基于波束赋形技术降低LTE网络干扰的研究

谢 鹏

空军工程大学理学院

基于波束赋形技术降低LTE网络干扰的研究

谢 鹏

空军工程大学理学院

本文阐述了波束赋形技术降低LTE网络干扰的研究，提出了较合理及规范的方案，并在城区TD-LTE网进行试点应用，通过对实际效果进行测试分析，结果证明调整为30度的广播波束赋形，能够解决TD-LTE现网中的重叠覆盖，降低小区间干扰，提高用户无线质量，提升系统容量，效果非常明显简单实用，能有效地解决特定场景的重叠覆盖。

波束赋形；LTE；网络干扰

引言

随着智能终端、移动宽带、云计算的发展日新月异，特别是4G技术的应用，移动互联网时代已经到来。

目前4G网络采用的是智能天线，智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位从而调节天线阵列的方向图形状，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术有诸多优点：首先因为移动通信用户数增加迅速，人们对移动通话质量的要求也不断提高，对不同用户分别波束赋型，有效降低小区间和小区内的干扰，集中能量，有效提高信号强度；其次利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，以此代替模拟电路形成天线波束的方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度；还有智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰。

本文研究利用波束赋型技术控制重叠覆盖。主要采用水平3dB带宽为30度的广播波束赋形权值，收窄广播波束宽度可以使能量更加集中，既可以控制小区覆盖的范围减少对其他小区干扰，又可以增强小区主瓣方向的覆盖强度和深度。根据具体的场景有针对性的使用窄的广播波束能减少干扰，增强深度覆盖，提升系统吞吐量。

1　基本原理

1.1LTE网络同频干扰

TD-LTE网络组网方式为同频组网，小区间干扰是制约同频组网网络性能的首要因素。

由于频谱资源的有限，LTE系统对频谱效率要求很高，因此希望系统尽可能地接近频谱复用系数1。同频组网是充分利用频谱资源的有效方案。在LTE网络中，下行时采用OFDM和MIMO技术，小区的子载波之间都是严格正交的，不会存在像CDMA一样的小区内用户之间的干扰，所以小区内的干扰可以忽略。同频组网干扰主要来自于小区之间的干扰。 同频组网是在整个小区使用相同的频率覆盖，当小区边缘的用户使用相同的频率通信时，会对另一个小区的用户产生干扰，从而影响了边缘用户的通信质量，甚至在信号很好的时候也无法通信。

图1　同频组网重叠覆盖多干扰大

如图一所示，同频组网时每个小区收到6个干扰小区的干扰且干扰源距离近，与异频组网方式相比小区间出现重叠覆盖的概率骤然增大，干扰成倍地增加。

TD-LTE网络小区间干扰建模如下：小区间干扰=∑邻区发射功率*路径损耗*阴影衰落*快衰增益。

TDD网络使用了智能天线，会产生比较大的旁瓣和背瓣，对应干扰建模公式里快衰增益很大。相对于FDD系统，TDD系统小区间重叠覆盖区域的干扰情况更严重，也就是说TDD系统对重叠覆盖产生的干扰更敏感。尤其是小区间距离过近时，重叠覆盖区域的干扰将成倍地增加，严重影响系统吞吐量。

1.2TD-LTE系统中广播波束赋形的作用

TD-LTE系统沿用了TD-SCDMA中智能天线的设计，作为一种多阵元系统，智能天线可以通过调整其各天线阵元的权值（包含幅值和相位），来使天线波束方向图形状变为指定波束形状，实现波束赋形。基站使用波束赋形技术将波束对准目标用户，这样可以提高目标用户的信号前度，降低对其他用户的干扰。

图2　波束赋形对用户的影响

LTE网络中，用户通过不断测量小区参考信号（CRS）来评估每个小区的无线质量，作为小区选择、切换、重选和质量范围的依据。小区参考信号采用广播波束赋形，所以合理的控制广播波束的辐射方向图，可以控制小区覆盖的宽度、减少小区间重叠覆盖。

1.3波束赋形模型

下面为八通道TD-SCDMA智能天线简图：

图3　八通道直线列智能天线简图

降低LTE干扰思路

2.1调整广播波束宽度的优化手段

LTE网络现有的控制重叠覆盖的手段主要是调整方位角、下倾角和发射功率，这些控制重叠覆盖的方面都有一些弊端，不能适应所有场景。针对这个空白，本创新提出调整广播波束赋形，进而改变广播波束宽度来控制重叠覆盖的策略，作为LTE网络优化重叠覆盖手段的有力补充，调整广播波束赋形能有效的控制重叠覆盖，减少小区间干扰，从而提升系统整体吞吐量。

2.2通过广播波束赋形控制波束宽度的软件调整策略

对于使用普通天线的无线基站（比如GSM系统），调整广播波束宽度必须更换现有天线等硬件设备。更换天线有诸多弊端：一是更换硬件工程量巨大，很多相关的工程需要重新做，比如防水；二是更换过程中容易引起物业纠纷，站点面临风险，网络优化工程师只需在网管上选择波束的宽度，网管就会通过eNB将波束宽度对应的波束赋形权值下发给智能天线，完成广播波束宽度的修改，使操作更加简便。

2.3基于遗传迭代算法的优化方案

在波束赋形的优化算法中，我们将遗传算法的迭代计算方案应用于其中。通过这一原则的计算，将优化小区中电平好、SINR高、下载速率高的小区波束赋形参数设置保留下来，当发现有比这个值更优值的时候，对前一保留值进行丢弃，按照这种相同原则进行类推，获得比较好的优化值。

图5　遗传迭代算法优化方案

3　波束赋形优化调整

3.1调整广播波束解决重叠覆盖适用场景

TDD网络使用了智能天线，会产生比较大的旁瓣和背瓣，相对于FDD系统，TDD系统小区间重叠覆盖区域的干扰情况更严重，也就是说TDD系统对重叠覆盖产生的干扰更敏感。尤其是小区间距离过近时，重叠覆盖区域的干扰将成倍地增加，严重影响系统吞吐量。

65度的广播波束宽度在特定的场景下会导致比较严重的重叠覆盖，对这些场景使用30度的广播波束赋形，能有效的控制重叠覆盖，提高系统吞吐量。

对于街道站，覆盖高速、铁路这类站点，对信号的覆盖距离要求比较高，使用30度的广播波束能够增加小区的覆盖距离，提升覆盖质量，节省建站成本。

3.2全网优化情况

根据试点的调整意见，对中国电信某分公司进行了网络波束赋形等参数的相关调整。

对现网调整之后，网络测试覆盖指标和运行指标都得到一定程度的改善。网络运营指标得到一定成都的提升。掉线率从原来的0.16%降低为0.03%。

总结

本文创新首先在城区TD-LTE网进行试点应用，通过对实际效果进行测试分析，结果证明调整为30度的广播波束赋形，能够解决TD-LTE现网中的重叠覆盖，降低小区间干扰，提高用户无线质量，提升系统容量，效果非常明显简单实用，能有效地解决特定场景的重叠覆盖。

［1］刘龙伟；李文刚；李凤娇；卫星导航定位信息辅助的协作波束赋形算法［J］；西安电子科技大学学报；2013年03期

［2］刘毅；陈晓鹏；张继光；向文豪；张博勋；协作网络中基于中继选择的协作波束赋形算法［J］；吉林大学学报（工学版）；2011年05期

［3］ 罗德与施瓦茨中国有限公司；TD—LTE测试解决方案已成型［N］；通信产业报；2012年