LTE—FDD与TD—LTE系统共存干扰分析

【摘 要】 本文主要研究了LTE-FDD系统在1800MHz频段与TD-LTE系统在F频段共存时由系统间干扰引起的性能损失，并分别在地理位置偏移和功控参数维度对其进行仿真分析，最后给出了减小干扰的建议措施。

【关键词】 LTE-FDD TD-LTE 共存 干扰 ACIR 吞吐量

1 前言

GSA（Global Mobile Suppliers Association）2013年4月7日更新了其《LTE演进（Evolution to LTE）》报告，确认全球已有67个国家共163张LTE商用网络，包含15张TD-LTE网络，预计到2013年底全球商用的LTE网络总数将增至87个国家，共248张LTE网络。国内广受关注的4G牌照发放期限终于在7月12日召开的国务院常务会议上被正式确定，LTE-FDD与TD-LTE混合组网难以避免，运营商在进行网络规划时，必须慎重考虑两个系统问的干扰问题，尽量减小共存带来的系统吞吐量损失，从而更有效地利用频谱资源。

本文主要研究了LTE-FDD在1800M频段与TD-LTE系统在F频段共存时由系统间干扰引起的性能损失，并分别在地理位置偏移和功控参数对其进行仿真分析，最后给出了减小干扰的建议措施。

2 邻频干扰原理和场景分析

2.1 邻频干扰原理

邻频干扰，即指干扰台邻频道功率落入接收邻频道接收机通带内造成的干扰，影响邻频干扰的大小有两个主要的因素：邻频共存的干扰抑制比ACIR和基站间偏移。

通常用邻道泄漏比ACLR来衡量邻道发射信号落入到接收机通带内的能力，定义为发射功率与相邻信道上的测得功率之比。接收机在接收有用信号的同时，落入信道内的干扰信号可能会引起接收机灵敏度的损失，同时接收机也存在非线性带来的损失。用邻道选择性ACS来衡量存在相邻信道信号时，接收机在其指定信道频率上接收有用信号的能力，定义为接收机滤波器在指定信道上的衰减与在相邻信道上的衰减的比值。

ACLR和ACS共同作用的结果用邻道干扰比ACIR来表示：

（1）

由此可见，要提高邻频的两个系统共存时的系统性能，抑制邻频干扰，可以通过改善发射机的发射性能和接收机的接收性能两个方面来综合考虑。

单系统时由于子载波的正交性，占用不同信道的用户间将不存在干扰。干扰仅存在于不同扇区内占用相同信道的用户之间，称为共信道干扰（Co-channel Interference）。在不存在外系统干扰时，接收机信干噪比SINR计算公式为：

（2）

其中，表示接收到的功率，是热噪声功率。表示从第i个共道发射机接收到的共道干扰，表示共信道干扰发射机数目。

当两个LTE系统共存时，来自外系统的干扰信号除了受到路径损耗和阴影衰落之外还要额外衰减一个ACIR，所有来自外系统的干扰为：

（3）

其中，表示来自第j个邻频干扰发射机的经过ACIR衰减后的干扰，是邻道干扰发射机数目。表示路径损耗和阴影衰落之和，表示收发天线增益之和。从而在存在外系统干扰时，接收机信干噪比的计算公式修正为：

（4）

由于LTE系统同时并行发送多路信号，系统内每路信号都会对邻频系统造成干扰，而信道间隔的不同将导致干扰程度的不同，用ACIR值来衡量干扰的程度。信道间隔越大，干扰越小，相应ACIR值越大。

2.2 LTE-FDD与TD-LTE邻频场景分析

中国联通LTE-FDD实验网采用1800MHz的FDD频段（1755-1785MHz/1850-1880MHz）；中国移动TD-LTE实验网中F频段（1880-1900MHz）用于实现网络的连续覆盖，D频段（2575-2615MHz）用于增加数据业务热点区域的网络容量，E频段（2330-2370MHz）用于室内数据业务热点。因D频段和E频段与中国联通LTE-FDD实验网频段较远，邻频干扰几乎可以忽略，本文主要研究分析TD-LTE的F频段（1880-1900MHz）与LTE-FDD（1755-1785/1850-1880MHz）共存条件下的邻频干扰。TD-LTE（1880-1900MHz）只与LTE-FDD（1710-1785/1850-1880MHz）下行相邻，邻频干扰示意和分析如（图1）。

可以看到，两系统间可能存在基站和终端之间的干扰、基站和基站之间的干扰，由于终端与终端间的干扰通常只有终端发射时且在小区边界时才会发生，而在其他情况下干扰几乎可以忽略，所以认为此类干扰可以忽略（表1）。

相关研究表明，由于TD-LTE系统下行采用满功率发射，所以LTE-FDD基站受TD-LTE基站干扰较大，在网络规划时需要着重考虑，本文主要对TD-LTE基站对LTE-FDD终端的干扰展开分析，LTE-FDD干扰TD-LTE的仿真与TD-LTE干扰LTE-FDD的仿真类似，本文暂不作研究。

3 仿真平台设计与参数

本文通过蒙特卡罗仿真方法进行系统共存研究，该方法将对基站和移动台的发射功率、基站的负载等情况进行仿真，将整个系统的运转区间划分为若干个间隔，每两个间隔之间为一个快照（Snap Shot）取样时刻，将所有快照时刻的取样结果进行记录，用统计方法加以分析，产生所需要的结果，所以这种方法又称为静态快照方法。

3.1 仿真描述

本文主要通过基于MATLAB进行仿真，研究TD-LTE干扰LTE-FDD的场景。首先仿真得到LTE-FDD单系统平均吞吐量，然后对于给定的ACIR值，引入TD-LTE干扰系统，仿真得到外系统干扰下的LTE-FDD系统平均吞吐量，进而得到在某个特定的ACIR值（也称为隔离度）下的LTE-FDD系统的性能降级。改变不同的ACIR值进行双系统仿真，即可以得到在不同隔离度下LTE-FDD系统的平均相对吞吐量损失。每次系统仿真运行足够多的快照来得到统计平均结果。仿真中根据不同的无线帧结构用上、下行时间因子来区分TD-LTE和LTE-FDD系统。对于扰系统，计算出来自于外系统的干扰值，乘以时间因子作为外系统的干扰。当TD-LTE系统作为干扰系统时，其上、下行干扰值分别乘以2/5作为外系统干扰。

3.2 网络拓扑结构

本文主要研究宏蜂窝网络下两个LTE系统的干扰共存问题。仿真中采用正六边形宏蜂窝结构19小区；采用不分扇区的小区模型，基站位于小区中央，小区半径R=433m，站间距ISD=R。为了消除边界效应，仿真中采用Wrap around技术。为了使结果更加全面合理，仿真中考虑了不同的系统间地理偏移量D（D=0、R/2、R三种典型情况），不同的载波频率及不同的功控参数对结果的影响。

3.3 传播模型

在宏蜂窝城区环境下，基站到移动台的传播模型采用：

（5）

其中为基站到移动台之间的距离，为载波频率，是基站高于房顶的高度。另外还要附加标准偏差为的对数正态阴影衰落影响。

3.4 控制控制算法

LTE下行链路中，没有功率控制，基站满功率发射，给每个RB分配相同的功率；上行功率控制使用以下公式：

（6）

其中，为终端最大发射功率，是最小功率降低比，用于防止信道条件好的移动台以非常低的功率发射，是移动台的路径损耗，是x%点的路径损耗（含阴影衰落）值。上式中，路径损耗最大的前x%用户将以最大发射功率发射，为信道条件好的移动台和信道条件差的移动台之间的平衡因子。

研究中用到的两组不同参数集如（表2）。

3.5 吞吐量计算

由于LTE是一个以数据业务为主的系统，所以在LTE干扰共存研究中，主要以吞吐量表征系统性能。根据参考文献[6]，采用Shannon公式修正截短的形式把SINR映射为吞吐量。对于一个给定的SINR，可以通过下式近似得出吞吐量：

（7）

其中，是Shannon信道容量公式：

bps/Hz，表示AWGN信道条件下对于给定的可以得到的最大理论吞吐量；是衰减因子；表示自适应调制编码（AMC）要求的最小目标值，单位是dB；是自适应调制编码能获得的最大吞吐量，单位为bps/Hz；为等于时的值，单位为dB。不同的参数能够反映出不同的调制解调方式和链路条件。

3.6 评估准则

在LTE的共存研究中，采用5%相对吞吐量损失作为其所受外系统摄大干扰的评估准则。每次仿真结束后统计各RB上的，根据公式（7）的映射方法，将映射为各RB吞吐量，累加得到一次仿真的系统吞吐量。多次仿真取平均得到系统平均吞吐量。平均相对吞吐量损失表示为：

（8）

其中，表示LTE单系统平均吞吐量；表示存在外系统干扰时的平均吞吐量。

3.7 资源分配方案

LTE资源分配的最小单位称为一个资源块，频域上为180KHz。在不同信道带宽下，系统可用的资源块的数目不同。10MHz带宽下，可传输的资源块数目是50个。

对于下行链路，个用户只占用一个资源块；而对于上行链路，每个用户可占用多个资源块。上行链路仿真中，我们把所有资源块均分给调度上的所有用户。比如10MHz带宽下，若上行链路每次调度5个用户，则每个用户分配10个资源块。

3.8 其他仿真参数

如（表3）所示。

4 仿真结果与分析

本文主要对TD-LTE系统在F频段（1880-1900MHz）与LTE-FDD在1800MHz频段（1710-1785/1850-1880MHz）的干扰展开分析，主要是TD-LTE基站干扰LTE-FDD终端。

参考文献[7]给出的10MHz带宽下，终端的ACLR和ACS的最低要求如（表4）所示：

参照文献[8]中基站的ACLR和ACS的取值，根据公式（1）可以求出各干扰链路的ACLR值，如（表5）所示：

结合以上协议指标，对TD-LTE系统干扰下的LTE-FDD系统的平均相对吞吐率结果如（图2）：

当TD-LTE频带与LTE-FDD下行频带相邻时，TD-LTE基站会对LTE-FDD终端的造成干扰。LTE-FDD下行在不同的系统间地理位置偏移下的平均相对吞吐量损失曲线如（表6）所示。由于（表5）中UE的ACS值取的是协议的最低要求，而实际的产品指标会比协议的最低要求大一些，从而在无频率保护间隔时的ACIR值应该大于33dB，从（表6）可知，基站间距为0、R/2和R时平均相对吞吐量损失均在5%左右。所以当TD-LTE频带与LTE-FDD下行频带相邻于1880MHz时，无论是共站还是不共站都无需再加频率保护间隔。

5 结论与建议

因TD-LTE的D频段和E频段与LTE-FDD的1800MHz频段较远，邻频干扰几乎可以忽略，本文主要研究分析TD-LTE的F频段（1880-1900MHz）与LTE-FDD（1755-1785/1850-1880MHz）共存条件下的邻频干扰。本文采用系统级仿真方法对两个LTE系统（F频段TD-LTE和1800MHz LTE-FDD系统）在同一地理区域相邻频段下共存的情况进行了研究，分析了地理位置偏移和功控参数对于两个LTE系统共存时相对吞吐量损失的影响。

研究表明，当TD-LTE频带与LTE-FDD下行频带相邻于1880MHz时，目前LTE系统的射频指标基本可以满足共存要求，无论是共站还是不共站都无需再加频率保护间隔。而对于其他干扰场景，也可以通过小区间干扰协调技术、增加天线隔离度、外接滤波器等方法来减小系统间干扰。

参考文献：

[1]3GPP TS 36.21l V8.6.O：E-UTRA Physical Channels and Modulation（Release 8）[S].2009.

[2]3GPP TS 36.213 V8.6.O：E-UTRA Physical layer procedures（Release 8）[S].2009.

[3]3GPP TS 36.104 V8.5.0：E-UTRA Base Station（BS） radio wansmission and reception（Release 8）[S].2009.

[4]王静，张欣，房英龙等.TD-LTE和LTE-FDD系统共存的干扰分析[J].移动通信.2009.

[5]王东，杨家玮.TD-LTE和LTE-FDD在2.6GHz频段共存的干扰分析[J].2009年全国无线电应用与管理学术会议论文集.2009.

[6]3GPP TR 36.942 V8.2.O：E-UTRA Radio Frequency（RF） system scenarios （Release 8）[S].2009.

[7]3GPP TS 36.101 V8.5.1：E-UTRA User Equipment（UE）radio transmission and reception（Release 8）[S].2009.

[8]TC5-WG8-2009-044B-2.6GHz频段LTE系统之间共存研究[S].华为技术有限公司.2009.