WLAN与TD-LTE系统在2.4 GHz频段共存干扰

王 侃 ，杨家玮

(西安电子科技大学信息科学研究所，陕西西安 710071)

2002年10月23日，原信息产业部公布了我国第三代公众移动通信系统频率规划，其中2 300～2 400 MHz是TDD方式的补充工作频段。目前3GPP定义TDD的频段有:1 850～1 920 MHz;2 010～2 025 MHz;2.3～2.4 GHz;2 570～2 620 MHz。

目前，我国TD-LTE系统实验用的频段为2 300～2 400 MHz。同时，2 400～2 483.5 MHz为ISM频段。根据频谱规划，在2.4 GHz频段将会出现TD-LTE与WLAN系统共存的场景。

作为系统共存产生的带外干扰，由接收机和发射机特性的不完善造成。工作于ISM频段的WLAN设备的带外辐射值会对TD-LTE系统造成一定程度的干扰，因此，需要对WLAN设备的带外辐射值进行限制。由此可见，研究TD-LTE和WLAN系统的共存问题很有实际意义。运营商在进行网络规划时，必须对WLAN设备的带外干扰值进行限制，否则会影响TD-LTE系统的正常工作。

1 WLAN系统对TD-LTE系统干扰分析

TD-LTE与WLAN系统都是TDD工作方式且不同步。当WLAN和TD-LTE系统都工作于上行或下行时隙时，WLAN的AP(Access Point)会对TD-LTE的UE(User Equipment)产生干扰，或WLAN的STA(Station)对TD-LTE的eNodeB干扰;当两系统共存于不同时隙时，则会产生AP对UE的干扰或STA对eNodeB的干扰。因此，WLAN与TD-LTE系统的共存干扰主要包括以下8种场景[1]:(1)WLAN系统STA(Station)对TD-LTE系统基站干扰。(2)WLAN系统AP(Access Point)对TD-LTE系统基站干扰。(3)WLAN系统STA对TD-LTE系统终端干扰。(4)WLAN系统AP对TDLTE系统终端干扰。(5)TD-LTE系统终端对WLAN系统AP干扰。(6)TD-LTE系统基站对WLAN系统AP干扰。(7)TD-LTE系统终端对WLAN系统STA干扰。(8)TD-LTE系统基站对WLAN系统STA干扰。

当WLAN设备作为干扰源时，产生的辐射主要分为带外辐射(Out-Of-Band，OOB)和杂散辐射。WLAN系统STA的空中接口物理层要求在YDC 079-2009《移动用户终端无线局域网技术指标和测试方法》做了规定。WLAN系统在2.4 GHz频段的工作范围为2 400～2 483.5 MHz。

1.1 工作信道

WLAN系统在2.4 GHz频段的工作信道编号和信道中心频率如表1所示[3]。

表1 2.4 GHz频段信道分配方案

1.2 无线指标要求

1.2.1 uhy等效全向辐射功率

等效全向辐射功率应满足:(1)天线增益 ＜10 dBi时:≤100 mW或≤20 dBm;(2)天线增益=10 dBi时:≤500 mW或≤27 dBm。

带外辐射功率≤-80 dBm/Hz(EIRP);杂散辐射功率≤ - 30 dBm/1 MHz[3]。

1.2.2 TD-LTE设备受干扰保护准则

TD-LTE系统接收机所受到的干扰电平可表示为

其中，N表示接收机热噪声电平，计算公式

B为接收机信道带宽;NF为噪声系数。TD-LTE系统基站的热噪声系数为5 dB，移动台的热噪声系数为9 dB。I/N为接收机输入端噪声功率与干扰功率的比值。TD-LTE系统基站的噪声功率与干扰功率比值为-10 dB，移动台噪声功率与干扰功率的比值取-6 dB。

可得到TD-LTE设备对WLAN设备带外干扰功率值的要求为

Pathloss为干扰机到接收机的路径损耗，GTX为干扰机的天线增益，GRX为接收机的天线增益。由此可计算出TD-LTE系统所允许的WLAN设备的最大带外干扰功率值。

2 仿真平台设计

2.1 仿真方法

系统仿真分为静态仿真和动态仿真，静态仿真又称蒙特卡罗仿真。该方法将对基站和移动台的发射功率、基站的负载等情况进行仿真，将整个系统的运转区间划分为若干个间隔，每两个间隔之间为一个快照(Snapshot)取样时刻，将所有快照时刻的取样结果进行记录，用统计方法加以分析，产生所需结果，所以这种方法又称为静态快照方法。

文中采用静态仿真，每次仿真时设定满足通信要求的区域覆盖面积，计算出所要求的WLAN系统最大带外干扰功率值。在CCSA中，此种方法又称为干扰地理分布研究[5]。

2.2 仿真参数设定

TD-LTE系统主要参数如表2所示[8-9]。

表2 TD-LTE系统参数配置

WLAN系统主要参数如表3所示[2]。

表3 WLAN系统参数配置

2.3 仿真场景

根据文献[6]，场景1中WLAN系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 室内WLAN系统对TD-LTE移动台干扰拓扑结构图

此WLAN系统位于一3层办公楼内。如图1所示[6]，房间的面积为10 m×10 m，走廊宽5 m，长100 m，每层楼高为3 m。图中所示黑点为AP的分布。S表示干扰机，即WLAN系统的STA;D为被干扰机，即TD-LTE系统的终端。仿真设定中，AP共20个，如图1所示分布。STA共200个，位于房间的概率为90%。

场景2中网络拓扑结构如图2所示。其中，3层办公楼中WLAN设备的分布与图1相同。TD-LTE的基站位于室外，位于办公楼中心25 m处。Xoffset为基站偏离办公楼中心的距离。θ为基站天线到办公楼外墙的入射角。Yoffset为基站天线与相应楼层的相对高度。

图2 室内WLAN系统对室外TD-LTE基站干扰拓扑结构图

场景3中网络拓扑结构图如图3所示[6]。

图3 室外WLAN系统对室外TD-LTE系统移动台干扰网络拓扑结构图

室外WLAN系统对室外TD-LTE移动台的干扰网络拓扑结构采用曼哈顿结构。各个街区大小为200 m×200 m，街道宽度为30 m，总区域面积为6.5 km2。AP如图中黑色实点所示，共72个。STA均匀分布于街道中心，仿真中所采用数量为72×5=360。TD-LTE系统的被干扰终端位于街道中心。

场景4中，室外WLAN系统对室外TD-LTE系统基站干扰的网络拓扑结构采用如图3所示结构。此时，TD-LTE的基站位于整个街区的中心位置。

3 仿真结果

下面将根据4种场景的仿真结果，得到TD-LTE系统达到95%和99%覆盖时对WLAN设备带外功率的限值。图4～图7分别得到不同场景下TD-LTE设备对WLAN设备带外辐射功率限值CDF曲线图。

图4 场景1TD-LTE终端对WLAN设备带外功率限值CDF曲线图

室内场景下TD-LTE终端达到99%的覆盖时，对WLAN设备带外功率辐射要求为-91.64 dBm(5 MHz)，达到95%覆盖时为-80.08 dBm(5 MHz)。

图5 场景2TD-LTE基站对WLAN设备带外功率限值CDF曲线图

场景2仿真结果如表4所示。

表4 场景2对WLAN设备限值的计算结果

图6 场景3TD-LTE终端对WLAN设备带外功率限值CDF曲线图

室外曼哈顿街区中TD-LTE终端达到99%的覆盖时，WLAN设备带外功率限值为 -69.56 dBm(9 MHz)，达到95%覆盖时是-59.30 dBm(9 MHz)。

图7 场景4TD-LTE基站对WLAN设备带外功率限值CDF曲线图

室外曼哈顿街区中TD-LTE基站达到99%覆盖时，WLAN设备带外功率限值为 -79.24 dBm(9 MHz)，达到95%覆盖时是-54.80 dBm(9 MHz)。

4 结束语

综合4种场景的分析结果，可知WLAN和TD-lTE系统邻频共存时，WLAN系统的带外辐射会对TD-LTE系统造成较大干扰，使系统吞吐量下降。

为使WLAN系统和TD-LTE系统共存组网，可增加两系统间的频率间隔，减小WLAN设备落入TD-LTE接收机内的杂散辐射值。由于WLAN设备工作于ISM频段，频率较为灵活，所以可将TDLTE设备的工作频段＜(2 400-9)MHz=2 391 MHz，即TD-LTE和WLAN系统相隔一个WLAN信道带宽的频率间隔。

同时制定更为严格的规范，将WLAN设备的带外辐射和杂散辐射功率降低到更低的限值，以减少对TD-LTE及其他系统的干扰。根据以上分析，WLAN设备带外功率限值建议取-60 dBm(9 MHz)。

[1]陈禹.LTE TDD物理层关键技术研究[D].北京:北京邮电大学，2010.

[2]中华人民共和国工业和信息化部.移动用户终端无线局域网技术指标和测试方法[S].北京:中华人民共和国工业和信息化部，2009.

[3]许猛.基于LTE的系统级仿真平台设计[D].北京:北京邮电大学，2008.

[4]王东.TD-LTE和LTE-FDD共存的干扰研究[D].西安:西安电子科技大学，2010.

[5]梁童，李男，王大鹏，等.TD-LTE与WLAN共存研究报告更新建议[C].北京:CCSA TC5 WG8，2010.

[6]肖霖.UWB与IMT-2000 FDD系统共存研究[D].北京:北京邮电大学，2007.

[7]沈嘉，索士强.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2008.

[8]3rd Generation Partnership Project.Radio Frequency(RF)system scenarios(Release 9)，3GPP TR 36.942 V9.2.0[S].France:3GPP Organizational Partners，2009.

[9]3rd Generation Partnership Project.Base Station(BS)radio transmission and reception(Release 8)，3GPP TS 36.104 V8.5.0[S].France:3GPP Organizational Partners，2009.