TD—LTE与卫星广播系统干扰共存仿真研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇TD—LTE与卫星广播系统干扰共存仿真研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘 要】由于频谱资源的限制和不断增长的业务需求，未来在1.4GHz上很有可能出现td-lte室内覆盖系统与卫星广播业务（BSS）共存的情况，两系统在同一地理区域共存时产生的干扰会引起系统吞吐量的损失。针对这一问题，对TD-LTE室内覆盖系统与卫星广播系统在1.4GHz频段上的共存拓扑结构进行了重点分析，并通过确定性分析和系统级仿真两种方法评估了TD-LTE室内覆盖系统与BSS在同频和邻频两种情况下共存时的干扰状况，得到了两系统在不同地球站仰角下所需要的最小保护距离。通过仿真给出的相应结果和结论，对未来在1.4GHz频段上TD-LTE室内覆盖系统与BSS系统的实际部署提出了合理建议。
【关键词】TD-LTE BSS 干扰共存 确定性分析 系统级仿真
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-03-0042-06
1 引言
随着近年来移动通信技术的迅猛发展，由我国主导的4G国际标准技术TD-LTE已进入高速的商用化进程，各种无线通信新技术的应用使得频率的需求量与日俱增，在频谱资源匮乏的现状下，为TD-LTE系统寻找和划分合适的频段成为各国无线电管理机构的工作重点。
在频段1 467—1 492MHz内，中国卫星通信集团公司早已向ITU申报相关卫星网络资料，并计划开展广播卫星业务（BSS）。因而，解决TD-LTE系统与BSS在同一地理区域共存时产生的干扰问题，是未来此频段进行TD-LTE规划的关键。
针对以上问题，本文将分析和评估TD-LTE与BSS共存时的干扰状况，为实际网络建设提供参考依据。
2 分析场景
研究中，考虑在1.4GHz频段上，TD-LTE系统为室内部署结构，BSS地球站为单收地球站，不进行数据发送，TD-LTE系统与BSS考虑同频和邻频共存两种情况，则TD-LTE室内覆盖系统与BSS之间主要考虑以下四条干扰链路：
BSS 卫星TD-LTE BS
BSS 卫星TD-LTE MS
TD-LTE BSBSS ES（Earth Station）
TD-LTE MSBSS ES（Earth Station）
3 系统建模
3.1 BSS/TD-LTE室内覆盖系统共存拓扑模型
一个TD-LTE室内覆盖系统处于BSS地球站旁边时，干扰模型如图1所示：
图1 TD-LTE系统对BSS地球站的干扰模型
其中，O为BSS地球站所在的位置，OS为地球站主轴方向，C为TD-LTE室内覆盖系统的位置，CD为BS/UE的主轴方向，CO为TD-LTE室内覆盖系统对地球站的干扰方向。角α（即∠SOA）为地球站天线主轴与其在水平面的投影构成的角度，称为地球站的仰角，其所在的平面称为仰角面。TD-LTE室内覆盖系统的干扰方向与地球站主轴在水平面的投影，构成角θ（即∠AOC）。地球站主轴与干扰方向的夹角（∠SOC）记为角。角γ为干扰方向对于BS/UE主轴方向的偏轴角。角β为地球站主轴在水平面的投影与TD-LTE室内覆盖系统BS/UE主轴的夹角。TD-LTE室内覆盖系统BS/UE到BSS系统地球站的距离记为d。
根据余弦定理，角α、角θ、角之间有以下等式关系：
（1）
当多个TD-LTE室内覆盖系统呈环状分布于BSS地球站周围时，最内圈的TD-LTE室内覆盖系统的中心点与地球站间的距离为两个系统的保护距离，两个TD-LTE室内覆盖系统中心点之间的距离表示为，如图2所示：
图2 TD-LTE室内覆盖系统部署
第i个环的半径可由下式计算得到：
（2）
第i个环上的TD-LTE室内覆盖系统的数目N（i）根据相应的距离d（i）和dintersite得到：
（3）
TD-LTE室内覆盖系统采用3GPP TR 36.814[1]中的Figure.2.1.1.5-1中建议的室内热点环境模型。该模型中建筑尺寸为120m×50m，分房间和走廊两部分，房间数目为16，尺寸为15m×15m，走廊尺寸为120m×20m，共配置4个基站，一个基站下部署4个终端，终端全部在室内。其中内墙的损耗为5dB，外墙的损耗为20dB。
3.2 系统参数
根据中国卫通公司官网公布的卫星系统参数，以及36.101[2]、36.104[3]和36.942[4]中给出的TD-LTE系统的参数，系统参数设置如表1所示。
表1 BSS地球站参数
参数 取值
工作频段 1 467—1 492MHz
卫星最大发射EIRP 56dBW
卫星高度 36 000m
地球站天线方向图 ITU-R S.580
地球站噪声温度 100K
地球站接收机噪声电平 -118.6dBm/MHz
地球站天线高度 30m
TD-LTE基站/移动台天线高度 1～28m
TD-LTE基站天线增益 3dBi
TD-LTE移动台天线增益 0dBi
TD-LTE基站/移动台天线方向性 全向天线
TD-LTE基站最大发射功率 24/20dBm
TD-LTE移动台最大/最小发射功率 23dBm/-40dBm
TD-LTE基站热噪声系数 5dB
TD-LTE移动台热噪声系数 9dB
TD-LTE系统
I/N干扰保护准则/dB -6/-10
-7（基站）、0（移动台）
阴影衰落/dB BS—BS：0（LOS）、10（NLOS）；BS—MS：10；
MS—MS：0（LOS）、12（NLOS）
TD-LTE基站馈线损耗 4dB
TD-LTE移动台馈线损耗 0dB
TD-LTE接收机热噪声电平 -174dBm/Hz
3.3 传播模型
（1）BSS卫星与TD-LTE BS/UE之间
BSS卫星与TD-LTE室内覆盖系统基站、终端间的路损计算均采用自由空间模型，公式如下：
（4）
其中，R为卫星到TD-LTE室内覆盖系统基站或终端间的距离；f为扰系统的工作频率（MHz），TD-LTE室内覆盖系统工作于1 400MHz。
（2）TD-LTE室内覆盖系统BS与UE之间
BS与UE之间采用TR 36.814[1]中的室内路损模型，具体如下：
视距传播模型（NOS）
（5）
非视距传播模型（NLOS）
（6）
fc为载波频率，单位为GHz；d为距离，单位为m。在室内环境中，LOS和NLOS之间的概率可以通过下式进行计算：
（7）
（3）BSS地球站与TD-LTE BS/UE之间
室内的TD-LTE系统BS/UE与室外的BSS地球站之间采用3GPP TR36.814[1]中Table B.1.2.1-1里UMi O-to-I定义的室内到室外路损模型，阴影衰落取标准差为7dB的对数正态分布，具体如下：
（8）
PLtw为穿墙损耗，取值为20dB；PLin为室内传播损耗，取值为17.5dB；PLb为基本路径损耗，公式如下：
视距传播模型（NOS）：
（9）
非视距传播模型（NLOS）：
（10）
fc为载波频率，单位为GHz；d为距离，单位为m。在UMi环境中，LOS和NLOS之间的概率可以由下式得到：
（11）
3.4 干扰保护准则
同频干扰标准
ITU-R S.1432-1建议给出的长期干扰标准如下：
I/N=-12.2dB（ΔT/T=6%）：对应于100%的最坏时间里，单入干扰来自于处于同等地位（均是主要业务）的其他系统（业务）这一情形；
邻频干扰标准
邻频干扰由邻频TD-LTE系统泄漏到卫星广播系统地球站频带内的功率和地球站接收机邻道选择性共同决定。假设地球站接收机具有理想邻道选择性，邻频干扰门限只取决于泄漏到卫星广播系统地球站工作频段内的TD-LTE信号功率，此时邻频干扰门限等于同频干扰门限，即。
4 确定性分析
确定性分析是一种简单高效的研究两系统间干扰的方法，在最差链路条件下得到两系统之间的干扰状况，为仿真提供参考依据。
LTE系统接收机（BS/UE）接收到的卫星发出的干扰功率可由如下公式计算：
（12）
式（12）中参数如下：
IBSS：LTE系统接收机所接收到的1MHz带宽内的干扰功率（dBm/MHz）；
PBSS：卫星发射的饱和EIRP（dBm）；
L（d）：路径传播损耗（dB）；
GLTE：LTE系统接收机的偏轴增益（dB），即LTE系统接收机天线在BSS系统卫星干扰方向上的增益；
LLTE：LTE系统接收机的馈线损耗（dB）。
根据卫星的发射功率和卫星到地面的距离计算出LTE系统BS/UE接收到的卫星干扰信号的大小，由LTE系统接收I/N干扰标准，确定是否存在干扰，如果I/N小于LTE系统接收机干扰标准值，则认为不存在干扰；反之，则认为存在干扰。
4.1 BSS卫星对TD-LTE基站的干扰
TD-LTE系统BS接收到BSS卫星的干扰功率，根据公式（12）计算可得：
考虑到TD-LTE室内覆盖系统存在穿墙损耗20dB和室内传播损耗5dB，TD-LTE系统BS接收的干扰功率为：
ITU给出的LTE系统BS的I/N标准为-10dB，此处计算得出的I/N为-34.5dB，比标准值小得多，因此BSS卫星对TD-LTE基站不存在干扰，在实际网络的部署中，该场景下产生的共存干扰可以忽略不予考虑。
4.2 BSS卫星对TD-LTE终端的干扰
此场景下，考虑到TD-LTE室内覆盖系统存在穿墙损耗20dB和室内传播损耗5dB，根据公式可得到BSS卫星发射对TD-LTE系统UE的干扰功率如下：
该值比ITU给出的TD-LTE室内覆盖系统终端的I/N标准（-10dB）小得多，所以BSS卫星不会对TD-LTE室内覆盖系统终端产生干扰。
确定性分析的结果表明，BSS卫星对TD-LTE系统BS、UE不存在干扰，而确定性计算分析的是最差链路条件下两系统间的干扰，所以在实际网络建设中，这两种场景下BSS卫星对TD-LTE系统产生的干扰可以忽略不计。
5 仿真结果
参考确定性分析的结果，仿真时不再考虑BSS卫星干扰TD-LTE系统BS、UE的场景，只对TD-LTE系统BS、UE对BSS地球站的干扰进行系统级仿真分析。
5.1 TD-LTE基站对BSS地球站的同频干扰
TD-LTE室内覆盖系统的基站采用发射功率为24dBm/20MHz，如图3所示，BSS系统地球站的天线模型为ITU-R S.580，并根据3.1节的拓扑模型部署TD-LTE室内覆盖系统时，得到TD-LTE室内覆盖系统基站与BSS系统地球站共存仿真分析所需要的保护距离与平均隔离度对应曲线。
图3 TD-LTE室内覆盖系统基站与BSS系统地球站同频共存保护距离
图3中地球站场地干扰隔离因子，指实际自然环境（或者是通过人为采取措施）对干扰信号的衰减作用。
由图3可知，当TD-LTE室内覆盖系统与BSS系统地球站同频共存，且TD-LTE室内覆盖系统基站的最大发射功率为24dBm/20MHz时，TD-LTE室内覆盖系统基站与BSS系统地球站共存所需的保护距离约为2 000m（BSS系统地球站仰角为5°）、1 100m（地球站仰角为15°）、700m（地球站仰角为40°）和520m（地球站仰角为70°）。因为TD-LTE系统基站的最大发射功率还可以取值为20dBm/20MHz，由系统级仿真得到在该情况下TD-LTE室内覆盖系统基站与BSS系统地球站共存所需的保护距离约为1 500m（BSS系统地球站仰角为5°）、830m（地球站仰角为15°）、470m（地球站仰角为40°）和380m（地球站仰角为70°）。
5.2 TD-LTE终端对BSS地球站的同频干扰
BSS系统地球站的天线模型为ITU-R S.580，并根据3.1节的拓扑模型部署TD-LTE室内覆盖系统时，得到TD-LTE室内覆盖系统终端与BSS系统地球站共存仿真分析所需要的保护距离与平均隔离度对应曲线，如图4所示：
图4 TD-LTE室内覆盖系统终端与BSS系统地球站同频共存保护距离
由图4可知，TD-LTE室内覆盖系统终端与BSS系统地球站同频共存所需的保护距离约为1 100m（DAB系统地球站仰角为5°）、650m（地球站仰角为15°）、370m（地球站仰角为40°）和300m（地球站仰角为70°）。
5.3 TD-LTE系统对BSS地球站的邻频干扰
TD-LTE室内覆盖系统基站与BSS系统地球站邻频共存时，频率偏移因子为37dB，终端与BSS系统地球站邻频共存时，频率偏移因子为22.4dB。由系统级仿真可以得到当TD-LTE室内覆盖系统与BSS地球站邻频共存时，BS与UE所需的最小保护距离如表2所示：
表2 TD-LTE室内覆盖系统与BSS地球站同频共存所需的
最小保护距离
ES仰角/° BS-ES/m UE-ES/m
24dBm/20MHz 20dBm/20MHz
5 85 58 46
15 45 30 30
40 20 10 10
70 14 9 9
6 总结
本文对TD-LTE室内覆盖系统与BSS共存时的干扰状况采用确定性分析和系统级仿真两种方法进行了评估分析，得到了TD-LTE室内覆盖系统与BSS地球站共存时，BS与UE所需的最小保护距离。
从仿真结果可知，当TD-LTE室内覆盖系统与BSS地球站同频共存时，系统之间的共存干扰比较大，所需的共存保护距离可高达几千米，性能比较恶劣。而当两系统邻频共存时，所需的保护距离要求较低，网络建设相对容易实现，频率隔离起到了重要的作用。所以在实际进行网络部署时，可以通过频率隔离的办法来保护TD-LTE系统和BSS系统的业务不受干扰影响。
参考文献：
[1] 3GPP TR 36.814 V9.0.0. Further advancements for E-UTRA physical layer aspects（Release 9）[S]. 2010.
[2] 3GPP TS 36.101 V10.4.0. E-UTRA User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 10）[S]. 2011.
[3] 3GPP TS 36.104 V10.4.0. E-UTRA Base Station（BS） radio transmission and reception（Release 10）[S]. 2011.
[4] 3GPP TR 36.942 V10.2.0. E-UTRA Radio Frequency （RF） system scenarios（Release 10）[S]. 2009.
[5] 胡春静，王文博. 第三代移动通信系统中TDD和FDD共存的干扰分析[J]. 电声技术， 2002（7）： 62-66.
[6] 黄标，彭木根，王文博. 第三代移动通信系统干扰共存研究[J]. 电信科学， 2004（7）： 34-38.