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摘要 本文根據(jù)IEEE802.16d和WCDMA的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實際網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)情況，通過計算機(jī)仿真，對WCDMA與WiMAX系統(tǒng)在同一地理區(qū)域共存可能存在的干擾類型和干擾大小進(jìn)行分析，文章提出了一種新穎的系統(tǒng)共存研究的方法和相應(yīng)的仿真流程，并給出了由于系統(tǒng)間干擾引起的WCDMA系統(tǒng)容量損失和WiMAX系統(tǒng)性能下降的分析結(jié)果，最后給出了減少干擾所需的措施。
1、引言
國際電聯(lián)ITU-R第8F工作組第14次會議為3G的FDD（頻分雙工模式）和TDD（時分雙工模式）系統(tǒng)劃分了2.5～2.69 GHz頻段。美國FCC（聯(lián)邦通信委員會）在2004年允許固定微波業(yè)務(wù)使用2.495～2.69 GHz頻段。這極大促進(jìn)了WiMAX系統(tǒng)在此頻段的設(shè)備研制和開發(fā)。不斷增長的業(yè)務(wù)需求和有限的頻譜資源，很有可能導(dǎo)致在部分地理區(qū)域，例如“熱點”地區(qū)，出現(xiàn)WCDMA和WiMAX系統(tǒng)鄰頻共存的情況。由于高頻器件的非線性特性，這些不同系統(tǒng)之間將存在相互干擾，從而可能造成WCDMA系統(tǒng)容量的損失以及WiMAX系統(tǒng)性能下降。基于這個原因。本文主要研究在2.5～2.69 GHz頻段內(nèi)WiMAX TDD系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)鄰頻情況下（見圖1），WiMAX系統(tǒng)（IEEE 802.16d TDD標(biāo)準(zhǔn)）和IMT-2000中的WCDMA系統(tǒng)之間的共存。
2、干擾產(chǎn)生及類型
當(dāng)WiMAX和WCDMA系統(tǒng)單獨存在時，系統(tǒng)中的干擾為系統(tǒng)內(nèi)干擾，它包括本小區(qū)干擾、鄰小區(qū)干擾和熱噪聲。當(dāng)兩系統(tǒng)在同一區(qū)域共存時，系統(tǒng)中的干擾除系統(tǒng)內(nèi)干擾外，還包括系統(tǒng)間干擾。本文主要分析系統(tǒng)間干擾，它可以用ACIR表示。
其中A CLR是指發(fā)射功率與在鄰近信道經(jīng)過濾波器接收到的功率之比，A CS是指接收濾波器在指配信道的衰減與在鄰近信道上的衰減之比。
圖1所示為WCDMA系統(tǒng)上/下行和WiMAX TDD系統(tǒng)頻段的相鄰情況，因此會存在WiMAX基站和終端與WCDMA的基站和終端之間的干擾，具體可分為：WCDMA上行干擾WiMAX TDD上/下行；WCDMA下行干擾WiMAX TDD上/下行；WiMAX TDD上/下行干擾WCDMA上行；WiMAX TDD上/下行干擾WCDMA下行。
圖1 WCDMA和WiMAX頻譜相鄰情況
3、系統(tǒng)仿真分析
本文采用蒙特卡羅統(tǒng)計仿真方法，WCDMA和WiMAX系統(tǒng)分別進(jìn)行單系統(tǒng)仿真，然后再進(jìn)行兩個系統(tǒng)共存的仿真，仿真流程如圖2所示。在圖2中，根據(jù)WCDMA輸入鏈路標(biāo)志，選擇上行或下行仿真。其中WCDMA功率控制過程中，要考慮WiMAX系統(tǒng)上行和下行鏈路分別對WCDMA載干比的影響。在完成WCDMA單系統(tǒng)仿真后，即考慮了WCDMA在受WiMAX系統(tǒng)干擾，保持WCDMA移動臺或基站受干擾時發(fā)射功率，繼續(xù)仿真對WiMAX下行和上行鏈路的影響，即考慮系統(tǒng)間干擾互反饋過程。
圖2 WCDMA和WiMAX共存仿真流程
下面將對仿真中所涉及到的地理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳播模型等部分加以簡要介紹。
3.1 地理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
兩個系統(tǒng)都采用多小區(qū)廣闊覆蓋區(qū)域的地理分布，每個系統(tǒng)有16個小區(qū)，小區(qū)半徑為1 000 m，每個小區(qū)有3個扇區(qū)的方式，扇區(qū)半徑為577 m。為了用有限的蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋全平面，消除邊界效應(yīng)，采用了Wrap-around技術(shù)。
3.2 傳播模型
基站之間采用雙折線視距傳播模型。基站和移動臺之間采用車載測試傳播模型，移動臺和移動臺之間采用COST231模型。
3.3 功率控制
仿真過程中，WCDMA系統(tǒng)功率控制需要同時考慮系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾。上行鏈路在功率控制完成后，每個移動臺要滿足基站Eb/No的最小功率發(fā)射信號：下行鏈路中基站給每個鏈路發(fā)射相等的功率，這樣保證接收信號最弱的移動臺也可以接入。
每個WCDMA幀長為10 ms，包括15個時隙，每個時隙的持續(xù)時間為0.667 ms，WiMAX幀長為5 ms，因此WCDMA一幀的時長相當(dāng)于WiMAX兩幀。在150步的功率控制周期中，對應(yīng)WCDMA系統(tǒng)150個時隙，來自WiMAX系統(tǒng)的干擾是隨著UL/DL比例時變的，過程如圖3所示。
圖3 WCDMA和WiMAX幀結(jié)構(gòu)時間軸上的對應(yīng)關(guān)系
對移動臺和基站而言，每一步功率控制的步長為1 dB，即信號功率每次增加或減少1 dB，對應(yīng)于每個WCDMA時隙的WiMAX上/下行鏈路是獨立的。WCDMA系統(tǒng)上/行鏈路功率控制過程如下。
（1）上行鏈路功率控制
上行鏈路的初始發(fā)送功率由路徑損耗、熱噪聲電平和6 dB噪聲門限抬升反推得到，即，PTX=PRX+PL=N0+6+PL，其中PRX表示接收功率，PL表示路徑損耗，N0表示熱噪聲功率。上行鏈路載干比計算公式為：
其中C表示載波功率，I表示干擾功率，β表示多址干擾抵消因子，Iown表示本扇區(qū)內(nèi)其他鏈路干擾功率，Iother表示鄰扇區(qū)干擾功率，在多系統(tǒng)情況下，Iother還包括系統(tǒng)間附近扇區(qū)的干擾功率，可以表示為：
（2）下行鏈路功率控制
下行鏈路初始發(fā)送功率在下行業(yè)務(wù)信道功率范圍內(nèi)隨機(jī)選取，下行鏈路載干比計算公式為：
其中a表示多址干擾的正交因子。
在上/下行鏈路功率控制過程中。功率控制步長為1 dB。即如果當(dāng)前載干比比目標(biāo)載干比大，則信號功率降低1 dB；如果當(dāng)前載干比比目標(biāo)載干比小，則信號功率增加1 dB。
WiMAX系統(tǒng)沒有功率控制過程。移動臺和基站信號都以最大功率發(fā)射。
3.4 切換仿真過程
切換過程包括軟切換和硬切換。軟切換過程適用于WCDMA系統(tǒng)，硬切換過程適用于WiMAX系統(tǒng)。對于硬切換，則選擇鏈路載干比最大的基站通信。對于軟切換，切換窗為3 dB。并且一個移動臺最多可能有兩條工作鏈路。對于上行通信鏈路，采用選擇分集方法。而對于下行通信鏈路，采用宏分集方法進(jìn)行處理，即對兩條鏈路載干比之和進(jìn)行功率控制。這時。鏈路總載干比為：
其中，C1、C2是鏈路接收的有用信號功率，I1、I2表示鏈路干擾功率，N0是熱噪聲功率。
3.5 系統(tǒng)容量準(zhǔn)則
干擾對于WCDMA系統(tǒng)上/下行鏈路的影響，主要用有系統(tǒng)間干擾和無系統(tǒng)間干擾的相對容量損失表示。干擾對WiMAX系統(tǒng)的上/下行鏈路的影響，主要用頻譜效率衡量。
WCDMA單系統(tǒng)上行鏈路容量，根據(jù)底噪抬升6 dB時用戶數(shù)確定。WCDMA單系統(tǒng)下行鏈路容量根據(jù)中斷概率為5%時用戶數(shù)確定。
對于WiMAX系統(tǒng)負(fù)荷是75%。在每次仿真之后，都可以得到WiMAX系統(tǒng)每個鏈路的信噪比。再根據(jù)表1中信噪比和頻譜效率的對應(yīng)關(guān)系。得到系統(tǒng)所有鏈路的頻譜效率平均值。
表1中，QPSK CTC編碼中6、4和2分別表示重復(fù)編碼的次數(shù)。
表1 WiMAX物理層1%PER（誤包率）時的頻譜效率
4、仿真結(jié)果
4.1 WiMAX系統(tǒng)對WCDMA系統(tǒng)的干擾
由前面的功率控制可以看出，由于WCDMA和WiMAX幀結(jié)構(gòu)的不同，WCDMA在進(jìn)行功率控制時要同時考慮WiMAX上/下行對其的干擾。
（1）WiMAX系統(tǒng)上/下行對WCDMA系統(tǒng)上行的干擾
為了便于比較，WiMAX系統(tǒng)上/下行干擾WCDMA系統(tǒng)上行的仿真結(jié)果如圖4～6所示。
圖4 WCDMA上行容量損失與A CIR的關(guān)系
圖5 WCDMA上行容量損失與基站間距的關(guān)系
圖6 WCDMA上行容量損失與MCL的關(guān)系
由以上結(jié)果可以清晰地看出：
WiMAX上行干擾WCDMA上行和WiMAX下行干擾WCDMA上行兩種情況下的ACIR對WCDMA的容量都有影響。由圖4可以看出，隨著ACIR的增大，WiMAX系統(tǒng)對WCDMA系統(tǒng)上行的干擾減小，WCDMA系統(tǒng)容量損失隨之減小。要想保證WCDMA系統(tǒng)損失小于5%，要求WiMAX上行干擾WCDMA上行和WiMAX下行干擾WCDMA上行的ACIR值分別為60 dB和95 dB。相對于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備情況下ACIR值分別提高了23 dB和50 dB左右。
在相同ACIR的情況下，隨著WiMAX和WCDMA基站距離偏移量的由0增大為288.5 m和577 m時，WiMAX系統(tǒng)對WCDMA基站的干擾相應(yīng)減小。由圖5可以看出，隨基站間距離增大，仿真曲線距離相距逐漸減小，說明干擾抑制改善效果逐漸減弱。
在WiMAX系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)基站共站址的情況下，增大最小耦合損耗（MCL），看到WCDMA系統(tǒng)受到的干擾和容量損失相應(yīng)減小（見圖6）。原因是增大MCL相當(dāng)于兩系統(tǒng)基站之間增大了保護(hù)間隔。增加了干擾鏈路的鏈路損耗，從而降低了干擾。
（2）WiMAX系統(tǒng)上/下行對WCDMA系統(tǒng)下行的干擾
經(jīng)過仿真得到，WiMAX上/下行對WCDMA下行的干擾造成的WCDMA系統(tǒng)容量的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于3%。如果對設(shè)備指標(biāo)加以限制，WCDMA系統(tǒng)容量的損失將近似可以忽略。
4.2 WCDMA系統(tǒng)對WiMAX系統(tǒng)的干擾
（1）WCDMA系統(tǒng)上行對WiMAX系統(tǒng)上行的干擾經(jīng)過仿真得到，WCDMA上行對WiMAX上行的干擾造成的WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于4%。
（2）WCDMA系統(tǒng)下行對WiMAX系統(tǒng)上行的干擾
從圖7可以看出，隨著ACIR的增大，WCDMA系統(tǒng)下行對WiMAX系統(tǒng)上行的干擾減小，WiMAX系統(tǒng)頻譜效率損失隨之減小。在相同ACIR的情況下，隨著WiMAX和WCDMA基站距離偏移量的增大為288.5 m和577 m時，由于WCDMA系統(tǒng)的干擾引起的WiMAX頻譜效率的損失逐漸降低。
圖7 WiMAX上行頻譜效率與基站間距的變化
（3）WCDMA系統(tǒng)上行對WiMAX系統(tǒng)下行的干擾
經(jīng)過仿真得到，WCDMA上行對WiMAX下行的干擾造成的WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于2%。
（4）WCDMA系統(tǒng)下行對WiMAX系統(tǒng)下行的干擾
經(jīng)過仿真得到，WCDMA下行對WiMAX下行的干擾造成的WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的損失，在不同的系統(tǒng)布局下都小于3%。
5、結(jié)語
從以上的分析可以確定在不同網(wǎng)絡(luò)布局情況下，兩系統(tǒng)之間共存對WCDMA系統(tǒng)容量和WiMAX系統(tǒng)頻譜效率的影響。在共站情況下的WiMAX下行對WCDMA上行的干擾和WCDMA下行對WiMAX上行的干擾是最嚴(yán)重的兩種情況。仿真中通過嚴(yán)格設(shè)備參數(shù)提高ACIR、增大地理偏移距離、提高M(jìn)CL的方法降低干擾到可以接受的水平。在實際的工程中，對于干擾嚴(yán)重的情況，還可以采用通過附加濾波器和線性化功率放大器、使用保護(hù)帶寬等方法來減小系統(tǒng)間干擾。
