基于波束賦形技術(shù)降低LTE網(wǎng)絡(luò)干擾的研究

謝 鵬

空軍工程大學(xué)理學(xué)院

基于波束賦形技術(shù)降低LTE網(wǎng)絡(luò)干擾的研究

謝 鵬

空軍工程大學(xué)理學(xué)院

本文闡述了波束賦形技術(shù)降低LTE網(wǎng)絡(luò)干擾的研究，提出了較合理及規(guī)范的方案，并在城區(qū)TD-LTE網(wǎng)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，通過(guò)對(duì)實(shí)際效果進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果證明調(diào)整為30度的廣播波束賦形，能夠解決TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)中的重疊覆蓋，降低小區(qū)間干擾，提高用戶無(wú)線質(zhì)量，提升系統(tǒng)容量，效果非常明顯簡(jiǎn)單實(shí)用，能有效地解決特定場(chǎng)景的重疊覆蓋。

波束賦形；LTE；網(wǎng)絡(luò)干擾

引言

隨著智能終端、移動(dòng)寬帶、云計(jì)算的發(fā)展日新月異，特別是4G技術(shù)的應(yīng)用，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

目前4G網(wǎng)絡(luò)采用的是智能天線，智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。它通過(guò)滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先因?yàn)橐苿?dòng)通信用戶數(shù)增加迅速，人們對(duì)移動(dòng)通話質(zhì)量的要求也不斷提高，對(duì)不同用戶分別波束賦型，有效降低小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)的干擾，集中能量，有效提高信號(hào)強(qiáng)度；其次利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，以此代替模擬電路形成天線波束的方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度；還有智能天線相當(dāng)于空時(shí)濾波器，在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間的干擾。

本文研究利用波束賦型技術(shù)控制重疊覆蓋。主要采用水平3dB帶寬為30度的廣播波束賦形權(quán)值，收窄廣播波束寬度可以使能量更加集中，既可以控制小區(qū)覆蓋的范圍減少對(duì)其他小區(qū)干擾，又可以增強(qiáng)小區(qū)主瓣方向的覆蓋強(qiáng)度和深度。根據(jù)具體的場(chǎng)景有針對(duì)性的使用窄的廣播波束能減少干擾，增強(qiáng)深度覆蓋，提升系統(tǒng)吞吐量。

1　基本原理

1.1LTE網(wǎng)絡(luò)同頻干擾

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式為同頻組網(wǎng)，小區(qū)間干擾是制約同頻組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能的首要因素。

由于頻譜資源的有限，LTE系統(tǒng)對(duì)頻譜效率要求很高，因此希望系統(tǒng)盡可能地接近頻譜復(fù)用系數(shù)1。同頻組網(wǎng)是充分利用頻譜資源的有效方案。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，下行時(shí)采用OFDM和MIMO技術(shù)，小區(qū)的子載波之間都是嚴(yán)格正交的，不會(huì)存在像CDMA一樣的小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾，所以小區(qū)內(nèi)的干擾可以忽略。同頻組網(wǎng)干擾主要來(lái)自于小區(qū)之間的干擾。 同頻組網(wǎng)是在整個(gè)小區(qū)使用相同的頻率覆蓋，當(dāng)小區(qū)邊緣的用戶使用相同的頻率通信時(shí)，會(huì)對(duì)另一個(gè)小區(qū)的用戶產(chǎn)生干擾，從而影響了邊緣用戶的通信質(zhì)量，甚至在信號(hào)很好的時(shí)候也無(wú)法通信。

圖1　同頻組網(wǎng)重疊覆蓋多干擾大

如圖一所示，同頻組網(wǎng)時(shí)每個(gè)小區(qū)收到6個(gè)干擾小區(qū)的干擾且干擾源距離近，與異頻組網(wǎng)方式相比小區(qū)間出現(xiàn)重疊覆蓋的概率驟然增大，干擾成倍地增加。

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間干擾建模如下：小區(qū)間干擾=∑鄰區(qū)發(fā)射功率*路徑損耗*陰影衰落*快衰增益。

TDD網(wǎng)絡(luò)使用了智能天線，會(huì)產(chǎn)生比較大的旁瓣和背瓣，對(duì)應(yīng)干擾建模公式里快衰增益很大。相對(duì)于FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域的干擾情況更嚴(yán)重，也就是說(shuō)TDD系統(tǒng)對(duì)重疊覆蓋產(chǎn)生的干擾更敏感。尤其是小區(qū)間距離過(guò)近時(shí)，重疊覆蓋區(qū)域的干擾將成倍地增加，嚴(yán)重影響系統(tǒng)吞吐量。

1.2TD-LTE系統(tǒng)中廣播波束賦形的作用

TD-LTE系統(tǒng)沿用了TD-SCDMA中智能天線的設(shè)計(jì)，作為一種多陣元系統(tǒng)，智能天線可以通過(guò)調(diào)整其各天線陣元的權(quán)值（包含幅值和相位），來(lái)使天線波束方向圖形狀變?yōu)橹付úㄊ螤?，?shí)現(xiàn)波束賦形?；臼褂貌ㄊx形技術(shù)將波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶，這樣可以提高目標(biāo)用戶的信號(hào)前度，降低對(duì)其他用戶的干擾。

圖2　波束賦形對(duì)用戶的影響

LTE網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過(guò)不斷測(cè)量小區(qū)參考信號(hào)（CRS）來(lái)評(píng)估每個(gè)小區(qū)的無(wú)線質(zhì)量，作為小區(qū)選擇、切換、重選和質(zhì)量范圍的依據(jù)。小區(qū)參考信號(hào)采用廣播波束賦形，所以合理的控制廣播波束的輻射方向圖，可以控制小區(qū)覆蓋的寬度、減少小區(qū)間重疊覆蓋。

1.3波束賦形模型

下面為八通道TD-SCDMA智能天線簡(jiǎn)圖：

圖3　八通道直線列智能天線簡(jiǎn)圖

降低LTE干擾思路

2.1調(diào)整廣播波束寬度的優(yōu)化手段

LTE網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的控制重疊覆蓋的手段主要是調(diào)整方位角、下傾角和發(fā)射功率，這些控制重疊覆蓋的方面都有一些弊端，不能適應(yīng)所有場(chǎng)景。針對(duì)這個(gè)空白，本創(chuàng)新提出調(diào)整廣播波束賦形，進(jìn)而改變廣播波束寬度來(lái)控制重疊覆蓋的策略，作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化重疊覆蓋手段的有力補(bǔ)充，調(diào)整廣播波束賦形能有效的控制重疊覆蓋，減少小區(qū)間干擾，從而提升系統(tǒng)整體吞吐量。

2.2通過(guò)廣播波束賦形控制波束寬度的軟件調(diào)整策略

對(duì)于使用普通天線的無(wú)線基站（比如GSM系統(tǒng)），調(diào)整廣播波束寬度必須更換現(xiàn)有天線等硬件設(shè)備。更換天線有諸多弊端：一是更換硬件工程量巨大，很多相關(guān)的工程需要重新做，比如防水；二是更換過(guò)程中容易引起物業(yè)糾紛，站點(diǎn)面臨風(fēng)險(xiǎn)，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師只需在網(wǎng)管上選擇波束的寬度，網(wǎng)管就會(huì)通過(guò)eNB將波束寬度對(duì)應(yīng)的波束賦形權(quán)值下發(fā)給智能天線，完成廣播波束寬度的修改，使操作更加簡(jiǎn)便。

2.3基于遺傳迭代算法的優(yōu)化方案

在波束賦形的優(yōu)化算法中，我們將遺傳算法的迭代計(jì)算方案應(yīng)用于其中。通過(guò)這一原則的計(jì)算，將優(yōu)化小區(qū)中電平好、SINR高、下載速率高的小區(qū)波束賦形參數(shù)設(shè)置保留下來(lái)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有比這個(gè)值更優(yōu)值的時(shí)候，對(duì)前一保留值進(jìn)行丟棄，按照這種相同原則進(jìn)行類推，獲得比較好的優(yōu)化值。

圖5　遺傳迭代算法優(yōu)化方案

3　波束賦形優(yōu)化調(diào)整

3.1調(diào)整廣播波束解決重疊覆蓋適用場(chǎng)景

TDD網(wǎng)絡(luò)使用了智能天線，會(huì)產(chǎn)生比較大的旁瓣和背瓣，相對(duì)于FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域的干擾情況更嚴(yán)重，也就是說(shuō)TDD系統(tǒng)對(duì)重疊覆蓋產(chǎn)生的干擾更敏感。尤其是小區(qū)間距離過(guò)近時(shí)，重疊覆蓋區(qū)域的干擾將成倍地增加，嚴(yán)重影響系統(tǒng)吞吐量。

65度的廣播波束寬度在特定的場(chǎng)景下會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的重疊覆蓋，對(duì)這些場(chǎng)景使用30度的廣播波束賦形，能有效的控制重疊覆蓋，提高系統(tǒng)吞吐量。

對(duì)于街道站，覆蓋高速、鐵路這類站點(diǎn)，對(duì)信號(hào)的覆蓋距離要求比較高，使用30度的廣播波束能夠增加小區(qū)的覆蓋距離，提升覆蓋質(zhì)量，節(jié)省建站成本。

3.2全網(wǎng)優(yōu)化情況

根據(jù)試點(diǎn)的調(diào)整意見(jiàn)，對(duì)中國(guó)電信某分公司進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)波束賦形等參數(shù)的相關(guān)調(diào)整。

對(duì)現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整之后，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試覆蓋指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)都得到一定程度的改善。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)得到一定成都的提升。掉線率從原來(lái)的0.16%降低為0.03%。

總結(jié)

本文創(chuàng)新首先在城區(qū)TD-LTE網(wǎng)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，通過(guò)對(duì)實(shí)際效果進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果證明調(diào)整為30度的廣播波束賦形，能夠解決TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)中的重疊覆蓋，降低小區(qū)間干擾，提高用戶無(wú)線質(zhì)量，提升系統(tǒng)容量，效果非常明顯簡(jiǎn)單實(shí)用，能有效地解決特定場(chǎng)景的重疊覆蓋。

［1］劉龍偉；李文剛；李鳳嬌；衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息輔助的協(xié)作波束賦形算法［J］；西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)；2013年03期

［2］劉毅；陳曉鵬；張繼光；向文豪；張博勛；協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于中繼選擇的協(xié)作波束賦形算法［J］；吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）；2011年05期

［3］ 羅德與施瓦茨中國(guó)有限公司；TD—LTE測(cè)試解決方案已成型［N］；通信產(chǎn)業(yè)報(bào)；2012年