作者：郭隆慶  李英丹  屈鵬飛  孫文江 　

    2G網絡和3G網絡將在今后幾年內共存，為使二者正常工作必須考慮不同技術體制的共存問題。

    本文從WCDMA和PHS的頻譜規劃和無線傳播模型出發，應用基于Monte-Carlo分析方法的計算機仿真平臺，對WCDMA和PHS的干擾問題進行了細致的計算機仿真，并給出了仿真結果，提出了相應建議。

    要害詞：鄰信道功率干擾比Monte-CarloWCDMAPHS

    1、引言

    近年來，隨著我國移動通信市場的迅速發展，以GSM、PHS等為代表的2G系統已被大范圍部署并投入使用，3G系統也將入網應用。如何保障2G和3G兩個移動通信系統可靠工作，已經成為關注的重點。

    依據我國對3G系統頻率使用的規劃方案，WCDMA系統和PHS系統在1920MHz四周鄰頻共存。目前研究移動通信系統之間的共存干擾問題通常采用3種方法[1]：最小耦合法（MCL）、增強的最小耦合法（E-MCL）和蒙特卡洛法（Monte-Carlo）。本研究采用Monte-Carlo算法，針對WCDMA系統與PHS系統在不同傳輸或接收狀態下的共存干擾、PHS系統的自干擾以及共存小區半徑變化對不同系統的影響進行了細致的研究，并給出了仿真結果。

    2、WCDMA和PHS在固定小區半徑下共存干擾的仿真

    2.1WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路間干擾仿真

    WCDMA屬于FDDCDMA系統，它的上行鏈路頻段和PHS頻段相鄰。當兩系統在某小區呈共存分布時（如圖1所示），WCDMA的上行鏈路與PHS系統之間有可能存在共存干擾。圖1中，粗線和細線分別表示WCDMA和PHS系統；設小區半徑為R，系統間偏移距離D為R/2。

    圖1  兩系統共存布局

    對于圖1的WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路的傳播路徑模型，設系統移動臺（MS）個數為m，基站（BS）個數為n。根據隨機分布產生的坐標信息，則移動臺和基站之間的距離矩陣Dmxn為

    （1）

    式（1）中，d表示第i個移動臺和第j個基站之間的距離。由距離產生的路徑損耗為

    （2）

    則移動系統的所有鏈路的廣義路徑損失Pmxn可表示為：

    （3）

    式（3）中：表示廣義路徑損失。lgF是固定偏差的對數正態衰落，它根據具體的仿真環境而定：GTx為發射機的天線增益；GRx為接收機的天線增益；LMc為最小耦合損失。

    依據參考文獻[2]，此模型下最小耦合損失為70dB，因此，最終的傳播損失可表示為

    （4）

    因為移動臺和基站之間的發射功率是通過功率控制決定的，仿真使用的功率控制模型基于SIR（信噪比）的功率控制和內環+外環閉環功率控制方案，通過功率控制改變信號的發送功率，使計算得到的內環SIR值保持在外環給定的目標SIR上。上行鏈路功率控制過程中，需要計算移動臺和基站之間的SIR，對于上行鏈路，其接收機端口的SIR計算公式為

    （5）

    式（5）中，S：基站接收的有用信號功率；Gp：處理增益；Iown：來自與本鏈路相關基站連接的除本移動臺外其他移動臺的干擾；Iother：來自與其他基站連接的移動臺的干擾；No：熱噪聲；β：干擾抑制因子。當不使用聯合檢測技術時，β=0。

    功率控制后發射機的發射功率是

    （6）

    式（6）中，Ptotal是基站接收到的總功率；SIRtarget：目標SIR值。

    容量的變化是衡量系統性能的一個重要指標。因為WCDMA系統是一個軟容量的系統，其容量隨具體條件的變化而發生變動。仿真中依據3GPP規定，WCDMA系統的上行鏈路采用6dB噪聲提升準則（對應于75%負載），即接收機端接收到的所有功率和熱噪聲的比值為6dB時，接入的每小區/扇區平均滿足用戶數即為系統的容量。設定單運營商情況下的系統容量為Nsingle，多運營商情況下的系統容量為Nmulti，容量損失定義為

    （7）

    由于PHS系統使用SIR指標來測試系統的性能，仿真時先計算出單運營商時系統的性能指標是SIRsingle，然后求出多運營商情況下的系統性能指標SIRmulti，系統性能的下降Performanceloss定義為

    （8）

    仿真中使用的發射機和接收機的特性參數是：WCDMA基站發射功率為5-43dBm，噪聲門限為-103.1dBm；WCDMA移動臺發射功率為-50-21dBm，噪聲門限為-96.1dBm；PHS基站發射功率為27dBm，噪聲門限為-114dBm；PHS移動臺發射功率為10dBm，噪聲門限為-110dBm；仿真進程個數為10000個，符合3GPP要求。小區類型選用六邊型小區，天線類型為全向天線，小區半徑R=577m，兩系統間隔D=R/2。

    采用ACIR（鄰信道功率干擾比）作為衡量系統性能的主要參數之一，其計算公式如式（9）所示：

    （9）

    對于WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路之間的干擾仿真，根據標準規定[2-6]，ACLR和ACS（鄰信道選擇性）按表1取值。

    表1  ACLR和ACS取值

    利用上面所給出的傳播模型、功率控制等公式和仿真參數，計算得到如圖2所示的WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路間干擾的仿真結果。對于宏蜂窩移動通信系統，為了使仿真過程更接近實際情況，干擾仿真中使用wraparound技術，對處于系統邊緣的小區通過wraparound等效方法來模擬其所受的實際干擾大小。

    從圖2中可以看出，隨著ACIR值的減小，系統容量下降，損失增加。當ACIR＜40dB時，WCDMA系統容量下降較快，而PHS語音質量下降較平緩。ACIRPHSBS→WCDMAMS=41.8dB時（PHSBS為干擾者，WCDMA MS為被干擾者，以下格式類似），WCDMA系統上行鏈路容量損失約為5%；ACIRWCDMA BS→PHS MS=43.8dB時，PHS系統上行鏈路容量損失＜2%，此時系統之間的互干擾很小。

    圖2  WCDMA上行鏈路與PHS上行鏈路間共存干擾

    2.2PHS上行鏈路間的干擾仿真

    PHS屬于TDDTDMA系統，其上行鏈路和下行鏈路使用相同的頻段，假如兩個PHS系統不完全同步，將有可能產生互干擾問題。對PHS上行鏈路間的干擾仿真，使用的傳播模型與WCDMA上行鏈路和PHS上行鏈路間干擾仿真中使用的傳播模型相同。此時PHS基站的ACLR取為48dB。PHS移動臺的ACS取為50dB。仿真所用的其他參數與前例相同，仿真進程為10000個。

    圖3給出了兩個PHS系統上行鏈路系統偏移R/2時的干擾仿真結果。從圖中可以看出，兩系統之間的干擾隨著ACIR的減小而增大。當ACIRPHSMS→PHSBS=45.8dB時，PHS上行鏈路容量損失＜3%，符合參考文獻[6]所答應的范圍，說明PHS系統的上行鏈路之間的共存干擾對系統影響較小。從圖3中還可以看到，兩個不同PHS系統的共存干擾曲線變化趨勢相同。且水平方向重合。這是因為兩個系統同為PHS系統，發射功率和接收機參數相同，所以在干擾相同的情況下，得到的兩系統容量損失也相同。

    圖3  兩PHS上行鏈路間的共存干擾

    2.3PHS下行鏈路與WCDMA上行鏈路間的干擾仿真

    PHS與WCDMA系統頻率相鄰處除了PHS上行鏈路與WCDMA上行鏈路之間的干擾外，還存在有PHS下行鏈路與WCDMA上行鏈路之間的干擾。

    WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路干擾的路徑損耗為

    （10）

    式（10）中，di,j,MS-MS為宏蜂窩系統中某兩個移動臺之間的距離，單位為km。該模型下對數正態陰影衰落為12dB。

    PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾仿真。在宏小區情況下傳播模式使用自由空間路徑損失模型。其路徑損耗為

    （11）

    式（11）中，di,j,BS-BS為兩個基站之間的距離，單位為km。該模型下，當兩基站之間的距離d＞921.6m（第一菲涅爾半徑）時，對數正態陰影衰落為10dB。

    下行鏈路接收機端的SIR值可由式（12）計算得到：

    （12）

    式（12）中，S：移動臺接收到的信號功率；Gp：路徑損失增益矩陣；Iown：來自與本鏈路相關移動臺連接的除本基站外其他基站的干擾；Iother：來自其他基站連接的移動臺的干擾；No：熱噪聲；α：正交因子。

    功率控制后發射機的發射功率為

    （13）

    式（13）中，Gp：處理增益；Pinterf是基站接收到的干擾信號功率；SIRtarget：目標SIR值。

    該仿真中小區類型、系統偏移等參數與圖1相同。仿真中WCDMA和PHS的ACLR、ACS參數按表2取值。

    表2  PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾仿真中ACLR、ACS的取值

    PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾仿真結果如圖4所示。

    圖4  PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾

    從圖4中可以看出，PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路的干擾隨著ACIRPHSBS→WCDMABS的減小而增大，當ACIRPHSBS→WCDMA BS為65dB時，WCDMA系統上行鏈路的容量損失約為5%。PHS基站的ACLR=48dB，WCDMA基站的ACS=45dB時，通過計算可以得到ACIRPHS BS→WCDMA BS=43.2dB，當ACIRPHS BS→WCDMA BS小于此點時WCDMA系統上行鏈路容量損失遠遠大于5%，說明PHS下行鏈路對WCDMA上行鏈路存在很大的干擾。因此，在同一小區內同時設立WCDMA和PHS系統時，需要考慮共存干擾的影響。減少因為鄰頻而產生的干擾，可以通過增加兩系統之間的保護帶寬，同時在工程實施中調整天線水平和垂直距離、傾角和方位角或者增加附加的濾波器，使PHS系統對WCDMA系統的干擾滿足共存要求。從圖中還可以看到，WCDMA的系統容量損失與系統間的偏移距離相關，兩系統間的偏移距離變大，WCDMA上行鏈路的容量損失減小。也就是說，還可以通過調整系統間的相對偏移距離來改善干擾的影響。

    圖5所示為WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路干擾的仿真結果。從圖中可以看出，WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾基本上不隨ACIRWCDMAMS→PHSBS的變化而變化；在ACIRWCDMAMS→PHS BS=55-75dB時，PHS系統下行鏈路容量的損失＜2%，并且兩系統間偏移距離越大，PHS下行鏈路的容量損失越小。

    圖5  WCDMA上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾

    2.4PHS上行鏈路和PHS下行鏈路間的干擾仿真

    因為PHS的上、下行鏈路使用相同的頻帶，依靠使用不同的時隙來區分，當基站不完全同步時，就會產生PHS上行與下行鏈路之間的干擾。

    圖6所示是PHS下行鏈路對PHS上行鏈路的干擾仿真結果。從圖中可以看出，PHS下行鏈路對PHS上行鏈路存在較大的干擾，干擾隨著ACIRPHSBS→PHSBS增大而變小，當ACIRPHSBS→PHS BS≥70dB時，上行鏈路的容量損失≤5%。兩PHS系統的不同步是產生干擾的主要原因。因為PHS是TDD系統，上行鏈路和下行鏈路使用相同的發射頻帶，要減少上行和下行鏈路之間的干擾重要的是要保持基站之間的同步。另外，PHS每個時隙都有保護時隙，基站的同步時差精度一定要在保護時隙以內，同時調整天線水平和垂直距離、傾角和方位角使之干擾最小。同樣，從圖6中還可以看到，PHS系統偏移距離D越大，PHS上行鏈路的容量損失越小，適當地增加基站之間的距離也有利于減少系統間的干擾。

    圖6  PHS下行鏈路對PHS上行鏈路的干擾

    圖7所示是PHS上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾仿真結果。隨著ACIRPHSMS→PHSMS的變化，容量損失曲線呈平緩變化趨勢，在整個ACIRPHSMS→PHS MS變化區間，容量損失變化＜5%。說明PHS上行鏈路對PHS下行鏈路產生的干擾很小，不會給PHS系統的正常工作帶來影響。

    圖7  PHS上行鏈路對PHS下行鏈路的干擾

    3、PHS和WCDMA在可變小區半徑下共存干擾的仿真

    WCDMA由于發射功率較大，因而具有大半徑覆蓋的能力。PHS的理論覆蓋半徑雖然可以達到1.5km，但受到功率的限制，在實際使用中往往采用較小的半徑。本文通過研究不同半徑下的PHS系統與固定半徑的WCDMA系統間的干擾情況，探討了PHS的覆蓋半徑和二者共存干擾的關系。

    仿真中，設定WCDMA小區半徑為577m，改變PHS系統半徑。對于系統半徑大于200m的小區仍使用宏蜂窩傳播模型，對于系統半徑為200m、120m的小區，則采用微蜂窩傳播模型。

    微蜂窩傳播模型采用了COSTWalfish-Ikegami模型，在市區環境下，其數學表達式定義如下[2]：

    （14）

    其中：d為基站和移動臺之間的距離。此模型下，最小耦合損失為53dB。

    根據參考文獻[2，3，4，7]，得到PHS和WCDMA的相關參數：WCDMA在10MHz偏置處的ACLR=43dB：WCDMA的ACS=43dB；WCDMA的雜散發射=-41dBm；PHS的雜散發射為2.5μW；PHS的ACS=50dB。根據以上參數和式（13）可以計算得到如下結果：

    （15）

    根據這個結果，可以判定上述兩個仿真結果中：PHS系統性能下降低于1%；WCDMA系統下降低于3%。

    仿真中WCDMA仍然采用功率控制和軟切換，PHS采用固定功率發射。由于PHS半徑變化后兩個運營商的基站群的布局不再如圖1中那么規范，這里不存在由d值變化而導致的最好、最差等情況，故仍采用PHS小區半徑值為d。設置了相應參數以后，則可對每個要考察的半徑進行仿真，仿真進程為10000次，當WCDMA達到飽和容量后，進行下一個半徑的仿真，最后可以得出仿真結果。

    3.1不等半徑PHS受WCDMA干擾情況仿真結果分析

    圖8給出了不等半徑PHS受WCDMA干擾情況仿真結果。如圖所示，PHS系統性能損失是先下降后提高，也就是意味著系統性能先提高后下降。這個差異主要來自于仿真采用的傳播模型的不同：120m、200m半徑的情況采用了微蜂窩傳播模型；300m以上半徑的情況采用了宏蜂窩傳播模型。由仿真結果還可以看出，在各個半徑下系統性能的損失都小于5%。采用300m以上的半徑時系統性能的損失小于1%。其原因是因為PHS未采用功率控制，無論半徑如何變化，都以同樣的功率發射，這樣，假如半徑過小，那么基站之間、用戶和基站之間的干擾就會加大。半徑大于300m以后，隨著半徑的增加性能又稍微下降，說明PHS由于基站和移動臺功率的限制，隨半徑增加衰落也大大增加，導致系統性能降低，因此不太適合采用很大的小區半徑。

    圖8  PHS在不同半徑下受WCDMA系統干擾的情況

    3.2在不等PHS小區半徑下WCDMA受干擾情況的仿真

    如圖9所示，WCDMA受PHS小區半徑變化的影響不大，容量損失都在3%以下。其中最好情況是半徑120m時，容量損失為1.85%；最差情況為半徑是577m時，容量損失為2.54%。

    圖9  WCDMA在PHS小區半徑變化下的性能損失

    從圖9中可以看到，WCDMA的系統容量在同一傳播模型下隨PHS半徑的增大而略微減少，原因是隨著PHS小區半徑逐漸增大至與WCDMA的小區半徑相近時，對WCDMA原有正常工作的小區產生了干擾，因而容量有所下降。

    綜合PHS和WCDMA兩個系統考慮，PHS的小區半徑變化對兩個網絡的影響都很?。ǎ?%）；而考慮兩個網絡性能的變化幅度，PHS小區半徑的變化對WCDMA的干擾較小，而對本身影響稍大。根據圖8、圖9的仿真結果并考慮雙方的平衡，認為PHS系統半徑采用300m比較合適。它也可以作為今后PHS系統的大規模網絡覆蓋或進行網絡優化時的合適小區半徑選擇。

    4、結論

    由WCDMA和PHS的共存干擾仿真結果可以得到如下結論，WCDMA的上行鏈路（基站）與PHS系統的上行鏈路（基站）之間的共存干擾較??；WCDMA的上行鏈路對PHS的下行鏈路（移動臺）的干擾也很小，系統容量損失均小于5%，共存時不影響系統正常工作。然而，PHS的下行鏈路對WCDMA的上行鏈路將會產生很大的干擾，不能忽略。假如要減小這種干擾，可以增加ACIR、保護帶寬，同時在工程實施中調整天線水平和垂直距離、傾角和方位角，或者增加附加的濾波器，或保持兩個系統基站之間的距離。對于相同的PHS系統，通過仿真結果得到以下結論：PHS上行鏈路對PHS上行鏈路和PHS下行鏈路對PHS下行鏈路的干擾都很小，兩系統間主要的干擾發生在PHS下行鏈路與PHS上行鏈路之間。由于兩PHS系統的不同步，使兩系統之間產生較大的干擾，說明保持良好的系統同步對減小PHS系統的干擾是非常重要的。另外，對于PHS和WCDMA在PHS可變小區半徑下共存干擾的研究，給出了在不同PHS小區半徑下系統容量損失的仿真結果。通過仿真結果可以看到，合理調整移動系統間的距離，有利于減少系統間的干擾影響，對今后進行網絡的優化和小區規劃有很好的參考價值。下一步作者還將對WCDMA的多載波干擾和PHS頻率復用時的干擾做進一步的研究和探討。

    參考文獻

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