TDD和FDD移动通信系统邻频应用研究

2015-07-03何继伟王大鹏李行政

电信工程技术与标准化 2015年6期

何继伟，王大鹏，李行政

（1 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080； 2 中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

无线电频谱是有限的自然资源。虽然无线电频谱可以根据空间、时间、频率和编码方式进行复用，即不同无线电业务和设备可以复用和共用频率，但就某一频段而言，在一定区域、时间和技术条件下的利用是有限度的。而现代社会的高速发展，带来对无线电业务与应用的海量需求，可用频率十分紧缺，更加突出了无线电频谱资源的日益稀缺性。

无线频谱是重要的战略资源，所以需要进行科学规划和合理配置，无线电频谱如果得不到充分利用而大量闲置，是一种资源浪费；同时，无线电频谱若使用不当会造成无线电业务之间的严重干扰，会给无线电应用带来极大危害，这是一种更大的资源浪费。随着TDD技术的发展，目前国内外大段连续频谱中存在TDD和FDD邻频规划，这种规划可以有效的利用频率资源，但同时也带来了一定的干扰问题。本文就TDD和FDD邻频应用时的关键因素展开研究和分析，对高效利用频率提出了相关建议。

1 干扰和规避措施

1.1 干扰分类

无线干扰产生的原因是多种多样的，同一频段上使用了不同的无线电业务、不同运营商的网络隔离度不足、收发信机自身性能问题、小区重叠、环境等都是无线通信网络射频干扰产生的原因。邻频部署的TDD和FDD系统发生的干扰本质上都是由于发射系统和接收系统的非完美性造成的。发射机电路中存在功率放大器等大量有源和无源器件，有源器件在发射有用信号的同时，在它的工作频带外还会产生各种无用信号，这些信号落到其它无线系统的工作频带内，就会对其形成干扰，根本原因有脉冲成形滤波器带外杂散、功率放大器的非线性、射频滤波器的邻频抑制能力等。同样，如果接收机的非理想造成接收信道外信号也会产生干扰，根本原因有接收机射频滤波器的邻频抑制能力，接收机功率放大器的非线性等。

按照干扰原因的因素，邻频干扰又主要可以分为杂散干扰：施扰发射机的带外杂散辐射在受扰接收有用信号的通带内造成的干扰；阻塞干扰：接收微弱的有用信号时，受到接收频率两旁强干扰信号的干扰，称为阻塞干扰。

1.2 规避干扰的主要要素

1.2.1 保护带设置

频率保护带是通过频率规划，使得干扰系统的发射频段和被干扰系统的接收频段在频域上得到一定的隔离。随着隔离的增大，干扰系统发射机信号落入被干扰接收机接收带宽内的分量减小，同时接收机接收滤波器对干扰系统发射信号的衰落加大，由此系统间干扰减小。因此它是频率分配的最主要考虑解决干扰因素之一。

1.2.2 收发信机性能提升

收发信机性能提高主要是依靠滤波器性能的提升，它可以有效的进一步抑制干扰，但是由于工艺的问题，理想的滤波器是不存在的，滤波性能是有一定极限的。因此它只是一种可以减少频率保护带的方式。

提高滤波器性能可以在原有设备的无线收发系统基础上，通过使用高精度滤波器或附加滤波器来进一步提高发射机或接收机的滤波特性，达到系统间共存所需的性能要求。提高滤波精度是有效解决干扰的途径之一，但这也意味着成本的增加。

1.2.3 工程隔离要求

工程隔离要求一般通过距离隔离以及采用屏蔽网等工程措施来完成，使得干扰系统和被干扰系统之间的隔离度增大。随着隔离度增大，干扰系统发射机信号落入被干扰接收机接收带宽内的能量减小，由此系统间干扰减小。

对于移动通信系统，工程隔离最容易实现的仍是距离隔离，这就要求运营商需要进行站址规划，特别是对天线位置进行规划。天线位置的规划对象包括天线倾角、方位角、垂直和水平隔离等，通过采取一些优化措施，如调节天线的水平方位和下倾角，避开天线的主发射方向，使得两天线连线方向上的发射天线和接收天线增益尽可能的小，可提高天线间的耦合损耗，降低干扰，继而使得系统间可以共存使用。

2 TDD和FDD邻频应用分析

2.1 典型的TDD和FDD邻频场景分析

TDD和FDD邻频的典型情况为TDD的频率被规划在上下行的FDD频率之间，这就造成了以下几种干扰场景，如图1所示。

（1）TDD和FDD基站之间的互干扰：最为严重的干扰方向，在当前的产品工艺下必须辅以一定的保护带，否则无法实现共存；特别是基站共址建设时，在一定保护带的情况下仍需要一定的隔离距离。

（2）TDD和FDD基站和终端之间的互干扰：基站和移动台的距离一般较远，具有较高的隔离度。如果施扰系统和干扰系统辅以一定的频率隔离，则基站和移动台间的干扰将可以忽略。

（3）TDD和FDD终端之间的互干扰：由于终端具备功控等功能，实际发射功率较小，并且终端之间的位置具备随机性，且在同一时刻分别发射和接收的可能性较低，因此终端间的干扰属于小概率事件，若在一定保护带的情况下，干扰评估更可以忽略。

2.2 规避TDD和FDD邻频干扰的具体实施

图1 TDD和FDD 邻频典型情况及干扰场景

干扰规避方式均不是单一的，如果仅考虑频率保护带，不考虑提升收发性能等，将造成频率资源的浪费；而收发信机性能的提升也不可能无限制，并且每一点提升则意味着成本的上升；因此需要上述几个方面共同作用才能最为合理的利用频率，保证系统间的正常工作。而TDD和FDD邻频干扰的具体实施中也是通过制定频率保护带、收发信机性能、工程隔离等几大要素来具体实施，下面以1 880～1 900 MHz（F频段）为例展开分析。

如图2所示，F频段是中国移动TDD系统（TDSCDMA和TD-LTE)的主要使用频段，由于其频率所处位置特殊，F频段与1 805～1 880 MHz的FDD下行频率相邻，即TD-LTE基站受到DCS1800（1 805～1 845 MHz）或LTE FDD（1 845～1 875 MHz）基站的潜在干扰。

2012年，工业和信息化部发布了《工业和信息化部关于发布1800和1900兆赫兹频段国际移动通信系统基站射频技术指标和台站设置要求的通知》（工信部无【2012】559号文)，文中通过规定FDD方式的IMT系统每通道在1 880～1 920 MHz上杂散不超过-65 dBm/MHz；TDD方式的IMT系统对于带外5 MHz（1 875 MHz）干扰信号抗阻塞能力要优于-5 dBm和基站耦合损耗不小于50 dB来规避干扰问题。值得一提的是，由于接收性能仅规定5 MHz外的性能，且发射机目前的普遍设备能力需要5 MHz才能达到要求，虽然未明确指出，但实际要求TDD和FDD系统之间需要5 MHz保护带，这也组成了邻频应用的几大要素。

根据上述规定，到TDD接收机上1 880～1 900 MHz频段的杂散信号等于-65dBm/MHz-50等于-115 dBm/MHz，低于TDD系统的底噪-109 dBm/MHz值6 dB，可规避杂散干扰；到TDD接收机上1 870～1 875 MHz频段的信号为46-10×lg（15/5）-50等于-8.7 dBm，低于抗阻塞的指标要求-5 dBm，可规避阻塞干扰。

图2 F频段分配和规划现状

2.3 几大要素的重要性分析

在TDD和FDD邻频应用中，频率保护带、收发信机性能、工程隔离几大要素一旦其中一项没有达到要求，就会产生严重的干扰，仍以F频段为例，通过分析和实例来阐述几大要素在邻频共存的重要性。

2.3.1 保护带的重要性

如果LTE FDD的工作频段为1 875～1 880 MHz频段，与1 880 MHz的TD-LTE在无保护带的情况下工作，将会引起TD-LTE严重的阻塞干扰。根据3GPP的指标，TDD系统在1 880 MHz外的抗阻塞能力要求仅为-52 dBm，考虑发射功率46 dBm，干扰规避所需隔离度为98 dB；考虑到实际设备的抗阻塞能力在-35 dBm左右，干扰规避所需隔离度也需要81 dB。该隔离度在现网很难实现，因此完全无保护带将可能造成大面积干扰，造成共址的TD-LTE基站无法工作。

2.3.2 发射机性能的重要性

由于DCS1800基站发射滤波器的非理想性，即使工作在1 805～1 845 MHz,在工作频段发射有用信号的同时，还将在邻频的1 880～1 920 MHz频段产生一定程度的带外辐射，造成TD-LTE基站接收机灵敏度损失。现网中出现DCS1800杂散干扰的主要原因为部分厂家DCS1800双工器带宽为75 MHz（1 805～1 880 MHz频段），并且因为基本均为2012年前建设，未对F频段的杂散特性进行特别抑制，因此在现网中就造成了大量的杂散干扰。

目前，现网部分DCS1800系统在1 880～1 900 MHz频段的杂散值要低于-65 dBm/MHz，最差的仅为-40 dBm/MHz。如果此类设备需要与F频段TD-LTE系统共站建设，根据计算，需要75 dB的隔离度。典型的受DCS1800系统杂散干扰的TD-LTE底噪会呈现比较明显的滚降特性，干扰集中在前40～50资源块，这也符合滤波器的带外特性，如图3所示。

2.3.3 接收机性能的重要性

在1 880～1 900 MHz频段，由于中国移动现网部分设备是在2012年前就开始部署的，当时我国并未对F频段的抗阻塞特性进行特别规定，因此在当LTE FDD开始使用1 860～1 875 MHz频段后，造成了很多基站受到严重的阻塞干扰。目前现网部分设备的抗阻塞性能低于-5 dBm的指标要求，最差的仅为-18 dBm。如果此类设备需要与邻频的LTE FDD系统共站建设，需要63 dB的隔离度。

图3 典型杂散干扰底噪图

阻塞干扰会造成接收机的饱和，因此会造成底噪整体抬升，干扰情况非常严重。图4为某地TDD和FDD系统的隔离度为50 dB时，LTE FDD小区在不同业务加载情况，TD-LTE小区的底噪抬升情况，最严重的底噪水平抬升约25 dB，对数据业务造成严重的影响。

图4 典型阻塞干扰底噪图

在该小区展开路测测试，当LTE FDD 基站加载业务时，TD-LTE小区平均吞吐量损失40%～60%左右，在该小区展开定点测试，当电信LTE FDD 基站加载业务时，在远点的用户（RSRP=-90～-100 dBm）的吞吐量损失达到74%～99%，可以看出，阻塞干扰对TDD系统的影响是非常严重的。具体测试数据如表1所示。