智能天線對LTE上行鏈路干擾及容量的影響

李校林，袁 波，樓思研

（1.重慶信科設計有限公司，重慶 401121；2.重慶郵電大學 通信新技術研究所，重慶 400065）

1 移動終端智能天線應用分析

在新一代移動通信技術中，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、干擾協調、資源動態調度、功率控制等消除或降低干擾的技術[1]。其中干擾協調和資源動態調度并不能從根本上減少干擾的大小，而只有通過功率控制和波束賦形技術才能降低干擾[2]。另外，智能天線具有良好的波束選擇性，能自動調節主瓣的方向角，從而提高用戶接收信號的信噪比和系統容量，所以成為新一代終端天線研究熱點之一。

在LTE中基站接收機的幾乎所有噪聲都是由于移動信號的干擾造成的。假如所有的移動終端全部采用智能天線配置，并且可以通過接收基站天線方位角信息、終端移動速度和方向改變等信息計算出波束主瓣的方向角，從而使終端的主瓣方向圖始終對準其所在的小區基站，這樣就可以降低終端對相鄰小區的干擾。另外，在《近代天線設計》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發明的嵌于基底的智能天線（DE-SMTA），其通過控制鑲嵌于介電常數為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的1/2波長減小到了1/4波長，從而使尺寸阻礙智能天線在終端的應用大大降低[4-5]。

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

2 智能天線對上行鏈路干擾的影響

上行鏈路本小區的干擾是其他移動終端的信號在基站接收機處疊加而成的。由于LTE系統上行鏈路采用了SC-FDMA技術和功率控制技術，因此從分析的角度出發，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，假設當小區內有M個移動用戶同時工作時，在基站接收機上的本小區干擾功率為Isc=（M-1）Sar，其中S為在基站接收端收到的來自每個移動臺的功率；ar為上行鏈路平均話音激活因子。

環境中僅有LTE系統時，所有的移動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。當移動終端使用智能天線時，由于考慮終端的移動性，設想在小區2a的A點處，移動終端的波束零限沒有對準小區2a的基站，且只有波束的左側剛好能到達小區2a的基站，同時該波束的右側剛好能到達小區1的基站，形成對小區1的干擾。

從圖1中可以很容易地看出，A點是小區2a內的移動終端能對小區1形成干擾的臨界位置（越過A點靠近小區1的位置將不會對小區1產生干擾）。因此，小區1的鄰小區在第1層環上，只有在離小區1較遠的外半環上的終端才對小區1有干擾存在，如圖1中的陰影部分所示。要使UE的主瓣信號既可以到達基站2a并且會對基站1形成干擾，則當且僅當UE在小區的陰影部分之內才能滿足形成上行鏈路干擾的必備條件。在小區1的鄰小區的第2層環上，要使UE的主瓣信號既可以到達基站3a并且會對基站1形成干擾，則當且僅當UE在小區的陰影部分之內才能滿足形成上行鏈路干擾的必備條件。

干擾功率的計算公式為

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

因為Po與r的四次方成反比，所以在圖1中的第2層環上的終端對小區1的干擾非常小。為簡化計算，如圖2所示，將3a小區的陰影面積擴大到2a小區同樣大小，即蜂窩小區的一半。同理，假設第n層環上的單個小區能對小區1形成干擾的面積與第1層環上單個小區對小區1形成干擾的面積一樣大。這樣就可以容易地畫出各層小區對小區1的干擾區域，并用陰影表示。

根據以上的分析可知，在圖2中，與小區1距離為d的第N層環上會對小區1產生干擾的用戶位置在圖中陰影標出，這樣就能計算出小區1的鄰小區干擾功率。

假設每個小區均有M個移動終端，則第N層環內的用戶對小區產生的干擾大小可由式（2）計算

由以上分析易知：1）當R=R（圖2中的中心圓的半徑取正六邊形的外接圓）時鄰小區對本小區的干擾大小約為5.7129×10-3MSar；2）當R=Rc（圖2中的中心圓的半徑取正六邊形的內切圓）時鄰小區對本小區的干擾大小約為1.4177×10-2MSar。同理可根據式（2）得出當所有終端使用智能天線時其他層對小區1的干擾大小。

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

當LTE系統中的終端使用全向天線時，圖2中的陰影部分將覆蓋第N層環的所有小區，可求得終端使用全向天線時鄰小區干擾的總功率大小。當R=R時，鄰小區對本小區的干擾大小約為0.33MSar；當R=Rc時，鄰小區對本小區的干擾大小約為0.42MSar。

3 智能天線對上行鏈路容量的影響

多小區容量公式[5]為

可知，上行鏈路的容量僅與λ，SINR0有關，因為分析是以LTE系統中所有終端都使用上行功率控制為前提，因此無論終端使用全向天線還是波束賦形天線，在相同的SINR0時孤立小區（λ=0，因為不存在鄰小區干擾）的容量相同。由此可得，當系統內的所有終端使用全向天線或智能天線時，多小區容量如表1所示。

表1 使用全向天線或智能天線時的多小區容量

4 結論

當LTE系統內所有的終端均使用主瓣寬度為60°的智能天線時，可使相鄰小區的干擾功率與本小區干擾功率的比值降低到10-2量級以下，可使多小區的容量達到單小區容量的98.6%以上。移動終端天線波束圖的主瓣寬度越窄，周圍鄰小區對本小區的干擾就越小，多小區的容量越大。

[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，2009（3）：48-52.

[3]林昌祿.近代天線設計[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.