CN1115889C - 移动无线通信蜂窝系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝移动无线电系统，包括若干组合成相同模式的小区，每个模式中至少有两个小区在空间上周期性地重复，所述系统的特征在于，通过叠加若干移动无线电系统的平面得到所述移动无线电系统的平面，每个移动无线电系统的每个模式都有不同数量的小区，这些移动无线电系统为常规系统，即与类似小区相关联的频率组相同的系统。根据本发明的系统，可以使用可用频谱，同时能最小化因衰落和干扰造成的无线电信号传输质量下降。

Description

蜂窝移动无线电系统

技术领域

本发明涉及蜂窝移动无线电系统。

背景技术

在现有技术的蜂窝移动无线电系统中，移动台通过发射/接收装置，例如固定安装的基站收发信台进行通信。

基站收发信台的地理覆盖区域称作小区，而且它是移动台接收到的电场足以保证其正常运行的区域。这些小区由六角形示意性表示。

每个小区都有一个频率或一组互不相同的频率，用于基站收发信台和其覆盖区域内的移动台之间交换无线电信号。从理论上讲，分配到每个小区的频率数取决于该小区内的预期通信业务量：对于通信量不大的小区，只需要一个频率，而对于通信量大的小区，至少需要两个不同的频率。通常(但不总是)，每个传输方向上有一个频率。

超出距离基站收发信台的限定距离时，接收到的电场很弱；以同一频率传输并且间隔至少上述限定距离的两个信号之间的相互作用因而实际上察觉不到。因此就有可能再用这些频率。这种频率再用导致构成若干小区组(也称作模式)，每个模式的小区数(至少两个)取决于可用频率数。

每种模式只使用来自其不同频率组的频率，而彼此相同的模式，即由相同小区组成，周期性重复以提供对所需区域的无线电覆盖。这种重复通常是有规律的，即每种模式的相对位置相同。然而，有规律的重复并不是强制性的，特别是在覆盖区域存在不规律性的情况下。

在现有技术系统中，所有类似小区，即在这些模式中相对该模式的其它小区所占位置相同的不同模式的小区，使用相同频率或相同频率组。

由于移动无线电系统的可用频谱受限制，在最少频率数的使用和所传送的无线电信号的质量之间应当得到折衷，特别是包含语音的信号。

这些信号的质量实际上受两种主要现象的影响。

首先是由无线电波的多径传播造成的衰落：无线电波的传播路径根据遇到的障碍物(建筑物，地形，金属体等)而改变，这就导致接收机不止一次接收到具有不同时延的相同信号。这种情况会产生一个驻波系统，在其波节处所产生的信号会消失或事实上消失。这种现象称为瑞利衰落。

驻波系统的波节位置显然与发射信号所用频率以及发射机、接收机和障碍物的相对位置有关；准确地说，其依赖于所发射信号的波长以及障碍物和发射机之间及障碍物与接收机之间的相应距离，这些因素确定了衰落的程度。

当低于接收信号电平的下限时，接收机就不再能使用接收的信号，也就是说，所发送的信息内容不能到达其目的地。这显然表示信号质量严重下降，特别是在总是用同一频率发射信号时质量下降更厉害。

为降低衰落影响，循环改变频率；这就使衰落持续时间缩短到用户变得难以察觉该现象的程度。该原理称为循环跳频。

采用该原理时，系统的每个小区与至少两个不同频率相关联，而且在移动台和基站收发信台之间交换的无线电信号的频率随时间改变；在无线电信号的传输过程中，与所涉及小区相关联的频率组中的所有频率被一个接一个使用；这些频率的时序循环并且能被移动台和基站收发信台分辨。

如果在与所涉及小区相关联的频率组的一个频率上给定信号传输出现衰落，这个频率组包括 n个根据循环跳频原理以预定顺序一个接一个使用的频率，衰落只在每个循环的一部分时间(1/n)内出现，这相比只在出现衰落的频率上传输信号的情况，传输质量大为改善。

降低无线电信号传输质量的第二个现象是干扰。由于在一些业务量高的区域可用频谱有限而且小区半径小，可能出现两个相对靠近的小区使用相同频率或相同频率组的情况。

在这种情况下，在基站收发信台和这两个小区内的移动台之间发送无线电信号可能相互干扰，导致无线电信号事实上的完全干扰，从而导致传输质量严重下降。

干扰问题显然是普遍问题，即，它与在考虑循环跳频原理的移动无线电系统中的使用无关。

尽管循环跳频在存在衰落时能改善传输质量，但在干扰情况下不会令人满意。无线电信号能在类似小区内同时开始发送，这将被记录为与同一频率组相关联。在此情况下，在每个这些小区进行这种发送的循环周期(对于类似小区周期通常相同)恰好相同(这在 n次中能发生至少一次， n是与所涉及小区相关联的频率组中的频率数)。因此，在干扰出现相对频繁的情况下，不能通过采用循环跳频原理解决干扰问题。

作为一般原则，在现有技术的移动无线电系统中，每个模式均包括7个小区，即，一个中心小区和六个外围小区。在这种特殊情况下，每个小区“靠近”六个类似小区，因此构成了总传输干扰的六个潜在干扰源。

采用随机跳频能降低干扰的影响。该原理和循环跳频原理的使用相互排斥。

在随机跳频原理中，不是以循环方式及时改变无线电信号的发射频率，而是根据网络分配给每个信道的随机跳频规则，在激活信道时，利用与所涉及小区相关联的频率组中的频率随机改变无线电信号的发射频率。实际上，这种跳频并不真正随机的。在发送信号期间不是随机选择频率，而是根据预定的随机式法则选择，因此这种跳频可能更确切地应称为“伪随机”，措辞“随机”是用于表明在这些连续频率之间没有关系或只有部分关系。

在一些系统中，特别是在GSM系统中，传送信令的信号必须总是以相同频率发送，该频率称为信令频率。因此不能采用循环或随机跳频原理来发送这些信号。

随机跳频原理大大降低了使用相同频率组的相邻小区内的两个传输相互干扰的概率，因为利用频率的时序随机特性，在给定周期内同时使用同一频率传送两个信号的风险会大为降低(实际上大大低于1/n，其中n是每个小区中的可用频率数)。采用随机跳频原理能通过扩展干扰源使对每个频率的干扰级别均衡。

然而采用随机跳频原理产生一个问题，对于给定传送产生衰落的频率可能会“再现”，即在一个较短的周期内被连续使用多次，这是因为没有以循环方式一个接一个地使用与所涉及小区相关联的频率组中的频率。

例如，如果频率组包括频率f₁，f₂和f₃，假设f₁是出现衰落的频率，而且假设随机跳频的频率顺序是f₁f₁f₁f₂f₂f₃f₁f₁…，传送质量严重下降的次数要比采用循环跳频的情况多很多。

IEEE Journal On Selected Areas in Communication，vol.5 n°5，June 1987，New York US，p835-848，DORNSTETTER ET AL.“CellularEffciency With Slow Frequency Hopping：Analysis of the Digital SFH900 Mobile System”描述了一种蜂窝移动无线电系统，在该系统中，与属于不同和相邻模式，并且相对这些模式的其他小区在这些相应模式内占据相同位置的任何两个小区相关联的频率组部分相同，即它们包括至少一个相同频率和至少一个不同频率。

然而，在上述现有文献中描述的系统的目的并不是优化使用可用频谱，同时最小化因衰落和干扰所造成的无线电信号传输质量下降，而是实现具有少量小区(特别是3个小区)的模式的使用，而不考虑在这些情况下通常出现的严重干扰，这是通过增加可用频率数以及利用在每个新的频率再用距离不再完全相同而只是部分相同的频率组实现的。

发明内容

根据以上所述，本发明的目的是提供一种蜂窝移动无线电系统，其中最适合使用可用频谱，同时能最小化因衰落和干扰所造成的无线电信号传输质量下降。

本发明利用与类似小区相关联的频率组部分相同的特性以提供一种蜂窝移动无线电系统，在这种系统中最适合使用可用频谱，同时能最小化因衰落和干扰造成的无线电信号传输质量下降。

通过选择模式数P，对于所述模式，以此方式与类似小区相关联的频率组部分相同，而且模式数P与模式中的小区数N有特殊关系，本发明实现了在上述现有技术文献所述的系统中无法实现的附加结果；这个附加结果是改善了干扰源的地理分集。

本发明涉及一种蜂窝移动无线电系统，包括若干组合成相同模式(M)的小区，每个模式中至少有两个小区在空间上周期性地重复，而且：

——每个小区都与基站收发信机装置相关联，当移动台所处的地理区域对应于与所述收发信机装置相关联的小区时，基站收发信机装置发送无线电信号到移动台或从移动台接收无线电信号，

——每个所述收发信机装置利用与所述相关小区关联而且包括至少两个不同频率的频率组发送和接收无线电信号，与同一模式的小区相关联的频率组中的所有频率互不相同，

——在移动台和小区的收发信机装置之间交换的无线电信号的频率随时间变化，其结果是与所述小区相关联的频率组中的若干频率在所述无线电信号的发送过程期间被顺序使用，

——与分属不同且相邻模式(M)的任意两个类似小区(A1，A7)，即在所述相应模式内相对于这些模式的其它小区占据相同位置的小区，相关联的频率组部分相同，即包含至少一个相同频率和至少一个不同频率，

所述系统的特征在于，通过叠加若干移动无线电系统的平面得到所述移动无线电系统的平面，每个移动无线电系统的每个模式都有不同数量的小区，这些移动无线电系统为常规系统，即与类似小区相关联的频率组相同的系统。

利用本发明的系统，与相同频率相关联的两个小区彼此间分开的距离远大于常规系统中的距离，在常规系统中相邻模式的类似小区与同一频率组相关联。通过这种方式，实际上消除了总的传输干扰。

另一方面，对于本发明的系统的给定小区，存在着更多数量的干扰源，但从虽然属于所涉及小区所属的相邻模式，但只使用后者的某些相同频率的意义上说，这些干扰源是“局部”的。

在移动台和该小区的基站收发信台之间传送无线电信号期间，这些干扰源只这样作用部分时间，因为在本发明的系统中采用了跳频，而且与这些干扰源相关的频率组只有一部分和所涉及小区的相同。通过这种方式，干扰不是一直集中在同一频率周期，而是随时间分布到若干频率周期中，因此干扰到处分布低于可以接受的门限，从而能使用所发送的信号。

如果采用循环跳频原理，可降低衰落对信号传输质量的影响。

在本发明的一个较佳实施例中，所述模式为有N个小区的模式，本发明的系统包括P个含N个小区的模式，对于这些模式，与类似小区相关联的频率组部分相同。

N和P可以是无公因子的数。

这就得到一个由P个“单位”模式构成的“模式的模式”。

因此实际上本发明造成了所用模式容量的“事实”增加。不像常规模式中使用的所有频率两两不同，在利用本发明得到的“模式的模式”中，某些频率中被部分再用。

利用大大少于所需频率数的频率数就可方便地得到一个有N.P个小区的“模式”，如果这个模式的N.P小区的所有频率两两不同。这样就能优化使用可用频谱。

在本发明的另一个较佳实施例中，所述模式是有N个小区的模式，存在P*Q个含N个小区的模式，对于这些模式，与类似小区相关联的频率组部分相同。

例如，N＝9，P＝4而Q＝13。

本发明的系统使用时分多址(TDMA)原理更佳。在此情况下，可以在例如每个时隙改变频率。

本发明还涉及一种上面定义的本发明的蜂窝移动无线电系统的操作和维护设备，该设备包括用于为所述系统的每个小区分配频率的装置，其特征在于，所述分配装置使任意两个类似小区，即，属于不同且相邻的模式，而且在相应模式内相对这些模式的其他小区占据相同位置的小区，所关联的频率组部分相同，即，包括至少一个相同频率和至少一个不同频率，以及通过叠加若干个移动无线电系统的平面得到所述移动无线电系统的平面，每个移动无线电系统的每个模式的小区数不同，这些移动无线通信系统是常规系统，即与类似小区相关联的频率组相同的系统。

附图说明

根据下面借助非限定示意性举例对本发明一个特定实施例的描述将显示本发明的其他特征和优点。

在下面的附图中：

图1是使用含7个小区的模式的常规蜂窝移动无线电系统的简要示意图，

图2是使用含9个小区的模式的常规蜂窝移动无线电系统的简要示意图，

图3是本发明的蜂窝移动无线电系统的简要示意图，

图4是本发明的蜂窝移动无线电系统的主要基础设施单元的方框图。

在所有附图中出现的相同对象具有相同标记或字母。

这些附图涉及采用例如循环跳频的较佳情况。

具体实施方式

图1是常规蜂窝移动无线电系统10的平面图。这种系统的小区可简要表示为六边形。

系统10的平面图由包括7个小区(标号1-7)的模式M在空间有规律地重复构成。小区1位于模式M的中心，而小区2到7围绕小区1。每个模式M的轮廓在图1中由粗线表示。

作为例子，假定每个小区1到7与一组3个频率相关联，因此在给定模式M中使用的21个频率都不同。后面将这些频率组的每组都表示为与其所关联的模式M的小区相同的标号或字母。

图2是另一个常规蜂窝移动无线电系统20的平面图。

系统20的平面图由包括九个小区(标号A-I)的模式M′有规律的重复构成。每个模式M′的轮廓在图2中用粗线表示。

还是作为例子，假定每个小区A至I与单个频率相关联。后面将每个这些频率都表示成与其关联的模式M′的小区相同的标号或字母。

图3是本发明的蜂窝移动无线电系统30的平面图。系统30的小区的标号是通过将对应的系统10和20的叠加小区的标号和字母并列在一起得到的，标号的开头为字母。例如，从小区1和A的叠加得到的小区用A1表示。对得到的频率组也采用相同惯例。

由于模式M构成本发明的系统30的基本模式，所以最初的模式M的轮廓仍用粗线表示。然而，不像常规系统10，而且由于系统10和20的平面图的叠加，两个相邻模式M的类似小区并未完全使用相同的频率组。

例如，作为两个相邻模式的中心小区的小区A1和B1，共用频率组1的频率，但它们的相关全部频率组在频率A和B不同。

通过这种方式，在图3中生成了一个用标号M″表示的具有63(9*7)个小区的“模式的模式”，其轮廓用虚线表示。每个小区与一组4(3+1)个频率相关联。不像常规模式，在这个“模式”内使用的所有频率不是都不同。

因此，所使用的频率要比有63个小区的常规模式少，每个小区与一组4个频率相关联，在这个模式中使用的252(63*4)个频率都不同。本发明的模式M″只使用30(7*3+9)个不同的频率。

下面将比较在使用63个小区和252个频率的模式的系统中和在本发明的系统中在无线电信号传输质量方面的性能。

在小区容量相同的情况下，显然在使用63个小区和252个频率的模式的系统中，因干扰导致的质量下降要比在使用63个小区和30个频率的“模式”的系统中少得多。在类似图3所示的系统中，即使在模式内潜在的近干扰源的数量也很大。但前面已经解释，由于这些干扰源的频率组彼此间部分不同，并且采用了循环跳频，所以这些干扰源是“局部”干扰源。

通过这种方式，仅仅采用循环跳频就可以得到循环跳频和随机跳频的综合好处。

众所周知，在常规系统中只采用随机跳频的优点在于在移动台和基站收发信台之间传输给定信号期间干扰程度改变，而当采用循环跳频原理时，干扰程度实际上恒定。随机跳频使干扰“最终达到平衡”。

这可通过传输过程中所察觉到的干扰程度是其他许多传输引起的干扰程度的平均值的事实来解释。因此，干扰源越多，在干扰方面系统就越好。这个原理称为干扰分集。

在图3所示的系统中，干扰分集并不是通过采用随机跳频的原理实现的，而是通过部分再用相邻模式中的某些频率并对这些频率采用循环跳频实现的。

由于干扰随时间而变化(例如对于采用TDMA原理的系统，从一个时隙到另一个时隙变化)，所以在本发明的系统中可得到随机跳频的优点。

在使用TDMA原理的GSM系统中，在每个小区中必须部分保留一个信令频率(通常这意味着在第一个时隙期间保留)，用于传送包含移动台和基站收发信台之间的信令的信号。GSM标准禁止对特征表现为每帧的第一个时隙和和信令频率的逻辑信道采用跳频。

因此，在实施本发明的上述例子中，如果所涉及系统为GSM系统就必须遵守标准的规定。然而，对于不是信令频率上每帧的第一个时隙的时隙而言，即对于不是信令信道的逻辑信道而言，可以采用跳频原理。

在现有GSM蜂窝移动无线电系统中实施本发明并不需要对移动台或基站收发信台作任何改动。在GSM标准之下，基站收发信台已经装有采用这种或那种跳频原理的设备。

假设本发明以常规方式采用跳频原理，而且相比现有技术的唯一改变是频率分布，则不必修改移动台或基站收发信台。

另一方面，负责操作和维护的系统设备必须根据本发明的原理修改其频率规划软件。

这种操作维护设备发送频率规划以便在各个基站控制器实地实施，每个基站控制器负责预定的一组基站收发信台。

图4示出了一个运行频率规划软件401的操作维护设备40。设备40通常通过电缆链路41连接到若干基站控制器(BSC)42(图4中示出3个)，这些控制器又通过电缆链路44连接到它们所负责的基站收发信台43。应指出：图4只示出了与实施本发明直接相关的一些部件。

根据本发明原理编程的频率规划软件401操纵属于基站控制器BSC的控制装置421，以便将适当频率分配到每个小区(即，分配给基站收发信台43内的每个适当的控制装置431，这些控制装置又与基站收发信台43的收/发装置432相连)。

对于最初并未提供采用跳频原理的系统，必须如下修改移动台、基站收发信台及操作维护设备：

——在基站收发信台安装所需的附加收发信机(所需数量和相关频率组中的频率数相同)，如果还没有可用的转换装置则还需安装适当的转换装置，或在基站收发信台的收发信机上安装频率合成器，

——对移动台做同样的修改，

——修改操作维护软件以使频率规划符合本发明的原理。

当然，上述实施例只是本发明的一个应用实例。

例如，通过“叠加”两个以上常规系统也能得到适合本发明的系统。

类似地，叠加系统中的小区数不是必须没有公因子，即使这样的确能实现最佳频率使用。

例如，通过叠加分别具有9个、12个和13个小区的三个常规系统的平面图可得到一个适合本发明的蜂窝系统平面图。这将生成具有468(9*4*13)个小区的“模式的模式”，36(9*4)为9和12的最小公倍数，本发明的系统的基本模式为9个小区的模式。

如果这种9个小区模式的每个小区都与3个频率相关联(例如，在使用的每个常规系统内，每个小区只与一个频率相关联)，那么属于相邻模式的两个类似小区中的部分相同的频率组有两个频率不同。

用这种系统得到的优点与用图3的系统30得到的优点相同。

本发明也适用于某些小区被“扇区化”的系统，每个扇区具有收发信机装置，使其等效于一个小区。在前面的描述中，措辞“小区”应理解为具有这个广泛含义。

两个“相邻”模式并排放置，即，它们之间不被任何其它模式分隔，但它们又不必有公共边界。类似地，同一模式的小区也不必有公共边界。

同一模式的小区已经表示成相同的六边形。但是这种表示形式只是示意，因为这些小区可以有任意轮廓，并不要求所有这些小区具有完全相同的大小和形状。

同样也不要求所有频率组都包括完全相同的频率数。

最后，所述的任何装置也可以用等效装置来替换，而不偏离本发明的范围。

Claims (13)

1.一种蜂窝移动无线电系统，包括若干组合成相同模式(M)的小区，每个模式中至少有两个小区在空间上周期性地重复，而且：

——每个小区都与基站收发信机装置相关联，当移动台所处的地理区域对应于与所述收发信机装置相关联的小区时，基站收发信机装置发送无线电信号到移动台或从移动台接收无线电信号，

——每个所述收发信机装置利用与所述相关小区关联而且包括至少两个不同频率的频率组发送和接收无线电信号，与同一模式的小区相关联的频率组中的所有频率互不相同，

——在移动台和小区的收发信机装置之间交换的无线电信号的频率随时间变化，其结果是与所述小区相关联的频率组中的若干频率在所述无线电信号的发送过程期间被顺序使用，

——与分属不同且相邻模式(M)的任意两个类似小区(A1，A7)，即在所述相应模式内相对于这些模式的其它小区占据相同位置的小区，相关联的频率组部分相同，即包含至少一个相同频率和至少一个不同频率，

所述系统的特征在于，通过叠加若干移动无线电系统的平面得到所述移动无线电系统的平面，每个移动无线电系统的每个模式都有不同数量的小区，这些移动无线电系统为常规系统，即与类似小区相关联的频率组相同的系统。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述模式(M)为有N个小区的模式，存在P个含N个小区的模式，对于这些模式，与类似小区相关联的频率组部分相同。

3.根据权利要求2的系统，其特征在于，N和P是无公因子的数。

4.根据权利要求2的系统，其特征在于，N等于7，P等于9。

5.根据权利要求2中任意一项的系统，其特征在于，所述含N个小区的模式的每个小区与至少3个频率相关联，而且属于相邻模式的两个类似小区的部分相同的频率组只有一个频率不同。

6.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述模式(M)为有N个小区的模式，存在P*Q个含N个小区的模式，对于这些模式，与类似小区相关联的频率组部分相同。

7.根据权利要求6的系统，其特征在于，N等于9，P等于4而Q等于13。

8.根据权利要求6的系统，其特征在于，所述含N个小区的模式的每个小区与至少3个频率相关联，而且属于相邻模式的两个类似小区的部分相同的频率组有两个频率不同。

9.根据权利要求1至8中任意一项的系统，其特征在于，所述模式有规律地重复。

10.根据权利要求1至8中任意一项的系统，其特征在于，如果部分保留一个信令频率用于在移动台和基站收发信机装置之间发送信令，则发送所述信令的频率总是所述信令频率，其在发送所述信令期间不改变。

11.根据权利要求1至8中任意一项的系统，其特征在于，使用时分多址原理。

12.根据权利要求1至8中任意一项的系统，其特征在于，所述频率的时序循环而且遵循预定周期。

13.根据权利要求1至8中任意一项的系统，其特征在于，该系统还包括操作和维护设备，该操作和维护设备包括用于为所述系统的每个小区分配频率的装置，所述分配装置使任意两个类似小区，即属于不同且相邻的模式，而且在相应模式内相对这些模式的其他小区占据相同位置的小区，所关联的频率组部分相同，即包括至少一个相同频率和至少一个不同频率，以及通过叠加若干个移动无线电系统的平面得到所述移动无线电系统的平面，每个移动无线电系统的每个模式的小区数不同，所述移动无线通信系统是常规系统，即与类似小区相关联的频率组相同的系统。

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