CN104735684B - 一种蜂窝移动通信网络公共控制信号立体覆盖的多扇区联合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝移动通信网络公共控制信号立体覆盖的多扇区联合控制方法，包括：扇区簇目标覆盖区域中测试点集合获取；无线信号传播路径损耗集合获取和天线流形矢量集合构建；扇区簇立体覆盖联合控制建模；激励权值求解；激励电流馈入和覆盖控制实施。本发明基于扇区簇的干扰独立性，充分挖掘簇内各扇区基站面阵天线的波束赋形自由度，实施簇内目标覆盖区域的联合覆盖控制。通过多个扇区的波束的咬合和扇区边界自适应划分，提升目标覆盖区域上的覆盖质量。本发明方法既可用于扇区簇的立体覆盖控制，也可以用于对整个网络的立体覆盖控制。
Description
技术领域
本发明属于蜂窝移动通信网络技术领域，具体涉及一种蜂窝移动通信网络公共控制信号立体覆盖的多扇区联合控制方法。
背景技术
蜂窝移动通信网络公共控制信号的高质量覆盖是用户随时随地接入(无缝接入)的前提条件。公共控制信号指小区的下行同步信号、公共导频信号等。公共控制信号是通过广播信道发送给小区范围内所有用户的，是用户的移动设备找到小区、与基站建立同步、进行信道估计所必不可少的。高质量覆盖指的是在整个目标覆盖区域的各点处公共控制信号(以下也简称为信号)的接收功率高于预设的功率门限，因而没有弱覆盖，且各点处信号-干扰功率比(信干比，SIR)高于预设的SIR门限，因而没有过覆盖。
高层建筑和立体交通的发展，使高层楼宇、高架桥和立交桥等大型建筑大量出现，导致原本主要集中在地面附近的无线通信业务也在空域中立体式分布。蜂窝移动通信网络需实现公共控制信号的立体、高质量覆盖，才能保证各类用户无缝地接入。
现有研究和工程中提出的立体覆盖控制技术分为两大类。第一类是采用分层异构无线网络的解决方案，通过多种基站在不同高度不同场景的分别部署来实现公共控制信号的覆盖。但大量微蜂窝小区的密集部署和空间划分导致同构或异构小区间复杂的干扰关系，而用户在小区间的频繁切换增加了切换管理难度，尤其在立交桥等用户高速移动场景中。第二类是基于现有蜂窝移动通信网络的基站配备的面阵天线，采用波束赋形技术来形成所需天线方向图(天线在各个方向的辐射强度)，从而实现单个小区/扇区所需的立体覆盖控制，全网所需的立体覆盖控制则通过遍历地控制每一个小区/扇区来实现(具体可参公开号为CN104320788.A的中国专利)。第二类立体覆盖控制技术具有若干优点。它属于电调谐技术，只要改变面阵天线的激励权值(激励电流的幅度和相位)，就能改变天线的阵列方向图，因而覆盖控制/调整方便灵活、成本极低。它可以实现较大范围内的立体覆盖，避免用户在小区间的频繁切换，在立交桥等用户高速移动、位置变化大的场景中优势尤其明显。
用基站面阵天线和波束赋形技术实现全网区域范围内公共控制信号高质量的立体覆盖，有以下难点：(1)一个小区/扇区各个方向上的目标覆盖距离不全相等，各个方向上的传播条件也不相同。这里的方向包括与地面平行的方位面和与地面垂直的俯仰面。(2)天线方向图方位面上的波束个数和形状取决于面阵天线的一行中阵元的个数(方位面自由度)，天线方向图俯仰面上的波束个数和形状取决于面阵天线的一列中阵元的个数(俯仰面自由度)，不一定能符合实际环境下多种多样的覆盖需求。(3)消除一个小区/扇区内的弱覆盖与抑制对邻小区/扇区的干扰往往互相矛盾，因为本小区/扇区内公共控制信号接收功率的提高会造成对邻小区/扇区的干扰功率加大。(4)小区/扇区的目标覆盖区域是在网络规划或网络优化阶段人为划定的，未必合理。例如，某个地点/位置因距离一个基站较近而被人为划归该基站所属的小区/扇区。其与本小区/扇区基站之间有高大建筑物阻挡，因而路径损耗大，其与另一小区/扇区的基站之间为开阔地，因而路径损耗小。这种现象在两个小区/扇区的边界附近，或多个小区/扇区的交界点附近尤为明显。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种蜂窝移动通信网络公共控制信号立体覆盖的多扇区联合控制方法，以紧邻相对的多个扇区为一个扇区簇，联合求取簇内扇区基站面阵天线的激励权值，使这些面阵天线的方向图的波束互相交错，协同地形成对簇内区域高质量的立体覆盖。
本发明中扇区簇的覆盖性能由簇内目标覆盖区域中所有测试点处的覆盖性能来统计和评价。设置的测试点遍及地面以及地面以上覆盖区域(如立交桥面)，用集合表示。涉及到的与覆盖质量相关的具体指标为各测试点处(来自服务扇区的)期望信号的接收功率和信干比。其中，信干比定义为接收到的期望信号功率和(来自其它扇区的)干扰信号功率和之比。具体表达如下：
本发明中一个扇区簇内的所有扇区基站均配置包含M列、N行阵元的面阵天线。扇区的公共控制信号(以下简称信号)通过基站面阵天线发射。簇内目标覆盖区域上任一测试点c处接收来自簇内任一扇区l基站的信号功率为：
其中：下标r和t分别表示“接收”和“发送”，et,l和er,c分别为扇区l基站面阵天线的总效率和测试点c处移动终端接收天线的总效率；为扇区l的基站面阵天线中心到测试点c的信号离开角，包括俯仰角θl,c和方位角 为扇区l基站面阵天线的阵元方向图在角度上的数值；wl,m为扇区l基站面阵天线上第m列阵元的激励权值向量(N维)，为扇区l基站面阵天线上第m列阵元在测试点c所对应信号离开角上的流形矢量，为阵列方向图在角度上的数值；阵元方向图和阵列方向图的乘积为天线方向图；η为传播介质特征阻抗，在空气介质中为377Ω；Dl,c为扇区l基站面阵天线中心到测试点c的无线信号传播路径损耗；为簇内所有扇区组成的集合。
本发明中，移动终端按照“Best Server”准则确定服务扇区，即移动终端接收多个扇区的信号，选择信号强度最大的扇区作为服务扇区。根据该准则，测试点c归属于扇区lc：
该点处的期望信号接收功率为：
该点处的信干比γc为：
式中，分母为来自于簇内其他扇区的干扰信号功率之和，L为簇内扇区个数，是不小于2的整数。
一种蜂窝移动通信网络公共控制信号立体覆盖的多扇区联合控制方法，包括如下步骤：
(1)对于蜂窝移动通信网络内任一扇区簇，对扇区簇内的目标覆盖区域(包括地面覆盖区域和地面以上覆盖区域)进行立体网格划分，记录每个立体网格中心点坐标，并使所有立体网格中心点作为测试点组成测试点集合
所述的扇区簇由多个紧邻且相向的扇区组成，每个扇区由各自的基站提供公共控制信号的立体覆盖，扇区簇内所有扇区组成扇区集合
(2)获取扇区簇内各扇区基站面阵天线中心到各测试点的无线信号传播路径损耗；并根据各测试点与各扇区基站面阵天线中心的相对位置，计算出各测试点相对于各扇区基站面阵天线中心的天线流形矢量；
(3)根据所述的无线信号传播路径损耗和天线流形矢量，建立扇区簇立体覆盖的联合控制模型如下：
公式(5a)的目标函数中，A是目标覆盖区域中所有测试点处的期望信号功率之和：
B是目标覆盖区域中所有测试点处的干扰信号功率之和：
α为目标权重系数，其值越大表明越注重对期望信号接收功率的提升，越小则越注重对干扰信号强度的抑制。优化变量wl,m为扇区l基站面阵天线上第m列阵元的激励权值向量，其为N维列向量。
公式(5b)是无弱覆盖约束，其中Pr,th为接收信号的功率门限值。
公式(5c)为发射功率约束，其中Pt,l为扇区l基站面阵天线的发射信号功率，它是阵元输入电阻Re和激励权值向量wl,m的函数：
其中，Pt,th为发射信号的功率门限值，其为基站发射信号功率最大允许值Pt,max的一部分；基站发射信号功率最大允许值Pt,max则由实际基站参数决定。
(4)求解所述的联合控制模型，得到扇区簇内基站面阵天线近似最优的阵元激励权值
(5)进行激励权值修正，以修补由步骤(4)中阵元激励权值的近似求解而引入的弱覆盖，得到最终的阵元激励权值
(6)根据最终的阵元激励权值为扇区簇内各基站面阵天线各阵元馈入相应的激励电流，以实现对扇区簇内公共控制信号的立体覆盖控制。
所述的无线信号传播路径损耗可通过无线信号传播损耗模型计算得到，或通过网络实测得到。
所述的扇区簇立体覆盖联合控制模型要求在目标覆盖区域上无弱覆盖和发射功率约束的前提下，提升期望信号接收功率并抑制干扰信号接收功率。
所述的发射功率约束指的是各扇区基站面阵天线的公共控制信号发射功率不能超过功率门限值Pt,th。
本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明利用多个扇区面阵天线的波束赋形自由度，联合求解合适的阵元激励权值，使得这些天线方向图的波束相互交错，形成类似齿轮对之间的“啮合”关系，协同地实现簇内区域的立体覆盖控制。
(2)本发明在簇内所有测试点处的期望信号接收功率都不低于门限，且簇内基站的公共控制信号发射功率均不超过最大值限制的条件下，提升簇内区域的整体SIR水平，实现簇内区域的高质量立体覆盖。
(3)本发明簇内扇区间的边界是按照实际的无线信号传播环境和面阵天线的波束赋形自由度，自适应地形成的，比人为划定的边界更为合理。
(4)本发明扇区簇由紧邻相对的多个扇区组成。簇内扇区的数目可以是不小于2的任意整数。
(5)本发明既可用于对一个扇区簇的立体覆盖控制，也可通过对全部扇区簇逐一应用来实现全网的立体覆盖控制。
附图说明
图1为蜂窝移动通信网络中扇区地理位置及扇区间干扰关系的示意图。
图2为由3个120°扇区组成的一个扇区簇及其立体覆盖的场景示意图。
图3为本发明实施例1方法的流程示意图。
图4为本发明实施例2方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
蜂窝移动通信网络通常由多个扇区组成，如图1所示。每个扇区配备一个面阵天线。扇区基站面阵天线发射的信号对位于该扇区后方和两侧的邻扇区的干扰可以忽略不计，因为工程上用挡板来屏蔽辐射(以图1中Cell_0为例，其基站天线两侧的挡板位置如粗实线所示)。同时由于非紧邻扇区间的信号辐射强度较低，可以忽略不计，故一个扇区只会对与其相向的紧邻扇区造成实质性干扰。如图1中Cell_0只会对与其相向的两个紧邻扇区Cell_2和Cell_3造成实质性干扰，Cell_2只会Cell_0和Cell_3造成实质性干扰，Cell_3也只会对Cell_0和Cell_2造成实质性干扰。本发明中统称这些相对且紧邻的几个扇区为一个扇区簇。综上所述，簇内任一扇区的信号都不会对簇外造成实质性干扰，且扇区簇外部的信号对簇内的干扰也可以忽略不计。因而上述的扇区簇具有干扰独立性，网络中的任一扇区簇的覆盖控制可以独立进行。也就是说，其立体覆盖控制结果对簇外区域的影响可以忽略不计。值得注意的是，由于实际工程中的基站不可能规则布放，因而实际扇区簇中的扇区个数不尽相同，可以是不小于2的任意整数。
一个典型的由3个120°扇区组成的扇区簇如图2所示，簇内的地面覆盖区域及地上覆盖区域统称为扇区簇的目标覆盖区域。由于高大建筑的存在，簇内不同地点处的目标覆盖高度会有所不同，而每个地点上从地面到目标覆盖高度所经过的区域均属于目标覆盖区域。
本发明的技术方案原理如下：
一个扇区簇内的所有扇区均配置包含M列、N行阵元的面阵天线。扇区的公共控制信号(以下简称信号)通过基站面阵天线发射。
簇内任一扇区基站面阵天线的发射信号对位于该扇区后方和两侧的邻扇区的辐射在工程中通过加装挡板的方法予以消除，且非紧邻扇区间的干扰相对较弱，所以扇区簇内任一扇区的信号都不会对簇外造成实质性干扰。而来自扇区簇外的信号对簇内的干扰也可以忽略不计。基于扇区簇间的干扰独立性，网络中任一扇区簇的立体覆盖控制可以独立进行。
扇区簇的覆盖性能由簇内目标覆盖区域中所有测试点处的覆盖性能来统计和评价。设置的测试点遍及地面以及地面以上覆盖区域(如立交桥面)，用集合表示。涉及到的与覆盖质量相关的具体指标为各测试点处(来自服务扇区的)期望信号的接收功率和信干比。其中，信干比定义为接收到的期望信号功率和(来自其它扇区的)干扰信号功率和之比。具体表达如下：
任一测试点c处来自簇内任一扇区l的信号功率为
其中：下标r和t分别表示“接收”和“发送”，et,l和er,c分别为扇区l基站发射天线总效率和c处移动终端接收天线总效率；为扇区l的基站面阵天线中心到测试点c的信号离开角，包括俯仰角θl,c和方位角 为天线阵元方向图在该角度上的数值；wl,m为扇区l的面阵天线上第m列上的N个阵元的激励权值向量，其第n个元素为面阵天线中第m列、第n行阵元的激励权值；为扇区l的面阵天线上第m列阵列的流形矢量，其第n个元素为测试点c相对于面阵天线中第m列、第n行阵元的流形变量；为阵列方向图在角度上的数值；阵元方向图和阵列方向图的乘积为天线方向图；η为传播介质特征阻抗，在空气介质中为377Ω；Dl,c为扇区l基站面阵天线中心到测试点c的无线信号传播路径损耗；为簇内所有扇区组成的集合。
本发明中，移动终端按照“Best Server”准则确定服务扇区，即移动终端接收多个扇区的信号，选择信号强度最大的扇区作为服务扇区。根据该准则，测试点c归属于扇区lc：
该点处的期望信号接收功率为：
该点处的信干比γc为：
式中分母为来自簇内其它扇区的干扰信号功率之和，L为簇内扇区个数，是不小于2的整数。
基于上述覆盖性能指标，我们期望在目标覆盖区域无弱覆盖的前提下，提升扇区簇内平均SIR。为此，建立如下扇区簇立体覆盖的联合控制模型：
公式(13a)是控制目标，实现簇内平均SIR的最大化。其中，优化变量wl,m为扇区l基站面阵天线上第m列阵元的激励权值向量，其为N维列向量。
公式(13b)是无弱覆盖约束，其中Pr,th为期望信号接收功率门限。
公式(13c)是发射功率约束，要求扇区簇内任一扇区的公共控制信号发射功率不超过其最大允许值。其中，Pt,l为扇区l基站面阵天线的发射功率，它是阵元输入电阻Re和激励权值向量wl,m的函数，Pt,max为公共控制信号发射功率最大允许值，由实际基站参数决定。
由公式(9)～(12)可知，问题(13)是一个复杂的分式二次优化问题，它和它的SDR形式均是NP-Hard问题，无法在指数时间内进行精确求解。
为此，本发明将优化问题(13)中的目标函数弱化，用αA-(1-α)B来替代。则目标函数弱化后的近似优化模型为：
这里，A是目标覆盖区域中所有测试点处的期望信号接收功率之和：
B是目标覆盖区域中所有测试点处的干扰信号接收功率之和：
α为目标权重系数，其值越大表明越注重对期望信号接收功率的提升，其值越小则越注重对干扰信号的抑制。公式(14b)是无弱覆盖约束，保证目标覆盖区域上不出现弱覆盖。公式(14c)是基站面阵天线的公共控制信号发射功率约束，这里我们用发射功率门限Pt,th＝(1-μ)Pt,max替代了公式(13c)中的最大允许发射功率Pt,max。这是为了预留相应比例的功率μPt,max，以便于后续弥补由于优化问题(14)的不精确求解而引入的弱覆盖。其中，μ为功率预留系数，0≤μ＜1。“不精确求解”详见后述。
由公式(15)和(16)可见，A值越大、B值越小，则整体SIR水平越高。因而，A/B是平均SIR的一种近似，我们称之为近似平均SIR，记为弱化后的目标函数具有物理意义，它能在一定程度上反映目标覆盖区域上的整体SIR水平。
由公式(15)、(16)、(11)和(9)可知，弱化后的目标函数αA-(1-α)B是关于激励权值的二次函数，因而问题(14)可以用半定松弛(Semi-definite Relaxation，SDR)的方法进行求解。将公式(9)、(11)、(15)和(16)代入问题(14)，得到问题(14)的具体数学表达式：
其中，Tr(·)为矩阵迹运算，用于计算矩阵的对角元素之和；中间变量Tl和Ul,c分别为NM×1维激励权值向量和NM×1维阵列流形矢量的二次函数，即：
其中，和分别定义为：
本发明中所有公式的上标H和T分别代表共轭转置和转置运算。
对于优化问题(17)的SDR的求解，我们设计启发式算法，通过反复迭代求解得到其近似平均SIR最大意义上的最优解具体的求解步骤为：
(a)初始化。令迭代次数λ＝0，权值系数α(1)＝0。根据路径损耗最小的准则确定各个测试点的初始服务扇区，也即为各个扇区划分初始边界。初始服务扇区序号
(b)更新迭代次数λ＝λ+1。求解此时优化问题(17)的SDR，得到当次的中间变量
(c)根据计算各个测试点处来自簇内各个基站的信号功率并根据公式(10)重新确定各个测试点的服务扇区的序号
(d)更新其中A(λ)和B(λ)分别根据公式(15)和(16)计算而得。
(e)判断终止条件λ＝λmax是否成立，其中λmax为设定的算法迭代次数。若终止条件不成立，返回步骤(b)；否则输出 算法终止。
步骤(d)中的目标函数权重系数α的更新是整个算法的核心，必须保证迭代朝着近似平均SIR最优的方向收敛。将代入优化问题(17)的目标函数可以发现，第λ+1次迭代时的目标函数值为因为 是此时的一个可行解，并且该可行解下目标函数为0(因为目标函数的分子为B(λ)A(λ+1)-A(λ)B(λ+1)＝B(λ)A(λ)-A(λ)B(λ)＝0)，所以第λ+1次迭代时问题(17)的目标函数不会小于0(因为优化问题要求目标函数最大化，最优解下的目标函数不小于可行解下的目标函数)，即：
式(22)的分母A(λ)+B(λ)总是正数(因为信号功率和干扰功率均为正值)。因此，式(22)的分子B(λ)A(λ+1)-A(λ)B(λ+1)≥0。因此有即在迭代过程中得到的近似平均SIR是单调递增的，只要步骤(e)中的迭代次数λmax足够大，就会收敛到优化问题(17)的SDR的最优解上。
优化问题(17)的SDR的最优解可以通过上述启发式算法求解得到。但是无法确保得到的满足秩为1的约束(即公式(17e))。因此，无法直接通过公式和由恢复得到问题(14)的最优解
为此，本发明提出基于理想阵列方向图综合技术的恢复方法。首先由计算每个扇区的理想阵列方向图这里，上标d表示“理想”。该理想阵列方向图定义为：
然后，采用最小二乘误差法对该理想阵列方向图进行逼近，得到阵列方向图逼近意义上的最优激励权值它是模型(14)的一个近似最优解。这里，上标near表示“近似最优”。
综上所述，模型(14)的求解包括两个阶段：模型(14)的SDR的求解(步骤(a)～(e))和基于理想阵列方向图综合技术的激励权值恢复。
由于面阵天线的自由度有限，上述方向图综合过程中可能出现或正或负的误差。其中负误差(综合后方向图波瓣值小于理想方向图波瓣值)会导致覆盖区域边缘出现弱覆盖。对此，我们增大激励权值(称为激励权值修正)，即用预留的功率μPt,max来修正各个扇区的发射功率，进而到达弥补弱覆盖的目的。值得注意的是，由于对扇区簇内各个扇区基站面阵天线的激励权值等比例修正，期望信号和干扰信号增加了相同的倍数，目标覆盖区域上各测试点处的SIR不会发生变化。具体的激励权值修正操作为：
其中，χpower为修正系数，χpower＞1，由目标覆盖区域内各测试点处接收信号功率的最小值Pr,min和各个基站的发射信号功率Pt,l决定；
式中，括号内每一项都不小于1，这是因为由公式(14)有应用公式(25)计算出的修正系数，则下列条件之一得到满足：或某个扇区基站面阵天线的公共控制信号发射功率Pt,l达到发射功率最大允许值Pt,max，或弱覆盖刚好消除(Pr,min＝Pr,th)。这就确保了所得覆盖控制方案的可行性和最大程度地消除弱覆盖。
实施例1
将上述立体覆盖联合控制方法应用于一个扇区簇的立体覆盖控制，其实施流程如图3所示，包括以下步骤：
S101，测试点集合获取；
对一个扇区簇内的目标覆盖区域(包括地面覆盖区域和地面以上覆盖区域)进行立体网格划分，记录每个立体网格中心点坐标，所有立体网格中心点组成测试点集合。
S102，无线信号传播路径损耗集合获取和天线流形矢量集合构建；
获取簇内各个基站面阵天线中心点到每个测试点的无线信号传播路径损耗，或通过无线信号传播损耗模型计算得到，或通过网络实测得到；构成无线信号传播路径损耗集合；
用公式(21)构建每个测试点相对于簇内各个扇区基站面阵天线中心位置的天线流形矢量，构成天线流形矢量集合；
S103，立体覆盖联合控制建模；
利用步骤S102中计算得到的无线信号传播路径损耗集合和天线流形矢量集合，构建公式(14)所示的公共控制信号立体覆盖优化模型；
S104，激励权值求解；
根据步骤S103中建立的优化模型，采用技术方案原理部分介绍的启发式算法求解问题(17)的SDR，得到其最优解
采用技术方案原理部分介绍的基于理想阵列方向图综合技术的激励权值恢复方法，由恢复出模型(14)的一个近似最优解
S105，激励权值修正；
采用技术方案原理部分介绍的激励权值修正方法来得到模型(14)的最终解
S106，扇区簇立体覆盖控制实施；
根据步骤S104中求解得到的最终激励权值为扇区簇内各扇区基站面阵天线阵元馈入相应激励电流，实现扇区簇的立体覆盖控制。
实施例2
根据上述扇区簇的立体覆盖控制方法，对全部扇区簇逐一应用来实现全网的立体覆盖控制，其实施流程如图4所示，包括以下步骤：
S201，扇区簇划分；
按照簇内扇区紧邻相对、簇内簇外干扰关系相对独立的原则(称为成簇原则)，将整个网络划分为多个干扰独立的扇区簇。每个干扰独立的扇区簇由紧邻相对的多个(2个或以上)扇区组成；簇内扇区对簇外的干扰强度低，可以忽略；簇外对簇内任一扇区的干扰也小，可以忽略。值得注意的是，为了方便对整网络进行立体覆盖控制，无法与其它扇区满足上述成簇条件的单个扇区在后续处理时亦被视为一个簇。
S202，目标扇区簇选取；
在整个网络中选取一个尚未进行立体覆盖控制的扇区簇作为目标扇区簇；
S203，目标扇区簇立体覆盖控制；
采用实施例1中的步骤S101～S106，对所选的目标扇区簇进行立体覆盖控制；
S204，判别、重复或退出；
判别是否所有扇区簇都已进行了立体覆盖控制；如果没有，则返回步骤S202；否则，全网的立体覆盖控制已经完成，结束算法。
本发明利用多个扇区面阵天线的波束赋形自由度，联合求解合适的阵元激励权值，使得这些天线方向图的波束相互交错，形成类似齿轮对之间的“啮合”关系，协同地实现簇内区域的立体覆盖；本发明在簇内所有测试点处的期望信号接收功率都不低于门限，且簇内基站的公共控制信号发射功率均不超过最大值限制的条件下，提升簇内区域的整体SIR水平，实现簇内区域的高质量立体覆盖控制；本发明簇内扇区间的边界是按照实际的无线信号传播环境和面阵天线的波束赋形自由度，自适应地形成的，比人为划定的边界更为合理；本发明扇区簇由紧邻相对的多个扇区组成，簇内扇区的数目可以是不小于2的任意整数；本发明既可用于对一个扇区簇的立体覆盖控制，也可通过对全部扇区簇逐一应用来实现全网的立体覆盖控制。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (4)
1.一种蜂窝移动通信网络公共控制信号立体覆盖的多扇区联合控制方法，包括如下步骤：
(1)对于蜂窝移动通信网络内任一扇区簇，对扇区簇内的目标覆盖区域进行立体网格划分，记录每个立体网格中心点坐标，并使所有立体网格中心点作为测试点组成测试点集合C；
所述的扇区簇由多个紧邻且相向的扇区组成，每个扇区由各自的基站提供公共控制信号的立体覆盖，扇区簇内所有扇区组成扇区集合L；
(2)获取扇区簇内各扇区基站面阵天线中心到各测试点的无线信号传播路径损耗；并根据各测试点与各扇区基站面阵天线中心的相对位置，计算出各测试点相对于各扇区基站面阵天线中心的天线流形矢量；
(3)根据所述的无线信号传播路径损耗和天线流形矢量，建立扇区簇立体覆盖的联合控制模型如下：
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<mo>-</mo>
<mi>&alpha;</mi>
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<mi>B</mi>
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s.t. Pr,c≥Pr,th,c∈C
Pt,l≤Pt,th,l∈L
其中：A为目标覆盖区域中所有测试点处的期望信号功率之和，B为目标覆盖区域中所有测试点处的干扰信号功率之和，α为预设的目标权重系数；wl,m为扇区l基站面阵天线上第m列阵元的激励权值向量，其为N维列向量，N为基站面阵天线的阵元行数；M为基站面阵天线的阵元列数；Pr,c为测试点c处的期望信号功率，Pr,th为接收信号的功率门限值，Pt,l为扇区l基站面阵天线的发射信号功率，Pt,th为发射信号的功率门限值；L为扇区簇内所有扇区的总个数；
所述期望信号功率之和A的表达式如下：
<mrow>
<mi>A</mi>
<mo>=</mo>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mo>{</mo>
<mi>c</mi>
<mo>&Element;</mo>
<mi>C</mi>
<mo>}</mo>
</mrow>
</munder>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
所述干扰信号功率之和B的表达式如下：
<mrow>
<mi>B</mi>
<mo>=</mo>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mo>{</mo>
<mi>c</mi>
<mo>&Element;</mo>
<mi>C</mi>
<mo>}</mo>
</mrow>
</munder>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
<mo>&NotEqual;</mo>
<msub>
<mi>l</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
<mi>L</mi>
</munderover>
<msubsup>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>l</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
</mrow>
所述期望信号功率Pr,c的表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>l</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
</mrow>
其中：为测试点c处接收来自扇区l基站的信号功率，lc为测试点c所归属的扇区的序号；所述扇区lc的定义如下：
<mrow>
<msub>
<mi>l</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<munder>
<mi>argmax</mi>
<mrow>
<mo>{</mo>
<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
<mo>&Element;</mo>
<mi>L</mi>
<mo>}</mo>
</mrow>
</munder>
<mo>{</mo>
<msubsup>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>l</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msubsup>
<mo>}</mo>
</mrow>
所述信号功率的表达式如下：
其中：et,l和er,c分别为扇区l基站面阵天线的总效率和测试点c处移动终端接收天线的总效率；为扇区l基站面阵天线中心到测试点c的信号离开角，其包括俯仰角θl,c和方位角 为扇区l基站面阵天线的阵元方向图在角度上的数值；H表示共轭转置，为扇区l基站面阵天线上第m列阵元在测试点c所对应信号离开角上的流形矢量，η为传播介质特征阻抗，Dl,c为扇区l基站面阵天线中心到测试点c的无线信号传播路径损耗；
(4)求解所述的联合控制模型，得到扇区簇内基站面阵天线的阵元激励权值并对其进行修正，进而根据修正后的阵元激励权值为扇区簇内各基站面阵天线各阵元馈入相应的激励电流，以实现对扇区簇内公共控制信号的立体覆盖控制。
2.根据权利要求1所述的多扇区联合控制方法，其特征在于：所述的发射信号功率Pt,l表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</munderover>
<msubsup>
<mi>w</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
</mrow>
<mi>H</mi>
</msubsup>
<msub>
<mi>w</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
</mrow>
其中：Re为基站面阵天线的阵元输入电阻，H表示共轭转置。
3.根据权利要求1所述的多扇区联合控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中根据以下公式对阵元激励权值进行修正：
<mrow>
<msubsup>
<mi>w</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>a</mi>
<mi>l</mi>
</mrow>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msubsup>
<mi>w</mi>
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</mrow>
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<mi>min</mi>
</mrow>
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<mi>P</mi>
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<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mtr>
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<mrow>
<msub>
<mi>&chi;</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>o</mi>
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</mrow>
</msub>
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<mi>w</mi>
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<mrow>
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</mrow>
</msubsup>
<mo>,</mo>
</mrow>
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<mtd>
<mrow>
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<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
<mi>w</mi>
<mi>i</mi>
<mi>s</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
m＝0,1,…,M-1l＝1,2,…,L
其中：为求解得到的扇区l基站面阵天线上第m列阵元的激励权值向量，为修正后的扇区l基站面阵天线上第m列阵元的激励权值向量，Pr,min为扇区簇目标覆盖区域内任一测试点处接收信号功率的最小值，χpower为修正系数。
4.根据权利要求3所述的多扇区联合控制方法，其特征在于：所述的修正系数χpower的表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>&chi;</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>o</mi>
<mi>w</mi>
<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mi>m</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
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<mi>P</mi>
<mrow>
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<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
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<mo>,</mo>
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<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
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<mo>,</mo>
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<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
<mo>,</mo>
<mo>...</mo>
<mo>,</mo>
<mi>L</mi>
</mrow>
其中：Pt,max为基站发射公共控制信号功率的最大允许值。
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