一種新的基于3D有源天線組網(wǎng)的干擾協(xié)調(diào)方案

張 亮 ，楊 馨 ，譚國平

（1.河海大學 計算機與信息學院通信與信息系統(tǒng)研究所，江蘇 南京210098；2.上海無線通信研究中心 上海 200335）

早期的蜂窩網(wǎng)絡使用的是全向天線系統(tǒng)，由于天線波束輻射方向的全向性，這種天線對蜂窩網(wǎng)絡一個顯著的影響是低容量。隨著天線技術的發(fā)展，波束水平維輻射方向變得可以調(diào)整，但是，波束方向性并不理想，通常是采用較大的半功率波束寬度（HPBW,Half Power BeamWidth）覆蓋整個小區(qū)，這也給鄰區(qū)造成較大的干擾。為了改善蜂窩移動通信中用戶的性能體驗，我們希望得到角度靈活、能量集中的波束，有源天線系統(tǒng)（AAS，Active Antenna System）的提出，能夠滿足當前蜂窩網(wǎng)絡部署的需求，通過靈活的天線再配置，AAS可以促進系統(tǒng)性能最優(yōu)化和網(wǎng)絡的演進[1]。

當前的蜂窩網(wǎng)絡大多采用的是2D有源天線系統(tǒng)，這也使得許多波束賦形 （Beamforming）方案和 MIMO（Multiple InputMultiple Output）傳輸方案得以實施，但是幾乎所有的這些方案局限于水平維系統(tǒng)性能優(yōu)化，沒有利用用戶的垂直維信道信息[2]。近期研究發(fā)現(xiàn)，3D有源天線組網(wǎng)的宏蜂窩系統(tǒng)，能夠調(diào)整波束在3D空間內(nèi)對準用戶，最大化用戶的信號接收功率，同時，當用戶處于小區(qū)中心時，該用戶對鄰區(qū)的干擾將減小?？梢?，3D有源天線的使用，能夠有效提升小區(qū)的吞吐量[3-5]。

然而，3D有源天線組網(wǎng)的干擾場景不同于2D。傳統(tǒng)的2D有源天線基站組成的網(wǎng)絡，通過在不同時頻資源上采用不同的下行發(fā)射功率，基站可以決定哪些時頻資源的發(fā)射功率較大，能夠覆蓋到本小區(qū)的邊緣用戶，并可能對鄰區(qū)邊緣用戶產(chǎn)生強干擾[6]。而對3D有源天線基站組成的網(wǎng)絡，基站為不同下傾角覆蓋的用戶分配不同的系統(tǒng)資源。因而，在有些時頻資源上，由于某個下傾角的采用，基站發(fā)射信號強度能夠到達本小區(qū)邊緣用戶，并可能對鄰區(qū)邊緣用戶產(chǎn)生強干擾；而對于另外的時頻資源，由于對應下傾角的采用，無論基站發(fā)射的信號強度如何，該信號都不會到達本小區(qū)的邊緣，更不會對鄰區(qū)的邊緣用戶產(chǎn)生較強干擾[5]。因此，目前LTE技術標準中采用的干擾協(xié)調(diào)方案無法直接運用到3D有源天線基站組網(wǎng)中，需要研究新的適合3D有源天線組網(wǎng)的干擾協(xié)調(diào)方案。

文中提出一種新的基于3D有源天線組網(wǎng)的干擾協(xié)調(diào)方案，并仿真做出驗證。仿真結(jié)果表明，該方案可以有效降低系統(tǒng)內(nèi)干擾水平，提升小區(qū)邊緣用戶頻譜效率以及整個小區(qū)的平均吞吐量，通過調(diào)整波束垂直方向的HPBW，系統(tǒng)平均用戶性能可以得到進一步提升。

1 系統(tǒng)模型

文中研究的是單層宏蜂窩網(wǎng)絡覆蓋模型，用戶在小區(qū)內(nèi)均勻分布。圖1(a)表示基于3D有源天線的宏蜂窩網(wǎng)絡覆蓋示意圖，圖1(b)表示單基站的3D有源天線覆蓋示意圖。

圖1(b)中，宏基站配備了3D有源天線系統(tǒng)，不同用戶處于小區(qū)不同位置，不同圖案的波束表示不同的下傾角信息，宏基站根據(jù)測得的方向角和俯仰角，調(diào)整波束對準方向，使得不同波束在3D空間內(nèi)對準用戶。

圖1 基于3D有源天線的宏蜂窩網(wǎng)絡覆蓋示意圖Fig.1 3D active antenna based cellular network

本文研究的宏蜂窩系統(tǒng)屬于第四代移動通信系統(tǒng)，采用的關鍵技術是正交頻分復用 （OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術。OFDM技術具有頻譜效率高、抗多徑衰落、資源分配靈活等特點，被廣泛應用于寬帶無線通信系統(tǒng)中。本文考慮的OFDM信號經(jīng)過無線信道，受到鄰區(qū)干擾和高斯白噪聲的影響，用戶的接收信號和干擾信號表達式可以表示為：

其中，rj(t)表示用戶j的接收信號表達式；AGain,mj表示服務基站m的天線能量增益；hmj表示信道增益，包括路徑損耗、宏陰影等引起的信號強度影響；sm(t)表示服務基站m傳送的OFDM信號；nj(t)表示白噪聲，滿足均值為零、方差為σn2的高斯分布；ij(t)表示用戶接收到的來自鄰區(qū)的干擾信號之和，N表示干擾小區(qū)的總數(shù)；AGain,nj表示干擾基站n的天線能量增益。

進一步地，得出用戶的服務信號平均接收功率和干擾信號平均接收功率表達式如下：

其中，Pm表示服務基站的信號發(fā)射功率，Pn表示第n個干擾基站的信號發(fā)射功率，單位均為dBm；PLmj表示服務基站m到用戶j之間的路損，PLnj表示第n個干擾基站到用戶j之間的路損，單位均為dB。

用戶的信干噪比 (SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio)可表示為：

公式(5)表明了影響用戶SINR性能的一些因素，分別是服務基站、干擾基站的信號發(fā)射功率，天線系統(tǒng)的增益以及服務基站、干擾基站到用戶間的路損。由文獻[8]可知，標準化對宏基站到用戶間的路徑損耗和AAS的3D輻射模式作了明確規(guī)定，用戶到基站間的路徑損耗可以表示為：

其中，dBS_UE表示用戶到基站間的距離，單位為m。

公式(6)表明，路徑損耗只與用戶到基站間距離有關，無法通過技術手段降低用戶到基站間的路徑損耗。因此，在服務基站、干擾基站的信號發(fā)射功率已知的情況下，為了提高用戶的SINR性能，可以考慮改變AAS的增益。AAS的3D輻射模式如下：

其中，AGain,H表示AAS的水平方向輻射模式，單位為dB；φ表示用戶到基站間的方位角;φH3dB表示AAS的水平方向HPBW，值為70°；Am表示波束能量的前后向比，值為25 dB；AGain,V表示AAS的垂直方向輻射模式，單位為dB；θV3dB表示AAS的垂直方向HPBW；θ表示用戶到基站間的俯仰角，θetilt表示AAS的下傾角；SLAV表示AAS的垂直方向旁瓣低電平，值為20 dB；AGain,3D表示AAS的3D輻射模式，單位為dB。

由公式(7)～(9)可知，AAS的水平方向輻射模式僅與水平方向HPBW有關，而垂直方向輻射模式與下傾角、垂直方向HPBW均有關，因此，通過改變AAS的下傾角或是改變AAS不同維度的HPBW，可改變不同方向的天線增益，進而調(diào)整天線系統(tǒng)的3D天線增益，提高用戶的SINR性能。

對于傳統(tǒng)的2D有源天線組網(wǎng)方案 （本文簡稱為2D方案），基站僅根據(jù)用戶的位置，計算出用戶到基站的方位角，從而得出水平方向天線增益。因此，傳統(tǒng)的2D方案并沒有利用AAS的垂直方向天線增益，同時，由于2D方案通常采用較寬的水平方向HPBW覆蓋整個扇區(qū)，處于扇區(qū)邊緣的用戶將對鄰區(qū)造成極大的干擾。

2 已有的3D有源天線組網(wǎng)方案

目前，基于3D有源天線的組網(wǎng)方案主要有兩種，一種是基站天線采用一個固定的下傾角為本小區(qū)用戶服務（本文簡稱為3D方案）；另一種是基站天線采用三個固定的下傾角為本小區(qū)用戶服務（本文簡稱為3DT方案），該方案可以根據(jù)用戶的不同位置選擇波束在垂直維度的對準方向，提高用戶的平均信號接收功率。

2.1 3D方案

該方案的3D有源天線采用15°的固定下傾角[8]為本小區(qū)用戶服務，相比傳統(tǒng)的2D有源天線組網(wǎng)方案，該方案的基站需要根據(jù)用戶端的相對位置，計算出用戶到基站的方位角和俯仰角，從而得出AAS的3D輻射模式。

由于發(fā)射波束增加了在垂直維度的天線增益圖樣，該方案通常被視為其他3D有源天線組網(wǎng)方案的基礎。然而，該方案的天線系統(tǒng)下傾角為一個長期的、靜態(tài)的固定值，波束的方向性并沒有提高，因此，該方案的波束能量浪費仍然嚴重，小區(qū)邊緣用戶間的干擾問題也未解決，系統(tǒng)性能有待提升。

2.2 3DT方案

由于天線波束在垂直維度的角度調(diào)整范圍遠小于水平維度，可以采用一種簡單的方式，即采用幾個固定下傾角的方式服務本小區(qū)用戶，如上文提到的3DT方案。相比3D方案，該方案需要先測量用戶的俯仰角，根據(jù)俯仰角的大小選擇合適的天線下傾角，文獻[4]給出了一種合理的天線下傾角選擇方法，此時，下傾角可以取 9°、13°或者 17°。 此外，當采用3個下傾角服務用戶時，3D有源天線的垂直方向HPBW可以比采用一個下傾角時有所降低，可以調(diào)整發(fā)射波束的垂直方向HPBW從10°降到6.5°[3]，進一步提升波束的方向性。

因此，通過波束方向性的提高，該方案能夠有效提升用戶的信號接收能量，從而提高用戶的頻譜利用率。然而，由于3D有源天線組網(wǎng)的干擾情況與2D的完全不同，該方案并沒有考慮邊緣用戶的干擾問題，需要研究新的干擾協(xié)調(diào)方案提升小區(qū)邊緣用戶的性能體驗。

3 新的3D有源天線組網(wǎng)干擾協(xié)調(diào)方案

3D有源天線組網(wǎng)的干擾場景不同于2D。由圖1(b)可知，3D有源天線的使用，可以調(diào)整發(fā)射波束的方向?qū)视脩簦岣哂脩舻男盘柶骄邮展β?，減少發(fā)射波束的能量浪費以及對鄰區(qū)同頻用戶的干擾。然而，通過發(fā)射波束在垂直方向的調(diào)整，在有些時頻資源上，由于某個下傾角的采用，基站發(fā)射的信號強度能夠到達本小區(qū)邊緣用戶，并可能對鄰區(qū)的邊緣用戶產(chǎn)生強干擾；而對于另外的時頻資源，由于對應下傾角的采用，無論基站發(fā)射的信號強度如何，該信號都不會到達本小區(qū)的邊緣，更不會對鄰區(qū)的邊緣用戶產(chǎn)生較強干擾。然而，2D有源天線組網(wǎng)中，基站采用固定下傾角的波束服務于不同位置的用戶，如果該用戶占用的時頻資源的發(fā)射功率較大，那么，不管用戶處于小區(qū)內(nèi)何種位置，該用戶的接收信號都有可能對鄰區(qū)的邊緣用戶產(chǎn)生強干擾。

傳統(tǒng)的2D有源天線組網(wǎng)的干擾協(xié)調(diào)方案是通過在不同時頻資源上采用不同下行發(fā)射功率的方法，基站可以決定哪些時頻資源上的發(fā)射功率較大，能夠覆蓋到本小區(qū)的邊緣用戶，并可能對鄰區(qū)的邊緣用戶產(chǎn)生強干擾，通過相鄰基站間交互包含發(fā)送功率信息的信令，基站可以協(xié)調(diào)系統(tǒng)資源分配，避免小區(qū)邊緣用戶間的干擾。

為了協(xié)調(diào)3D有源天線組網(wǎng)中的小區(qū)間干擾，提高用戶的SINR性能，現(xiàn)提出一種新的干擾協(xié)調(diào)技術方案。該方案通過在相鄰基站交互各自對整個系統(tǒng)資源分配的信息，達到各基站間協(xié)調(diào)分配系統(tǒng)資源，避免小區(qū)間干擾的目的。圖2給出了所提方案的工作流程圖。

圖2 新的干擾協(xié)調(diào)方案的工作流程圖Fig.2 Flow diagram of the novel interference coordination scheme

具體工作步驟如下：

步驟一：根據(jù)用戶的上行發(fā)送信號，基站進行信道測量（包括對信號的垂直維和或者水平維角度測量），并從中提取出與天線維度角度相關的信息、或者是合適加載在基站3D天線陣元上的矢量信息。

步驟二：基站根據(jù)來自所有服務用戶信號的垂直維和或者水平維角度信息，或者是相應的陣元加載矢量信息，并結(jié)合各用戶的負載信息，合理地進行本小區(qū)系統(tǒng)資源分配。

步驟三：基站采用相應的系統(tǒng)資源對本小區(qū)用戶進行數(shù)據(jù)傳輸。

步驟四：基站將本小區(qū)在整個系統(tǒng)資源上的使用信息交互給周圍基站。

步驟五：基站獲得周圍基站的系統(tǒng)資源使用信息后，結(jié)合本小區(qū)用戶負載分布，進行系統(tǒng)資源使用的調(diào)整，以使系統(tǒng)性能最優(yōu)。如果本小區(qū)的系統(tǒng)資源使用有更新，需要再與周圍基站進行交互。

值得提出的是，在圖2所示的流程中，步驟三與步驟四沒有必定的先后次序，兩個步驟可以同時進行，也可以步驟四在步驟三之前進行。

作為所提方案的一種特殊情形，當基站采用三個下傾角服務本小區(qū)用戶時（即是上述3DT方案），提出的新的干擾協(xié)調(diào)方案可以簡稱為3DTE(3 DownTilts Extended)方案。此時，宏基站有三個扇區(qū)，每個扇區(qū)覆蓋三個不同的區(qū)域，宏基站根據(jù)測得的用戶俯仰角信息，選擇不同下傾角的波束服務用戶。因此，當用戶位于小區(qū)邊緣時，服務基站將采用較小的下傾角服務該用戶，通過基站間各自對系統(tǒng)資源使用信息的交互，相鄰基站可以將該用戶使用的資源分配給下傾角較大的用戶，這就有效地避免了邊緣用戶的同頻干擾，提升了邊緣用戶的性能乃至整個小區(qū)的平均吞吐量。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗證3DTE方案的性能優(yōu)勢，給出了兩組仿真對比與分析。一組是2D方案、3D方案與3DT方案間的性能對比，通過這組仿真，可以發(fā)現(xiàn)3D有源天線的優(yōu)勢以及垂直方向HPBW對3D有源天線組網(wǎng)方案的性能影響；另一組是3D方案、3DT方案與3DTE方案間的性能對比，這組仿真驗證了新的干擾協(xié)調(diào)方案能有效避免3D有源天線組網(wǎng)中存在小區(qū)間干擾問題，提升了系統(tǒng)的吞吐量。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 宏基站的系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System param eters ofmacro base station

圖3給出了2D方案、3D方案以及垂直方向HPBW分別取10°和6.5°情況下3DT方案用戶的SINR性能曲線。

圖3 不同方案的用戶SINR性能Fig.3 3SINR curves of the several schemes

由圖 3可知，2D、3D與 3DT方案在邊緣區(qū)域用戶的SINR逐步上升，3DT方案相比3D方案，用戶平均頻譜效率也有少量提升，因而，3D宏蜂窩覆蓋方案相比傳統(tǒng)的2D宏蜂窩覆蓋方案，邊緣頻譜效率有明顯提升，用戶平均吞吐量也有所改善；而比較不同垂直方向HPBW的3DT方案發(fā)現(xiàn)，垂直方向HPBW取6.5°的平均用戶性能明顯優(yōu)于10°的情形，分析可知，3D有源天線的垂直方向HPBW越小，發(fā)射波束輻射范圍越集中，目標用戶的信號接收功率增大的同時，鄰區(qū)的干擾信號接收功率減小，因此，3DT方案的垂直半功率波束寬度取6.5°的系統(tǒng)性能較理想。

圖4給出了加入干擾協(xié)調(diào)的3DTE方案仿真結(jié)果。表1給出了圖4中不同方案下的性能比較，仿真參數(shù)參如表1所示。

圖4 對比3DTE方案的用戶SINR性能Fig.4 4SINR curve of the 3DTE scheme

從表2中可以看出，3種方案的邊緣用戶性能和平均用戶性能均依次上升。分析可知，3DTE方案的用戶位于小區(qū)邊緣時，可能給鄰區(qū)邊緣用戶造成干擾，通過基站間交互各自對系統(tǒng)資源的使用信息，相鄰基站可以調(diào)整小區(qū)邊緣用戶占用的資源，避免相鄰小區(qū)邊緣用戶的同頻干擾。因此，雖然邊緣用戶損失了一定的調(diào)度增益，但是整個小區(qū)的吞吐量[9]得到了得到了極大的提高。

表2 不同方案的SINR性能比較Tab.2 SINR param eters of the several schem es

5 結(jié)論

文中提出了一種新的3D有源天線組網(wǎng)的干擾協(xié)調(diào)方案，通過相鄰基站[10]間交互各自對系統(tǒng)資源的使用信息，基站間可以協(xié)調(diào)分配系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)整體干擾水平。仿真結(jié)果表明，提出的方案可以有效提升邊緣用戶的性能乃至整個小區(qū)的平均吞吐量；而減小發(fā)射波束垂直方向的HPBW能夠得到方向性更好、能量更加集中的波束，有利于進一步提升小區(qū)的平均吞吐量，改善系統(tǒng)內(nèi)用戶的性能體驗。

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