TD-LTE系統與廣電系統共存分析

關 璐， 江 帆， 張曉燕， 郭永明

(1.西安郵電大學 無線網絡安全技術國家工程實驗室， 陜西 西安 710121; 2.國家無線電頻譜管理研究所， 陜西 西安 710061)

TD-LTE系統與廣電系統共存分析

關 璐1， 江 帆1， 張曉燕1， 郭永明2

(1.西安郵電大學 無線網絡安全技術國家工程實驗室， 陜西 西安 710121; 2.國家無線電頻譜管理研究所， 陜西 西安 710061)

為了在“數字紅利”頻段(698～806 MHz)部署時分-長期演進系統，提出一種不同系統兼容的確定性分析方法。基于頻譜占用度實測數據，該方法依據第三代合作伙伴計劃和中國廣播行業標準所提供的頻譜模板，根據干噪比(I/N)保護準則，分析時分-長期演進系統與廣電系統的鄰頻共存條件。數值仿真結果表明，當滿足所需的頻率隔離和空間隔離條件時，兩系統可以鄰頻共存。

數字紅利；頻譜占用度；689～806 MHz；空閑頻譜；共存分析

無線電頻譜是實現無線通信的重要載體，是國家的戰略性資源。然而有限的頻譜資源的使用日趨緊張，尤其是傳播特性較好具有廣覆蓋特性的低頻段已經被使用殆盡，使得頻譜資源需求與供給間的供需矛盾日益突出。隨著廣播電視技術的進步，可以將傳輸1套模擬電視節目所需的8 MHz帶寬信道用來傳輸4～5套數字標清電視節目，通過模數轉換能夠節省出大量的頻率資源，并且節省出的在700～800 MHz范圍的頻譜資源可用于移動通信，在網絡覆蓋方面具有明顯優勢。因此，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(即為“數字紅利”頻段)用于長期演進(Long Term Evolution, LTE)已經成為國內外研究的熱點[1]。

為了在“數字紅利”頻段部署時分-長期演進(Time Division-Long Term Evolution, TD-LTE)系統，需要根據實測數據頻譜占用度，獲得部署TD-LTE系統的空閑頻段分布。其次，參照兩系統參數，探討空閑頻段上兩系統共存時所需的頻率間隔和空間隔離距離要求。

共存分析主要目的是評估多個系統共享同一頻段的可行性，評估干擾是否對其他無線電業務產生危害，一般采用確定性分析方法和系統仿真方法。由于確定性分析方法的高效簡單，因此基站間的干擾主要采用確定性分析方法進行研究。確定性分析方法需要獲得兩系統的相關參數及頻譜模板，依據計算公式，可以得到相對應最惡劣情況的結果，得出兩系統共存時所需的頻率隔離與空間隔離[2]。但是，傳統的確定性分析方法也有著比較明顯的缺點，即選取干擾最為嚴重的鏈路，所得的干擾結果較為悲觀，并且未與實際的測量數據相結合，其分析結果與真實情況相差較大。

本文基于某地區(郊區場景)698～806 MHz的實測數據，結合TD-LTE系統1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz不同的5種帶寬配置，獲得不同帶寬配置下部署TD-LTE系統的空閑頻段分布；其次，依據ITU相關方法利用干噪比(I/N)準則對TD-LTE系統與數字廣播系統在空閑頻段上共存進行分析，得到TD-LTE系統與數字廣播系統共存所需的頻率隔離與空間隔離的關系。

1 空閑頻譜分析

結合測量數據的頻譜占用度，根據TD-LTE系統不同的5種帶寬配置，對“數字紅利”頻段進行空閑頻譜分析，找出適合部署TD-LTE系統的候選頻段，為之后進行TD-LTE系統與廣播電視系統的共存分析奠定基礎。

頻譜平均占用度是一個統計值，是指連續測量某一個信道一段時間，把信道內信號場強超過一定的門限定義為占用，統計出時間占用的百分比稱為占用度。而根據文獻[3-4]顯示，30～3 000 MHz頻段的頻譜平均占用度穩定在5%左右。因此擬采取5%的頻譜平均占用度作為頻段是否空閑的判決依據。根據測量數據，如果在測量時間內該頻點頻譜平均占用度小于5%，則認為該頻點空閑；否則，認為該頻點被占用。

結合以上判斷依據，根據某地區(郊區場景)測量數據，分析了該地區不同帶寬配置下的空閑頻段分布情況，具體實現步驟如下。

(1)確定測試頻段上是否有空閑頻段，并繪出測試頻段的空閑頻譜分布情況。

(2)如果找到空閑頻段，對于TD-LTE系統，優先考慮大帶寬部署。即如果有20 M空閑頻段，則優先部署一個20 M帶寬的TD-LTE系統，而不是部署兩個10 M帶寬的TD-LTE系統。如果沒有20 M帶寬，優先考慮部署10 M帶寬，以此類推。

圖1表示的是某地區以5%頻譜平均占用度作為門限時的空閑頻譜示意圖，表1記錄了該地區詳細的空閑頻譜分布情況。

圖1 某地區5%空閑頻譜示意圖

起始頻率/MHz截止頻率/MHz空閑頻段長度/MHz能否有足夠的頻譜資源放置TD-LTE系統698704.26.21可部署1個5M系統709.7751.041.31可部署2個20M系統751.4775.023.62可部署1個20M系統775.4781.56.075可部署1個5M系統781.980624.03可部署1個20M系統

從圖1看出，在709～751 MHz存在41 MHz空閑頻段，可以部署2個20 M的TD-LTE系統；在781～806 MHz存在24 MHz空閑頻段，可以部署1個20 M的TD-LTE系統。

2 系統間共存分析方法

在基于確定性方法的共存分析中，使用干噪比I/N代替信干比進行無線電業務間共存分析[4]。得出TD-LTE系統與廣播電視系統共存時所需要的頻率隔離和空間隔離建議，確定頻率-距離(F-D)規則。

利用I/N準則進行無線電業務共存分析的方法分為5個步驟。

步驟1 確定干噪比I/N。

由于干擾造成的信噪比的偏差[5]可表示為

(1)

其中S/N表示接收到有用信號的強度與加性噪聲的強度之比，即為信噪比；(S+I)/N表示接收到的有用信號的強度與接收到的干擾信號的強度之和同噪聲強度的比值。

因干擾導致的信噪比偏差為1 dB時[5]，則

(2)

其中RSN為信噪比，I/N為干噪比，也就是接收到的干擾信號強度與噪聲強度之比；S/N表示接收到的有用信號強度與噪聲之比。

所以在干擾造成信噪比偏差1 dB條件下，干噪比與信噪比的關系為

(4)

由式(4)可知，-5.85 dB實際上對應于信噪比偏差1 dB的干噪比要求，式(4)適用于評估干擾對信號的影響。

步驟2 計算功率。

被干擾系統接收到其它系統干擾信號的功率[6]為

I=Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-

Lp(d)-FDR(Δf)

(5)

其中I為被干擾系統接收機接收到的干擾信號功率；Pt為干擾系統的發射功率；Gt為干擾系統的發射天線增益；Gr為被干擾系統接的收機天線增益；Lt為干擾系統發射機饋線損耗；Lr為被干擾系統接收機饋線損耗；Lp(d) 為兩個系統隔離距離為d時的路徑損耗；FDR(Δf)為頻率抑制因子。

頻率抑制因子FDR(Δf) 可表示為[6]

FDR(Δf)=

(6)

其中P(f)為干擾信號的功率譜密度(W/kHz)；H(f)為受擾接收機的中頻濾波器的頻率響應；Δf為受擾接收機與干擾發射機的頻率間隔(kHz)，即為兩系統共存時工作的中心頻率的間隔。其中當Δf = 0時兩系統互為同頻干擾。

步驟3 計算接收機底噪。

接收機底噪主要由帶電粒子的熱運動產生，其功率為[6]為

N=-174+10logB + Nf(dBm),

(7)

其中B為接收機中頻帶寬，Nf為噪聲系數。

步驟4 計算路徑損耗。

根據干噪比保護準則I/N≤β，可以計算出路徑損耗Lp(d)的最小值。其中β為被干擾系統的干噪比保護要求。

Lp(d)≥Pt+Gt-Lt+Gr-Lr-

FDR(Δf)+174-10logB-Nf-β。

(8)

步驟5 計算頻率隔離和空間隔離。

由步驟4計算獲得的路徑損耗Lp(d)，根據路徑傳播模型[7]計算空間隔離距離d，最終得到兩系統共存時所需的頻率隔離和空間隔離。

3 仿真分析

根據第三代合作伙伴計劃(The3rdGenerationPartnershipProject, 3GPP)相關協議[8]、中國廣播行業標準[9-11]所提供的頻譜模板，利用系統間共存的確定性分析方法，研究了TD-LTE系統對廣播電視系統的干擾情況，給出了TD-LTE系統與廣播電視系統共存時所需要的頻率隔離和空間隔離。

3.1TD-LTE系統主要參數

參照3GPP規范[8]，TD-LTE系統的主要射頻參數如表2所示，測量帶寬為20MHz時的TD-LTE基站頻譜模板如圖2所示。

表2 TD-LTE系統主要參數

圖2 TD-LTE系統基站頻譜模板

由圖2可以獲得TD-LTE基站發射端的頻譜模板的表達式

3.2 廣播電視系統主要參數

中國數字電視廣播系統根據GB 20600-2006《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》[9]和GY/T 237-2008《VHF/UHF頻段地面數字電視廣播頻率規劃準則》[10]提供了共存研究需要的有關中國廣播電視系統參數，如表3所示。

表3 廣播電視系統主要參數

GB 20600-2006《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》[9]中規定了廣播電視系統的頻譜模版，如圖3所示，其中0dB對應整個輸出功率。

圖3 廣播電視系統頻譜模板

由圖3可得廣播電視系統的頻譜模板表達式

根據表3可知，廣播電視系統接收所需的信噪比S/N為20 dB。當信噪比偏差1 dB時，將S/N代入式(4)可以得到廣播電視系統所需的I/N比要求

20-5.85=14.15 (dB)。

3.3 仿真參數

根據空閑頻譜分析結論，參照《中國廣播電視頻率劃分分配表》[11]中的廣電頻率劃分情況，對TD-LTE系統和廣播電視系統進行共存分析研究，為了便于計算，仿真的傳播模型采用Hata-Okumura郊區模型[7]，其公式為

Lp(d)(市區)=69.55+26.16lgf-

13.82lgh1-α(h2)+

(44.9-6.55lgh1)lgd,

(9)

Lp(d)(郊區)=Lp(d)(市區)-

(10)

其中f為工作頻率，仿真時取765MHz；h1為基站天線有效高度；h2為移動臺天線有效高度；d為移動臺與基站之間的距離；α(h2)為移動臺天線高度因子；對大城市來說，α(h2)表示為

α(h2)=3.2[log(11.75h2)]2-4.97

(400≤f≤1500MHz)。

將式(9)和式(10)代入式(8)中得到保護距離d為

FDR(Δf)+174-10logB-Nf-β -69.55-

26.16logf+13.82logh1+α(h2)],

(12)

根據式(12)和式(6)可計算出兩系統共存時所需的頻率隔離和空間隔離。

3.4 仿真結果

TD-LTE系統基站與廣播電視系統的共存分析結果如表4所示。

表4 共存分析結果

TD-LTE系統干擾廣播電視系統的頻率抑制因子FDR與頻率間隔Δf之間的關系、空間隔離距離d與頻率間隔Δf之間的關系分別如圖4和圖5所示。

圖4 頻率抑制因子FDR與頻率間隔Δf關系圖

圖5 空間隔離距離d與頻率間隔Δf關系圖

由表4和圖4、圖5可得，當頻率間隔Δf=0MHz，即兩系統處于同頻狀態下， FDR為4.17dB，為了保證兩系統共存，d至少要達到35.2km；當14MHz≤Δf<24MHz時，即兩個系統處于鄰頻狀態， FDR隨著Δf的增大而增大， d隨著Δf的增大而減小，具體Δf與FDR的關系、Δf與d的關系見表4所示；當Δf≥24MHz，FDR和d將不隨著Δf的增大而變化，成為一個常量。可以看出，當滿足上述的頻率隔離和空間隔離條件時，兩系統可以鄰頻共存。

4 結束語

提出了一種不同系統兼容的確定性分析方法，詳細闡述了利用此方法進行空閑頻譜分析及系統間共存分析的步驟，并以TD-LTE系統與廣播電視系統進行分析測試，對“數字紅利”頻段規劃進行探討，得到了兩系統共存時所需的頻率隔離和空間隔離距離。

[1]MichaelC.TheEndofSpectrumScarcity:BuildingontheTVBandsDatabasetoAccessUnusedPublicAirwaves[J/OL].NewAmericaFoundation,(2009-06-30)[2014-04-15].http://benton.org/node/26175.

[2] 呂志.LTE系統與數字廣播電視系統干擾共存分析[D].北京：北京郵電大學,2011.

[3]MchenryM,MccloskeyD.NewYorkCityspectrumoccupancymeasurements[EB/OL].SharedSpectrumCompany(2010-01-03)[2014-04-15].http://citeseerx.ist.psu.edu/showciting?cid=378960.

[4]McHenryM.Nsfspectrumoccupancymeasurementsprojectsummary[R/OL].(2010-01-10)[2014-04-15].http://citeseerx.ist.psu.edu/showciting?cid=4051055.

[5]ITU-RM.1036-4.FrequencyarrangementsforimplementationoftheterrestrialcomponentofIMTinthebandsidentifiedforIMTintheRadioRegulations[S].2012.

[6] 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：CCSATC5WG8 第51次會議,2011.

[7]HaykinS.CognitiveRadio:Brain-EmpoweredWirelessCommunications[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications, 2005,23(2)：201-220.

[8] 3GPPTS25.102.V11.5.0.UserEquipmentradiotransmissionandreception[S/OL].(2013-07-05)[2014-04-13].http://www.3gpp.org.

[9] 中國國家標準化管理委員會.GB20600-2006，數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S].北京：中國標準出版社,2007.

[10] 國家廣播電影電視總局.GY/T237-2008，VHF/UHF頻段地面數字電視廣播頻率規劃準則[S].北京：中國標準出版社,2008.

[11] 國家廣播電影電視總局.GY/T106-1999，有線電視廣播系統技術規范[S].北京：中國標準出版社,1999.

[責任編輯:祝劍]

Coexistence analysis for TD-LTE and broadcasting system

GUAN Lu1, JIANG Fan1, ZHANG Xiaoyan1, GUO Yongming2

(1.National Engineering Laboratory for Wireless Security, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;2. China National Radio Spectrum Management Institute, Xi’an 710061, China)

In order to deploy Time Division Long Term Evolution (TD-LTE) system in the “digital dividend” band (698～806 MHz), a kind of analysis method which is about the system compatibility between different systems is put forward. Based on the measured data of the spectrum occupancy, with reference to the spectral masks which are provided by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and Chinese broadcasting industry standard, and according to interference and noise ratio (I/N) protection criterion, the conditions of TD-LTE system and broadcasting system adjacent coexisting are analyzed. Numerical simulation results show that when the frequency of isolation and spatial isolation conditions meet the requirements, two system can coexist in adjacent frequency.Keywords:digital dividend, spectrum occupancy, 689～806 MHz, idle spectrum, coexistence analysis

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.005

2014-05-15

工信部通信軟科學基金資助項目(2014R33)；陜西省自然科學基礎研究計劃基金資助項目(2011JK8027)；陜西省教育廳科學研究計劃基金資助項目(2013JK1064)；西安郵電大學研究生創新基金資助項目(112-2020)

關璐(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為寬帶無線通信。E-mail: cristiano@vip.qq.com 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

TN92

A

2095-6533(2014)05-0021-06