UWB和TD-SCDMA系統(tǒng)的干擾分析研究

　　摘 要：針對單個和多個超寬帶（UWB）無線通信系統(tǒng)設備與TD-SCDMA系統(tǒng)手機的干擾問題，提出了新的組網(wǎng)建模和仿真研究方法。

　　引言

　　超寬帶（UWB）的帶寬是指信號帶寬大于1.5 GHz 或者是信號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2000 MHz頻段的地面無線電業(yè)務進行規(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的補充工作頻段[1]。TD-SCDMA是中國首次提出的國際通信標準，將會應用于未來移動通信建網(wǎng)。

　　超寬帶通信系統(tǒng)由于占用很寬的帶寬，目前主要是應用面向短距離、高速率無線個人區(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)絡系統(tǒng)[2]，未來UWB設備也將廣泛應用于多種移動電子設備中，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，預計它將會對通信過程中的TD-SCDMA手機產(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。

　　研究內(nèi)容

　　2.1 UWB信號模型

　　UWB通信系統(tǒng)采用超短脈沖(脈沖持續(xù)時間小于1ns)作為信息載體，通過有用信息控制超短脈沖相對于定時時刻的位置，即脈沖位置調(diào)制(PPM)，實現(xiàn)信號調(diào)制。在多用戶通信情況下，采用跳時擴頻多址技術，用偽隨機跳時碼將超短脈沖的出現(xiàn)時刻隨機化。一個跳時碼周期TTH內(nèi)的UWB信號表達式[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)時間，由Ns幀組成，每1幀里包含1個脈沖;Tf是幀的持續(xù)時間;δ表示信息碼元調(diào)制參數(shù)，表示脈沖位置調(diào)制（PPM）時，單位碼元引起的脈沖時移;bi指第i個信息碼元;biδ表示信息調(diào)制引起的時移;cjTc表示由跳時碼引起的時移，cj是整數(shù)，取值范圍是[0,Nh-1]，Tc為每一個跳時碼的持續(xù)時間，NhTc＜Tf;在每一幀Tf中，脈沖在時間軸上的位置由信息碼元調(diào)制參數(shù)δ和跳時碼cj共同設定，設TTH=Nb×Ts，Nb是正整數(shù)。

　　2.2 組網(wǎng)布局



　　針對TD-SCDMA系統(tǒng)下行手機受干擾的研究，考慮處于小區(qū)邊緣的TD-SCDMA系統(tǒng)用戶受到的干擾，同時計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。考慮到一定范圍內(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)對于TD-SCDMA手機的干擾（見圖1）。中心方塊代表手機位置，實線圓圈代表覆蓋手機的小區(qū)［M設為4個，其中1個是真正覆蓋手機的有用基站，其它（M-1）個是干擾源］，藍色實線為外圍干擾設備所在小區(qū)�？筛鶕�(jù)實際情況中手機所處位置來決定外圍的基站個數(shù)。另一方面，UWB發(fā)射設備也如同圖1所示布局，但是所有發(fā)射設備對于TD-SCDMA手機來說都是干擾源。

　　2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　TD-SCDMA是一個時分碼分系統(tǒng)，假設在單載波仿真環(huán)境下，單獨考慮上行干擾和下行干擾。另一方面，單個時隙包括16個碼道，1個語音用戶對應2碼道，假設該時隙的16個碼道全部發(fā)射，同時與8個手機用戶通話。理想用戶容納數(shù)為8個，如果接入的用戶數(shù)為4個，則負載為50％。 UWB設備系統(tǒng)負載設為100%，考慮重載情況下UWB對TD系統(tǒng)的干擾情況。

　　在仿真平臺中，UWB設備的系統(tǒng)負載和TD系統(tǒng)的單一時隙系統(tǒng)負載均可以調(diào)節(jié)。

　　2.4 UWB對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)射設備對TD系統(tǒng)手機的外部干擾。

　　2.4.1 TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)部的自干擾

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

　　2.4.2 UWB設備的外部干擾

　　干擾系統(tǒng)UWB發(fā)射設備對被干擾系統(tǒng)TD-SCDMA的手機干擾，可以設置不同的鄰道干擾比例來觀察對被關注手機的影響。除產(chǎn)生鄰頻干擾的UWB發(fā)射設備，剩下的UWB發(fā)射設備將對被干擾的PHS手機產(chǎn)生帶內(nèi)雜散�？梢愿淖冸s散值的大小來看對結(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�；�站高于建筑高度15m。對數(shù)正態(tài)陰影衰落取10 dB。

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

　　用于實際仿真計算的簡化公式（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計算得到(K=1.38*10e-23J/K,T噪聲溫度290K，W等效噪聲寬度，擴頻帶寬1.28MHz);下行鏈路的噪聲系數(shù)取9，目標接收信噪比設為-2.5 dB(針對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UWB設備發(fā)射功率限制的有關規(guī)定，UWB在PHS系統(tǒng)所在頻段內(nèi)的發(fā)射功率的室外標準和室內(nèi)標準分別為-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中分別針對單個UWB發(fā)射設備和多個UWB發(fā)射設備對TD-SCDMA系統(tǒng)的下行鏈路的干擾進行了仿真研究。仿真平臺中SINR的計算公式如下所示:

　　SINR = TD基站發(fā)送給每個用戶的功率－路徑損耗

　　－陰影衰落余量＋TD基站天線增益

　�。玊D智能天線增益-{TD手機有效底噪

　�。玔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)射設備的干擾，Iin和Iout為手機有效底噪，是線性值。

　　以下各個仿真結(jié)果中，縱坐標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，TD-SCDMA系統(tǒng)的覆蓋半徑;R0為TD-SCDMA單系統(tǒng)時的覆蓋半徑（見圖2、圖3）。



　　5.1 單個UWB設備對TD-SCDMA系統(tǒng)手機的干擾

　　由圖2室外情況下的仿真圖形可以看出: 當覆蓋損失5％時，UWB發(fā)射設備和TD-SCDMA手機的隔離度ACIR為6 dB，說明UWB設備對TD-SCDMA手機存在一定干擾;而仿真在室內(nèi)環(huán)境下，相應的UWB設備對TD-SCDMA手機通信有干擾。

　　5.2 多個UWB設備對TD-SCDMA系統(tǒng)手機的干擾

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

　　結(jié)論

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

參考文獻

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[2] 黃標,彭木根,王文博，第三代移動通信系統(tǒng)干擾共存研究，電信科學，2004年7期：35-39

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