CN1081879C - 使用定向天线的蜂窝通信网络及其通信方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种分成众多单元的改进蜂窝通信网络。每个单元包括一个至少有两个定向天线的基站，每个天线可以和众多用户中的一个通信。每个天线指向不同方向，且使用不同频段。这种蜂窝网络的特点是，在相邻单元中的天线，使用相同频段，而指向不同方向。

Description

使用定向天线的蜂窝通信网络及其通信方法

本发明一般涉及蜂窝通信网络，尤其是蜂窝远程通信网络。

蜂窝通信网络已为大众所周知。典型的一种曲络即是蜂窝电话网络。还有一个例子是在常规电话网等场合中，利用蜂窝通信形式，在人口稠密的城区代替联接中心局与用户机之间的物理连接(线路)，通常在这种地区架线难于操作，或者费用太高。

由于分配给每个蜂窝远程通信网络的频率范围有限，因而在给定频率范围内允许同时占用频段的各种办法得已开发。这使得在同一时间内每单位地区内用户数量的增加成为可能。

美国专利USPNo.5,307,507阐述了一种在蜂窝电话网中天线布局系统，其中为了减少共信道的干扰，蜂窝单元集合成多个具有指定为不同频率信道扇区的簇。属于不同信道的扇区定向相反。在网络中根据预定的图形设定簇。该系统适用于单向接收天线。

有一种改善分配频率范围使用的方法，即重复使用网络所覆盖区域内给定频率范围中的频段。这个方法被称之为“单元法”，其原理如图1A所示，现述如下，图1A中的网络覆盖了由标号12所指的域区。区12分为许多子区，定义为“单元(cell)”，例如单元14。每个单元包括一个基站，如基站16，一般位于中心。每个基站至少有一个无方向性天线，可与单元所覆盖区域中任何电话或固定台站通信。

通常，两个相邻单元，如单元18和20或单元22和24，使用网络给定频率范围内的不同频段。典型的频段带宽为1MHz。在图1所示网络中，每个单元使用网络给定频率范围内7个频段中的1个。这些频段标号为F1、F2、F3、F4、F5、F6和F7。

在一个蜂窝网络中重复使用系数N，即，覆盖规定通信地区所需各频段的数量，主要取决于基站天线对付其它单元中网络用户占用相同频段时产生干扰的能力。这一能力为干扰用户和信号载波天线之间距离D的函数。在一个网络中，例如网络10，其重复使用系数为7，在任一单元中对天线的干扰，如在单元24中，干扰可来自最近的使用相同频段的其它6个单元，例如来自单元28中的用户。

重复使用系数也取决于载波与干扰之比(C/I)，它可通过测量天线载波信号与干扰噪声之比得到。对于大多数现代网络来说，希望C/I比在7dB-15dB之间，最好大于15dB，这样可以将干扰减到最低程度。因此，对于一个使用无方向性天线的网络而言，例如网络10，需要重复使用系数为7，如标号F1-F7所示，才能满足C/l值15dB的要求，使C/l比达到18.6dB。

为了使用比较小的频率范围，一种减少重复使用系数的途径是在每一单元中采用定向天线，而不是采用网络10那样的无方向性天线。一种使用定向天线的典型现有技术蜂窝网络如图1B所示，现述如下：

在图1B网络50中，每个单元中使用3个定向天线。每个天线指向不同方向，并且使用三个标号为F1、F2和F3不同频段中的一个频段。

在使用定向天线的相邻及相隔单元现有技术网络中，指向相同方向的天线占用相近频段。例如，在网络50中，占用F2频段的天线52、56和60指向相同方向，并且覆盖单元相同区域，即分别是54、58和62，以及每个单元右上方区域，即分别是64、66和68。

在网络50中，使用无方向性天线的类似网络，由于干扰来自两个相邻单元天线中某个天线，而不会来自象图IC中网络10那样的6个单元，因而C/I比得到改善。

图1C表示了处于工作方式中的网络50的部分。为明了起见，图3中的4个单元54、58、62和90给出细节，其余单元仅以轮廓表示。

对于每个单元54、58、62和90。表示了一个用户机与每个单元中定向天线之一通信，天线使用F3频段。在单元54中，用户84与覆盖区域64的天线通信。在单元58中用户82与覆盖区域66的天线通信。在单元62中用户86与覆盖区域68的天线通信。在单元90中，用户96与覆盖区域92的天线通信。

诸如网络50的现有技术网络的一个特征是，对任何一个天线的干扰来自两相邻单元以及相隔单元。例如，对单元54中使用F3频段天线的干扰，分别来自单元58和62中用户82和86，以及单元92中的用户90的小程度影响。这是因为单元53、58、62和92中的所有天线都使用F3频段，且指向大体一致，图上分别以箭头74、82、86和94来表示。

对于网络50，与网络10从技术角度比较，C/I比为19.1dB。对于一个象网络50那样的网络，重复使用系数为7，即总共占用21个频段，按每个单元3个(频段)，在重复使用系数为7时，C/I比是23.4dB。

本发明的目的是提供一种改进的、使用定向天线的蜂窝通信网络。

本发明人已经认识到，如果网络形成在任何两个相邻单元中，使用相近频段的天线的方向不同，则网络的C/I比能得到改善，同时单位地区内的用户数量也能增加。

根据本发明最佳实施例，这里提供一种改善的通信网络、它在地域上分成许多蜂窝单元，单元中的每一个包括一个至少有两个定向天线的基站，每个天线与许多用户机进行通信，所述至少两个天线中的每一个都指向不同的方向并且使用不同频段，该网络的特征是，许多单元中的任何相邻单元，使用相近频段天线的指向不同的方向。

一种通信网络，在地域上分成多个蜂窝单元，每个单元具有一个基站基本位于其中心处，每个基站包括至少三个定向天线，每个定向天线在其蜂窝单元的至少一个对应的辐射状扇区中工作，与至少一个单元通信，所述网络具有多个空分传输频率，所述网络其特征在于：

所有所述频率被分成组，所有所述组存在于每个蜂窝单元中，每个所述组对应于至少一个所述频率；

每个扇区被赋予至少一个所述频率组，其中包括所述至少一个频率组的每个所述扇区以相同的循环顺序定位在所有单元中；

每个蜂窝单元具有所述扇区特定循环定向，所述特定循环定向相对于所述网络固定，使得在所述网络的至少二个相邻蜂窝单元中，工作于相似频率组的所述基站的所述天线朝向不同的方向；

每一个所述单元具有定向天线。

最好在通信网络中，对应每一个定向天线的所述至少一个辐射状扇区的每一个是所述蜂窝单元的不同辐射状扇区。所述不同辐射状扇区是不重叠的。

所述至少二个相邻蜂窝单元最好是包括二个或更多蜂窝单元以形成所述通信网络。

一种在覆盖区域的地域分布通信网(100)中分配频率的方法，包括步骤：

将所有的所述频率分成组，所有的所述频率组在每个蜂窝单元中存在，每个所述组对应至少一个所述频率；

对每个扇区赋予至少一个所述频率组，其中包括所述至少一个频率组的每个所述扇区以相同的循环顺序定位在所有单元中；

对每个蜂窝单元，提供所述扇区特定循环定向，所述特定循环定向相对于所述网络固定，使得在所述网络的至少二个相邻蜂窝单元中，工作于相似频率组的所述基站的所述天线朝向不同的方向；

对每一个所述单元提供定向天线。

进一步说，根据本发明最佳实施例，由至少两个定向天线所覆盖的区域通常与单元所覆盖的区域相同。

此外，根据本发明最佳实施例，许多用户机中的每一个可以包括一个定向天线，其指向通常是与其通信的至少一个定向天线的方向。而且，它的波束角实际上可以小于与其通信的定向天线的波束角。

最好是这样，每个基站的至少两个天线能基本覆盖分配给蜂窝通信网络频率范围。

还有，根据本发明最佳实施例，许多用户机中的至少一个可以是固定台站，并且网络可以是电话通信网络。

此外，根据本发明最佳实施例，在许多单元中至少两个天线可以同步工作。

最后，根据本发明最佳实施例，对每个天线的干扰，来自与其不相邻的单元。

为使本发明易于理解，参考附图具体描述如下：其中，

图1A是使用单元方法的现有技术蜂窝远程通信网络的简图。

图1B是使用定向天线单元方法的现有技术蜂窝通信网络的简图。

图1C是简要表示了图1B处于工作方式的现有技术网络。

图2是本发明最佳实施例蜂窝网络的组成和工作简图。

图3是简要表示了图2处于工作方式的网络。

图4是局部详图，简要表示了蜂窝网络中一个单元的局部情况，该网络是本发明最佳实施例。

图5是局部详图，简要表示了蜂窝网络中一个单元的局部情况，该网络是本发明第二个最佳实施例。

参见图2，这是一个按本发明最佳实施例组成和使用的蜂窝通信网络的简图。图2中的网络，标号为100，它覆盖了图上虚线102所框定的区域。网络100由许多单元组成，例如单元104、106和108。它需要说明的是网络100并没有对单元数量作特别限制。仅为举例的目的，网络100只画出了12个单元。

网络100可以是任何合适的通信网络，诸如时分多路(TDMA)网络，该网络中的全部基站受时间同步控制，这样可使相邻干扰减到最小。

网络100中每一个单元最好包括一个基站，一般位于其中心，对单元104、106和108来说分别由标号114、116和118表示。基站中的每一个，即114、116和118，包括3个天线，每个天线都指向不同方向。如图示基站114，3个天线(最好参照图4说明)指向不同方向，使得每个天线覆盖120°范围。每个天线工作实际覆盖的区域分别由标号120、122和124表示。

基站的天线，例如基站114的3个天线，通常使用网络给定频率范围内的3个不同频段。基站114的3个天线分别占用了频段F1、F2和F3，如在区域120、122和124上所示。

基站114包括三个定向天线，每个指向分布角各覆盖120°是比较合适的，网络100中可使用任意数量的天线，使得它们能够覆盖单元区域，即应提供360°的覆盖。

网络100有一个特点，即对至少两个相邻单元，使用相近频段天线的指向是不同的，因而与现有技术网络相比，例如网络50，所覆盖的区域是在不同方向的。例如，区域124由单元104使用F3频段的天线所覆盖，它在基站114的上方，而区域126由单元106使用F3频段的天线所覆盖，这一区域在基站116的左边。

虽然，在两个相邻单元中使用同样频段的天线指向是不同的，但相隔的单元中的天线则可以指向相同方向。

图3显示了网络100工作形式的局部情况。为简明扼要起见，图3中详述了3个单元天线，即单元104、204和206，其它如单元106、1 08，仅给出轮廓。

对于单元104、204和206中的每一个单元，表示了有一个用户机与每个单元内的一个定向天线进行通信，天线使用频段F3。在单元104，用户212使用天线通信覆盖了区域124，在单元204，用户214与覆盖了区域224的天线通信，而在单元206，用户216与覆盖了区域226的天线通信。

需要说明的是，这里表示的一个用户与每个天线进行通信的情形仅是举例，实际上，每个天线在其所覆盖的区域内要与众多的用户通信。

本发明一个特点是，任一天线所受到的干扰仅来自一个单元，而这个单元与受干扰天线所在单元不相邻。例如，对在单元104中使用频段F3总体指向如箭头232表示的天线的干扰，干扰仅仅来自那些指向总体指向如箭头236所示的天线的用户。

本发明的一个特点是，频段重复使用的方法，避免了相邻两个单元中，用户之间使用同样频率天线通信时的干扰。例如，单元206中的用户216和单元106的用户242，指向各自的天线(天线指向分别为236和246)，不会对单元104和204中使用频段F3的天线造成干扰。

需要指出的是，采用本发明天线指向的安排，取得了C/I比的显著改善。例如，采用网络100的天线指向安排，不对网络其它部分作修改，即可使C/I比达到28.6dB，相比之下现有技术网络50的C/I比值为16.1dB。

需要说明的是，网络100可以交换地使用，例如，更加有效使用分配给现有技术网络10的频频范围。通过使用21个频段，其中每3个等效于现有技术网络10频段F1-F7中的一个频段带宽，使得单位区域中可将更多用户联入。

图4局部详图中，本发明最佳实施例网络100中一个单元。图4实施例给出了一个常规电话网络，蜂窝通信取代了基站与固定台站间的电线。

单元标号为300，一般包括一个基站302和3个天线304、306和308，每个天线覆盖了单元的120°范围，以α角表示。单元300一般还包括许多固定台站，这里只表示了一个台站310。每个台站联接了许多固定端口，如电话机312、314和316，它们一般是通过电线联接的。

每个固定站310中，包括一个定向天线，它与所面向的天线通信。在图3中，固定站310的天线318与天线308通信。

需要说明的是，实际上天线318的波束角小于120°，以减少其它天线的干扰。通常天线318的实际波束角可以是30°、60°，以β角表示。利用固定站的定向天线，如天线318，实际通信距离增加了，因而大量单元可投入使用。

图5局部详图中，具体说明了本发明第二最佳实施例一个蜂窝网络单元。图5实施例仅详述了蜂窝电话网络的一个单元，与在两个位置的一个车台的通信情况。

标号为400的单元，一般包括一个基站402，它有3个定向天线，即404、406和408，以及大量非台站(移动式)电话。现仅对安装在车号410、天线为412电话详加讨论。

本发明的一个特点是，天线412固定在任何合适的装置上，诸如一个旋转装置，它可以使天线412全向转动，因此使得该天线能够始终对准基站402的天线408，而不受车辆机动的影响。正如图5所示，当车410如箭头414所示那样改变运行方向时，天线方向随即改变到标号为416的方向上，使其仍指向天线408。

值得一提的是，以上所述实施例只是举例性叙述，对其许许多多改进，都属于本发明内容范围。一个非限定的例子是，在网络100每个基站中使用6个定向天线。换言之，可以使用任何所需要的重复使用系数来适应网络给定的频率范围。

需要说明的是，本发明不限定于运程通信网络。相反，上述实施例以及其它修改，可以为远用蜂窝通信的任何通信网络形式所使用。

提请本技术领域人士注意，本发明不限于以上所阐述和特别说明的场合。本发明范围由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种通信网络(100)，在地域上分成多个蜂窝单元(104，106，108，104，204，206，300)，每个单元具有一个基站(114，116，118，302，402)基本位于其中心处，每个基站包括至少三个定向天线(304，306，308，404，406，408)，每个定向天线在其蜂窝单元的至少一个对应的辐射状扇区(120，122，124，224，226)中工作，与至少一个单元(212，216，242，310，410)通信，所述网络具有多个空分传输频率，所述网络其特征在于：

·所有所述频率被分成组(F1，F2，F3)，所有所述组存在于每个蜂窝单元中，每个所述组对应于至少一个所述频率；

·每个扇区被赋予至少一个所述频率组，其中包括所述至少一个频率组的每个所述扇区以相同的循环顺序定位在所有单元中；

·每个蜂窝单元具有所述扇区特定循环定向，所述特定循环定向相对于所述网络固定，使得在所述网络的至少二个相邻蜂窝单元中，工作于相似频率组的所述基站的所述天线朝向不同的方向；

·每一个所述单元(212，216，242，310，410)具有定向天线(318，412)。

2.根据权利要求1所述的通信网络，其中所述网络是蜂窝网络。

3.根据权利要求1所述的通信网络，其中所述网络是电信网。

4.根据权利要求1所述的通信网络，其中所述网络是蜂窝电信网。

5.根据权利要求1所述的通信网络，其中对应每一个定向天线的所述至少一个辐射状扇区的每一个是所述蜂窝单元的不同辐射状扇区。

6.根据权利要求5所述的通信网络，其中所述不同辐射状扇区是不重叠的。

7.根据权利要求6所述的通信网络，其中所述至少二个相邻蜂窝单元是包括二个或更多蜂窝单元以形成所述通信网络。

8.一种在覆盖区域的地域分布通信网(100)中分配频率的方法，包括步骤：

将所述区域分成多个蜂窝单元(104，106，108，104，204，206，300)，每个单元具有一个基站(114，116，118，302，402)基本位于其中心处，每个基站包括至少三个定向天线(304，306，308，404，406，408)，每个定向天线在其蜂窝单元的至少一个对应的辐射状扇区(120，122，124，224，226)中工作，与至少一个单元(212，216，242，310，410)通信，所述网络具有多个空分传输频率，所述方法，还包括步骤：

·将所有的所述频率分成组(F1，F2，F3)，所有的所述频率组在每个蜂窝单元中存在，每个所述组对应至少一个所述频率；

·对每个扇区赋予至少一个所述频率组，其中包括所述至少一个频率组的每个所述扇区以相同的循环顺序定位在所有单元中；

·对每个蜂窝单元，提供所述扇区特定循环定向，所述特定循环定向相对于所述网络固定，使得在所述网络的至少二个相邻蜂窝单元中，工作于相似频率组的所述基站的所述天线朝向不同的方向；

·对每一个所述单元(212，216，242，310，410)提供定向天线(318，412)。

9.根据权利要求8所述的通信网中分配频率的方法，其中所述网络是蜂窝网络。

10.根据权利要求8所述的通信网中分配频率的方法，其中所述网络是电信网。

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