WCDMA和PHS系統(tǒng)共存干擾的研究

摘要　2G網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)將在今后幾年內(nèi)共存，為使二者正常工作必須考慮不同技術(shù)體制的共存問題。本文從WCDMA和PHS的頻譜規(guī)劃和無線傳播模型出發(fā)，應(yīng)用基于Monte-Carlo分析方法的計算機仿真平臺，對WCDMA和PHS的干擾問題進行了細致的計算機仿真，并給出了仿真結(jié)果，提出了相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞　鄰信道功率干擾比　Monte-Carlo　WCDMA　PHS

1、引言

　　近年來，隨著我國移動通信市場的迅速發(fā)展，以GSM、PHS等為代表的2G系統(tǒng)已被大范圍部署并投入使用，3G系統(tǒng)也將入網(wǎng)應(yīng)用。如何保障2G和3G兩個移動通信系統(tǒng)可靠工作，已經(jīng)成為關(guān)注的重點。

　　依據(jù)我國對3G系統(tǒng)頻率使用的規(guī)劃方案，WCDMA系統(tǒng)和PHS系統(tǒng)在1920MHz附近鄰頻共存。目前研究移動通信系統(tǒng)之間的共存干擾問題通常采用3種方法[1]：最小耦合法（MCL）、增強的最小耦合法（E-MCL）和蒙特卡洛法（Monte-Carlo）。本研究采用Monte-Carlo算法，針對WCDMA系統(tǒng)與PHS系統(tǒng)在不同傳輸或接收狀態(tài)下的共存干擾、PHS系統(tǒng)的自干擾以及共存小區(qū)半徑變化對不同系統(tǒng)的影響進行了細致的研究，并給出了仿真結(jié)果。

2、WCDMA和PHS在固定小區(qū)半徑下共存干擾的仿真

　　2.1　WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路間干擾仿真

　　WCDMA屬于FDD CDMA系統(tǒng)，它的上行鏈路頻段和PHS頻段相鄰。當(dāng)兩系統(tǒng)在某小區(qū)呈共存分布時（如圖1所示），WCDMA的上行鏈路與PHS系統(tǒng)之間有可能存在共存干擾。圖1中，粗線和細線分別表示W(wǎng)CDMA和PHS系統(tǒng)；設(shè)小區(qū)半徑為R，系統(tǒng)間偏移距離D為R/2。


圖1　兩系統(tǒng)共存布局

　　對于圖1的WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路的傳播路徑模型，設(shè)系統(tǒng)移動臺（MS）個數(shù)為m，基站（BS）個數(shù)為n。根據(jù)隨機分布產(chǎn)生的坐標信息，則移動臺和基站之間的距離矩陣Dmxn為

�。�1）

　　式（1）中，d表示第i個移動臺和第j個基站之間的距離。由距離產(chǎn)生的路徑損耗為

（2）

　　則移動系統(tǒng)的所有鏈路的廣義路徑損失Pmxn可表示為：

（3）

　　式（3）中：表示廣義路徑損失。lgF是固定偏差的對數(shù)正態(tài)衰落，它根據(jù)具體的仿真環(huán)境而定：GTx為發(fā)射機的天線增益；GRx為接收機的天線增益；LMc為最小耦合損失。

　　依據(jù)參考文獻[2]，此模型下最小耦合損失為70dB，因此，最終的傳播損失可表示為

（4）

　　因為移動臺和基站之間的發(fā)射功率是通過功率控制決定的，仿真使用的功率控制模型基于SIR（信噪比）的功率控制和內(nèi)環(huán)+外環(huán)閉環(huán)功率控制方案，通過功率控制改變信號的發(fā)送功率，使計算得到的內(nèi)環(huán)SIR值保持在外環(huán)給定的目標SIR上。上行鏈路功率控制過程中，需要計算移動臺和基站之間的SIR，對于上行鏈路，其接收機端口的SIR計算公式為

（5）

　　式（5）中，S：基站接收的有用信號功率；Gp：處理增益；Iown：來自與本鏈路相關(guān)基站連接的除本移動臺外其他移動臺的干擾；Iother：來自與其他基站連接的移動臺的干擾；No：熱噪聲；β：干擾抑制因子。當(dāng)不使用聯(lián)合檢測技術(shù)時，β=0。

　　功率控制后發(fā)射機的發(fā)射功率是

（6）

　　式（6）中，Ptotal是基站接收到的總功率；SIRtarget：目標SIR值。

　　容量的變化是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標。因為WCDMA系統(tǒng)是一個軟容量的系統(tǒng)，其容量隨具體條件的變化而發(fā)生變動。仿真中依據(jù)3GPP規(guī)定，WCDMA系統(tǒng)的上行鏈路采用6dB噪聲提升準則（對應(yīng)于75%負載），即接收機端接收到的所有功率和熱噪聲的比值為6dB時，接入的每小區(qū)/扇區(qū)平均滿意用戶數(shù)即為系統(tǒng)的容量。設(shè)定單運營商情況下的系統(tǒng)容量為Nsingle，多運營商情況下的系統(tǒng)容量為Nmulti，容量損失定義為

（7）

　　由于PHS系統(tǒng)使用SIR指標來測試系統(tǒng)的性能，仿真時先計算出單運營商時系統(tǒng)的性能指標是SIRsingle，然后求出多運營商情況下的系統(tǒng)性能指標SIRmulti，系統(tǒng)性能的下降Performanceloss定義為

（8）

　　仿真中使用的發(fā)射機和接收機的特性參數(shù)是：WCDMA基站發(fā)射功率為5-43dBm，噪聲門限為-103.1dBm；WCDMA移動臺發(fā)射功率為-50-21dBm，噪聲門限為-96.1dBm；PHS基站發(fā)射功率為27dBm，噪聲門限為-114dBm；PHS移動臺發(fā)射功率為10dBm，噪聲門限為-110dBm；仿真進程個數(shù)為10 000個，符合3GPP要求。小區(qū)類型選用六邊型小區(qū)，天線類型為全向天線，小區(qū)半徑R=577m，兩系統(tǒng)間隔D=R/2。

　　采用ACIR（鄰信道功率干擾比）作為衡量系統(tǒng)性能的主要參數(shù)之一，其計算公式如式（9）所示：

（9）

　　對于WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路之間的干擾仿真，根據(jù)標準規(guī)定[2-6]，ACLR和ACS（鄰信道選擇性）按表1取值。

表1　ACLR和ACS取值


　　利用上面所給出的傳播模型、功率控制等公式和仿真參數(shù)，計算得到如圖2所示的WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路間干擾的仿真結(jié)果。對于宏蜂窩移動通信系統(tǒng)，為了使仿真過程更接近實際情況，干擾仿真中使用wraparound技術(shù)，對處于系統(tǒng)邊緣的小區(qū)通過wraparound等效方法來模擬其所受的實際干擾大小。

　　從圖2中可以看出，隨著ACIR值的減小，系統(tǒng)容量下降，損失增加。當(dāng)ACIR＜40dB時，WCDMA系統(tǒng)容量下降較快，而PHS語音質(zhì)量下降較平緩。ACIRPHS BS→WCDMA MS=41.8dB時（PHS BS為干擾者，WCDMA MS為被干擾者，以下格式類似），WCDMA系統(tǒng)上行鏈路容量損失約為5%；ACIRWCDMA BS→PHS MS=43.8dB時，PHS系統(tǒng)上行鏈路容量損失＜2%，此時系統(tǒng)之間的互干擾很小。


圖2　WCDMA上行鏈路與PHS上行鏈路間共存干擾

　　2.2　PHS上行鏈路間的干擾仿真

　　PHS屬于TDD TDMA系統(tǒng)，其上行鏈路和下行鏈路使用相同的頻段，如果兩個PHS系統(tǒng)不完全同步，將有可能產(chǎn)生互干擾問題。對PHS上行鏈路間的干擾仿真，使用的傳播模型與WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路間干擾仿真中使用的傳播模型相同。此時PHS基站的ACLR取為48dB。PHS移動臺的ACS取為50dB。仿真所用的其他參數(shù)與前例相同，仿真進程為10 000個。

　　圖3給出了兩個PHS系統(tǒng)上行鏈路系統(tǒng)偏移R/2時的干擾仿真結(jié)果。從圖中可以看出，兩系統(tǒng)之間的干擾隨著ACIR的減小而增大。當(dāng)ACIRPHS MS→PHS BS=45.8dB時，PHS上行鏈路容量損失＜3%，符合參考文獻[6]所允許的范圍，說明PHS系統(tǒng)的上行鏈路之間的共存干擾對系統(tǒng)影響較小。從圖3中還可以看到，兩個不同PHS系統(tǒng)的共存干擾曲線變化趨勢相同。且水平方向重合。這是因為兩個系統(tǒng)同為PHS系統(tǒng)，發(fā)射功率和接收機參數(shù)相同，所以在干擾相同的情況下，得到的兩系統(tǒng)容量損失也相同。


圖3　兩PHS上行鏈路間的共存干擾

　　2.3　PHS下行鏈路與WCDMA上行鏈路間的干擾仿真

　　PHS與WCDMA系統(tǒng)頻率相鄰處除了PHS上行鏈路與WCDMA上行鏈路之間的干擾外，還存在有PHS下行鏈路與WCDMA上行鏈路之間的干擾。

　　WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路干擾的路徑損耗為

（10）

　　式（10）中，di,j,MS-MS為宏蜂窩系統(tǒng)中某兩個移動臺之間的距離，單位為km。該模型下對數(shù)正態(tài)陰影衰落為12dB。

　　PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾仿真。在宏小區(qū)情況下傳播模式使用自由空間路徑損失模型。其路徑損耗為

（11）

　　式（11）中，di,j,BS-BS為兩個基站之間的距離，單位為km。該模型下，當(dāng)兩基站之間的距離d＞921.6 m（第一菲涅爾半徑）時，對數(shù)正態(tài)陰影衰落為10dB。

　　下行鏈路接收機端的SIR值可由式（12）計算得到：

（12）

　　式（12）中，S：移動臺接收到的信號功率；Gp：路徑損失增益矩陣；Iown：來自與本鏈路相關(guān)移動臺連接的除本基站外其他基站的干擾；Iother：來自其他基站連接的移動臺的干擾；No：熱噪聲；α：正交因子。

　　功率控制后發(fā)射機的發(fā)射功率為

（13）

　　式（13）中，Gp：處理增益；Pinterf是基站接收到的干擾信號功率；SIRtarget：目標SIR值。

　　該仿真中小區(qū)類型、系統(tǒng)偏移等參數(shù)與圖1相同。仿真中WCDMA和PHS的ACLR、ACS參數(shù)按表2取值。

表2　PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾仿真中ACLR、ACS的取值


　　PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾仿真結(jié)果如圖4所示。


圖4　PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾

　　從圖4中可以看出，PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾隨著ACIRPHS BS→WCDMA BS的減小而增大，當(dāng)ACIRPHS BS→WCDMA BS為65dB時，WCDMA系統(tǒng)上行鏈路的容量損失約為5%。PHS基站的ACLR=48dB，WCDMA基站的ACS=45dB時，通過計算可以得到ACIRPHS BS→WCDMA BS=43.2dB，當(dāng)ACIRPHS BS→WCDMA BS小于此點時WCDMA系統(tǒng)上行鏈路容量損失遠遠大于5%，說明PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路存在很大的干擾。因此，在同一小區(qū)內(nèi)同時設(shè)立WCDMA和PHS系統(tǒng)時，需要考慮共存干擾的影響。減少因為鄰頻而產(chǎn)生的干擾，可以通過增加兩系統(tǒng)之間的保護帶寬，同時在工程實施中調(diào)整天線水平和垂直距離、傾角和方位角或者增加附加的濾波器，使PHS系統(tǒng)對WCDMA系統(tǒng)的干擾滿足共存要求。從圖中還可以看到，WCDMA的系統(tǒng)容量損失與系統(tǒng)間的偏移距離相關(guān)，兩系統(tǒng)間的偏移距離變大，WCDMA上行鏈路的容量損失減小。也就是說，還可以通過調(diào)整系統(tǒng)間的相對偏移距離來改善干擾的影響。

　　圖5所示為WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路干擾的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾基本上不隨ACIRWCDMA MS→PHS BS的變化而變化；在ACIRWCDMA MS→PHS BS=55-75dB時，PHS系統(tǒng)下行鏈路容量的損失＜2%，并且兩系統(tǒng)間偏移距離越大，PHS下行鏈路的容量損失越小。


圖5　WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾

　　2.4　PHS上行鏈路和PHS下行鏈路間的干擾仿真

　　因為PHS的上、下行鏈路使用相同的頻帶，依靠使用不同的時隙來區(qū)分，當(dāng)基站不完全同步時，就會產(chǎn)生PHS上行與下行鏈路之間的干擾。

　　圖6所示是PHS下行鏈路對PHS上行鏈路的干擾仿真結(jié)果。從圖中可以看出，PHS下行鏈路對PHS上行鏈路存在較大的干擾，干擾隨著ACIRPHS BS→PHS BS增大而變小，當(dāng)ACIRPHS BS→PHS BS≥70dB時，上行鏈路的容量損失≤5%。兩PHS系統(tǒng)的不同步是產(chǎn)生干擾的主要原因。因為PHS是TDD系統(tǒng)，上行鏈路和下行鏈路使用相同的發(fā)射頻帶，要減少上行和下行鏈路之間的干擾重要的是要保持基站之間的同步。另外，PHS每個時隙都有保護時隙，基站的同步時差精度一定要在保護時隙以內(nèi)，同時調(diào)整天線水平和垂直距離、傾角和方位角使之干擾最小。同樣，從圖6中還可以看到，PHS系統(tǒng)偏移距離D越大，PHS上行鏈路的容量損失越小，適當(dāng)?shù)卦黾踊�站之間的距離也有利于減少系統(tǒng)間的干擾。


圖6　PHS下行鏈路對PHS上行鏈路的干擾

　　圖7所示是PHS上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾仿真結(jié)果。隨著ACIRPHS MS→PHS MS的變化，容量損失曲線呈平緩變化趨勢，在整個ACIRPHS MS→PHS MS變化區(qū)間，容量損失變化＜5%。說明PHS上行鏈路對PHS下行鏈路產(chǎn)生的干擾很小，不會給PHS系統(tǒng)的正常工作帶來影響。


圖7　PHS上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾

3、PHS和WCDMA在可變小區(qū)半徑下共存干擾的仿真

　　WCDMA由于發(fā)射功率較大，因而具有大半徑覆蓋的能力。PHS的理論覆蓋半徑雖然可以達到1.5km，但受到功率的限制，在實際使用中往往采用較小的半徑。本文通過研究不同半徑下的PHS系統(tǒng)與固定半徑的WCDMA系統(tǒng)間的干擾情況，探討了PHS的覆蓋半徑和二者共存干擾的關(guān)系。

　　仿真中，設(shè)定WCDMA小區(qū)半徑為577m，改變PHS系統(tǒng)半徑。對于系統(tǒng)半徑大于200m的小區(qū)仍使用宏蜂窩傳播模型，對于系統(tǒng)半徑為200m、120m的小區(qū)，則采用微蜂窩傳播模型。

　　微蜂窩傳播模型采用了COST Walfish-Ikegami模型，在市區(qū)環(huán)境下，其數(shù)學(xué)表達式定義如下[2]：

（14）

　　其中：d為基站和移動臺之間的距離。此模型下，最小耦合損失為53dB。

　　根據(jù)參考文獻[2，3，4，7]，得到PHS和WCDMA的相關(guān)參數(shù)：WCDMA在10MHz偏置處的ACLR=43dB：WCDMA的ACS=43dB；WCDMA的雜散發(fā)射=-41dBm；PHS的雜散發(fā)射為2.5μW；PHS的ACS=50dB。根據(jù)以上參數(shù)和式（13）可以計算得到如下結(jié)果：

（15）

　　根據(jù)這個結(jié)果，可以判斷上述兩個仿真結(jié)果中：PHS系統(tǒng)性能下降低于1%；WCDMA系統(tǒng)下降低于3%。

　　仿真中WCDMA仍然采用功率控制和軟切換，PHS采用固定功率發(fā)射。由于PHS半徑變化后兩個運營商的基站群的布局不再如圖1中那么規(guī)范，這里不存在由d值變化而導(dǎo)致的最好、最差等情況，故仍采用PHS小區(qū)半徑值為d。設(shè)置了相應(yīng)參數(shù)以后，則可對每個要考察的半徑進行仿真，仿真進程為10 000次，當(dāng)WCDMA達到飽和容量后，進行下一個半徑的仿真，最后可以得出仿真結(jié)果。

　　3.1　不等半徑PHS受WCDMA干擾情況仿真結(jié)果分析

　　圖8給出了不等半徑PHS受WCDMA干擾情況仿真結(jié)果。如圖所示，PHS系統(tǒng)性能損失是先下降后提高，也就是意味著系統(tǒng)性能先提高后下降。這個差異主要來自于仿真采用的傳播模型的不同：120m、200m半徑的情況采用了微蜂窩傳播模型；300m以上半徑的情況采用了宏蜂窩傳播模型。由仿真結(jié)果還可以看出，在各個半徑下系統(tǒng)性能的損失都小于5%。采用300m以上的半徑時系統(tǒng)性能的損失小于1%。其原因是因為PHS未采用功率控制，無論半徑如何變化，都以同樣的功率發(fā)射，這樣，如果半徑過小，那么基站之間、用戶和基站之間的干擾就會加大。半徑大于300m以后，隨著半徑的增加性能又稍微下降，說明PHS由于基站和移動臺功率的限制，隨半徑增加衰落也大大增加，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低，因此不太適合采用很大的小區(qū)半徑。


圖8　PHS在不同半徑下受WCDMA系統(tǒng)干擾的情況

　　3.2　在不等PHS小區(qū)半徑下WCDMA受干擾情況的仿真

　　如圖9所示，WCDMA受PHS小區(qū)半徑變化的影響不大，容量損失都在3%以下。其中最好情況是半徑120m時，容量損失為1.85%；最差情況為半徑是577m時，容量損失為2.54%。


圖9　WCDMA在PHS小區(qū)半徑變化下的性能損失

　　從圖9中可以看到，WCDMA的系統(tǒng)容量在同一傳播模型下隨PHS半徑的增大而略微減少，原因是隨著PHS小區(qū)半徑逐漸增大至與WCDMA的小區(qū)半徑相近時，對WCDMA原有正常工作的小區(qū)產(chǎn)生了干擾，因而容量有所下降。

　　綜合PHS和WCDMA兩個系統(tǒng)考慮，PHS的小區(qū)半徑變化對兩個網(wǎng)絡(luò)的影響都很小（＜5%）；而考慮兩個網(wǎng)絡(luò)性能的變化幅度，PHS小區(qū)半徑的變化對WCDMA的干擾較小，而對本身影響稍大。根據(jù)圖8、圖9的仿真結(jié)果并考慮雙方的平衡，認為PHS系統(tǒng)半徑采用300m比較合適。它也可以作為今后PHS系統(tǒng)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)覆蓋或進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時的合適小區(qū)半徑選擇。

4、結(jié)論

　　由WCDMA和PHS的共存干擾仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論，WCDMA的上行鏈路（基站）與PHS系統(tǒng)的上行鏈路（基站）之間的共存干擾較��；WCDMA的上行鏈路對PHS的下行鏈路（移動臺）的干擾也很小，系統(tǒng)容量損失均小于5%，共存時不影響系統(tǒng)正常工作。然而，PHS的下行鏈路對WCDMA的上行鏈路將會產(chǎn)生很大的干擾，不能忽略。如果要減小這種干擾，可以增加ACIR、保護帶寬，同時在工程實施中調(diào)整天線水平和垂直距離、傾角和方位角，或者增加附加的濾波器，或保持兩個系統(tǒng)基站之間的距離。對于相同的PHS系統(tǒng)，通過仿真結(jié)果得到以下結(jié)論：PHS上行鏈路對PHS上行鏈路和PHS下行鏈路對PHS下行鏈路的干擾都很小，兩系統(tǒng)間主要的干擾發(fā)生在PHS下行鏈路與PHS上行鏈路之間。由于兩PHS系統(tǒng)的不同步，使兩系統(tǒng)之間產(chǎn)生較大的干擾，說明保持良好的系統(tǒng)同步對減小PHS系統(tǒng)的干擾是非常重要的。另外，對于PHS和WCDMA在PHS可變小區(qū)半徑下共存干擾的研究，給出了在不同PHS小區(qū)半徑下系統(tǒng)容量損失的仿真結(jié)果。通過仿真結(jié)果可以看到，合理調(diào)整移動系統(tǒng)間的距離，有利于減少系統(tǒng)間的干擾影響，對今后進行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和小區(qū)規(guī)劃有很好的參考價值。下一步作者還將對WCDMA的多載波干擾和PHS頻率復(fù)用時的干擾做進一步的研究和探討。

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----《電信科學(xué)》