TD-LTE系统与雷达的干扰仿真分析

刘阳 李冰琪 方箭

(1.中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068;2.国家无线电监测中心 西安 710068)

0 引言

TD-LTE 系统是我国自主知识产权的第三代移动通信技术TD-SCDMA 的演进系统［1］。根据国家相关政策，2300 ～2400MHz 频段带宽资源较丰富(100MHz)，可能成为TD-LTE 系统首选工作频段。

然而，目前我国在2300 ～2400MHz 频段上存在的业务主要是无线电定位业务，由军用雷达使用，且发射功率较大，如果TD-LTE 系统和雷达系统在同一区域内工作时，可能会存在相互干扰，因此，本文采用多系统共存研究方法评估了TD-LTE 系统和雷达系统在2300 ～2400MHz 频段兼容共存的可行性。

本文首先介绍了TD-LTE 系统和雷达系统的基本原理，并对系统干扰场景建模;其次，本文对TD-LTE 和雷达系统的干扰做了确定性计算分析，并通过系统级仿真对确定性计算结果进行验证。最后，本文对仿真结果进行了总结，并分析了TD-LTE 系统对雷达可能造成干扰的原因。

1 干扰场景建模

1.1 TD－LTE 系统和雷达系统的基本原理

雷达的主要工作原理是通过接收、处理由雷达发射并被物体反射后载有物体信息的电磁波，以实现预警探测［2］。目前，我国在2300 ～2400MHz 频段上部署的雷达主要为军用脉冲式雷达，如图1所示，接收回波是在发射脉冲休止期内，所以它的发射和接收链路是时间分离的。

TD-LTE 的帧结构如图2所示，无线帧长为10ms，该帧被划分为两个5ms 的半帧，每个半帧包括1 个特殊子帧(被划分为UpPTS、GP 和DwPTS 等3 个特殊时隙)和4 个普通子帧(被划分为两个0.5ms 的时隙)。因为TD-LTE 采用TDD 双工方式，不需要对称频段，但也使上、下行链路都会与雷达同频或邻频工作。

根据TD-LTE 系统TDD 双工方式的特性，该系统与雷达共存产生的干扰情况可以分为以下四种情况:TD-LTE 终端对雷达接收机的干扰;TD-LTE 基站对雷达接收机的干扰;雷达对TD-LTE 终端链路的干扰;雷达对TD-LTE 基站链路的干扰。

图1 雷达脉冲序列图

图2 TD-LTE 系统的帧结构

1.2 系统干扰场景建模

通常情况下，雷达部署于城市远郊或者偏远山区，且一般为单站方式运行;TD-LTE 系统以多站成网络方式运行。如图3所示，本文研究TD-LTE和雷达混合部署时，以雷达为中心，四周部署TD-LTE 系统。

图3 TD-LTE 系统和雷达的干扰场景

上述场景中，一个小区包含划分为3 个扇区的19 个基站;本文以19 个基站为单位对该拓扑向远离雷达的方向向外进行延拓，得到TD-LTE 系统拓扑图如图4。

考虑到军用雷达的保密性，本文研究考虑的是雷达系统的通用参数，主要参数见表1所示。

TD-LTE 支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz 和20MHz 等系统带宽。考虑到2300 ～2400MHz 频段仅有100MHz 带宽，本文只考虑系统带宽为5MHz 的情况。根据3GPP TS 36.101、TS36.101 和TS36.104 得到表2 的TD-LTE 系统带宽为5MHz 时的主要仿真参数，以及表3 的TD-LTE 基站和终端天线模型［3-9］。

表1 雷达的主要参数

主瓣增益(dBi)30副瓣增益(dBi)2插入损耗(dB)2接收机3dB 带宽(MHz)2.5

表2 TD-LTE 系统的主要参数

表3 TD-LTE 基站和终端天线模型

图4 TD-LTE 系统的拓扑图

2 TD －LTE 系统与雷达干扰的确定性计算

根据链路功率预算进行系统干扰的确定性计算，解析得出两系统在互不干扰条件下部署所需的物理间隔［10-11］。

2.1 TD－LTE 系统对雷达干扰的确定性计算

TD 系统对雷达系统的干扰为式(1):

式中:

IRD-雷达接收到的干扰功率，dBm;

Pt-TD 系统发射功率，dBm;

Gr-雷达接收在TD 系统发射方向上的天线增益，dBi

Gt-TD 系统发射在雷达接收方向上的天线增益，dBi;

Lt-TD 系统发射机插入损耗，通常基站为2 dB，终端为0dB;

Lp-TD 系统发射机与雷达接收机之间的路径损耗，dB;

Lr-雷达接收机插入损耗，通常雷达为2dB;

FDR-频率隔离度(Frequency Dependent Rejection)，dB。

FDR 定义为下式。

式中:

P(f)-干扰信号等效于中频的功率谱密度;

H(f)-接收机的频率响应;

Δf= ft-fr，ft为干扰源中心频率，fr为接收机中心频率。

在仿真中，雷达所受到的干扰是由TD-LTE 系统内所有的干扰源的总和。因为在仿真场景中本文假设了基站的周围都布满了TD-LTE 系统，所以本文可以假设雷达在转动中一直受到干扰。

对于下行链路，TD-LTE 基站不涉及功率控制，采用固定功率发射。所以对于下行链路干扰雷达，本文采用固定某一角度计算TD-LTE 系统与雷达系统在互不干扰条件下部署所需要的物理间隔。

对于上行链路，通过TD-LTE 系统的功率控制，并且伴随着移动终端的变化。所以对于上行链路干扰雷达，本文采用统计雷达在固定隔离距离时雷达所受到的干扰概率。

3.2 雷达对TD-LTE 系统干扰的确定性计算

雷达系统对TD 系统的干扰为:

式中:

ITD-TD 接收到的干扰功率，dBm;

Pt-雷达发射功率，dBm;

Gr-TD 接收在雷达发射方向上的天线增益，dBi;

Gt-雷达发射在TD 系统接收方向上的天线增益，dBi;

Lt-雷达发射机插入损耗，通常雷达为2dB;

Lr-TD 系统接收机插入损耗，通常基站为2 dB，终端为0 dB;

Lp-雷达发射机与TD 系统接收机之间的路径损耗，dB;

FDR-频率隔离度(dB)，dB。

对于雷达对TD 系统单站的干扰，可根据TD 系统的干扰门限进行计算，然后得到相应的隔离距离。

3.3 计算结果

根据上述方法，并且依据TD-LTE 系统与雷达发射机和接收机频谱特性，计算得到FDR 值分别见表4。

表4 TD-LTE 和雷达之间干扰的FDR 值(单位dB)

3 TD －LTE 系统与雷达干扰的仿真分析

本文采用系统级仿真分析了TD-LTE 系统与雷达之间的干扰。

系统级仿真是在链路级仿真的基础上，输入每条链路的性能参数，并且对通信协议仿真。仿真系统的参数主要在系统配置阶段生成［12］。主要参数类型包括系统配置参数、传播模型参数和系统链路参数。

3.1 TD－LTE 和雷达的干扰仿真

TD-LTE 和雷达的干扰仿真主要采用动态仿真。如图5所示，系统仿真的总体过程如下［13-14］:

(1)系统初始化参数输入和系统配置;主要包括两类参数:雷达和TD-LTE 系统参数，以及仿真控制参数;

(2)判断系统仿真类型，判定系统仿真类型，如果是单系统仿真转第(3)步，如果是双系统仿真量则转第(4)步;

(3)单系统仿真启动一次放置用户撒点，在基站固定情况下设置终端位置，采用随机撒点方式;

(4)反复进行(3)，当放置用户的次数触发预定条件，统计TD 系统干扰雷达的概率，生成结果;

(5)对于双系统仿真，首先要判断谁是受干扰系统，并判断干扰方向是上行还是下行，选择雷达的型号。系统仿真启动一次放置用户撒点，在基站固定情况下设置终端位置，采用随机布点;

(6)反复进行(5)，当放置用户的次数触发预定条件，统计TD 系统干扰雷达的概率，生成结果。

根据干扰场景的分析，仿真结果可以分为两个方面:一是TD-LTE 对雷达的干扰，二是雷达对TD-LTE 系统的干扰。

3.2 TD－LTE 系统对雷达的干扰

TD-LTE 系统对于雷达的干扰又可以分为基站对雷达的干扰和终端对雷达的干扰。

其中，TD-LTE 基站对雷达的干扰结果见表5。

表5 TD-LTE 基站干扰雷达需要的隔离距离

仿真可得，TD-LTE 终端对于雷达的干扰概率见图6，TD-LTE 终端和雷达之间的中心频率间隔越大，避免二者干扰所需的隔离距离越小，可得，当TD-LTE 终端集总干扰对雷达干扰为0 时，二者中心频率间隔和所需的隔离距离的关系如表6所示。

图5 总体仿真流程图

表6 TD-LTE 终端干扰雷达需要的隔离距离

3.3 雷达对TD－LTE 系统的干扰

根据雷达对TD-LTE 的干扰场景，由于天线高度不同，本文将场景分为了城区和郊区两种，在两种场景下雷达干扰基站时的调制编码损失分别为图7和图8，雷达和TD-LTE 终端之间的中心频率间隔越大，避免二者干扰所需的隔离距离越小，并以5%为标准限值可得到TD-LTE 终端和雷达在不同中心频率间隔条件下需要的隔离距离如表7所示。

表7 雷达干扰TD-LTE 基站需要的隔离距离

在雷达对TD-LTE 终端的干扰场景，本文得到如图9 的雷达对郊区一个TD-LTE 扇区内的终端调制编码损失曲线，并以5%为标准限值可得到TD-LTE 终端和雷达在不同中心频率间隔条件下需要的隔离距离如表8所示。

表8 雷达干扰TD-LTE 移动终端需要的隔离距离

4 结论

根据确定性计算和仿真结果，总体来说，需要的隔离距离都小于100km。在相同频率隔离情况下，TD-LTE 系统对雷达干扰时所需要的物理间隔要大于反方向干扰所需物理间隔，可能的主要原因为TD-LTE 系统干扰是多个小区基站干扰的累加结果，同时，也有雷达系统需要的干扰保护条件偏高等原因。

图6 TD-LTE 终端对雷达干扰概率

图7 雷达干扰基站时的调制编码损失(城区)

图8 雷达干扰基站时的调制编码损失(郊区)

图9 雷达干扰终端时的调制编码损失(郊区)

［1］王映民，孙韶辉.TD-LTE 技术原理与系统设计［M］.北京，人民邮电出版社，2010.

［2］Merrill Skolnik 著，左群声，徐国良，马林等译.雷达系统导论(第三版)［M］.北京，电子工业出版社，2007.

［3］User Equipment(UE)radio transmission and reception，(Release 8)3GPP.TS 36.101.V8.2.0(2008-05)

［4］Base Station(BS)radio transmission and reception，(Release 8)3GPP.TS 36.104.V8.2.0(2008-05)

［5］Physical Channels and Modulation，(Release 8)，3GPP.TS 36.211.V8.4.0(2008-09)

［6］Radio Frequency(RF)system scenarios，(Release 8)，3GPP.TS.36.942.V8.0.0(2008-09)

［7］ITU-R 标准文件P 452-12.

［8］ITU-R 标准文件P 526-9.

［9］ITU-R 标准文件M.1461.

［10］中国通信标准化组织文件，CWTS_WG1_3G_SPEC_054.

［11］TC5_WG8_2008_041B，2300-2400MHz 雷达与TD-SCDMA 干扰共存研究，CCSA.

［12］Tranter，W.H.等著，肖明波等译.通信系统仿真原理与无线应用［M］.北京，机械工业出版社，2005.

［13］梁童，孟德香.TD-LTE 系统与WLAN 系统共存研究［J］.电信工程技术与标准化，2010，1:4-9.

［14］李超，滕建辅，李瑞杰，徐大为.TD-LTE 与WCDMA 系统共存的干扰研究［J］.微处理机，2012，4:40-45.