智能天線對(duì)LTE上行鏈路干擾及容量的影響

李校林，袁 波，樓思研

（1.重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶 401121；2.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)研究所，重慶 400065）

1 移動(dòng)終端智能天線應(yīng)用分析

在新一代移動(dòng)通信技術(shù)中，為滿足下行100 Mbit/s，上行50 Mbit/s的速率要求，其采用了4×4 MIMO天線配置、干擾協(xié)調(diào)、資源動(dòng)態(tài)調(diào)度、功率控制等消除或降低干擾的技術(shù)[1]。其中干擾協(xié)調(diào)和資源動(dòng)態(tài)調(diào)度并不能從根本上減少干擾的大小，而只有通過(guò)功率控制和波束賦形技術(shù)才能降低干擾[2]。另外，智能天線具有良好的波束選擇性，能自動(dòng)調(diào)節(jié)主瓣的方向角，從而提高用戶接收信號(hào)的信噪比和系統(tǒng)容量，所以成為新一代終端天線研究熱點(diǎn)之一。

在LTE中基站接收機(jī)的幾乎所有噪聲都是由于移動(dòng)信號(hào)的干擾造成的。假如所有的移動(dòng)終端全部采用智能天線配置，并且可以通過(guò)接收基站天線方位角信息、終端移動(dòng)速度和方向改變等信息計(jì)算出波束主瓣的方向角，從而使終端的主瓣方向圖始終對(duì)準(zhǔn)其所在的小區(qū)基站，這樣就可以降低終端對(duì)相鄰小區(qū)的干擾。另外，在《近代天線設(shè)計(jì)》中提到4元單極均勻直線陣的方向圖3 dB波瓣寬度為40.98[3]；Juwei Lu發(fā)明的嵌于基底的智能天線（DE-SMTA），其通過(guò)控制鑲嵌于介電常數(shù)為4.5的陶瓷基底上的偶極子其陣元間的隔離度要求由傳統(tǒng)的1/2波長(zhǎng)減小到了1/4波長(zhǎng)，從而使尺寸阻礙智能天線在終端的應(yīng)用大大降低[4-5]。

基于前面的研究背景，智能天線用于移動(dòng)終端將成為可能。所以將討論假設(shè)在LTE系統(tǒng)內(nèi)所有終端均使用主瓣寬度為60°的智能天線，對(duì)LTE上行鏈路干擾降低和容量提升的作用。

2 智能天線對(duì)上行鏈路干擾的影響

上行鏈路本小區(qū)的干擾是其他移動(dòng)終端的信號(hào)在基站接收機(jī)處疊加而成的。由于LTE系統(tǒng)上行鏈路采用了SC-FDMA技術(shù)和功率控制技術(shù)，因此從分析的角度出發(fā)，總的干擾可以模型化為帶限白噪聲。

由于上行鏈路采用了功率控制技術(shù)，假設(shè)當(dāng)小區(qū)內(nèi)有M個(gè)移動(dòng)用戶同時(shí)工作時(shí)，在基站接收機(jī)上的本小區(qū)干擾功率為Isc=（M-1）Sar，其中S為在基站接收端收到的來(lái)自每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的功率；ar為上行鏈路平均話音激活因子。

環(huán)境中僅有LTE系統(tǒng)時(shí)，所有的移動(dòng)終端的天線配置情況為：波束主瓣寬度為60°的智能天線，如圖1所示。當(dāng)移動(dòng)終端使用智能天線時(shí)，由于考慮終端的移動(dòng)性，設(shè)想在小區(qū)2a的A點(diǎn)處，移動(dòng)終端的波束零限沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)小區(qū)2a的基站，且只有波束的左側(cè)剛好能到達(dá)小區(qū)2a的基站，同時(shí)該波束的右側(cè)剛好能到達(dá)小區(qū)1的基站，形成對(duì)小區(qū)1的干擾。

從圖1中可以很容易地看出，A點(diǎn)是小區(qū)2a內(nèi)的移動(dòng)終端能對(duì)小區(qū)1形成干擾的臨界位置（越過(guò)A點(diǎn)靠近小區(qū)1的位置將不會(huì)對(duì)小區(qū)1產(chǎn)生干擾）。因此，小區(qū)1的鄰小區(qū)在第1層環(huán)上，只有在離小區(qū)1較遠(yuǎn)的外半環(huán)上的終端才對(duì)小區(qū)1有干擾存在，如圖1中的陰影部分所示。要使UE的主瓣信號(hào)既可以到達(dá)基站2a并且會(huì)對(duì)基站1形成干擾，則當(dāng)且僅當(dāng)UE在小區(qū)的陰影部分之內(nèi)才能滿足形成上行鏈路干擾的必備條件。在小區(qū)1的鄰小區(qū)的第2層環(huán)上，要使UE的主瓣信號(hào)既可以到達(dá)基站3a并且會(huì)對(duì)基站1形成干擾，則當(dāng)且僅當(dāng)UE在小區(qū)的陰影部分之內(nèi)才能滿足形成上行鏈路干擾的必備條件。

干擾功率的計(jì)算公式為

式中：S為接收機(jī)收到的來(lái)自每個(gè)終端的功率；ar為反向鏈路平均話音激活因子；ro為終端到本小區(qū)接收機(jī)的距離；r為終端與受到干擾的鄰小區(qū)接收機(jī)的距離。

因?yàn)镻o與r的四次方成反比，所以在圖1中的第2層環(huán)上的終端對(duì)小區(qū)1的干擾非常小。為簡(jiǎn)化計(jì)算，如圖2所示，將3a小區(qū)的陰影面積擴(kuò)大到2a小區(qū)同樣大小，即蜂窩小區(qū)的一半。同理，假設(shè)第n層環(huán)上的單個(gè)小區(qū)能對(duì)小區(qū)1形成干擾的面積與第1層環(huán)上單個(gè)小區(qū)對(duì)小區(qū)1形成干擾的面積一樣大。這樣就可以容易地畫(huà)出各層小區(qū)對(duì)小區(qū)1的干擾區(qū)域，并用陰影表示。

根據(jù)以上的分析可知，在圖2中，與小區(qū)1距離為d的第N層環(huán)上會(huì)對(duì)小區(qū)1產(chǎn)生干擾的用戶位置在圖中陰影標(biāo)出，這樣就能計(jì)算出小區(qū)1的鄰小區(qū)干擾功率。

假設(shè)每個(gè)小區(qū)均有M個(gè)移動(dòng)終端，則第N層環(huán)內(nèi)的用戶對(duì)小區(qū)產(chǎn)生的干擾大小可由式（2）計(jì)算

由以上分析易知：1）當(dāng)R=R（圖2中的中心圓的半徑取正六邊形的外接圓）時(shí)鄰小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾大小約為5.7129×10-3MSar；2）當(dāng)R=Rc（圖2中的中心圓的半徑取正六邊形的內(nèi)切圓）時(shí)鄰小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾大小約為1.4177×10-2MSar。同理可根據(jù)式（2）得出當(dāng)所有終端使用智能天線時(shí)其他層對(duì)小區(qū)1的干擾大小。

因此，小區(qū)1的第2層環(huán)（d=2R及d=2Rc）與第3層環(huán)（d=4R及d=4Rc）干擾大小與本小區(qū)干擾功率的比值如表1所示。從圖3中可以看出，當(dāng)n＞2（即d/R大于2）時(shí)，Ioc/（MarS）的值無(wú)限趨近于零。因此只考慮第1，2層鄰小區(qū)的干擾，不考慮n＞2的小區(qū)對(duì)小區(qū)1的干擾影響。

當(dāng)LTE系統(tǒng)中的終端使用全向天線時(shí)，圖2中的陰影部分將覆蓋第N層環(huán)的所有小區(qū)，可求得終端使用全向天線時(shí)鄰小區(qū)干擾的總功率大小。當(dāng)R=R時(shí)，鄰小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾大小約為0.33MSar；當(dāng)R=Rc時(shí)，鄰小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾大小約為0.42MSar。

3 智能天線對(duì)上行鏈路容量的影響

多小區(qū)容量公式[5]為

可知，上行鏈路的容量?jī)H與λ，SINR0有關(guān)，因?yàn)榉治鍪且訪TE系統(tǒng)中所有終端都使用上行功率控制為前提，因此無(wú)論終端使用全向天線還是波束賦形天線，在相同的SINR0時(shí)孤立小區(qū)（λ=0，因?yàn)椴淮嬖卩徯^(qū)干擾）的容量相同。由此可得，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的所有終端使用全向天線或智能天線時(shí)，多小區(qū)容量如表1所示。

表1 使用全向天線或智能天線時(shí)的多小區(qū)容量

4 結(jié)論

當(dāng)LTE系統(tǒng)內(nèi)所有的終端均使用主瓣寬度為60°的智能天線時(shí)，可使相鄰小區(qū)的干擾功率與本小區(qū)干擾功率的比值降低到10-2量級(jí)以下，可使多小區(qū)的容量達(dá)到單小區(qū)容量的98.6%以上。移動(dòng)終端天線波束圖的主瓣寬度越窄，周圍鄰小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾就越小，多小區(qū)的容量越大。

[1]3GPP.Technical specification 36.211，E-UTRA physical channel and moudulation（Release 8）[EB/OL].[2010-12-10]www.3gpp.org.

[2]曲嘉杰，龍紫薇.TD-LTE容量特性及影響[J].電信科學(xué)，2009（3）：48-52.

[3]林昌祿.近代天線設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，1990.

[4]LU Junwei,SCRIVEN I,WATER W.Optimized wireless network using smart mobile terminal antenna（SMTA）system[C]//Proc.IEEE 2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic，Compatibility.Beijing：IEEE Press,2010：98-101.

[5]ANDREA G.Wireless communications[M].Posts&Telecom Press，2007.