方箭??，楊文翰，黃標(biāo)

（國家無線電監(jiān)測中心，北京100037）

基于共存研究的認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)檢測門限分析?

方箭??，楊文翰，黃標(biāo)

（國家無線電監(jiān)測中心，北京100037）

檢測門限作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)的重要指標(biāo)，其合理設(shè)置是確保授權(quán)系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)對數(shù)字電視廣播信號的檢測門限分析利用系統(tǒng)間共存研究方法，仿真了不同典型參數(shù)下的覆蓋區(qū)和干擾保護(hù)區(qū)，基于鏈路的對稱性分析了認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)對數(shù)字電視廣播信號的最小檢測門限，并驗證了此門限下的性能。仿真結(jié)果表明，－87 dBm檢測門限值既可滿足對數(shù)字電視系統(tǒng)的保護(hù)，也可實現(xiàn)良好的檢測和虛警性能。

認(rèn)知無線電；TD-LTE；檢測門限；共存研究；數(shù)字廣播電視；能量檢測

1 引言

目前，我國IMT系統(tǒng)已分配及近期可分配的頻率主要在2 GHz左右及以上頻率范圍，對于TD-LTE尤其如此。TD-LTE目前可能獲得的頻率資源都在2 GHz以上，為了滿足未來業(yè)務(wù)需求，在WRC07大會上，ITU通過決議將由數(shù)字廣播電視系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造而釋放的“數(shù)字紅利”頻段用于IMT。此頻段空閑頻率資源豐富、頻道帶寬較寬、頻率占用變化慢且富于規(guī)律，可以通過改變傳統(tǒng)的固定頻率分配及管理方式，利用認(rèn)知無線電技術(shù)，讓TD-LTE與現(xiàn)有授權(quán)系統(tǒng)動態(tài)共享頻譜資源。認(rèn)知無線電的核心思想是在不影響授權(quán)頻段的正常通信的基礎(chǔ)上，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“機(jī)會方式”接入授權(quán)的頻段內(nèi)，并動態(tài)地利用頻譜。對頻譜環(huán)境的感知是認(rèn)知無線電技術(shù)實現(xiàn)的前提和先決條件，只有在對環(huán)境感知和檢測的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行對空閑頻譜資源的有效利用。而檢測門限則是頻譜檢測的關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)置合理與否決定了主次業(yè)務(wù)能否在不互相干擾的前提下最有效地共享頻率資源。

國內(nèi)很多研究課題已經(jīng)開展了認(rèn)知無線電在“數(shù)字紅利”頻段應(yīng)用的研究，為未來潛在商用提供可能性。國際上，美國和歐盟也啟動了相關(guān)認(rèn)知無線電項目，而ITU、ETSI等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也進(jìn)行了立項研究。認(rèn)知無線電指標(biāo)的確立是開展此工作的前提，IEEE 802.22根據(jù)美國國內(nèi)ATSC數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)分析了“白頻譜”認(rèn)知無線電應(yīng)用的檢測門限［1］，而歐洲根據(jù)DVB-T的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，通過覆蓋區(qū)信號的概率分布特性研究了不同場景下的檢測門限［2］。中國于2006年發(fā)布了數(shù)字電視國標(biāo)，與歐美標(biāo)準(zhǔn)存在差異，國際的研究成果不能完全適應(yīng)國內(nèi)情況，因此，需要分析國內(nèi)認(rèn)知無線電應(yīng)用指標(biāo)。

本文首選建立了數(shù)字廣播電視與TD-LTE系統(tǒng)共享的工作場景，利用數(shù)字電視規(guī)劃方法和系統(tǒng)間共存研究思路，形成了檢測門限的計算方法；基于提出的計算方法，仿真了不同場景、不同干擾保護(hù)要求下所需的認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)的檢測門限；最后通過傳統(tǒng)能量檢測算法驗證仿真門限的可實現(xiàn)性。

2 檢測門限計算方法

認(rèn)知檢測門限是指達(dá)到一定檢測概率及虛警概率時，能檢測到的最小授權(quán)系統(tǒng)信號強(qiáng)度。認(rèn)知檢測門限的選擇需要保證認(rèn)知節(jié)點能夠有效地檢測到授權(quán)系統(tǒng)工作狀態(tài)，避免產(chǎn)生干擾，同時，使得認(rèn)知系統(tǒng)工作更加高效，并具有工程可實現(xiàn)性。檢測門限越低，表明認(rèn)知系統(tǒng)對授權(quán)系統(tǒng)越敏感，對授權(quán)系統(tǒng)的干擾就越小。但會導(dǎo)致認(rèn)知系統(tǒng)的工作效率較低，同時，也給感知節(jié)點的實現(xiàn)帶來更大的挑戰(zhàn)；檢測門限越高，認(rèn)知系統(tǒng)的工作效率越高，但也越容易對授權(quán)系統(tǒng)造成干擾。

2.1 共享場景

在UHF頻段的認(rèn)知無線電應(yīng)用中，數(shù)字廣播電視系統(tǒng)作為授權(quán)系統(tǒng)，TD-LTE系統(tǒng)為認(rèn)知系統(tǒng)。其共享場景如圖1所示，授權(quán)臺站發(fā)射機(jī)位于覆蓋區(qū)的中心，覆蓋區(qū)內(nèi)有多個授權(quán)接收機(jī)；認(rèn)知小區(qū)發(fā)射機(jī)位于小區(qū)中心，認(rèn)知小區(qū)內(nèi)有多個認(rèn)知接收機(jī)。D是認(rèn)知小區(qū)基站與授權(quán)臺站發(fā)射機(jī)間距離，RI和RS分別為授權(quán)臺站覆蓋區(qū)半徑和認(rèn)知小區(qū)的覆蓋半徑。

認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)共享頻譜的同時，可能存在同頻干擾，具體表現(xiàn)為在廣播電視系統(tǒng)的覆蓋區(qū)內(nèi)會存在“盲區(qū)”，導(dǎo)致“盲區(qū)”的電視接收機(jī)無法正常接收信號。

圖1 認(rèn)知TD-LTE工作場景fig.1 Working scene of cognitive TD－LTE

同頻干擾產(chǎn)生主要是授權(quán)系統(tǒng)接入時，認(rèn)知系統(tǒng)并沒有檢測到其存在，檢測門限的合理設(shè)置是保證消除同頻干擾的重要因素。

2.2 計算方法

基于基站側(cè)進(jìn)行頻譜檢測前提下進(jìn)行分析。首先，參考國內(nèi)數(shù)字電視規(guī)劃思路計算覆蓋區(qū)；其次，利用系統(tǒng)間干擾保護(hù)要求，計算數(shù)字廣播電視系統(tǒng)覆蓋區(qū)的邊緣電視接收機(jī)干擾要求；在上述基礎(chǔ)上分析檢測門限；最后，分析檢測門限的可實現(xiàn)性。

計算流程如下。

第一步：數(shù)字廣播電視覆蓋區(qū)的計算

根據(jù)我國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)［3－4］，通過信噪比和噪聲功率大小可以計算出最小等效場強(qiáng)，然后，利用所選擇數(shù)字電視接收機(jī)類型選擇典型地點概率要求進(jìn)而計算出此時的最小中值場強(qiáng)（即規(guī)劃場強(qiáng)），選擇典型的發(fā)射機(jī)參數(shù)、典型傳播模型（ITU-R P.1546）

計算覆蓋半徑［5］。計算公式如下：

式中，Pmin為邊緣最小功率；Pmed為邊緣中值對應(yīng)功率；Pmmn為人為噪聲容限，在此取0；σm為大尺度均方差（σm＝5.5 dB）；σb為建筑物穿透損耗均方差（dB），在此為0；u為分布因子，在此取95%時的1.64；GtDTV為數(shù)字廣播電視機(jī)增益；GrDTV為廣播電視接收機(jī)最大增益（插入損耗已考慮其中）；PtDTV為數(shù)字廣播電視機(jī)發(fā)射功率；Losscoverage為數(shù)字廣播電視機(jī)與覆蓋邊緣接收機(jī)的路徑損耗；dcoverage為覆蓋半徑；f－1（x）為路徑損耗函數(shù)的逆函數(shù)。

第二步：覆蓋區(qū)邊緣數(shù)字電視接收機(jī)保護(hù)距離計算

在基于TD-LTE的認(rèn)知系統(tǒng)中，TD-LTE典型參數(shù)［7－9］選取3GPP典型參數(shù)。認(rèn)知發(fā)射機(jī)與數(shù)字接收機(jī)之間的保護(hù)距離計算如下：

式中，Lossprotecting為認(rèn)知LTE發(fā)射機(jī)與電視接收機(jī)之間的路徑損耗；PtLTE為認(rèn)知LTE發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；GtLTE為認(rèn)知LTE發(fā)射機(jī)的最大天線增益；IDTV為數(shù)字電視接收機(jī)最大允許干擾電平，在此利用I／N為－6或－10；dprotecting為數(shù)字電視接收機(jī)保護(hù)距離。

第三步：檢測門限計算

在認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)中，基站側(cè)進(jìn)行頻譜探測，即檢測模塊和基站處于相同的地理位置，因此，檢測門限計算如下：

式中，Pth為檢測門限。

第四步：門限適用性分析

由于能量檢測算法作為頻譜探測的基本算法，因此，將檢測門限作為檢測模塊的接收機(jī)輸入的最小電平值，利用能量檢測算法的檢測性能（虛警概率和檢錯概率）評估其可用性［6］。具體計算公式如下：

檢錯概率為

虛警概率為

式中，r－th為檢測門限，Noiselevel、DTVlevel為相應(yīng)噪聲與數(shù)字廣播電視的電平值，在此取前文中檢測門限大小，f（x）為信號和噪聲的概率密度函數(shù)，為了便于分析，在此認(rèn)為信號和噪聲均為高斯分布，因而，其能量求和為χ2分布的變形分布。

3 分析結(jié)果

3.1 仿真參數(shù)

根據(jù)3GPP TS36.101、26.104［7－9］和我國數(shù)字電視國標(biāo)［3－4］，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字電視臺站實際資料，選取典型仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters

3.2 仿真結(jié)果

如圖2所示，計算了數(shù)字廣播電視不同發(fā)射功率（10～1 000 kW）時，不同條件下的檢測門限。隨數(shù)字廣播電視發(fā)射功率的提高，檢測門限也相應(yīng)提高，為了確保不同條件下認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)都不會對數(shù)字廣播電視造成干擾，選擇最小發(fā)射功率條件下計算的檢測門限。電視接收機(jī)干擾門限采用I／N＝－6時，在城區(qū)的檢測門限為－69 dBm，郊區(qū)為－87 dBm；電視接收機(jī)干擾門限采用I／N＝－10時，在城區(qū)的檢測門限為－72 dBm，郊區(qū)為－87 dBm。

圖2 檢測門限性能Fig.2 Detection threshold performance

根據(jù)前面分析可知，在城市和郊區(qū)環(huán)境下檢測門限分別取－69 dBm和－87 dBm可以有效地保護(hù)授權(quán)系統(tǒng)（數(shù)字廣播電視系統(tǒng)）不受認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)干擾進(jìn)行工作?；冢?9 dBm和－87 dBm的檢測，輸入電平在10μs和1 ms檢測時長下進(jìn)行工作的虛警概率和檢錯概率如圖3和圖4所示，橢圓區(qū)域表示可選擇的門限區(qū)域，基于1%虛警概率和1%檢錯概率考慮，城區(qū)和郊區(qū)分別有8 dB和28 dB的可調(diào)范圍，證明了檢測門限選擇的有效性。

圖310 μs檢測時長下的虛警概率和檢錯概率Fig.3 Detection probability of false alarm performance under 10μs

圖41 ms檢測時長下的虛警概率和檢錯概率Fig.4 Detection probability of false alarm performance under 1 ms

4 結(jié)論

本文基于認(rèn)知TD-LTE系統(tǒng)在數(shù)字紅利頻段工作進(jìn)行研究，從系統(tǒng)間干擾分析角度給出了檢測門限的計算方法，并選取我國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)典型參數(shù)分析了認(rèn)知系統(tǒng)在不同場景時認(rèn)知檢測門限的大小，并在此基礎(chǔ)上，通過能量檢測算法驗證了其適用性，解決了國內(nèi)在此方面研究的空白。本文對認(rèn)知系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的分析方法和建議指標(biāo)可為未來工程上指標(biāo)規(guī)范、潛在商用等提供借鑒和基礎(chǔ)。由于我國模擬電視系統(tǒng)還要繼續(xù)存在相當(dāng)長一段時間，建議后續(xù)開展對模擬電視的分析。

［1］IEEE Std 802.22TM－2011，IEEE Standard for Information Technology Telecommunications and information exchange between systems Wireless Regional Area Networks（WRAN）Specific requirements Part 22：Cognitive Wireless RAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications：Policies and Procedures for Operation in the TV Bands［S］.

［2］Technical and Operational Requirements for the Possible Operation of Cognitive Radio Systems in the‘White Spaces’of the Frequency Band 470－790 MHz［R］／／ECC Report 159. Cardiff：ECC，2011.

［3］GB 20600－2006，DTV地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制DTV地面國家標(biāo)準(zhǔn)［S］. GB 20600－2006，F(xiàn)raming Structure，Channel Coding and Modulation for Digital Television Terrestrial Broadcasting System［S］.（in Chinese）

［4］GY／T237－2008，VHF／UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則［S］. GY／T237－2008，F(xiàn)requency planning criteria for digital terrestrial television broadcasting in the VHF／UHF bands［S］.（in Chinese）

［5］ITU-R P.1546－4，Method for point-to-area predictions for terrestrial servicesinthefrequencyrange 30 MHzto 3 000 MHz［S］.

［6］Fang Jian，Zhu Xiao-pei，Huang Biao，et al.A novel detection scheme to mitigate the TD-LTE interference［C］／／Proceedings of 2010 International Conference on Communications，Circuits and Systems.Chengdu：IEEE，2010：59－62.

［7］3GPP TS 36.101，User equipment radio transmission and reception［S］.

［8］3GPP TS 36.104，Base station radio transmission and reception［S］.

［9］3GPP TR 36.942，Radio frequency（RF）system scenarios.［S］.

FANG Jian was born in Anhui Province，in 1986.He received the B.S.degree from Beijing U-niversity of Posts and Telecommunications in 2009. His research concerns the planning of radio spectrum，electromagnetic compatibility analysis，cognitive radio and so on.

Email：fangjian1986＠gmail.com

楊文翰（1983—），男，廣東人，2011年于北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院獲微波與電磁場博士學(xué)位，主要從事無線電頻譜規(guī)劃、認(rèn)知無線電等方面的研究工作；

YANG Wen-han was born in Guangdong Province，in 1983.He received the Ph.D.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 2011.His research concerns the planning of radio spectrum，cognitive radio and so on.

黃標(biāo)（1967—），男，安徽人，2004年于北京郵電大學(xué)獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為副總工程師，曾獲中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎一項、二等獎二項，獲中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎一項，主要從事系統(tǒng)間電磁兼容分析研究、電波測量和電磁環(huán)境保護(hù)研究以及ITU-R IMT-Advanced關(guān)鍵技術(shù)的研究和評估工作，已在國內(nèi)、國際學(xué)術(shù)會議和期刊上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文20余篇。

HUANG Biao was born in Anhui Province，in 1967.He received the B.S.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 2004.He is now an associate general engineer.His research concerns EMC.He has published more than 20 papers.

Detection Threshold Analysis of Cognitive TD-LTE System Based on Coexistence of TD-LTE and Digital Broadcasting Television

FANG Jian，YANG Wen-han，HUANG Biao
（The State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China）

As a key indicator，reasonable setting of detection threshold guarantees the authorization and cognitive system to work effectively.Under the guidance of coexistence analysis between TD-LTE and digital broadcasting television，detection threshold can be derived by calculating coverage and protecting areas employing symmetric link.Simulation results show that－87 dBm detection threshold can not only avoid interfering digital broadcasting television，but also achieve good performance of false alarm probability and detection probability.

cognitive radio（CR）；TD-LTE；detection threshold；coexistence study；DVB；energy detection

The National Science and Technology Major Project of China（2012ZX03003004，2012ZX03006003）

date：2012－11－02；Revised date：2013－04－28

國家科技重大專項（2012ZX03003004，2012ZX03006003）

??通訊作者：fangjian1986＠gmail.comCorresponding author：fangjian1986＠gmail.com

TN92

A

1001－893X（2013）07－0953－04

方箭（1986—），男，安徽人，2009年于北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院獲信號與信息處理系統(tǒng)專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事無線電頻譜規(guī)劃、系統(tǒng)間電磁兼容分析、認(rèn)知無線電等方面的研究工作；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.025

2012－11－02；

2013－04－28