CN1669348A - 用于移动通信业务的电信无线电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于移动通信业务的电信无线电系统。更具体地说，本发明涉及覆盖移动通信业务的大型分区区域。

Description

用于移动通信业务的电信无线电系统
发明领域
本发明涉及用于移动通信业务的电信无线电系统。更具体地说，本发明涉及覆盖移动通信业务的大型分区区域。
发明背景
众所周知，移动通信网由无线无线电网络部分和固定核心网部分构成。无线无线电网络部分为一个区域提供服务，允许该区域中的移动台与基站进行无线通信。基站连接到固定核心网络部分。
在Akari K.所著的“全国性的移动无线电系统的基本问题”(Review of the Electrical Communication Laboratory，Vo.16(1968)，357-373)和MacDonald V.H.所著的“蜂窝原理”(the Bell SystemTechnical Journal，VoL.58(1979)，15-41)中，将要服务的区域划分成称为小区的形式一致的六角形，同时将基站设置在小区的中心。在最简单的情况下，信号从该中心通过全向天线发射出去。如今，通常采用三个分区，即通过固定在基站上的分离天线将小区划分成三个扇区，且每个扇区具有120度的孔径角。每个扇区具有一定容量，即该扇区中每射频载波可同时服务的平均最大移动设备数量。
原始的同构蜂窝原理(homogenous cellular concept)可从几个方面加以概括。在“蜂窝原理”一文中对通过减少直径(小区分裂)使小区大小适应不同的业务密度作了描述。
在Lorenz R.W.所著的“Kleinzonennetze für denMobilfunk”(Nachrichtentechnische Zeitschrift，Vol.31(1978)，192-196)中提出将一个小区划分成6个扇区，每个扇区的角度为60度，这种划分可见于几种移动无线电网络中。在Halpern S.W.所著的“蜂窝系统中的重用划分”(Proc.33rd IEEE Vehicular TechnologyConference(1983)，322-327)一文中，将全向和三分区系统进一步划分成同心环。此概念随后被Nokia公司以GSM系统的“智能下向延伸-上向覆盖(Intelligent Underlay-Overlay)”特征的形式在技术上加以实现。本原理的特点是每个同心环中有相同数量的扇区。
在实际中，存在与相关文献的理想几何形状或多或少的显著偏差。这是由地貌、业务和捕获引起的，表现为因基站位置不理想造成的六角形几何形状变形。尽管如此，基站通常位于它所服务的区域的中心，将该区域划分成最多6个扇区。
基站对地位置较低，即低于50米。不考虑设置较高的基站，因为它们会在应用上述理论时引起不期望的高干扰。
如今很少使用全向天线，而是采用双分区来实现直线覆盖，例如公路覆盖和铁路覆盖。
由DE 10006621 A1可知，天线可以是z轴旋转对称形状。采用这样的一个天线，不可能创建符合现有标准如GSM、TDMA、CDMA和UMTS的分扇区小区。
由JP 2002186018A可知一种用于在扩频通信系统中动态改变业务信道分区的系统和方法。这允许根据扩频蜂窝通信系统中用户分布的变化来改变业务信道的集中。它未提供一种在区域中创建无线电覆盖的解决方案。
由JP 2002107439A可知，到达方向估计装置可具有八个定向天线。这些天线不适合于在区域中创建无线电覆盖。
获得UMTS许可证一直对电信公司的资源构成极大压力。需要迅速构建大型的UMTS无线电网络，以覆盖至少较大城市。然而，缺乏合适的站场(site)来放置基站，并且在后续有关现有站场的协商中存在相当大的问题。而且，由于必需与其它各方协调并频繁地重复重新规划无线电网络，导致耗费大量时间。
因此，UMTS无线电网络建设将只可能以非常慢的节奏，付出巨大的经济支出来进行。而且，预计将会得到一个充满覆盖漏洞(coverage hole)的网络。
问题定义
用于移动通信业务的电信无线电系统的建设是既耗时又昂贵的，因为需要许多基站，以便能够覆盖大型区域。
发明目的
本发明旨在能够较快较经济地创建一个用于移动通信业务的电信无线电系统，它可覆盖任意大小和/或形状的区域(如整个城镇或国家)，同时可以相对容易地改变覆盖区域的容量。
发明概述
本发明提供了一种解决方案，它能够较快较经济地创建一个用于移动通信业务的电信无线电系统，这种无线电系统可覆盖任意大小和/或形状的区域(如整个城镇或国家)，同时可以相对容易地改变覆盖区域的容量。本发明可适用于采用分区区域的任何电信无线电网络，如GSM、TDMA、CDMA和UMTS等。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于移动通信业务的电信无线电系统，其包括至少一个基站。所述基站包括至少两个天线，并位于一个站场；所述基站覆盖一个区域，所述区域被所述天线划分成许多扇区。例如，可以有至少6个扇区、至少12个扇区、至少24个扇区或至少48个扇区。
每个扇区可由一个单独的天线服务，或者许多扇区可由一个或多个相位受控的天线服务。
覆盖区域所需的扇区总数可以计算为每个扇区的大小和每个扇区中所需场强度的函数。
所述站场是高度至少距离安装地面50米的高结构，高度范围可在90米到320米之间。所述高结构可以是例如塔、烟囱、无线电塔、摩天大楼或甚至在某个固定位置处盘旋的飞艇。所述基站位于所述站场上高度距离安装地面至少50米的位置处，如可能，高度范围在距离安装地面90米到320米之间。采用高结构并创建大量扇区的优点在于，这样有可能覆盖移动通信业务的大型区域。因为天线和移动设备之间有纯净的信号(信号之所以纯净是因为基站位于这样的高站场上，以致不会受到移动设备周围的建筑物的干扰，并且还因为没有周围基站的干扰)，以及因为高集群增益(因为有大量扇区，天线采用具有高增益的小波束)，因此即使在都市区域中，大型区域也可被位于高站场上的基站所覆盖。
天线布置在第一同心环中，所述第一同心环在所述站场的纵轴的第一正交平面内。天线还可以布置在第二同心环中，所述第二同心环在所述站场的纵轴的第二正交平面内，其直径大于所述第一同心环。采用两个同心环的优点在于，分区可以非常密集，确保在地平面有足够的功率流密度以及覆盖区域有足够的容量。第一正交平面可以与第二正交平面相同。第二同心环上的天线数量可以多于第一同心环上的天线数量。第二同心环上天线的水平角范围可以小于第一同心环上天线的水平角范围。第一同心环上天线的垂直孔径角可在8到12度的范围内，最好为10度。第二同心环上天线的垂直孔径角可在3到6.5度的范围内，最好为5度。采用这些设置的优点是，可以实现待覆盖的整个区域中-21毫瓦分贝/平方米的相对均匀的功率流密度(假定每扇区10瓦发射功率)。另一优点是，在移动电话上，这将对应于-49毫瓦分贝的电平，这对室内覆盖也已足够。
所述区域可以由第一同心环上的天线划分成24个扇区，以及由第二同心环上的天线划分成72个扇区。一个或多个扇区的形状和/或大小可以通过开启或关闭一个或多个天线、通过改变一个或多个天线的水平角范围或改变一个或多个天线的垂直孔径角而加以改变。
可以将至少一个天线布置在所述站场的纵轴的第三正交平面内，以覆盖所述站场附近地带内的区域。第三正交平面应该位于高度低于50米的位置处。
所有天线工作在一个频率上。工作在不同频率上的常规基站可以放置在区域内，以便处理本地的大业务量。
还提供了一种在用于移动通信业务的电信无线电系统中使用的基站，所述基站包括以上所述的任意特征。
还提供了一种在用于移动通信业务的电信无线电系统所用基站中使用的天线，所述天线包括以上所述的任意特征。
还提供了一种包括用于移动通信业务的电信无线电系统的移动网络，所述电信无线电系统包括以上所述的任意特征。
本发明除了具有可覆盖任意大小和/或形状的区域(如整个城镇或国家)，同时可以相对容易地改变覆盖区域的容量的优点，还具有其它优点。
本发明的一个突出优点是，可以构建同构网络(homogenousnetwork)(没有因不同基站的不同传播路径引起的干扰问题和因障碍物引起的路径损失)，从而有可能在各扇区中取得高传输容量。由于在扇区边缘重叠，因此可借助宏分集补偿功率损失，从而实现良好的软切换。
另一优点是，采用集中站场，即可如上所述覆盖大型区域的高站场可在固定核心网中实现可观的节约，因为只需要较少的基站连接到固定核心网，所以。而且，可以节约建设、维护时间和成本，以及减少共享大范围的电源和电缆所需的协调工作。在集中站场构建基站可以“在一夜之间”完成，从而形成竞争优势，因为可以立刻无任何缺陷地获得大范围的同构网络。
附图简述
下面将参考附图所示的示范性实施例更详细地说明本发明，附图中：
图1以示意侧视图显示了塔形式的高站场。
图2显示了具有两个天线环的塔的顶视图，其中，所述天线环在分区布局中彼此成同心状布置。
图3以示意侧视图显示了另一个高站场。
本发明详细说明
为了阐明本发明，下面按顺序描述本发明的方法和系统的优选实施例。本领域的技术人员显然清楚，在没有背离本发明的真实精神的情况下，可以构思出其它替代的和等效的实施例，并可加以简化以便实施，本发明范围仅由最终授予的权利要求来限定。
根据本发明的电信无线电系统使得有可能采用密集分区系统从仅仅一个站场覆盖整个城镇或一个国家等大型区域。这有助于避免背景中述及的几乎所有问题。
采用集中站场，即可以覆盖大型区域的站场，可在固定核心网中实现相当大的节约，因为只需要较少的基站连接到固定核心网。还可以节约建设、维护时间和成本，以及减少共享大范围的电源和电缆所需的协调工作。
在集中站场构建基站可以“在一夜之间”完成，从而形成竞争优势，因为可以立刻无任何缺陷地获得大范围的同构网络。
本发明适用于采用分区区域的任何电信无线电网络，如GSM、TDMA、CDMA和UMTS等。以下描述以UMTS作为示例。
UMTS电信无线电系统可以采用现有电视塔来实现，所述电视塔高度为距离安装地面至少50米，高度最好为90米到320米。例如，电视塔高度为280米。
在此实施例中，为了在地平面实现足够的功率流密度以及为了在覆盖区域获得足够的容量，分区必需密集。这可以通过采用两个天线环来实现，外环分区密度更密，因为面积随距离增长呈二次增长而导致更大的环面积。内环将包括确定24个扇区的24个天线，因此每个扇区的水平角范围为15度。外环将包括确定72个扇区的72个天线，因此每个扇区的水平角范围为5度。采用了可以产生具有高增益的小型波束的天线。内环天线的垂直孔径角应该为10度，将以大约5度倾角覆盖1公里-3.2公里的距离范围。外围天线的垂直孔径角应该为5度，并以大约2.5度倾角覆盖3.2公里-6.4公里的距离范围。在此配置中，每个扇区(从内部或外部天线)覆盖大约1.33平方公里的区域。
这会在整个待覆盖区域中导致-21毫瓦分贝/平方米的相对均匀的功率流密度(以每扇区10瓦的发射功率)。此功率流密度在移动电话(0dBi天线)上对应于-49毫瓦分贝的电平(假设视线(assumingline of sight))。利用此电平，应该可以实现充分的室内覆盖。本示例中应用本发明的另一优点是，可以构建同构网络(没有因不同基站的不同传播路径引起的干扰问题和因障碍物引起的路径损失)，从而有可能在各扇区中取得高传输容量。以足够容量覆盖所有移动设备所需的扇区数量取决于扇区大小和所需场强度。由于扇区边缘重叠，因此可以借助宏分集补偿功率损失，从而可以实现良好的软切换。常规移动通信无线电网络中所需要的个别邻区小区规划可以为简单的分类系统所替代：从内环，一个扇区最多7个邻居；从外环，一个扇区最少3个(和/或4)个邻居。
在此实施例中，系统可以使用均只在一个频率上工作的天线。这意味着可以设想有大约50000个客户(每UMTS信道同时10个应用、96个扇区和20mErl/每客户)，这对初期的UMTS已经足够。
未来的容量需求也得到了保证。可以对扇区进行形状移位来改变其容量，方法是通过开启或关闭启用或禁用整个扇区的天线，或者改变天线的水平角范围和/或垂直孔径角和/或倾角。在扇区中有特别重的业务量的情况下，由于已知角度和距离(由时延计算得到)，故可以非常精确地确定此业务量的源点。因此，可以在那里在不同于第一频率的第二频率上构建具有在本地为此“热点”服务的基站的UMTS站场。其优点将是，不必推测关于“热点”的位置，而是可以非常具体地确定这些信息，随后可以仅在该处构建其它基站。
通过使用高站场(高定义为距离安装地面至少50米)并创建大量扇区，就有可能覆盖移动通信业务的大型区域。因为天线和移动设备之间有纯净的信号(信号之所以纯净是因为基站位于这样的高站场上，以致不会受到移动设备周围的建筑物的干扰，并且还因为没有周围基站的干扰)，以及因为高集群增益(因为有大量扇区，天线采用具有高增益的小波束)，因此甚至在都市区域中，大型区域也可被位于高站场上的基站覆盖。
图1所示的塔1具有至少为50米的高度H，H最好为大约90米到320米。可以采用任何高结构取代塔，例如但不限于烟囱、无线电塔、摩天大楼或甚至可以是在某个固定位置处盘旋的飞艇。在距安装地面2距离为D处，布置了至少一个天线环3，其中每个天线确定一个扇区。距离D应该在50米到450米的范围内。环3可位于塔顶，因此距离D等于高度H。
在根据图2的实施例中，提供了两个天线环，即外环4和内环5。内环5具有天线确定的24个扇区6，每个扇区包括15度的水平角范围。外环4被划分成72个扇区7，每个扇区包括5度水平角范围。一般而言，在使用至少6个天线确定6个扇区时，只使用一个天线环也是可行的。
内环的垂直孔径角为10度，以10度倾角覆盖范围在1公里到3.2公里的距离。外环的垂直孔径角为5度，以2.5度倾角覆盖范围在3.2公里到6.4公里的距离。
因此，每个扇区6或7(内部或外部)覆盖大约1.33平方公里的面积。
在图3中，显示了另一个高站场，该站场位于安装地面2上。两个或两个以上的天线可以布置在同心环3中，所述同心环3在高站场1的纵轴5的正交平面4内。这些天线可以连接到高站场的外部，它们可以连接到一个位于高站场周围的框架上，或者可以采用将这些天线布置在同心环中的任何其它建筑物。

Claims (25)

1.一种用于移动通信业务的电信无线电系统，其包括至少一个基站，所述基站包括至少两个天线，所述基站位于一个站场，所述基站覆盖一个区域，所述区域被所述至少两个天线划分成许多扇区，其中：
所述站场是高度至少距离安装地面50米的高结构，
所述基站位于所述站场上高度距离安装地面至少50米的位置处；以及
所述至少两个天线布置在第一同心环中，所述第一同心环在所述站场的纵向轴的第一正交平面内。
2.如权利要求1所述的电信无线电系统，其特征在于：所述站场的高度在距离安装地面90米到320米的范围内；以及所述基站位于所述站场上高度距离安装地面90米到320米之处。
3.如权利要求1-2所述的电信无线电系统，其特征在于：每个扇区由单独的天线服务。
4.如权利要求1-2所述的电信无线电系统，其特征在于：所述许多扇区由一个或多个相位受控的天线服务。
5.如权利要求3-4所述的电信无线电系统，其特征在于：有至少6个扇区。
6.如权利要求3-4所述的电信无线电系统，其特征在于：有至少12个扇区。
7.如权利要求3-4所述的电信无线电系统，其特征在于：有至少24个扇区。
8.如权利要求3-4所述的电信无线电系统，其特征在于：有至少48个扇区。
9.如前述任意一项权利要求所述的电信无线电系统，其特征在于：所述一个或多个天线布置在所述站场的所述纵轴的第二正交平面内的第二同心环中。
10.如权利要求9所述的电信无线电系统，其特征在于：所述第一正交平面与所述第二正交平面相同。
11.如权利要求9-10所述的电信无线电系统，其特征在于：所述第二同心环上的天线数量大于所述第一同心环上的天线数量。
12.如权利要求9-11所述的电信无线电系统，其特征在于：所述第二同心环上所述天线的水平角范围小于所述第一同心环上所述天线的水平角范围。
13.如权利要求12所述的电信无线电系统，其特征在于：所述第一同心环上所述天线的垂直孔径角在8到12度的范围内，最好为10度。
14.如权利要求12-13所述的电信无线电系统，其特征在于：所述第二同心环上所述天线的所述垂直孔径角在3到6.5度的范围内，最好为5度。
15.如权利要求11-14所述的电信无线电系统，其特征在于：所述区域被所述第一同心环上的所述天线划分成24个扇区，而被所述第二同心环上的所述天线划分成72个扇区。
16.如权利要求1-15中任意一项所述的电信无线电系统，其特征在于：一个或多个扇区的形状和/或大小可以通过开启或关闭一个或多个天线而加以改变。
17.如权利要求1-15中任意一项所述的电信无线电系统，其特征在于：一个或多个扇区的形状和/或大小可以通过改变一个或多个天线的所述水平角范围而加以改变。
18.如权利要求1-15中任意一项所述的电信无线电系统，其特征在于：一个或多个扇区的形状和/或大小可以通过改变一个或多个天线的所述垂直孔径角而加以改变。
19.如前述任意一项权利要求所述的电信无线电系统，其特征在于：至少一个天线布置在所述站场的所述纵轴的第三正交平面内，以覆盖所述站场附近地带中的区域，所述第三正交平面位于高度50米以下的位置处。
20.如前述权利要求中任意一项所述的电信无线电系统，其特征在于：覆盖所述区域所需的总扇区数量计算为每个扇区大小和每个扇区中所需场强度的函数。
21.如前述权利要求中任意一项所述的电信无线电系统，其特征在于：所述天线工作在一个频率上。
22.如权利要求21所述的电信无线电系统，其特征在于：工作在不同频率上的常规基站设置在所述区域内，以便处理本地的高业务量。
23.一种用于电信无线电系统的基站，所述基站包括至少两个天线，所述基站位于一个站场，所述基站覆盖一个区域，所述区域被所述至少两个天线划分成许多扇区，
其中：
所述站场是高度至少距离安装地面50米的高结构，以及
所述基站位于所述站场上高度距离安装地面至少50米的位置处；以及
所述至少两个天线布置在第一同心环中，所述第一同心环在所述站场的纵向轴的第一正交平面内。
24.一种在用于移动通信业务的电信无线电系统的基站中使用的天线，所述基站位于一个站场，所述基站覆盖一个区域，所述区域被划分成许多扇区，至少一个所述扇区由所述天线服务，
其中：
所述站场是高度至少距离安装地面50米的高结构，以及
所述基站位于所述站场上高度距离安装地面至少50米的位置处；以及
所述天线和至少另一个天线布置在第一同心环中，所述第一同心环在所述站场的纵向轴的第一正交平面内。
25.一种包括用于移动通信业务的电信无线电系统的移动网络包括至少一个基站，所述基站包括至少两个天线，所述基站位于一个站场，所述基站覆盖一个区域，所述区域被所述至少两个天线划分成许多扇区，
其中：
所述站场是高度至少距离安装地面50米的高结构，以及
所述基站位于所述站场上高度距离安装地面至少50米的位置处；以及
所述至少两个天线布置在第一同心环中，所述第一同心环在所述站场的纵向轴的第一正交平面内。
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