WCDMA與WiMAX系統(tǒng)共存干擾分析

摘要　本文根據(jù)IEEE802.16d和WCDMA的標準規(guī)范，結合實際網(wǎng)絡的組網(wǎng)情況，通過計算機仿真，對WCDMA與WiMAX系統(tǒng)在同一地理區(qū)域共存可能存在的干擾類型和干擾大小進行分析，文章提出了一種新穎的系統(tǒng)共存研究的方法和相應的仿真流程，并給出了由于系統(tǒng)間干擾引起的WCDMA系統(tǒng)容量損失和WiMAX系統(tǒng)性能下降的分析結果，最后給出了減少干擾所需的措施。

??? 1、引言

??? 國際電聯(lián)ITU-R第8F工作組第14次會議為3G的FDD（頻分雙工模式）和TDD（時分雙工模式）系統(tǒng)劃分了2.5～2.69 GHz頻段。美國FCC（聯(lián)邦通信委員會）在2004年允許固定微波業(yè)務使用2.495～2.69 GHz頻段。這極大促進了WiMAX系統(tǒng)在此頻段的設備研制和開發(fā)。不斷增長的業(yè)務需求和有限的頻譜資源，很有可能導致在部分地理區(qū)域，例如“熱點”地區(qū)，出現(xiàn)WCDMA和WiMAX系統(tǒng)鄰頻共存的情況。由于高頻器件的非線性特性，這些不同系統(tǒng)之間將存在相互干擾，從而可能造成WCDMA系統(tǒng)容量的損失以及WiMAX系統(tǒng)性能下降。基于這個原因。本文主要研究在2.5～2.69 GHz頻段內WiMAX TDD系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)鄰頻情況下（見圖1），WiMAX系統(tǒng)（IEEE 802.16d TDD標準）和IMT-2000中的WCDMA系統(tǒng)之間的共存。

??? 2、干擾產(chǎn)生及類型

??? 當WiMAX和WCDMA系統(tǒng)單獨存在時，系統(tǒng)中的干擾為系統(tǒng)內干擾，它包括本小區(qū)干擾、鄰小區(qū)干擾和熱噪聲。當兩系統(tǒng)在同一區(qū)域共存時，系統(tǒng)中的干擾除系統(tǒng)內干擾外，還包括系統(tǒng)間干擾。本文主要分析系統(tǒng)間干擾，它可以用ACIR表示。

??? 其中A CLR是指發(fā)射功率與在鄰近信道經(jīng)過濾波器接收到的功率之比，A CS是指接收濾波器在指配信道的衰減與在鄰近信道上的衰減之比。

??? 圖1所示為WCDMA系統(tǒng)上/下行和WiMAX TDD系統(tǒng)頻段的相鄰情況，因此會存在WiMAX基站和終端與WCDMA的基站和終端之間的干擾，具體可分為：WCDMA上行干擾WiMAX TDD上/下行；WCDMA下行干擾WiMAX TDD上/下行；WiMAX TDD上/下行干擾WCDMA上行；WiMAX TDD上/下行干擾WCDMA下行。

圖1　WCDMA和WiMAX頻譜相鄰情況

??? 3、系統(tǒng)仿真分析

??? 本文采用蒙特卡羅統(tǒng)計仿真方法，WCDMA和WiMAX系統(tǒng)分別進行單系統(tǒng)仿真，然后再進行兩個系統(tǒng)共存的仿真，仿真流程如圖2所示。在圖2中，根據(jù)WCDMA輸入鏈路標志，選擇上行或下行仿真。其中WCDMA功率控制過程中，要考慮WiMAX系統(tǒng)上行和下行鏈路分別對WCDMA載干比的影響。在完成WCDMA單系統(tǒng)仿真后，即考慮了WCDMA在受WiMAX系統(tǒng)干擾，保持WCDMA移動臺或基站受干擾時發(fā)射功率，繼續(xù)仿真對WiMAX下行和上行鏈路的影響，即考慮系統(tǒng)間干擾互反饋過程。

圖2　WCDMA和WiMAX共存仿真流程

??? 下面將對仿真中所涉及到的地理拓撲結構，傳播模型等部分加以簡要介紹。

??? 3.1　地理拓撲結構

??? 兩個系統(tǒng)都采用多小區(qū)廣闊覆蓋區(qū)域的地理分布，每個系統(tǒng)有16個小區(qū)，小區(qū)半徑為1 000 m，每個小區(qū)有3個扇區(qū)的方式，扇區(qū)半徑為577 m。為了用有限的蜂窩結構覆蓋全平面，消除邊界效應，采用了Wrap-around技術。

??? 3.2　傳播模型

??? 基站之間采用雙折線視距傳播模型。基站和移動臺之間采用車載測試傳播模型，移動臺和移動臺之間采用COST231模型。

??? 3.3　功率控制

??? 仿真過程中，WCDMA系統(tǒng)功率控制需要同時考慮系統(tǒng)內干擾和系統(tǒng)間干擾。上行鏈路在功率控制完成后，每個移動臺要滿足基站Eb/No的最小功率發(fā)射信號：下行鏈路中基站給每個鏈路發(fā)射相等的功率，這樣保證接收信號最弱的移動臺也可以接入。

??? 每個WCDMA幀長為10 ms，包括15個時隙，每個時隙的持續(xù)時間為0.667 ms，WiMAX幀長為5 ms，因此WCDMA一幀的時長相當于WiMAX兩幀。在150步的功率控制周期中，對應WCDMA系統(tǒng)150個時隙，來自WiMAX系統(tǒng)的干擾是隨著UL/DL比例時變的，過程如圖3所示。

圖3　WCDMA和WiMAX幀結構時間軸上的對應關系

??? 對移動臺和基站而言，每一步功率控制的步長為1 dB，即信號功率每次增加或減少1 dB，對應于每個WCDMA時隙的WiMAX上/下行鏈路是獨立的。WCDMA系統(tǒng)上/行鏈路功率控制過程如下。

??? （1）上行鏈路功率控制

??? 上行鏈路的初始發(fā)送功率由路徑損耗、熱噪聲電平和6 dB噪聲門限抬升反推得到，即，PTX=PRX+PL=N0+6+PL，其中PRX表示接收功率，PL表示路徑損耗，N0表示熱噪聲功率。上行鏈路載干比計算公式為：

??? 其中C表示載波功率，I表示干擾功率，β表示多址干擾抵消因子，Iown表示本扇區(qū)內其他鏈路干擾功率，Iother表示鄰扇區(qū)干擾功率，在多系統(tǒng)情況下，Iother還包括系統(tǒng)間附近扇區(qū)的干擾功率，可以表示為：

??? （2）下行鏈路功率控制

??? 下行鏈路初始發(fā)送功率在下行業(yè)務信道功率范圍內隨機選取，下行鏈路載干比計算公式為：

??? 其中a表示多址干擾的正交因子。

??? 在上/下行鏈路功率控制過程中。功率控制步長為1 dB。即如果當前載干比比目標載干比大，則信號功率降低1 dB；如果當前載干比比目標載干比小，則信號功率增加1 dB。

??? WiMAX系統(tǒng)沒有功率控制過程。移動臺和基站信號都以最大功率發(fā)射。

??? 3.4　切換仿真過程

??? 切換過程包括軟切換和硬切換。軟切換過程適用于WCDMA系統(tǒng)，硬切換過程適用于WiMAX系統(tǒng)。對于硬切換，則選擇鏈路載干比最大的基站通信。對于軟切換，切換窗為3 dB。并且一個移動臺最多可能有兩條工作鏈路。對于上行通信鏈路，采用選擇分集方法。而對于下行通信鏈路，采用宏分集方法進行處理，即對兩條鏈路載干比之和進行功率控制。這時。鏈路總載干比為：

??? 其中，C1、C2是鏈路接收的有用信號功率，I1、I2表示鏈路干擾功率，N0是熱噪聲功率。

??? 3.5　系統(tǒng)容量準則

??? 干擾對于WCDMA系統(tǒng)上/下行鏈路的影響，主要用有系統(tǒng)間干擾和無系統(tǒng)間干擾的相對容量損失表示。干擾對WiMAX系統(tǒng)的上/下行鏈路的影響，主要用頻譜效率衡量。

??? WCDMA單系統(tǒng)上行鏈路容量，根據(jù)底噪抬升6 dB時用戶數(shù)確定。WCDMA單系統(tǒng)下行鏈路容量根據(jù)中斷概率為5%時用戶數(shù)確定。

??? 對于WiMAX系統(tǒng)負荷是75%。在每次仿真之后，都可以得到WiMAX系統(tǒng)每個鏈路的信噪比。再根據(jù)表1中信噪比和頻譜效率的對應關系。得到系統(tǒng)所有鏈路的頻譜效率平均值。

??? 表1中，QPSK CTC編碼中6、4和2分別表示重復編碼的次數(shù)。

??? 表1　WiMAX物理層1%PER（誤包率）時的頻譜效率

??? 4、仿真結果

??? 4.1　WiMAX系統(tǒng)對WCDMA系統(tǒng)的干擾

??? 由前面的功率控制可以看出，由于WCDMA和WiMAX幀結構的不同，WCDMA在進行功率控制時要同時考慮WiMAX上/下行對其的干擾。

??? （1）WiMAX系統(tǒng)上/下行對WCDMA系統(tǒng)上行的干擾

??? 為了便于比較，WiMAX系統(tǒng)上/下行干擾WCDMA系統(tǒng)上行的仿真結果如圖4～6所示。

圖4　WCDMA上行容量損失與A CIR的關系

圖5　WCDMA上行容量損失與基站間距的關系

圖6　WCDMA上行容量損失與MCL的關系

??? 由以上結果可以清晰地看出：

??? WiMAX上行干擾WCDMA上行和WiMAX下行干擾WCDMA上行兩種情況下的ACIR對WCDMA的容量都有影響。由圖4可以看出，隨著ACIR的增大，WiMAX系統(tǒng)對WCDMA系統(tǒng)上行的干擾減小，WCDMA系統(tǒng)容量損失隨之減小。要想保證WCDMA系統(tǒng)損失小于5%，要求WiMAX上行干擾WCDMA上行和WiMAX下行干擾WCDMA上行的ACIR值分別為60 dB和95 dB。相對于標準設備情況下ACIR值分別提高了23 dB和50 dB左右。

??? 在相同ACIR的情況下，隨著WiMAX和WCDMA基站距離偏移量的由0增大為288.5 m和577 m時，WiMAX系統(tǒng)對WCDMA基站的干擾相應減小。由圖5可以看出，隨基站間距離增大，仿真曲線距離相距逐漸減小，說明干擾抑制改善效果逐漸減弱。

??? 在WiMAX系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)基站共站址的情況下，增大最小耦合損耗（MCL），看到WCDMA系統(tǒng)受到的干擾和容量損失相應減小（見圖6）。原因是增大MCL相當于兩系統(tǒng)基站之間增大了保護間隔。增加了干擾鏈路的鏈路損耗，從而降低了干擾。

??? （2）WiMAX系統(tǒng)上/下行對WCDMA系統(tǒng)下行的干擾

??? 經(jīng)過仿真得到，WiMAX上/下行對WCDMA下行的干擾造成的WCDMA系統(tǒng)容量的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于3%。如果對設備指標加以限制，WCDMA系統(tǒng)容量的損失將近似可以忽略。

??? 4.2　WCDMA系統(tǒng)對WiMAX系統(tǒng)的干擾

??? （1）WCDMA系統(tǒng)上行對WiMAX系統(tǒng)上行的干擾經(jīng)過仿真得到，WCDMA上行對WiMAX上行的干擾造成的WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于4%。

??? （2）WCDMA系統(tǒng)下行對WiMAX系統(tǒng)上行的干擾

??? 從圖7可以看出，隨著ACIR的增大，WCDMA系統(tǒng)下行對WiMAX系統(tǒng)上行的干擾減小，WiMAX系統(tǒng)頻譜效率損失隨之減小。在相同ACIR的情況下，隨著WiMAX和WCDMA基站距離偏移量的增大為288.5 m和577 m時，由于WCDMA系統(tǒng)的干擾引起的WiMAX頻譜效率的損失逐漸降低。

圖7　WiMAX上行頻譜效率與基站間距的變化

??? （3）WCDMA系統(tǒng)上行對WiMAX系統(tǒng)下行的干擾

??? 經(jīng)過仿真得到，WCDMA上行對WiMAX下行的干擾造成的WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于2%。

??? （4）WCDMA系統(tǒng)下行對WiMAX系統(tǒng)下行的干擾

??? 經(jīng)過仿真得到，WCDMA下行對WiMAX下行的干擾造成的WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于3%。

5、結語

從以上的分析可以確定在不同網(wǎng)絡布局情況下，兩系統(tǒng)之間共存對WCDMA系統(tǒng)容量和WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的影響。在共站情況下的WiMAX下行對WCDMA上行的干擾和WCDMA下行對WiMAX上行的干擾是最嚴重的兩種情況。仿真中通過嚴格設備參數(shù)提高ACIR、增大地理偏移距離、提高MCL的方法降低干擾到可以接受的水平。在實際的工程中，對于干擾嚴重的情況，還可以采用通過附加濾波器和線性化功率放大器、使用保護帶寬等方法來減小系統(tǒng)間干擾。