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TDD-CDMA系統(tǒng)干擾研究
摘要：研究TDD-CDMA系統(tǒng)在同步以及非同步情況下相鄰小區(qū)間的干擾，分析了TDD-CDMA系統(tǒng)作為TDD系統(tǒng)，其區(qū)別于FDD系統(tǒng)的特有的干擾模型。對小區(qū)間干擾的分析與仿真，為優(yōu)化未來網(wǎng)絡的容量以及性能提供了有價值的參考。關鍵詞：TDD-CDMA TDD FDD 干擾 業(yè)務負荷
TDD-CDMA移動通信系統(tǒng)的優(yōu)點在于它能夠靈活處理不對稱數(shù)據(jù)以及它的信道的自然特性，但是同步和干擾問題是其主要限制因素。為了認識TDD-CDMA系統(tǒng)的性能和容量，本文討論并通過仿真研究了系統(tǒng)可能存在的干擾，并且提出了一些避免或者減小TDD-CDMA系統(tǒng)的干擾的建議。
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1 TDD-CDMA系統(tǒng)的干擾
TDD-CDMA系統(tǒng)采用TDD方式，TDD系統(tǒng)中存在的干擾與FDD系統(tǒng)存在的干擾是不同的。
TDD-CDMA系統(tǒng)屬于TDD方式，其干擾模型如圖1所示，TDD系統(tǒng)中的干擾不同于FDD系統(tǒng)中的干擾：
（1）在FDD中，由于上下行是頻分雙工，信道間的干擾只存在基站與移動臺之間（BS<—>MS）。下行信道只會對下行的信道產(chǎn)生干擾，上行的信道只會對上行的信道產(chǎn)生干擾，上下行之間不存在干擾。在TDD系統(tǒng)中，由于上下使用同一二甲基甲酰胺波，所以基站與移動臺之間可能存在各種干擾（BS<—>MS、MS<—>MS、BS<—>BS），其中BS<—>與FDD系統(tǒng)中的干擾是相同的，而另外兩種干擾MS<—>MS、BS<—>BS則是TDD特有的干擾。
（2）由于TDD模式比較適宜使用多用戶檢測和適應性天線，來自當前小區(qū)內(nèi)部的干擾相對較小，故來自相鄰小區(qū)的干擾將成為主要的干擾。
（3）MS<—>MS、BS<—>BS干擾與BS<—>MS的干擾不同，且損耗模型也不一樣。MS<—>MS的干擾很小，這是因為MS的發(fā)射功率小，而且路徑損耗較大；而BS<—>的干擾較大，這是因為BS的發(fā)射功率較大；而且路徑損耗較小。
TDD系統(tǒng)特有的干擾（MS<—>MS、BS<—>BS）主要是由于蜂窩的不同步、蜂窩間幀結(jié)構不同、信道不對特性以及多徑傳播時延幾方面的因素引起的。
對TDD-CDMA系統(tǒng)而方，需要區(qū)分同步以及非同步兩種情況來考慮小區(qū)間干擾。在同步情況下，TDD-CDMA系統(tǒng)小區(qū)間的干擾與FDD中的相同只存在BS<—>MS之間的干擾；在非同步情況下，TDD-CDMA系統(tǒng)小區(qū)間的干擾除了存在BS<—>MS之間的干擾以外還將引入MS<—>MS、BS<—>BS之間的干擾。另外相鄰小區(qū)的業(yè)務負荷也是影響小區(qū)間干擾大小的一個因素。隨著相鄰小區(qū)業(yè)務負荷的增大，小區(qū)間干擾要隨之增大，那么這種干擾增大的趨勢是怎樣的？當鄰小區(qū)業(yè)務負荷達到一個很高的水平時，在同步以及非同步情況下小區(qū)間干擾的數(shù)值有多大？本文通過仿真來回答上述問題。
2 TDD/FDD干擾
從圖2看出，F(xiàn)DD的下行與TDD的頻率相差很遠，因此FDD的下行與TDD系統(tǒng)下相互干擾。而FDD的上行頻率與TDD的頻率相鄰，因此FDD與TDD之間存在FDD的上行與TDD的上行或者下行的干擾，如圖3所示。
TDD小區(qū)的小行，BS1收到來自MS1的信號和上行干擾。上行干擾包括TDD小區(qū)的其它MS的干擾和來自FDD小區(qū)的MS的干擾。
圖4和圖5
TDD小區(qū)的下行，MS1接收到來自BS1的信號和下行干擾。下行干擾包括來自BS1的其它信息的干擾和來自FDD小區(qū)的MS的干擾。
FDD小區(qū)的上行，BS2收到來自MS2的信號和上行干擾。上行干擾包括來自FDD小區(qū)的其它MS的干擾和來自TDD小區(qū)的基站和MS的干擾。
FDD小區(qū)的下行由于FDD的下行頻率與TDD頻率間隔，它們不互相干擾。
3 傳播損耗模塊
3.1 BS<—>損耗模型
參考UMTS 30.03，可以得出如下的路徑損耗公式，該公式適用于城市和遠效等建筑物均勻等高的情況：
其中：
損耗公式中各參數(shù)的含義為：R為發(fā)射機與接收機之間的距離；λ為波長；hm為終端的高度；hB為基站的高度；h為建筑物的平均高度；x為終端與反射邊緣的水平距離；f為各排建筑物的距離；R為發(fā)射機與接收機之間的距離，f為載波頻率，ΔhB為基站天線的平均高度。
當ΔhM=10.5m,x=15m,d=80m,f=2000MHz; ΔhB=15m,則上面的路徑損耗公式可以簡化為：
L=128.1+37.6log10(R)
3.2 MS<—> MS損耗模型
MS<—> MS的路徑損耗模型是基于H.Xia公式：
其中，φ=arctan[(|ΔhB|)/d],其余參數(shù)意義見BS<—> MS損耗公式。
當ΔhM=10.5m,x=15m,d=80m, ΔhB=-5m,f=2000MHz時，路徑損耗公式變?yōu)椋?/p>
LMS<—> MS=170+40·log10(R)
3.3 BS<—> BS損耗模型
在宏小區(qū)情況下BS<—>BS損耗模型使用自由空間的路徑損耗模型。公式如下：
LBS<—> =38.46+20log10(R)
4 TDD-CDMA系統(tǒng)小區(qū)間干擾模型
對TDD-CDMA而言，小區(qū)間的干擾需要區(qū)分為同步以及非同步兩種情況來考慮。
4.1 同步情況
如果小區(qū)之間同步且有相同的幀結(jié)構，則TDD-CDMA系統(tǒng)小區(qū)間的干擾將與FDD中的相同。在上行，BS接收到的來自其它小區(qū)的就是來自其它小區(qū)中MS的干擾（BS<—>MS）；在下行，MS接收到的來自其它小區(qū)的干擾就是來自其它小區(qū)BS的干擾（BS<—>MS），如圖4、圖5所示。
4.2 非同步情況
當小區(qū)之間不同步或具有不同的幀結(jié)構時，將會造成系統(tǒng)中間時存在上下行鏈路的情況，此時系統(tǒng)中除了存在BS<—>MS類型的干擾，對上行鏈路新引入了類型的干擾，對下行鏈路新引入了MS<—>MS類型的干擾，此時小區(qū)間上下行干擾如圖6、7所示。
假設小區(qū)之間的定時偏移量與一個時隙的百分比用參數(shù)offset來表示，如圖8所示。
則小區(qū)間的上下行干擾可以表示為：
上式當中的Iuplink-inter-cells和Idownlink-inter-cells分別表示小區(qū)間上下行鏈路的干擾，IBS-other-cells表示由其它小區(qū)基站產(chǎn)生的干擾，IMS-other-cells表示由其它小區(qū)移動臺產(chǎn)生的干擾。
可以看到，上述計算公式在偏移參數(shù)offset=0時，與同步情況下得到的干擾計算公式相同。當偏移參數(shù)offset=1時，此時小區(qū)之間的定時偏移相差一個時隙，處于完全不同步
狀態(tài)。
圖8
5 仿真結(jié)果與分析
5.1 仿真假設
鄰近小區(qū)的干擾考慮來自鄰近18個小區(qū)的干擾；只考慮話音信道；對小區(qū)業(yè)務負荷的計算，采用的公式：業(yè)務負荷=呼叫率×呼叫持續(xù)時間。
5.2 仿真主要參數(shù)設置
仿真當中MS和BS射頻參數(shù)的設置如下：小區(qū)數(shù)為36；移動臺的速度為10km/h～60km/h；呼叫持續(xù)時間為30s～240s；單時隙最多可容納用戶數(shù)16；小區(qū)半徑為577m；實時測量間間隔為5s；呼叫平均間隔時間為（0.05,0.15,0.25,0.35,0.5,0.8,1.0）s。
5．3 仿真結(jié)果與分析
根據(jù)上述仿真假設和參數(shù)設置，采用Bones系統(tǒng)仿真軟件得到仿結(jié)果如下：
圖9和圖10中的橫坐標mean burden表示相鄰小區(qū)業(yè)務負荷，是以一個時隙當中最多容納16個用戶為標準，例如圖中的mean burden為1時，表示一個時隙當中容納了16×1=16個用戶，Mean burden為1表示這時業(yè)務負荷達到100%（16個用戶）。以此類推,當mean burden為0.5時，代表這時業(yè)務負荷達到50%，這時一個時隙當中容納16×0.5=8個用戶。
從圖9和圖10中可以看出：隨著相鄰小區(qū)業(yè)務負荷的增加，來自其它小區(qū)的干擾呈增加的趨勢，對上下行鏈路來說都是如此，這也與前面的推測一致。不同的是，對上行鏈路而方，來自其它小區(qū)的干擾會隨著小區(qū)間定時偏移offset的增大而增大，在offset=0同步情況下干擾最小，在offset=1時干擾最嚴重，如圖9所示。而對于下行鏈路，情況則剛好相反，來自其它小萄干擾會隨著小區(qū)定時偏移offset的增大而減小，在offset=0同步情況下干擾最嚴重，在offset=1時干擾最小，如圖10所示。千萬這種情況的原因是：當offset=0時，上行主要是MS<—>BS的干擾，下行是BS<—> MS的干擾；當offset≠0（不同步情況）時，對上行引入了BS<—> BS的干擾，對下行引入了MS<—> MS的干擾。根據(jù)干擾模型當中的干擾計算公式，offset值越大，上行鏈路引入的干擾越大，同時由于路徑損耗模型和發(fā)射功率的不同，BS<—> BS干擾要大于MS<—> BS干擾，所以整體上行鏈路干擾數(shù)值相應增大，當offset=1時，上行鏈路將主要是BS<—> BS干擾，此時干擾最嚴重。而對于下行鏈路，根據(jù)干擾計算公式，offset值越大，下行鏈路引入的MS<—> MS干擾越大，但MS<—> MS類型的干擾要小于BS<—> BS類型的干擾，所以整體下行鏈路干擾數(shù)值相應減小，當offset=1時，下行鏈路將主要是MS<—> MS類型的干擾，此時干擾最小。
目前對于TDD系統(tǒng)干擾的研究主要集中在UTRATDD上，專門針對TDD-CDMA系統(tǒng)在同步以及非同步情況下的干擾研究還比較小。隨著TDD-CDMA系統(tǒng)研發(fā)的不斷深入，TDD-CDMA系統(tǒng)存在的干擾問題越來越受到關注。
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