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(shì)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，并成為后續(xù)移動(dòng)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(gè)收發(fā)單元的相位、幅度、時(shí)延等，可以實(shí)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(shí)生成多個(gè)下傾角的波束，從而實(shí)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外小區(qū)間時(shí)頻資源的復(fù)用，從而提升整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

目前，針對(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)LTE有源天線多系統(tǒng)的共存場(chǎng)景，分析評(píng)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(duì)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)外小區(qū)間的時(shí)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(chǎng)環(huán)境中進(jìn)一步驗(yàn)證評(píng)估，通過外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證也將進(jìn)一步分析垂直扇區(qū)化功能的具體部署場(chǎng)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(shí)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(shì)必會(huì)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(duì)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(gè)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(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分析對(duì)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(yàn)。其次，針對(duì)LTE有源天線外場(chǎng)測(cè)試中的現(xiàn)象和問題，對(duì)其未來部署應(yīng)用提出了3點(diǎn)建議。

2 外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

為了對(duì)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(yàn)，選擇在外場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行道路測(cè)試（drive test，DT）。為后續(xù)表達(dá)簡(jiǎn)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)。考慮到傳統(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(duì)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(chǎng)測(cè)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(gè)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(gè)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(chǎng)測(cè)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(jiǎn)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(chǎng)測(cè)試實(shí)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(shì)必會(huì)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(duì)內(nèi)外小區(qū)間干擾對(duì)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(chǎng)測(cè)試結(jié)果

為了評(píng)估驗(yàn)證LTE有源天線垂直扇區(qū)化外場(chǎng)性能，本節(jié)通過外場(chǎng)道路測(cè)試詳細(xì)對(duì)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(yàn)。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(shí)，為了評(píng)估內(nèi)外小區(qū)之間干擾對(duì)用戶下行速率體驗(yàn)的影響，對(duì)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(shí)，內(nèi)小區(qū)和外小區(qū)的平均參考信號(hào)接收強(qiáng)度（RSRP）的變化情況如圖4所示。可以看出，垂直扇區(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(shí)，外小區(qū)平均參考信號(hào)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(shí)，外小區(qū)平均參考信號(hào)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(shí)，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(hào)接收強(qiáng)度增加，如圖5所示。

圖4不同下傾角RSRP對(duì)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(jì)概率分布以及平均下行速率對(duì)比情況。測(cè)試結(jié)果表明，在實(shí)際外場(chǎng)測(cè)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(yàn)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(shí)單用戶的平均下行速率降低約31%。同時(shí)，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(duì)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(duì)應(yīng)信干噪比（signal to interference and noise ratio，SINR）的累計(jì)概率分布和平均值對(duì)比。可以看出，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(duì)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(shí)，相比于外小區(qū)對(duì)內(nèi)小區(qū)的干擾，內(nèi)小區(qū)對(duì)外小區(qū)帶來的干擾相對(duì)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(duì)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(shí)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(gè)相鄰波束，對(duì)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(gè)原因。

圖5 不同下傾角時(shí)有源天線垂直面方向圖

圖6 單用戶下行MAC層速率累計(jì)概率分布（CDF）對(duì)比

圖7 單用戶下行平均MAC層速率對(duì)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(yàn)變差的主要原因。對(duì)于傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)，一般都對(duì)天線的上旁瓣進(jìn)行有效抑制，而對(duì)于有源天線的垂直扇區(qū)化技術(shù)則需要同時(shí)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(hào)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外小區(qū)間時(shí)頻資源復(fù)用，提高整個(gè)系統(tǒng)容量，但是外場(chǎng)測(cè)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(duì)用戶的下行速率體驗(yàn)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(yàn)。

圖8 單用戶下行信干噪比累計(jì)概率分布對(duì)比

圖9 單用戶下行平均SINR對(duì)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(yàn)降低的另一個(gè)原因。基于上述外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及分析，針對(duì)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(chǎng)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(shí)，考慮到城區(qū)環(huán)境中無線信號(hào)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(duì)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(hào)對(duì)比勘測(cè)，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(chǎng)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外小區(qū)間的時(shí)頻資源復(fù)用，從而提升整個(gè)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(yàn)。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(duì)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(yàn)證評(píng)估了LTE有源天線垂直扇區(qū)化在實(shí)際外場(chǎng)的性能表現(xiàn)，對(duì)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(yàn)。首先，測(cè)試分析結(jié)果表明，在給定的網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景下內(nèi)外小區(qū)間的同頻干擾將會(huì)大大降低垂直扇區(qū)化功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的增益。其次，基于測(cè)試中出現(xiàn)的現(xiàn)象及問題，本文針對(duì)LTE有源天線的下一步實(shí)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(jì)，同時(shí)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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