摘 要： 基于3GPP TR25.942[1]協(xié)議建議的靜態(tài)蒙特卡羅仿真方法，從系統(tǒng)級仿真角度對鄰頻運營的GSM1800系統(tǒng)與3G系統(tǒng)間的電磁兼容性進行研究。結(jié)合仿真結(jié)果，給出GSM1800與各3G系統(tǒng)共存時的互相干擾程度和所需的規(guī)避措施。闡述了靜態(tài)干擾仿真的原理、流程、方法和重要技術，并提出將鏈路" title="鏈路">鏈路層數(shù)據(jù)結(jié)合到系統(tǒng)級干擾仿真中的思想，使仿真結(jié)果更加合乎實際系統(tǒng)。
關鍵詞： 電磁兼容 蒙特卡羅 相鄰信道干擾比
隨著我國3G移動通信產(chǎn)業(yè)商用化腳步的踏進，屆時可能出現(xiàn)GSM1800、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA等多個不同體制的移動網(wǎng)絡在同一地理區(qū)域共存的局面。由于移動通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機的非理想性，彼此之間勢必會產(chǎn)生一定程度的干擾。如何進行頻率規(guī)劃和網(wǎng)絡規(guī)劃，提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率，減少系統(tǒng)間的干擾成為運營商和設備制造商關心的熱點問題。中國通信標準化協(xié)會(CCSA)正通過建立相關課題，組織相關單位對不同系統(tǒng)間電磁兼容問題進行探討研究，力求多種移動網(wǎng)絡合理共存。
本文基于3GPP TR25.942 [1]協(xié)議建議的蒙特卡羅仿真方法，對GSM1800與鄰頻共存的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA間干擾程度進行評估，并給出系統(tǒng)間共存時所需額外保護度及相應規(guī)避措施。
1 仿真的基本原理和方法
1.1 仿真原理及流程
本文的仿真平臺基于干擾仿真研究中經(jīng)典的Monte-Carlo仿真方法，針對基站和移動臺" title="移動臺">移動臺的不同發(fā)射功率" title="發(fā)射功率">發(fā)射功率、移動臺不同的狀態(tài)和位置分布以及基站的不同負載等情況進行仿真，通過對系統(tǒng)進行有限次的抓拍(Snapshot)所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，給出近似真實網(wǎng)絡間的干擾情況。
每次抓拍的描述如下：
(1) 仿真參數(shù)讀入和仿真環(huán)境初始化；
(2) 移動臺生成：在系統(tǒng)內(nèi)生成一定數(shù)量的移動臺，其位置服從均勻分布，從而通過有限次抓拍來模擬實際網(wǎng)絡中移動臺的各種位置分布可能性；
(3) 路徑損耗計算：計算本系統(tǒng)內(nèi)各條鏈路的路徑損耗，附加陰影衰落后存儲到系統(tǒng)內(nèi)鏈路增益矩陣，本次抓拍內(nèi)保持不變；同理，計算系統(tǒng)間相關干擾鏈路的路徑損耗，附加陰影衰落后存儲到系統(tǒng)間鏈路增益矩陣；
(4) 接納控制：移動臺根據(jù)鏈路增益矩陣找尋目標基站接入，WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)移動臺接入時還應根據(jù)鏈路增益矩陣和軟切換門限判斷移動臺是否處于軟切換狀態(tài)；
(5) 單系統(tǒng)不受干擾容量找尋循環(huán)：對系統(tǒng)內(nèi)所有鏈路開始功率控制" title="功率控制">功率控制過程，以滿足目標Eb/N0要求。功率控制后根據(jù)發(fā)射機發(fā)射掩模和接收機阻塞特性及收發(fā)機間頻率間隔進行干擾計算，所得結(jié)果與容量評估準則進行比較，若不符合標準，相應地調(diào)整移動臺數(shù)量，重復步驟(2)~(5)直到滿足評估標準，得出干擾源系統(tǒng)不受干擾容量，并記錄此時移動臺和基站的位置及發(fā)射功率；
(6) 同理得出受害系統(tǒng)不受干擾容量Nsingle，引入步驟(5)記錄的外系統(tǒng)干擾源，進行干擾計算和功率控制，得出受害系統(tǒng)被干擾后容量Ninterfered，則受害系統(tǒng)的容量損失為：
Capacity_loss=1-Ninterfered/Nsingle×100% (1)
經(jīng)過有限次抓拍后，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出各期望指標值，如容量損失與ACIR、基站間距或載波間隔的關系、干擾電平分布、受害系統(tǒng)被干擾概率等。
1.2 仿真方法
1.2.1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
仿真基于正六邊形宏蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)，共16個基站/48個扇區(qū)，基站半徑1 000m，為了消除有限覆蓋帶來的邊界效應，加快仿真速度,采用了wrap around技術。圖1 是仿真中系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。
評價系統(tǒng)間干擾程度時，一般需要仿真容量損失與系統(tǒng)間偏移量(D)的關系，圖 1中箭頭方向為系統(tǒng)間平移方向，D的范圍為[0，R]米，其中R為基站半徑。D=0時，兩系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)重合，D=R時，系統(tǒng)A的基站位于系統(tǒng)B三個基站中心點構(gòu)成的三角形中心，此時達到兩系統(tǒng)基站間的相對最大偏移。
1.2.2 頻率復用
頻率規(guī)劃是指在建設網(wǎng)絡過程中，根據(jù)某地區(qū)的話務量分布分配相應的頻率資源，以實現(xiàn)有效覆蓋。GSM網(wǎng)絡一般采用頻率復用(reuse)技術，使同一頻率覆蓋不同的區(qū)域，這些使用同一頻率的區(qū)域彼此需要相隔一定的距離(稱為同頻復用距離)，以滿足將同頻干擾抑制在允許的指標以內(nèi)。
仿真中GSM1800采用4×3頻率復用方式，如圖1，將每12個頻點劃分為4組，每組3個頻點在同一顏色基站的3個扇區(qū)復用，這樣在相鄰基站間不會有同頻干擾，同一個基站內(nèi)不會有較大的鄰頻干擾，有效提高了鏈路質(zhì)量。
1.2.3 軟切換
考慮WCDMA與CDMA2000軟切換技術，切換門限為3dB，激活集為2，即處于軟切換狀態(tài)的移動臺最多與兩個基站同時通信。移動臺處于軟切換時，上行鏈路選擇性分集合并，選擇質(zhì)量最好的鏈路進行功率控制；下行對兩條鏈路進行等增益合并，分別進行功率控制。
1.2.4 理想功率控制
WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)上下行鏈路均考慮開環(huán)功率控制和理想閉環(huán)功率控制，另外，上行鏈路考慮多用戶檢測技術，下行鏈路利用正交性減少扇區(qū)內(nèi)干擾。 (1)上行C/I計算
其中，S是接收到的有用信號，IOWN是用戶接收到本扇區(qū)基站對其他用戶的發(fā)射功率，也包括由公共信道引起的干擾，IOTHER是來自其他小區(qū)的干擾(在多系統(tǒng)情況下，IOTHER也包括來自鄰近系統(tǒng)降低 ACIR(dB)后的干擾)，NO是熱噪聲，α是正交因子。正交因子α考慮了由于多徑傳播而引起的下行不能完全正交的情況，正交因子為0對應于小區(qū)內(nèi)用戶完全正交的情況，正交因子為1表示小區(qū)內(nèi)干擾與小區(qū)間干擾具有相同的影響。
(3)鏈路層數(shù)據(jù)接口
功率控制與終端狀態(tài)息息相關，涉及終端移動速率、鏈路質(zhì)量、軟切換狀態(tài)等。仿真中根據(jù)終端的狀態(tài)、速率和業(yè)務要求的FER，通過查找鏈路層數(shù)據(jù)映射表得出的Eb/N0，再由理想閉環(huán)功率控制算法(見公式4)求出相應下一時刻的發(fā)射功率。這種結(jié)合終端狀態(tài)和鏈路層數(shù)據(jù)的功率控制算法更加接近實際系統(tǒng)特性，見圖 2。
1.2.5 慢速功率控制
GSM1800系統(tǒng)采用慢速功率控制。仿真中在理想功率控制的基礎上，通過5dB的功率控制目標值余量來實現(xiàn)，即(C/I)target=12+5·random(dB)，其中random∈[0,1]是均勻分布的隨機數(shù)。
1.2.6 干擾計算
上下行所受干擾分別為：
由于引入聯(lián)合檢測和正交化技術，大大減小了扇區(qū)內(nèi)干擾。對于TD-SCDMA系統(tǒng)來說β=0.78；而WCDMA、CDMA2000系統(tǒng)α=0.4， β=0。
1.2.7 容量評估準則
TD-SCDMA 和GSM1800上下行容量均以5%中斷概率準則。
2 仿真結(jié)果及分析
在干擾研究中，可以通過簡單的鏈路預算從理論上分析影響兩系統(tǒng)鄰頻共存的主導干擾情況，通過對這種最嚴重的干擾情況的仿真，得出所需額外保護度，即滿足兩系統(tǒng)合理共存的最小額外保護度，以下仿真均針對系統(tǒng)間最嚴重的干擾情況，理論分析從略。
2.1 GSM1800與WCDMA共存
由圖 3、圖4可以得出以下結(jié)論：
(1) GSM廣播信道干擾WCDMA終端，兩系統(tǒng)間距D增大后，位于被干擾小區(qū)邊緣的用戶從統(tǒng)計上多處于臨近的干擾源基站中心附近，受到較強的外來干擾，為滿足鏈路質(zhì)量必須提高下行發(fā)射功率，這樣導致基站下行平均發(fā)射功率增大，勢必對其他用戶的下行造成較大程度干擾，以上內(nèi)外系統(tǒng)干擾量的增加將導致WCDMA下行容量降低。當ACIR >35dB時，WCDMA下行容量損失〈5%,根據(jù)協(xié)議[2] [4]可求出此時固有ACIR=42.7dB，不需要額外保護度；
(2)GSM終端干擾WCDMA基站，兩系統(tǒng)間距D增大后，干擾源基站的邊緣用戶多位于受害系統(tǒng)基站附近，由于邊緣用戶一般發(fā)射功率較強，這樣對受害基站的干擾較大，導致WCDMA上行容量降低。當ACIR>40dB時，WCDMA上行容量損失〈5%，根據(jù)協(xié)議[2] [4]可求出此時固有ACIR=42.5dB，不需要額外保護度；
GSM1800與WCDMA間基本不需要額外保護間隔，目前的射頻指標可以滿足共存要求。由于兩系統(tǒng)間的干擾隨著系統(tǒng)間偏移量增加而增大，建議在網(wǎng)絡規(guī)劃時，盡量使兩系統(tǒng)共站，這樣可以降低滿足共存的射頻指標要求。
2.2 GSM1800與CDMA2000共存
由圖5，圖6可以得出以下結(jié)論(分析2.1節(jié)中GSM和WCDMA間干擾類似)：
(1)GSM廣播信道干擾CDMA2000終端，當ACIR>37dB時，CDMA2000下行容量損失〈5%，根據(jù)協(xié)議[2][5]可求出此時固有ACIR=55.7dB，不需要額外保護度；
(2)GSM終端干擾CDMA2000基站，當ACIR>46dB時，CDMA2000上行容量損失〈5%，根據(jù)協(xié)議[2][5]可求出此時固有ACIR=44.3dB，所需額外保護度為1.7dB；
影響GSM1800與CDMA2000共存的主要因素為GSM1800終端對CDMA2000基站的干擾。這種情況下需要采取一定的規(guī)避措施，由于所需額外保護度較小，通過簡單規(guī)避措施即可滿足共存要求。例如：增加頻率保護帶，增大系統(tǒng)間最小耦合損耗MCL，在發(fā)射端或接收端加濾波器等。由于兩系統(tǒng)間的干擾隨系統(tǒng)間偏移量增加而增大，為了降低兩系統(tǒng)合理共存時的射頻指標要求，建議在網(wǎng)絡規(guī)劃時，盡量使兩系統(tǒng)共站。
2.3 GSM1800與TD-SCDMA共存
由圖7、圖8可以得出以下結(jié)論：
(1)GSM1800廣播信道干擾TD-SCDMA基站，隨著系統(tǒng)間距D的增加，TD-SCDMA上行容量損失降低。當ACIR分別>83dB時，TD-SCDMA上行容量損失〈5%，根據(jù)協(xié)議[2][3]可求出此時固有ACIR=85dB，故不需要額外保護度；
(2)TD-SCDMA基站干擾GSM1800終端，當ACIR分別>40dB時，GSM1800下行容量損失〈5%，根據(jù)協(xié)議[2][3]可求出此時固有ACIR=77.6dB，故不需要額外保護度；
GSM1800與TD-SCDMA間基本不需要額外保護間隔，目前的射頻指標可以滿足共存要求。
本文重點研究了GSM1800與3G系統(tǒng)在宏小區(qū)下的電磁兼容問題，通過系統(tǒng)級仿真給出了系統(tǒng)間共存的結(jié)論和建議。通過合理的網(wǎng)絡規(guī)劃和適當?shù)囊?guī)避措施，能夠使即將投入商用的3G系統(tǒng)與現(xiàn)有的GSM1800系統(tǒng)在同一地理區(qū)域內(nèi)合理共存。
參考文獻
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