一种新的基于3D有源天线组网的干扰协调方案

张 亮 ，杨 馨 ，谭国平

（1.河海大学 计算机与信息学院通信与信息系统研究所，江苏 南京210098；2.上海无线通信研究中心 上海 200335）

早期的蜂窝网络使用的是全向天线系统，由于天线波束辐射方向的全向性，这种天线对蜂窝网络一个显著的影响是低容量。随着天线技术的发展，波束水平维辐射方向变得可以调整，但是，波束方向性并不理想，通常是采用较大的半功率波束宽度（HPBW,Half Power BeamWidth）覆盖整个小区，这也给邻区造成较大的干扰。为了改善蜂窝移动通信中用户的性能体验，我们希望得到角度灵活、能量集中的波束，有源天线系统（AAS，Active Antenna System）的提出，能够满足当前蜂窝网络部署的需求，通过灵活的天线再配置，AAS可以促进系统性能最优化和网络的演进[1]。

当前的蜂窝网络大多采用的是2D有源天线系统，这也使得许多波束赋形 （Beamforming）方案和 MIMO（Multiple InputMultiple Output）传输方案得以实施，但是几乎所有的这些方案局限于水平维系统性能优化，没有利用用户的垂直维信道信息[2]。近期研究发现，3D有源天线组网的宏蜂窝系统，能够调整波束在3D空间内对准用户，最大化用户的信号接收功率，同时，当用户处于小区中心时，该用户对邻区的干扰将减小。可见，3D有源天线的使用，能够有效提升小区的吞吐量[3-5]。

然而，3D有源天线组网的干扰场景不同于2D。传统的2D有源天线基站组成的网络，通过在不同时频资源上采用不同的下行发射功率，基站可以决定哪些时频资源的发射功率较大，能够覆盖到本小区的边缘用户，并可能对邻区边缘用户产生强干扰[6]。而对3D有源天线基站组成的网络，基站为不同下倾角覆盖的用户分配不同的系统资源。因而，在有些时频资源上，由于某个下倾角的采用，基站发射信号强度能够到达本小区边缘用户，并可能对邻区边缘用户产生强干扰；而对于另外的时频资源，由于对应下倾角的采用，无论基站发射的信号强度如何，该信号都不会到达本小区的边缘，更不会对邻区的边缘用户产生较强干扰[5]。因此，目前LTE技术标准中采用的干扰协调方案无法直接运用到3D有源天线基站组网中，需要研究新的适合3D有源天线组网的干扰协调方案。

文中提出一种新的基于3D有源天线组网的干扰协调方案，并仿真做出验证。仿真结果表明，该方案可以有效降低系统内干扰水平，提升小区边缘用户频谱效率以及整个小区的平均吞吐量，通过调整波束垂直方向的HPBW，系统平均用户性能可以得到进一步提升。

1 系统模型

文中研究的是单层宏蜂窝网络覆盖模型，用户在小区内均匀分布。图1(a)表示基于3D有源天线的宏蜂窝网络覆盖示意图，图1(b)表示单基站的3D有源天线覆盖示意图。

图1(b)中，宏基站配备了3D有源天线系统，不同用户处于小区不同位置，不同图案的波束表示不同的下倾角信息，宏基站根据测得的方向角和俯仰角，调整波束对准方向，使得不同波束在3D空间内对准用户。

图1 基于3D有源天线的宏蜂窝网络覆盖示意图Fig.1 3D active antenna based cellular network

本文研究的宏蜂窝系统属于第四代移动通信系统，采用的关键技术是正交频分复用 （OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术。OFDM技术具有频谱效率高、抗多径衰落、资源分配灵活等特点，被广泛应用于宽带无线通信系统中。本文考虑的OFDM信号经过无线信道，受到邻区干扰和高斯白噪声的影响，用户的接收信号和干扰信号表达式可以表示为：

其中，rj(t)表示用户j的接收信号表达式；AGain,mj表示服务基站m的天线能量增益；hmj表示信道增益，包括路径损耗、宏阴影等引起的信号强度影响；sm(t)表示服务基站m传送的OFDM信号；nj(t)表示白噪声，满足均值为零、方差为σn2的高斯分布；ij(t)表示用户接收到的来自邻区的干扰信号之和，N表示干扰小区的总数；AGain,nj表示干扰基站n的天线能量增益。

进一步地，得出用户的服务信号平均接收功率和干扰信号平均接收功率表达式如下：

其中，Pm表示服务基站的信号发射功率，Pn表示第n个干扰基站的信号发射功率，单位均为dBm；PLmj表示服务基站m到用户j之间的路损，PLnj表示第n个干扰基站到用户j之间的路损，单位均为dB。

用户的信干噪比 (SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio)可表示为：

公式(5)表明了影响用户SINR性能的一些因素，分别是服务基站、干扰基站的信号发射功率，天线系统的增益以及服务基站、干扰基站到用户间的路损。由文献[8]可知，标准化对宏基站到用户间的路径损耗和AAS的3D辐射模式作了明确规定，用户到基站间的路径损耗可以表示为：

其中，dBS_UE表示用户到基站间的距离，单位为m。

公式(6)表明，路径损耗只与用户到基站间距离有关，无法通过技术手段降低用户到基站间的路径损耗。因此，在服务基站、干扰基站的信号发射功率已知的情况下，为了提高用户的SINR性能，可以考虑改变AAS的增益。AAS的3D辐射模式如下：

其中，AGain,H表示AAS的水平方向辐射模式，单位为dB；φ表示用户到基站间的方位角;φH3dB表示AAS的水平方向HPBW，值为70°；Am表示波束能量的前后向比，值为25 dB；AGain,V表示AAS的垂直方向辐射模式，单位为dB；θV3dB表示AAS的垂直方向HPBW；θ表示用户到基站间的俯仰角，θetilt表示AAS的下倾角；SLAV表示AAS的垂直方向旁瓣低电平，值为20 dB；AGain,3D表示AAS的3D辐射模式，单位为dB。

由公式(7)～(9)可知，AAS的水平方向辐射模式仅与水平方向HPBW有关，而垂直方向辐射模式与下倾角、垂直方向HPBW均有关，因此，通过改变AAS的下倾角或是改变AAS不同维度的HPBW，可改变不同方向的天线增益，进而调整天线系统的3D天线增益，提高用户的SINR性能。

对于传统的2D有源天线组网方案 （本文简称为2D方案），基站仅根据用户的位置，计算出用户到基站的方位角，从而得出水平方向天线增益。因此，传统的2D方案并没有利用AAS的垂直方向天线增益，同时，由于2D方案通常采用较宽的水平方向HPBW覆盖整个扇区，处于扇区边缘的用户将对邻区造成极大的干扰。

2 已有的3D有源天线组网方案

目前，基于3D有源天线的组网方案主要有两种，一种是基站天线采用一个固定的下倾角为本小区用户服务（本文简称为3D方案）；另一种是基站天线采用三个固定的下倾角为本小区用户服务（本文简称为3DT方案），该方案可以根据用户的不同位置选择波束在垂直维度的对准方向，提高用户的平均信号接收功率。

2.1 3D方案

该方案的3D有源天线采用15°的固定下倾角[8]为本小区用户服务，相比传统的2D有源天线组网方案，该方案的基站需要根据用户端的相对位置，计算出用户到基站的方位角和俯仰角，从而得出AAS的3D辐射模式。

由于发射波束增加了在垂直维度的天线增益图样，该方案通常被视为其他3D有源天线组网方案的基础。然而，该方案的天线系统下倾角为一个长期的、静态的固定值，波束的方向性并没有提高，因此，该方案的波束能量浪费仍然严重，小区边缘用户间的干扰问题也未解决，系统性能有待提升。

2.2 3DT方案

由于天线波束在垂直维度的角度调整范围远小于水平维度，可以采用一种简单的方式，即采用几个固定下倾角的方式服务本小区用户，如上文提到的3DT方案。相比3D方案，该方案需要先测量用户的俯仰角，根据俯仰角的大小选择合适的天线下倾角，文献[4]给出了一种合理的天线下倾角选择方法，此时，下倾角可以取 9°、13°或者 17°。 此外，当采用3个下倾角服务用户时，3D有源天线的垂直方向HPBW可以比采用一个下倾角时有所降低，可以调整发射波束的垂直方向HPBW从10°降到6.5°[3]，进一步提升波束的方向性。

因此，通过波束方向性的提高，该方案能够有效提升用户的信号接收能量，从而提高用户的频谱利用率。然而，由于3D有源天线组网的干扰情况与2D的完全不同，该方案并没有考虑边缘用户的干扰问题，需要研究新的干扰协调方案提升小区边缘用户的性能体验。

3 新的3D有源天线组网干扰协调方案

3D有源天线组网的干扰场景不同于2D。由图1(b)可知，3D有源天线的使用，可以调整发射波束的方向对准用户，提高用户的信号平均接收功率，减少发射波束的能量浪费以及对邻区同频用户的干扰。然而，通过发射波束在垂直方向的调整，在有些时频资源上，由于某个下倾角的采用，基站发射的信号强度能够到达本小区边缘用户，并可能对邻区的边缘用户产生强干扰；而对于另外的时频资源，由于对应下倾角的采用，无论基站发射的信号强度如何，该信号都不会到达本小区的边缘，更不会对邻区的边缘用户产生较强干扰。然而，2D有源天线组网中，基站采用固定下倾角的波束服务于不同位置的用户，如果该用户占用的时频资源的发射功率较大，那么，不管用户处于小区内何种位置，该用户的接收信号都有可能对邻区的边缘用户产生强干扰。

传统的2D有源天线组网的干扰协调方案是通过在不同时频资源上采用不同下行发射功率的方法，基站可以决定哪些时频资源上的发射功率较大，能够覆盖到本小区的边缘用户，并可能对邻区的边缘用户产生强干扰，通过相邻基站间交互包含发送功率信息的信令，基站可以协调系统资源分配，避免小区边缘用户间的干扰。

为了协调3D有源天线组网中的小区间干扰，提高用户的SINR性能，现提出一种新的干扰协调技术方案。该方案通过在相邻基站交互各自对整个系统资源分配的信息，达到各基站间协调分配系统资源，避免小区间干扰的目的。图2给出了所提方案的工作流程图。

图2 新的干扰协调方案的工作流程图Fig.2 Flow diagram of the novel interference coordination scheme

具体工作步骤如下：

步骤一：根据用户的上行发送信号，基站进行信道测量（包括对信号的垂直维和或者水平维角度测量），并从中提取出与天线维度角度相关的信息、或者是合适加载在基站3D天线阵元上的矢量信息。

步骤二：基站根据来自所有服务用户信号的垂直维和或者水平维角度信息，或者是相应的阵元加载矢量信息，并结合各用户的负载信息，合理地进行本小区系统资源分配。

步骤三：基站采用相应的系统资源对本小区用户进行数据传输。

步骤四：基站将本小区在整个系统资源上的使用信息交互给周围基站。

步骤五：基站获得周围基站的系统资源使用信息后，结合本小区用户负载分布，进行系统资源使用的调整，以使系统性能最优。如果本小区的系统资源使用有更新，需要再与周围基站进行交互。

值得提出的是，在图2所示的流程中，步骤三与步骤四没有必定的先后次序，两个步骤可以同时进行，也可以步骤四在步骤三之前进行。

作为所提方案的一种特殊情形，当基站采用三个下倾角服务本小区用户时（即是上述3DT方案），提出的新的干扰协调方案可以简称为3DTE(3 DownTilts Extended)方案。此时，宏基站有三个扇区，每个扇区覆盖三个不同的区域，宏基站根据测得的用户俯仰角信息，选择不同下倾角的波束服务用户。因此，当用户位于小区边缘时，服务基站将采用较小的下倾角服务该用户，通过基站间各自对系统资源使用信息的交互，相邻基站可以将该用户使用的资源分配给下倾角较大的用户，这就有效地避免了边缘用户的同频干扰，提升了边缘用户的性能乃至整个小区的平均吞吐量。

4 仿真结果与分析

为了验证3DTE方案的性能优势，给出了两组仿真对比与分析。一组是2D方案、3D方案与3DT方案间的性能对比，通过这组仿真，可以发现3D有源天线的优势以及垂直方向HPBW对3D有源天线组网方案的性能影响；另一组是3D方案、3DT方案与3DTE方案间的性能对比，这组仿真验证了新的干扰协调方案能有效避免3D有源天线组网中存在小区间干扰问题，提升了系统的吞吐量。具体仿真参数如表1所示。

表1 宏基站的系统参数Tab.1 System param eters ofmacro base station

图3给出了2D方案、3D方案以及垂直方向HPBW分别取10°和6.5°情况下3DT方案用户的SINR性能曲线。

图3 不同方案的用户SINR性能Fig.3 3SINR curves of the several schemes

由图 3可知，2D、3D与 3DT方案在边缘区域用户的SINR逐步上升，3DT方案相比3D方案，用户平均频谱效率也有少量提升，因而，3D宏蜂窝覆盖方案相比传统的2D宏蜂窝覆盖方案，边缘频谱效率有明显提升，用户平均吞吐量也有所改善；而比较不同垂直方向HPBW的3DT方案发现，垂直方向HPBW取6.5°的平均用户性能明显优于10°的情形，分析可知，3D有源天线的垂直方向HPBW越小，发射波束辐射范围越集中，目标用户的信号接收功率增大的同时，邻区的干扰信号接收功率减小，因此，3DT方案的垂直半功率波束宽度取6.5°的系统性能较理想。

图4给出了加入干扰协调的3DTE方案仿真结果。表1给出了图4中不同方案下的性能比较，仿真参数参如表1所示。

图4 对比3DTE方案的用户SINR性能Fig.4 4SINR curve of the 3DTE scheme

从表2中可以看出，3种方案的边缘用户性能和平均用户性能均依次上升。分析可知，3DTE方案的用户位于小区边缘时，可能给邻区边缘用户造成干扰，通过基站间交互各自对系统资源的使用信息，相邻基站可以调整小区边缘用户占用的资源，避免相邻小区边缘用户的同频干扰。因此，虽然边缘用户损失了一定的调度增益，但是整个小区的吞吐量[9]得到了得到了极大的提高。

表2 不同方案的SINR性能比较Tab.2 SINR param eters of the several schem es

5 结论

文中提出了一种新的3D有源天线组网的干扰协调方案，通过相邻基站[10]间交互各自对系统资源的使用信息，基站间可以协调分配系统资源，降低系统整体干扰水平。仿真结果表明，提出的方案可以有效提升边缘用户的性能乃至整个小区的平均吞吐量；而减小发射波束垂直方向的HPBW能够得到方向性更好、能量更加集中的波束，有利于进一步提升小区的平均吞吐量，改善系统内用户的性能体验。

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