TD—LTE與衛星廣播系統干擾共存仿真研究

王明敏　紀曉東　彭木根　劉鴻雁

【摘 要】由于頻譜資源的限制和不斷增長的業務需求，未來在1.4GHz上很有可能出現TD-LTE室內覆蓋系統與衛星廣播業務（BSS）共存的情況，兩系統在同一地理區域共存時產生的干擾會引起系統吞吐量的損失。針對這一問題，對TD-LTE室內覆蓋系統與衛星廣播系統在1.4GHz頻段上的共存拓撲結構進行了重點分析，并通過確定性分析和系統級仿真兩種方法評估了TD-LTE室內覆蓋系統與BSS在同頻和鄰頻兩種情況下共存時的干擾狀況，得到了兩系統在不同地球站仰角下所需要的最小保護距離。通過仿真給出的相應結果和結論，對未來在1.4GHz頻段上TD-LTE室內覆蓋系統與BSS系統的實際部署提出了合理建議。

【關鍵詞】TD-LTE BSS 干擾共存 確定性分析 系統級仿真

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0042-06

1 引言

隨著近年來移動通信技術的迅猛發展，由我國主導的4G國際標準技術TD-LTE已進入高速的商用化進程，各種無線通信新技術的應用使得頻率的需求量與日俱增，在頻譜資源匱乏的現狀下，為TD-LTE系統尋找和劃分合適的頻段成為各國無線電管理機構的工作重點。

在頻段1 467—1 492MHz內，中國衛星通信集團公司早已向ITU申報相關衛星網絡資料，并計劃開展廣播衛星業務（BSS）。因而，解決TD-LTE系統與BSS在同一地理區域共存時產生的干擾問題，是未來此頻段進行TD-LTE規劃的關鍵。

針對以上問題，本文將分析和評估TD-LTE與BSS共存時的干擾狀況，為實際網絡建設提供參考依據。

2 分析場景

研究中，考慮在1.4GHz頻段上，TD-LTE系統為室內部署結構，BSS地球站為單收地球站，不進行數據發送，TD-LTE系統與BSS考慮同頻和鄰頻共存兩種情況，則TD-LTE室內覆蓋系統與BSS之間主要考慮以下四條干擾鏈路：

◆BSS 衛星→TD-LTE BS

◆BSS 衛星→TD-LTE MS

◆TD-LTE BS→BSS ES（Earth Station）

◆TD-LTE MS→BSS ES（Earth Station）

3 系統建模

3.1 BSS/TD-LTE室內覆蓋系統共存拓撲模型

一個TD-LTE室內覆蓋系統處于BSS地球站旁邊時，干擾模型如圖1所示：

圖1 TD-LTE系統對BSS地球站的干擾模型

其中，O為BSS地球站所在的位置，OS為地球站主軸方向，C為TD-LTE室內覆蓋系統的位置，CD為BS/UE的主軸方向，CO為TD-LTE室內覆蓋系統對地球站的干擾方向。角α（即∠SOA）為地球站天線主軸與其在水平面的投影構成的角度，稱為地球站的仰角，其所在的平面稱為仰角面。TD-LTE室內覆蓋系統的干擾方向與地球站主軸在水平面的投影，構成角θ（即∠AOC）。地球站主軸與干擾方向的夾角（∠SOC）記為角。角γ為干擾方向對于BS/UE主軸方向的偏軸角。角β為地球站主軸在水平面的投影與TD-LTE室內覆蓋系統BS/UE主軸的夾角。TD-LTE室內覆蓋系統BS/UE到BSS系統地球站的距離記為d。

根據余弦定理，角α、角θ、角之間有以下等式關系：

（1）

當多個TD-LTE室內覆蓋系統呈環狀分布于BSS地球站周圍時，最內圈的TD-LTE室內覆蓋系統的中心點與地球站間的距離為兩個系統的保護距離，兩個TD-LTE室內覆蓋系統中心點之間的距離表示為，如圖2所示：

圖2 TD-LTE室內覆蓋系統部署

第i個環的半徑可由下式計算得到：

（2）

第i個環上的TD-LTE室內覆蓋系統的數目N（i）根據相應的距離d（i）和dintersite得到：

（3）

TD-LTE室內覆蓋系統采用3GPP TR 36.814[1]中的Figure.2.1.1.5-1中建議的室內熱點環境模型。該模型中建筑尺寸為120m×50m，分房間和走廊兩部分，房間數目為16，尺寸為15m×15m，走廊尺寸為120m×20m，共配置4個基站，一個基站下部署4個終端，終端全部在室內。其中內墻的損耗為5dB，外墻的損耗為20dB。

3.2 系統參數

根據中國衛通公司官網公布的衛星系統參數，以及36.101[2]、36.104[3]和36.942[4]中給出的TD-LTE系統的參數，系統參數設置如表1所示。

表1 BSS地球站參數

參數 取值

工作頻段 1 467—1 492MHz

衛星最大發射EIRP 56dBW

衛星高度 36 000m

地球站天線方向圖 ITU-R S.580

地球站噪聲溫度 100K

地球站接收機噪聲電平 -118.6dBm/MHz

地球站天線高度 30m

TD-LTE基站/移動臺天線高度 1～28m

TD-LTE基站天線增益 3dBi

TD-LTE移動臺天線增益 0dBi

TD-LTE基站/移動臺天線方向性 全向天線

TD-LTE基站最大發射功率 24/20dBm

TD-LTE移動臺最大/最小發射功率 23dBm/-40dBm

TD-LTE基站熱噪聲系數 5dB

TD-LTE移動臺熱噪聲系數 9dB

TD-LTE系統

I/N干擾保護準則/dB -6/-10endprint

-7（基站）、0（移動臺）

陰影衰落/dB BS—BS：0（LOS）、10（NLOS）；BS—MS：10；

MS—MS：0（LOS）、12（NLOS）

TD-LTE基站饋線損耗 4dB

TD-LTE移動臺饋線損耗 0dB

TD-LTE接收機熱噪聲電平 -174dBm/Hz

3.3 傳播模型

（1）BSS衛星與TD-LTE BS/UE之間

BSS衛星與TD-LTE室內覆蓋系統基站、終端間的路損計算均采用自由空間模型，公式如下：

（4）

其中，R為衛星到TD-LTE室內覆蓋系統基站或終端間的距離；f為被干擾系統的工作頻率（MHz），TD-LTE室內覆蓋系統工作于1 400MHz。

（2）TD-LTE室內覆蓋系統BS與UE之間

BS與UE之間采用TR 36.814[1]中的室內路損模型，具體如下：

◆視距傳播模型（NOS）

（5）

◆非視距傳播模型（NLOS）

（6）

fc為載波頻率，單位為GHz；d為距離，單位為m。在室內環境中，LOS和NLOS之間的概率可以通過下式進行計算：

（7）

（3）BSS地球站與TD-LTE BS/UE之間

室內的TD-LTE系統BS/UE與室外的BSS地球站之間采用3GPP TR36.814[1]中Table B.1.2.1-1里UMi O-to-I定義的室內到室外路損模型，陰影衰落取標準差為7dB的對數正態分布，具體如下：

（8）

PLtw為穿墻損耗，取值為20dB；PLin為室內傳播損耗，取值為17.5dB；PLb為基本路徑損耗，公式如下：

◆視距傳播模型（NOS）：

（9）

◆非視距傳播模型（NLOS）：

（10）

fc為載波頻率，單位為GHz；d為距離，單位為m。在UMi環境中，LOS和NLOS之間的概率可以由下式得到：

（11）

3.4 干擾保護準則

◆同頻干擾標準

ITU-R S.1432-1建議給出的長期干擾標準如下：

I/N=-12.2dB（ΔT/T=6%）：對應于100%的最壞時間里，單入干擾來自于處于同等地位（均是主要業務）的其他系統（業務）這一情形；

◆鄰頻干擾標準

鄰頻干擾由鄰頻TD-LTE系統泄漏到衛星廣播系統地球站頻帶內的功率和地球站接收機鄰道選擇性共同決定。假設地球站接收機具有理想鄰道選擇性，鄰頻干擾門限只取決于泄漏到衛星廣播系統地球站工作頻段內的TD-LTE信號功率，此時鄰頻干擾門限等于同頻干擾門限，即。

4 確定性分析

確定性分析是一種簡單高效的研究兩系統間干擾的方法，在最差鏈路條件下得到兩系統之間的干擾狀況，為仿真提供參考依據。

LTE系統接收機（BS/UE）接收到的衛星發出的干擾功率可由如下公式計算：

（12）

式（12）中參數如下：

IBSS：LTE系統接收機所接收到的1MHz帶寬內的干擾功率（dBm/MHz）；

PBSS：衛星發射的飽和EIRP（dBm）；

L（d）：路徑傳播損耗（dB）；

GLTE：LTE系統接收機的偏軸增益（dB），即LTE系統接收機天線在BSS系統衛星干擾方向上的增益；

LLTE：LTE系統接收機的饋線損耗（dB）。

根據衛星的發射功率和衛星到地面的距離計算出LTE系統BS/UE接收到的衛星干擾信號的大小，由LTE系統接收I/N干擾標準，確定是否存在干擾，如果I/N小于LTE系統接收機干擾標準值，則認為不存在干擾；反之，則認為存在干擾。

4.1 BSS衛星對TD-LTE基站的干擾

TD-LTE系統BS接收到BSS衛星的干擾功率，根據公式（12）計算可得：

考慮到TD-LTE室內覆蓋系統存在穿墻損耗20dB和室內傳播損耗5dB，TD-LTE系統BS接收的干擾功率為：

ITU給出的LTE系統BS的I/N標準為-10dB，此處計算得出的I/N為-34.5dB，比標準值小得多，因此BSS衛星對TD-LTE基站不存在干擾，在實際網絡的部署中，該場景下產生的共存干擾可以忽略不予考慮。

4.2 BSS衛星對TD-LTE終端的干擾

此場景下，考慮到TD-LTE室內覆蓋系統存在穿墻損耗20dB和室內傳播損耗5dB，根據公式可得到BSS衛星發射對TD-LTE系統UE的干擾功率如下：

該值比ITU給出的TD-LTE室內覆蓋系統終端的I/N標準（-10dB）小得多，所以BSS衛星不會對TD-LTE室內覆蓋系統終端產生干擾。

確定性分析的結果表明，BSS衛星對TD-LTE系統BS、UE不存在干擾，而確定性計算分析的是最差鏈路條件下兩系統間的干擾，所以在實際網絡建設中，這兩種場景下BSS衛星對TD-LTE系統產生的干擾可以忽略不計。

5 仿真結果

參考確定性分析的結果，仿真時不再考慮BSS衛星干擾TD-LTE系統BS、UE的場景，只對TD-LTE系統BS、UE對BSS地球站的干擾進行系統級仿真分析。

5.1 TD-LTE基站對BSS地球站的同頻干擾

TD-LTE室內覆蓋系統的基站采用發射功率為24dBm/20MHz，如圖3所示，BSS系統地球站的天線模型為ITU-R S.580，并根據3.1節的拓撲模型部署TD-LTE室內覆蓋系統時，得到TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存仿真分析所需要的保護距離與平均隔離度對應曲線。endprint

圖3 TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站同頻共存保護距離

圖3中地球站場地干擾隔離因子，指實際自然環境（或者是通過人為采取措施）對干擾信號的衰減作用。

由圖3可知，當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS系統地球站同頻共存，且TD-LTE室內覆蓋系統基站的最大發射功率為24dBm/20MHz時，TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存所需的保護距離約為2 000m（BSS系統地球站仰角為5°）、1 100m（地球站仰角為15°）、700m（地球站仰角為40°）和520m（地球站仰角為70°）。因為TD-LTE系統基站的最大發射功率還可以取值為20dBm/20MHz，由系統級仿真得到在該情況下TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存所需的保護距離約為1 500m（BSS系統地球站仰角為5°）、830m（地球站仰角為15°）、470m（地球站仰角為40°）和380m（地球站仰角為70°）。

5.2 TD-LTE終端對BSS地球站的同頻干擾

BSS系統地球站的天線模型為ITU-R S.580，并根據3.1節的拓撲模型部署TD-LTE室內覆蓋系統時，得到TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站共存仿真分析所需要的保護距離與平均隔離度對應曲線，如圖4所示：

圖4 TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站同頻共存保護距離

由圖4可知，TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站同頻共存所需的保護距離約為1 100m（DAB系統地球站仰角為5°）、650m（地球站仰角為15°）、370m（地球站仰角為40°）和300m（地球站仰角為70°）。

5.3 TD-LTE系統對BSS地球站的鄰頻干擾

TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站鄰頻共存時，頻率偏移因子為37dB，終端與BSS系統地球站鄰頻共存時，頻率偏移因子為22.4dB。由系統級仿真可以得到當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站鄰頻共存時，BS與UE所需的最小保護距離如表2所示：

表2 TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站同頻共存所需的

最小保護距離

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 總結

本文對TD-LTE室內覆蓋系統與BSS共存時的干擾狀況采用確定性分析和系統級仿真兩種方法進行了評估分析，得到了TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站共存時，BS與UE所需的最小保護距離。

從仿真結果可知，當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站同頻共存時，系統之間的共存干擾比較大，所需的共存保護距離可高達幾千米，性能比較惡劣。而當兩系統鄰頻共存時，所需的保護距離要求較低，網絡建設相對容易實現，頻率隔離起到了重要的作用。所以在實際進行網絡部署時，可以通過頻率隔離的辦法來保護TD-LTE系統和BSS系統的業務不受干擾影響。

參考文獻：

[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] 胡春靜，王文博. 第三代移動通信系統中TDD和FDD共存的干擾分析[J]. 電聲技術， 2002（7）： 62-66.

[6] 黃標，彭木根，王文博. 第三代移動通信系統干擾共存研究[J]. 電信科學， 2004（7）： 34-38.★endprint

圖3 TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站同頻共存保護距離

圖3中地球站場地干擾隔離因子，指實際自然環境（或者是通過人為采取措施）對干擾信號的衰減作用。

由圖3可知，當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS系統地球站同頻共存，且TD-LTE室內覆蓋系統基站的最大發射功率為24dBm/20MHz時，TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存所需的保護距離約為2 000m（BSS系統地球站仰角為5°）、1 100m（地球站仰角為15°）、700m（地球站仰角為40°）和520m（地球站仰角為70°）。因為TD-LTE系統基站的最大發射功率還可以取值為20dBm/20MHz，由系統級仿真得到在該情況下TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存所需的保護距離約為1 500m（BSS系統地球站仰角為5°）、830m（地球站仰角為15°）、470m（地球站仰角為40°）和380m（地球站仰角為70°）。

5.2 TD-LTE終端對BSS地球站的同頻干擾

BSS系統地球站的天線模型為ITU-R S.580，并根據3.1節的拓撲模型部署TD-LTE室內覆蓋系統時，得到TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站共存仿真分析所需要的保護距離與平均隔離度對應曲線，如圖4所示：

圖4 TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站同頻共存保護距離

由圖4可知，TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站同頻共存所需的保護距離約為1 100m（DAB系統地球站仰角為5°）、650m（地球站仰角為15°）、370m（地球站仰角為40°）和300m（地球站仰角為70°）。

5.3 TD-LTE系統對BSS地球站的鄰頻干擾

TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站鄰頻共存時，頻率偏移因子為37dB，終端與BSS系統地球站鄰頻共存時，頻率偏移因子為22.4dB。由系統級仿真可以得到當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站鄰頻共存時，BS與UE所需的最小保護距離如表2所示：

表2 TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站同頻共存所需的

最小保護距離

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 總結

本文對TD-LTE室內覆蓋系統與BSS共存時的干擾狀況采用確定性分析和系統級仿真兩種方法進行了評估分析，得到了TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站共存時，BS與UE所需的最小保護距離。

從仿真結果可知，當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站同頻共存時，系統之間的共存干擾比較大，所需的共存保護距離可高達幾千米，性能比較惡劣。而當兩系統鄰頻共存時，所需的保護距離要求較低，網絡建設相對容易實現，頻率隔離起到了重要的作用。所以在實際進行網絡部署時，可以通過頻率隔離的辦法來保護TD-LTE系統和BSS系統的業務不受干擾影響。

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[3] 3GPP TS 36.104 V10.4.0. E-UTRA Base Station（BS） radio transmission and reception（Release 10）[S]. 2011.

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[6] 黃標，彭木根，王文博. 第三代移動通信系統干擾共存研究[J]. 電信科學， 2004（7）： 34-38.★endprint

圖3 TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站同頻共存保護距離

圖3中地球站場地干擾隔離因子，指實際自然環境（或者是通過人為采取措施）對干擾信號的衰減作用。

由圖3可知，當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS系統地球站同頻共存，且TD-LTE室內覆蓋系統基站的最大發射功率為24dBm/20MHz時，TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存所需的保護距離約為2 000m（BSS系統地球站仰角為5°）、1 100m（地球站仰角為15°）、700m（地球站仰角為40°）和520m（地球站仰角為70°）。因為TD-LTE系統基站的最大發射功率還可以取值為20dBm/20MHz，由系統級仿真得到在該情況下TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站共存所需的保護距離約為1 500m（BSS系統地球站仰角為5°）、830m（地球站仰角為15°）、470m（地球站仰角為40°）和380m（地球站仰角為70°）。

5.2 TD-LTE終端對BSS地球站的同頻干擾

BSS系統地球站的天線模型為ITU-R S.580，并根據3.1節的拓撲模型部署TD-LTE室內覆蓋系統時，得到TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站共存仿真分析所需要的保護距離與平均隔離度對應曲線，如圖4所示：

圖4 TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站同頻共存保護距離

由圖4可知，TD-LTE室內覆蓋系統終端與BSS系統地球站同頻共存所需的保護距離約為1 100m（DAB系統地球站仰角為5°）、650m（地球站仰角為15°）、370m（地球站仰角為40°）和300m（地球站仰角為70°）。

5.3 TD-LTE系統對BSS地球站的鄰頻干擾

TD-LTE室內覆蓋系統基站與BSS系統地球站鄰頻共存時，頻率偏移因子為37dB，終端與BSS系統地球站鄰頻共存時，頻率偏移因子為22.4dB。由系統級仿真可以得到當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站鄰頻共存時，BS與UE所需的最小保護距離如表2所示：

表2 TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站同頻共存所需的

最小保護距離

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 總結

本文對TD-LTE室內覆蓋系統與BSS共存時的干擾狀況采用確定性分析和系統級仿真兩種方法進行了評估分析，得到了TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站共存時，BS與UE所需的最小保護距離。

從仿真結果可知，當TD-LTE室內覆蓋系統與BSS地球站同頻共存時，系統之間的共存干擾比較大，所需的共存保護距離可高達幾千米，性能比較惡劣。而當兩系統鄰頻共存時，所需的保護距離要求較低，網絡建設相對容易實現，頻率隔離起到了重要的作用。所以在實際進行網絡部署時，可以通過頻率隔離的辦法來保護TD-LTE系統和BSS系統的業務不受干擾影響。

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[5] 胡春靜，王文博. 第三代移動通信系統中TDD和FDD共存的干擾分析[J]. 電聲技術， 2002（7）： 62-66.

[6] 黃標，彭木根，王文博. 第三代移動通信系統干擾共存研究[J]. 電信科學， 2004（7）： 34-38.★endprint