關(guān)于無線體統(tǒng)共存干擾的診斷和優(yōu)化介紹和應(yīng)用

移動通信中的新趨勢是在移動設(shè)備、平板電腦和其他通信模塊中同時使用多種無線技術(shù)。為了支持這種平行運行，設(shè)備中配備了多個無線收發(fā)模塊，它們相互緊挨在一起。當(dāng)這些不同的無線技術(shù)同時工作時，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

由于對數(shù)據(jù)隨時隨地連接到多個無線網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加，現(xiàn)代設(shè)備被設(shè)計成支持不同無線接入技術(shù) (RAT)。這些設(shè)備，例如，移動電話、平板電腦和各種其他通信模塊，能夠同時支持不同蜂窩以及非蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)。例如，移動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)，同時平行建立長期演進 (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)信機同時工作在相同或相鄰頻段時，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干擾影響接收機靈敏度，因此降低了期望信號的質(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)同時工作時減少IDC干擾面臨的挑戰(zhàn)。降低IDC干擾將防止信號質(zhì)量劣化，而無需斷開發(fā)出干擾的無線信號。本文重點介紹LTE和WLAN共存場景，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)。接著討論計算退靈敏度數(shù)值的方法，包括描述執(zhí)行此測量需要的可能測試裝置。在此之后，文章分析兩種不同緩解技術(shù)的使用，以便針對不同LTE - WLAN用例場景降低IDC干擾，評估它們的測量結(jié)果。最后，文章結(jié)合某些將來可能的增強技術(shù)和這項工作的將來應(yīng)用做了歸納。

2 設(shè)備內(nèi)共存干擾問題和場景

正如術(shù)語“in-device”暗示的，由于坐落在同一平臺上的不同無線技術(shù)收發(fā)信機挨得很近，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工作時，其中一種技術(shù)的發(fā)射機充當(dāng)了侵略者/干擾者，影響著其他技術(shù)的接收機，使其他的接收機變成受害者。造成這種負(fù)面影響的原因有三個：

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)同時工作。

不希望的輻射，如來自侵略者發(fā)射機的雜散輻射、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)信機中的濾波器不能完全地濾除不需要的信號[4]。

最終，所有這些影響疊加，引起受害者接收機噪聲電平增加，于是降低接收機靈敏度，導(dǎo)致該接收機阻塞或退靈敏度（Desensitization）。圖1給出IDC干擾的例子，圖中，LTE、全球定位系統(tǒng)（GPS）、藍牙（BT）和無線局域網(wǎng)（WLAN）的收發(fā)信機都放在同一設(shè)備中。由于各自的收發(fā)信機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)射機工作時，它影響GPS、藍牙和WLAN的接收機，同樣的，藍牙和WLAN的發(fā)射機也影響著LTE接收機。

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)備時會無意中遭遇這類干擾。在一些常見場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，如藍牙耳機等。正如前面提到的，引起IDC干擾的主要原因之一是同時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頻段[5]。如圖2所示，WLAN和藍牙技術(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]。因為LTE頻段40采用TDD模式工作，LTE頻段40的發(fā)射機影響WLAN和藍牙接收機正常工作，類似，WLAN和藍牙的發(fā)射機影響LTE頻段40的接收機正常工作。同樣，LTE頻段7的上行鏈路頻率影響WLAN和藍牙接收，因為頻段7上行鏈路頻率位置緊靠ISM頻段。另一個共存場景發(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 方法和測試裝置

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

圖3：有和無干擾信號情況下的誤包率[PER]測量 [6]

圖3顯示誤包率（PER）測量情況，其中x軸代表該接收機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，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值達到10%時的功率電平定義為該接收機的靈敏度。使用這種接收機靈敏度，可定義兩種不同類型的接收機功率電平或靈敏度術(shù)語 - 接收機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中描述的接收機退靈敏度值。接收機或中間靈敏度是對應(yīng)無任何干擾信號情況下測得10% PER值的接收機功率電平。同樣，對應(yīng)有干擾信號情況下測得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干擾測量和分析的實驗性測試裝置可由圖4所示的羅德與施瓦茨公司測試儀器配置形成。因為現(xiàn)實世界中大多數(shù)無線通信發(fā)生在空中下載（OTA）情況，本IDC干擾分析和測量通過執(zhí)行OTA的方式實施。R&S CMW500寬帶無線通信測試儀用于生成兩種不同的無線信號，即，WLAN信號和LTE信號，它們工作在不同的射頻信道，分別作為希望的信號和干擾信號。被測設(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隔離。此兩路無線信號用耦合器混合，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。由此通信測試儀建立的無線鏈路是雙向的，以便生成受害者無線信號和干擾者無線信號，并且不僅測量采用受害者技術(shù)的被測設(shè)備接收機特性，而且測量采用侵略者技術(shù)的被測設(shè)備發(fā)射機質(zhì)量。

圖4：執(zhí)行IDC干擾測量的實驗性測試裝置[8]

整個裝置使用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的運行。為了控制放置在屏蔽箱中的被測設(shè)備，在被測設(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）指令管理被測設(shè)備的運行。

4 緩解技術(shù)和效果

為了分析LTE頻段7上行鏈路對WLAN的IDC干擾影響，第一和最重要的一步是建立證實理念。為了實現(xiàn)這個理念，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)間的幾種干擾場景。考慮下述方法：

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，測量PER值，將其作為確定被測設(shè)備WLAN接收機靈敏度性能的一個因素。用于PER測量的參數(shù)細(xì)節(jié)見表2。當(dāng)WLAN接入點（AP）發(fā)射時，被測設(shè)備內(nèi)的WLAN接收機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，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測量，以便研究干擾影響。當(dāng)在有LTE信號情況下再次測量PER時，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，測量由來自LTE頻段7上行鏈路的IDC干擾引起的WLAN接收機退靈敏度，計算過程如方程（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測量結(jié)果與特定設(shè)備有關(guān)，設(shè)備不同測量結(jié)果亦或不同。

所有測量執(zhí)行5次，取平均值。

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

檢測到LTE和WLAN間的IDC干擾影響后，下一步是分析對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)同時工作，它們間的過渡頻段也不會重疊。結(jié)果，射頻濾波器能夠適當(dāng)識別想要的信號和不需要的信號，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上行鏈路信號同時工作的不同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信號與WLAN信號間的頻段間隙逐漸增加，從而相對降低了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的信號強度來抑制IDC干擾。不需要的發(fā)射機輻射，如帶外輻射、互調(diào)產(chǎn)物和雜散輻射直接與發(fā)射機功率有關(guān)，即，發(fā)射機功率越高，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的靈敏度，導(dǎo)致在該接收機端有用信號被抑制或數(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干擾場景，圖中LTE頻段7上行鏈路充當(dāng)WLAN接收機的主要干擾源。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接收機同時工作的LTE頻段7上行鏈路信號的不同功率電平。當(dāng)此LTE上行鏈路功率電平減少時，來自此LTE端的無用輻射減少，從而干擾相對較少。

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)度工作時間，采用這種方法，一種技術(shù)的發(fā)射時間與另一種技術(shù)的接收時間不一致。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)的最先進功能后，這些技術(shù)的實施難易程度。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LTE上行鏈路功率才會高，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，可能會在實際中導(dǎo)致LTE呼叫掉線或降低數(shù)據(jù)吞吐率。頻率移動技術(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，因為可能的場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位置或調(diào)度不同無線接入技術(shù)工作時間也可用于降低IDC干擾。然而，這些技術(shù)的實施或許取決于用于移動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)度工作時間時的延時限制。

5 結(jié)論

日益增長的用戶對于對新應(yīng)用和新服務(wù)的強烈需求，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。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)信機同時工作，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，在LTE各協(xié)議層中實施前3GPP仍然對其進行了討論。分析IDC干擾和緩解這種干擾的可能解決方案，對于無線芯片組和設(shè)備制造商，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）場景創(chuàng)新 - 尤其是機器對機器（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。