WCDMA和PHS系统共存干扰的研究

    作者：郭隆庆  李英丹  屈鹏飞  孙文江 　

    2G网络和3G网络将在今后几年内共存，为使二者正常工作必须考虑不同技术体制的共存问题。

    本文从WCDMA和PHS的频谱规划和无线传播模型出发，应用基于Monte-Carlo分析方法的计算机仿真平台，对WCDMA和PHS的干扰问题进行了细致的计算机仿真，并给出了仿真结果，提出了相应建议。

    要害词：邻信道功率干扰比Monte-CarloWCDMAPHS

    1、引言

    近年来，随着我国移动通信市场的迅速发展，以GSM、PHS等为代表的2G系统已被大范围部署并投入使用，3G系统也将入网应用。如何保障2G和3G两个移动通信系统可靠工作，已经成为关注的重点。

    依据我国对3G系统频率使用的规划方案，WCDMA系统和PHS系统在1920MHz四周邻频共存。目前研究移动通信系统之间的共存干扰问题通常采用3种方法[1]：最小耦合法（MCL）、增强的最小耦合法（E-MCL）和蒙特卡洛法（Monte-Carlo）。本研究采用Monte-Carlo算法，针对WCDMA系统与PHS系统在不同传输或接收状态下的共存干扰、PHS系统的自干扰以及共存小区半径变化对不同系统的影响进行了细致的研究，并给出了仿真结果。

    2、WCDMA和PHS在固定小区半径下共存干扰的仿真

    2.1WCDMA上行链路和PHS上行链路间干扰仿真

    WCDMA属于FDDCDMA系统，它的上行链路频段和PHS频段相邻。当两系统在某小区呈共存分布时（如图1所示），WCDMA的上行链路与PHS系统之间有可能存在共存干扰。图1中，粗线和细线分别表示WCDMA和PHS系统；设小区半径为R，系统间偏移距离D为R/2。

    图1  两系统共存布局

    对于图1的WCDMA上行链路和PHS上行链路的传播路径模型，设系统移动台（MS）个数为m，基站（BS）个数为n。根据随机分布产生的坐标信息，则移动台和基站之间的距离矩阵Dmxn为

    （1）

    式（1）中，d表示第i个移动台和第j个基站之间的距离。由距离产生的路径损耗为

    （2）

    则移动系统的所有链路的广义路径损失Pmxn可表示为：

    （3）

    式（3）中：表示广义路径损失。lgF是固定偏差的对数正态衰落，它根据具体的仿真环境而定：GTx为发射机的天线增益；GRx为接收机的天线增益；LMc为最小耦合损失。

    依据参考文献[2]，此模型下最小耦合损失为70dB，因此，最终的传播损失可表示为

    （4）

    因为移动台和基站之间的发射功率是通过功率控制决定的，仿真使用的功率控制模型基于SIR（信噪比）的功率控制和内环+外环闭环功率控制方案，通过功率控制改变信号的发送功率，使计算得到的内环SIR值保持在外环给定的目标SIR上。上行链路功率控制过程中，需要计算移动台和基站之间的SIR，对于上行链路，其接收机端口的SIR计算公式为

    （5）

    式（5）中，S：基站接收的有用信号功率；Gp：处理增益；Iown：来自与本链路相关基站连接的除本移动台外其他移动台的干扰；Iother：来自与其他基站连接的移动台的干扰；No：热噪声；β：干扰抑制因子。当不使用联合检测技术时，β=0。

    功率控制后发射机的发射功率是

    （6）

    式（6）中，Ptotal是基站接收到的总功率；SIRtarget：目标SIR值。

    容量的变化是衡量系统性能的一个重要指标。因为WCDMA系统是一个软容量的系统，其容量随具体条件的变化而发生变动。仿真中依据3GPP规定，WCDMA系统的上行链路采用6dB噪声提升准则（对应于75%负载），即接收机端接收到的所有功率和热噪声的比值为6dB时，接入的每小区/扇区平均满足用户数即为系统的容量。设定单运营商情况下的系统容量为Nsingle，多运营商情况下的系统容量为Nmulti，容量损失定义为

    （7）

    由于PHS系统使用SIR指标来测试系统的性能，仿真时先计算出单运营商时系统的性能指标是SIRsingle，然后求出多运营商情况下的系统性能指标SIRmulti，系统性能的下降Performanceloss定义为

    （8）

    仿真中使用的发射机和接收机的特性参数是：WCDMA基站发射功率为5-43dBm，噪声门限为-103.1dBm；WCDMA移动台发射功率为-50-21dBm，噪声门限为-96.1dBm；PHS基站发射功率为27dBm，噪声门限为-114dBm；PHS移动台发射功率为10dBm，噪声门限为-110dBm；仿真进程个数为10000个，符合3GPP要求。小区类型选用六边型小区，天线类型为全向天线，小区半径R=577m，两系统间隔D=R/2。

    采用ACIR（邻信道功率干扰比）作为衡量系统性能的主要参数之一，其计算公式如式（9）所示：

    （9）

    对于WCDMA上行链路和PHS上行链路之间的干扰仿真，根据标准规定[2-6]，ACLR和ACS（邻信道选择性）按表1取值。

    表1  ACLR和ACS取值

    利用上面所给出的传播模型、功率控制等公式和仿真参数，计算得到如图2所示的WCDMA上行链路和PHS上行链路间干扰的仿真结果。对于宏蜂窝移动通信系统，为了使仿真过程更接近实际情况，干扰仿真中使用wraparound技术，对处于系统边缘的小区通过wraparound等效方法来模拟其所受的实际干扰大小。

    从图2中可以看出，随着ACIR值的减小，系统容量下降，损失增加。当ACIR＜40dB时，WCDMA系统容量下降较快，而PHS语音质量下降较平缓。ACIRPHSBS→WCDMAMS=41.8dB时（PHSBS为干扰者，WCDMA MS为被干扰者，以下格式类似），WCDMA系统上行链路容量损失约为5%；ACIRWCDMA BS→PHS MS=43.8dB时，PHS系统上行链路容量损失＜2%，此时系统之间的互干扰很小。

    图2  WCDMA上行链路与PHS上行链路间共存干扰

    2.2PHS上行链路间的干扰仿真

    PHS属于TDDTDMA系统，其上行链路和下行链路使用相同的频段，假如两个PHS系统不完全同步，将有可能产生互干扰问题。对PHS上行链路间的干扰仿真，使用的传播模型与WCDMA上行链路和PHS上行链路间干扰仿真中使用的传播模型相同。此时PHS基站的ACLR取为48dB。PHS移动台的ACS取为50dB。仿真所用的其他参数与前例相同，仿真进程为10000个。

    图3给出了两个PHS系统上行链路系统偏移R/2时的干扰仿真结果。从图中可以看出，两系统之间的干扰随着ACIR的减小而增大。当ACIRPHSMS→PHSBS=45.8dB时，PHS上行链路容量损失＜3%，符合参考文献[6]所答应的范围，说明PHS系统的上行链路之间的共存干扰对系统影响较小。从图3中还可以看到，两个不同PHS系统的共存干扰曲线变化趋势相同。且水平方向重合。这是因为两个系统同为PHS系统，发射功率和接收机参数相同，所以在干扰相同的情况下，得到的两系统容量损失也相同。

    图3  两PHS上行链路间的共存干扰

    2.3PHS下行链路与WCDMA上行链路间的干扰仿真

    PHS与WCDMA系统频率相邻处除了PHS上行链路与WCDMA上行链路之间的干扰外，还存在有PHS下行链路与WCDMA上行链路之间的干扰。

    WCDMA上行链路对PHS下行链路干扰的路径损耗为

    （10）

    式（10）中，di,j,MS-MS为宏蜂窝系统中某两个移动台之间的距离，单位为km。该模型下对数正态阴影衰落为12dB。

    PHS下行链路对WCDMA上行链路的干扰仿真。在宏小区情况下传播模式使用自由空间路径损失模型。其路径损耗为

    （11）

    式（11）中，di,j,BS-BS为两个基站之间的距离，单位为km。该模型下，当两基站之间的距离d＞921.6m（第一菲涅尔半径）时，对数正态阴影衰落为10dB。

    下行链路接收机端的SIR值可由式（12）计算得到：

    （12）

    式（12）中，S：移动台接收到的信号功率；Gp：路径损失增益矩阵；Iown：来自与本链路相关移动台连接的除本基站外其他基站的干扰；Iother：来自其他基站连接的移动台的干扰；No：热噪声；α：正交因子。

    功率控制后发射机的发射功率为

    （13）

    式（13）中，Gp：处理增益；Pinterf是基站接收到的干扰信号功率；SIRtarget：目标SIR值。

    该仿真中小区类型、系统偏移等参数与图1相同。仿真中WCDMA和PHS的ACLR、ACS参数按表2取值。

    表2  PHS下行链路对WCDMA上行链路的干扰仿真中ACLR、ACS的取值

    PHS下行链路对WCDMA上行链路的干扰仿真结果如图4所示。

    图4  PHS下行链路对WCDMA上行链路的干扰

    从图4中可以看出，PHS下行链路对WCDMA上行链路的干扰随着ACIRPHSBS→WCDMABS的减小而增大，当ACIRPHSBS→WCDMA BS为65dB时，WCDMA系统上行链路的容量损失约为5%。PHS基站的ACLR=48dB，WCDMA基站的ACS=45dB时，通过计算可以得到ACIRPHS BS→WCDMA BS=43.2dB，当ACIRPHS BS→WCDMA BS小于此点时WCDMA系统上行链路容量损失远远大于5%，说明PHS下行链路对WCDMA上行链路存在很大的干扰。因此，在同一小区内同时设立WCDMA和PHS系统时，需要考虑共存干扰的影响。减少因为邻频而产生的干扰，可以通过增加两系统之间的保护带宽，同时在工程实施中调整天线水平和垂直距离、倾角和方位角或者增加附加的滤波器，使PHS系统对WCDMA系统的干扰满足共存要求。从图中还可以看到，WCDMA的系统容量损失与系统间的偏移距离相关，两系统间的偏移距离变大，WCDMA上行链路的容量损失减小。也就是说，还可以通过调整系统间的相对偏移距离来改善干扰的影响。

    图5所示为WCDMA上行链路对PHS下行链路干扰的仿真结果。从图中可以看出，WCDMA上行链路对PHS下行链路的干扰基本上不随ACIRWCDMAMS→PHSBS的变化而变化；在ACIRWCDMAMS→PHS BS=55-75dB时，PHS系统下行链路容量的损失＜2%，并且两系统间偏移距离越大，PHS下行链路的容量损失越小。

    图5  WCDMA上行链路对PHS下行链路的干扰

    2.4PHS上行链路和PHS下行链路间的干扰仿真

    因为PHS的上、下行链路使用相同的频带，依靠使用不同的时隙来区分，当基站不完全同步时，就会产生PHS上行与下行链路之间的干扰。

    图6所示是PHS下行链路对PHS上行链路的干扰仿真结果。从图中可以看出，PHS下行链路对PHS上行链路存在较大的干扰，干扰随着ACIRPHSBS→PHSBS增大而变小，当ACIRPHSBS→PHS BS≥70dB时，上行链路的容量损失≤5%。两PHS系统的不同步是产生干扰的主要原因。因为PHS是TDD系统，上行链路和下行链路使用相同的发射频带，要减少上行和下行链路之间的干扰重要的是要保持基站之间的同步。另外，PHS每个时隙都有保护时隙，基站的同步时差精度一定要在保护时隙以内，同时调整天线水平和垂直距离、倾角和方位角使之干扰最小。同样，从图6中还可以看到，PHS系统偏移距离D越大，PHS上行链路的容量损失越小，适当地增加基站之间的距离也有利于减少系统间的干扰。

    图6  PHS下行链路对PHS上行链路的干扰

    图7所示是PHS上行链路对PHS下行链路的干扰仿真结果。随着ACIRPHSMS→PHSMS的变化，容量损失曲线呈平缓变化趋势，在整个ACIRPHSMS→PHS MS变化区间，容量损失变化＜5%。说明PHS上行链路对PHS下行链路产生的干扰很小，不会给PHS系统的正常工作带来影响。

    图7  PHS上行链路对PHS下行链路的干扰

    3、PHS和WCDMA在可变小区半径下共存干扰的仿真

    WCDMA由于发射功率较大，因而具有大半径覆盖的能力。PHS的理论覆盖半径虽然可以达到1.5km，但受到功率的限制，在实际使用中往往采用较小的半径。本文通过研究不同半径下的PHS系统与固定半径的WCDMA系统间的干扰情况，探讨了PHS的覆盖半径和二者共存干扰的关系。

    仿真中，设定WCDMA小区半径为577m，改变PHS系统半径。对于系统半径大于200m的小区仍使用宏蜂窝传播模型，对于系统半径为200m、120m的小区，则采用微蜂窝传播模型。

    微蜂窝传播模型采用了COSTWalfish-Ikegami模型，在市区环境下，其数学表达式定义如下[2]：

    （14）

    其中：d为基站和移动台之间的距离。此模型下，最小耦合损失为53dB。

    根据参考文献[2，3，4，7]，得到PHS和WCDMA的相关参数：WCDMA在10MHz偏置处的ACLR=43dB：WCDMA的ACS=43dB；WCDMA的杂散发射=-41dBm；PHS的杂散发射为2.5μW；PHS的ACS=50dB。根据以上参数和式（13）可以计算得到如下结果：

    （15）

    根据这个结果，可以判定上述两个仿真结果中：PHS系统性能下降低于1%；WCDMA系统下降低于3%。

    仿真中WCDMA仍然采用功率控制和软切换，PHS采用固定功率发射。由于PHS半径变化后两个运营商的基站群的布局不再如图1中那么规范，这里不存在由d值变化而导致的最好、最差等情况，故仍采用PHS小区半径值为d。设置了相应参数以后，则可对每个要考察的半径进行仿真，仿真进程为10000次，当WCDMA达到饱和容量后，进行下一个半径的仿真，最后可以得出仿真结果。

    3.1不等半径PHS受WCDMA干扰情况仿真结果分析

    图8给出了不等半径PHS受WCDMA干扰情况仿真结果。如图所示，PHS系统性能损失是先下降后提高，也就是意味着系统性能先提高后下降。这个差异主要来自于仿真采用的传播模型的不同：120m、200m半径的情况采用了微蜂窝传播模型；300m以上半径的情况采用了宏蜂窝传播模型。由仿真结果还可以看出，在各个半径下系统性能的损失都小于5%。采用300m以上的半径时系统性能的损失小于1%。其原因是因为PHS未采用功率控制，无论半径如何变化，都以同样的功率发射，这样，假如半径过小，那么基站之间、用户和基站之间的干扰就会加大。半径大于300m以后，随着半径的增加性能又稍微下降，说明PHS由于基站和移动台功率的限制，随半径增加衰落也大大增加，导致系统性能降低，因此不太适合采用很大的小区半径。

    图8  PHS在不同半径下受WCDMA系统干扰的情况

    3.2在不等PHS小区半径下WCDMA受干扰情况的仿真

    如图9所示，WCDMA受PHS小区半径变化的影响不大，容量损失都在3%以下。其中最好情况是半径120m时，容量损失为1.85%；最差情况为半径是577m时，容量损失为2.54%。

    图9  WCDMA在PHS小区半径变化下的性能损失

    从图9中可以看到，WCDMA的系统容量在同一传播模型下随PHS半径的增大而略微减少，原因是随着PHS小区半径逐渐增大至与WCDMA的小区半径相近时，对WCDMA原有正常工作的小区产生了干扰，因而容量有所下降。

    综合PHS和WCDMA两个系统考虑，PHS的小区半径变化对两个网络的影响都很小（＜5%）；而考虑两个网络性能的变化幅度，PHS小区半径的变化对WCDMA的干扰较小，而对本身影响稍大。根据图8、图9的仿真结果并考虑双方的平衡，认为PHS系统半径采用300m比较合适。它也可以作为今后PHS系统的大规模网络覆盖或进行网络优化时的合适小区半径选择。

    4、结论

    由WCDMA和PHS的共存干扰仿真结果可以得到如下结论，WCDMA的上行链路（基站）与PHS系统的上行链路（基站）之间的共存干扰较小；WCDMA的上行链路对PHS的下行链路（移动台）的干扰也很小，系统容量损失均小于5%，共存时不影响系统正常工作。然而，PHS的下行链路对WCDMA的上行链路将会产生很大的干扰，不能忽略。假如要减小这种干扰，可以增加ACIR、保护带宽，同时在工程实施中调整天线水平和垂直距离、倾角和方位角，或者增加附加的滤波器，或保持两个系统基站之间的距离。对于相同的PHS系统，通过仿真结果得到以下结论：PHS上行链路对PHS上行链路和PHS下行链路对PHS下行链路的干扰都很小，两系统间主要的干扰发生在PHS下行链路与PHS上行链路之间。由于两PHS系统的不同步，使两系统之间产生较大的干扰，说明保持良好的系统同步对减小PHS系统的干扰是非常重要的。另外，对于PHS和WCDMA在PHS可变小区半径下共存干扰的研究，给出了在不同PHS小区半径下系统容量损失的仿真结果。通过仿真结果可以看到，合理调整移动系统间的距离，有利于减少系统间的干扰影响，对今后进行网络的优化和小区规划有很好的参考价值。下一步作者还将对WCDMA的多载波干扰和PHS频率复用时的干扰做进一步的研究和探讨。

    参考文献

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