脉冲UWB系统对UMTS系统的干扰分析

1、脉冲UWB系统对UMTS系统的干扰分析摘要：研究了多个UWB设备对其他窄带接收机所产生的累积干扰。分析了干扰分布场景，从接收机抗干扰特性的角度，基于接收机灵敏度这一衡量接收机性能的重要指标，结合“干扰温度”模型，针对UWB设备对UMTS系统的干扰，采用符合相关系统规范要求的参数进行了仿真。仿真结果表明，FCC频谱掩码不能够满足多个UWB设备与UMTS系统的共存要求，同时UWB设备的分布以及频谱掩码对于累积干扰有很大影响。关键词：UWB；UMTS；累积干扰；干扰温度中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：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 言随着

5、超宽带系统的大规模应用，对于多个UWB设备对其他窄带设备干扰问题的研究显得越加紧迫。目前，各国规定的频谱掩码只对单个UWB设备的发射功率进行了限制1，实际上，高密度的多UWB设备将对其它无线设备产生累积干扰（cumulate interference），因此有必要研究多个UWB设备对其他窄带接收机所产生的累积干扰。基于此研究的结果能够对认知超宽带中的频谱检测提供很好的理论基础。在实际应用中，干扰对无线系统的影响取决于被干扰接收机本身抵制干扰的能力，在干扰分析中引入被干扰接收机的特性是非常必要的。基于被干扰系统接收机的特性进行研究，能够更实际地反映被干扰系统受到的干扰影响效果，更全面地对系统间干

6、扰进行分析。考虑到作为一个新的系统对于原有窄带系统的干扰情况，本文从接收机抗干扰特性的角度对于UWB与窄带系统之间的干扰问题进行研究。文献2中的干扰分析模型没有考虑实际被干扰设备工作情况，仅适用于802.11a WLAN系统的干扰分析，本文的模型考虑了UWB设备的发射随意性，利用概率密度函数来表示干扰设备的分布，并且对模型进行了拓展，使其能够适用于各种无线通信系统的干扰评估，并在相关协议规定的参数下进行了仿真。1 基于接收机灵敏度的UWB干扰分析方法1.1 干扰分布场景本文研究室内视距非视距混合传播模型下的干扰情况。假设UWB与窄带接收机的干扰场景为一个二维场景2,3，三维空间的情况基本类似4

7、。文献3中的场景具有一定的代表性，但是该模型没有考虑UWB设备的实际活动情况，实际环境中存在着墙壁的穿透损耗以及其他损耗。假设被干扰窄带接收机周围环绕着UWB设备，如图1所示。被干扰接收机放置在两个同心圆中心，里面的环半径为Rmin，定义为一个空UWB区域的边界，该环之内的区域没有UWB发射机，假设Rmin为被干扰接收机所能容忍的最近UWB干扰源距离。外环半径为Rmax，定义为UWB区域边界，该环之外的区域不存在UWB发射机。在内外环之间，UWB设备在空间上是随机分布的。被干扰接收机UWB终端RmaxRmin图1 干扰场景图UWB设备的累积分布函数（CDF）可写为： (1)被干扰接收机所遭受到

8、的平均干扰水平为(2)其中，为UWB设备的激活因子，假设所有的干扰UWB设备在被干扰系统的接收频段上等功率传输，发射功率满足规定的发射掩码要求。另外，假设没有信道间干扰，这种假设在室内的环境下是合理的。在视距无线电通信系统中，通常采用二射线传播模型来讨论接收信号的场强与功率，其中的费涅尔拐点用d0表示5。因此，被干扰接收机所接收到的干扰功率可以表示为 (3)其中，UWB干扰源的发射功率为PUWB，表示波长，假设发射和接收天线都是全向天线，天线增益为gt，gr。在拐点之内，信号是自由空间损耗，距离大于拐点，则信号以四次方衰减。为了满足不同的传输环境，需要考虑不同的拐点距离值。在郊区情况下，通常是

9、非常开阔的，可以看做是自由传播环境。这种情况下，拐点距离可以看做是频率的函数： (4)hT和hR表示发射和接收天线的高度。由于UWB设备导致被干扰接收机遭受的总的干扰为 (5)其中，是UWB的分布密度，I(r, d0)是环境因子， (6)1.2 UWB聚合干扰分析在网络规划中，接收机性能主要通过接收机灵敏度来衡量。接收机灵敏度是指在确保一定质量要求的情况下，接收机输入端所需的最小信号强度。在扩频数字通信接收机中，尤其是在第三代移动通信中，由于引入了多种业务，每种业务所要求的信噪比Eb/N0均不相同，因此接收机灵敏度计算中增加了针对不同业务对应的的Eb/N0。由于被干扰接收机的接收机灵敏度通常都

10、非常低，通常考虑接收机在小区的边缘接收到的有用信号功率最弱，因此系统信噪比很容易受到外加干扰的影响，导致性能损失，可以得到接收机灵敏度 (7)其中，Pr表示被干扰接收机接收到的有用信号强度，Ir表示被干扰接收机所遭受到的干扰，N0表示系统环境噪声。考虑到传播损耗模型和邻道干扰，式(7)可以表示为 (8)其中，PBS表示被干扰系统基站设备发射功率，Iadj表示被干扰接收机受到的邻道干扰，Lpath是被干扰系统基站到被干扰接收机的空间路径损耗，IUWB表示从被干扰接收机周围的所有UWB干扰设备所产生的聚合干扰。可以看到，式(8)是关于被干扰系统的最大小区半径的隐函数，因此可以用来计算在给定接收机灵

11、敏度下的最大小区半径。由式(8)可以得到被干扰窄带接收机收到的信号干扰噪声比(SINR) (9)另外，根据式(5)，可以得到由于UWB聚合干扰导致的能够满足被干扰接收机灵敏度要求的最大UWB发射机的分布密度为 (10)被干扰接收机在一定的接收机灵敏度下对应于一个噪声底限，在此底限上可以保证正常通信。可是，由于新的不可预料的干扰源的出现，射频噪声底限可能升高，因而引起信号覆盖范围减小。为防止这种可能性，FCC推荐了一种对干扰的评价方法6，也就是从单纯的接收机对干扰进行测量，向发射机和接收机之间自适应实时交互测量的方向转变，这种变化导致对干扰给出了一个新的度量，叫做干扰温度，如图2所示。干扰温度界

12、限提供了特定频段和特定地理位置射频环境的最恶劣情形的描述。在干扰温度界限内，接收机期望能满意地工作。给定任意一个频带，只要不超出干扰温度，则该频带就可以被CR用户使用，干扰温度限将作为该频带功率的上限。图2 干扰温度模型干扰温度是用来量化和管理干扰的，可以看作是检测频段内的干扰功率谱密度。它测量了单位带宽接收机上出现的噪声源(N0)和各发射机所产生的射频干扰(I)的总功率，可表示为 (11)其中，TIT表示频段内的干扰温度，为玻尔兹曼常量，B代表检测频段的带宽。在此基础上，定义受UWB聚合干扰导致的被干扰接收机性能衰减参数M为 (12)因此，由于UWB干扰导致增加的MdB的功率，将会等效为被干

13、扰接收机的接收机灵敏度的变化。假设系统能够支持接收机灵敏度上MdB的减小，相应的UWB干扰功率可以表示为： (13)2 仿真结果在前面建立的接收机灵敏度干扰模型的基础上，本节通过仿真来观察UWB对UMTS窄带通信系统的干扰情况。仿真参数如表1所示，包括工作波长、带宽、环境噪声、接收机灵敏度以及对应不同频率下的FCC、ETSI UWB发射功率限制值。由于移动设备在授权频带内有多个信道，因此，这里的中心频率选择是在下行链路中选择一典型值作为代表。事实上，频点的微小变化对仿真结果的影响不大。仿真中使用的参数部分参考了文献7中的设定值。仿真中的PUWB根据FCC和ETSI的UWB发射频谱掩码进行计算，

14、活跃因子根据FCC的建议设为5%，假定天线增益gt和gr均等于0dB，否则可将增益折算到链路预算冗余中。考虑到UWB的发射功率很低，导致传输距离受限，将rmax设为30m比较符合实际情况。表1 仿真参数表参数UMTS取值波长0.14调制方式CDMA带宽MHz5接收机灵敏度dBm-120环境噪声-105PSD FCCdBm/MHz-51.3PSD ETSIdBm/MHz-65.3空间拐点d0(m)52.1 UWB对WCDMA干扰分析WCDMA采用CDMA扩频技术，其5MHz处理带宽和业务的速率比值即扩频增益PG能够提高系统抗干扰性能，系统的同频载波干扰比（C/I）为8 (14)仿真中采用的参数为

15、：UWB与被干扰终端的最小距离Rmin=1,2,5,10m，基站的发射功率为PBS=20W。UMTS不同的业务对应于不同的信噪比要求SNRreq，假设采用12.2kbps语音业务，其对应的SNRreq为5dB，噪声增加因子M=0.5,1,2,3。图3 不同UWB分布密度下的聚合干扰结果（FCC Mask）图4 不同UWB分布密度下的聚合干扰结果（ETSI Mask）从图3和图4中可以看到，多个UWB设备所产生的聚合干扰随着UWB设备的增多而增大，说明在单个UWB设备满足频谱掩码规定的基础上，多个UWB设备产生的聚合干扰将会产生较大的干扰。在FCC频谱掩码下当Rmin=1，=2时，聚合干扰达到-

16、80dBm，而在ETSI频谱掩码下为-93dBm。图5 不同小区半径下的SINR变化情况（FCC Mask）图6 不同小区半径下的SINR变化情况（ETSI Mask）从图5和图6中可以看到，UMTS受到UWB的聚合干扰明显，FCC频谱掩码下无法满足共存要求，ETSI频谱掩码下干扰要低15dB，但是仍然存在明显干扰。图7 在不同干扰温度容忍值下的UWB分布密度从图3、图4、图5、图6和图7中可以看到，在满足FCC和ETSI频谱掩码要求下，多个UWB设备所产生的聚合干扰对UMTS所产生的干扰效果不同，FCC频谱掩码无法满足共存要求，在适当的干扰温度容忍度下，当M=1，=2时，PSD<-10

17、0dBm时可以共存。3 结束语由于自身独特的优势，UWB系统即将在短距离无线通信中得到大规模应用。但是，必须要考虑到作为一个新的系统对于原有窄带系统的干扰情况。本文在UWB信号干扰特性研究的基础上，对于多个UWB信号对其他窄带接收机所产生的累积干扰进行了研究，从接收机抗干扰特性的角度，基于接收机灵敏度的干扰分析方法，对于UWB与窄带系统之间的干扰问题进行研究，并结合FCC所提出的“干扰温度”模型进行了进一步讨论。仿真结果表明，FCC频谱掩码不能够满足多个UWB系统与窄带系统共存要求，同时UWB设备的分布以及频谱掩码对于累积干扰有很大影响。参考文献：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