TD-LTE系統與雷達的干擾仿真分析

劉陽 李冰琪 方箭

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068;2.國家無線電監測中心 西安 710068)

0 引言

TD-LTE 系統是我國自主知識產權的第三代移動通信技術TD-SCDMA 的演進系統［1］。根據國家相關政策，2300 ～2400MHz 頻段帶寬資源較豐富(100MHz)，可能成為TD-LTE 系統首選工作頻段。

然而，目前我國在2300 ～2400MHz 頻段上存在的業務主要是無線電定位業務，由軍用雷達使用，且發射功率較大，如果TD-LTE 系統和雷達系統在同一區域內工作時，可能會存在相互干擾，因此，本文采用多系統共存研究方法評估了TD-LTE 系統和雷達系統在2300 ～2400MHz 頻段兼容共存的可行性。

本文首先介紹了TD-LTE 系統和雷達系統的基本原理，并對系統干擾場景建模;其次，本文對TD-LTE 和雷達系統的干擾做了確定性計算分析，并通過系統級仿真對確定性計算結果進行驗證。最后，本文對仿真結果進行了總結，并分析了TD-LTE 系統對雷達可能造成干擾的原因。

1 干擾場景建模

1.1 TD－LTE 系統和雷達系統的基本原理

雷達的主要工作原理是通過接收、處理由雷達發射并被物體反射后載有物體信息的電磁波，以實現預警探測［2］。目前，我國在2300 ～2400MHz 頻段上部署的雷達主要為軍用脈沖式雷達，如圖1所示，接收回波是在發射脈沖休止期內，所以它的發射和接收鏈路是時間分離的。

TD-LTE 的幀結構如圖2所示，無線幀長為10ms，該幀被劃分為兩個5ms 的半幀，每個半幀包括1 個特殊子幀(被劃分為UpPTS、GP 和DwPTS 等3 個特殊時隙)和4 個普通子幀(被劃分為兩個0.5ms 的時隙)。因為TD-LTE 采用TDD 雙工方式，不需要對稱頻段，但也使上、下行鏈路都會與雷達同頻或鄰頻工作。

根據TD-LTE 系統TDD 雙工方式的特性，該系統與雷達共存產生的干擾情況可以分為以下四種情況:TD-LTE 終端對雷達接收機的干擾;TD-LTE 基站對雷達接收機的干擾;雷達對TD-LTE 終端鏈路的干擾;雷達對TD-LTE 基站鏈路的干擾。

圖1 雷達脈沖序列圖

圖2 TD-LTE 系統的幀結構

1.2 系統干擾場景建模

通常情況下，雷達部署于城市遠郊或者偏遠山區，且一般為單站方式運行;TD-LTE 系統以多站成網絡方式運行。如圖3所示，本文研究TD-LTE和雷達混合部署時，以雷達為中心，四周部署TD-LTE 系統。

圖3 TD-LTE 系統和雷達的干擾場景

上述場景中，一個小區包含劃分為3 個扇區的19 個基站;本文以19 個基站為單位對該拓撲向遠離雷達的方向向外進行延拓，得到TD-LTE 系統拓撲圖如圖4。

考慮到軍用雷達的保密性，本文研究考慮的是雷達系統的通用參數，主要參數見表1所示。

TD-LTE 支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz 和20MHz 等系統帶寬。考慮到2300 ～2400MHz 頻段僅有100MHz 帶寬，本文只考慮系統帶寬為5MHz 的情況。根據3GPP TS 36.101、TS36.101 和TS36.104 得到表2 的TD-LTE 系統帶寬為5MHz 時的主要仿真參數，以及表3 的TD-LTE 基站和終端天線模型［3-9］。

表1 雷達的主要參數

主瓣增益(dBi)30副瓣增益(dBi)2插入損耗(dB)2接收機3dB 帶寬(MHz)2.5

表2 TD-LTE 系統的主要參數

表3 TD-LTE 基站和終端天線模型

圖4 TD-LTE 系統的拓撲圖

2 TD －LTE 系統與雷達干擾的確定性計算

根據鏈路功率預算進行系統干擾的確定性計算，解析得出兩系統在互不干擾條件下部署所需的物理間隔［10-11］。

2.1 TD－LTE 系統對雷達干擾的確定性計算

TD 系統對雷達系統的干擾為式(1):

式中:

IRD-雷達接收到的干擾功率，dBm;

Pt-TD 系統發射功率，dBm;

Gr-雷達接收在TD 系統發射方向上的天線增益，dBi

Gt-TD 系統發射在雷達接收方向上的天線增益，dBi;

Lt-TD 系統發射機插入損耗，通常基站為2 dB，終端為0dB;

Lp-TD 系統發射機與雷達接收機之間的路徑損耗，dB;

Lr-雷達接收機插入損耗，通常雷達為2dB;

FDR-頻率隔離度(Frequency Dependent Rejection)，dB。

FDR 定義為下式。

式中:

P(f)-干擾信號等效于中頻的功率譜密度;

H(f)-接收機的頻率響應;

Δf= ft-fr，ft為干擾源中心頻率，fr為接收機中心頻率。

在仿真中，雷達所受到的干擾是由TD-LTE 系統內所有的干擾源的總和。因為在仿真場景中本文假設了基站的周圍都布滿了TD-LTE 系統，所以本文可以假設雷達在轉動中一直受到干擾。

對于下行鏈路，TD-LTE 基站不涉及功率控制，采用固定功率發射。所以對于下行鏈路干擾雷達，本文采用固定某一角度計算TD-LTE 系統與雷達系統在互不干擾條件下部署所需要的物理間隔。

對于上行鏈路，通過TD-LTE 系統的功率控制，并且伴隨著移動終端的變化。所以對于上行鏈路干擾雷達，本文采用統計雷達在固定隔離距離時雷達所受到的干擾概率。

3.2 雷達對TD-LTE 系統干擾的確定性計算

雷達系統對TD 系統的干擾為:

式中:

ITD-TD 接收到的干擾功率，dBm;

Pt-雷達發射功率，dBm;

Gr-TD 接收在雷達發射方向上的天線增益，dBi;

Gt-雷達發射在TD 系統接收方向上的天線增益，dBi;

Lt-雷達發射機插入損耗，通常雷達為2dB;

Lr-TD 系統接收機插入損耗，通常基站為2 dB，終端為0 dB;

Lp-雷達發射機與TD 系統接收機之間的路徑損耗，dB;

FDR-頻率隔離度(dB)，dB。

對于雷達對TD 系統單站的干擾，可根據TD 系統的干擾門限進行計算，然后得到相應的隔離距離。

3.3 計算結果

根據上述方法，并且依據TD-LTE 系統與雷達發射機和接收機頻譜特性，計算得到FDR 值分別見表4。

表4 TD-LTE 和雷達之間干擾的FDR 值(單位dB)

3 TD －LTE 系統與雷達干擾的仿真分析

本文采用系統級仿真分析了TD-LTE 系統與雷達之間的干擾。

系統級仿真是在鏈路級仿真的基礎上，輸入每條鏈路的性能參數，并且對通信協議仿真。仿真系統的參數主要在系統配置階段生成［12］。主要參數類型包括系統配置參數、傳播模型參數和系統鏈路參數。

3.1 TD－LTE 和雷達的干擾仿真

TD-LTE 和雷達的干擾仿真主要采用動態仿真。如圖5所示，系統仿真的總體過程如下［13-14］:

(1)系統初始化參數輸入和系統配置;主要包括兩類參數:雷達和TD-LTE 系統參數，以及仿真控制參數;

(2)判斷系統仿真類型，判定系統仿真類型，如果是單系統仿真轉第(3)步，如果是雙系統仿真量則轉第(4)步;

(3)單系統仿真啟動一次放置用戶撒點，在基站固定情況下設置終端位置，采用隨機撒點方式;

(4)反復進行(3)，當放置用戶的次數觸發預定條件，統計TD 系統干擾雷達的概率，生成結果;

(5)對于雙系統仿真，首先要判斷誰是受干擾系統，并判斷干擾方向是上行還是下行，選擇雷達的型號。系統仿真啟動一次放置用戶撒點，在基站固定情況下設置終端位置，采用隨機布點;

(6)反復進行(5)，當放置用戶的次數觸發預定條件，統計TD 系統干擾雷達的概率，生成結果。

根據干擾場景的分析，仿真結果可以分為兩個方面:一是TD-LTE 對雷達的干擾，二是雷達對TD-LTE 系統的干擾。

3.2 TD－LTE 系統對雷達的干擾

TD-LTE 系統對于雷達的干擾又可以分為基站對雷達的干擾和終端對雷達的干擾。

其中，TD-LTE 基站對雷達的干擾結果見表5。

表5 TD-LTE 基站干擾雷達需要的隔離距離

仿真可得，TD-LTE 終端對于雷達的干擾概率見圖6，TD-LTE 終端和雷達之間的中心頻率間隔越大，避免二者干擾所需的隔離距離越小，可得，當TD-LTE 終端集總干擾對雷達干擾為0 時，二者中心頻率間隔和所需的隔離距離的關系如表6所示。

圖5 總體仿真流程圖

表6 TD-LTE 終端干擾雷達需要的隔離距離

3.3 雷達對TD－LTE 系統的干擾

根據雷達對TD-LTE 的干擾場景，由于天線高度不同，本文將場景分為了城區和郊區兩種，在兩種場景下雷達干擾基站時的調制編碼損失分別為圖7和圖8，雷達和TD-LTE 終端之間的中心頻率間隔越大，避免二者干擾所需的隔離距離越小，并以5%為標準限值可得到TD-LTE 終端和雷達在不同中心頻率間隔條件下需要的隔離距離如表7所示。

表7 雷達干擾TD-LTE 基站需要的隔離距離

在雷達對TD-LTE 終端的干擾場景，本文得到如圖9 的雷達對郊區一個TD-LTE 扇區內的終端調制編碼損失曲線，并以5%為標準限值可得到TD-LTE 終端和雷達在不同中心頻率間隔條件下需要的隔離距離如表8所示。

表8 雷達干擾TD-LTE 移動終端需要的隔離距離

4 結論

根據確定性計算和仿真結果，總體來說，需要的隔離距離都小于100km。在相同頻率隔離情況下，TD-LTE 系統對雷達干擾時所需要的物理間隔要大于反方向干擾所需物理間隔，可能的主要原因為TD-LTE 系統干擾是多個小區基站干擾的累加結果，同時，也有雷達系統需要的干擾保護條件偏高等原因。

圖6 TD-LTE 終端對雷達干擾概率

圖7 雷達干擾基站時的調制編碼損失(城區)

圖8 雷達干擾基站時的調制編碼損失(郊區)

圖9 雷達干擾終端時的調制編碼損失(郊區)

［1］王映民，孫韶輝.TD-LTE 技術原理與系統設計［M］.北京，人民郵電出版社，2010.

［2］Merrill Skolnik 著，左群聲，徐國良，馬林等譯.雷達系統導論(第三版)［M］.北京，電子工業出版社，2007.

［3］User Equipment(UE)radio transmission and reception，(Release 8)3GPP.TS 36.101.V8.2.0(2008-05)

［4］Base Station(BS)radio transmission and reception，(Release 8)3GPP.TS 36.104.V8.2.0(2008-05)

［5］Physical Channels and Modulation，(Release 8)，3GPP.TS 36.211.V8.4.0(2008-09)

［6］Radio Frequency(RF)system scenarios，(Release 8)，3GPP.TS.36.942.V8.0.0(2008-09)

［7］ITU-R 標準文件P 452-12.

［8］ITU-R 標準文件P 526-9.

［9］ITU-R 標準文件M.1461.

［10］中國通信標準化組織文件，CWTS_WG1_3G_SPEC_054.

［11］TC5_WG8_2008_041B，2300-2400MHz 雷達與TD-SCDMA 干擾共存研究，CCSA.

［12］Tranter，W.H.等著，肖明波等譯.通信系統仿真原理與無線應用［M］.北京，機械工業出版社，2005.

［13］梁童，孟德香.TD-LTE 系統與WLAN 系統共存研究［J］.電信工程技術與標準化，2010，1:4-9.

［14］李超，滕建輔，李瑞杰，徐大為.TD-LTE 與WCDMA 系統共存的干擾研究［J］.微處理機，2012，4:40-45.