LTE有源天線垂直扇區(qū)化性能分析*

楊峰義，張建敏，謝偉良，朱雪田

（中國電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心 北京100031）

1 引言

隨著LTE以及未來無線新技術(shù)的逐步引入，有源天線（AAS）以其較小的尺寸，高效靈活的波束控制能力，多波束、多制式、多頻段支持能力等優(yōu)勢成為移動通信領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，并成為后續(xù)移動網(wǎng)絡(luò)部署的可選方案之一[1～4]。

有源天線高效靈活的波束控制能力主要體現(xiàn)在它通過獨(dú)立控制每個收發(fā)單元的相位、幅度、時延等，可以實現(xiàn)波束在垂直面方向的調(diào)整，并可以采用一套天線輻射單元同時生成多個下傾角的波束，從而實現(xiàn)小區(qū)的垂直扇區(qū)化分裂。如圖1所示，傳統(tǒng)小區(qū)通過垂直化扇區(qū)分裂，可以分裂為相鄰的內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)。由于內(nèi)外小區(qū)具有不同的小區(qū)ID，此時可以實現(xiàn)內(nèi)外小區(qū)間時頻資源的復(fù)用，從而提升整個LTE網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

目前，針對LTE有源天線垂直扇區(qū)化，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了大量的仿真研究[5～8]。參考文獻(xiàn)[5]基于垂直扇區(qū)化的概念提出了一種動態(tài)的小區(qū)覆蓋擴(kuò)展方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化情況，動態(tài)關(guān)閉部分小區(qū)（所產(chǎn)生的覆蓋空洞由相鄰小區(qū)覆蓋擴(kuò)展進(jìn)行補(bǔ)償），從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能耗的目的。參考文獻(xiàn)[6]針對LTE有源天線多系統(tǒng)的共存場景，分析評估了鄰信道干擾比和帶內(nèi)阻塞等關(guān)鍵參數(shù)。除此之外，參考文獻(xiàn)[7，8]仿真對比了在不同的下傾角以及垂直半功率波束寬度等參數(shù)下垂直扇區(qū)化性能。仿真結(jié)果表明，垂直扇區(qū)化由于實現(xiàn)了內(nèi)外小區(qū)間的時頻資源復(fù)用，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。為了LTE有源天線垂直扇區(qū)化未來的部署應(yīng)用，其性能還需要在外場環(huán)境中進(jìn)一步驗證評估，通過外場測試驗證也將進(jìn)一步分析垂直扇區(qū)化功能的具體部署場景，這成為本文主要關(guān)注的內(nèi)容。

有源天線垂直扇區(qū)化通過波束分裂實現(xiàn)了傳統(tǒng)小區(qū)分裂為相鄰的內(nèi)外小區(qū)，但是內(nèi)外波束的重疊是無法避免的，這樣勢必會導(dǎo)致內(nèi)外小區(qū)間存在同頻干擾。內(nèi)外波束的垂直面方向圖對內(nèi)外小區(qū)間同頻干擾的大小，尤其是內(nèi)外波束重疊覆蓋區(qū)域干擾大小產(chǎn)生很大影響，也因此成為本文另一個主要關(guān)注的內(nèi)容。

鑒于以上考慮，本文首先基于LTE有源天線外場測試結(jié)果，分析對比了在傳統(tǒng)3×1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约按怪鄙葏^(qū)化3×2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞N配置下單用戶的下行速率體驗。其次，針對LTE有源天線外場測試中的現(xiàn)象和問題，對其未來部署應(yīng)用提出了3點(diǎn)建議。

2 外場測試環(huán)境

為了對比用戶在垂直扇區(qū)化小區(qū)和傳統(tǒng)小區(qū)兩種配置下的下行速率體驗，選擇在外場環(huán)境進(jìn)行道路測試（drive test，DT）。為后續(xù)表達(dá)簡單，傳統(tǒng)的3×1網(wǎng)絡(luò)以及垂直扇區(qū)化3×2網(wǎng)絡(luò)分別用（Ref:3×1）和（VS:3×2）表示，且以傳統(tǒng)小區(qū)（Ref:3×1）作為性能比較的基準(zhǔn)?？紤]到傳統(tǒng)小區(qū)與垂直扇區(qū)化小區(qū)在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置（如下傾角等）方面有所差異，為公平起見，本文分別針對傳統(tǒng)小區(qū)（Ref:3×1）和垂直扇區(qū)化小區(qū)（VS:3×2）進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，其最優(yōu)外場測試配置參數(shù)見表1。

可以看出，由于垂直扇區(qū)化將傳統(tǒng)的單波束垂直分裂為兩個相鄰波束分別進(jìn)行內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)覆蓋，所以分裂后每個小區(qū)的發(fā)送功率為傳統(tǒng)小區(qū)基站發(fā)送功率（49 dBm）的一半，即：

表1 外場測試參數(shù)配置

其中，Pinner和Pouter分別表示垂直扇區(qū)化配置下的內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)的發(fā)送功率。

[7，8]的仿真工作中，天線水平面和垂直面的方向圖采用簡化的模型[9，10]，具體如下：

不同于上述天線仿真模型，LTE有源天線外場測試實際的天線方向圖如圖2、圖3所示。可以看出，內(nèi)外小區(qū)波束水平面方向圖基本相同。值得注意的是，內(nèi)外小區(qū)波束垂直面方向圖具有較多的旁瓣，這樣勢必會帶來內(nèi)外小區(qū)間的同頻干擾，尤其是影響重疊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)性能。后續(xù)將針對內(nèi)外小區(qū)間干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 同頻雙波束水平面方向圖

圖3 同頻雙波束垂直面方向圖

3 外場測試結(jié)果

為了評估驗證LTE有源天線垂直扇區(qū)化外場性能，本節(jié)通過外場道路測試詳細(xì)對比了在傳統(tǒng)小區(qū)（Ref:3×1）和垂直扇區(qū)化小區(qū)（VS:3×2）兩種配置下單用戶的下行速率體驗。首先通過電子下傾角遍歷給出了垂直扇區(qū)化小區(qū)（VS:3×2）下內(nèi)外小區(qū)的最優(yōu)下傾角配置。同時，為了評估內(nèi)外小區(qū)之間干擾對用戶下行速率體驗的影響，對應(yīng)垂直扇區(qū)化內(nèi)小區(qū)（VS:3×2 inner）和外小區(qū)（VS:3×2 outer）的覆蓋范圍，將傳統(tǒng)小區(qū)（Ref:3×1）同樣分為內(nèi)部和外部區(qū)域，分別表示為（Ref:3×1 inner）和（Ref:3×1 outer）。

電子下傾角從0°～18°遍歷時，內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)的平均參考信號接收強(qiáng)度（RSRP）的變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯怪鄙葏^(qū)化內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)的最優(yōu)下傾角分別為12°和4°。值得注意的是，當(dāng)下傾角大于4°時，外小區(qū)平均參考信號接收強(qiáng)度開始逐漸變小，覆蓋變差；然而，當(dāng)下傾角大于12°時，外小區(qū)平均參考信號接收強(qiáng)度突然變大，主要是當(dāng)有源天線下傾角增大到一定程度時，天線垂直方向旁瓣抑制變差，導(dǎo)致柵瓣變大，從而使得外小區(qū)參考信號接收強(qiáng)度增加，如圖5所示。

圖4不同下傾角RSRP對比

圖6 和圖7給出了在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)（Ref:3×1）和垂直扇區(qū)化小區(qū)（VS:3×2）兩種配置下，用戶下行MAC層速率的累計概率分布以及平均下行速率對比情況。測試結(jié)果表明，在實際外場測試環(huán)境下，單用戶在垂直扇區(qū)化的配置下，下行速率體驗差于傳統(tǒng)小區(qū)。從圖7可以看出，與傳統(tǒng)小區(qū)下單用戶的平均下行速率相比，垂直扇區(qū)化時單用戶的平均下行速率降低約31%。同時，用戶在內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)平均下行MAC層速率分別降低約73%和13%。更為嚴(yán)重的是，用戶在內(nèi)小區(qū)的下行速率嚴(yán)重低于在外小區(qū)的下行速率。

針對單用戶在垂直扇區(qū)化情況下平均下行速率低于傳統(tǒng)小區(qū)的問題，尤其是用戶在垂直扇區(qū)化內(nèi)小區(qū)具有較低的下行速率的現(xiàn)象，圖8和圖9給出了對應(yīng)信干噪比（signal to interference and noise ratio，SINR）的累計概率分布和平均值對比?？梢钥闯?，單用戶下行速率下降主要是由于內(nèi)外小區(qū)之間的同頻干擾帶來內(nèi)外小區(qū)SINR的降低，尤其是外小區(qū)對內(nèi)小區(qū)的干擾導(dǎo)致內(nèi)小區(qū)用戶的SINR嚴(yán)重降低。同時，相比于外小區(qū)對內(nèi)小區(qū)的干擾，內(nèi)小區(qū)對外小區(qū)帶來的干擾相對較小。也就是說，在垂直扇區(qū)化內(nèi)小區(qū)（VS:3×2 inner）的SINR分布相對于外小區(qū)的SINR分布較差。與之不同的是，在傳統(tǒng)的小區(qū)（Ref:3×1）中由于內(nèi)小區(qū)與基站天線距離更近，此時內(nèi)小區(qū)的SINR分布優(yōu)于外小區(qū)的SINR分布。除此之外，由于垂直扇區(qū)化將單波束分裂為內(nèi)外兩個相鄰波束，對應(yīng)的內(nèi)外小區(qū)的功率降低也是垂直扇區(qū)化性能降低的另一個原因。

圖5 不同下傾角時有源天線垂直面方向圖

圖6 單用戶下行MAC層速率累計概率分布（CDF）對比

圖7 單用戶下行平均MAC層速率對比

上述分析表明，內(nèi)外小區(qū)間的同頻干擾是造成垂直扇區(qū)化情況下用戶下行速率體驗變差的主要原因。對于傳統(tǒng)天線設(shè)計，一般都對天線的上旁瓣進(jìn)行有效抑制，而對于有源天線的垂直扇區(qū)化技術(shù)則需要同時進(jìn)行天線的下旁瓣抑制，這樣可以降低外波束與內(nèi)波束之間的信號干擾，在未來有源天線垂直扇區(qū)化的部署中必須予以考慮。

總之，相比于傳統(tǒng)小區(qū)（Ref:3×1），即使垂直扇區(qū)化可以實現(xiàn)內(nèi)外小區(qū)間時頻資源復(fù)用，提高整個系統(tǒng)容量，但是外場測試證明了需要采用合理有效的干擾消除或者旁瓣抑制技術(shù)，否則LTE有源天線垂直扇區(qū)化將對用戶的下行速率體驗產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)捎趦?nèi)外小區(qū)間的同頻干擾極大程度地降低用戶體驗。

圖8 單用戶下行信干噪比累計概率分布對比

圖9 單用戶下行平均SINR對比

4 LTE有源天線垂直扇區(qū)化部署的挑戰(zhàn)和建議

經(jīng)上述討論分析，在垂直扇區(qū)化小區(qū)（VS:3×2）配置下，需要重點(diǎn)考慮內(nèi)外小區(qū)波束垂直方向上的相互干擾，特別是內(nèi)波束與外波束上下旁瓣所帶來的系統(tǒng)性能惡化。除了考慮內(nèi)外波束之間的干擾外，垂直扇區(qū)化小區(qū)分裂帶來的內(nèi)外小區(qū)發(fā)射功率降低也是有源天線垂直扇區(qū)化情況下單用戶下行速率體驗降低的另一個原因?；谏鲜鐾鈭鰷y試結(jié)果及分析，針對有源天線垂直扇區(qū)化技術(shù)在未來網(wǎng)絡(luò)中的部署應(yīng)用，本文提出了以下3點(diǎn)建議。

（1）應(yīng)用場景要求

有源天線垂直扇區(qū)化技術(shù)主要是利用有源天線產(chǎn)生的內(nèi)外波束空間隔離來提升頻譜利用率，因此內(nèi)外波束所覆蓋區(qū)域需要能夠在垂直維度明顯區(qū)分開，以保證垂直扇區(qū)化技術(shù)的使用條件。同時，考慮到城區(qū)環(huán)境中無線信號傳播的不確定性，網(wǎng)絡(luò)在開啟垂直扇區(qū)化功能前，需要對有源天線基站覆蓋范圍內(nèi)的主要用戶分布區(qū)域進(jìn)行內(nèi)波束與外波束的信號對比勘測，避免用戶密集區(qū)域存在較強(qiáng)的內(nèi)小區(qū)與外小區(qū)的強(qiáng)干擾場景。

（2）天線垂直面方向圖要求

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，為了能夠最大程度地提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量，通常要求天線在垂直方向進(jìn)行上旁瓣抑制以及下旁瓣零點(diǎn)填充。然而上述要求已經(jīng)不適合垂直扇區(qū)化內(nèi)外小區(qū)天線方向圖，這樣會導(dǎo)致內(nèi)外小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域變大，從而同頻干擾急劇增加。因此，在有源天線垂直扇區(qū)化的部署中，需要分別針對內(nèi)外小區(qū)波束垂直面方向圖提出新的要求，即抑制內(nèi)小區(qū)波束的上旁瓣，減少對外小區(qū)干擾，尤其是抑制外小區(qū)波束的下旁瓣，從而避免對內(nèi)小區(qū)的干擾。

（3）干擾消除機(jī)制

如前所述，通過LTE有源天線垂直扇區(qū)化可以實現(xiàn)內(nèi)外小區(qū)間的時頻資源復(fù)用，從而提升整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，但是內(nèi)外小區(qū)間同頻干擾的存在卻降低了單用戶下行速率體驗。因此，在有源天線垂直扇區(qū)化的未來部署應(yīng)用中，需要針對內(nèi)外小區(qū)間干擾引入更加先進(jìn)的干擾消除技術(shù)，例如小區(qū)間干擾消除 （inter-cell interference coordination,ICIC）技術(shù)。

5 結(jié)束語

本文初步驗證評估了LTE有源天線垂直扇區(qū)化在實際外場的性能表現(xiàn)，對比了垂直扇區(qū)化小區(qū)（VS:3×2）和傳統(tǒng)小區(qū)（Ref:3×1）兩種配置下單用戶的下行速率體驗。首先，測試分析結(jié)果表明，在給定的網(wǎng)絡(luò)部署場景下內(nèi)外小區(qū)間的同頻干擾將會大大降低垂直扇區(qū)化功能對網(wǎng)絡(luò)性能的增益。其次，基于測試中出現(xiàn)的現(xiàn)象及問題，本文針對LTE有源天線的下一步實際部署應(yīng)用提出了3點(diǎn)建議。

鑒于內(nèi)外小區(qū)間同頻干擾成為LTE有源天線垂直扇區(qū)化部署的首要挑戰(zhàn)，后續(xù)如何優(yōu)化天線設(shè)計，同時利用先進(jìn)的干擾抑制或者消除技術(shù)解決上述問題，是下一步工作的重點(diǎn)。

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