UWB和TD-SCDMA系統(tǒng)的干擾分析研究

??? 引言
???
??? 超寬帶（UWB）的帶寬是指信號(hào)帶寬大于1.5 GHz 或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%。而室內(nèi)UWB的無線通信可以使用的頻率段從3.1 GHz 到10.6 GHz（超過7 GHz 的波帶寬）;每個(gè)無線信道的帶寬超過500 MHz。而根據(jù)我國信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局對(duì)2000 MHz頻段的地面無線電業(yè)務(wù)進(jìn)行規(guī)劃的頻率分配建議，將1880 MHz～1920 MHz、2010 MHz～2025 MHz頻段用于時(shí)分雙工方式，即TDD無線接入通信方式的主要使用頻段，而2300 MHz～2400 MHz作為TDD的補(bǔ)充工作頻段[1]。TD-SCDMA是中國首次提出的國際通信標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)應(yīng)用于未來移動(dòng)通信建網(wǎng)。

??? 超寬帶通信系統(tǒng)由于占用很寬的帶寬，目前主要是應(yīng)用面向短距離、高速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）和具有較低傳輸速率、極精確定位能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]，未來UWB設(shè)備也將廣泛應(yīng)用于多種移動(dòng)電子設(shè)備中，因此容易和其它通信系統(tǒng)之間產(chǎn)生相互干擾。研究超寬帶通信系統(tǒng)和TD-SCDMA系統(tǒng)之間的干擾分析，特別研究了TD-SCDMA系統(tǒng)的下行鏈路，預(yù)計(jì)它將會(huì)對(duì)通信過程中的TD-SCDMA手機(jī)產(chǎn)生干擾影響，最后結(jié)合理論和仿真研究給出兩系統(tǒng)干擾分析方案。

??? 研究?jī)?nèi)容

??? 2.1 UWB信號(hào)模型

??? UWB通信系統(tǒng)采用超短脈沖(脈沖持續(xù)時(shí)間小于1ns)作為信息載體，通過有用信息控制超短脈沖相對(duì)于定時(shí)時(shí)刻的位置，即脈沖位置調(diào)制(PPM)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制。在多用戶通信情況下，采用跳時(shí)擴(kuò)頻多址技術(shù)，用偽隨機(jī)跳時(shí)碼將超短脈沖的出現(xiàn)時(shí)刻隨機(jī)化。一個(gè)跳時(shí)碼周期TTH內(nèi)的UWB信號(hào)表達(dá)式[3]為:

??? 其中ai表示調(diào)制碼元序列，以等概率取值+1和-1;p(t)為窄脈沖波形;Ts為信息碼元持續(xù)時(shí)間，由Ns幀組成，每1幀里包含1個(gè)脈沖;Tf是幀的持續(xù)時(shí)間;δ表示信息碼元調(diào)制參數(shù)，表示脈沖位置調(diào)制（PPM）時(shí)，單位碼元引起的脈沖時(shí)移;bi指第i個(gè)信息碼元;biδ表示信息調(diào)制引起的時(shí)移;cjTc表示由跳時(shí)碼引起的時(shí)移，cj是整數(shù)，取值范圍是[0,Nh-1]，Tc為每一個(gè)跳時(shí)碼的持續(xù)時(shí)間，NhTc＜Tf;在每一幀Tf中，脈沖在時(shí)間軸上的位置由信息碼元調(diào)制參數(shù)δ和跳時(shí)碼cj共同設(shè)定，設(shè)TTH=Nb×Ts，Nb是正整數(shù)。

??? 2.2 組網(wǎng)布局

??? 針對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)下行手機(jī)受干擾的研究，考慮處于小區(qū)邊緣的TD-SCDMA系統(tǒng)用戶受到的干擾，同時(shí)計(jì)算該用戶接收信噪比看能否正常通信。因此，采用如下的布局方案，用戶處于周邊小區(qū)的覆蓋邊緣。外部有N層（本文采用2層）TD-SCDMA基站作為干擾源?？紤]到一定范圍內(nèi)TD-SCDMA基站的覆蓋密度一定，為了研究方便，我們采用了圓形布站的方法，模擬多層小區(qū)對(duì)于TD-SCDMA手機(jī)的干擾（見圖1）。中心方塊代表手機(jī)位置，實(shí)線圓圈代表覆蓋手機(jī)的小區(qū)［M設(shè)為4個(gè)，其中1個(gè)是真正覆蓋手機(jī)的有用基站，其它（M-1）個(gè)是干擾源］，藍(lán)色實(shí)線為外圍干擾設(shè)備所在小區(qū)。可根據(jù)實(shí)際情況中手機(jī)所處位置來決定外圍的基站個(gè)數(shù)。另一方面，UWB發(fā)射設(shè)備也如同圖1所示布局，但是所有發(fā)射設(shè)備對(duì)于TD-SCDMA手機(jī)來說都是干擾源。

??? 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

??? TD-SCDMA是一個(gè)時(shí)分碼分系統(tǒng)，假設(shè)在單載波仿真環(huán)境下，單獨(dú)考慮上行干擾和下行干擾。另一方面，單個(gè)時(shí)隙包括16個(gè)碼道，1個(gè)語音用戶對(duì)應(yīng)2碼道，假設(shè)該時(shí)隙的16個(gè)碼道全部發(fā)射，同時(shí)與8個(gè)手機(jī)用戶通話。理想用戶容納數(shù)為8個(gè)，如果接入的用戶數(shù)為4個(gè)，則負(fù)載為50％。 UWB設(shè)備系統(tǒng)負(fù)載設(shè)為100%，考慮重載情況下UWB對(duì)TD系統(tǒng)的干擾情況。

??? 在仿真平臺(tái)中，UWB設(shè)備的系統(tǒng)負(fù)載和TD系統(tǒng)的單一時(shí)隙系統(tǒng)負(fù)載均可以調(diào)節(jié)。

??? 2.4 UWB對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)下行干擾分析

??? TD-SCDMA系統(tǒng)所受干擾包括兩部分:TD系統(tǒng)內(nèi)部的自干擾和UWB發(fā)射設(shè)備對(duì)TD系統(tǒng)手機(jī)的外部干擾。

??? 2.4.1 TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)部的自干擾

??? 由來自于本小區(qū)基站給其他手機(jī)信號(hào)而產(chǎn)生的干擾和其他小區(qū)基站對(duì)手機(jī)的干擾之和組成的系統(tǒng)自干擾。

??? 2.4.2 UWB設(shè)備的外部干擾

??? 干擾系統(tǒng)UWB發(fā)射設(shè)備對(duì)被干擾系統(tǒng)TD-SCDMA的手機(jī)干擾，可以設(shè)置不同的鄰道干擾比例來觀察對(duì)被關(guān)注手機(jī)的影響。除產(chǎn)生鄰頻干擾的UWB發(fā)射設(shè)備，剩下的UWB發(fā)射設(shè)備將對(duì)被干擾的PHS手機(jī)產(chǎn)生帶內(nèi)雜散?？梢愿淖冸s散值的大小來看對(duì)結(jié)果的影響。

??? 最后將所有干擾累加起來得到總的來自外部系統(tǒng)的干擾值。

??? 傳播模型的選擇

??? TD-SCDMA系統(tǒng)BS-UE間采用UMTS 30.03中的車載環(huán)境模型?；靖哂诮ㄖ叨?5m。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落取10 dB。

??? UWB發(fā)射設(shè)備和終端間采用COST231-WI模型（見表1）。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落取10 dB。

??? 用于實(shí)際仿真計(jì)算的簡(jiǎn)化公式（其中路徑損耗Pathloss的單位為dB,距離R的單位為m）見表1。

??? 仿真參數(shù)設(shè)置

??? 4.1 TD-SCDMA系統(tǒng)參數(shù)

??? TD-SCDMA系統(tǒng)下行的熱噪聲是-104 dBm，由KTW計(jì)算得到(K=1.38*10e-23J/K,T噪聲溫度290K，W等效噪聲寬度，擴(kuò)頻帶寬1.28MHz);下行鏈路的噪聲系數(shù)取9，目標(biāo)接收信噪比設(shè)為-2.5 dB(針對(duì)12.2k的語音信道而言)。TD-SCDMA系統(tǒng)的參數(shù)見表2。

??? 4.2 UWB系統(tǒng)參數(shù)

　　根據(jù)FCC對(duì)UWB設(shè)備發(fā)射功率限制的有關(guān)規(guī)定，UWB在PHS系統(tǒng)所在頻段內(nèi)的發(fā)射功率的室外標(biāo)準(zhǔn)和室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)分別為-53.3 dBm/MHz 、-63.3 dBm/MHz;UWB覆蓋范圍一般小于10m范圍之內(nèi);信道間隔大于500 MHz。

??? 仿真結(jié)果分析

??? 在我們搭建的仿真平臺(tái)中分別針對(duì)單個(gè)UWB發(fā)射設(shè)備和多個(gè)UWB發(fā)射設(shè)備對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)的下行鏈路的干擾進(jìn)行了仿真研究。仿真平臺(tái)中SINR的計(jì)算公式如下所示:

??? SINR = TD基站發(fā)送給每個(gè)用戶的功率－路徑損耗

??? －陰影衰落余量＋TD基站天線增益

??? ＋TD智能天線增益-{TD手機(jī)有效底噪

??? ＋[Iout＋TD系統(tǒng)其他小區(qū)干擾

??? ＋（1-α）*Iin]/智能天線干擾抑制系數(shù)} （2）

??? 其中，α為正交因子，Iin指TD系統(tǒng)同小區(qū)來的干擾，Iout指來自UWB系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備的干擾，Iin和Iout為手機(jī)有效底噪，是線性值。

??? 以下各個(gè)仿真結(jié)果中，縱坐標(biāo)代表了半徑覆蓋能力的損失比例。R1/R0代表覆蓋距離損失;（R1/R0）2代表覆蓋面積損失。其中R1為存在UWB系統(tǒng)的干擾時(shí)，TD-SCDMA系統(tǒng)的覆蓋半徑;R0為TD-SCDMA單系統(tǒng)時(shí)的覆蓋半徑（見圖2、圖3）。

??? 5.1 單個(gè)UWB設(shè)備對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)手機(jī)的干擾

??? 由圖2室外情況下的仿真圖形可以看出: 當(dāng)覆蓋損失5％時(shí)，UWB發(fā)射設(shè)備和TD-SCDMA手機(jī)的隔離度ACIR為6 dB，說明UWB設(shè)備對(duì)TD-SCDMA手機(jī)存在一定干擾;而仿真在室內(nèi)環(huán)境下，相應(yīng)的UWB設(shè)備對(duì)TD-SCDMA手機(jī)通信有干擾。

??? 5.2 多個(gè)UWB設(shè)備對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)手機(jī)的干擾

??? 相對(duì)于單個(gè)UWB發(fā)射設(shè)備，多個(gè)UWB設(shè)備對(duì)TD系統(tǒng)的干擾情況要嚴(yán)重得多，當(dāng)覆蓋損失5％時(shí)，UWB發(fā)射設(shè)備和PHS手機(jī)的隔離度ACIR為15 dB。隨著ACIR的增大，UWB發(fā)射設(shè)備對(duì)TD-SCDMA手機(jī)的干擾減小，TD-SCDMA系統(tǒng)的覆蓋損失也會(huì)隨之減?。ㄒ妶D3）。仿真在室內(nèi)和室外環(huán)境下，UWB設(shè)備對(duì)PHS手機(jī)的干擾都是非常明顯。當(dāng)UWB系統(tǒng)的單位密度達(dá)到一定程度，TD-SCDMA系統(tǒng)所受干擾會(huì)趨于平穩(wěn)。

??? 結(jié)論

??? 隨著未來移動(dòng)通信建網(wǎng)的需要，研究UWB系統(tǒng)和TD-SCDMA系統(tǒng)之間的干擾對(duì)這些系統(tǒng)的安全應(yīng)用非常重要。通過自主搭建的仿真平臺(tái)的研究說明，無論是單個(gè)還是多個(gè)UWB設(shè)備對(duì)TD系統(tǒng)手機(jī)存在一定干擾，只要采用有效的隔離措施，比如:綜合使用頻譜隔離（保護(hù)帶寬）、天線隔離、外置濾波器等，UWB設(shè)備的使用對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)的干擾將會(huì)控制在無損害的范圍內(nèi)。

??? 參考文獻(xiàn)

??? [1] Commissioners Copps and Martin, “Fisrt Report & Order,”FCC 02-48

??? [2] 黃標(biāo),彭木根,王文博，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)干擾共存研究，電信科學(xué)，2004年7期：35-39
?
??? [3] Romme J etc. on the power spectral density of time-hopping impulse radio. Proc. IEEE conference on Ultra Wideband Systems and Technologies.2002.1:241-244