CN1713766A - 三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法，蜂窝网络中的移动台与基站之间采用三种通信方式，正常情况下用户只与一个定向天线进行连接，采用一发一收模式，当用户处于扇区边缘或基站信号强度较弱的区域时，蜂窝网络中的移动台可以同时与2或3根定向天线同时通信，上行链路采用频率分集、天线分集的一发两收、一发三收，下行链路采用频率分集、天线分集的两发一收、三发一收，利用分集增益提高用户接收信号载干比，从而达到满足用户QoS要求的目的。本发明采用多种天线模式共存的方式，在不大幅提高网络频率复用因子的基础上，很好地解决了处于扇区边缘的移动台收发信号载干比过小而无法达到用户QoS要求的问题。

Description

三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体涉及一种三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术能够很好地抵抗频率选择性衰落所引起的符号间干扰(ISI)以及更加充分地利用频谱资源。频率复用是蜂窝移动通信系统的核心概念，其是指相隔一定距离的小区内的用户可以使用相同的频段，从而提高频谱效率。在使用全向天线的蜂窝通信网络中，天线在各个方向都有信号发送，当采用频率复用因子为1的复用方式即所有小区使用相同的频段时，一个蜂窝小区将会受到来自全部六个相邻小区的同频干扰，因此信号载波干扰比将会变得极小基本无法满足用户的服务质量(QoS)要求。于是为了降低全向天线带来的极大的同频干扰，一些无线蜂窝通信网络中采用了扇区化技术，引入了定向天线。其中比较典型的就是三扇区划分模式的无线蜂窝网络。三扇区划分模式是指基于裂向技术的蜂窝网络，其将蜂窝中每一个正六边形的小区划分为三个120°的扇区，在小区中心基站处为每个扇区配置一根定向天线来覆盖该扇区，同时将蜂窝网络所使用的总频段平分为三段，分配给三个扇区使用，并且相邻小区的邻接扇区之间所使用的频段不同。

经对现有技术的文献检索发现，从张业荣、竺南直所编著的《蜂窝移动通信网络规划与优化》(电子工业出版社，2003)书中第一章第7节中提及：通常基于裂向技术的扇区化无线蜂窝网络中，一般采用一个移动台只与一个定向天线进行通信的一一对应模式。而移动台在某一时刻只能使用定向天线提供的一段频段进行通信。这种一一对应的频率复用模式的缺点是由于单天线的发送功率有限，再加上其它天线对其的同频干扰，于是在该模式下那些处于扇区边缘的移动台接收信号的载波干扰比较低，达不到用户的服务质量要求。因此在这种的频率复用方式下，为了提高移动台接收信号载干比，通常采用提高频率复用因子(比如频率复用因子为3，即3个小区共同使用全部可用频率)，增加同频扇区间隔距离的方式来降低扇区间的同频干扰。而该方式带来的问题就是蜂窝网络的可用信道总数大大地降低，大幅降低了网络的频率复用水平。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法。使其允许一个移动台在某一时刻可以同时使用不同定向天线所提供的不同频段进行无线通信。本发明采用多种天线模式共存的方式，在不大幅提高网络频率复用因子的基础上，很好地解决了处于扇区边缘的移动台收发信号载干比过小而无法达到用户QoS要求的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明基于三扇区划分模式，蜂窝网络中的移动台与基站之间采用三种通信方式，正常情况下用户只与一个定向天线进行连接，采用一发一收模式，当用户处于扇区边缘或基站信号强度较弱的区域时，蜂窝网络中的移动台可以同时与2或3根定向天线同时通信，上行链路采用频率分集、天线分集的一发两收、一发三收，下行链路采用频率分集、天线分集的两发一收、三发一收，利用分集增益提高用户接收信号载干比，从而达到满足用户QoS要求的目的。

以下对本发明作进一步的说明，具体步骤如下：

(1)设置好单天线模式、双天线模式和三天线模式的信号载干比下限，保证用户在模式切换前后能始终得到符合其QoS要求的信号质量；

(2)移动台进入蜂窝网络后，首先工作于单天线模式下；

(3)检测移动台在单天线工作模式下收发信号的载波干扰比是否低于单天线模式的下限，是则进入步骤(4)，否则维持现状；

(4)选择除现有天线外能提供最大载波干扰比的一根天线，与现有天线一起与移动台连接，通过在上下行链路应用频率分集、天线分集技术(例如Alamouti的发送分集实现方案)，获得分集增益提高信号载干比；

(5)检测用户在两天线工作模式下所接收信号的载波干扰比是否低于双天线模式的下限，是则进入步骤(6)，否则维持现状；

(6)选择除现有天线外能提供最大载波干扰比的一根天线，与现有两根天线一起与移动台连接，通过在上下行链路应用频率分集、天线分集技术，获得分集增益提高信号载干比；

(7)检测用户在三天线工作模式下所接收信号的载波干扰比是否低于三天线模式的下限，是则拒绝网络继续为用户提供服务(即用户与基站连接被中断)，否则维持现状。

其中所述的各种天线模式的信号载干比下限值，是由用户业务的服务质量要求(传输速率、比特误差率等等)所决定的。例如数据业务所要求的比特误差率要比语音业务低，那么相应的，数据业务的各种天线模式的信号载干比下限就要比语音业务对应模式的信号载干比下限高。该数值可以根据具体的应用环境和业务要求，通过现场测试或模拟仿真的方式来灵活地确定。

本发明利用OFDM技术易于进行子信道分配的特点以及应用发送分集和接收分集技术，在保证频率复用因子接近于1的前提下，依据用户与基站所传信号的载波干扰比的大小，为各个用户选择较为合适的服务模式，包括单天线模式、双天线模式和三天线模式。虽然采用分集技术会一定程度地降低无线蜂窝网络地频率复用水平，但是因为只是限定在整个扇区中的一小部分区域应用分集，因此对网络整体的频率复用水平没有太大的影响。而且由于本发明是基于OFDM技术的，因此用户可以很方便地占用不同扇区的子信道实现频率分集。

本发明通过引入天线分集和频率分集的方式，使得频率复用因子接近于1的同时处于扇区边缘的移动台的接收信号载干比能够达到用户QoS要求，实现三扇区无线蜂窝网络中在不大幅提高频率复用因子的前提下，降低扇区之间的同频干扰，从而提高网络容量。

附图说明

图1三扇区OFDM无线蜂窝网络示意图

图2本发明应用实例定向天线的角度功率增益谱图

图3本发明应用实例第1小区第1扇区中定向天线发送信号的CIR分布图

具体实施方式

如图1所示，给出了三扇区OFDM无线蜂窝网络的一部分共7个正六边形小区作为本方案演示的蜂窝网区域，图中7个小区用数字1、2、3、……、7表示，其中每个小区又被分割为120°角的使用不同频段的三个扇区，图中用数字①、②、③表示，这三个频段由OFDM蜂窝网络所使用的总频段平均分割得到。每个扇区设置一根定向天线提供通讯服务，图中用箭头表示了定向天线的主方向(位于120°角的平分线上)。

以下结合本发明的内容提供一个具体应用实例：

如图1所示，首先建立一个7小区的蜂窝网络，其扇区分布和天线设置方式如下：

每个小区每个扇区配置1个120°定向天线，覆盖本扇区的范围，天线架设主方向如图中红色箭头所示；序号相同的扇区，复用相同的天线频段，且相互干扰；序号不同的扇区使用不同的天线频段。

该网络中所使用的定向天线，其角度功率增益谱如图2所示。同时该角度功率增益(单位dB)分布还可以用下式表示：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \left|\mathrm{\θ}\right|\≤{\mathrm{\θ}}_1\\ 0.23*({\mathrm{\θ}}_1-|\mathrm{\θ}\left|\right)& {\mathrm{\θ}}_1\≤\left|\mathrm{\θ}\right|\≤{\mathrm{\θ}}_2\\ -25& \left|\mathrm{\θ}\right|\≥{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中θ为方位角，单位为度，设该定向天线的参数角度θ₁和θ₂分别为47°和156°。

对于该实例进行仿真所使用的信道模型为大尺度衰落模型中的考虑了对数阴影的路径损耗模型。

依据该信道模型和定向天线的角度功率增益谱，可得到与定向天线距离为r、相对定向天线方位角为θ的移动台的接收功率P_r与基站天线的发送功率P_t的关系为：

P_r＝P(θ)*P_t*r^-α*10^(X(σ)/10)    (2)

其中，α为与距离特性有关的指数衰减因子，X(σ)为标准差为σ的零均值高斯随机变量，单位为dB。该实例中，设指数衰减因子为α＝4；阴影分布X(σ)的标准差σ＝0dB。

在以上所述的7小区模型的基础上，根据上面设置的仿真参数通过仿真得到小区1中扇区①的定向天线发送的信号的载波干扰比(CIR)在本扇区中的大致分布。图3画出了CIR分别为3dB、6dB和9dB的等高线。

其中9dB为单天线工作模式下，移动台正常工作所需的CIR底限，6dB为双天线工作模式下，移动台正常工作所需的CIR底限，3dB为三天线工作模式下，移动台正常工作所需的CIR底限。

由图3可知，当该实例中的蜂窝网络采用传统的频率复用方式(即一个移动台同时只能由一个天线为其提供通信服务的单天线模式)，在频率复用因子为1的情况下，那么，该网络中将有10％～11％的区域天线辐射无法覆盖到，成为盲区。而要想消除这些盲区，只能使用传统频率复用方式的网络必须整数倍地提高频率复用因子，由1至少提升至2。如果该蜂窝网络采用本发明中的频率复用方法时，通过多天线的工作模式，使得天线辐射可以达到全网络覆盖。而相对的，频率复用因子可以从先前的1提高到1.15不到。

由该实例可以看出，应用本发明的频率复用方法后，可更加灵活地非整数倍地调节网络频率复用因子，以使得网络中天线辐射的覆盖能力达到所需要求。

Claims (3)

1、一种三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法，其特征在于，在基于三扇区划分的蜂窝移动网络中，用户根据信号载干比门限，动态地调整用于通信的天线个数，形成上行链路一发两收、一发三收的频率分集、天线分集模式，下行链路两发一收、三发一收的频率分集、天线分集模式。

2、根据权利要求1所述的三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法，其特征是，具体步骤如下：

(1)设置好单天线模式、双天线模式和三天线模式的信号载干比下限，保证用户在模式切换前后能始终得到符合其QoS要求的信号质量；

(2)移动台进入蜂窝网络后，首先工作于单天线模式下；

(3)检测移动台在单天线工作模式下收发信号的载波干扰比是否低于单天线模式的下限，是则进入步骤(4)，否则维持现状；

(4)选择除现有天线外能提供最大载波干扰比的一根天线，与现有天线一起与移动台连接，通过在上下行链路应用频率分集、天线分集技术，获得分集增益提高信号载干比；

(5)检测用户在两天线工作模式下所接收信号的载波干扰比是否低于双天线模式的下限，是则进入步骤(6)，否则维持现状；

(6)选择除现有天线外能提供最大载波干扰比的一根天线，与现有两根天线一起与移动台连接，通过在上下行链路应用频率分集、天线分集技术，获得分集增益提高信号载干比；

(7)检测用户在三天线工作模式下所接收信号的载波干扰比是否低于三天线模式的下限，是则拒绝网络继续为用户提供服务，即用户与基站连接被中断，否则维持现状。

3、根据权利要求1所述的三扇区正交频分复用无线蜂窝网络中的频率复用方法，其特征是，所述的单天线模式、双天线模式和三天线模式的信号载干比下限，是由用户业务的服务质量要求所决定的，该数值根据具体的应用环境和业务要求，通过现场测试或模拟仿真的方式来灵活地确定。