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UWB和TD-SCDMA系统的干扰分析研究
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引言
超宽带（UWB）的带宽是指信号带宽大于1.5 GHz 或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。而室内UWB的无线通信可以使用的频率段从3.1 GHz 到10.6 GHz（超过7 GHz 的波带宽）;每个无线信道的带宽超过500 MHz。而根据我国信息产业部无线电管理局对2000 MHz频段的地面无线电业务进行规划的频率分配建议，将1880 MHz～1920 MHz、2010 MHz～2025 MHz频段用于时分双工方式，即TDD无线接入通信方式的主要使用频段，而2300 MHz～2400 MHz作为TDD的补充工作频段[1]。TD-SCDMA是中国首次提出的国际通信标准，将会应用于未来移动通信建网。
超宽带通信系统由于占用很宽的带宽，目前主要是应用面向短距离、高速率无线个人区域网（WPAN）和具有较低传输速率、极精确定位能力的无线传感器网络系统[2]，未来UWB设备也将广泛应用于多种移动电子设备中，因此容易和其它通信系统之间产生相互干扰。研究超宽带通信系统和TD-SCDMA系统之间的干扰分析，特别研究了TD-SCDMA系统的下行链路，预计它将会对通信过程中的TD-SCDMA手机产生干扰影响，最后结合理论和仿真研究给出两系统干扰分析方案。
研究内容
2.1 UWB信号模型
UWB通信系统采用超短脉冲(脉冲持续时间小于1ns)作为信息载体，通过有用信息控制超短脉冲相对于定时时刻的位置，即脉冲位置调制(PPM)，实现信号调制。在多用户通信情况下，采用跳时扩频多址技术，用伪随机跳时码将超短脉冲的出现时刻随机化。一个跳时码周期TTH内的UWB信号表达式[3]为:
其中ai表示调制码元序列，以等概率取值+1和-1;p(t)为窄脉冲波形;Ts为信息码元持续时间，由Ns帧组成，每1帧里包含1个脉冲;Tf是帧的持续时间;δ表示信息码元调制参数，表示脉冲位置调制（PPM）时，单位码元引起的脉冲时移;bi指第i个信息码元;biδ表示信息调制引起的时移;cjTc表示由跳时码引起的时移，cj是整数，取值范围是[0,Nh-1]，Tc为每一个跳时码的持续时间，NhTc＜Tf;在每一帧Tf中，脉冲在时间轴上的位置由信息码元调制参数δ和跳时码cj共同设定，设TTH=Nb×Ts，Nb是正整数。
2.2 组网布局
针对TD-SCDMA系统下行手机受干扰的研究，考虑处于小区边缘的TD-SCDMA系统用户受到的干扰，同时计算该用户接收信噪比看能否正常通信。因此，采用如下的布局方案，用户处于周边小区的覆盖边缘。外部有N层（本文采用2层）TD-SCDMA基站作为干扰源。考虑到一定范围内TD-SCDMA基站的覆盖密度一定，为了研究方便，我们采用了圆形布站的方法，模拟多层小区对于TD-SCDMA手机的干扰（见图1）。中心方块代表手机位置，实线圆圈代表覆盖手机的小区［M设为4个，其中1个是真正覆盖手机的有用基站，其它（M-1）个是干扰源］，蓝色实线为外围干扰设备所在小区。可根据实际情况中手机所处位置来决定外围的基站个数。另一方面，UWB发射设备也如同图1所示布局，但是所有发射设备对于TD-SCDMA手机来说都是干扰源。
2.3 系统结构
TD-SCDMA是一个时分码分系统，假设在单载波仿真环境下，单独考虑上行干扰和下行干扰。另一方面，单个时隙包括16个码道，1个语音用户对应2码道，假设该时隙的16个码道全部发射，同时与8个手机用户通话。理想用户容纳数为8个，如果接入的用户数为4个，则负载为50％。 UWB设备系统负载设为100%，考虑重载情况下UWB对TD系统的干扰情况。
在仿真平台中，UWB设备的系统负载和TD系统的单一时隙系统负载均可以调节。
2.4 UWB对TD-SCDMA系统下行干扰分析
TD-SCDMA系统所受干扰包括两部分:TD系统内部的自干扰和UWB发射设备对TD系统手机的外部干扰。
2.4.1 TD-SCDMA系统内部的自干扰
由来自于本小区基站给其他手机信号而产生的干扰和其他小区基站对手机的干扰之和组成的系统自干扰。
2.4.2 UWB设备的外部干扰
干扰系统UWB发射设备对被干扰系统TD-SCDMA的手机干扰，可以设置不同的邻道干扰比例来观察对被关注手机的影响。除产生邻频干扰的UWB发射设备，剩下的UWB发射设备将对被干扰的PHS手机产生带内杂散。可以改变杂散值的大小来看对结果的影响。
最后将所有干扰累加起来得到总的来自外部系统的干扰值。
传播模型的选择
TD-SCDMA系统BS-UE间采用UMTS 30.03中的车载环境模型。基站高于建筑高度15m。对数正态阴影衰落取10 dB。
UWB发射设备和终端间采用COST231-WI模型（见表1）。对数正态阴影衰落取10 dB。
用于实际仿真计算的简化公式（其中路径损耗Pathloss的单位为dB,距离R的单位为m）见表1。
仿真参数设置
4.1 TD-SCDMA系统参数
TD-SCDMA系统下行的热噪声是-104 dBm，由KTW计算得到(K=1.38*10e-23J/K,T噪声温度290K，W等效噪声宽度，扩频带宽1.28MHz);下行链路的噪声系数取9，目标接收信噪比设为-2.5 dB(针对12.2k的语音信道而言)。TD-SCDMA系统的参数见表2。
4.2 UWB系统参数
根据FCC对UWB设备发射功率限制的有关规定，UWB在PHS系统所在频段内的发射功率的室外标准和室内标准分别为-53.3 dBm/MHz 、-63.3 dBm/MHz;UWB覆盖范围一般小于10m范围之内;信道间隔大于500 MHz。
仿真结果分析
在我们搭建的仿真平台中分别针对单个UWB发射设备和多个UWB发射设备对TD-SCDMA系统的下行链路的干扰进行了仿真研究。仿真平台中SINR的计算公式如下所示:
SINR = TD基站发送给每个用户的功率－路径损耗
－阴影衰落余量＋TD基站天线增益
＋TD智能天线增益-{TD手机有效底噪
＋[Iout＋TD系统其他小区干扰
＋（1-α）*Iin]/智能天线干扰抑制系数} （2）
其中，α为正交因子，Iin指TD系统同小区来的干扰，Iout指来自UWB系统发射设备的干扰，Iin和Iout为手机有效底噪，是线性值。
以下各个仿真结果中，纵坐标代表了半径覆盖能力的损失比例。R1/R0代表覆盖距离损失;（R1/R0）2代表覆盖面积损失。其中R1为存在UWB系统的干扰时，TD-SCDMA系统的覆盖半径;R0为TD-SCDMA单系统时的覆盖半径（见图2、图3）。
5.1 单个UWB设备对TD-SCDMA系统手机的干扰
由图2室外情况下的仿真图形可以看出: 当覆盖损失5％时，UWB发射设备和TD-SCDMA手机的隔离度ACIR为6 dB，说明UWB设备对TD-SCDMA手机存在一定干扰;而仿真在室内环境下，相应的UWB设备对TD-SCDMA手机通信有干扰。
5.2 多个UWB设备对TD-SCDMA系统手机的干扰
相对于单个UWB发射设备，多个UWB设备对TD系统的干扰情况要严重得多，当覆盖损失5％时，UWB发射设备和PHS手机的隔离度ACIR为15 dB。随着ACIR的增大，UWB发射设备对TD-SCDMA手机的干扰减小，TD-SCDMA系统的覆盖损失也会随之减小（见图3）。仿真在室内和室外环境下，UWB设备对PHS手机的干扰都是非常明显。当UWB系统的单位密度达到一定程度，TD-SCDMA系统所受干扰会趋于平稳。
结论
随着未来移动通信建网的需要，研究UWB系统和TD-SCDMA系统之间的干扰对这些系统的安全应用非常重要。通过自主搭建的仿真平台的研究说明，无论是单个还是多个UWB设备对TD系统手机存在一定干扰，只要采用有效的隔离措施，比如:综合使用频谱隔离（保护带宽）、天线隔离、外置滤波器等，UWB设备的使用对TD-SCDMA系统的干扰将会控制在无损害的范围内。
超宽带（UWB）的带宽是指信号带宽大于1.5 GHz 或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。而室内UWB的无线通信可以使用的频率段从3.1 GHz 到10.6 GHz（超过7 GHz 的波带宽）;每个无线信道的带宽超过500 MHz。而根据我国信息产业部无线电管理局对2000 MHz频段的地面无线电业务进行规划的频率分配建议，将1880 MHz～1920 MHz、2010 MHz～2025 MHz频段用于时分双工方式，即TDD无线接入通信方式的主要使用频段，而2300 MHz～2400 MHz作为TDD的补充工作频段[1]。TD-SCDMA是中国首次提出的国际通信标准，将会应用于未来移动通信建网。
超宽带通信系统由于占用很宽的带宽，目前主要是应用面向短距离、高速率无线个人区域网（WPAN）和具有较低传输速率、极精确定位能力的无线传感器网络系统[2]，未来UWB设备也将广泛应用于多种移动电子设备中，因此容易和其它通信系统之间产生相互干扰。研究超宽带通信系统和TD-SCDMA系统之间的干扰分析，特别研究了TD-SCDMA系统的下行链路，预计它将会对通信过程中的TD-SCDMA手机产生干扰影响，最后结合理论和仿真研究给出两系统干扰分析方案。
研究内容
2.1 UWB信号模型
UWB通信系统采用超短脉冲(脉冲持续时间小于1ns)作为信息载体，通过有用信息控制超短脉冲相对于定时时刻的位置，即脉冲位置调制(PPM)，实现信号调制。在多用户通信情况下，采用跳时扩频多址技术，用伪随机跳时码将超短脉冲的出现时刻随机化。一个跳时码周期TTH内的UWB信号表达式[3]为:
其中ai表示调制码元序列，以等概率取值+1和-1;p(t)为窄脉冲波形;Ts为信息码元持续时间，由Ns帧组成，每1帧里包含1个脉冲;Tf是帧的持续时间;δ表示信息码元调制参数，表示脉冲位置调制（PPM）时，单位码元引起的脉冲时移;bi指第i个信息码元;biδ表示信息调制引起的时移;cjTc表示由跳时码引起的时移，cj是整数，取值范围是[0,Nh-1]，Tc为每一个跳时码的持续时间，NhTc＜Tf;在每一帧Tf中，脉冲在时间轴上的位置由信息码元调制参数δ和跳时码cj共同设定，设TTH=Nb×Ts，Nb是正整数。
2.2 组网布局
针对TD-SCDMA系统下行手机受干扰的研究，考虑处于小区边缘的TD-SCDMA系统用户受到的干扰，同时计算该用户接收信噪比看能否正常通信。因此，采用如下的布局方案，用户处于周边小区的覆盖边缘。外部有N层（本文采用2层）TD-SCDMA基站作为干扰源。考虑到一定范围内TD-SCDMA基站的覆盖密度一定，为了研究方便，我们采用了圆形布站的方法，模拟多层小区对于TD-SCDMA手机的干扰（见图1）。中心方块代表手机位置，实线圆圈代表覆盖手机的小区［M设为4个，其中1个是真正覆盖手机的有用基站，其它（M-1）个是干扰源］，蓝色实线为外围干扰设备所在小区。可根据实际情况中手机所处位置来决定外围的基站个数。另一方面，UWB发射设备也如同图1所示布局，但是所有发射设备对于TD-SCDMA手机来说都是干扰源。
2.3 系统结构
TD-SCDMA是一个时分码分系统，假设在单载波仿真环境下，单独考虑上行干扰和下行干扰。另一方面，单个时隙包括16个码道，1个语音用户对应2码道，假设该时隙的16个码道全部发射，同时与8个手机用户通话。理想用户容纳数为8个，如果接入的用户数为4个，则负载为50％。 UWB设备系统负载设为100%，考虑重载情况下UWB对TD系统的干扰情况。
在仿真平台中，UWB设备的系统负载和TD系统的单一时隙系统负载均可以调节。
2.4 UWB对TD-SCDMA系统下行干扰分析
TD-SCDMA系统所受干扰包括两部分:TD系统内部的自干扰和UWB发射设备对TD系统手机的外部干扰。
2.4.1 TD-SCDMA系统内部的自干扰
由来自于本小区基站给其他手机信号而产生的干扰和其他小区基站对手机的干扰之和组成的系统自干扰。
2.4.2 UWB设备的外部干扰
干扰系统UWB发射设备对被干扰系统TD-SCDMA的手机干扰，可以设置不同的邻道干扰比例来观察对被关注手机的影响。除产生邻频干扰的UWB发射设备，剩下的UWB发射设备将对被干扰的PHS手机产生带内杂散。可以改变杂散值的大小来看对结果的影响。
最后将所有干扰累加起来得到总的来自外部系统的干扰值。
传播模型的选择
TD-SCDMA系统BS-UE间采用UMTS 30.03中的车载环境模型。基站高于建筑高度15m。对数正态阴影衰落取10 dB。
UWB发射设备和终端间采用COST231-WI模型（见表1）。对数正态阴影衰落取10 dB。
用于实际仿真计算的简化公式（其中路径损耗Pathloss的单位为dB,距离R的单位为m）见表1。
仿真参数设置
4.1 TD-SCDMA系统参数
TD-SCDMA系统下行的热噪声是-104 dBm，由KTW计算得到(K=1.38*10e-23J/K,T噪声温度290K，W等效噪声宽度，扩频带宽1.28MHz);下行链路的噪声系数取9，目标接收信噪比设为-2.5 dB(针对12.2k的语音信道而言)。TD-SCDMA系统的参数见表2。
4.2 UWB系统参数
根据FCC对UWB设备发射功率限制的有关规定，UWB在PHS系统所在频段内的发射功率的室外标准和室内标准分别为-53.3 dBm/MHz 、-63.3 dBm/MHz;UWB覆盖范围一般小于10m范围之内;信道间隔大于500 MHz。
仿真结果分析
在我们搭建的仿真平台中分别针对单个UWB发射设备和多个UWB发射设备对TD-SCDMA系统的下行链路的干扰进行了仿真研究。仿真平台中SINR的计算公式如下所示:
SINR = TD基站发送给每个用户的功率－路径损耗
－阴影衰落余量＋TD基站天线增益
＋TD智能天线增益-{TD手机有效底噪
＋[Iout＋TD系统其他小区干扰
＋（1-α）*Iin]/智能天线干扰抑制系数} （2）
其中，α为正交因子，Iin指TD系统同小区来的干扰，Iout指来自UWB系统发射设备的干扰，Iin和Iout为手机有效底噪，是线性值。
以下各个仿真结果中，纵坐标代表了半径覆盖能力的损失比例。R1/R0代表覆盖距离损失;（R1/R0）2代表覆盖面积损失。其中R1为存在UWB系统的干扰时，TD-SCDMA系统的覆盖半径;R0为TD-SCDMA单系统时的覆盖半径（见图2、图3）。
5.1 单个UWB设备对TD-SCDMA系统手机的干扰
由图2室外情况下的仿真图形可以看出: 当覆盖损失5％时，UWB发射设备和TD-SCDMA手机的隔离度ACIR为6 dB，说明UWB设备对TD-SCDMA手机存在一定干扰;而仿真在室内环境下，相应的UWB设备对TD-SCDMA手机通信有干扰。
5.2 多个UWB设备对TD-SCDMA系统手机的干扰
相对于单个UWB发射设备，多个UWB设备对TD系统的干扰情况要严重得多，当覆盖损失5％时，UWB发射设备和PHS手机的隔离度ACIR为15 dB。随着ACIR的增大，UWB发射设备对TD-SCDMA手机的干扰减小，TD-SCDMA系统的覆盖损失也会随之减小（见图3）。仿真在室内和室外环境下，UWB设备对PHS手机的干扰都是非常明显。当UWB系统的单位密度达到一定程度，TD-SCDMA系统所受干扰会趋于平稳。
结论
随着未来移动通信建网的需要，研究UWB系统和TD-SCDMA系统之间的干扰对这些系统的安全应用非常重要。通过自主搭建的仿真平台的研究说明，无论是单个还是多个UWB设备对TD系统手机存在一定干扰，只要采用有效的隔离措施，比如:综合使用频谱隔离（保护带宽）、天线隔离、外置滤波器等，UWB设备的使用对TD-SCDMA系统的干扰将会控制在无损害的范围内。
