關(guān) 璐， 江 帆， 張曉燕， 郭永明

(1.西安郵電大學(xué) 無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)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(tǒng)與廣電系統(tǒng)共存分析

關(guān) 璐1， 江 帆1， 張曉燕1， 郭永明2

(1.西安郵電大學(xué) 無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)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(shù)字紅利”頻段(698～806 MHz)部署時分-長期演進(jìn)系統(tǒng)，提出一種不同系統(tǒng)兼容的確定性分析方法。基于頻譜占用度實(shí)測數(shù)據(jù)，該方法依據(jù)第三代合作伙伴計劃和中國廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所提供的頻譜模板，根據(jù)干噪比(I/N)保護(hù)準(zhǔn)則，分析時分-長期演進(jìn)系統(tǒng)與廣電系統(tǒng)的鄰頻共存條件。數(shù)值仿真結(jié)果表明，當(dāng)滿足所需的頻率隔離和空間隔離條件時，兩系統(tǒng)可以鄰頻共存。

數(shù)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(shí)現(xiàn)無線通信的重要載體，是國家的戰(zhàn)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(jīng)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(shù)的進(jìn)步，可以將傳輸1套模擬電視節(jié)目所需的8 MHz帶寬信道用來傳輸4～5套數(shù)字標(biāo)清電視節(jié)目，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換能夠節(jié)省出大量的頻率資源，并且節(jié)省出的在700～800 MHz范圍的頻譜資源可用于移動通信，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面具有明顯優(yōu)勢。因此，廣播電視由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字技術(shù)后所節(jié)省出來的頻率資源(即為“數(shù)字紅利”頻段)用于長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。

為了在“數(shù)字紅利”頻段部署時分-長期演進(jìn)(Time Division-Long Term Evolution, TD-LTE)系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)頻譜占用度，獲得部署TD-LTE系統(tǒng)的空閑頻段分布。其次，參照兩系統(tǒng)參數(shù)，探討空閑頻段上兩系統(tǒng)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(tǒng)共享同一頻段的可行性，評估干擾是否對其他無線電業(yè)務(wù)產(chǎn)生危害，一般采用確定性分析方法和系統(tǒng)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(jìn)行研究。確定性分析方法需要獲得兩系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及頻譜模板，依據(jù)計算公式，可以得到相對應(yīng)最惡劣情況的結(jié)果，得出兩系統(tǒng)共存時所需的頻率隔離與空間隔離[2]。但是，傳統(tǒng)的確定性分析方法也有著比較明顯的缺點(diǎn)，即選取干擾最為嚴(yán)重的鏈路，所得的干擾結(jié)果較為悲觀，并且未與實(shí)際的測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，其分析結(jié)果與真實(shí)情況相差較大。

本文基于某地區(qū)(郊區(qū)場景)698～806 MHz的實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合TD-LTE系統(tǒng)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(tǒng)的空閑頻段分布；其次，依據(jù)ITU相關(guān)方法利用干噪比(I/N)準(zhǔn)則對TD-LTE系統(tǒng)與數(shù)字廣播系統(tǒng)在空閑頻段上共存進(jìn)行分析，得到TD-LTE系統(tǒng)與數(shù)字廣播系統(tǒng)共存所需的頻率隔離與空間隔離的關(guān)系。

1 空閑頻譜分析

結(jié)合測量數(shù)據(jù)的頻譜占用度，根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)不同的5種帶寬配置，對“數(shù)字紅利”頻段進(jìn)行空閑頻譜分析，找出適合部署TD-LTE系統(tǒng)的候選頻段，為之后進(jìn)行TD-LTE系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)的共存分析奠定基礎(chǔ)。

頻譜平均占用度是一個統(tǒng)計值，是指連續(xù)測量某一個信道一段時間，把信道內(nèi)信號場強(qiáng)超過一定的門限定義為占用，統(tǒng)計出時間占用的百分比稱為占用度。而根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]顯示，30～3 000 MHz頻段的頻譜平均占用度穩(wěn)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(jù)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，如果在測量時間內(nèi)該頻點(diǎn)頻譜平均占用度小于5%，則認(rèn)為該頻點(diǎn)空閑；否則，認(rèn)為該頻點(diǎn)被占用。

結(jié)合以上判斷依據(jù)，根據(jù)某地區(qū)(郊區(qū)場景)測量數(shù)據(jù)，分析了該地區(qū)不同帶寬配置下的空閑頻段分布情況，具體實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，優(yōu)先考慮大帶寬部署。即如果有20 M空閑頻段，則優(yōu)先部署一個20 M帶寬的TD-LTE系統(tǒng)，而不是部署兩個10 M帶寬的TD-LTE系統(tǒng)。如果沒有20 M帶寬，優(yōu)先考慮部署10 M帶寬，以此類推。

圖1表示的是某地區(qū)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(qū)詳細(xì)的空閑頻譜分布情況。

圖1 某地區(qū)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(tǒng)698704.26.21可部署1個5M系統(tǒng)709.7751.041.31可部署2個20M系統(tǒng)751.4775.023.62可部署1個20M系統(tǒng)775.4781.56.075可部署1個5M系統(tǒng)781.980624.03可部署1個20M系統(tǒng)

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(tǒng)；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(tǒng)。

2 系統(tǒng)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(jìn)行無線電業(yè)務(wù)間共存分析[4]。得出TD-LTE系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)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(guī)則。

利用I/N準(zhǔn)則進(jìn)行無線電業(yè)務(wù)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(qiáng)度與加性噪聲的強(qiáng)度之比，即為信噪比；(S+I)/N表示接收到的有用信號的強(qiáng)度與接收到的干擾信號的強(qiáng)度之和同噪聲強(qiáng)度的比值。

因干擾導(dǎo)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(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比；S/N表示接收到的有用信號強(qiáng)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(guān)系為

(4)

由式(4)可知，-5.85 dB實(shí)際上對應(yīng)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(tǒng)接收到其它系統(tǒng)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(tǒng)接收機(jī)接收到的干擾信號功率；Pt為干擾系統(tǒng)的發(fā)射功率；Gt為干擾系統(tǒng)的發(fā)射天線增益；Gr為被干擾系統(tǒng)接的收機(jī)天線增益；Lt為干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)饋線損耗；Lr為被干擾系統(tǒng)接收機(jī)饋線損耗；Lp(d) 為兩個系統(tǒng)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(jī)的中頻濾波器的頻率響應(yīng)；Δf為受擾接收機(jī)與干擾發(fā)射機(jī)的頻率間隔(kHz)，即為兩系統(tǒng)共存時工作的中心頻率的間隔。其中當(dāng)Δf = 0時兩系統(tǒng)互為同頻干擾。

步驟3 計算接收機(jī)底噪。

接收機(jī)底噪主要由帶電粒子的熱運(yùn)動產(chǎn)生，其功率為[6]為

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

(7)

其中B為接收機(jī)中頻帶寬，Nf為噪聲系數(shù)。

步驟4 計算路徑損耗。

根據(jù)干噪比保護(hù)準(zhǔn)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(tǒng)的干噪比保護(hù)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(jù)路徑傳播模型[7]計算空間隔離距離d，最終得到兩系統(tǒng)共存時所需的頻率隔離和空間隔離。

3 仿真分析

根據(jù)第三代合作伙伴計劃(The3rdGenerationPartnershipProject, 3GPP)相關(guān)協(xié)議[8]、中國廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9-11]所提供的頻譜模板，利用系統(tǒng)間共存的確定性分析方法，研究了TD-LTE系統(tǒng)對廣播電視系統(tǒng)的干擾情況，給出了TD-LTE系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)共存時所需要的頻率隔離和空間隔離。

3.1TD-LTE系統(tǒng)主要參數(shù)

參照3GPP規(guī)范[8]，TD-LTE系統(tǒng)的主要射頻參數(shù)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(tǒng)主要參數(shù)

圖2 TD-LTE系統(tǒng)基站頻譜模板

由圖2可以獲得TD-LTE基站發(fā)射端的頻譜模板的表達(dá)式

3.2 廣播電視系統(tǒng)主要參數(shù)

中國數(shù)字電視廣播系統(tǒng)根據(jù)GB 20600-2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》[9]和GY/T 237-2008《VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則》[10]提供了共存研究需要的有關(guān)中國廣播電視系統(tǒng)參數(shù)，如表3所示。

表3 廣播電視系統(tǒng)主要參數(shù)

GB 20600-2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》[9]中規(guī)定了廣播電視系統(tǒng)的頻譜模版，如圖3所示，其中0dB對應(yīng)整個輸出功率。

圖3 廣播電視系統(tǒng)頻譜模板

由圖3可得廣播電視系統(tǒng)的頻譜模板表達(dá)式

根據(jù)表3可知，廣播電視系統(tǒng)接收所需的信噪比S/N為20 dB。當(dāng)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(tǒng)所需的I/N比要求

20-5.85=14.15 (dB)。

3.3 仿真參數(shù)

根據(jù)空閑頻譜分析結(jié)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(tǒng)和廣播電視系統(tǒng)進(jìn)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(qū)模型[7]，其公式為

Lp(d)(市區(qū))=69.55+26.16lgf-

13.82lgh1-α(h2)+

(44.9-6.55lgh1)lgd,

(9)

Lp(d)(郊區(qū))=Lp(d)(市區(qū))-

(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(hù)距離d為

FDR(Δf)+174-10logB-Nf-β -69.55-

26.16logf+13.82logh1+α(h2)],

(12)

根據(jù)式(12)和式(6)可計算出兩系統(tǒng)共存時所需的頻率隔離和空間隔離。

3.4 仿真結(jié)果

TD-LTE系統(tǒng)基站與廣播電視系統(tǒng)的共存分析結(jié)果如表4所示。

表4 共存分析結(jié)果

TD-LTE系統(tǒng)干擾廣播電視系統(tǒng)的頻率抑制因子FDR與頻率間隔Δf之間的關(guān)系、空間隔離距離d與頻率間隔Δf之間的關(guān)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(guān)系圖

圖5 空間隔離距離d與頻率間隔Δf關(guān)系圖

由表4和圖4、圖5可得，當(dāng)頻率間隔Δf=0MHz，即兩系統(tǒng)處于同頻狀態(tài)下， FDR為4.17dB，為了保證兩系統(tǒng)共存，d至少要達(dá)到35.2km；當(dāng)14MHz≤Δf<24MHz時，即兩個系統(tǒng)處于鄰頻狀態(tài)， 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(guān)系、Δf與d的關(guān)系見表4所示；當(dāng)Δf≥24MHz，F(xiàn)DR和d將不隨著Δf的增大而變化，成為一個常量?？梢钥闯?，當(dāng)滿足上述的頻率隔離和空間隔離條件時，兩系統(tǒng)可以鄰頻共存。

4 結(jié)束語

提出了一種不同系統(tǒng)兼容的確定性分析方法，詳細(xì)闡述了利用此方法進(jìn)行空閑頻譜分析及系統(tǒng)間共存分析的步驟，并以TD-LTE系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)進(jìn)行分析測試，對“數(shù)字紅利”頻段規(guī)劃進(jìn)行探討，得到了兩系統(tǒng)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(tǒng)與數(shù)字廣播電視系統(tǒng)干擾共存分析[D].北京：北京郵電大學(xué),2011.

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

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[9] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB20600-2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[責(zé)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(xué)基金資助項目(2014R33)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃基金資助項目(2011JK8027)；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃基金資助項目(2013JK1064)；西安郵電大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(112-2020)

關(guān)璐(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閷拵o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(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn

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2095-6533(2014)05-0021-06