CN100518006C - 一种小区天线的分组排列方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小区天线的分组排列方法，其包括以下步骤：对小区进行信道测试，获得各测试点的AOA方差值；将多个测试点的AOA方差值按照空间位置和值的大小进行聚类分组；相应的将基站的天线，按照各区域的AOA方差均值分成多组，每个区域内的天线个数和该区域内的方差均值成正比关系；将每组天线放置在相应的区域内，优先放置在最大AOA方差所在测试点位置，即将每个天线依次放置在按AOA方差由大到小排列的测试点上；将所有天线连接至基站控制单元。本发明方法根据小区的散射体分布来对多天线阵列进行分组，充分利用了小区的信道空间MIMO容量，提高了系统容量，从而相应的提高了系统性能。

Description

一种小区天线的分组排列方法

技术领域

本发明涉及一种分组和排列多发射接收天线的分组排列方法，具体的说就是一种在采用了多输入多输出(MIMO)技术的小区中使用的，将基站的多发射接收天线进行分组并分散的排列在小区中的方法，用以充分利用小区的信道容量，提高系统性能。

背景技术

在采用MIMO技术的小区中，系统容量与信道的空间相关性密切相关。有众多的文献讨论多天线系统中信道衰落互相关系数与系统容量的关系，如，Hyundong Shin，“Capacity of Multiple-Antenna FadingChannels：Spatial Fading Correlation，Double Scattering，andKeyhole”IEEE Trans.on Information Theory，vol.49，No.10，Oct.2003。也有个别文献讨论移动台位置相对于基站变化时，信道衰落互相关系数的变化规律以及由此导致的系统容量的变化规律，如，PersefoniKyritsi等人在文献“Correlation Analysis Based on MIMO ChannelMeasurements in an Indoor Environment”IEEE JSAC，vol.21，No.5文献中讨论了室内不同环境、不同收发距离条件下，信道衰落的互相关性的变化规律。

Persefoni Kyritsi等人在上述该文献给出的试验结果表明：当移动台移动时，信道的互相关系数将随移动台周围环境的变化而变化，随着移动台与基站的距离的增加，信道衰落的互相关性逐渐地增强，从而导致信道容量逐渐地降低，上述场测结果揭示的现象和机理在室外信道中同样存在。

在小区的不同位置则有不同的信道空间相关性，移动台的移动则导致信道空间相关性的变化。而这种信道的空间相关性及其变化与基站处天线的分布及信道的空间特征是有密切关系的。

中国专利号97104039，名为“具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统”中公开的技术方案是将多天线(阵列)集中安装在同一地方，到达对一个方向或一个扇区的覆盖。但由于移动台的移动将极大的影响着信道的空间相关性，会导致信道容量的强烈变化，而且随着移动台和基站的距离越大，基站处的多天线可被等效成一个天线，则信道容量会降低。为了适应这种信道容量的强烈变化在多天线系统中根据信道空间特征(主要是相关性)不同会选择不同的工作模式，如空间复用模式、发射分集模式和波束成形模式，并可根据环境信道的变化实时的变换工作模式，但这会给实现带来很大的成本。

为解决上述问题，中国专利号00103041，名为“分布式智能天线系统”和中国专利号02152609，名为“一种用于移动无线通信的智能天线通信系统及通信方法”中所公开的技术都是将基站处的天线分组并放置在小区的不同地点上，处在不同地点上的不同天线单元工作在同步方式上，是一种分布式的智能天线系统，它们根据覆盖范围和用户数来对天线进行分组，提高波束成形的性能，同时可以获得更大的分集增义。将这种分布式的天线排列方式用在采用MIMO技术的小区中，天线分组排列的分布特性可以减弱移动终端移动导致信道空间相关性的强烈变化，但是这种天线分组排列的方法并没有考虑小区的空间特征分布，即没有考虑小区中散射体的分布特征，会损失小区的信道容量；因为在采用MIMO技术的系统中由于信道容量和信道的空间相关性密切相关，而信道空间相关性又主要由散射体的空间分布决定的。

现有技术中的分布式天线系统比现有技术中的集中排列多天线有着更好的系统性能和系统容量，但分布式多天线分组排列方法只是考虑了覆盖和用户数而没有考虑小区中散射体的分布特征，因为它采用的是波束成形的算法。而在采用MIMO技术(主要指空间分集和空间复用技术)的系统中使用该技术会损失信道容量，降低系统性能。

发明内容

本发明的目的就在于针对此不足进行改进，提供一种小区天线的分组排列方法，根据小区散射体的空间分布来分组排列多天线，在散射体丰富的区域放置多的天线，散射体少的区域放置少的天线；散射体的分布与建筑物的大小、个数有关，因而一般散射体丰富的区域对应着建筑物多的地方，相应的也是用户数多的地方，需求的信道容量也高，本发明的天线分组排列方法可以充分利用系统的信道容量，用于网络规划和网路优化中，能提高系统的性能。

本发明的技术方案包括：

一种小区天线的分组排列方法，用于多输入多输出技术的小区中，利用接收信号AOA的统计特征值对小区中各个地方的AOA方差进行统计分析来对小区进行空间划分和天线的分组排列，其包括以下步骤：

a：对小区进行信道测试，获得各测试点的AOA方差值；

b：将多个测试点的AOA方差值按照空间位置和值的大小进行聚类分组；

c：计算每个区域内的测试点AOA方差的均值；

d：相应的将基站的天线，按照各区域的AOA方差均值分成多组，每个区域内的天线个数和该区域内的方差均值成正比关系；

e：将每组天线放置在相应的区域内，优先放置在最大AOA方差所在测试点位置，即将每个天线依次放置在按AOA方差由大到小排列的测试点上；

f：将所有天线连接至基站控制单元。

所述的方法，其中，所述AOA方差Var的计算为：

$\mathrm{Var}=\sqrt{\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{(\mathrm{\θ}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}}$

其中，θ表示接收信号的AOA，其ψ_A(θ)是θ的功率分布函数，θ由下式来表示：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}$

通过信道测试得到测试点的ψ_A(θ)。

所述的方法，其中，还包括

g：如果区域中所有测试点的AOA方差相等或近似相等，则按照空间均匀在该区域内排列天线。

所述的方法，其中，所述正比关系满足下式 $\frac{\mathrm{Var}\_A1}{L\_1}=\frac{\mathrm{Var}\_A2}{L\_2}=...=\frac{\mathrm{Var}\_\mathrm{AM}}{L\_M},$ 其中，Var_A1，Var_A2，......Var_AM表示每个区域内的测试点AOA方差的均值，共M个区域；L_1，L_2，......L_M表示每个区域内的天线数。

本发明所提供的一种小区天线的分组排列方法，根据小区的散射体分布来对多天线阵列进行分组，并按照散射体的空间分布将各组天线放置在小区的不同地方，是一种分布式的天线系统，但和现有技术相比，本发明按照小区散射体的空间分布特征来相应的排列天线，因而充分利用了小区的信道空间MIMO容量，提高了系统容量，从而相应的提高了系统性能。

附图说明

以下附图中是一个将小区分成了4个区域的实施例图，即M＝4，其中

图1是本发明方法的小区中各测试点的AOA方差及区域划分示意图；以黑点的半径表示AOA方差，半径大的方差大，半径小的表示方差小；

图2是本发明方法的在小区中按本发明分组排列多天线的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的各较佳实施例加以详细描述。

本发明所述的小区天线的分组排列方法，用接收信号AOA的统计特征值，一般是AOA方差来度量小区中散射体的分布特征，通过对小区中各个地方的AOA方差进行统计分析来对小区进行空间划分和天线的分组排列。AOA方差Var的计算如下(引自书“Introduction to Space-timeWireless Communication”的第17页的式(2.14))：

$\mathrm{Var}=\sqrt{\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{(\mathrm{\θ}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}}$

其中用θ来表示接收信号的AOA，其ψ_A(θ)是θ的功率分布函数，θ由下式来表示

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}$

通过信道测试可以得到测试点的ψ_A(θ)，由上述公式进行计算即可得到AOA方差Var。

对小区进行信道测试，获得各测试点的AOA方差，设测试点均匀分布在小区中，共有N个，相应的N个方差用Var_1，Var_2，...，Var_N来表示，如图1所示，以黑点的半径表示方差，半径大的方差大，半径小的表示方差小。

小区散射体空间分布特征是小区固有的特征，这些散射体包括建筑物，树木，以及人或移动的汽车。由于人或汽车等一类移动的散射体的空间分布特征是时变的，它们对信道容量的贡献是本发明方法无法利用的，本发明方法主要利用一些固定的散射体如建筑物、树木等，其分布特征是不变的，本发明根据这一类散射体的空间分布特征来分布排列天线，充分利用了这类散射体对信道容量的贡献，而且一般来说用户比较多的地方建筑物也相对密集些，这使得本发明利用这类散射体来提高信道容量更具有实际意义。

将Var_1，Var_2，...，Var_N按照空间位置和值的大小进行聚类分组，设分成M组(M一般取3或4即可)，相应的小区被分割成M个区域，用A_1，A_2，...，A_M来表示。计算每个区域内的测试点AOA方差的均值，设为Var_A1，Var_A2，...，Var_AM。

如果方差的分布(按值的大小)具有一定的局部集中特点，比如某些区域的方差大部分比另一个区域的方差都大或小，则可将相应区域的方差聚类成相应的组，如果方差的分布(按值的大小)是均匀分散在整个小区里时，则显然无法按方差的大小进行聚类分组，这时按照空间位置均匀分组。如果聚类分组的个数太多，即M太大时则对Var_1，Var_2，...，Var_N按照空间分布将相邻区域强制合并分组。

相应的将基站的天线，设有L个，按照M个区域的AOA方差均值Var_A1，...，Var_AM分成M组，每组有L_1，L_2，...，L_M个天线(L＝L_1+L_2+...+L_M)，均值大的分配的天线个数就多，均值小的分配的天线就少，它们之间成正比的关系，这种正比关系可以是线性正比例关系等，如图2所示的，由基站控制单元控制其分组排列。

将每组天线放置在相应的区域内，优先放置在最大AOA方差所在测试点位置，即将每个天线依次放置在按AOA方差由大到小排列的测试点上，如果区域中所有测试点的AOA方差相等或近似相等，则按照空间均匀在该区域内排列天线。

本发明方法的具体步骤为：

步骤1：对小区进行信道测试，获得N个测试点的AOA方差值，用Var_1，Var_2，...，Var_N表示。其中N个测试点均匀分布在小区中，如图1所示，黑点位置即表示测试点位置，黑点半径大小表示该测试点AOA方差大小。

步骤2：将Var_1，Var_2，...，Var_N按照空间位置和值的大小进行聚类分组，设分成M组(M一般取3或4即可)，相应的小区被分割成M个区域，用A_1，A_2，...，A_M来表示。

步骤3：计算每个区域内的测试点AOA方差的均值，设为Var_A1，Var_A2，...，Var_AM。

步骤4：相应的将基站的天线，设有L个，按照M个区域的AOA方差均值Var_A1，...，Var_AM分成M组，每组有L_1，L_2，...，L_M个天线(L＝L_1+L_2+...+L_M)，均值大的分配的天线个数就多，每个区域内的天线个数和该区域内的方差均值成正比关系，在实际应用中可以取正比例关系，即满足下式

$\frac{\mathrm{Var}\_A1}{L\_1}=\frac{\mathrm{Var}\_A2}{L\_2}=...=\frac{\mathrm{Var}\_\mathrm{AM}}{L\_M}$

当然也可以取其他的正比关系。

步骤5：将每组天线放置在相应的区域内，优先放置在最大AOA方差所在测试点位置，即将每个天线依次放置在按AOA方差由大到小排列的测试点上。

步骤6：如果区域中所有测试点的AOA方差相等或近似相等，则按照空间均匀在该区域内排列天线。

步骤7：用光纤将所有天线连接至基站控制单元。

本发明所述的小区天线的分组排列方法，是一种在采用了多输入多输出(MIMO)技术的小区中分组排列多天线的方法，本发明方法根据小区中信道的空间特征，即散射体分布特征将多天线进行分组，并分散的排列在小区中，充分挖掘了小区空间的潜在MIMO容量，提高了系统性能和降低发射功率。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述不能理解为对本发明的专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1、一种小区天线的分组排列方法，用于多输入多输出技术的小区中，利用接收信号AOA的统计特征值对小区中各个地方的AOA方差进行统计分析来对小区进行空间划分和天线的分组排列，其包括以下步骤：

a：对小区进行信道测试，获得各测试点的AOA方差值；

b：将多个测试点的AOA方差值按照空间位置和值的大小进行聚类分组，并将小区分割成多个区域；

c：计算每个区域内的测试点AOA方差的均值；

d：相应的将基站的天线，按照各区域的AOA方差均值分成多组，每个区域内的天线个数和该区域内的方差均值成正比关系；

e：将每组天线放置在相应的区域内，优先放置在最大AOA方差所在测试点位置，即将每个天线依次放置在按AOA方差由大到小排列的测试点上；

f：将所有天线连接至基站控制单元。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AOA方差Var的计算为：

$\mathrm{Var}=\sqrt{\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{(\mathrm{\θ}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}}$

其中，θ表示接收信号的AOA，其ψ_A(θ)是θ的功率分布函数，θ由下式来表示：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_A\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}}$

通过信道测试得到测试点的ψ_A(θ)。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括

g：如果区域中所有测试点的AOA方差相等或近似相等，则按照空间均匀在该区域内排列天线。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述正比关系满足下式 $\frac{\mathrm{Var}\_A1}{L\_1}=\frac{\mathrm{Var}\_A2}{L\_2}=...=\frac{\mathrm{Var}\_\mathrm{AM}}{L\_M},$ 其中，Var_A1，Var_A2，......Var_AM表示每个区域内的测试点AOA方差的均值，共M个区域；L_1，L_2，......L_M表示每个区域内的天线数。

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