD标准）和IMT-2000中的WCDMA系统之间的共存。
2、干扰产生及类型
当WiMAX和WCDMA系统单独存在时，系统中的干扰为系统内干扰，它包括本小区干扰、邻小区干扰和热噪声。当两系统在同一区域共存时，系统中的干扰除系统内干扰外，还包括系统间干扰。本文主要分析系统间干扰，它可以用ACIR表示。

其中A CLR是指发射功率与在邻近信道经过滤波器接收到的功率之比，A CS是指接收滤波器在指配信道的衰减与在邻近信道上的衰减之比。
图1所示为WCDMA系统上/下行和WiMAX TDD系统频段的相邻情况，因此会存在WiMAX基站和终端与WCDMA的基站和终端之间的干扰，具体可分为：WCDMA上行干扰WiMAX TDD上/下行；WCDMA下行干扰WiMAX TDD上/下行；WiMAX TDD上/下行干扰WCDMA上行；WiMAX TDD上/下行干扰WCDMA下行。

图1　WCDMA和WiMAX频谱相邻情况

3、系统仿真分析
本文采用蒙特卡罗统计仿真方法，WCDMA和WiMAX系统分别进行单系统仿真，然后再进行两个系统共存的仿真，仿真流程如图2所示。在图2中，根据WCDMA输入链路标志，选择上行或下行仿真。其中WCDMA功率控制过程中，要考虑WiMAX系统上行和下行链路分别对WCDMA载干比的影响。在完成WCDMA单系统仿真后，即考虑了WCDMA在受WiMAX系统干扰，保持WCDMA移动台或基站受干扰时发射功率，继续仿真对WiMAX下行和上行链路的影响，即考虑系统间干扰互反馈过程。

图2　WCDMA和WiMAX共存仿真流程

下面将对仿真中所涉及到的地理拓扑结构，传播模型等部分加以简要介绍。
3.1　地理拓扑结构
两个系统都采用多小区广阔覆盖区域的地理分布，每个系统有16个小区，小区半径为1 000 m，每个小区有3个扇区的方式，扇区半径为577 m。为了用有限的蜂窝结构覆盖全平面，消除边界效应，采用了Wrap-around技术。
3.2　传播模型
基站之间采用双折线视距传播模型。基站和移动台之间采用车载测试传播模型，移动台和移动台之间采用COST231模型。
3.3　功率控制
仿真过程中，WCDMA系统功率控制需要同时考虑系统内干扰和系统间干扰。上行链路在功率控制完成后，每个移动台要满足基站Eb/No的最小功率发射信号：下行链路中基站给每个链路发射相等的功率，这样保证接收信号最弱的移动台也可以接入。
每个WCDMA帧长为10 ms，包括15个时隙，每个时隙的持续时间为0.667 ms，WiMAX帧长为5 ms，因此WCDMA一帧的时长相当于WiMAX两帧。在150步的功率控制周期中，对应WCDMA系统150个时隙，来自WiMAX系统的干扰是随着UL/DL比例时变的，过程如图3所示。

图3　WCDMA和WiMAX帧结构时间轴上的对应关系

对移动台和基站而言，每一步功率控制的步长为1 dB，即信号功率每次增加或减少1 dB，对应于每个WCDMA时隙的WiMAX上/下行链路是独立的。WCDMA系统上/行链路功率控制过程如下。
（1）上行链路功率控制
上行链路的初始发送功率由路径损耗、热噪声电平和6 dB噪声门限抬升反推得到，即，PTX=PRX+PL=N0+6+PL，其中PRX表示接收功率，PL表示路径损耗，N0表示热噪声功率。上行链路载干比计算公式为：

其中C表示载波功率，I表示干扰功率，β表示多址干扰抵消因子，Iown表示本扇区内其他链路干扰功率，Iother表示邻扇区干扰功率，在多系统情况下，Iother还包括系统间附近扇区的干扰功率，可以表示为：

（2）下行链路功率控制
下行链路初始发送功率在下行业务信道功率范围内随机选取，下行链路载干比计算公式为：

其中a表示多址干扰的正交因子。
在上/下行链路功率控制过程中。功率控制步长为1 dB。即如果当前载干比比目标载干比大，则信号功率降低1 dB；如果当前载干比比目标载干比小，则信号功率增加1 dB。
WiMAX系统没有功率控制过程。移动台和基站信号都以最大功率发射。
3.4　切换仿真过程
切换过程包括软切换和硬切换。软切换过程适用于WCDMA系统，硬切换过程适用于WiMAX系统。对于硬切换，则选择链路载干比最大的基站通信。对于软切换，切换窗为3 dB。并且一个移动台最多可能有两条工作链路。对于上行通信链路，采用选择分集方法。而对于下行通信链路，采用宏分集方法进行处理，即对两条链路载干比之和进行功率控制。这时。链路总载干比为：

其中，C1、C2是链路接收的有用信号功率，I1、I2表示链路干扰功率，N0是热噪声功率。
3.5　系统容量准则
干扰对于WCDMA系统上/下行链路的影响，主要用有系统间干扰和无系统间干扰的相对容量损失表示。干扰对WiMAX系统的上/下行链路的影响，主要用频谱效率衡量。
WCDMA单系统上行链路容量，根据底噪抬升6 dB时用户数确定。WCDMA单系统下行链路容量根据中断概率为5%时用户数确定。
对于WiMAX系统负荷是75%。在每次仿真之后，都可以得到WiMAX系统每个链路的信噪比。再根据表1中信噪比和频谱效率的对应关系。得到系统所有链路的频谱效率平均值。
表1中，QPSK CTC编码中6、4和2分别表示重复编码的次数。
表1　WiMAX物理层1%PER（误包率）时的频谱效率

4、仿真结果
4.1　WiMAX系统对WCDMA系统的干扰
由前面的功率控制可以看出，由于WCDMA和WiMAX帧结构的不同，WCDMA在进行功率控制时要同时考虑WiMAX上/下行对其的干扰。
（1）WiMAX系统上/下行对WCDMA系统上行的干扰
为了便于比较，WiMAX系统上/下行干扰WCDMA系统上行的仿真结果如图4～6所示。

图4　WCDMA上行容量损失与A CIR的关系

图5　WCDMA上行容量损失与基站间距的关系

图6　WCDMA上行容量损失与MCL的关系

由以上结果可以清晰地看出：
WiMAX上行干扰WCDMA上行和WiMAX下行干扰WCDMA上行两种情况下的ACIR对WCDMA的容量都有影响。由图4可以看出，随着ACIR的增大，WiMAX系统对WCDMA系统上行的干扰减小，WCDMA系统容量损失随之减小。要想保证WCDMA系统损失小于5%，要求WiMAX上行干扰WCDMA上行和WiMAX下行干扰WCDMA上行的ACIR值分别为60 dB和95 dB。相对于标准设备情况下ACIR值分别提高了23 dB和50 dB左右。
在相同ACIR的情况下，随着WiMAX和WCDMA基站距离偏移量的由0增大为288.5 m和577 m时，WiMAX系统对WCDMA基站的干扰相应减小。由图5可以看出，随基站间距离增大，仿真曲线距离相距逐渐减小，说明干扰抑制改善效果逐渐减弱。
在WiMAX系统和WCDMA系统基站共站址的情况下，增大最小耦合损耗（MCL），看到WCDMA系统受到的干扰和容量损失相应减小（见图6）。原因是增大MCL相当于两系统基站之间增大了保护间隔。增加了干扰链路的链路损耗，从而降低了干扰。
（2）WiMAX系统上/下行对WCDMA系统下行的干扰
经过仿真得到，WiMAX上/下行对WCDMA下行的干扰造成的WCDMA系统容量的损失，在不同的系统布局下都小于3%。如果对设备指标加以限制，WCDMA系统容量的损失将近似可以忽略。
4.2　WCDMA系统对WiMAX系统的干扰
（1）WCDMA系统上行对WiMAX系统上行的干扰经过仿真得到，WCDMA上行对WiMAX上行的干扰造成的WiMAX系统频谱效率的损失，在不同的系统布局下都小于4%。
（2）WCDMA系统下行对WiMAX系统上行的干扰
从图7可以看出，随着ACIR的增大，WCDMA系统下行对WiMAX系统上行的干扰减小，WiMAX系统频谱效率损失随之减小。在相同ACIR的情况下，随着WiMAX和WCDMA基站距离偏移量的增大为288.5 m和577 m时，由于WCDMA系统的干扰引起的WiMAX频谱效率的损失逐渐降低。

图7　WiMAX上行频谱效率与基站间距的变化

（3）WCDMA系统上行对WiMAX系统下行的干扰
经过仿真得到，WCDMA上行对WiMAX下行的干扰造成的WiMAX系统频谱效率的损失，在不同的系统布局下都小于2%。
（4）WCDMA系统下行对WiMAX系统下行的干扰
经过仿真得到，WCDMA下行对WiMAX下行的干扰造成的WiMAX系统频谱效率的损失，在不同的系统布局下都小于3%。
5、结语
从以上的分析可以确定在不同网络布局情况下，两系统之间共存对WCDMA系统容量和WiMAX系统频谱效率的影响。在共站情况下的WiMAX下行对WCDMA上行的干扰和WCDMA下行对WiMAX上行的干扰是最严重的两种情况。仿真中通过严格设备参数提高ACIR、增大地理偏移距离、提高MCL的方法降低干扰到可以接受的水平。在实际的工程中，对于干扰严重的情况，还可以采用通过附加滤波器和线性化功率放大器、使用保护带宽等方法来减小系统间干扰。