TDD-CDMA系统干扰研究

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摘要：研究TDD-CDMA系统在同步以及非同步情况下相邻小区间的干扰，分析了TDD-CDMA系统作为TDD系统，其区别于FDD系统的特有的干扰模型。对小区间干扰的分析与仿真，为优化未来网络的容量以及性能提供了有价值的参考。

    关键词：TDD-CDMA TDD FDD 干扰 业务负荷

TDD-CDMA移动通信系统的优点在于它能够灵活处理不对称数据以及它的信道的自然特性，但是同步和干扰问题是其主要限制因素。为了认识TDD-CDMA系统的性能和容量，本文讨论并通过仿真研究了系统可能存在的干扰，并且提出了一些避免或者减小TDD-CDMA系统的干扰的建议。
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1 TDD-CDMA系统的干扰

TDD-CDMA系统采用TDD方式，TDD系统中存在的干扰与FDD系统存在的干扰是不同的。

TDD-CDMA系统属于TDD方式，其干扰模型如图1所示，TDD系统中的干扰不同于FDD系统中的干扰：

（1）在FDD中，由于上下行是频分双工，信道间的干扰只存在基站与移动台之间（BS<—>MS）。下行信道只会对下行的信道产生干扰，上行的信道只会对上行的信道产生干扰，上下行之间不存在干扰。在TDD系统中，由于上下使用同一二甲基甲酰胺波，所以基站与移动台之间可能存在各种干扰（BS<—>MS、MS<—>MS、BS<—>BS），其中BS<—>与FDD系统中的干扰是相同的，而另外两种干扰MS<—>MS、BS<—>BS则是TDD特有的干扰。
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    （2）由于TDD模式比较适宜使用多用户检测和适应性天线，来自当前小区内部的干扰相对较小，故来自相邻小区的干扰将成为主要的干扰。

（3）MS<—>MS、BS<—>BS干扰与BS<—>MS的干扰不同，且损耗模型也不一样。MS<—>MS的干扰很小，这是因为MS的发射功率小，而且路径损耗较大；而BS<—>的干扰较大，这是因为BS的发射功率较大；而且路径损耗较小。

TDD系统特有的干扰（MS<—>MS、BS<—>BS）主要是由于蜂窝的不同步、蜂窝间帧结构不同、信道不对特性以及多径传播时延几方面的因素引起的。
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    对TDD-CDMA系统而方，需要区分同步以及非同步两种情况来考虑小区间干扰。在同步情况下，TDD-CDMA系统小区间的干扰与FDD中的相同只存在BS<—>MS之间的干扰；在非同步情况下，TDD-CDMA系统小区间的干扰除了存在BS<—>MS之间的干扰以外还将引入MS<—>MS、BS<—>BS之间的干扰。另外相邻小区的业务负荷也是影响小区间干扰大小的一个因素。随着相邻小区业务负荷的增大，小区间干扰要随之增大，那么这种干扰增大的趋势是怎样的？当邻小区业务负荷达到一个很高的水平时，在同步以及非同步情况下小区间干扰的数值有多大？本文通过仿真来回答上述问题。

2 TDD/FDD干扰

从图2看出，FDD的下行与TDD的频率相差很远，因此FDD的下行与TDD系统下相互干扰。而FDD的上行频率与TDD的频率相邻，因此FDD与TDD之间存在FDD的上行与TDD的上行或者下行的干扰，如图3所示。

TDD小区的小行，BS1收到来自MS1的信号和上行干扰。上行干扰包括TDD小区的其它MS的干扰和来自FDD小区的MS的干扰。

图4和图5

    TDD小区的下行，MS1接收到来自BS1的信号和下行干扰。下行干扰包括来自BS1的其它信息的干扰和来自FDD小区的MS的干扰。

FDD小区的上行，BS2收到来自MS2的信号和上行干扰。上行干扰包括来自FDD小区的其它MS的干扰和来自TDD小区的基站和MS的干扰。

FDD小区的下行由于FDD的下行频率与TDD频率间隔，它们不互相干扰。

3 传播损耗模块

3.1 BS<—>损耗模型

参考UMTS 30.03，可以得出如下的路径损耗公式，该公式适用于城市和远效等建筑物均匀等高的情况：

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其中：

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损耗公式中各参数的含义为：R为发射机与接收机之间的距离；λ为波长；hm为终端的高度；hB为基站的高度；h为建筑物的平均高度；x为终端与反射边缘的水平距离；f为各排建筑物的距离；R为发射机与接收机之间的距离，f为载波频率，ΔhB为基站天线的平均高度。

当ΔhM=10.5m,x=15m,d=80m,f=2000MHz; ΔhB=15m,则上面的路径损耗公式可以简化为：

L=128.1+37.6log10(R)

3.2 MS<—> MS损耗模型

MS<—> MS的路径损耗模型是基于H.Xia公式：


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其中，φ=arctan[(ΔhB)/d],其余参数意义见BS<—> MS损耗公式。

当ΔhM=10.5m,x=15m,d=80m, ΔhB=-5m,f=2000MHz时，路径损耗公式变为：

LMS<—> MS=170+40·log10(R)

3.3 BS<—> BS损耗模型

在宏小区情况下BS<—>BS损耗模型使用自由空间的路径损耗模型。公式如下：

LBS<—> =38.46+20log10(R)
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4 TDD-CDMA系统小区间干扰模型

对TDD-CDMA而言，小区间的干扰需要区分为同步以及非同步两种情况来考虑。

4.1 同步情况

如果小区之间同步且有相同的帧结构，则TDD-CDMA系统小区间的干扰将与FDD中的相同。在上行，BS接收到的来自其它小区的就是来自其它小区中MS的干扰（BS<—>MS）；在下行，MS接收到的来自其它小区的干扰就是来自其它小区BS的干扰（BS<—>MS），如图4、图5所示。

4.2 非同步情况

当小区之间不同步或具有不同的帧结构时，将会造成系统中间时存在上下行链路的情况，此时系统中除了存在BS<—>MS类型的干扰，对上行链路新引入了类型的干扰，对下行链路新引入了MS<—>MS类型的干扰，此时小区间上下行干扰如图6、7所示。

假设小区之间的定时偏移量与一个时隙的百分比用参数offset来表示，如图8所示。

则小区间的上下行干扰可以表示为：

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上式当中的Iuplink-inter-cells和Idownlink-inter-cells分别表示小区间上下行链路的干扰，IBS-other-cells表示由其它小区基站产生的干扰，IMS-other-cells表示由其它小区移动台产生的干扰。

可以看到，上述计算公式在偏移参数offset=0时，与同步情况下得到的干扰计算公式相同。当偏移参数offset=1时，此时小区之间的定时偏移相差一个时隙，处于完全不同步状态。

图8

5 仿真结果与分析

5.1 仿真假设

邻近小区的干扰考虑来自邻近18个小区的干扰；只考虑话音信道；对小区业务负荷的计算，采用的公式：业务负荷=呼叫率×呼叫持续时间。

5.2 仿真主要参数设置javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

仿真当中MS和BS射频参数的设置如下：小区数为36；移动台的速度为10km/h～60km/h；呼叫持续时间为30s～240s；单时隙最多可容纳用户数16；小区半径为577m；实时测量间间隔为5s；呼叫平均间隔时间为（0.05,0.15,0.25,0.35,0.5,0.8,1.0）s。

5．3 仿真结果与分析

根据上述仿真假设和参数设置，采用Bones系统仿真软件得到仿结果如下：

图9和图10中的横坐标mean burden表示相邻小区业务负荷，是以一个时隙当中最多容纳16个用户为标准，例如图中的mean burden为1时，表示一个时隙当中容纳了16×1=16个用户，Mean burden为1表示这时业务负荷达到100%（16个用户）。以此类推,当mean burden为0.5时，代表这时业务负荷达到50%，这时一个时隙当中容纳16×0.5=8个用户。

从图9和图10中可以看出：随着相邻小区业务负荷的增加，来自其它小区的干扰呈增加的趋势，对上下行链路来说都是如此，这也与前面的推测一致。不同的是，对上行链路而方，来自其它小区的干扰会随着小区间定时偏移offset的增大而增大，在offset=0同步情况下干扰最小，在offset=1时干扰最严重，如图9所示。而对于下行链路，情况则刚好相反，来自其它小萄干扰会随着小区定时偏移offset的增大而减小，在offset=0同步情况下干扰最严重，在offset=1时干扰最小，如图10所示。千万这种情况的原因是：当offset=0时，上行主要是MS<—>BS的干扰，下行是BS<—> MS的干扰；当offset≠0（不同步情况）时，对上行引入了BS<—> BS的干扰，对下行引入了MS<—> MS的干扰。根据干扰模型当中的干扰计算公式，offset值越大，上行链路引入的干扰越大，同时由于路径损耗模型和发射功率的不同，BS<—> BS干扰要大于MS<—> BS干扰，所以整体上行链路干扰数值相应增大，当offset=1时，上行链路将主要是BS<—> BS干扰，此时干扰最严重。而对于下行链路，根据干扰计算公式，offset值越大，下行链路引入的MS<—> MS干扰越大，但MS<—> MS类型的干扰要小于BS<—> BS类型的干扰，所以整体下行链路干扰数值相应减小，当offset=1时，下行链路将主要是MS<—> MS类型的干扰，此时干扰最小。

目前对于TDD系统干扰的研究主要集中在UTRATDD上，专门针对TDD-CDMA系统在同步以及非同步情况下的干扰研究还比较小。随着TDD-CDMA系统研发的不断深入，TDD-CDMA系统存在的干扰问题越来越受到关注。