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设备内共存干扰
录入时间:2016/12/23 11:03:45

设备内共存干扰

In-Device Coexistence Interference

Abinash SinhaReiner StuhlfauthFernando Schmitt,罗德与施瓦茨公司,德国慕尼黑

移动通信中的新趋势是在移动设备、平板电脑和其它通信模块中同时使用多种无线技术。为了支持这种平行运行,设备中配备了多个无线收发模块,它们相互紧挨在一起。当这些不同的无线技术同时工作时,这些模块彼此干扰产生设备内共存(In-Device Coexistence, IDC)干扰。本文介绍涉及LTE(频段7)WLAN2.4 GHz)技术的IDC干扰问题,评估两种用于降低这种干扰影响的缓解技术的性能。

由于对数据随时随地连接到多个无线网络的需求不断增加,现代设备被设计成支持不同无线接入技术(RAT)。这些设备,例如移动电话、平板电脑和各种其它通信模块,能够同时支持不同蜂窝以及非蜂窝通信标准。例如,移动电话或许连接到无线局域网(WLAN) [参考文献1]的路由器登录互联网,同时平行建立LTE [2]呼叫。

由于这些设备体积较小,不同无线技术的收发模块相互紧挨在一起。因此,当这些并置的无线收发信机同时工作在相同或相邻频段时,产生潜在的相互干扰,这种干扰被称作设备内共存(IDC)干扰。IDC干扰影响接收机灵敏度,因此降低了期望信号的质量或导致数据丢失。

本文讨论当多种无线接入技术同时工作时减少IDC干扰面临的挑战。降低IDC干扰将防止信号质量劣化,而无需断开发出干扰的无线信号。本文重点介绍LTE和WLAN共存场景,这里LTE频段7上行链路影响WLAN 2.4GHz信道,还将讨论缓解IDC干扰的可能方案。

设备内共存干扰问题和场景

正如术语“in-device”暗示的,由于在同一平台上的不同无线技术收发信机挨得很近,产生这类干扰。因此,当这些不同无线接入技术在相同或相邻频段同时工作时,其中一种技术的发射机充当了侵略者/干扰者,影响着其它技术的接收机,使其它的接收机变成受害者。造成这种负面影响的原因有三个:

·         无处不在地连接多种无线技术的需求和有限的频谱可用性,这导致在紧邻的频率范围内这些不同无线技术同时工作。

·         不希望的辐射,如来自侵略者发射机的杂散辐射、带外辐射、频谱谐波和互调产物[3],它们落入受害者接收机的频率范围。

·         由于不同无线技术的过渡频段存在重叠,不同无线接入技术收发信机中的滤波器不能完全地滤除不需要的信号[4]。

最终,所有这些影响叠加,引起受害者接收机噪声电平增加,于是降低接收机灵敏度,导致该接收机阻塞或灵敏度降低(Desensitization)。图1给出IDC干扰的例子,LTE、全球定位系统(GPS)、蓝牙(BT)和WLAN的收发信机都放在同一设备中。由于各自的收发信机物理位置上挨得很近且工作在相同或相邻频率范围,当LTE发射机工作时,它影响GPS、蓝牙和WLAN的接收机,同样的,蓝牙和WLAN的发射机也影响着LTE接收机。

1设备内共存干扰示例[5]

IDC干扰情况在无线通信领域逐渐蔓延,用户在使用他们的通信设备时会无意中遭遇这类干扰。在一些常见场景中用户可能遇到这种情况,包括使用LTE和WLAN便携式路由器、LTE和WLAN分流、LTE网络话音(VoIP)呼叫、多媒体和其它可能的应用,如蓝牙耳机等。

正如前面提到的,引起IDC干扰的主要原因之一是同时工作的多种无线接入技术都要使用有限的频谱。这种情况可在位于3GPP各频段间的2.4 GHz工业、科学和医疗(ISM)频段中观察到,导致各种无线接入技术之间相邻工作频率仅有很小或没有防护频段[5]。

如图2所示,WLAN和蓝牙技术工作在ISM频段,该频段下边界毗邻以TDD模式工作的LTE频段40,上边界邻近LTE频段7的上行链路频率区(采用FDD模式),有大约20 MHz的频段间隙[5]。因为LTE频段40采用TDD模式工作,其发射机会影响WLAN和蓝牙接收机正常工作,类似的,WLAN和蓝牙的发射机也会影响LTE频段40接收机正常工作。

2围绕ISM频段的3GPP频段[5]

同样,LTE频段7的上行链路频率影响WLAN和蓝牙接收,因为频段7上行链路频率位置紧靠ISM频段。另一个共存场景发生在导航卫星系统和LTE频段13、频段14之间,如图2所示,导航卫星系统接收机受到LTE频段13和频段14上行链路频率的2次谐波影响。LTE频段13和频段14的上行链路频率分别工作在777 MHz到787 MHz 和788 MHz到798 MHz频段,这些LTE频段的2次谐波落在全球导航卫星系统(GNSS)商业民用接收机的工作频率范围内[4][5],因此引起干扰。

方法和测试装置

IDC干扰对不同无线接入技术运行的影响可用受影响接收机的灵敏度降低值来分析。此灵敏度降低值基于该接收机的灵敏度性能,它是首先在无干扰信号情况下测量,接着在有干扰信号情况下再次测量(图3)。

3有和无干扰信号情况下的误包率[PER]测量[6]

图3显示误包率(PER)测量情况,其中x轴代表该接收机正在接收的功率电平,单位是dBm,y轴代表PER值,单位是百分比。当功率电平减少时,PER值开始增加,这体现在曲线或曲线膝部坡度逐渐增加,PER值达到10%时的功率电平定义为该接收机的灵敏度。使用这种接收机灵敏度,可定义两种不同类型的接收机功率电平或灵敏度术语——接收机中间灵敏度以及有效中间灵敏度,它们稍后将用于确定图3中描述的接收机灵敏度降低值。

接收机或中间灵敏度是对应无任何干扰信号情况下测得10% PER值的接收机功率电平。同样,对应有干扰信号情况下测得10% PER值的功率电平称作有效中间灵敏度。最后,这两种接收机灵敏度参数间的差定义为灵敏度降低值,如方程(1)所示[6]。

灵敏度降低值 = 有效中间灵敏度电平 - 中间灵敏度电平

(1)

用于IDC干扰测量和分析的实验性测试装置可由图4所示的罗德与施瓦茨公司测试仪器配置形成。因为现实世界中大多数无线通信发生在OTA,本IDC干扰分析和测量通过执行OTA的方式实施。R&S CMW500宽带无线通信测试仪用于生成两种不同的无线信号,即WLAN信号和LTE信号,它们工作在不同的射频信道,分别作为希望的信号和干扰信号。被测设备放置在如R&S CMW-Z10屏蔽箱这样的隔离环境中,以便将其与任何外部干扰信号隔离。

4:执行IDC干扰测量的实验性测试装置[8]

此两路无线信号用耦合器混合,然后使用射频电缆将它们馈送到此射频屏蔽箱的天线耦合板。由此通信测试仪建立的无线链路是双向的,以便生成受害无线信号和干扰无线信号,并且不仅测量受害者接收机的特性,而且测量侵略者发射机的质量。

整个装置使用R&S CMWrun序列仪软件工具控制,该软件安装在笔记本或PC上,通过SCPI指令管理R&S CMW500的运行。为了控制放置在屏蔽箱中的被测设备,在被测设备和控制器笔记本之间建立USB连接,从而该软件能够使用安卓调试桥(Android Debug Bridge, ADB)指令管理被测设备的运行。

缓解技术和效果

为了分析LTE频段7上行链路对WLAN的IDC干扰影响,第一和最重要的一步是建立证实理念。为了实现这个理念,用一种方法选择大多数无线接入技术参数,以便模拟两种无线技术间的几种干扰场景。考虑下述方法:

·         两种无线接入技术,即LTE充当侵略者技术,WLAN扮演受害者技术,被尽可能相互贴近地放置在频率域中

·         给引起干扰的无线接入技术配置最大发射功率电平

·         由引起干扰的无线接入技术生成连续或重度流量

首先,使用表1中的参数设置WLAN连接,测量PER值,将其作为确定被测设备WLAN接收机灵敏度性能的一个因素。用于PER测量的参数细节见表2。当WLAN接入点(AP)发射时,被测设备内的WLAN接收机能够高效接收大部分分组,即使当AP发射功率降低到大约-80 dBm时,如图5中的“仅WLAN”曲线所示。

表1:LTE频段7和WLAN连接装置参数列表,用LTE充当侵略者技术[8]

LTE 参数

 

WLAN 参数

频段

频段7

频率信道号

13

工作模式

FDD

频率

2472 MHz

小区带宽

20 MHz

发射脉冲功率

-45 dBm

RS EPRE [dBm/15KHz]

-85 dBm

工作模式

SISO AP

下行链路频率

2630 MHz

 标准

802.11g/n

#下行链路上的 RB

100

调制方案

16QAM ¾

上行链路频率

2510 MHz

数据速率

36 Mbps

#上行链路上的RB

100

 

 

连接类型

测试模式

 

 

场景

单输入单输出 (SISO)

 

 

上行链路功率控制

闭环

 

 

最大上行链路发射功率

23 dBm

 

 

表 2:用于WLAN PER测量的参数列表[8]

PER测量参数

调制方案

16QAM ¾

数据速率

36 Mbps

分组数量

1000

有效载荷大小[bytes]

1000

分组间时间间隔[ms]

10

接着,按照表1中定义的参数建立LTE连接,再一次执行WLAN PER测量,以便研究干扰影响。在有LTE信号情况下再次测量PER时,WLAN AP以比之前高很多的大约-71 dBm的功率发射,误差值突然增加,如图5中“LTE + WLAN Ch 13 (平均)”曲线所示。

5:由LTE频段7上行链路(fC = 2510 MHz, TxPwrUplink = 23 dBm)引起的WLAN信道13(fC = 2472 MHz)灵敏度降低[8]

注意:1. 本文给出的IDC测量结果与特定设备有关,设备不同测量结果亦或不同。

2. 所有测量执行5次,取平均值。

3. 所有PER测量均采用2 dBm的接收机功率步长,由此导致PER测量曲线呈现尖锐边缘。功率步长越大很可能导致测量时间越长。

最后,使用两种PER曲线的灵敏度电平差,测量由来自LTE频段7上行链路的IDC干扰引起的WLAN接收机灵敏度降低值,计算过程如方程(2)所示。

灵敏度降低值 = 有效中间灵敏度电平  - 中间灵敏度电平

 = (-70.64 dBm) - (-79.84 dBm) = 9.2 dBm                                                  (2)

检测到LTE和WLAN间的IDC干扰影响后,下一步是分析对降低这种影响可能有帮助的各种缓解技术。一种避免IDC干扰的方法是增加干扰者无线技术和受害者无线技术间的频段间隙[4][5][7]。也就是说,将受害者无线技术使用的频率从干扰者无线技术使用的频率处移开,或者相反将干扰者的频率移开,移到隔开一定频段间隙的另一个频率区域处。由于两种无线技术间的频段间隙增加,即使这两种无线接入技术同时工作,它们间的过渡频段也不会重叠。

结果,射频滤波器能够适当识别想要的信号和不需要的信号,从而降低了IDC干扰的影响。图6演示了这种缓解技术,图中各种颜色曲线代表与LTE频段7上行链路信号同时工作的不同WLAN频率信道。随着WLAN频率信道逐渐离开此LTE上行链路载波频率,LTE信号与WLAN信号间的频段间隙逐渐增加,从而相对降低了IDC干扰影响。

6WLAN频率逐渐离开充当干扰者的LTE频段7上行链路频率(fC = 2510 MHz, TxPwrUplink = 23 dBm) [8]

也可以通过降低干扰信号的强度来抑制IDC干扰。不需要的发射机辐射,如带外辐射、互调产物和杂散辐射直接与发射机功率有关,即发射机功率越高,这些辐射的值越大,导致的干扰越严重。此外,如前所述,这些来自干扰者无线接入技术的无用辐射降低了受害者接收机的灵敏度,导致在该接收机端有用信号被抑制或数据丢失。为了降低IDC干扰,一种可能的解决方案是减少侵略者技术的发射功率。

图7给出了IDC干扰场景,图中LTE频段7上行链路充当WLAN接收机的主要干扰源。通过减少LTE上行链路功率,可以降低无用辐射,最终降低IDC干扰。图7中的各种颜色曲线代表与WLAN接收机同时工作的LTE频段7上行链路信号的不同功率电平。当此LTE上行链路功率电平减少时,来自此LTE端的无用辐射减少,从而干扰相对较少。

7LTE频段7上行链路(fC = 2510 MHz)充当WLAN信道13(fC = 2472 MHz)干扰者的LTE发射功率控制[8]

除了上面提到的缓解技术外,还有几种方法可能降低IDC干扰的影响。一种可能的技术是在LTE和WLAN间分配或调度工作时间,采用这种方法,一种技术的发射时间与另一种技术的接收时间不一致,从而使得两种技术即使工作在相同或相邻频段,也不会相互干扰[4][5][7]。另一种方法是将分配给UE、用于LTE上行链路数据传输的资源块(RB)移动到离开WLAN技术使用的频率区域。换句话讲,位于远离WLAN工作频率的资源块用于此LTE上行链路和下行链路数据传输。如此一来,增加了LTE和WLAN间的频段间隙,因此改善了射频滤波器的滤波性能。

上面提到的技术可大大缓解LTE和WLAN间的IDC干扰,然而这些缓解技术有它们自己的局限性。具体选择哪一种缓解技术,取决于无线接入技术组合,这样的组合限定了充当侵略者或干扰者的无线接入技术和作为受害者的无线接入技术。它也取决于考虑两种技术的最先进功能后,这些技术的实施难易程度。

如降低发射功率,通过降低LTE上行链路功率电平,降低了干扰影响。然而,仅当信道质量不好时LTE上行链路功率才会高,例如,UE可能在隧道内,在建筑物的地下室内或位于小区边缘。其次,减少上行链路发射功率以便减少IDC干扰影响的方法,可能会在实际中导致LTE呼叫掉线或降低数据吞吐率。频率移动技术通过增加两种无线技术间的频段间隙,降低干扰影响。然而,最大的挑战在于频谱可用性,因为可能的场景是频谱中没有空闲的频率区域,或频谱中所有频率信道都正在遭受来自另一种无线技术的干扰。类似的,在分配网格中修改资源块的相对位置或调度不同无线接入技术工作时间也可用于降低IDC干扰。

然而,这些技术的实施或许取决于用于移动资源块的子载波的可用性,取决于数据吞吐率加上调度工作时间时的延时限制。

结论

日益增长的用户对于对新应用和新服务的强烈需求,只有让几种无线接入技术平行工作才能满足,这驱使大量无线设备配上多种无线接入技术的收发信机。这些置于同一设备内、采用相同或相邻频段无线接入技术的收发信机同时工作,导致IDC干扰和有用数据丢失。本文讨论了有助于缓解这种干扰影响的不同技术。尽管这些技术有这样那样的缺点,在LTE各协议层中实施前,3GPP仍然对其进行了讨论。

分析IDC干扰和缓解这种干扰的可能解决方案,对于无线芯片组和设备制造商、物联网尤其是机器对机器通信、汽车行业和未来通信技术(它或许在相同通信信道内创新使用多种无线接入技术)具有十分重要的意义。

参考文献:

1.    IEEE Standards Association, “IEEE 802.11TM: Wireless LANs,” October 2015, www.standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html.

2.    3GPP A Global Initiative, “LTE Technology Overview,” October 2015, www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte.

3.    ITU-R Radiocommunication Sector of ITU, “Unwanted Emissions in the Spurious Domain,” Recommendation ITU-R SM.329-12, 09/2012.

4.    Zhenping Hu, R. Susitaival, Zhuo Chen, I-Kang Fu, P. Dayal and S.K. Baghel, “Interference Avoidance for In-device Coexistence in 3GPP LTE-Advanced: Challenges and Solutions,” IEEE Communications Magazine, Vol. 50, Issue 11, pp. 60–67, November 2012.

5.    3GPP, Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRA), “Signaling and Procedure for Interference Avoidance for In-device Coexistence,”Release 11, 3GPP TR 36.816 v11.2.0 (2011-12).

6.    Detlev Liebl and Bernard Schulz, “LTE and Bluetooth In-device Coexistence with WLAN,” Application Note, 1MA255, Rohde & Schwarz, 2015.

7.    S.K. Baghel, M.A. Ingale and G. Goyal, “Coexistence Possibilities of LTE with ISM Technologies and GNSS,” National Conference on Communications 2011 (NCC), pp. 1–5.

8.    Abinash Sinha, Prof. Dr. Wolfgang Kellerer, Reiner Stuhlfauth, Fernando Schmitt, and Thomas Feddersen, “Master's Thesis: Analysis of In-Device Coexistence Interference,”Rohde & Schwarz and Technische Universität München, October 2015.


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