CN101656967A - 一种基于自适应多波束天线实现蜂窝小区分层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于自适应多波束天线实现分层蜂窝小区的方法，涉及通信技术。本发明结合自适应天线技术、移动通信蜂窝小区技术、信道动态分配融合理念及覆盖均匀性，提出了一种自适应多波束天线在垂直面发射而形成的分层蜂窝小区，并相应地提出了一种动态信道分配方案。从而为缓解移动通信有限频率资源与移动用户数日益增长这一移动通信发展的根本性矛盾提供了一种有效地解决方案。

Description

一种基于自适应多波束天线实现蜂窝小区分层的方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体是一种基于自适应多波束天线的分层蜂窝小区实现方法。

背景技术

众所周知，蜂窝通信的关键是频率复用。在一个小区内使用的信道可以在其他小区重复使用。但是，只有当小区间的距离很远，使同频干扰在允许的范围内这些信道才能复用。而减小同频复用距离是提高频率利用率和系统容量的最为有效的途径之一。因此，为了获得一个允许的同频干扰，系统设计者首先必须保证同频小区之间的最小距离。目前，为了获得允许的同频干扰采用的方法有两种：(1)缩短同频复用距离，构造更紧密的蜂窝小区(2)利用基站自适应天线技术，构造智能蜂窝小区。

在缩短同频复用距离的方法中又具体包括以下方法：采用扇形分区技术，缩短同频复用距离；采用分层小区结构，缩短同频复用距离；采用同心圆技术，缩短同频复用距离；采用多重频率复用技术，缩短同频复用距离；通过天线波束倾斜，缩短同频复用距离；采用基站自适应天线技术，缩短同频复用距离。上述若干蜂窝小区的设计对提高系统容量起到重要作用，但与此同时，由于受到一些条件的约束而影响同频干扰和越区切换，主要影响分析如下：采用扇区化小区、微蜂窝以及分层蜂窝小区等结构将使得特定面积内的小区数目增多，增加小区间用户的切换次数。微蜂窝以及分层蜂窝小区中小区半径越小，发射功率越难控制，同频干扰和远近效应加强，最终可能导致不能复用。为解决大城市的连续覆盖，需要大量的微蜂窝，投资十分庞大；采用分层结构时，网络结构复杂，增加了频率规划的难度。多重频率复用技术要求有跳频技术的支持，同心圆技术也要求采用特殊的切换算法，而这些都将在一定程度上增加系统的交换开销。多重频率复用技术会受跳频速度的限制，导致话音信道分层数受到制约，降低同频干扰的能力受到限制。天线波束倾斜可能会造成水平面波束上翘，降低同频干扰的能力受到限制。采用自适应天线会受到天线阵元数、尺寸大小的约束，降低同频干扰的能力受到限制。当利用基站自适应天线技术，构造智能蜂窝小区时，由于智能小区需要对移动用户进行跟踪，同样会受到天线阵元数、尺寸大小的约束，降低同频干扰和灵活越区切换的能力受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，设计了一种基于自适应多波束天线的分层蜂窝小区方法实现频率复用。该方法使同频干扰限定在允许的范围内，能够提高频率利用率和系统容量。为缓解移动通信有限频率资源与移动用户数日益增长这一根本性矛盾提供了一种有效的解决方案。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种基于自适应多波束天线的分层蜂窝小区实现方法，该方法包括以下处理步骤：

A.利用基站自适应多波束天线对蜂窝小区进行分层。对基站自适应多波束天线进行垂直面分割，并利用天线俯仰面形成一簇以基站为中心的同心圆，即形成一个n分层的分层小区系统；

B.采用动态信道分配方案，以减小相邻同频小区的干扰。所述动态信道分配方案具体为，同一小区内某一分层优先使用属于自己分层的信道，当某一分层中的信道全部被占用，且同一小区内位于该分层内侧的其他分层中有空闲信道时，可以使用位于其内侧的其他分层中的空闲信道(简称其内分层的信道)，而内分层的信道不能使用位于其外侧分层中的信道(简称其外分层的信道)，即使其外分层的信道中有空闲信道；对于相邻同频小区，两相邻同频区群使用的频率采用逆序信道组分配，并采用信道优先级保证相邻同频区群内的同频复用距离最远。当两个分层同时选择某分层的信道时，拥有信道的自身分层具有优先选择权。当两个相邻同频区群中各分层首先使用相同信道的波束覆盖形成同心圆半径R_i、R_j，满足i+j＝n+1(其中i，j＝1，…，n)。其中，R_i，R_j下标i，j表示小区内各分层从内到外依次排列序号，n表示小区被划分的分层数目。

C.根据小区内总信道数nm和话务量密度λ及其变化，初始选择并动态改变小区各分层半径与分层数。算法模块调用公式：

计算呼叫用户发起的概率

由此确定与概率

相对应的R_i，即小区各分层半径。

本发明通过设计一种基于自适应多波束天线的分层蜂窝小区使同频干扰限定在允许的范围内，提高了蜂窝移动通信系统的频率利用率和系统容量。为缓解移动通信有限频率资源与移动用户数日益增长这一移动通信发展的根本性矛盾提供了一种有效的解决方案。

附图说明

图1是自适应多波束天线分层蜂窝小区结构示意图

图2是基站多波束天线的第i个波束形成示意图

图3是自适应多波束天线分层蜂窝小区区群构成示意图

图4是分层蜂窝小区同频干扰模型示意图

图5是动态信道分配方案流程示意图

具体实施方式

为缓解移动通信有限频率资源与移动用户数日益增长这一移动通信发展的根本性矛盾。本发明提出一种基于自适应多波束天线实现蜂窝小区分层的方法，使同频干扰限定在允许的范围内，提高了频率利用率和系统容量。

该蜂窝小区分层方法包括，首先，对基站自适应多波束天线进行垂直面分割，并利用天线俯仰面形成一簇以基站为中心的n个同心圆，即形成一个n分层的分层小区系统；其次，采用动态信道分配方案，以减小相邻同频小区的干扰；然后，检查小区内总信道数和话务量密度，根据小区内总信道数和话务量密度，初始选择小区各分层半径与信道数；最后，根据小区内总信道数和话务量密度的变化，动态的改变小区各分层半径与信道数。

以下针对附图和具体实例对本发明技术方案进行详细描述，如图1所示为自适应多波束天线分层蜂窝小区结构示意图。参见图1，两基站BS_0，0与BS_1，０之间相距为D，对基站BS_0，0的多波束天线进行垂直面分割，并利用天线俯仰面形成一簇以基站为中心的同心圆，构成一个由半径为[0，R₁]、[0，R₂]、…、[0，R_n]所界定的n个同心圆的小区，每一个同心圆为该小区的一个分层小区，并分别依次按圆半径从小到大定义为小区第1分层、第2分层、…、第n分层，且分别标记为Lay1、Lay2、…、Layn。

如图2所示为基站多波束天线的第i个分层波束形成示意图，该示意图描述了图1的多波束天线的第i个分层波束形成。一般地，为了保证小区各分层覆盖均匀/移动台具有相同接收功率，将波束水平面方向图归一化，可以采用如下典型俯仰面波束方向图来实现第i个波束方向图f_i(θ)，根据基站天线高度、分层小区圆半径确定某个波束的方向曲线。

$f_i\left(\mathrm{\θ}\right)={\left(\frac{h_b}{\cos \mathrm{\θ}}\right)}^{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中，α为传播损耗因子，h_b为基站天线高度，由该小区的半径和基站天线高度确定分层角度θ＝arctg(R_i/h_b)。

采用动态信道分配方案，以减小相邻同频小区的干扰，构成自适应多波束天线分层蜂窝小区区群。参考小区的某信道组为环形区域[R_i-1，R_i]的信道组，同一小区内某一分层优先使用属于自己分层的信道，当自己分层中的信道全部被占用，且同一小区内位于该分层内侧的其他分层中有空闲信道时，该位于外分层的信道可以使用在其内分层的信道，而内分层的信道不能使用在其外分层的信道，(即使其外分层的信道中有空闲信道)；对于相邻同频小区，两相邻同频区群使用的频率采用逆序信道组分配，并采用信道优先级保证相邻同频区群内的同频复用距离最远。

如图3所示为区群数/同频复用因子为N(由N个小区组成一个区群，图中N＝3)，层数为n的分层小区系统。假定参考小区群如图3所示，依次从内向外定义为第1层干扰区群，第2层干扰区群，…。具体采用如下信道分配方案，规定参考小区BS_0，0的第C_k，j信道组为环形区域[R_i-1，R_i]的信道组(k＝1，…，N＝1，…，n)，两相邻同频区群使用的频率采用逆序信道组分配，将小区内各分层从内到外依次排列序号。对于相同小区，同一小区内第j分层首先使用第j组信道，即第j分层内呼叫用户首先使用信道C_k，j；当第j分层内没有空闲信道是，第j分层可以使用同一小区内位于其内侧的第i分层里的信道。但是，如果第i分层内没有空闲信道，第i分层也不能使用位于其外分层的第j分层里的信道(i＜j)，只能使用位于第i分层内侧的其他分层的空闲信道；第j分层使用/借用第i分层信道(i＜j)的前提是只有在第C_k，j组信道已全部被占用且第C_k，i组信道有空闲信道时；当第j分层和第i分层(i＜j)同时选择第C_k，i分层的信道时，第i分层具有优先选择权。

参见图3，参考小区BS_0，0中各分层信道分配由第1分层到第n分层为{C_1，1，C_1，1+C_1，2，…，C_1，1+…+C_1，n}，则其相邻同频小区(例如BS_1，0)各分层信道分配由第1分层到第n分层为{C_1，n，C_1，n+C_1，n-1，…，C_1，n+…+C_1，1}。对于相邻同频小区，采用信道优先级保证相邻同频区群内的同频复用距离最远。两相邻同频区群使用的频率采用逆序信道组分配，并采用信道优先级保证相邻同频区群内的同频复用距离最远。信道优先级为：两个相邻同频区群中各分层首先使用相同信道的波束覆盖形成的同心圆半径R_i，R_j所确定分层中的空闲信道，并满足i+j＝n+1(i，j＝1，…，n)，这里，R_i，R_j下标i、j表示小区内各分层从内到外依次排列序号。

为了得到小区内各分层话务量与信道占用间的关系，确定小区被划分的分层数目n，根据每层内的呼叫用户数m及小区内总信道数确定分层数目n，小区内总信道数为nm，先假定在单位面积的话务量密度为λ，则在圆盘面积为A的区域有m个呼叫用户发起的概率P(m，A)可以表示为泊松分布，即

$P(m,A)=\frac{{\left(\mathrm{\λA}\right)}^m}{m!}{e}^{-\mathrm{\λA}}---\left(2\right)$

其中，半径为R的圆盘面积为A＝πR²，则 $A_i=\mathrm{\π}{R}_i^2$ 表示一个半径为R_i的圆盘面积(这里，R_i≤R)，则有m个呼叫用户发起在一个半径为R_i圆盘面积内的概率为：

其中，l为半径为R_i圆盘面积所覆盖的分层小区内当前呼叫用户数。

在半径为R_i的圆盘面积内(第i分层)信道数设置为所有呼叫用户数m，如分层数为n，半径为R的圆盘(所有分层小区覆盖的最大圆盘半径)所确定的小区内共有nm个信道被分配在该分层的概率满足式(3)。为了实现如前所述的信道分配方案，可采用一种近似方法确定初始信道组及组内信道数的分配。假定半径为R的圆盘被分割成n个分层，要求每个分层内的信道为m，即在半径为R的圆盘内共有nm个信道，第1分层半径R₁需要满足在nm个信道被分配在该分层的概率为1/n，第2分层半径R₂需要满足在nm个信道被分配在该分层的概率为2/n，…，第i分层半径R_i需要满足在nm个信道被分配在该分层的概率为i/n，…。显然，如果采用这种初始分层半径划分方案，从统计意义上讲可以实现信道分配中对各分层内的信道数与分层半径的要求。

根据上述原则，则

因此确定分层半径的方法可以参见图5，其具体步骤如下：

步骤1，检查小区内总信道数和话务量密度；

步骤2，根据每层内的呼叫用户数m及小区内总信道数确定分层数目n；

步骤3，根据

以及小区被划分的分层数目n，确定与概率

相对应的第i分层半径R_i；

步骤4，当信道数和话务量改变后重新返回步骤1，根据小区内总信道数和话务量密度的变化，根据步骤(3)中的公式动态的改变小区各分层半径与信道数。

以下建立模型，对根据本发明方法建立的自适应多波束天线的分层蜂窝小区的同频干扰进行分析。如图4所示为根据本发明建立的同频干扰分析模型。为了简化分析，定义BS_0，0的小区中第i分层内用户到BS_0，0中心的距离平均为

定义第一层干扰源中一个同频干扰基站BS_1，0中心到BS_0，0小区中第i分层内用户的距离平均为

且

${\tilde{R}}_{0,i}={\∫}_{R_{i-1}}^{R_i}P(x,\mathrm{nm})\mathrm{xdx}---\left(5\right)$

这里，P(x，nm)表示分层半径为x时有nm个信道的概率。

${\tilde{R}}_{1,i}=D-{\tilde{R}}_{0,i}---\left(6\right)$

因此，可以将BS_0，0的小区中第i分层内用户有用信号功率表示为

$P_{0,i}=P_T{\tilde{r}}_{0,i}^{-\mathrm{\α}}---\left(7\right)$

这里，P_T为BS₀发射功率，且已归一化为1。由前面描述，可知BS_0，0中第i分层内用户的同频干扰来自BS_1，0的第n+1-i分层。根据前面信道分配方案，BS_0，0中第i分层的信道借用于第j分层(j＝1，…，i-1)，BS_1，0中第n+1-i分层的信道被借用到第j分层(j＝1，…，n-i)，进一步可以按BS_0，0的第i分层是否借用信道和BS_1，0第n+1-i分层信道是否被借用分为以下四种情形分析干扰功率。

(1)BS_0，0中借用信道，BS_1，0中信道未被借用

BS_0，0中第i分层的信道借用于第j分层(j＜i)的条件应满足：第i分层中有第m+1个呼叫发起，第1分层(1＝j+1，…，i-1)的m个信道已全部被占用，第j分层内的m个信道中至少有1个信道未被占用。BS_1，0中信道未被借用的条件应满足：从第n+2-i分层开始到第n分层都不需要借用信道。

(2)BS_0，0中未借用信道，BS_1，0中信道被借用

(3)BS_0，0中未借用信道，BS_1，0中信道未被借用

(4)BS_0，0中借用信道，BS_1，0中信道被借用

本发明采用一种基于自适应多波束天线实现蜂窝小区分层的方法，使同频干扰限定在允许的范围内，提高了频率利用率和系统容量。为缓解移动通信有限频率资源与移动用户数日益增长这一移动通信发展的根本性矛盾提供了一种有效地解决方案。

Claims (6)

1.一种基于自适应多波束天线实现分层蜂窝小区的方法，其特征在于，包括以下处理步骤：

A.利用基站自适应多波束天线对蜂窝小区进行分层；

B.同一小区内各分层优先使用属于自己分层的信道，位于外分层的信道可以使用其内分层的信道，而内分层的信道不能使用位于其外分层的信道，两相邻同频区群使用的频率采用逆序信道组分配，并采用信道优先级保证相邻同频区群内的同频复用距离最远；

C.根据小区内总信道数nm和话务量密度λ及其变化，初始选择并动态改变小区各分层半径与分层数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括，对基站自适应多波束天线进行垂直面分割，并利用天线俯仰面形成一簇以基站为中心的同心圆，各同心圆覆盖范围形成一个n分层的分层小区系统。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当两个分层同时选择某分层中的同一信道时，被选择的信道所处的分层具有优先选择权。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道优先级具体为，两个相邻同频区群中各分层首先使用相同信道的波束覆盖形成的同心圆半径R_i，R_j所确定分层中的空闲信道，并满足i+j＝n+1(i，j＝1，…，n)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定小区分层半径的步骤为：检查小区内总信道数nm和话务量密度λ；根据每层内的呼叫用户数m及小区内总信道数确定分层数n；算法模块调用公式确定与概率

相对应的第i分层半径R_i。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，第i分层半径R_i满足在nm个信道被分配在该分层的概率为i/n。

Images