LTE有源天線垂直扇區化性能分析*

楊峰義，張建敏，謝偉良，朱雪田

（中國電信股份有限公司技術創新中心 北京100031）

1 引言

隨著LTE以及未來無線新技術的逐步引入，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勢成為移動通信領域的關注焦點，并成為后續移動網絡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在它通過獨立控制每個收發單元的相位、幅度、時延等，可以實現波束在垂直面方向的調整，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，從而實現小區的垂直扇區化分裂。如圖1所示，傳統小區通過垂直化扇區分裂，可以分裂為相鄰的內小區和外小區。由于內外小區具有不同的小區ID，此時可以實現內外小區間時頻資源的復用，從而提升整個LTE網絡的系統容量。

目前，針對LTE有源天線垂直扇區化，學術界和工業界已經進行了大量的仿真研究[5～8]。參考文獻[5]基于垂直扇區化的概念提出了一種動態的小區覆蓋擴展方法，根據網絡負載變化情況，動態關閉部分小區（所產生的覆蓋空洞由相鄰小區覆蓋擴展進行補償），從而達到降低網絡系統能耗的目的。參考文獻[6]針對LTE有源天線多系統的共存場景，分析評估了鄰信道干擾比和帶內阻塞等關鍵參數。除此之外，參考文獻[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下垂直扇區化性能。仿真結果表明，垂直扇區化由于實現了內外小區間的時頻資源復用，可以有效地提高網絡系統容量。為了LTE有源天線垂直扇區化未來的部署應用，其性能還需要在外場環境中進一步驗證評估，通過外場測試驗證也將進一步分析垂直扇區化功能的具體部署場景，這成為本文主要關注的內容。

有源天線垂直扇區化通過波束分裂實現了傳統小區分裂為相鄰的內外小區，但是內外波束的重疊是無法避免的，這樣勢必會導致內外小區間存在同頻干擾。內外波束的垂直面方向圖對內外小區間同頻干擾的大小，尤其是內外波束重疊覆蓋區域干擾大小產生很大影響，也因此成為本文另一個主要關注的內容。

鑒于以上考慮，本文首先基于LTE有源天線外場測試結果，分析對比了在傳統3×1網絡拓撲以及垂直扇區化3×2網絡拓撲兩種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象和問題，對其未來部署應用提出了3點建議。

2 外場測試環境

為了對比用戶在垂直扇區化小區和傳統小區兩種配置下的下行速率體驗，選擇在外場環境進行道路測試（drive test，DT）。為后續表達簡單，傳統的3×1網絡以及垂直扇區化3×2網絡分別用（Ref:3×1）和（VS:3×2）表示，且以傳統小區（Ref:3×1）作為性能比較的基準。考慮到傳統小區與垂直扇區化小區在網絡參數配置（如下傾角等）方面有所差異，為公平起見，本文分別針對傳統小區（Ref:3×1）和垂直扇區化小區（VS:3×2）進行優化調整，其最優外場測試配置參數見表1。

可以看出，由于垂直扇區化將傳統的單波束垂直分裂為兩個相鄰波束分別進行內小區和外小區覆蓋，所以分裂后每個小區的發送功率為傳統小區基站發送功率（49 dBm）的一半，即：

表1 外場測試參數配置

其中，Pinner和Pouter分別表示垂直扇區化配置下的內小區和外小區的發送功率。

[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，內外小區波束水平面方向圖基本相同。值得注意的是，內外小區波束垂直面方向圖具有較多的旁瓣，這樣勢必會帶來內外小區間的同頻干擾，尤其是影響重疊區域的網絡性能。后續將針對內外小區間干擾對網絡性能的影響進行詳細分析。

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 外場測試結果

為了評估驗證LTE有源天線垂直扇區化外場性能，本節通過外場道路測試詳細對比了在傳統小區（Ref:3×1）和垂直扇區化小區（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化小區（VS:3×2）下內外小區的最優下傾角配置。同時，為了評估內外小區之間干擾對用戶下行速率體驗的影響，對應垂直扇區化內小區（VS:3×2 inner）和外小區（VS:3×2 outer）的覆蓋范圍，將傳統小區（Ref:3×1）同樣分為內部和外部區域，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，內小區和外小區的平均參考信號接收強度（RSRP）的變化情況如圖4所示。可以看出，垂直扇區化內小區和外小區的最優下傾角分別為12°和4°。值得注意的是，當下傾角大于4°時，外小區平均參考信號接收強度開始逐漸變小，覆蓋變差；然而，當下傾角大于12°時，外小區平均參考信號接收強度突然變大，主要是當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，導致柵瓣變大，從而使得外小區參考信號接收強度增加，如圖5所示。

圖4不同下傾角RSRP對比

圖6 和圖7給出了在傳統網絡小區（Ref:3×1）和垂直扇區化小區（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。測試結果表明，在實際外場測試環境下，單用戶在垂直扇區化的配置下，下行速率體驗差于傳統小區。從圖7可以看出，與傳統小區下單用戶的平均下行速率相比，垂直扇區化時單用戶的平均下行速率降低約31%。同時，用戶在內小區和外小區平均下行MAC層速率分別降低約73%和13%。更為嚴重的是，用戶在內小區的下行速率嚴重低于在外小區的下行速率。

針對單用戶在垂直扇區化情況下平均下行速率低于傳統小區的問題，尤其是用戶在垂直扇區化內小區具有較低的下行速率的現象，圖8和圖9給出了對應信干噪比（signal to interference and noise ratio，SINR）的累計概率分布和平均值對比。可以看出，單用戶下行速率下降主要是由于內外小區之間的同頻干擾帶來內外小區SINR的降低，尤其是外小區對內小區的干擾導致內小區用戶的SINR嚴重降低。同時，相比于外小區對內小區的干擾，內小區對外小區帶來的干擾相對較小。也就是說，在垂直扇區化內小區（VS:3×2 inner）的SINR分布相對于外小區的SINR分布較差。與之不同的是，在傳統的小區（Ref:3×1）中由于內小區與基站天線距離更近，此時內小區的SINR分布優于外小區的SINR分布。除此之外，由于垂直扇區化將單波束分裂為內外兩個相鄰波束，對應的內外小區的功率降低也是垂直扇區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，內外小區間的同頻干擾是造成垂直扇區化情況下用戶下行速率體驗變差的主要原因。對于傳統天線設計，一般都對天線的上旁瓣進行有效抑制，而對于有源天線的垂直扇區化技術則需要同時進行天線的下旁瓣抑制，這樣可以降低外波束與內波束之間的信號干擾，在未來有源天線垂直扇區化的部署中必須予以考慮。

總之，相比于傳統小區（Ref:3×1），即使垂直扇區化可以實現內外小區間時頻資源復用，提高整個系統容量，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，否則LTE有源天線垂直扇區化將對用戶的下行速率體驗產生較大影響，甚至會由于內外小區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有源天線垂直扇區化部署的挑戰和建議

經上述討論分析，在垂直扇區化小區（VS:3×2）配置下，需要重點考慮內外小區波束垂直方向上的相互干擾，特別是內波束與外波束上下旁瓣所帶來的系統性能惡化。除了考慮內外波束之間的干擾外，垂直扇區化小區分裂帶來的內外小區發射功率降低也是有源天線垂直扇區化情況下單用戶下行速率體驗降低的另一個原因。基于上述外場測試結果及分析，針對有源天線垂直扇區化技術在未來網絡中的部署應用，本文提出了以下3點建議。

（1）應用場景要求

有源天線垂直扇區化技術主要是利用有源天線產生的內外波束空間隔離來提升頻譜利用率，因此內外波束所覆蓋區域需要能夠在垂直維度明顯區分開，以保證垂直扇區化技術的使用條件。同時，考慮到城區環境中無線信號傳播的不確定性，網絡在開啟垂直扇區化功能前，需要對有源天線基站覆蓋范圍內的主要用戶分布區域進行內波束與外波束的信號對比勘測，避免用戶密集區域存在較強的內小區與外小區的強干擾場景。

（2）天線垂直面方向圖要求

在傳統網絡中，為了能夠最大程度地提高網絡覆蓋和容量，通常要求天線在垂直方向進行上旁瓣抑制以及下旁瓣零點填充。然而上述要求已經不適合垂直扇區化內外小區天線方向圖，這樣會導致內外小區重疊覆蓋區域變大，從而同頻干擾急劇增加。因此，在有源天線垂直扇區化的部署中，需要分別針對內外小區波束垂直面方向圖提出新的要求，即抑制內小區波束的上旁瓣，減少對外小區干擾，尤其是抑制外小區波束的下旁瓣，從而避免對內小區的干擾。

（3）干擾消除機制

如前所述，通過LTE有源天線垂直扇區化可以實現內外小區間的時頻資源復用，從而提升整個網絡系統容量，但是內外小區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化的未來部署應用中，需要針對內外小區間干擾引入更加先進的干擾消除技術，例如小區間干擾消除 （inter-cell interference coordination,ICIC）技術。

5 結束語

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

鑒于內外小區間同頻干擾成為LTE有源天線垂直扇區化部署的首要挑戰，后續如何優化天線設計，同時利用先進的干擾抑制或者消除技術解決上述問題，是下一步工作的重點。

參考文獻

1 Linehan K,Chandrasekaran R.Active antenna:the next step in radio and antenna evolution.http://docs.commscope.com/Public/active antenna system white paper.pdf,2011

2 Saur S,Halbauer H.Exploring the vertical dimension of dynamic beam steering.Proceedings of 8th International Workshop on Multi-Carrier Systems Solutions,Herrsching,Germany,2011

3 Caretti M,Crozzoli M,Dell'Area G M,et al.Cell splitting based on active antennas:performance assessment for LTE system.Proceedings of IEEE 13th Annual Wireless and Microwave Technology Conference(WAMICON),Hilton Cocoa Beach，FL，USA,2012

4 楊濤，謝偉良，朱雪田.有源天線在移動通信系統中的應用研究.中國通信學會信息通信網絡技術委員會2011年會，鄭州，中國，2011

5 Guo W,O'Farrel T.Dynamic cell expansion:traffic aware low energy cellular network.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference(VTC Fall),Quebec City,Canada,2012

6 Kang P,Cui Q,Chen S,et al.Performance evaluation on coexistence of LTE with active antenna array systems.Proceedings of IEEE 23rd International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communication(PIMRC),Sydney，Australia，2012:1066～1070

7 Yilmaz O,Hamalainen S,Hamalainen J.System level analysis of vertical sectorization for 3GPP LTE.Proceedings of IEEE International Symposium on Wireless Communication System(ISWCS),Washington DC,USA,2009

8 Fu Y,Wang J,Zhao Z,et al.Analysis of vertical sectorization for HSPA on a system level:capacity and coverag.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference(VTC Fall),Quebec City,Canada,2012

9 3GPP TS 36.141 V10.0.0.E-UTRA BS Conformance Testing,2010

10 3GPP TR 36.814 V9.0.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Future Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects,2010