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TDD-CDMA系統干擾研究
摘要：研究TDD-CDMA系統在同步以及非同步情況下相鄰小區間的干擾，分析了TDD-CDMA系統作為TDD系統，其區別于FDD系統的特有的干擾模型。對小區間干擾的分析與仿真，為優化未來網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 業務負荷
TDD-CDMA移動通信系統的優點在于它能夠靈活處理不對稱數據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系統的性能和容量，本文討論并通過仿真研究了系統可能存在的干擾，并且提出了一些避免或者減小TDD-CDMA系統的干擾的建議。
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1 TDD-CDMA系統的干擾
TDD-CDMA系統采用TDD方式，TDD系統中存在的干擾與FDD系統存在的干擾是不同的。
TDD-CDMA系統屬于TDD方式，其干擾模型如圖1所示，TDD系統中的干擾不同于FDD系統中的干擾：
（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生干擾，上行的信道只會對上行的信道產生干擾，上下行之間不存在干擾。在TDD系統中，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，來自當前小區內部的干擾相對較小，故來自相鄰小區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的發射功率較大；而且路徑損耗較小。
TDD系統特有的干擾（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系統而方，需要區分同步以及非同步兩種情況來考慮小區間干擾。在同步情況下，TDD-CDMA系統小區間的干擾與FDD中的相同只存在BS<—>MS之間的干擾；在非同步情況下，TDD-CDMA系統小區間的干擾除了存在BS<—>MS之間的干擾以外還將引入MS<—>MS、BS<—>BS之間的干擾。另外相鄰小區的業務負荷也是影響小區間干擾大小的一個因素。隨著相鄰小區業務負荷的增大，小區間干擾要隨之增大，那么這種干擾增大的趨勢是怎樣的？當鄰小區業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間干擾的數值有多大？本文通過仿真來回答上述問題。
2 TDD/FDD干擾
從圖2看出，FDD的下行與TDD的頻率相差很遠，因此FDD的下行與TDD系統下相互干擾。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小區的其它MS的干擾和來自FDD小區的MS的干擾。
圖4和圖5
TDD小區的下行，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小區的MS的干擾。
FDD小區的上行，BS2收到來自MS2的信號和上行干擾。上行干擾包括來自FDD小區的其它MS的干擾和來自TDD小區的基站和MS的干擾。
FDD小區的下行由于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：
損耗公式中各參數的含義為：R為發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，路徑損耗公式變為：
LMS<—> MS=170+40·log10(R)
3.3 BS<—> BS損耗模型
在宏小區情況下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系統小區間干擾模型
對TDD-CDMA而言，小區間的干擾需要區分為同步以及非同步兩種情況來考慮。
4.1 同步情況
如果小區之間同步且有相同的幀結構，則TDD-CDMA系統小區間的干擾將與FDD中的相同。在上行，BS接收到的來自其它小區的就是來自其它小區中MS的干擾（BS<—>MS）；在下行，MS接收到的來自其它小區的干擾就是來自其它小區BS的干擾（BS<—>MS），如圖4、圖5所示。
4.2 非同步情況
當小區之間不同步或具有不同的幀結構時，將會造成系統中間時存在上下行鏈路的情況，此時系統中除了存在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，此時小區間上下行干擾如圖6、7所示。
假設小區之間的定時偏移量與一個時隙的百分比用參數offset來表示，如圖8所示。
則小區間的上下行干擾可以表示為：
上式當中的Iuplink-inter-cells和Idownlink-inter-cells分別表示小區間上下行鏈路的干擾，IBS-other-cells表示由其它小區基站產生的干擾，IMS-other-cells表示由其它小區移動臺產生的干擾。
可以看到，上述計算公式在偏移參數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offset=1時，此時小區之間的定時偏移相差一個時隙，處于完全不同步
狀態。
圖8
5 仿真結果與分析
5.1 仿真假設
鄰近小區的干擾考慮來自鄰近18個小區的干擾；只考慮話音信道；對小區業務負荷的計算，采用的公式：業務負荷=呼叫率×呼叫持續時間。
5.2 仿真主要參數設置
仿真當中MS和BS射頻參數的設置如下：小區數為36；移動臺的速度為10km/h～60km/h；呼叫持續時間為30s～240s；單時隙最多可容納用戶數16；小區半徑為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 仿真結果與分析
根據上述仿真假設和參數設置，采用Bones系統仿真軟件得到仿結果如下：
圖9和圖10中的橫坐標mean burden表示相鄰小區業務負荷，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：隨著相鄰小區業務負荷的增加，來自其它小區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，來自其它小區的干擾會隨著小區間定時偏移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系統干擾的研究主要集中在UTRATDD上，專門針對TDD-CDMA系統在同步以及非同步情況下的干擾研究還比較小。隨著TDD-CDMA系統研發的不斷深入，TDD-CDMA系統存在的干擾問題越來越受到關注。
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