CN101304278A - 一种采用多阵元天线的基站小区覆盖方法 - Google Patents

Abstract

一种采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，属通信技术领域，用于解决基站小区覆盖问题。其技术方案是：它根据基站小区的具体边界和形状，给多阵元天线的各个阵元赋予不同的幅值和相位，对广播波束进行赋形，使之对基站小区实施精确覆盖。同现有覆盖方法相比，本发明不仅提高了基站小区的覆盖精度，而且还大大降低了调整的工作强度和操作的危险性，特别是解决了在一些存在覆盖困难的特殊场景，比如高楼密集区，高速公路等处，靠机械调整天线倾角、方向角的方法，根本不能满足需要的问题。

Description

一种采用多阵元天线的基站小区覆盖方法

技术领域

本发明涉及一种基于多阵元天线的无线网络的基站小区覆盖方法，属通信技术领域。

背景技术

移动通信网络无线接入侧绝大多数是使用单天线系统，例如：GSM系统、WCDMA系统和CDMA2000系统中使用的天线，这种通信网络是通过机械调整天线的倾角、方向角和挂高等工程参数来控制小区的覆盖范围的。为了进一步提高频率资源的利用率，增大系统容量，满足不断增长的无线通信带宽需求，人们开始使用多阵元天线系统，例如：TD-SCDMA系统中使用的智能天线。多阵元天线是由多个天线阵元组成的天线阵，有两种工作模式：广播波束和业务波束。它们都是由多个天线阵元电磁场矢量叠加或赋形的结果。广播波束要求能很好地覆盖整个需要扫描区域，而业务波束则会随用户移动而移动，始终跟随用户。尽管多阵元天线系统的工作方式与单天线系统截然不同，但由于基于多阵元天线的小区覆盖方法还不成熟，目前用多阵元天线系统对小区进行覆盖的方法和手段都是简单参照传统的GSM方法，即采用多阵元天线的默认出厂赋形参数形成广播波束，采用调整天线挂高、俯仰角和水平方向角的方法来控制小区的覆盖范围。这种覆盖方法存在着下列不足：

1.机械调整天线倾角，方向角和挂高，需要工作人员上楼顶甚至塔顶进行操作，这样不但劳动强度大，而且存在一定的危险性；

2.机械调整天线倾角，方向角和挂高的方法，由于受到安装工艺条件的限制，调整的精度还很粗糙；

3.由于现阶段没有对广播波束进行合理的规划，因此，TD-SCDMA公共信道的干扰而产生的覆盖问题还很严重；

4.在一些存在覆盖困难的特殊场景，比如高楼密集区，高速公路等处，靠机械调整天线倾角、方向角的方法，根本不能满足需要。

因此，如何更好的利用多阵元天线赋形的优势实现无线网络覆盖是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种不仅能对小区进行精确覆盖，而且操作方便、安全的采用多阵元天线的基站小区覆盖方法。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，它根据基站小区的具体边界和形状，给多阵元天线的各个阵元赋予不同的幅值和相位，对广播波束进行赋形，使之对基站小区实施精确覆盖。

上述采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，所述多阵元天线的各个阵元对广播波束赋形步骤如下：

a.按照天线广播波束出厂参数的要求，将多阵元天线在选址上机械固定，即按通常挂高、覆盖方向将多阵元天线予以机械固定；

b.对需要覆盖的小区内各点广播波束的信号强度进行测试，并根据测试结果对多阵元天线广播波束进行电子赋形调整：若广播波束所覆盖的广度不合适，则调整各阵元信号幅值，使覆盖面积与需要扫描的区域匹配；若广播波束辐射方向有偏差，则调整各阵元信号的相位，使广播波束旋转至与需要扫描的区域匹配；或根据覆盖要求、地形的对称性同时调整阵元信号的幅值和相位。

上述采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，所述多阵元天线的各个阵元对广播波束赋形按如下原则进行：

设有多阵元天线，第m阵元上的电磁波信号是：

$x_m=a_m{e}^{-j(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·\mathrm{\Δ}{d}_m},(m=\mathrm{0,1,2,3,4,5,6}\·\·\·)$

式中a_m是第m阵元上电磁波信号的复振幅，Δdm是第m阵元相对第0号阵元的距离差。经过加权后整个天线的输入端需要提供的信号为：

$X=\underset{M=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{W}_M{e}^{-j(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·\mathrm{dm}}---(1-0)$

其中，W_M是阵列的权因子，k是阵元数，k是大于等于2的整数。

阵列的权因子W_M反映阵列中阵元的物理相对位置关系，是可涉及幅值和相位的函数，如阵元是单排方式W_M＝A_Me^{-jM(2π/λ)·D·sinφM}，所以反映广播波束赋形的公式(1-0)，可以通过调整幅值和相位的变化出多种输出结果。

如果阵元是单排方式，根据正弦波的叠加效果，可假设各个阵元的加权因子为：

W_M＝A_Me^{-jM(2π/λ)·D·sinφM}    (1-1)

其中，D是阵元横向间距。

则 $X=\underset{M=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{A}_M{e}^{-\mathrm{jM}(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·D\·(\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\φM})}$

如果阵元是双排方式，根据正弦波的叠加效果，可假设各个阵元的加权因子为：

D′_Z和

都是反映阵元物理位置间距的参数，见后面的详细解释。

则 $X=\underset{M=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_M{e}^{-\mathrm{jM}(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·D\·(\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\φM})}---(1-2)$

从上面公式(1-1)和(1-2)可以看出，无论单排还是双排天线，最终的多阵元的电磁波信号叠加式子中都是幅值A_M与相位φ_M的函数，通过调整幅值A_M与相位φ_M可以得到不同的多阵元电磁波信号叠加结果。

本发明将机械粗调固定与电子赋形精确调整结合起来，通过调整多阵元天线各阵元信号的幅值和相位，对广播波束进行智能赋形，使广播波束对基站小区实施精确覆盖。工作人员无需上塔即可完成广播波束的调整，它操作简单、安全。电参数的调整比机械的调整更加精细，提高了小区覆盖准确性，保证了无线网络的质量。同现有覆盖方法相比，本发明不仅提高了基站小区的覆盖精度，而且还大大降低了调整的工作强度和操作的危险性，特别是解决了在一些存在覆盖困难的特殊场景，比如高楼密集区，高速公路等处，靠机械调整天线倾角、方向角的方法，根本不能满足需要的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是双排多阵元天线中各阵元的排列模型示意图；

图2是双排天线模型没有赋形的广播波束在水平方向的强度分布图(参见表2)；

图3是赋形以后的广播波束在水平方向的强度分布图(参见表3)。

图中各标号为：P0～P6、各阵元，F、反射板。

文中所用符号为：W_M、阵列的权因子，φ、各个阵元的相位，Δdm、编号为m的阵元相对0号阵元所发出的电磁波的波程差，θ、发出电磁波的方向与0°方向的夹角，x_m、第m阵元上发出的电磁波信号，a_m、第m阵元上发出的电磁波信号的复振幅，D、阵元间距，Dz、阵元列间距，A0～A6、各阵元信号幅值，φ₀～φ₆、各阵元信号相位。

具体实施方式

本发明采用对广播波束赋形的方法建立起一套适用于多阵元天线的小区覆盖调整方法。

本发明中所指多阵元天线，是指阵元数大于等于2的各种多阵元天线阵。下面以阵元数等于7，排列成双排或单排的场景为例进行详述。

参看图1，七个阵元(俯视图)排成前后两列，该多阵元天线波束赋形的原理如下：

对图1所示的由7个阵元组成的智能天线，以第一排的最左侧阵元编号为0起，顺序编号，直到第二排最右侧阵元编号为6结束。从图1可以看出，不同阵元发出的电磁波到达远场区所走的距离不同，以垂直于天线阵列组成的平面的发射方向为0°方向，逆时针计算夹角，编号为m的阵元相对0号阵元所发出的电磁波的波程差为Δdm(m＝0，1，2，3…，6)

Δd_{m0，1，2，3}＝m·D·sinθ，

其中： $D_Z^{\′}=\sqrt{D_Z^2+{(D/2)}^2},$

θ为发出电磁波的方向与0°方向的夹角，D为阵元间距，Dz为阵元列间距。

时域上发出的电磁波的相位差为：(2π/λ)Δdm。可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上发出的电磁波信号的相位是不同的。

设第m阵元上发出的电磁波信号是：

$x_m=a_m{e}^{-j(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·\mathrm{\Δ}{d}_m},(m=\mathrm{0,1,2,3,4,5,6})$

式中a_m是第m阵元上发出的电磁波信号的复振幅。

经过加权后整个天线的输入的信号为：

$X=\underset{M=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{W}_M{e}^{-\mathrm{jM}(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·D\·\sin \mathrm{\θ}}$

其中，W_M是阵列的权因子。根据正弦波的叠加效果，假设各个阵元的加权因子为：

则 $X=\underset{M=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_M{e}^{-\mathrm{jM}(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·D\·(\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\φM})}$

由此可以看出，选择不同的A_M和φ_M，将获得不同的叠加波形函数。因此可以通过调整多阵元天线各个阵元信号的幅值和相位，对广播波束进行赋形，使广播波束对基站小区实施精确覆盖。

如果七个阵元排成一列，则经过加权后整个天线输出的复包络信号为：

$X=\underset{M=0}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{A}_M{e}^{-\mathrm{jM}(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·D\·(\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\φM})}$

参看图2、图3，同图2所示原有广播波束相比，图3所示赋形后的广播波束整个左侧是凹陷区域，这一区域是我们通过调整广播波束参数文件对不同的阵元赋予不同的幅值和相位(如表2中的幅值和相位调整成表3中对应的值)获得的，即人为通过对电参数的调整获得一定形状的覆盖图。如果图3中凹陷部分是不需要覆盖的区域，我们通过调整不同的A_M和φ，所得到的优化调整覆盖的目的就达到了。这种调整覆盖的效果，是传统的通过简单地靠专门的人员上楼顶甚至塔顶进行操作机械调整天线倾角、方向角等手段根本不可能达到的。而且也省去了传统的机械调整需要的爬楼和上塔的工日，降低了危险性，加快了工程建设的进度，保障了员工的安全。

表1.广播波束权值表(电流/相位)

权值/阵元	P0	P1	P2	P3	P4	P5	P6
								幅值	A0	A1	A2	A3	A4	A5	A6
相位	φ0	φ1	φ2	φ3	φ4	φ5	φ6

表2.双排天线模型广播波束权值表(电流/相位)

权值/阵元	P0	P1	P2	P3	P4	P5	P6
								幅值	0.55	1	1	0.55	0.85	1	0.85
相位	-90	0	0	-90	245	100	245

表3.双排天线模型广播波束根据地形调整的权值表(电流/相位)

权值/阵元	P0	P1	P2	P3	P4	P5	P6
								幅值	0.4	0.8	1	0.55	0.8	0.7	1
相位	-80	0	-15	-55	290	135	110

Claims (3)

1、一种采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，其特征是，它根据基站小区的具体边界和形状，给多阵元天线的各个阵元赋予不同的幅值和相位，对广播波束进行赋形，使之对基站小区实施精确覆盖。

2、根据权利要求1所述采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，其特征是，所述多阵元天线的各个阵元对广播波束赋形步骤如下：

a.按照天线广播波束出厂参数的要求，将多阵元天线在选址上机械固定，即按通常挂高、覆盖方向将多阵元天线予以机械固定；

b.对需要覆盖的小区内各点广播波束的信号强度进行测试，并根据测试结果对多阵元天线广播波束进行电子赋形调整：若广播波束所覆盖的广度不合适，则调整各阵元信号幅值，使覆盖面积与需要扫描的区域匹配；若广播波束辐射方向有偏差，则调整各阵元信号的相位，使广播波束旋转至与需要扫描的区域匹配；或根据覆盖要求、地形的对称性同时调整阵元信号的幅值和相位。

3.根据权利要求1或2所述的采用多阵元天线的基站小区覆盖方法，其特征是，所述多阵元天线的各个阵元对广播波束赋形按如下原则进行：

设有多阵元天线，第m阵元上的电磁波信号是：

$x_m=a_m{e}^{-j(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·\mathrm{\Δ}{d}_m},(m=\mathrm{0,1},\mathrm{2,3,4,5,6},...)$

式中a_m是第m阵元上电磁波信号的复振幅，Δdm是第m阵元相对第0号阵元的距离差，经过加权后整个天线的输入端需要提供的信号为：

$X=\underset{M=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{W}_M{e}^{-j(2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ})\·\mathrm{dm}}---(1-0)$

其中，W_M是阵列的权因子，k是阵元数，k是大于等于2的整数。

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