TD-LTE系统与广电系统共存分析

关 璐， 江 帆， 张晓燕， 郭永明

(1.西安邮电大学 无线网络安全技术国家工程实验室， 陕西 西安 710121; 2.国家无线电频谱管理研究所， 陕西 西安 710061)

TD-LTE系统与广电系统共存分析

关 璐1， 江 帆1， 张晓燕1， 郭永明2

(1.西安邮电大学 无线网络安全技术国家工程实验室， 陕西 西安 710121; 2.国家无线电频谱管理研究所， 陕西 西安 710061)

为了在“数字红利”频段(698～806 MHz)部署时分-长期演进系统，提出一种不同系统兼容的确定性分析方法。基于频谱占用度实测数据，该方法依据第三代合作伙伴计划和中国广播行业标准所提供的频谱模板，根据干噪比(I/N)保护准则，分析时分-长期演进系统与广电系统的邻频共存条件。数值仿真结果表明，当满足所需的频率隔离和空间隔离条件时，两系统可以邻频共存。

数字红利；频谱占用度；689～806 MHz；空闲频谱；共存分析

无线电频谱是实现无线通信的重要载体，是国家的战略性资源。然而有限的频谱资源的使用日趋紧张，尤其是传播特性较好具有广覆盖特性的低频段已经被使用殆尽，使得频谱资源需求与供给间的供需矛盾日益突出。随着广播电视技术的进步，可以将传输1套模拟电视节目所需的8 MHz带宽信道用来传输4～5套数字标清电视节目，通过模数转换能够节省出大量的频率资源，并且节省出的在700～800 MHz范围的频谱资源可用于移动通信，在网络覆盖方面具有明显优势。因此，广播电视由模拟技术转换到数字技术后所节省出来的频率资源(即为“数字红利”频段)用于长期演进(Long Term Evolution, LTE)已经成为国内外研究的热点[1]。

为了在“数字红利”频段部署时分-长期演进(Time Division-Long Term Evolution, TD-LTE)系统，需要根据实测数据频谱占用度，获得部署TD-LTE系统的空闲频段分布。其次，参照两系统参数，探讨空闲频段上两系统共存时所需的频率间隔和空间隔离距离要求。

共存分析主要目的是评估多个系统共享同一频段的可行性，评估干扰是否对其他无线电业务产生危害，一般采用确定性分析方法和系统仿真方法。由于确定性分析方法的高效简单，因此基站间的干扰主要采用确定性分析方法进行研究。确定性分析方法需要获得两系统的相关参数及频谱模板，依据计算公式，可以得到相对应最恶劣情况的结果，得出两系统共存时所需的频率隔离与空间隔离[2]。但是，传统的确定性分析方法也有着比较明显的缺点，即选取干扰最为严重的链路，所得的干扰结果较为悲观，并且未与实际的测量数据相结合，其分析结果与真实情况相差较大。

本文基于某地区(郊区场景)698～806 MHz的实测数据，结合TD-LTE系统1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz不同的5种带宽配置，获得不同带宽配置下部署TD-LTE系统的空闲频段分布；其次，依据ITU相关方法利用干噪比(I/N)准则对TD-LTE系统与数字广播系统在空闲频段上共存进行分析，得到TD-LTE系统与数字广播系统共存所需的频率隔离与空间隔离的关系。

1 空闲频谱分析

结合测量数据的频谱占用度，根据TD-LTE系统不同的5种带宽配置，对“数字红利”频段进行空闲频谱分析，找出适合部署TD-LTE系统的候选频段，为之后进行TD-LTE系统与广播电视系统的共存分析奠定基础。

频谱平均占用度是一个统计值，是指连续测量某一个信道一段时间，把信道内信号场强超过一定的门限定义为占用，统计出时间占用的百分比称为占用度。而根据文献[3-4]显示，30～3 000 MHz频段的频谱平均占用度稳定在5%左右。因此拟采取5%的频谱平均占用度作为频段是否空闲的判决依据。根据测量数据，如果在测量时间内该频点频谱平均占用度小于5%，则认为该频点空闲；否则，认为该频点被占用。

结合以上判断依据，根据某地区(郊区场景)测量数据，分析了该地区不同带宽配置下的空闲频段分布情况，具体实现步骤如下。

(1)确定测试频段上是否有空闲频段，并绘出测试频段的空闲频谱分布情况。

(2)如果找到空闲频段，对于TD-LTE系统，优先考虑大带宽部署。即如果有20 M空闲频段，则优先部署一个20 M带宽的TD-LTE系统，而不是部署两个10 M带宽的TD-LTE系统。如果没有20 M带宽，优先考虑部署10 M带宽，以此类推。

图1表示的是某地区以5%频谱平均占用度作为门限时的空闲频谱示意图，表1记录了该地区详细的空闲频谱分布情况。

图1 某地区5%空闲频谱示意图

起始频率/MHz截止频率/MHz空闲频段长度/MHz能否有足够的频谱资源放置TD-LTE系统698704.26.21可部署1个5M系统709.7751.041.31可部署2个20M系统751.4775.023.62可部署1个20M系统775.4781.56.075可部署1个5M系统781.980624.03可部署1个20M系统

从图1看出，在709～751 MHz存在41 MHz空闲频段，可以部署2个20 M的TD-LTE系统；在781～806 MHz存在24 MHz空闲频段，可以部署1个20 M的TD-LTE系统。

2 系统间共存分析方法

在基于确定性方法的共存分析中，使用干噪比I/N代替信干比进行无线电业务间共存分析[4]。得出TD-LTE系统与广播电视系统共存时所需要的频率隔离和空间隔离建议，确定频率-距离(F-D)规则。

利用I/N准则进行无线电业务共存分析的方法分为5个步骤。

步骤1 确定干噪比I/N。

由于干扰造成的信噪比的偏差[5]可表示为

(1)

其中S/N表示接收到有用信号的强度与加性噪声的强度之比，即为信噪比；(S+I)/N表示接收到的有用信号的强度与接收到的干扰信号的强度之和同噪声强度的比值。

因干扰导致的信噪比偏差为1 dB时[5]，则

(2)

其中RSN为信噪比，I/N为干噪比，也就是接收到的干扰信号强度与噪声强度之比；S/N表示接收到的有用信号强度与噪声之比。

所以在干扰造成信噪比偏差1 dB条件下，干噪比与信噪比的关系为

(4)

由式(4)可知，-5.85 dB实际上对应于信噪比偏差1 dB的干噪比要求，式(4)适用于评估干扰对信号的影响。

步骤2 计算功率。

被干扰系统接收到其它系统干扰信号的功率[6]为

I=Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-

Lp(d)-FDR(Δf)

(5)

其中I为被干扰系统接收机接收到的干扰信号功率；Pt为干扰系统的发射功率；Gt为干扰系统的发射天线增益；Gr为被干扰系统接的收机天线增益；Lt为干扰系统发射机馈线损耗；Lr为被干扰系统接收机馈线损耗；Lp(d) 为两个系统隔离距离为d时的路径损耗；FDR(Δf)为频率抑制因子。

频率抑制因子FDR(Δf) 可表示为[6]

FDR(Δf)=

(6)

其中P(f)为干扰信号的功率谱密度(W/kHz)；H(f)为受扰接收机的中频滤波器的频率响应；Δf为受扰接收机与干扰发射机的频率间隔(kHz)，即为两系统共存时工作的中心频率的间隔。其中当Δf = 0时两系统互为同频干扰。

步骤3 计算接收机底噪。

接收机底噪主要由带电粒子的热运动产生，其功率为[6]为

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

(7)

其中B为接收机中频带宽，Nf为噪声系数。

步骤4 计算路径损耗。

根据干噪比保护准则I/N≤β，可以计算出路径损耗Lp(d)的最小值。其中β为被干扰系统的干噪比保护要求。

Lp(d)≥Pt+Gt-Lt+Gr-Lr-

FDR(Δf)+174-10logB-Nf-β。

(8)

步骤5 计算频率隔离和空间隔离。

由步骤4计算获得的路径损耗Lp(d)，根据路径传播模型[7]计算空间隔离距离d，最终得到两系统共存时所需的频率隔离和空间隔离。

3 仿真分析

根据第三代合作伙伴计划(The3rdGenerationPartnershipProject, 3GPP)相关协议[8]、中国广播行业标准[9-11]所提供的频谱模板，利用系统间共存的确定性分析方法，研究了TD-LTE系统对广播电视系统的干扰情况，给出了TD-LTE系统与广播电视系统共存时所需要的频率隔离和空间隔离。

3.1TD-LTE系统主要参数

参照3GPP规范[8]，TD-LTE系统的主要射频参数如表2所示，测量带宽为20MHz时的TD-LTE基站频谱模板如图2所示。

表2 TD-LTE系统主要参数

图2 TD-LTE系统基站频谱模板

由图2可以获得TD-LTE基站发射端的频谱模板的表达式

3.2 广播电视系统主要参数

中国数字电视广播系统根据GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》[9]和GY/T 237-2008《VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则》[10]提供了共存研究需要的有关中国广播电视系统参数，如表3所示。

表3 广播电视系统主要参数

GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》[9]中规定了广播电视系统的频谱模版，如图3所示，其中0dB对应整个输出功率。

图3 广播电视系统频谱模板

由图3可得广播电视系统的频谱模板表达式

根据表3可知，广播电视系统接收所需的信噪比S/N为20 dB。当信噪比偏差1 dB时，将S/N代入式(4)可以得到广播电视系统所需的I/N比要求

20-5.85=14.15 (dB)。

3.3 仿真参数

根据空闲频谱分析结论，参照《中国广播电视频率划分分配表》[11]中的广电频率划分情况，对TD-LTE系统和广播电视系统进行共存分析研究，为了便于计算，仿真的传播模型采用Hata-Okumura郊区模型[7]，其公式为

Lp(d)(市区)=69.55+26.16lgf-

13.82lgh1-α(h2)+

(44.9-6.55lgh1)lgd,

(9)

Lp(d)(郊区)=Lp(d)(市区)-

(10)

其中f为工作频率，仿真时取765MHz；h1为基站天线有效高度；h2为移动台天线有效高度；d为移动台与基站之间的距离；α(h2)为移动台天线高度因子；对大城市来说，α(h2)表示为

α(h2)=3.2[log(11.75h2)]2-4.97

(400≤f≤1500MHz)。

将式(9)和式(10)代入式(8)中得到保护距离d为

FDR(Δf)+174-10logB-Nf-β -69.55-

26.16logf+13.82logh1+α(h2)],

(12)

根据式(12)和式(6)可计算出两系统共存时所需的频率隔离和空间隔离。

3.4 仿真结果

TD-LTE系统基站与广播电视系统的共存分析结果如表4所示。

表4 共存分析结果

TD-LTE系统干扰广播电视系统的频率抑制因子FDR与频率间隔Δf之间的关系、空间隔离距离d与频率间隔Δf之间的关系分别如图4和图5所示。

图4 频率抑制因子FDR与频率间隔Δf关系图

图5 空间隔离距离d与频率间隔Δf关系图

由表4和图4、图5可得，当频率间隔Δf=0MHz，即两系统处于同频状态下， FDR为4.17dB，为了保证两系统共存，d至少要达到35.2km；当14MHz≤Δf<24MHz时，即两个系统处于邻频状态， FDR随着Δf的增大而增大， d随着Δf的增大而减小，具体Δf与FDR的关系、Δf与d的关系见表4所示；当Δf≥24MHz，FDR和d将不随着Δf的增大而变化，成为一个常量。可以看出，当满足上述的频率隔离和空间隔离条件时，两系统可以邻频共存。

4 结束语

提出了一种不同系统兼容的确定性分析方法，详细阐述了利用此方法进行空闲频谱分析及系统间共存分析的步骤，并以TD-LTE系统与广播电视系统进行分析测试，对“数字红利”频段规划进行探讨，得到了两系统共存时所需的频率隔离和空间隔离距离。

[1]MichaelC.TheEndofSpectrumScarcity:BuildingontheTVBandsDatabasetoAccessUnusedPublicAirwaves[J/OL].NewAmericaFoundation,(2009-06-30)[2014-04-15].http://benton.org/node/26175.

[2] 吕志.LTE系统与数字广播电视系统干扰共存分析[D].北京：北京邮电大学,2011.

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

[4]McHenryM.Nsfspectrumoccupancymeasurementsprojectsummary[R/OL].(2010-01-10)[2014-04-15].http://citeseerx.ist.psu.edu/showciting?cid=4051055.

[5]ITU-RM.1036-4.FrequencyarrangementsforimplementationoftheterrestrialcomponentofIMTinthebandsidentifiedforIMTintheRadioRegulations[S].2012.

[6] 大唐电信.同一区域698MHz频点附近IMT系统与广播系统共存研究[R].西安：CCSATC5WG8 第51次会议,2011.

[7]HaykinS.CognitiveRadio:Brain-EmpoweredWirelessCommunications[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications, 2005,23(2)：201-220.

[8] 3GPPTS25.102.V11.5.0.UserEquipmentradiotransmissionandreception[S/OL].(2013-07-05)[2014-04-13].http://www.3gpp.org.

[9] 中国国家标准化管理委员会.GB20600-2006，数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S].北京：中国标准出版社,2007.

[10] 国家广播电影电视总局.GY/T237-2008，VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则[S].北京：中国标准出版社,2008.

[11] 国家广播电影电视总局.GY/T106-1999，有线电视广播系统技术规范[S].北京：中国标准出版社,1999.

[责任编辑:祝剑]

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

工信部通信软科学基金资助项目(2014R33)；陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2011JK8027)；陕西省教育厅科学研究计划基金资助项目(2013JK1064)；西安邮电大学研究生创新基金资助项目(112-2020)

关璐(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为宽带无线通信。E-mail: cristiano@vip.qq.com 江帆(1982-)，女，博士，副教授，从事下一代无线网络关键技术研究。E-mail: jiangfan@xupt.edu.cn

TN92

A

2095-6533(2014)05-0021-06