LTE 共存挑战 Nidhish Nair 是德科技 1 引言 30 多年前, 数字蜂窝手机开始上市并迅速畅销 这些手机采用 GSM 通信技术, 该技术可以通过空口 (OTA) 方式为手机提供语音和数据业务 随着蜂窝和无线连通性标准 ( 如 CDMA WCDMA WiMAX LTE 蓝牙和 WiFi 等 ) 的不断演进 带宽效率的提高, 以及不同的调制方案和接入技术带来的性能改善, 手机的使用模式已经不仅仅局限于简单的打电话和发短信, 新的应用层出不穷 1) 您可以从手机直接发送文本至家里的打印机进行打印 2) 您可以使用手机上的商用 VoIP 软件传输实时高清视频, 例如通过广泛覆盖的高速数据网络 ( 例如,LTE) 向朋友们现场直播您的婚礼盛况 在现代 智能手机 中, 各种无线标准是一个基本要素和关键卖点 消费者希望智能电话更小巧轻盈, 并能支持高速 LTE 业务, 快速建立蓝牙和 NFC( 近场通信 ) 连接, 以及方便地使用商业场所部署的快速 WiFi 热点, 因此导致所有这些手机元器件在设计时都尽量缩小尺寸, 以便安装到小巧玲珑的手机中 但这样做的一个后果 使用过程中会对其他技术的无线信号产生意外的干扰, 影响设备发挥预期性能 因此, 设计人员不仅需要从射频 (RF) 信号的角度出发, 测试各无线通信系统的发射机和接收机端的设备内共存 (IDC) 特性, 还需要评估整个系统的性能下降, 例如在不同无线条件下可实现的最大数据速率受到的影响 本文将首先介绍设备内共存 (IDC), 然后介绍 LTE 和 WiFi 等重点技术同时共存时可能的使用案例, 最后通过分析实验室仿真数据, 了解在 WiFi 发射机的影响下 LTE 接收机的性能变化 2 设备内共存 : 概述 目前手机支持的大部分蜂窝 / 无线连通性技术 (LTE WCDMA 蓝牙 WiFi) 都使用各自标准技术管理 机构指定的频谱 在许多情况下, 频率是依照频谱之间没有重叠的原则进行分配的, 这主要是为了避免不同技术之间产生相互干扰 不过, 随着市场上部署的 LTE 频谱逐渐增多, 频率重叠的情况正越来越不可避免 例如,LTE 频段 7 (FDD) 和 WLAN 的 ISM 工作频段使用相同的频谱, 由此诞生了设备内共存 (IDC) 的概念 当一个发射信号 ( 比如 WLAN) 的信号强度超过其他接收信号 ( 比如 LTE) 时, 共存问题实际上愈加突出 这种情况会导致 WLAN 频谱重叠, 淹没用户设备接收的 LTE 信号 如图 1 所示, 显示了智能手机上的 LTE 和 ISM( 工业 科学和医学频段 ) 无线模块的间距, 以及它们之间可能发生的无线信号干扰的场景 是, 在同时支持多种无线技术的移动 图 1 同一个用户设备中的共存干扰 ( 来源 :3GPP 规范 36.816) 终端设备中, 一种技术的无线信号在 -1-
表 1 图 1 中文字的中英对照 图 1 中英文 对应中文 ANT#1 天线 1 Interference from LTE 来自 LTE 的干扰 LTE RF LTE 射频 LTE Baseband LTE 基带 ANT#2 天线 2 GPS RF GPS 射频 GPS Baseband GPS 基带 ANT#3 天线 3 Interference from BT/WiFi 来自 BT/WiFi 的干扰 BT/WiFi RF BT/WiFi 射频 BT/WiFi Baseband BT/WiFi 基带 LTE FDD 频段 7 DL 工作频段与 ISM 频段距离很远 可是 UL 工作频段却与 ISM 频段接近, 从而更有可能出现以下 IDC 场景 LTE 发射机干扰 WiFi 接收机 现实中的一种应用场景是 : 在 VoLTE 逐渐部署的过程中, 还有其他比如通过 WiFi 等实现更宽带宽和传输速率的 VoIP 也在应用 3 可能的场景和实例 如图 2 所示为来自 3GPP 的规范, 它将帮助您直观地查看目前手机所应用的各种无线技术的工作频段及其间距 ISM 频段位于 2 个常用的 LTE 工作频段之间 LTE 频段 40(TDD) 和 LTE 频段 7( 仅限于 FDD 上行链路 ) LTE TDD 频段 40 由同一频谱中的上行链路和下行链路组成 这意味可能出现以下 IDC 场景 : 1)LTE 发射机干扰 WiFi 接收机 2)WiFi 发射机干扰 LTE 接收机 在这一案例中,LTE 发射机和接收机以及 WiFi 接收机和发射机都是可工作的, 如果都在上面提到的频段中工作, 相互之间可能会产生干扰 4 可能的解决方案 除了更好的射频滤波和设计之外, 已经有多种解决方案提议使用协议机制解决 IDC 问题 部分提议的解决方案如下文所述 4.1 重新定位 LTE/ISM 工作频率假设用户设备正使用 LTE 连 图 2 3GPP 频段包含 ISM 频段 ( 来源 3GPP 规范 36.816) 表 2 图 2 中文字中英对照 图 2 中英文 对应的中文 Band 40: 2 300~2 400 MHz TDD 频段 40:2 300~2 400 MHz TDD 模式 ISM Band: 2 400~2 483.5 MHz ISM 频段 :2 400~2 483.5 MHz WiFi Channels WiFi 信道 Bluetooth Channels 蓝牙信道 79 Channels: 2 402~2 480 MHz 79 个信道 :2 402~2 480 MHz Band 7 UL: 2 500~2 570 MHz FDD 频段 7 上行 :2 500~2 570 MHz FDD 模式 Band 38: 2 570~2 620 MHz TDD 频段 38:2 570~2 620 MHTDD 模式 Band 7 UL: 2 620~2 690 MHz FDD 频段 7 上行 :2 620~2 690 MHz FDD 模式 接, 现在进入了 WiFi 接入点 (AP) 的信号范围, 将连入 WiFi 并同样激活流量 ( 数据 ) 业务 在这种情况下, 利用用户设备与基站之间的某种协调机制,LTE 工作可以切换到其他信道, 远离正在使用的 WiFi 信道 4.2 LTE/WiFi 工作的时分复用在此方面的建议是避免 WiFi 无线发射机和 LTE 接收机同时工作, 以及 WiFi 无线接收机和 LTE 发射机同时工作 -2-
2015年5月第34卷 第5期 4.3 功率控制 LTE频段40 产生IDC问题最重要的原因是某 LTE传输模式1 1 用户设备中的WLAN扫描操 作 以搜索可用网络 的影响 2 YouTube下载活动对WLAN 一个信号的功率超过另一个信号的功 20 MHz的LTE信道带宽 率 在LTE发射机发射信号而WiFi LTE下行链路MCS 23 无线接收机接收信号的情况下 LTE LTE TDD上行链路 下行链路 第二种情况还显示当LTE工作信 是WiFi接收机的干扰源 即用户设备 配置设置为2(允许为此实验启用更高 道远离ISM频段时 LTE下行链路的 的UL功率是主要干扰信号 要解决 的下行链路吞吐量功能) 性能变化 这个问题 可以使用类似LTE的TPC 使用是德科技基站仿真器的按 发射功率控制 中的功率控制机制 需物理层数据生成功能测试LTE吞吐 来降低LTE UL信号功率 以及当在 量 同一用户设备中的邻近信道检测到 WiFi工作时 将用户设备的功率调节 的影响 7 结果和发现 7.1 实例 1 值得注意的是 简单的仅与激 禁用WLAN设置UE WLAN 模式为OFF 活的WiFi接入点建立WLAN连接 不会对LTE的吞吐量性能产生什么 到更低值 当LTE作为接收机时 可 启用WLAN设置UE WLAN 影响 在良好的LTE信号条件下 以利用同样的方法降低WiFi发射机功 模式为ON YouTube提供高清视频 -65 dbm 只要使用用户设备 率 数据流 上的图形用户界面开始扫描WiFi网 5 系统级测试的需要 6.2 实验 络 就可以看到捕获的BLER突然出 鉴于在物理层和协议层上有如此 对于本文考虑使用两组影响LTE 现一个峰值 图3和4分别显示了捕 多的解决方案选择和问题 有必要了 下行链路吞吐量和BLER性能的实 获到的BLER和基站仿真器上记录的 解IDC的系统级影响 在第6章中 将 验 即 HARQ重发 介绍一些实验 以展示IDC对LTE/ WLAN吞吐量性能的影响 此测试环境搭建使用Keysight UXM LTE测试解决方案 E7515A 作为LTE TDD频段40基站仿真器 以及实验室中正被使用的商用WiFi连 接 使用的设备为具有LTE TDD频 段40功能且激活WiFi功能的智能手 机 它支持最新的蜂窝标准和无线连 通性标准 所有实验在每个测试点重 复5次 以确保消除结果中的所有异 常 6 实验 6.1 设置 所有实验均使用以下设置执行 图3 定期扫描从用户设备图形用户界面触发的 WiFi 网络行动 会导致 BLER 出现明显 变化 -3-
2015年5月第34卷 第5期 7.2 实例2 在中间信道 EARFCN 39150 工作中 用户设备在WLAN禁用以 及WLAN启用且在良好的LTE信道 条件下处于活动状态两种情况下表现 出相同的性能 但是在LTE信道条件 不是很好时 性能就相差非常大 在WLAN启用且正在下载YouTube 视频时 用户设备出现大约20%的 BLER 吞吐量下降将近10 Mbps 图4 LTE 仿真器记录的HARQ捕获结果显示了在扫描过程中第3次重发 图5-4- 在不同信道条件下使用中间或低LTE信道时的吞吐量和BLER
如果保持较差的 LTE 信道条件 不变, 同时使 LTE 工作信道远离 ISM 频段, 即使用 LTE 频段 40 的低 信道时 (EARFCN 38750), 可以看 到性能有明显改善, 如图 5 所示 表 3 图 5 中文字中英对照 WLAN Disabled WLAN Enabled 图 5 中英文 (a) Band 40 Mid-channel (39150) - LTE @ LTE downlink signal level = Good (-65 dbm) (b) Band 40 Mid-channel (39150) - LTE @ LTE downlink signal level = Poor (-75 dbm) (c) Band 40 Low-channel (38750) - LTE @ LTE downlink signal level = Poor (-75 dbm) 对应的中文 WLAN 禁用 WLAN 启用 (a) 当 LTE 下行链路信号电平处于良好状态 (-65 dbm) 时的频段 40 中间信道 (39150) LTE 下行链路吞吐量和 BLER(5 次迭代 ) (b) 当 LTE 下行链路信号电平处于不良状态 (-75 dbm) 时的频段 40 中间信道 (39150) LTE 下行链路吞吐量和 BLER(5 次迭代 ) (c) 当 LTE 下行链路信号电平处于不良状态 (-75 dbm) 时的频段 40 低信道 (38750) LTE 下行链路吞吐量和 BLER(5 次迭代 ) 8 结论 某些 LTE 频段靠近 WLAN 和蓝牙等标准使用的 ISM 工作频段, 这显然会导致一种技术激活时, 另一种技术的性能下降 本文中展示的实验清楚地显示了扫描 WiFi 网络的简单活动所引入的 BLER 从第二个实验开始, 它还显示了若信号的灵敏度不变, 一个信号的活动会导致另一个信号的性能下降 在此情况下, 传输 YouTube 视频流的活动会导致 LTE 接收机的性能下降 我们还看到, 在信道条件相同的情况下, 只需让 LTE 的工作信道转移 到远离 ISM 频段的位置, 就可以改善 LTE 接收机的性能 随着 LTE 工作频段的增加, 某些用于 WLAN 的频段非常靠近 ISM 工作频段, 我们可以清楚地看到执行系统级测试 ( 即 LTE/WLAN 吞吐量 / BLER 测试 ) 的重要意义, 它将有助于我们了解 WLAN 发射机对 LTE 接收机或 LTE 发射机对 WLAN 接收机的影响 参考资料 [1] 1.3GPP TR 21.905: 3GPP 规范中的词汇 [2] 3GPP TS 36.101: 演进的通用 陆地无线接入 (E-UTRA); 用户设备 (UE) 无线传输与接收 [3] 3GPP TS 36.816: 演进的通用陆地无线接入 (E-UTRA); 对设备内共存的免扰信令和程序的研究 : 作者简介 Nidhish Nair, 目前效力于是德科技, 担任无线应用部门的应用工程师 在美国科罗拉多大学 ( 位于美国博尔德 ) 获得电气工程学士学位, 主要研究领域为嵌入式系统和无线网络 -5-