CN1223781A

CN1223781A - 通过重新调整天线方向图优化覆盖的方法

Info

Publication number: CN1223781A
Application number: CN 97195977
Authority: CN
Inventors: 朱卡·莱姆皮埃宁
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1999-07-21

Abstract

本发明涉及一种通过改变天线方向图(14)来优化覆盖的方法。在本发明的一种解决方案中,基站(10),通过根据定时超前改变天线波瓣的形状,在垂直方向上将天线波瓣(14)定向到一个终端设备(11—13)。终端设备(11—13)离基站(10)越近,通过主要向下转动天线波瓣(14)或通过改变天线波瓣(14)的形状,天线波瓣(14)的定向越向下偏。这样,便可减小发射功率及其干扰。

Description

通过重新调整天线方向图优化覆盖的方法

本发明涉及一种优化覆盖的方法，该方法适用于基于TDMA的无线系统，该系统包括若干终端设备和基站，在该系统中，在时隙中发送信号，确定终端设备和基站之间的信号传播迟延，并对基站的天线波瓣进行定向。

典型的时分无线系统的一个例子是GSM(全球移动通信系统)。多址接入是通过提供若干载波来实现的，每个载波最多可同时有8个用户。为使这8个用户的信号可互相区分，这些信号在预定时隙以信息串发送。换言之，发射机只在一个预定的时间间隔发送。一帧包括8个用户的时隙，该帧的重复甚至允许发送大量的数据。

在现有技术解决方案中，基于时分的多址接入蜂窝无线系统的覆盖是通过调整发射功率和/或对天线波瓣在水平方向上进行定向来优化的。然而发射功率的调整并非总是可行的。具体地说，当接收机处在较远的位置或处在某一障碍物的后面时，发射机必须使用高发射功率。天线波瓣的水平定向的问题是基站必须知道终端设备所处的方位或位置。这一信息并非总是能得到的。通常基站只知道基站与终端设备之间的信号传播迟延。

本发明的目的是在基站不知道终端设备的位置或方位的情况下优化一个基站的覆盖区。另一方面，如果基站知道终端设备的位置或方位，则可以比现有技术更有效地优化覆盖区和波瓣的形状。

采用引言中所述的一种方法可达到这一目的，该方法其特征在于，针对用户终端，通过至少在垂直方向上改变天线波瓣的形状来对分配给终端设备的基站的天线波瓣进行定向。

主要优点可由本发明的方法达到。基站的天线波瓣的定向减小了在小区外所载送的发送量，因此也减小了蜂窝间的互相干扰。当天线波瓣被定向到某一终端设备时，还可使终端设备的发射功率降至最小，这便减小了无论小区内还是邻近小区中的总干扰电平。

下面，将参照附图中所述的例子详述本发明，其中

图1示出了基站的天线方向图的定向，

图2示出了基站的天线方向图的定向，

图3示出了基站的天线方向图的定向，

图4示出了基站的天线方向图定向到一个绕射点，

图5示出了天线方向图定向到一个绕射点，

图6示出了一个GSM帧，

图7示出了基站的一种结构，和

图8示出了一个布特勒(Butler)型天线结构。

本发明所提供的解决方案可用于基于时分的数字和模拟无线系统。这里，主要参照以一种数字TDMA方法工作的GSM蜂窝无线系统来描述本发明。

图1至3说明了在蜂窝无线系统的一个小区中对天线方向图进行定向的一种发明方法。图1至3示出了一个基站10和一些终端设备11-13。该基站10有一个可被定向的天线波瓣14。该天线波瓣14除了主瓣外，还包括与本发明无关的旁瓣15。下文中，天线波瓣的方向是指主瓣的主方向。

图1中，基站10与终端设备11通信，该终端设备最好是移动台。基站10的天线波瓣定向到终端设备11，这里，假定该终端设备11处在小区(基站10)的实际覆盖区的边缘附近。此时，终端设备11与基站10之间的信号传播迟延一般最长。

图2中，基站10与终端设备12通信，该终端设备比终端设备11更靠近基站10。基站10与终端设备12之间的信号传播迟延通常要比图1的情况短。这里，基站10的天线波瓣14基本上在垂直面上向下偏向终端设备12。所得到的好处在于，来自基站10的发射主要定向到终端设备12，而同时以比现有技术更小的角度定向到邻近小区(在该邻近小区中，来自基站10的发射会引起干扰)。另外，由于来自基站10的发射明显定向到终端设备12，因此，基站10所用发射功率可以比现有技术的发射功率低。在监听方式期间，也由于基站10的天线波瓣14定向到终端设备12，因此，终端设备12所用发射功率也比现有技术的发射功率低。

图3示出了本发明的另一种实施方式。通过改变波瓣的形状，也可对基站10的天线波瓣14进行定向。这可以例如通过简单地在垂直方向上减小或增大天线波瓣14的宽度来实现。本实施方式可与上述实施方式结合起来应用或单独应用。当终端设备13靠近基站10时，基站10的天线波瓣14可在垂直方向上加宽，从而，天线波瓣即主瓣14也延伸到终端设备13附近。天线波瓣14以低功率向远处辐射，因此，在邻近小区中引起的干扰小。当基站10向远端台发送或监听远端台时，将天线波瓣14变窄。这种情况与图1中窄天线波瓣14定向到终端设备11的情况相同。

图4示出了又一种情况，除终端设备12处在低谷中或障碍物后面从而直射线无法从基站10的天线波瓣14直接照射到终端设备12外，与图2相似的情况。此时天线波瓣14定向到一个绕射点16。障碍物的边缘挡住了部分辐射，但该边缘同时是一个绕射点16，根据Huygens原理，它起着一个新的波阵面的源的作用，载送着信号的电磁辐射由此绕射到终端设备12的接收天线。由于电磁辐射以相同的方式双向传播，因此，由该绕射也可能实现从终端设备12到基站10的连接。

图5涉及天线波瓣即天线方向图14的调整。在本发明的一个优选实施方式中，基本上可根据要求来调整天线波瓣。在本例中，调整天线波瓣14，使得波瓣14的主方向朝向绕射点16，部分信号从此处散射到终端设备12。另一方面，如果所产生的散射不足，则终端设备12还可监听反射的发送。与图1至4相比，其不同之处在于，天线波瓣14相对于天线波瓣14的主方向(主轴)是非对称的。因此，终端设备11和13监听不到或很少监听到发向终端设备12的信号。

图6示出了GSM系统的一个TDMA帧。该帧包括8个时隙1至8，这些时隙代表某个终端设备或基站可发送或接收信号的瞬间。该帧中的各个时隙的信号使用同一载波，且这些信号通过时分被彼此分离。在一个时隙中，通常发送一个包含数据的信息串，例如一个包括起始和终止比特、数据比特以及训练序列比特共248比特的标准信息串。一个时隙，包括一些保护时间段在内，最多可占256.25比特，而一个时隙的持续时间是3.692μs，由此得出一帧的持续时间是576.92μs。

在本发明的一个优选实施方式中，基站10的天线波瓣14在每个时隙中最好分别定向到每个用户即终端设备11-13。当然，定向最好通过将天线波瓣转向一个终端设备11-13或一个绕射点16来实现。

图7是基站10的一个典型结构的必要组成部分的框图。在接收端A，基站10包括一付天线50、射频装置51、一个模拟/数字转换器52和一个解调器53，如果需要，信号由此传播到一个基站控制器或类似装置(图中未示出)。在发射端B，基站10包括一个调制器56(该调制器从基站控制器接收数据)、射频装置57和一付天线50。该天线50的操作最好用一种发明方法由天线控制器60根据从控制装置得到的一个控制信号来控制。天线控制器60依次由天线控制装置59控制，该天线控制装置59附属于控制装置58，控制装置58控制基本上所有发射机和接收机块的操作。射频装置51将射频信号降至中频，随后，A/D转换器52将该信号转换为数字形式。该数字信号例如在解调器53中被解调。相应地，该信号例如在调制器56中被调制，随后，该数字信号由射频装置57转换为射频信号，该射频信号由天线50输出。该基站最好采用一些数字信号处理装置处理该数字信号，这些数字信号处理装置通常是基于微处理器的ASIC或VLSI电路。

在本发明的这一解决方案中，当信号被发送时，最好考虑信号从发射机到接收机的传播迟延。由于不论发射机和接收机之间的距离有多远，其接收时刻必须相同，因此，发射到远处接收机的信号要比发射到附近接收机的信号先发射。因此指定给远处接收机的时隙采用适当的定时超前来发射。该适当的定时超前的确定如现有技术中所述。在本发明的这一解决方案中，天线波瓣的方向最好随定时超前而改变，从而定时超前越短天线波瓣越向下倾斜。通过改变波瓣的主方向或采用更大的垂直面上的宽度或用其他方式调整该波瓣可实现这一向下倾斜，从而使信号最佳地到达终端设备。如果直射线无法从该基站直接照射到该终端设备，则波瓣的主方向最好指向一个绕射点，信号由此绕射到一个终端设备。信号从发射机到接收机的传播迟延由控制装置58确定，该装置还确定该信号发射所需的定时超前。

在本发明所提供的这一解决方案中，发射机和接收机可以共用一付天线或使用各自的天线50。该天线50通常是一个天线群，它允许对这些天线进行定相，从而可转动和/或调整该天线波瓣。一种可能的天线群方案如图8中的布特勒型天线，它可以是线性平面的(二维的)也可以是全向的。在这种天线方案中，布特勒矩阵(相当于图7中的天线控制器60)对从天线单元得到的信号进行定相。于是控制装置58确定终端设备11-13的距离(信号的传播迟延)，而天线控制装置59根据从控制装置58得到的信息确定这些天线的定相和幅度。天线控制器60根据从天线控制装置59得到的一个控制信号控制该天线50。天线控制装置即此处的开关矩阵(Switch matrix)59的输出端个数与实际的天线波瓣14的个数相同。不过，该天线波瓣的个数不必与天线50的个数相同。布特勒型天线群50的定相一般是固定的，据此，可从固定个数的天线波瓣中选择一个具有所要求的方向或形状的波瓣14。另一种可能的天线群方案是一种自适应天线，这种天线的方向图是不固定的，而可以根据需要改变和调整。

根据本发明的天线波瓣的垂直面上的改变最好与天线波瓣的水平面上的改变相结合，从而可将天线波瓣更精确地定向到终端设备，并可减小小区内和小区外的干扰。无论在乡村情况下尤其在市区情况下，本发明的方法都改善了覆盖。

尽管以上参照附图中所举的例子描述了本发明，应当理解，本发明并不局限于此，而可以在附属权利要求书中所述本发明思想的范围内作多种变化。

Claims

1．一种优化覆盖的方法，该方法适用于基于TDMA的无线系统，该系统包括若干终端设备(11-13)和基站(10)，在该系统中，在时隙中发送信号，确定终端设备(11-13)和基站(10)之间的信号传播迟延，并对基站(10)的天线波瓣(14)进行定向，其特征在于，通过至少在垂直方向上改变天线波瓣(14)的形状，针对用户终端，来对分配给终端设备(11-13)的基站的天线波瓣(14)进行定向。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，天线波瓣(14)定向到终端设备(11-13)。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当终端设备(11-13)和基站(10)之间由于某障碍物而没有直射线时，则天线波瓣(14)定向到终端设备(11-13)和基站(10)之间的该障碍物的某一边缘(16)，从而使部分波瓣(14)绕射到一个终端设备(12)。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据终端设备(11-13)和基站(10)之间的信号传播迟延，针对用户终端对天线波瓣(14)进行定向。

5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当终端设备(11-13)和基站(10)之间的信号传播迟延长时，将天线波瓣(14)变窄来改变天线波瓣(14)的形状，而当终端设备(11-13)和基站(10)之间的信号传播迟延短时，将天线波瓣(14)变宽来改变天线波瓣(14)的形状。

6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个时隙(1-8)，对基站的天线波瓣(14)进行重新定向。

7．如权利要求1所述的方法，其特征在于，发向终端设备(11-13)的信号的传播迟延越短，基站的天线波瓣(14)的定向越向下偏。

8．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当在基站(10)处的天线(50)采用一种天线群时，通过改变天线群中各天线的相互定相，对基站的天线波瓣(14)进行定向。

9．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当根据终端设备(11-13)和基站(10)之间的信号传播迟延，为一个时隙(1-8)确定定时超前时，该定时超前越短，该天线波瓣(14)随着该定时超前其定向越向下偏。

10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，基站的天线(50)基本上是水平面上的全向天线，它至少可在垂直方向被定向。