關(guān)于無線系統(tǒng)共存干擾的診斷和優(yōu)化分析和改進(jìn)

移動(dòng)通信中的新趨勢(shì)是在移動(dòng)設(shè)備、平板電腦和其他通信模塊中同時(shí)使用多種無線技術(shù)。為了支持這種平行運(yùn)行，設(shè)備中配備了多個(gè)無線收發(fā)模塊，它們相互緊挨在一起。當(dāng)這些不同的無線技術(shù)同時(shí)工作時(shí)，這些模塊彼此干擾導(dǎo)致產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)共存（In-Device Coexistence, IDC）干擾。本文介紹涉及LTE(頻段7)和WLAN（2.4 GHz）技術(shù)的IDC干擾問題，評(píng)估兩種用于降低這種干擾影響的緩解技術(shù)的性能。

1 序言

由于對(duì)數(shù)據(jù)隨時(shí)隨地連接到多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加，現(xiàn)代設(shè)備被設(shè)計(jì)成支持不同無線接入技術(shù) (RAT)。這些設(shè)備，例如，移動(dòng)電話、平板電腦和各種其他通信模塊，能夠同時(shí)支持不同蜂窩以及非蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)。例如，移動(dòng)電話或許連接到無線局域網(wǎng) (WLAN) [1]的路由器登錄互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)平行建立長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE) [2]呼叫。由于這些設(shè)備體積較小，不同無線技術(shù)的收發(fā)模塊相互緊挨在一起。因此，當(dāng)這些并置的無線收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作在相同或相鄰頻段時(shí)，產(chǎn)生潛在的相互干擾，這種干擾被稱作設(shè)備內(nèi)共存 (IDC) 干擾。IDC干擾影響接收機(jī)靈敏度，因此降低了期望信號(hào)的質(zhì)量或?qū)е聰?shù)據(jù)丟失。

本文討論當(dāng)多種無線接入技術(shù)同時(shí)工作時(shí)減少IDC干擾面臨的挑戰(zhàn)。降低IDC干擾將防止信號(hào)質(zhì)量劣化，而無需斷開發(fā)出干擾的無線信號(hào)。本文重點(diǎn)介紹LTE和WLAN共存場(chǎng)景，這里L(fēng)TE頻段7上行鏈路影響WLAN 2.4GHz信道，文章還討論緩解IDC干擾的可能方案。文章首先描述IDC干擾的起因。然后討論出現(xiàn)IDC干擾的不同頻段，以及所涉及的不同無線接入技術(shù)。接著討論計(jì)算退靈敏度數(shù)值的方法，包括描述執(zhí)行此測(cè)量需要的可能測(cè)試裝置。在此之后，文章分析兩種不同緩解技術(shù)的使用，以便針對(duì)不同LTE - WLAN用例場(chǎng)景降低IDC干擾，評(píng)估它們的測(cè)量結(jié)果。最后，文章結(jié)合某些將來可能的增強(qiáng)技術(shù)和這項(xiàng)工作的將來應(yīng)用做了歸納。

2 設(shè)備內(nèi)共存干擾問題和場(chǎng)景

正如術(shù)語“in-device”暗示的，由于坐落在同一平臺(tái)上的不同無線技術(shù)收發(fā)信機(jī)挨得很近，產(chǎn)生這類干擾。因此，當(dāng)這些不同無線接入技術(shù)在相同或相鄰頻段同時(shí)工作時(shí)，其中一種技術(shù)的發(fā)射機(jī)充當(dāng)了侵略者/干擾者，影響著其他技術(shù)的接收機(jī)，使其他的接收機(jī)變成受害者。造成這種負(fù)面影響的原因有三個(gè)：

無處不在地連接多種無線技術(shù)的需求和有限的頻譜可用性，這導(dǎo)致在緊鄰的頻率范圍內(nèi)這些不同無線技術(shù)同時(shí)工作。

不希望的輻射，如來自侵略者發(fā)射機(jī)的雜散輻射、帶外輻射、頻譜諧波和互調(diào)產(chǎn)物[3]，它們落入受害者接收機(jī)的頻率范圍。

由于不同無線技術(shù)的過渡頻段存在重疊，不同無線接入技術(shù)收發(fā)信機(jī)中的濾波器不能完全地濾除不需要的信號(hào)[4]。

最終，所有這些影響疊加，引起受害者接收機(jī)噪聲電平增加，于是降低接收機(jī)靈敏度，導(dǎo)致該接收機(jī)阻塞或退靈敏度（Desensitization）。圖1給出IDC干擾的例子，圖中，LTE、全球定位系統(tǒng)（GPS）、藍(lán)牙（BT）和無線局域網(wǎng)（WLAN）的收發(fā)信機(jī)都放在同一設(shè)備中。由于各自的收發(fā)信機(jī)物理位置上挨得很近且工作在相同或相鄰頻率范圍，當(dāng)LTE發(fā)射機(jī)工作時(shí)，它影響GPS、藍(lán)牙和WLAN的接收機(jī)，同樣的，藍(lán)牙和WLAN的發(fā)射機(jī)也影響著LTE接收機(jī)。

圖 1：設(shè)備內(nèi)共存干擾示例[5]

IDC干擾情況在無線通信領(lǐng)域逐漸蔓延，用戶在使用他們的通信設(shè)備時(shí)會(huì)無意中遭遇這類干擾。在一些常見場(chǎng)景中用戶可能遇到這種情況，包括使用LTE和WLAN便攜式路由器、LTE和WLAN分流、LTE網(wǎng)絡(luò)話音（VoIP）呼叫、多媒體和其他可能的應(yīng)用，如藍(lán)牙耳機(jī)等。正如前面提到的，引起IDC干擾的主要原因之一是同時(shí)工作的多種無線接入技術(shù)都要使用有限的頻譜。這種情況可在位于3GPP各頻段間的2.4 GHz 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段中觀察到，導(dǎo)致各種無線接入技術(shù)之間相鄰工作頻率僅有很小或沒有防護(hù)頻段[5]。如圖2所示，WLAN和藍(lán)牙技術(shù)工作在ISM頻段，該頻段下邊界毗鄰以TDD模式工作的LTE頻段40，上邊界鄰近LTE頻段7的上行鏈路頻率區(qū)（采用FDD模式），有大約20 MHz的頻段間隙[5]。因?yàn)長(zhǎng)TE頻段40采用TDD模式工作，LTE頻段40的發(fā)射機(jī)影響WLAN和藍(lán)牙接收機(jī)正常工作，類似，WLAN和藍(lán)牙的發(fā)射機(jī)影響LTE頻段40的接收機(jī)正常工作。同樣，LTE頻段7的上行鏈路頻率影響WLAN和藍(lán)牙接收，因?yàn)轭l段7上行鏈路頻率位置緊靠ISM頻段。另一個(gè)共存場(chǎng)景發(fā)生在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和LTE頻段13、頻段14之間，如圖2所示，導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)受到LTE頻段13和頻段14上行鏈路頻率的2次諧波影響。LTE頻段13和頻段14的上行鏈路頻率分別工作在777 MHz到787 MHz 和 788 MHz 到 798 MHz頻段，這些LTE頻段的2次諧波落在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）（用于商業(yè)民用目的）接收機(jī)的工作頻率范圍內(nèi)[4][5]，因此引起干擾。

圖2：圍繞 ISM 頻段的3GPP頻段 [5]

3 方法和測(cè)試裝置

IDC干擾對(duì)不同無線接入技術(shù)運(yùn)行的影響可用受影響接收機(jī)的退靈敏度值來分析。此退靈敏度值基于該接收機(jī)的靈敏度性能，它是首先在無干擾信號(hào)情況下測(cè)量，接著在有干擾信號(hào)情況下再次測(cè)量，如圖3所示。

圖3：有和無干擾信號(hào)情況下的誤包率[PER]測(cè)量 [6]

圖3顯示誤包率（PER）測(cè)量情況，其中x軸代表該接收機(jī)正在接收的功率電平，單位是dBm，y軸代表PER值，單位是百分比。當(dāng)功率電平減少時(shí)，PER值開始增加，這體現(xiàn)在曲線或曲線膝部坡度逐漸增加，PER值達(dá)到10%時(shí)的功率電平定義為該接收機(jī)的靈敏度。使用這種接收機(jī)靈敏度，可定義兩種不同類型的接收機(jī)功率電平或靈敏度術(shù)語 - 接收機(jī)或中間靈敏度以及有效中間靈敏度，它們稍后將用于確定圖3中描述的接收機(jī)退靈敏度值。接收機(jī)或中間靈敏度是對(duì)應(yīng)無任何干擾信號(hào)情況下測(cè)得10% PER值的接收機(jī)功率電平。同樣，對(duì)應(yīng)有干擾信號(hào)情況下測(cè)得10% PER值的功率電平稱作有效中間靈敏度。最后，這兩種接收機(jī)靈敏度參數(shù)間的差定義為退靈敏度值，如方程（1）所示[6]。

退靈敏度值 =有效中間靈敏度電平 - 中間靈敏度電平 (1)

用于IDC干擾測(cè)量和分析的實(shí)驗(yàn)性測(cè)試裝置可由圖4所示的羅德與施瓦茨公司測(cè)試儀器配置形成。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中大多數(shù)無線通信發(fā)生在空中下載（OTA）情況，本IDC干擾分析和測(cè)量通過執(zhí)行OTA的方式實(shí)施。R&S CMW500寬帶無線通信測(cè)試儀用于生成兩種不同的無線信號(hào)，即，WLAN信號(hào)和LTE信號(hào)，它們工作在不同的射頻信道，分別作為希望的信號(hào)和干擾信號(hào)。被測(cè)設(shè)備放置在如R&S CMW-Z10屏蔽箱這樣的隔離環(huán)境中，以便將其與任何外部干擾信號(hào)隔離。此兩路無線信號(hào)用耦合器混合，然后使用射頻電纜將它們饋送到此射頻屏蔽箱的天線耦合板。由此通信測(cè)試儀建立的無線鏈路是雙向的，以便生成受害者無線信號(hào)和干擾者無線信號(hào)，并且不僅測(cè)量采用受害者技術(shù)的被測(cè)設(shè)備接收機(jī)特性，而且測(cè)量采用侵略者技術(shù)的被測(cè)設(shè)備發(fā)射機(jī)質(zhì)量。

圖4：執(zhí)行IDC干擾測(cè)量的實(shí)驗(yàn)性測(cè)試裝置[8]

整個(gè)裝置使用R&S CMWrun序列儀軟件工具控制，該軟件安裝在筆記本或PC上，通過SCPI指令管理R&S CMW500的運(yùn)行。為了控制放置在屏蔽箱中的被測(cè)設(shè)備，在被測(cè)設(shè)備和控制器筆記本之間建立USB連接，從而該軟件能夠使用安卓調(diào)試橋（Android Debug Bridge, ADB）指令管理被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行。

4 緩解技術(shù)和效果

為了分析LTE頻段7上行鏈路對(duì)WLAN的IDC干擾影響，第一和最重要的一步是建立證實(shí)理念。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念，用一種方法選擇大多數(shù)無線接入技術(shù)參數(shù)，以便模擬兩種無線技術(shù)間的幾種干擾場(chǎng)景?？紤]下述方法：

兩種無線接入技術(shù)，即，LTE充當(dāng)侵略者技術(shù)，WLAN扮演受害者技術(shù)，被盡可能相互貼近地放置在頻率域中

給引起干擾的無線接入技術(shù)配置最大發(fā)射功率電平

由引起干擾的無線接入技術(shù)生成連續(xù)或重度流量

首先，使用表1中的參數(shù)設(shè)置WLAN連接，測(cè)量PER值，將其作為確定被測(cè)設(shè)備WLAN接收機(jī)靈敏度性能的一個(gè)因素。用于PER測(cè)量的參數(shù)細(xì)節(jié)見表2。當(dāng)WLAN接入點(diǎn)（AP）發(fā)射時(shí)，被測(cè)設(shè)備內(nèi)的WLAN接收機(jī)能夠高效接收大部分分組，即使當(dāng)AP發(fā)射功率降低到大約–80 dBm時(shí)，如圖5中的“僅WLAN”曲線所示。

表 1： LTE頻段 7 和 WLAN連接裝置參數(shù)列表， 用LTE充當(dāng)侵略者技術(shù) [8]

表 2： 用于WLAN PER測(cè)量的參數(shù)列表 [8]

接著，按照表1中定義的參數(shù)建立LTE連接，再一次執(zhí)行WLAN PER測(cè)量，以便研究干擾影響。當(dāng)在有LTE信號(hào)情況下再次測(cè)量PER時(shí)，WLAN AP以比之前高很多的大約–71 dBm的功率發(fā)射，誤差值突然增加，如圖5中“LTE + WLAN Ch 13 (平均)”曲線所示。

最后，使用兩種PER曲線的靈敏度電平差，測(cè)量由來自LTE頻段7上行鏈路的IDC干擾引起的WLAN接收機(jī)退靈敏度，計(jì)算過程如方程（2）所示。

退靈敏度值 = 有效中間靈敏度電平 – 中間靈敏度電平(2)

= (–70.64 dBm) – (–79.84 dBm)

= 9.2 dB

圖5：由LTE頻段7上行鏈路(fC = 2510 MHz, UplinkTxPwr = 23 dBm)引起的WLAN 信道 13 (fC = 2472 MHz) 退靈敏度[8]

注意：

本文給出的IDC測(cè)量結(jié)果與特定設(shè)備有關(guān)，設(shè)備不同測(cè)量結(jié)果亦或不同。

所有測(cè)量執(zhí)行5次，取平均值。

所有PER測(cè)量均采用2 dB的接收機(jī)功率步長(zhǎng)，由此導(dǎo)致PER測(cè)量曲線呈現(xiàn)尖銳邊緣。功率步長(zhǎng)粒度越大很可能導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)。

檢測(cè)到LTE和WLAN間的IDC干擾影響后，下一步是分析對(duì)降低這種影響可能有幫助的各種緩解技術(shù)。一種避免IDC干擾的方法是增加干擾者無線技術(shù)和受害者無線技術(shù)間的頻段間隙[4] [5] [7]。也就是說，將受害者無線技術(shù)使用的頻率從干擾者無線技術(shù)使用的頻率處移開，或者相反將干擾者的頻率移開，移到隔開一定頻段間隙的另一個(gè)頻率區(qū)域處。由于兩種無線技術(shù)間的頻段間隙增加，即使這兩種無線接入技術(shù)同時(shí)工作，它們間的過渡頻段也不會(huì)重疊。結(jié)果，射頻濾波器能夠適當(dāng)識(shí)別想要的信號(hào)和不需要的信號(hào)，從而降低了IDC干擾的影響。圖6演示了這種緩解技術(shù)，圖中各種顏色曲線代表與LTE頻段7上行鏈路信號(hào)同時(shí)工作的不同WLAN頻率信道。隨著WLAN頻率信道逐漸離開此LTE上行鏈路載波頻率，LTE信號(hào)與WLAN信號(hào)間的頻段間隙逐漸增加，從而相對(duì)降低了IDC干擾影響。

圖6：WLAN頻率逐漸離開充當(dāng)干擾者的LTE頻段7上行鏈路頻率(fC = 2510 MHz, UplinkTxPwr = 23 dBm) [8]

也可以通過降低干擾信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度來抑制IDC干擾。不需要的發(fā)射機(jī)輻射，如帶外輻射、互調(diào)產(chǎn)物和雜散輻射直接與發(fā)射機(jī)功率有關(guān)，即，發(fā)射機(jī)功率越高，這些輻射的幅值越大，導(dǎo)致的干擾越嚴(yán)重。此外，如前所述，這些來自干擾者無線接入技術(shù)的無用輻射降低了受害者接收機(jī)的靈敏度，導(dǎo)致在該接收機(jī)端有用信號(hào)被抑制或數(shù)據(jù)丟失。為了降低IDC干擾影響，一種可能的解決方案是減少侵略者技術(shù)的發(fā)射功率。圖7給出了IDC干擾場(chǎng)景，圖中LTE頻段7上行鏈路充當(dāng)WLAN接收機(jī)的主要干擾源。通過減少LTE上行鏈路功率，可以降低無用輻射，最終降低IDC干擾。圖7中的各種顏色曲線代表與WLAN接收機(jī)同時(shí)工作的LTE頻段7上行鏈路信號(hào)的不同功率電平。當(dāng)此LTE上行鏈路功率電平減少時(shí)，來自此LTE端的無用輻射減少，從而干擾相對(duì)較少。

除了上面提到的緩解技術(shù)外，還有幾種方法可能降低IDC干擾影響。一種可能的技術(shù)是在LTE和WLAN間分配或調(diào)度工作時(shí)間，采用這種方法，一種技術(shù)的發(fā)射時(shí)間與另一種技術(shù)的接收時(shí)間不一致。從而使得即使兩種技術(shù)工作在相同或相鄰頻段，它們也不會(huì)相互干擾[4] [5] [7]。另一種方法是將分配給UE，用于LTE上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源塊（RB）移動(dòng)到離開WLAN技術(shù)使用的頻率區(qū)域。換句話講，位于遠(yuǎn)離WLAN工作頻率的資源塊用于此LTE上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸。如此一來，增加了LTE和WLAN間的頻段間隙，因此改善了射頻濾波器的濾波性能。

圖7：用LTE頻段 7上行鏈路 (fC = 2510 MHz)充當(dāng)WLAN信道13(fC = 2472 MHz)干擾者的LTE發(fā)射功率控制 [8]

上面提到的技術(shù)可大大緩解LTE和WLAN間的IDC干擾，然而這些緩解技術(shù)有它們自己的局限性。具體選擇哪一種緩解技術(shù)，取決于無線接入技術(shù)組合，這樣的組合限定了充當(dāng)侵略者或干擾者的無線接入技術(shù)和作為受害者的無線接入技術(shù)。它也取決于考慮兩種技術(shù)的最先進(jìn)功能后，這些技術(shù)的實(shí)施難易程度。如降低發(fā)射功率技術(shù)，通過降低LTE上行鏈路功率電平，降低了干擾影響。然而，僅當(dāng)信道質(zhì)量不好時(shí)LTE上行鏈路功率才會(huì)高，例如，UE可能在隧道內(nèi)，在建筑物的地下室內(nèi)或位于小區(qū)邊緣。其次，減少上行鏈路發(fā)射功率以便減少IDC干擾影響的方法，可能會(huì)在實(shí)際中導(dǎo)致LTE呼叫掉線或降低數(shù)據(jù)吞吐率。頻率移動(dòng)技術(shù)通過增加兩種無線技術(shù)間的頻段間隙，降低干擾影響。然而，最大的挑戰(zhàn)在于頻譜可用性，因?yàn)榭赡艿膱?chǎng)景是頻譜中沒有空閑的頻率區(qū)域，或頻譜中所有頻率信道都正在遭受來自另一種無線技術(shù)的干擾。類似，在分配的網(wǎng)格中修改資源塊的相對(duì)位置或調(diào)度不同無線接入技術(shù)工作時(shí)間也可用于降低IDC干擾。然而，這些技術(shù)的實(shí)施或許取決于用于移動(dòng)資源塊的子載波的可用性，取決于數(shù)據(jù)吞吐率加上調(diào)度工作時(shí)間時(shí)的延時(shí)限制。

5 結(jié)論

日益增長(zhǎng)的用戶對(duì)于對(duì)新應(yīng)用和新服務(wù)的強(qiáng)烈需求，只有讓幾種無線接入技術(shù)平行工作才能滿足，這驅(qū)使大量無線設(shè)備配上多種無線接入技術(shù)收發(fā)信機(jī)。這些置于同一設(shè)備內(nèi)，采用相同或相鄰頻段無線接入技術(shù)的收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作，導(dǎo)致IDC干擾和有用數(shù)據(jù)丟失。本文討論或許有助于緩解這種干擾影響的不同技術(shù)。盡管這些技術(shù)有這樣那樣的缺點(diǎn)，在LTE各協(xié)議層中實(shí)施前3GPP仍然對(duì)其進(jìn)行了討論。分析IDC干擾和緩解這種干擾的可能解決方案，對(duì)于無線芯片組和設(shè)備制造商，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）場(chǎng)景創(chuàng)新 - 尤其是機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信，汽車行業(yè)和未來通信技術(shù)（它或許在相同通信信道內(nèi)創(chuàng)新使用多種無線接入技術(shù)）具有十分重要的意義。