部署TD-LTE系統空閑頻譜分布分析

張曉燕， 江 帆， 關 璐

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

部署TD-LTE系統空閑頻譜分布分析

張曉燕， 江 帆， 關 璐

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

為了得到部署時分-長期演進(Time Division-Long Term Evolution, TD-LTE)系統的空閑頻譜，根據698～806 MHz頻譜占用度實測數據，利用系統“抗干擾門限準則”，通過數值仿真，分析該頻段的頻譜使用現狀，從而獲得該頻段上部署TD-LTE系統的空閑頻譜資源。

時分-長期演進；抗干擾門限；接收機靈敏度；空閑頻譜

隨著以長期演進(Long Term Evolution, LTE)為代表的未來移動通信技術和移動數據業務的快速發展，移動通信頻率資源的需求日益突出。根據國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)及各國的研究報告，2020年用于國際移動通信(International Mobile Telecommunications, IMT)系統的頻譜資源需求大約在1 300～1 800 MHz之間[1-2]，而目前各國分配給IMT系統的頻譜資源與之存在較大的缺口。

為改善未來移動用戶的數據體驗，世界無線電大會(World Radio communication Conference, WRC)分配了450～470 MHz、698～806 MHz、2 500～2 690 MHz、3 400～3 600 MHz等多段頻譜資源用于移動通信業務。在WRC-2007上，698～806 MHz頻段被標識為IMT業務[3]。從中國和國際業務應用情況來看，698 MHz頻點附近主要開展廣播電視業務。因此，如果要在698 MHz附近部署移動業務，首先需要在該頻段上找出能夠部署移動通信系統的空閑頻譜資源；然后在該頻段展開“頻率干擾與系統共存”研究工作，以此得出兩系統共存時所需的保護度和相應的干擾規避措施，為頻率規劃和干擾協調提供必要的技術支撐。

在“頻率干擾與系統共存”研究中，通常采用確定性計算分析方法[4]。確定性計算分析方法不考慮用戶的分布統計特性，而僅從理論上基于最差鏈路條件下分析兩系統共存時的干擾情況，以此得出兩系統共存所需的額外隔離度。

為了能夠找到部署移動系統的空閑頻譜資源，本文首先對我國典型城市(如西安)、典型候選頻段(如698～806 MHz)的頻譜占用進行了實際測量；在實測數據的基礎上，我們將實測信號看作是對移動系統(比如，TD-LTE系統)的干擾，利用確定性計算中的系統“抗干擾門限準則”，通過數值仿真分析了該頻段的頻譜使用情況，得到了該頻段上部署TD-LTE系統的空閑頻譜資源的實際分布。

1 實測數據

698～806 MHz屬于移動通信的低頻段資源，與屬于高頻段資源的2.3 GHz和2.6 GHz相比，其在網絡覆蓋方面具有明顯優勢。因為無線信號工作頻率低，其傳播損耗小，傳播距離就遠，部署LTE網絡所需的基站數量可以減少，這將大幅降低建網成本，有利于網絡快速形成規模覆蓋。

目前698～806 MHz主要用于廣播電視的傳送，隨著廣播電視技術的進步，數字電視的頻譜利用率較模擬電視要高出很多。一般來說，傳輸1套模擬電視節目需要8 MHz帶寬，若轉換成數字方式，就可以同時傳輸4～6套標清數字電視節目。將廣播電視由模擬技術轉換到數字技術后所節省出來的頻率資源稱為“數字紅利”頻率，將“數字紅利”頻率用于LTE已經成為國際趨勢[5]。

為了了解我國典型城市698～806 MHz頻段的頻譜使用情況，從而為部署TD-LTE系統提供有效的實測數據支持，本文以典型城市西安為例，在城區和郊區等不同場景下，分析“數字紅利(698 ～ 806 MHz)”頻段下的頻譜占用情況，實測功率數據分別見圖1和圖2所示。圖中橫坐標為測量頻段分布，單位MHz，縱坐標為特定場景下測得的功率，單位dBm。

圖1 698～806 MHz頻段城區接收信號強度

圖2 698～806 MHz頻段郊區接收信號強度

2 理論依據

“頻率干擾與系統共存”的確定性計算方法的基本工作原理是：干擾發射機的發射功率經過各種損耗(如路徑損耗)和鄰道干擾抑制(如鄰道隔離)后，將所得到的結果與被干擾接收機的最大允許干擾電平(稱為抗干擾門限)相比較，即得到兩系統能否共存的結論[6-7]。

在系統共存研究中，通常用被干擾接收機的靈敏度損失或惡化來衡量其接收系統性能的下降程度。第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)針對“頻率干擾與系統共存”的確定性分析時采用的準則[8-9]是基站接收機靈敏度損失不超過0.8 dB，終端靈敏度損失不超過3 dB。

一般情況下，接收機靈敏度損失[10]

10lg(1+10(I-N)/10) ,

(1)

其中I為被干擾系統在工作帶寬內收到的來自干擾系統的干擾功率；N為被干擾系統接收機底噪，其計算公式為

N(dBm)=10lg(KTB)+Nf=

-174+10lgB +Nf,

(2)

其中Nf為接收機噪聲系數,K為玻爾茲曼常數,T為絕對溫度,B為接收機射頻載波帶寬，在TD-LTE系統中，B的取值可以為1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz和20MHz。

當我們取基站接收機靈敏度損失不超過0.8dB時，代入公式(1)中可計算出部署TD-LTE系統所需的“抗干擾門限”

Ith=0.2N。

(3)

工程中取分貝(dB)為單位，則

[Ith/N]dB=10 lg 0.2=-7(dB)，

即得到了部署TD-LTE系統時要求干擾I比底噪N低7 dB即可。換句話說，TD-LTE系統所遭受的實際干擾(I)不超過抗干擾門限Ith，此系統就可以正常工作。

根據實測數據，我們知道了被干擾接收機所能收到的實際空中干擾電平，能否在此頻段部署TD-LTE系統主要取決于該頻段上的實際干擾信號強度是否大于部署TD-LTE系統所需的抗干擾門限。

如果該空閑頻段上的接收信號強度(Ireceive)大于TD-LTE系統的抗干擾門限(Ith)，即

Ireceive≥Ith,

(4)

則認為此空閑頻段上存在干擾，會影響到TD-LTE系統的正常工作，此頻段不能部署TD-LTE系統；如果該空閑頻段上的接收信號強度小于TD-LTE系統的抗干擾門限，即

Ireceive

(5)

則認為此空閑頻段上干擾較小，不會影響到TD-LTE系統的正常工作，此頻段能夠部署TD-LTE系統。

3 分析與結論

根據以上判決依據，我們分析了西安地區698～806 MHz頻段，在城區場景和郊區場景下分別部署TD-LTE系統的頻譜空閑分布情況。由于項目組在進行頻譜測試的過程中，使用的是Agilent N8201A接收機，為了對測試數據進行準確的分析，必須要將Agilent N8201A接收機收到的數據通過轉換，折合成TD-LTE接收機接收的數據。

因此在對實測數據根據“抗干擾門限準則”進行分析的過程中，首先需要完成數據的轉換。具體實現步驟如下。

(1) 計算TD-LTE系統的抗干擾門限

Ith=10lg(KTB)+Nf-7=

-174+10lgB+ 5 - 7=

-174+10lg(5×106) + 5 - 7=

-109 (dBm),

其中接收機噪聲系數Nf取5 dB，帶寬B取5 MHz計算。

(2) 根據文獻[11]得到TD-LTE系統的天線增益(GTD)為15 dB，饋線損耗(LTD)為2 dB；首先將TD-LTE系統的抗干擾門限Ith折算到空間上去，得到

-109 + 2 - 15 = -122 (dBm)。

-122 - 1 + 8 = -115 (dBm)。

根據以上步驟，通過數值仿真得到的分析結果見圖3和圖4所示。圖中直線表示抗干擾門限 ，曲線表示實測信號強度。

圖3 城區部署TD-LTE系統的空閑頻段

圖4 郊區部署TD-LTE系統的空閑頻段

由圖3可見，698～806 MHz頻段、西安城區場景無空閑頻段能夠部署TD-LTE系統。由圖4可見，698～806 MHz頻段、西安郊區場景共有將近91.25 MHz的空閑頻段能夠部署TD-LTE系統。

4 結語

在頻譜占用實測數據的基礎上，將實測信號看作是對TD-LTE系統的干擾，利用確定性計算中的系統“抗干擾門限準則”，通過接收機靈敏度計算得到TD-LTE系統允許的抗干擾門限，通過數值仿真分析了“數字紅利”頻段的頻譜使用情況，得到了該頻段上部署TD-LTE系統的空閑頻譜資源的實際分布。

在實際情況下如需部署TD-LTE系統，還需要在以上分析的基礎上，根據實際部署系統的具體位置、實際的工作頻段以及兩系統具體的設備參數分別計算出最小耦合損耗(Minimum Coupling Loss, MCL)和鄰道干擾功率比(Adjacent Channel Interference power Ratio, ACIR)，根據共存原則判斷兩系統是否滿足共存條件及兩系統共存所需要的額外隔離度。

[1] ITU. ITU-R.M. 1768，Methodology for Calculation of Spectrum Requirements for the Future Development of the Terrestrial Component of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-2000[S]. Switzerland：ITU，2006.

[2] 郎保真. IMT-Advanced頻率需求計算方法及結果[J]. 移動通信，2006(10)：27-31.

[3] 郎保真. WRC07大會及未來移動通信發展的頻譜研究[J]. 移動通信，2008(16)：13-19.

[4] 王大鵬，李新. TD-LTE無線網絡與既有網絡的干擾分析[J]. 移動通信，2011(19)：33-38.

[5] 肖軍. 頻率數字紅利帶來的思考[J].中國有線電視，2012(10)：1147-1151.

[6] 陳彥名，孟德香，何繼偉，等. TD-LTE系統與數字廣播電視系統之間共存干擾研究[J]. 開發與研究，2011(1)：67-71.

[7] 劉德全. TD-LTE室內分布系統干擾研究[J].廣東通信技術，2011(9)：31-35.

[8] 3GPP. 3GPP TS 36.104，Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)：Base station (BS) radio transmission and reception[S]. USA：3GPP，2010.

[9] 3GPP. 3GPP TS 25.105， Base station(BS) radio transmission and reception (TDD)[S]. USA：3GPP， 2010.

[10] 李建宇. 頻率干擾與系統共存理論分析與仿真評估[D]. 北京：北京郵電大學，2011：19-33.

[11] 大唐電信. 同一區域698MHz頻點附近IMT系統與廣播系統共存研究[R]. 西安：CCSA TC5 WG8 第51次會議，2011.

[責任編輯:瑞金]

Idle spectrum analyses for TD-LTE deployment

ZHANG Xiaoyan, JIANG Fan, GUAN Lu

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to obtain the idle spectrum for TD-LTE system deployment, based on the basic of spectrum occupancy data, the spectrum occupation condition of band 698～806MHz is analysed in this paper by employing “rule of anti-interference threshold” and combining with numerical simulation. The idle spectrum for deployment TD-LTE system is acquired.

TD-LTE, anti-interference threshold, receiver sensitivity, idle spectrum

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.001

2014-05-15

工信部通信軟科學基金資助項目(2014R33，2014R34)；陜西省自然科學基礎研究計劃基金資助項目(2011JK8027)；西安郵電大學青年基金資助項目(109-0444)

張曉燕(1973-)，女，碩士，副教授，從事寬帶無線通信研究。E-mail: zxy@xupt.edu.cn 江帆(1982-)，女，博士，副教授，從事下一代無線網絡關鍵技術研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn

TN929.52

A

2095-6533(2014)05-0001-04