CN104349440B - 分布式天线系统及其天线功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于分布式天线系统及其天线功率分配方法。根据本发明一实施例的分布式天线系统包含一射频模块及至少一与该射频模块间通过无线信号进行通信的天线模块。该天线模块包含：一全向天线、至少一可形成定向波束的天线，及一动态功率分配器。该动态功率分配器动态的为该全向天线与该至少一可形成定向波束的天线的分配功率。相较于现有技术，本发明可降低系统功耗，减少用户设备低密度区域对高密度区域的干扰，并提高系统的吞吐量。

Description

分布式天线系统及其天线功率分配方法

技术领域

本发明是关于分布式天线系统(DAS，distributed-antenna system)，特别是分布式天线系统及其天线功率分配方法。

背景技术

在无线通信中，覆盖空洞(coveage hole)是指在无线系统的覆盖区域内无线信号水平低于设计门限的区域。通常覆盖空洞是由于物理障碍，如建筑物、树木和小山等引起的，也可能是由于附近无基站造成的。在这些覆盖空洞区域，服务质量会急剧下降，造成缓慢的数据速率和低劣的语音质量。显然，室内无线网络是覆盖空洞问题的重灾区，也因而被业内认为是全球性的无线通信难题。另一方面，无线通信用户日益增加，业务类型日渐丰富，如何满足高标准的室内服务质量要求变得更为突出。

目前解决这一问题的方式有多种，如协议IEEE 802.16和第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation Partnership Project)长期演进/长期演进-高级(LTE/LTE-A，Long Term Evolution Advanced)项目中引入的中继站。此外中继器、被动中继、微小区(picocell)、家庭基站(femto cell)等也被用于扩展覆盖和提高吞吐量。然而这些技术方案由于需要在无线网络内增加新的元件，导致功耗增加、网络复杂化，而且需要大量的信令交换和更高要求的回程链接。

鉴于上述的各种问题，如何提供高质量的室内无线网络服务仍是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一分布式天线系统及其天线功率分配方法，解决室内环境的无线覆盖问题。

本发明的实施例提供一分布式天线系统，该分布式天线系统包含一射频模块及至少一与该射频模块间通过无线信号进行通信的天线模块。该天线模块包含：一全向天线、至少一可形成定向波束的天线，及一动态功率分配器。该动态功率分配器动态的为该全向天线与该至少一可形成定向波束的天线的分配功率。

在本发明的实施例中，该可形成定向波束的天线是定向天线或方向图可重构天线，至少一可形成定向波束的天线环绕该全向天线设置。该至少一天线模块适用于微小区或家庭基站。

本发明的实施例还提供一分配分布式天线系统的天线功率的方法，该方法包含：藉由该分布式天线系统内的至少一可形成定向波束的天线估计该分布式天线系统内的用户设备分布，统计一时间段内该分布式天线系统中用户设备的密度与接入时间，及根据用户设备分布和统计为至少一可形成定向波束的天线分配功率。

在本发明的实施例中，该分配分布式天线系统的天线功率的方法还包含经一预设时间周期和/或接入质量低于一预设门限时，重新估计该分布式天线系统内的用户设备分布及统计一时间段内用户设备的密度与接入时间以进行天线功率再分配。

相较于传统的分布式天线系统，本发明包含全向天线和可形成定向波束的天线。通过估计和自学习系统内用户设备的分布及接入情况，本发明动态的为可形成定向波束的天线分配功率。从而降低系统功耗，减少用户设备低密度区域对高密度区域的干扰，并提高系统的吞吐量。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的分布式天线系统的结构示意框图

图2是根据本发明另一实施例的分布式天线系统的结构示意框图

图3是根据本发明一实施例的分布式天线系统的天线功率分配方法的流程示意图

图4所示是仿真得出的不同场景的参考信号接收功率的累积分布函数曲线图

具体实施方式

为更好的理解本发明的精神，以下结合本发明的部分优选实施例对其作进一步说明。

中继器是解决室内无线信号覆盖问题的一个常用技术方案。该中继器典型的是一个无线接收器和无线发射器的组合，接收弱或更低水平的信号而转以更高水平功率发射出，以便信号可具有更长的传输距离或填充覆盖空洞。相对于中继站，中继器具有相对简单的网络结构和低成本，然而仍无法避免功耗大和热噪声放大等缺点。

为进一步降低功耗和部署成本，无源中继技术也被用来解决室内无线信号覆盖问题。无源中继系统基本上包含一对方向性天线，其中一者是位于接收端(下行)的施主天线(donor antenna)，而另一者是位于发射端(下行)的重发天线(service antenna)；基本天线反馈系统和用于连接接收和传输部分的同轴线。在下行链路中，施主天线设置为自施主基站收集无线能量并将其通过同轴线缆转给重发天线，以用作驱动重发天线的激励。重发天线典型的设置为掩盖覆盖空洞或进入建筑物内用于室内无线信号覆盖改进。然而，为获得更好的室内覆盖，重发天线设计要求设计为具有高增益和宽束宽，这就意味着该天线必须具有非常大的尺寸。

改进室内无线信号覆盖的另一个常见技术方案是在每一处需要改进的区域，如每一个小区布置一个或更多全向天线(omni-directional antenna)以覆盖信号盲区。然而，在实际环境中，用户设备并非均匀分布的。那些改进了覆盖信号却没有用户设备的小区往往会给邻近的小区造成干扰。

综上所述，现有的用于室内无线覆盖的技术方案都存在或多或少的问题，不能令业者满意。

本发明实施例的提供的分布式天线系统及其天线功率分配方法则可很好的解决上述技术问题。

图1是根据本发明一实施例的分布式天线系统10的结构示意框图。如图1所示，该分布式天线系统10包含一射频模块12及至少一天线模块14。该至少一天线模块14适用于微小区或家庭基站，与该射频模块12间通过无线信号进行通信。每一天线模块14包含一全向天线140、至少一可形成定向波束的天线142，及一动态功率分配器144。该可形成定向波束的天线142可以是定向天线或方向图可重构天线。在本实施例中，至少一可形成定向波束的天线142是若干环绕该全向天线140设置的定向天线。该动态功率分配器16动态的为该全向天线与该至少一可形成定向波束的天线的分配功率。天线模块14进一步可连接至基站16，如基站收发台(BTS，Base transceiver station)或演进型节点基站(eNB，evolved NodeBase)已从室外接收无线信号(下行)。

图1所示的分布式天线系统10适用于机场等大平层或类似大平层建筑，同样对于办公楼宇等楼层间封闭性较强的建筑本发明同样适用。

图2是根据本发明另一实施例的分布式天线系统20的结构示意框图。如图2所示，该分布式天线系统20包含：基站16，如BTS或eNB已从室外接收无线信号(下行)、一射频模块12，及至少一天线模块14(图中未示出具体结构，而以覆盖场景示出)。该分布式天线系统20使用耦合器18将射频模块12接收的无线信号在各个楼层和各个房间进行功率分配。且在本实施例中由于存在多个天线模块14，该分布式天线系统20进一步通过功分器20在每一层的多个天线模块14间进行功率分配。该至少一天线模块14具有与图1中所示实施例同样的功用。

图3是根据本发明一实施例的分布式天线系统的天线功率分配方法的流程示意图，该分布式天线系统可以是图1或图2所示的分布式天线系统，例如图1的分布式天线系统10。

如图3所示，在步骤30中，藉由该分布式天线系统10内的至少一可形成定向波束的天线142估计该分布式天线系统10内的用户设备分布。通常为保证良好的无线信号覆盖，该分布式天线系统10内的全向天线140是常开的，而可形成定向波束的天线142则通过功率分配方法确定是否开启。在估计该该分布式天线系统10内的用户设备分布时，可形成定向波束的天线142将被逐一开启，即当一个可形成定向波束的天线142开启时，其它的可形成定向波束的天线142将被关闭。服务于该分布式天线系统10的基站16可通过测量上行链路信道或来自用户设备的反馈(如参考信号接收功率(RSRP，Reference Signal ReceivingPower))的信号强度检测到用户设备，如用户设备的所在方向，及接入的用户设备数量等。具体的测量方法，可参见中国专利申请201210594333.2号，该专利申请的全部内容通过引用的方式包含在本申请中，此处不再赘述。

在检测到用户设备的分布状况后，该分布式天线系统10进入自学习的阶段，即了解用户设备的分布规律。在步骤32，基站16会统计一时间段内上述室内环境的用户设备的密度与接入时间。该时间段可能是1天、1月或更长时间，可依需要进行设置。通常，用户设备的分布并不均匀而且会成一定的规律变化。在某一时间段，某一区域的用户设备会比较集中，另一区域的比较稀少；而在另外的时间段，前者的用户设备则可能减少而后者的会增加。例如基站16会统计到一天线模块14服务的某办公室在一个月内的每天早上9至12点及下午1点至6两个时间段用户设备接入量非常高，而其它时段则非常低；也会统计到该天线模块14服务的某一餐厅在一个月内每天中午11点至下午2点及晚上5点至7点用户设备接入量非常高，而其它时段则非常低。

接着在步骤34，基站16根据用户设备分布和统计为天线模块14内的至少一可形成定向波束的天线14分配功率，为用户设备集中的区域服务的可形成定向波束的天线14分配更多的功率，而为用户设备集中的区域服务的可形成定向波束的天线14分配较小的功率。针对上述的举例，对于天线模块14中服务办公室所在方向的可形成定向波束的天线14在每天早上9至12点及下午1点至6点两个时间段开启甚至提高其功率，而在其它时段则降低其功率甚至将其关闭。同时对于天线模块14中服务餐厅所在方向的可形成定向波束的天线14在每天中午11点至下午2点及晚上5点至7点两个时间段开启甚至提高其功率，而在其它时段则降低其功率甚至将其关闭。通过该功率分配，更多用户设备由于具有高功率的覆盖而可采用更高效的调制和编码选择，从而为处于低功率覆盖的用户设备节省了更多的时频资源，进而提高了整个系统的吞吐量。

该分布式天线系统的天线功率分配方法可在一预设时间周期和/或接入质量低于一预设门限时，重新估计该分布式天线系统内的用户设备分布及统计一时间段内用户设备的密度与接入时间以进行天线功率再分配。例如，当区域职能改变，用户设备的分布或接入时间等发生变化，基站16发现其执行的天线功率分配方案不再适合就会重新进行估计和统计。

本发明的优点可通过以下的仿真进一步凸显。用于室内模型的实验性路径损耗可以以下公式表示：

其中，Pr与Pt分别是接收功率与发射功率；K是无单位常数，其依赖于天线特征和平均天线衰减；d₀是远场天线参考距离；Y自相同层层测量的路径损耗中获得；FAFi代表层衰减系数(FAF，floor anttenuator factor)；而PAFi代表与信号横跨的第i个分割部相关的分割部衰减系数(PAF，partition attenuation factor)。楼层和信号横跨的分割部的数量分别是Nf与Np。简单起见，仅以单一房间为例，从而可省略FAF与PAF参数。

仿真的对比例为两个，一个设置为传统的全向天线设置的分布式天线系统，另一个则是根据本发明一实施例的分布式天线系统，其中本发明实施例的分布式天线系统具有朝向四个方向的定向天线或方向图可重构天线，各天线的发射功率可根据用户设备数量进行调整。

具体的仿真参数设置如下表：

参数	详细描述	取值
			L	房间长度	25米
W	房间宽度	25米
			H	房间高度	4米
h	用户设备与楼层间的距离	1.2米
			γ	路径损耗输出(path loss exponent)	2.7
f	载波频率	2GHz

Pt	传输功率	20毫瓦
			d0	用于远场天线的参考距离	1米

以总数100个用户设备为例，房间划分为四个区域，则仿真所应用的室内场景进一步可选择为(并不限于)：

一个热点区域

85个用户设备位于房间的四分之一区域(热点区域)，15个用户设备随机的位于房间的其它部分(非热点区域)

两个热点区域

45个用户设备位于房间的一四分之一区域(热点区域)，45个用户设备位于房间的另一四分之一区域(热点区域)，10个用户设备随机的位于房间的剩余二分之一部分(非热点区域)

三个热点区域

32个用户设备位于房间的一四分之一区域(热点区域)，32个用户设备位于房间的另一四分之一区域(热点区域)，32个用户设备位于房间的又一四分之一区域(热点区域)，而剩余4个用户设备位于房间的剩余四分之一部分(非热点区域)。

仿真为不同应用实例和场景的各用户设备计算参考信号接收功率，并制作累积分布函数(cumulative distribution function)曲线以进行比较。图4所示是仿真得出的参考信号接收功率的累积分布函数曲线图。如图4所示，很明显，本发明的分布式天线系统优胜传统系统。对于非热点区域，根据本发明一实施例的分布式天线系统可为所在用户设备分配更少的功率，获得更低的服务质量(Quality of Service)，从而节省能量，避免它们对热点区域的干扰，保证热点区域的服务质量。

需要指出的是，由于技术的发展和标准的更新，具有相同功能的部件往往具有多个不同的称呼。本发明专利申请书中所使用的技术名词是为解释和演示本发明的技术方案，应以其在本技术领域内所共识的功能为准，而不能仅以名称的异同任意解读。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。

Claims (9)

1.一种分布式天线系统，包含：

一射频模块；

至少一天线模块，与该射频模块间通过无线信号进行通信；该天线模块包含：

一全向天线；

至少一可形成定向波束的天线；及

一动态功率分配器，其根据用户设备分布和一段时间内用户设备的密度与接入时间的统计动态的为该全向天线与该至少一可形成定向波束的天线的分配功率。

2.如权利要求1所述的分布式天线系统，其中该可形成定向波束的天线是定向天线或方向图可重构天线。

3.如权利要求1所述的分布式天线系统，其中所述至少一可形成定向波束的天线环绕该全向天线设置。

4.如权利要求1所述的分布式天线系统，其中该至少一天线模块适用于微小区或家庭基站。

5.一种分配分布式天线系统的天线功率方法，该方法包含：

藉由该分布式天线系统内的至少一可形成定向波束的天线估计该分布式天线系统内的用户设备分布；

统计一时间段内该分布式天线系统中所述用户设备的密度与接入时间；及

根据所述用户设备分布和统计为所述至少一可形成定向波束的天线分配功率。

6.如权利要求5所述的方法，其中该可形成定向波束的天线是定向天线或方向图可重构天线。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述至少一可形成定向波束的天线环绕一全向天线设置。

8.如权利要求5所述的方法，其中该分布天线系统包含至少一天线模块，该至少一天线模块适用于微小区或家庭基站。

9.如权利要求5所述的方法，其进一步包含经一预设时间周期和/或接入质量低于一预设门限时，重新估计该分布式天线系统内的用户设备分布及统计一时间段内所述用户设备的密度与接入时间以进行天线功率再分配。