智能天线对LTE上行链路干扰及容量的影响

李校林，袁 波，楼思研

（1.重庆信科设计有限公司，重庆 401121；2.重庆邮电大学 通信新技术研究所，重庆 400065）

1 移动终端智能天线应用分析

在新一代移动通信技术中，为满足下行100 Mbit/s，上行50 Mbit/s的速率要求，其采用了4×4 MIMO天线配置、干扰协调、资源动态调度、功率控制等消除或降低干扰的技术[1]。其中干扰协调和资源动态调度并不能从根本上减少干扰的大小，而只有通过功率控制和波束赋形技术才能降低干扰[2]。另外，智能天线具有良好的波束选择性，能自动调节主瓣的方向角，从而提高用户接收信号的信噪比和系统容量，所以成为新一代终端天线研究热点之一。

在LTE中基站接收机的几乎所有噪声都是由于移动信号的干扰造成的。假如所有的移动终端全部采用智能天线配置，并且可以通过接收基站天线方位角信息、终端移动速度和方向改变等信息计算出波束主瓣的方向角，从而使终端的主瓣方向图始终对准其所在的小区基站，这样就可以降低终端对相邻小区的干扰。另外，在《近代天线设计》中提到4元单极均匀直线阵的方向图3 dB波瓣宽度为40.98[3]；Juwei Lu发明的嵌于基底的智能天线（DE-SMTA），其通过控制镶嵌于介电常数为4.5的陶瓷基底上的偶极子其阵元间的隔离度要求由传统的1/2波长减小到了1/4波长，从而使尺寸阻碍智能天线在终端的应用大大降低[4-5]。

基于前面的研究背景，智能天线用于移动终端将成为可能。所以将讨论假设在LTE系统内所有终端均使用主瓣宽度为60°的智能天线，对LTE上行链路干扰降低和容量提升的作用。

2 智能天线对上行链路干扰的影响

上行链路本小区的干扰是其他移动终端的信号在基站接收机处叠加而成的。由于LTE系统上行链路采用了SC-FDMA技术和功率控制技术，因此从分析的角度出发，总的干扰可以模型化为带限白噪声。

由于上行链路采用了功率控制技术，假设当小区内有M个移动用户同时工作时，在基站接收机上的本小区干扰功率为Isc=（M-1）Sar，其中S为在基站接收端收到的来自每个移动台的功率；ar为上行链路平均话音激活因子。

环境中仅有LTE系统时，所有的移动终端的天线配置情况为：波束主瓣宽度为60°的智能天线，如图1所示。当移动终端使用智能天线时，由于考虑终端的移动性，设想在小区2a的A点处，移动终端的波束零限没有对准小区2a的基站，且只有波束的左侧刚好能到达小区2a的基站，同时该波束的右侧刚好能到达小区1的基站，形成对小区1的干扰。

从图1中可以很容易地看出，A点是小区2a内的移动终端能对小区1形成干扰的临界位置（越过A点靠近小区1的位置将不会对小区1产生干扰）。因此，小区1的邻小区在第1层环上，只有在离小区1较远的外半环上的终端才对小区1有干扰存在，如图1中的阴影部分所示。要使UE的主瓣信号既可以到达基站2a并且会对基站1形成干扰，则当且仅当UE在小区的阴影部分之内才能满足形成上行链路干扰的必备条件。在小区1的邻小区的第2层环上，要使UE的主瓣信号既可以到达基站3a并且会对基站1形成干扰，则当且仅当UE在小区的阴影部分之内才能满足形成上行链路干扰的必备条件。

干扰功率的计算公式为

式中：S为接收机收到的来自每个终端的功率；ar为反向链路平均话音激活因子；ro为终端到本小区接收机的距离；r为终端与受到干扰的邻小区接收机的距离。

因为Po与r的四次方成反比，所以在图1中的第2层环上的终端对小区1的干扰非常小。为简化计算，如图2所示，将3a小区的阴影面积扩大到2a小区同样大小，即蜂窝小区的一半。同理，假设第n层环上的单个小区能对小区1形成干扰的面积与第1层环上单个小区对小区1形成干扰的面积一样大。这样就可以容易地画出各层小区对小区1的干扰区域，并用阴影表示。

根据以上的分析可知，在图2中，与小区1距离为d的第N层环上会对小区1产生干扰的用户位置在图中阴影标出，这样就能计算出小区1的邻小区干扰功率。

假设每个小区均有M个移动终端，则第N层环内的用户对小区产生的干扰大小可由式（2）计算

由以上分析易知：1）当R=R（图2中的中心圆的半径取正六边形的外接圆）时邻小区对本小区的干扰大小约为5.7129×10-3MSar；2）当R=Rc（图2中的中心圆的半径取正六边形的内切圆）时邻小区对本小区的干扰大小约为1.4177×10-2MSar。同理可根据式（2）得出当所有终端使用智能天线时其他层对小区1的干扰大小。

因此，小区1的第2层环（d=2R及d=2Rc）与第3层环（d=4R及d=4Rc）干扰大小与本小区干扰功率的比值如表1所示。从图3中可以看出，当n＞2（即d/R大于2）时，Ioc/（MarS）的值无限趋近于零。因此只考虑第1，2层邻小区的干扰，不考虑n＞2的小区对小区1的干扰影响。

当LTE系统中的终端使用全向天线时，图2中的阴影部分将覆盖第N层环的所有小区，可求得终端使用全向天线时邻小区干扰的总功率大小。当R=R时，邻小区对本小区的干扰大小约为0.33MSar；当R=Rc时，邻小区对本小区的干扰大小约为0.42MSar。

3 智能天线对上行链路容量的影响

多小区容量公式[5]为

可知，上行链路的容量仅与λ，SINR0有关，因为分析是以LTE系统中所有终端都使用上行功率控制为前提，因此无论终端使用全向天线还是波束赋形天线，在相同的SINR0时孤立小区（λ=0，因为不存在邻小区干扰）的容量相同。由此可得，当系统内的所有终端使用全向天线或智能天线时，多小区容量如表1所示。

表1 使用全向天线或智能天线时的多小区容量

4 结论

当LTE系统内所有的终端均使用主瓣宽度为60°的智能天线时，可使相邻小区的干扰功率与本小区干扰功率的比值降低到10-2量级以下，可使多小区的容量达到单小区容量的98.6%以上。移动终端天线波束图的主瓣宽度越窄，周围邻小区对本小区的干扰就越小，多小区的容量越大。

[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，龙紫薇.TD-LTE容量特性及影响[J].电信科学，2009（3）：48-52.

[3]林昌禄.近代天线设计[M].北京：人民邮电出版社，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.