LTE小蜂窝基站系统干扰抑制技术研究及分析

【摘要】LTE小蜂窝基站系统干扰抑制技术是提高网络信号质量、提升小区容量的关键技术，对网络覆盖能力和系统网络优化具有十分重要的意义。分别列举了小蜂窝基站系统和小蜂窝网络的干扰抑制技术分析，对LTE小蜂窝基站的建设提出了参考建议。

【关键词】LTE小蜂窝；干扰抑制；干扰管理

1.概述

LTE（Long Term Evolution，长期演进）通过增强3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准，提供了10几倍甚至20几倍于今天3G的传输速率，为移动通信用户带来了前所未有的无线网络体验。

LTE小蜂窝基站（Small Cell）是由移动运营商控制的、低功率的无线接入点。小蜂窝基站的“小”是相对于传统的宏基站而言的：从发射功率看，典型发射功率在100mW到5W之间；从重量看，普遍重量在2到10kg之间。与传统的宏蜂窝基站相比，小蜂窝基站技术主要的特性包括可扩展性，自我组织性、快速低成本的部署，有效安全的回传的使用，还有高容量密度的部署。小蜂窝基站的概念源于3G网络中为家庭场景设计的Femtocell（俗称的“家庭基站”），发展至今，小蜂窝的概念融合了Femtocell，Picocell，和Microcell，而部署场景也由传统的家庭，延伸到了公共热点覆盖和企业应用。

LTE作为新一代网络技术，为运营商带来了系统网络优化和覆盖信号质量的新问题，从小蜂窝概念诞生的第一天起，如何有效地控制宏蜂窝与小蜂窝，以及不同小蜂窝之间的同频干扰就是业界关心的最核心问题。LTE系统上行采用基于OFDM传输技术的单载波频分多址（SC—FDMA）的接入方式.下行采用OFDMA的接入方式。OFDMA的接人方式与码分多址（CDMA）不同，无法通过扩频方式消除小区间的干扰，LTE系统又对频谱效率有很高的要求，也不能通过使用较高复用系数的传统的频率复用方法来减弱干扰，因此LTE系统非常关注小区间的干扰抑制技术。

本文对目前LTE小蜂窝基站系统干扰抑制技术的方法及影响因素进行了研究，分析比较几种LTE小蜂窝网络的干扰抑制技术，为提高LTE小蜂窝基站系统网络信号质量和无线覆盖能力提供了参考。

2.LTE小蜂窝基站系统干扰抑制技术

LTE小蜂窝基站系统平台采用LTE FDD/TDD兼容性软件架构以及LTE/WiFi融合的软件架构，同一套软件可以保证TDD LTE、FDD LTE以及WiFi多模的融合设计和灵活组合，而且可兼容各系统厂商的设备，方便运营商选型和降低工程费用。

LTE小蜂窝基站系统平台采用集成CPU+DSP的SOC方案来实现，具备高集成度，低成本的特点，支持LTE的多天线MIMO、Beamforming技术，融合WIFI多模技术，并可扩展融合2G和3G多模技术，实现统一管理技术、资源复用技术、共同组网技术、协同运作技术和智能感知技术。系统由以下几个模块：中央处理单元、射频以及数据处理单元、存储单元模块、有线千兆自适应以太网络模块、GNSS接收模块、WiFi模块、POE供电模块等组成。系统的硬件架构如图1所示。

2.1 硬件集成抗干扰抑制技术

研究系统的EMC（Electro Magnetic Compatibility）和高速电路的信号完整性问题，建立EMC预测模型，降低系统EMI，增强系统的电磁兼容特性，进而提高设备的接收灵敏度及抗干扰性能。目前LTE小蜂窝基站系统硬件时钟频率基本已超过了100MHz，在这样高的时钟频率下，信号上升沿的时间已经缩小到了ns级别，普通的信号都会辐射很强的电场和磁场。电磁场辐射主要集中在以下几个部分：a、嵌入式系统处理器；b、存储器（FLASH和SDRAM）；c、电源芯片及其周边器件产生的电磁辐射；d、高速信号的PCB走线。电磁干扰的产生，与机器本身的高频信号和信号完整性有很大的关系，本课题结合信号完整性方面理论及干扰产生和传播机制，通过画印制电路板之前的仿真分析，辐射源的屏蔽分析，地平面特性分析等方法和手段，提高整体EMC设计质量。

2.2 智能天线干扰抑制技术

在多天线阵列技术的应用中，常见的有收发分集或空时分集、波束赋形或预编码、空间复用（MIMO）技术三种方式。

目前LTE采用OFDM和MIMO技术结合，实现了更高的峰值速率和频谱效率。TD-LTE在采用下行2天线/上行1天线、20MHz的系统带宽和3：1的下行与上行时隙比例配置的情况下，TD-LTE网络的下行峰值速率可以达到110Mbps、上行峰值速率达到30MHz。而智能多天线阵列又可分为多波束切换阵列和自适应阵列两大类，而自适应阵列相比多波束切换阵列更多地依赖于DSP复杂软件算法实现，因此成为本课题研究的关键技术点。

采用自适应阵列天线方案，实现跟踪用户在环境中的移动，并跟踪环境的变化。自适应天线阵：信号由几个天线单元接收，每一个单元都采用相同的天线模式，接收的信号经过加权合路在—起之后合成输出的信号，如图2所示。

自适应阵列即采用数字信号处理技术（DSP）识别用户信号到达方向，并在此方向形成主波束对准用户方向，由于自适应天线能实时地形成不同的天线方向图，自动跟踪对准用户保障最佳信号载干比，因此能提供比多波束切换阵列更好的接收效果。有需要依靠发送端参考信号的非盲算法和不需要依靠发送端参考信号的盲算法两大类。

LTE小蜂窝基站智能天线硬件上采用开关矩阵，使用二极管作为基础开关电路，并利用开关二极管残留容感性附加LC器件形成干扰抑制，链路高隔离。天线嵌合阵列，将使用微带天线在三维空间进行嵌合，以达到最大的空间利用和最优的增益叠加效果。在软件上采用DSP自适应算法实现天线的自适应阵列技术成为本课题研究的一个关键技术点。为了保证4G通信网络在任何场景下均具有尽可能高的通信质量和传输速率，3GPP在其规范的Release 9版本中定义了以下几种下行传输的天线模式。

原则上实际的物理天线数目与所采用的传输模式没有特别的搭配要求，但在实际应用中2天线系统常用模式为2和3。DSP自适应算法根据实际的信道质量和网络负荷变化，系统将在这些传输模式之间进行动态切换，已保障最佳的传输质量和速率。

具体地，DSP软件模块实现波束赋形的算法，出现了很多著名的波束形成算法，有非盲算法中的最小均方（LMS）算法、基于DOA算法的特征子空间（ESB）算法等。

4.结束语

本文从LTE小蜂窝基站系统及小蜂窝网络两个角度分别分析了目前解决小蜂窝基站系统和网路的干扰抑制技术，借鉴相关研究成果，分别介绍了基于硬件集成的干扰抑制技术、基于智能天线的干扰抑制技术、基于数字信号处理算法的干扰抑制技术和基于LTE网络的干扰协调管理技术。其中，前两类方法是基于硬件的方法，对产品的成本和外形设计敏感度高，而后两类方法是基于软件的方法，有望以较小的成本实现较好的干扰抑制效果，是今后研究的主流趋势。

本研究课题受“福建省科技计划重大项目”基金项目支持，项目名称：基于MIMO技术的FDD-LTE数字直放站（项目编号：2011H4004）。

作者简介：董文峰，大学本科，毕业于福建师范大学，工程师，现供职于福建三元达通讯股份有限公司，主要从事移动通信设备的系统整机开发，有着多年移动通信设备开发和项目管理经验，曾参与多项省重大专项和区域重大专项的研究工作，发表相关技术专利9篇。