基于波束賦形技術(shù)降低LTE網(wǎng)絡(luò)干擾的研究

謝 鵬

空軍工程大學理學院

基于波束賦形技術(shù)降低LTE網(wǎng)絡(luò)干擾的研究

謝 鵬

空軍工程大學理學院

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)進行試點應(yīng)用，通過對實際效果進行測試分析，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，提高用戶無線質(zhì)量，提升系統(tǒng)容量，效果非常明顯簡單實用，能有效地解決特定場景的重疊覆蓋。

波束賦形；LTE；網(wǎng)絡(luò)干擾

引言

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

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。它通過滿足某種準則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。智能天線技術(shù)有諸多優(yōu)點：首先因為移動通信用戶數(shù)增加迅速，人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高，對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，有效提高信號強度；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；還有智能天線相當于空時濾波器，在多個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)覆蓋的范圍減少對其他小區(qū)干擾，又可以增強小區(qū)主瓣方向的覆蓋強度和深度。根據(jù)具體的場景有針對性的使用窄的廣播波束能減少干擾，增強深度覆蓋，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，下行時采用OFDM和MIMO技術(shù)，小區(qū)的子載波之間都是嚴格正交的，不會存在像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)干擾主要來自于小區(qū)之間的干擾。 同頻組網(wǎng)是在整個小區(qū)使用相同的頻率覆蓋，當小區(qū)邊緣的用戶使用相同的頻率通信時，會對另一個小區(qū)的用戶產(chǎn)生干擾，從而影響了邊緣用戶的通信質(zhì)量，甚至在信號很好的時候也無法通信。

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)時每個小區(qū)收到6個干擾小區(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，會產(chǎn)生比較大的旁瓣和背瓣，對應(yīng)干擾建模公式里快衰增益很大。相對于FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域的干擾情況更嚴重，也就是說TDD系統(tǒng)對重疊覆蓋產(chǎn)生的干擾更敏感。尤其是小區(qū)間距離過近時，重疊覆蓋區(qū)域的干擾將成倍地增加，嚴重影響系統(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，作為一種多陣元系統(tǒng)，智能天線可以通過調(diào)整其各天線陣元的權(quán)值（包含幅值和相位），來使天線波束方向圖形狀變?yōu)橹付úㄊ螤?，實現(xiàn)波束賦形?；臼褂貌ㄊx形技術(shù)將波束對準目標用戶，這樣可以提高目標用戶的信號前度，降低對其他用戶的干擾。

圖2　波束賦形對用戶的影響

LTE網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過不斷測量小區(qū)參考信號（CRS）來評估每個小區(qū)的無線質(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智能天線簡圖：

圖3　八通道直線列智能天線簡圖

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)所有場景。針對這個空白，本創(chuàng)新提出調(diào)整廣播波束賦形，進而改變廣播波束寬度來控制重疊覆蓋的策略，作為LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化重疊覆蓋手段的有力補充，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通過廣播波束賦形控制波束寬度的軟件調(diào)整策略

對于使用普通天線的無線基站（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；二是更換過程中容易引起物業(yè)糾紛，站點面臨風險，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)管就會通過eNB將波束寬度對應(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算方案應(yīng)用于其中。通過這一原則的計算，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，當發(fā)現(xiàn)有比這個值更優(yōu)值的時候，對前一保留值進行丟棄，按照這種相同原則進行類推，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景

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

65度的廣播波束寬度在特定的場景下會導(dǎo)致比較嚴重的重疊覆蓋，對這些場景使用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。

對于街道站，覆蓋高速、鐵路這類站點，對信號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)試點的調(diào)整意見，對中國電信某分公司進行了網(wǎng)絡(luò)波束賦形等參數(shù)的相關(guān)調(diào)整。

對現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整之后，網(wǎng)絡(luò)測試覆蓋指標和運行指標都得到一定程度的改善。網(wǎng)絡(luò)運營指標得到一定成都的提升。掉線率從原來的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)進行試點應(yīng)用，通過對實際效果進行測試分析，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，提高用戶無線質(zhì)量，提升系統(tǒng)容量，效果非常明顯簡單實用，能有效地解決特定場景的重疊覆蓋。

［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］；西安電子科技大學學報；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］；吉林大學學報（工學版）；2011年05期

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