WLAN与TD-LTE基站间干扰分析

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作者：谭洪利 李寿鹏
主要内容：
1 引言
　　在中国移动的室分系统中，GSM、TD-SCDMA、TD-LTE与WLAN四网将会长期共存，处理好四网协同问题是非常重要的。在四网协同中，TD-LTE在室内使用的是E频段（2 320—2 370MHz），WLAN使用
　　2 400—2 483.5MHz频段，两者使用的频段接近。同时，两者均为TDD（Time Division Duplexing，时分双工）系统，且两系统的上下行时隙无法对齐，所以两系统间将产生干扰。
　　2 WLAN与LTE的干扰类型及隔离度
　　WLAN与LTE之间的干扰分基站与基站间的互干扰及基站与终端间的互干扰。由于基站与终端间的空间隔离较大，所以一般情况下基站与终端间的互干扰较小。终端间的互干扰与用户数量、分布、上网行为、是否同时使用2个系统等相关，而且用户行为无法人为约束，因此终端间的互干扰本文不作重点分析，将主要研究WLAN与LTE基站间的干扰。
　　两者之间的干扰类型主要有互调干扰、杂散干扰、阻塞干扰等。其中，互调干扰是由于WLAN系统1、11这2个频点的三阶互调产物落在LTE室分系统频带内，导致WLAN对TD-LTE室分的干扰，可以通过LTE室分频点选择来规避；杂散干扰和阻塞干扰是实际工程中最常见的干扰，对网络性能影响也最大，因此本文将重点分析。
　　2.1 杂散干扰
　　由于发射机中的功放、混频器和滤波器等器件的非线性，会在工作频带以外很宽的范围内产生辐射信号分量，包括热噪声、谐波、寄生辐射、频率转换产物和互调产物等。当这些发射机产生的干扰信号落在被干扰系统接收机的工作带内时，抬高了接收机的底噪，从而减低了接收灵敏度，称为杂散干扰。以下为杂散隔离度的计算：
　　（1）杂散干扰到达接收机端的功率与接收机底噪之间的关系计算
　　1dB的接收机灵敏度降低为可接受的干扰水平。设接收机底噪为Pn（mW），到达接收机的杂散干扰为Pspurious（mW），则满足的关系式为：
　　10lg（Pn+Pspurious）-10lgPn=1dB （1）
　　Pspurious=0.259Pn，换算为dB，意为Pspurious比Pn小5.867dB。
　　通过计算，若杂散干扰导致接收机灵敏度降低1dB，则该杂散干扰到达接收机端的功率应比接收机底噪约低6dB。
　　（2）采用的协议指标WLAN：关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知（信部无[2002]353号）。
　　杂散发射（辐射）功率（对应载波±2.5倍信道带宽以外）：≤-30dBm/1MHz（其它1—12.75GHz）。
　　LTE：根据协议3GPP TS 36.104中的指标，LTE在WLAN频段范围内的杂散指标为-30dBm/MHz。
　　基站杂散发射限值如表1所示：
　　表1 基站杂散发射限值，B类（Category B）
　　频率        最大值        测量带宽
　　9kHz←→150kHz        -36dBm        1kHz
　　150kHz←→30MHz        -36dBm        10kHz
　　30MHz←→1GHz        -36dBm        100kHz
　　1GHz←→12.75GHz        -30dBm        1MHz
　　（3）以20MHz信道带宽的TD-LTE、WLAN带宽为22MHz为例
　　1）TD-LTE对WLAN的干扰
　　◆WLAN基站接收机底噪计算
　　Nfloor（dBm）=No（dBm/Hz）+W（dBHz）+ NF（dB） （2）
其中，No为噪声谱密度，是由于电子的热运动产生的，计算公式为No=KT；K为波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），T为绝对温度（290K），由于J=W×s，1W=1000mW=30dBm，将KT转换成dBm可得No=KT=10lg（1.38×10-23×290）+30dBm×s= -174dBm×s；NF为WLAN接收机的噪声系数，属于接收机本身的属性，用于度量信号通过接收机后SNR降低的程度，WLAN基站接收机的噪声系数为5dB左右。因此，WLAN基站接收机的噪声基底为：Nfloor=-174+10lg（22×1000000）+5=-96dBm。
　　◆TD-LTE对WLAN杂散隔离度
　　MCL≥杂散辐射功率-（底噪-6）+天线增益+10lg（BandWidth-Rx） （3）
　　TD-LTE基站发射机杂散特性：≤-30dBm/1MHz（其它1—12.75GHz）。
　　BandWidth-Rx：被干扰接收机工作带宽。
　　则：MCL≥-30dBm+10lg22-（-96-6）+2=88dB。
　　2）WLAN对TD-LTE的影响
　　TD-LTE基站接收机底噪：Nfloor（dBm）=-174+73+5=-96dBm。
　　WLAN基站发射机杂散特性：≤-30dBm/1MHz（其它1—12.75GHz）。
　　则：MCL≥-30dBm+10lg20-（-96-6）+2=87dB。
　　3）统计以上两组计算，取最大者88dB。
　　2.2 阻塞干扰
　　当强的干扰信号与有用信号同时加入接收机时，强干扰会使接收机链路的非线性器件产生非线性失真甚至饱和，造成受害接收机灵敏度损失，严重时将无法正常接收有用信号，称为阻塞干扰。
　　阻塞干扰的隔离度：以规范规定的阻塞干扰信号指标为准，将干扰系统在天线口的发射功率与规范规定的阻塞干扰信号指标相减，即可得到避免阻塞干扰所需要的隔离度。
　　根据协议3GPP TS 36.104中的指标，LTE在和WLAN系统共存时CW阻塞指标为-15dBm。
　　WLAN没有统一的阻塞指标要求，根据WLAN设备厂商提供的数据，27dBm设备的阻塞指标为-20dBm@50MHz、-40dBm@30MHz。
　　阻塞隔离度要求如图1所示：
　　图1 阻塞隔离度要求
　　（1）WLAN下行对LTE上行的阻塞干扰容限：WLAN基站最大发射功率为27dBm，可得到WLAN不对LTE基站产生阻塞干扰所需的隔离度为MCL=27-（-15）=42dB；考虑到WLAN为高峰均比的宽带信号，此MCL可再提高至约57dB。
　　（2）LTE下行对WLAN上行的阻塞干扰容限：假设LTE基站发射功率为46dBm，则LTE不对WLAN基站产生阻塞干扰所需的隔离度为MCL=46-（-40）=86dB。
　　2.3 小结
　　根据上述计算，两系统间所需的最小耦合损耗MCL如表2所示：
　　表2 两系统间所需的最小耦合损耗MCL        杂散干扰/dB        阻塞干扰/dB
　　TD-LTE基站对WLAN基站        88        86
　　WLAN基站对TD-LTE基站        87        57
　　由此可见，因为没有特殊保护，WLAN与TD-LTE间的杂散干扰以及TD-LTE基站对WLAN AP在30MHz隔离带时的阻塞干扰为基站间干扰的主导因素，需保证88dB的MCL才可共站。此隔离可以通过合路器、滤波器、室分系统损耗、空间隔离等方式实现。
　　3 测试验证
　　3.1 双路LTE系统与放装型AP间干扰
　　当双路LTE系统与放装型AP共存时，将LTE设备从关闭到开启后功率逐渐变化，测试两系统的吞吐量变化情况，此时WLAN终端与LTE终端距离4m，两系统天线间距1m。
　　测试过程中，由于LTE终端的下载速率保持在80Mbps，比较稳定，所以WLAN系统对LTE的干扰较小，可忽略。但是，WLAN终端的下载速率随着LTE基站功率的调整会产生变化，如图2所示：
　　表3 不同LTE发射功率下的测试结果
　　LTE设备发射功率/W        WLAN测试下载速率/Mbps
　　关闭        22
　　20        11
　　8        16
　　4        22
　　2        21
　　同时，根据上文的理论计算分析，也可以通过增加系统间的空间隔离来减小干扰。增加空间隔离可通过调整两系统间的天线间距来实现。图3给出了天线间距分别为1m、2m、3m情况下的WLAN终端下载速率情况。
　　图3 不同天线间距下的WLAN终端下载速率截图
　　通过表4的测试结果表明，采用空间隔离可以有效控制两系统间的干扰。独立放装的AP尽量与LTE天线距离2～3m以上。
　　表4 不同天线间距下的测试结果天线间距/m        WLAN测试下载速率/Mbps
　　1        14.68
　　2        17
　　3        17.17
　　3.2 WLAN馈入单路LTE
　　当WLAN通过合路器馈入LTE室分系统时，两系统间便增加了合路器的隔离，只要合路器指标达到设计指标要求（一般要求E频段与WLAN频段隔离度为88dB），理论上是可以避免系统间干扰的。本测试也验证了这个结论，具体如表5所示：
　　表5 WLAN馈入单路LTE测试结果
　　场景        WLAN下载速率/Mbps
　　只开启WLAN系统        15.23
　　开启LTE室分系统        17.38
　　根据测试结果，LTE设备开启前后，WLAN终端下载速率相当，可见当两系统共用室分系统时，通过合路器的隔离作用能有效规避系统间干扰。
3.3 WLAN馈入双路LTE中的一路
　　根据测试例1和2分析，WLAN对LTE干扰可忽略，LTE对WLAN的干扰可以通过合路器有效规避。那么，WLAN馈入双路LTE中的一路时也是应该没有干扰的。不过这种场景在实际建网中比较常见，所以也进行了测试验证，如表6所示。WLAN下载速率在一定的波动范围内测试结果与理论分析一致。
　　表6 WLAN馈入双路LTE中的一路测试结果
　　场景        WLAN下载速率/Mbps
　　LTE设备输出功率8W        16.76
　　LTE设备输出功率40W        17.11
　　4 总结
　　根据理论分析和测试验证，LTE基站与WLAN系统之间存在一定的干扰，可通过以下措施进行规避：
　　（1）频率协调，LTE室分选用E频段中的低频点，可以有效规避WLAN对TD-LTE的互调干扰。
　　（2）当TD-LTE与WLAN同区域覆盖时，应优先考虑WLAN与TD-LTE共室分系统组网，此时可以通过88dB以上隔离度的合路器进行干扰隔离与规避。
　　（3）若两者采用独立建设方式，则可通过在LTE发射机端和WLAN AP端增加滤波器（88dB以上）的方式加以解决。
　　（4）若两者采用独立建设方式且未增加滤波器时，则可在满足覆盖要求的前提下，适当降低LTE系统的输出功率，从而降低LTE系统对WLAN系统的干扰；或者TD-LTE天线与独立放装的AP保持2～3m以上空间隔离，也可以有效降低两者间干扰。

litom2004

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