TD—LTE系統幹擾分析

論文類別:計算機論文 > 計算機網絡論文
論文作者: 程敏
上傳時間:2014/8/18 12:10:00

  【摘 要】文章對TD-LTE的系統內外幹擾的機理進行了系統分析,並結合標準中的設備性能最低要求計算出典型情況下系統間隔離度要求,以及隔離度的實現方法。
  【關鍵詞】TD-LTE 幹擾 隔離度
  1 概述
  隨著TD-LTE標準的凍結、設備的成熟以及移動互聯網業務飛速發展,TD-LTE已經成為業界的關註焦點。而TD-LTE系統內外幹擾問題是網絡部署時必須要考慮的關鍵問題之一。
  TD-LTE系統面臨的幹擾包括噪聲Pn、系統內幹擾Iintra-system和系統間幹擾Iinter-system,下面將分別對這三種幹擾進行分析。
  2 噪聲
  噪聲可以按照來源分為接收機內部噪聲和外部噪聲。接收機內部噪聲包括導體的熱噪聲和放大器的噪聲放大;外部噪聲是指來自接收機以外的非移動通信發射機的電磁波信號,可以分為自然噪聲和人為噪聲。
  一般在進行分析時主要考慮接收機內部噪聲,可通過以下式子計算得到:
  Pn=KTB+NF (1)
  其中:
  K:波爾茲曼常數(Boltzmann constant),1.380662×10-23JK-1;
  T:開爾文絕對溫度,一般計算中取常溫290K;
  B:接收機有效帶寬;
  NF:接收機的噪聲系數,標準中一般取基站的噪聲系數分別為7dB。
  由於LTE系統帶寬在1.4MHz~20MHz可變,並且采用OFDMA/SC-FDMA的多址方式,用戶實際只占用系統帶寬中的一部分。因此,信道的熱噪聲水平也會隨著占用帶寬的變化而變化。
  3 系統內幹擾
  系統內幹擾是本移動通信系統內各無線網元收發單元之間的幹擾。
  3.1 同頻幹擾
  TD-LTE系統同小區下的不同用戶下行采用OFDMA、上行采用SC-FDMA的多址方式,不同用戶占用不同的、相互正交的子載波,因此不存在3G系統中的同小區不同用戶的多址幹擾問題。LTE系統中的同頻幹擾主要是同頻的其他小區的幹擾,這也是LTE系統中幹擾協調、抑制技術要解決的問題。
  3.2 LTE TDD系統上下行鏈路間幹擾
  LTE TDD系統采用時分雙工的方式,上下行信道工作在相同的頻點,通過上下行轉換點設置上下行信道可占用的時隙。上行與下行之間由於時間轉換點不一致、基站之間不同步或無線信號傳播時延等,可能出現“重疊”(同時存在上行鏈路和下行鏈路)的時間點,引起eNode B小區間或終端用戶間的幹擾。
  (1)相鄰小區間或同小區不同頻率間的上下行轉換點不一致
  如果相鄰小區第二轉換點設置不同,在上下行配置不同的時隙,會出現一個小區eNodeB發射時,另一個小區eNode B正在接收的情況,因而將出現比較嚴重的上下行鏈路間幹擾,如圖1所示:
  為了避免該類幹擾,規劃中應註意:
  1)結合各區域的上下行業務量需求特點,盡量在成片的區域內采用同一時隙分配方案;
  2)在采用不同時隙分配方案的區域交界處,相鄰兩個采用不同時隙分配方案的小區中,應有一個閉塞發生重疊的時隙,或者兩個相鄰小區通過檢測重疊時隙上的幹擾強度,決定是否將用戶繼續分配在該重疊時隙上。
  (2)相鄰小區間失同步
  在相鄰的小區之間同步基準不一致時,即使小區間采用相同的轉換點設置方案,由於起始時刻不同,也會有“重疊”時間點出現,如圖2所示:
  LTE的eNode B之間一般采用外接參考時鐘源(如GPS或伽利略衛星系統)實現同步。當外接參考時鐘源故障,以及同步過程誤差過大時,都有可能出現Node B之間失同步。根據3GPP TS36.133要求,采用相同頻率、且有重疊覆蓋區域的相鄰Node B之間,幀起點的時間誤差應小於或等於3μs(覆蓋距離小於3km);如果滿足該要求,則相鄰小區間的上下行幹擾時間很短,對網絡的性能影響不大。
  在規劃LTE TDD系統的基站間同步時,應滿足該要求。
  (3)無線傳播時延大於轉換點保護時隙
  在無線信號傳播過程中,隨著傳播距離的增加會形成傳播時延。此外,在采用移動通信直放站延伸小區覆蓋距離時,也會引入直放站設備的時延。傳播距離產生的時延為:
  Δτ=d/c (2)
  其中,d是傳播距離,c是光速。
  在一個小區內如果傳播時延過大,也會引起終端的上行鏈路對附近其他終端的下行鏈路接收形成幹擾。為了在eNode B接收端實現各終端的上行信號同步,終端必須提前一定的時間發送上行的UpPTS和子幀2。如圖3所示,以eNode B發射端的時間作為基準,該時間提前量應該等於終端到eNode B的無線傳輸時延τ,也就等於Node B發射的下行信號到達終端的無線傳輸時延。如果以終端接收到的下行信號時間作為基準,該時間提前量就是兩倍的無線傳輸時延(2τ)。
  相對於接收到的下行信號基準,由於終端需要以2τ的時間提前量發送上行UpPTS和子幀2,如果2τ大於DwPTS和UpPTS之間的保護間隔GP,就會引起該終端的上行UpPTS信道幹擾附近其他終端接收來自Node B的DwPTS信道。因此,按照以下公式可確定不產生上下行幹擾的最大傳輸距離(即最大覆蓋距離):
  (3)
  其中,tgap是保護時間間隔。
  根據標準中的特殊子幀配置,可計算得出不同特殊子幀配置格式下TD-LTE基站的最大覆蓋距離,如表1所示:
  如果存在移動通信直放站等轉發設備,由於直放站設備內部的濾波器件固有時延和光纖介質中的信號傳播時延,會導致上述時延保護間隔對應的最大覆蓋距離進一步縮小。

  考慮到該幹擾信號經過遠距離的傳播損耗後,信號功率已經比較微弱,工程中一般較少考慮該幹擾的影響。
  (4)鄰頻幹擾
  由於設備濾波特性的非理想性,幹擾也存在於使用相鄰頻率的各方之間。
  假設不同頻率上的終端數量和位置分布相同,從3GPP標準中對接收機的ACS和ACLR指標要求來看(一般在30dB以上),相對於同頻幹擾,鄰頻幹擾對接收機的影響小30dB以上,即鄰頻幹擾比同頻幹擾弱1000倍以上,可以忽略。
  4 系統間幹擾
  4.1 系統間幹擾類型
  從形成機理角度可分為鄰頻幹擾、雜散輻射、接收機互調幹擾和阻塞幹擾。
  (1)鄰頻幹擾(ACI)
  如果不同的系統分配了相鄰的頻率,就會發生鄰頻幹擾。由於收發設備濾波性能的非完美性,工作在相鄰頻道的發射機會泄漏信號到被幹擾接收機的工作頻段內;同時被幹擾接收機也會接收到工作頻段以外其他發射機的工作信號。決定該幹擾的關鍵特性指標是發射機的ACLR和接收機的ACS。
  (2)雜散輻射(Spurious emissions)
  由於發射機中的功放、混頻、濾波等部分工作特性非理想,會在工作帶寬以外很寬的範圍內產生輻射信號分量(不包括帶外輻射規定的頻段),包括電子熱運動產生的熱噪聲、各種諧波分量、寄生輻射、頻率轉換產物以及發射機互調等。
  鄰頻幹擾和雜散輻射不同,鄰頻幹擾中所考慮的幹擾發射機泄漏信號指的是被幹擾接收機所處頻段距離幹擾發射機工作頻段較近,尚未達到雜散輻射的規定頻段的情況,即有效工作帶寬2.5倍以上(或者工作帶寬上下邊界10MHz以外的頻段)。當兩系統的工作頻段相差帶寬2.5倍以上(或者相隔10MHz以上)時,濾波器非理想性將主要表現為雜散幹擾。
  (3)接收機互調幹擾
  接收機互調幹擾包括多幹擾源形成的互調、發射分量與幹擾源形成的互調(TxIMD)、交叉調制(XMD)幹擾。
  多幹擾源形成的互調是由於被幹擾系統接收機的射頻器件非線性,在兩個以上幹擾信號分量的強度比較高時所產生的互調產物。
  發射分量與幹擾源形成的互調是由於雙工器濾波特性不理想,所引起的被幹擾系統的發射分量泄漏到接收端,從而與幹擾源在非線性器件上形成互調。
  交叉調制也是由於接收機非線性引起的,在非線性的接收器件上,被幹擾系統的調幅發射信號,與靠近接收頻段的窄帶幹擾信號相混合,將產生交叉調制。
  (4)阻塞幹擾
  阻塞幹擾並不是落在被幹擾系統接收帶寬內的。但由於幹擾信號功率太強,而將接收機的低噪聲放大器(LNA)推向飽和區,使其不能正常工作。被幹擾系統可允許的阻塞幹擾功率一般要求低於LNA的1dB壓縮點10dB。
  根據不同幹擾形成的特性,鄰頻幹擾、雜散幹擾、互調幹擾都是落在被幹擾系統接收機內,被其接收而惡化通信質量的;阻塞幹擾則是在被幹擾系統接收帶寬以外,通過將被幹擾系統接收機推向飽和而阻礙通信的。
  對於落在被幹擾系統的接收帶寬內的幹擾,可以進行功率上的相加。總的幹擾功率為:
  (4)
  其中,PACI、PSE、PIMD分別為鄰頻幹擾、雜散幹擾、互調幹擾,單位為dBm。
  一般情況下,三種幹擾的強度相差較大;合成的幹擾功率將主要取決於其中最大的一項。即使在最極端的情況下,三種幹擾強度相等,總的幹擾功率增加4.5dB,仍符合一般情況下幹擾指標留有的余量要求。因此工程中一般分別核算各幹擾情況是否滿足系統指標要求,以簡化分析。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com   4.2 系統間幹擾分析方法
  幹擾分析的方法很多,3GPP TR36.942中提到有兩種:確定性計算方法和仿真模擬方法。
  (1)確定性計算方法
  也稱最小允許耦合損耗MCL(Minimum Coupling Loss)計算方法。確定性計算方法的優點是簡單易行,可以較容易地獲得理論估計結果,所計算的結果對應於最惡劣的情況,對應的MCL要求較嚴格。
  確定性計算方法是基於幹擾系統和被幹擾系統的有關參數,計算出系統間要實現必要的幹擾抑制所需要的最小允許耦合損耗MCL。一般MCL采用以下公式計算:
  MCL=幹擾源輸出功率-衰減-允許的幹擾電平
  (5)
  根據收發設備的ACS/ACLR或者雜散信號功率、互調抑制要求等指標,結合其工作帶寬和發射功率,可以計算出達到一定幹擾抑制要求的MCL。
  1)衰減
  對不同的幹擾類型取定為不同的參數:
  對鄰道幹擾是ACIR;
  對互調幹擾是互調抑制比。
  2)允許的幹擾電平
  對帶內幹擾一般可以根據允許的接收靈敏度惡化程度確定(後續計算中取惡化量為1dB);
  對帶外阻塞幹擾一般由接收設備LNA的1dB壓縮點確定。
  3)其他增益和衰減
  由於收發設備的指標是按“天線連接處”定義的,因此耦合損耗CL包括天線間相對增益、天線間空間損耗、外加濾波器的信號衰減、饋線及接頭的衰減等部分,在增加了外部濾波設備時,還包括濾波設備的信號衰減。
  (2)仿真模擬方法
  仿真模擬方法是對幹擾系統和被幹擾系統的基站、終端的發射功率、基站的負載等情況進行設定,通過仿真得出設定環境下的系統間幹擾情況。仿真模擬方法考慮了功率控制、用戶分布等對系統間幹擾情況的影響,故對系統間的幹擾分析比較全面,尤其是涉及到終端的幹擾場景。
  4.3 系統間隔離度要求
  根據標準中的接收機和發射機性能要求,運用確定性計算方法得出LTE和其他系統(包括不同運營商的LTE系統)的隔離度要求,如表2所示:
  對應上述計算結果,在實際系統中應用時需註意以下兩點:
  (1)以上確定性計算結果是按照單載波發射機考慮的。如果幹擾系統實際配置了N載波,假設各載波的最大發射功率相同,則幹擾功率會成倍增加,因此隔離度要求也需相應增加lgN(dB)。

  (2)上述的幹擾隔離度計算結果都是按照標準最低要求進行的,實際系統設備的性能(如CDMA基站的雜散抑制水平)應優於標準的要求,因此實際組網當中,基站的隔離度要求還應結合具體設備的性能指標進行核算。
  4.4 系統間幹擾解決方案
  總體上,系統間幹擾解決方案主要有兩種:天線空間隔離和加裝隔離濾波器。此外,如果頻譜資源相對比較寬裕的話,可以靈活配置載波獲得保護頻帶。
  (1)天線空間隔離
  天線空間隔離是使幹擾系統的發射天線與被幹擾系統的接收天線保持一定的物理空間距離(角度),使得發射天線的電波經空間衰減後滿足到達接收天線端的惡化電平程度。
  根據工程施工的實際環境,可以利用鐵塔或天面的不同平臺、不同位置進行天線的空間隔離,具體可以采用水平隔離、垂直隔離和混合隔離這三種方式。
  水平隔離度和距離關系式如下:
  (6)
  垂直隔離度和距離關系式如下:
  (7)
  其中:
  Ih:幹擾系統發射天線與被幹擾系統接收天線的水平隔離度(dB);
  Iv:幹擾系統發射天線與被幹擾系統接收天線的垂直隔離度(dB);
  GTx:幹擾系統發射天線朝向被幹擾系統接收天線的發射增益(dBi);
  GRx:被幹擾系統接收天線朝向幹擾系統發射天線的接收增益(dBi);
  dh:天線水平間隔;
  dv:天線垂直間隔;
  λ:無線電波長,如為雜散幹擾,應取被幹擾系統接收頻段波長;如為阻塞幹擾,應取幹擾系統發射頻段波長。其量綱保持與dh、dv相同。
  假設GTx+GRx=0dBi,根據上述公式可計算出系統間空間隔離度要求,如表3所示:
  根據表3的計算結果,EV-DO和LTE的垂直距離要求7m以上,實現起來很困難。實際上,根據天線隔離度實測研究,當天線間距比較遠時,所實現的隔離度要小於經驗公式計算結果,即使垂直距離達到7m,也很難達到100dB的隔離度。普通天線共址時只能實現50dB~70dB的隔離度,可見EV-DO基站天線很難和TD-LTE基站天線共址建設,需結合天面自然或者人為設置的阻擋增加天線之間的隔離度。GSM系統和TD-LTE系統共站時,也要保證足夠的垂直隔離,以避免相互之間的幹擾。
  (2)加裝隔離濾波器
  濾波器分為兩種:帶阻濾波器和帶通濾波器。具體網絡設計需註意:
  1)對同頻加性幹擾需在發端加裝帶阻濾波器,以降低接收頻段內的功率;對阻塞幹擾則需在收端加裝帶通濾波器,以降低接收頻段外的功率。
  2)盡可能利用天線架設位置的障礙物,可以另外采用增加隔離板的方法。
  3)提高發射濾波器性能,如針對每一個頻點采用窄帶濾波器來進行濾波,可以減少天線隔離要求。
  4)采用線性功放,降低功放後信號的雜散。
  根據鄰頻幹擾分析的結果可知,LTE FDD和TDD系統之間無法鄰頻共存。因此將來在做頻率規劃時,若條件允許,應盡量留有充足的保護頻帶,避免不同運營商的LTE FDD和TDD系統鄰頻共存。如果LTE系統下行發射頻段和現有2G/3G系統的上行接收頻段相鄰,或者LTE系統上行接收頻段和現有2G/3G系統的下行發射頻段相鄰,也應盡量留有充足的保護頻帶,避免鄰頻幹擾過大影響系統性能。
  5 總結
  根據確定性分析,除EV-DO系統外,一般通過空間隔離可滿足TD-LTE系統和其他系統的幹擾隔離要求。此外需要註意的是,本文的計算結果是基於標準中最低要求進行的,實際設備的性能一般遠優於標準的最低要求。因此實際在進行網絡設計時,可按照具體設備的性能指標重新核算幹擾隔離度要求。
  

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