脈沖UWB系統(tǒng)對UMTS系統(tǒng)的干擾分析

1、脈沖UWB系統(tǒng)對UMTS系統(tǒng)的干擾分析摘要：研究了多個UWB設備對其他窄帶接收機所產生的累積干擾。分析了干擾分布場景，從接收機抗干擾特性的角度，基于接收機靈敏度這一衡量接收機性能的重要指標，結合“干擾溫度”模型，針對UWB設備對UMTS系統(tǒng)的干擾，采用符合相關系統(tǒng)規(guī)范要求的參數(shù)進行了仿真。仿真結果表明，F(xiàn)CC頻譜掩碼不能夠滿足多個UWB設備與UMTS系統(tǒng)的共存要求，同時UWB設備的分布以及頻譜掩碼對于累積干擾有很大影響。關鍵詞：UWB；UMTS；累積干擾；干擾溫度中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：Analysis of Interference of Impulse UWB

2、 System with UMTS SystemAbstract: The cumulate interference of multiple UWB devices with other narrowband receivers is studied and the distributed interference scene is analyzed. From the view-point of the receivers anti-interference characteristics, based on the important index of the receivers sen

3、sitivity which serves to measure the receivers performance, according to the model of interference temperature, simulations which use parameters to meet related system requirements are carried out with regard to the interference of UWB devices with UMTS system. As indicated by simulation results, th

4、e FCCs spectral mask cannot meet the coexistence requirements of the multiple UWB devices and the UMTS system, while the distribution of UWB devices and the spectral mask exert a great influence on the cumulate interference.Key words: UWB; UMTS; cumulate interference; interference temperature0 引 言隨著

5、超寬帶系統(tǒng)的大規(guī)模應用，對于多個UWB設備對其他窄帶設備干擾問題的研究顯得越加緊迫。目前，各國規(guī)定的頻譜掩碼只對單個UWB設備的發(fā)射功率進行了限制1，實際上，高密度的多UWB設備將對其它無線設備產生累積干擾（cumulate interference），因此有必要研究多個UWB設備對其他窄帶接收機所產生的累積干擾。基于此研究的結果能夠對認知超寬帶中的頻譜檢測提供很好的理論基礎。在實際應用中，干擾對無線系統(tǒng)的影響取決于被干擾接收機本身抵制干擾的能力，在干擾分析中引入被干擾接收機的特性是非常必要的?；诒桓蓴_系統(tǒng)接收機的特性進行研究，能夠更實際地反映被干擾系統(tǒng)受到的干擾影響效果，更全面地對系統(tǒng)間干

6、擾進行分析。考慮到作為一個新的系統(tǒng)對于原有窄帶系統(tǒng)的干擾情況，本文從接收機抗干擾特性的角度對于UWB與窄帶系統(tǒng)之間的干擾問題進行研究。文獻2中的干擾分析模型沒有考慮實際被干擾設備工作情況，僅適用于802.11a WLAN系統(tǒng)的干擾分析，本文的模型考慮了UWB設備的發(fā)射隨意性，利用概率密度函數(shù)來表示干擾設備的分布，并且對模型進行了拓展，使其能夠適用于各種無線通信系統(tǒng)的干擾評估，并在相關協(xié)議規(guī)定的參數(shù)下進行了仿真。1 基于接收機靈敏度的UWB干擾分析方法1.1 干擾分布場景本文研究室內視距非視距混合傳播模型下的干擾情況。假設UWB與窄帶接收機的干擾場景為一個二維場景2,3，三維空間的情況基本類似4

7、。文獻3中的場景具有一定的代表性，但是該模型沒有考慮UWB設備的實際活動情況，實際環(huán)境中存在著墻壁的穿透損耗以及其他損耗。假設被干擾窄帶接收機周圍環(huán)繞著UWB設備，如圖1所示。被干擾接收機放置在兩個同心圓中心，里面的環(huán)半徑為Rmin，定義為一個空UWB區(qū)域的邊界，該環(huán)之內的區(qū)域沒有UWB發(fā)射機，假設Rmin為被干擾接收機所能容忍的最近UWB干擾源距離。外環(huán)半徑為Rmax，定義為UWB區(qū)域邊界，該環(huán)之外的區(qū)域不存在UWB發(fā)射機。在內外環(huán)之間，UWB設備在空間上是隨機分布的。被干擾接收機UWB終端RmaxRmin圖1 干擾場景圖UWB設備的累積分布函數(shù)（CDF）可寫為： (1)被干擾接收機所遭受到

8、的平均干擾水平為(2)其中，為UWB設備的激活因子，假設所有的干擾UWB設備在被干擾系統(tǒng)的接收頻段上等功率傳輸，發(fā)射功率滿足規(guī)定的發(fā)射掩碼要求。另外，假設沒有信道間干擾，這種假設在室內的環(huán)境下是合理的。在視距無線電通信系統(tǒng)中，通常采用二射線傳播模型來討論接收信號的場強與功率，其中的費涅爾拐點用d0表示5。因此，被干擾接收機所接收到的干擾功率可以表示為 (3)其中，UWB干擾源的發(fā)射功率為PUWB，表示波長，假設發(fā)射和接收天線都是全向天線，天線增益為gt，gr。在拐點之內，信號是自由空間損耗，距離大于拐點，則信號以四次方衰減。為了滿足不同的傳輸環(huán)境，需要考慮不同的拐點距離值。在郊區(qū)情況下，通常是

9、非常開闊的，可以看做是自由傳播環(huán)境。這種情況下，拐點距離可以看做是頻率的函數(shù)： (4)hT和hR表示發(fā)射和接收天線的高度。由于UWB設備導致被干擾接收機遭受的總的干擾為 (5)其中，是UWB的分布密度，I(r, d0)是環(huán)境因子， (6)1.2 UWB聚合干擾分析在網絡規(guī)劃中，接收機性能主要通過接收機靈敏度來衡量。接收機靈敏度是指在確保一定質量要求的情況下，接收機輸入端所需的最小信號強度。在擴頻數(shù)字通信接收機中，尤其是在第三代移動通信中，由于引入了多種業(yè)務，每種業(yè)務所要求的信噪比Eb/N0均不相同，因此接收機靈敏度計算中增加了針對不同業(yè)務對應的的Eb/N0。由于被干擾接收機的接收機靈敏度通常都

10、非常低，通?？紤]接收機在小區(qū)的邊緣接收到的有用信號功率最弱，因此系統(tǒng)信噪比很容易受到外加干擾的影響，導致性能損失，可以得到接收機靈敏度 (7)其中，Pr表示被干擾接收機接收到的有用信號強度，Ir表示被干擾接收機所遭受到的干擾，N0表示系統(tǒng)環(huán)境噪聲?？紤]到傳播損耗模型和鄰道干擾，式(7)可以表示為 (8)其中，PBS表示被干擾系統(tǒng)基站設備發(fā)射功率，Iadj表示被干擾接收機受到的鄰道干擾，Lpath是被干擾系統(tǒng)基站到被干擾接收機的空間路徑損耗，IUWB表示從被干擾接收機周圍的所有UWB干擾設備所產生的聚合干擾?？梢钥吹剑?8)是關于被干擾系統(tǒng)的最大小區(qū)半徑的隱函數(shù)，因此可以用來計算在給定接收機靈

11、敏度下的最大小區(qū)半徑。由式(8)可以得到被干擾窄帶接收機收到的信號干擾噪聲比(SINR) (9)另外，根據(jù)式(5)，可以得到由于UWB聚合干擾導致的能夠滿足被干擾接收機靈敏度要求的最大UWB發(fā)射機的分布密度為 (10)被干擾接收機在一定的接收機靈敏度下對應于一個噪聲底限，在此底限上可以保證正常通信?？墒?，由于新的不可預料的干擾源的出現(xiàn)，射頻噪聲底限可能升高，因而引起信號覆蓋范圍減小。為防止這種可能性，F(xiàn)CC推薦了一種對干擾的評價方法6，也就是從單純的接收機對干擾進行測量，向發(fā)射機和接收機之間自適應實時交互測量的方向轉變，這種變化導致對干擾給出了一個新的度量，叫做干擾溫度，如圖2所示。干擾溫度界

12、限提供了特定頻段和特定地理位置射頻環(huán)境的最惡劣情形的描述。在干擾溫度界限內，接收機期望能滿意地工作。給定任意一個頻帶，只要不超出干擾溫度，則該頻帶就可以被CR用戶使用，干擾溫度限將作為該頻帶功率的上限。圖2 干擾溫度模型干擾溫度是用來量化和管理干擾的，可以看作是檢測頻段內的干擾功率譜密度。它測量了單位帶寬接收機上出現(xiàn)的噪聲源(N0)和各發(fā)射機所產生的射頻干擾(I)的總功率，可表示為 (11)其中，TIT表示頻段內的干擾溫度，為玻爾茲曼常量，B代表檢測頻段的帶寬。在此基礎上，定義受UWB聚合干擾導致的被干擾接收機性能衰減參數(shù)M為 (12)因此，由于UWB干擾導致增加的MdB的功率，將會等效為被干

13、擾接收機的接收機靈敏度的變化。假設系統(tǒng)能夠支持接收機靈敏度上MdB的減小，相應的UWB干擾功率可以表示為： (13)2 仿真結果在前面建立的接收機靈敏度干擾模型的基礎上，本節(jié)通過仿真來觀察UWB對UMTS窄帶通信系統(tǒng)的干擾情況。仿真參數(shù)如表1所示，包括工作波長、帶寬、環(huán)境噪聲、接收機靈敏度以及對應不同頻率下的FCC、ETSI UWB發(fā)射功率限制值。由于移動設備在授權頻帶內有多個信道，因此，這里的中心頻率選擇是在下行鏈路中選擇一典型值作為代表。事實上，頻點的微小變化對仿真結果的影響不大。仿真中使用的參數(shù)部分參考了文獻7中的設定值。仿真中的PUWB根據(jù)FCC和ETSI的UWB發(fā)射頻譜掩碼進行計算，

14、活躍因子根據(jù)FCC的建議設為5%，假定天線增益gt和gr均等于0dB，否則可將增益折算到鏈路預算冗余中。考慮到UWB的發(fā)射功率很低，導致傳輸距離受限，將rmax設為30m比較符合實際情況。表1 仿真參數(shù)表參數(shù)UMTS取值波長0.14調制方式CDMA帶寬MHz5接收機靈敏度dBm-120環(huán)境噪聲-105PSD FCCdBm/MHz-51.3PSD ETSIdBm/MHz-65.3空間拐點d0(m)52.1 UWB對WCDMA干擾分析WCDMA采用CDMA擴頻技術，其5MHz處理帶寬和業(yè)務的速率比值即擴頻增益PG能夠提高系統(tǒng)抗干擾性能，系統(tǒng)的同頻載波干擾比（C/I）為8 (14)仿真中采用的參數(shù)為

15、：UWB與被干擾終端的最小距離Rmin=1,2,5,10m，基站的發(fā)射功率為PBS=20W。UMTS不同的業(yè)務對應于不同的信噪比要求SNRreq，假設采用12.2kbps語音業(yè)務，其對應的SNRreq為5dB，噪聲增加因子M=0.5,1,2,3。圖3 不同UWB分布密度下的聚合干擾結果（FCC Mask）圖4 不同UWB分布密度下的聚合干擾結果（ETSI Mask）從圖3和圖4中可以看到，多個UWB設備所產生的聚合干擾隨著UWB設備的增多而增大，說明在單個UWB設備滿足頻譜掩碼規(guī)定的基礎上，多個UWB設備產生的聚合干擾將會產生較大的干擾。在FCC頻譜掩碼下當Rmin=1，=2時，聚合干擾達到-

16、80dBm，而在ETSI頻譜掩碼下為-93dBm。圖5 不同小區(qū)半徑下的SINR變化情況（FCC Mask）圖6 不同小區(qū)半徑下的SINR變化情況（ETSI Mask）從圖5和圖6中可以看到，UMTS受到UWB的聚合干擾明顯，F(xiàn)CC頻譜掩碼下無法滿足共存要求，ETSI頻譜掩碼下干擾要低15dB，但是仍然存在明顯干擾。圖7 在不同干擾溫度容忍值下的UWB分布密度從圖3、圖4、圖5、圖6和圖7中可以看到，在滿足FCC和ETSI頻譜掩碼要求下，多個UWB設備所產生的聚合干擾對UMTS所產生的干擾效果不同，F(xiàn)CC頻譜掩碼無法滿足共存要求，在適當?shù)母蓴_溫度容忍度下，當M=1，=2時，PSD<-10

17、0dBm時可以共存。3 結束語由于自身獨特的優(yōu)勢，UWB系統(tǒng)即將在短距離無線通信中得到大規(guī)模應用。但是，必須要考慮到作為一個新的系統(tǒng)對于原有窄帶系統(tǒng)的干擾情況。本文在UWB信號干擾特性研究的基礎上，對于多個UWB信號對其他窄帶接收機所產生的累積干擾進行了研究，從接收機抗干擾特性的角度，基于接收機靈敏度的干擾分析方法，對于UWB與窄帶系統(tǒng)之間的干擾問題進行研究，并結合FCC所提出的“干擾溫度”模型進行了進一步討論。仿真結果表明，F(xiàn)CC頻譜掩碼不能夠滿足多個UWB系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)共存要求，同時UWB設備的分布以及頻譜掩碼對于累積干擾有很大影響。參考文獻：1Federal Communications

18、 Commission. Revision of Part 15 of the Commissions Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems, First Report and Order (ET Docket 98-153)R. 2002.2ITU-R Draft Document 1-8/8-E. UWB Interference to IEEE 802.11a/b WLANR. 2003.3GIULIANO R, MAZZENGA F, VATALARO F. On the interference between UMT

19、S and UWB systemsC/IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies. Reston, Virginia: IEEE, 2003: 339-343.4MITTELBACH M, MULLER C, FERGER D, FINGER A. Study of coexistence between UWB and narrowband cellular systemsC/IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies (UWBST). Kyot