專利名稱：一種采用垂直覆蓋的同頻組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用零度下傾角的定向天線進(jìn)行垂直覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同頻混合覆蓋組網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
對(duì)無(wú)縫覆蓋無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)建模與規(guī)劃至今一直沿用美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室《貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊》(The Bell Systems Technical Journal, 1979 年卷 58 第 I 期，14-43 頁(yè))中提出的正六邊形蜂窩覆蓋方式，即基站位于蜂窩小區(qū)中心全向發(fā)送/接收通信信號(hào)或在小區(qū)六邊形頂點(diǎn)作120度扇區(qū)收發(fā)。在這種覆蓋方式下，基站天線發(fā)送的電磁波信號(hào)基本上是以水平方向向外輻射傳播(稱為水平覆蓋小區(qū))，信號(hào)很大可能會(huì)傳播擴(kuò)散侵入鄰近小區(qū)，若相 鄰小區(qū)采用相同頻率，則會(huì)造成嚴(yán)重的小區(qū)間干擾。因此六邊形蜂窩覆蓋模式必須結(jié)合適當(dāng)?shù)念l率復(fù)用方式才能正常工作。傳統(tǒng)方法是將多個(gè)正交的頻段重復(fù)利用以有效避免相鄰小區(qū)間的同頻干擾。隨著目前第三代移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)及未來(lái)后LTE的發(fā)展，無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率需求達(dá)到100-1000兆比特每秒(Mbps)，同時(shí)對(duì)傳輸頻段寬度的要求也越來(lái)越高，單一頻段要達(dá)到幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲。由于蜂窩覆蓋結(jié)構(gòu)要求相鄰的小區(qū)使用正交的頻譜資源，在網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量上存在不足，因此現(xiàn)有的單純水平覆蓋組網(wǎng)方法在頻譜資源短缺的壓力下難以在有限的頻率帶寬下進(jìn)行高速業(yè)務(wù)傳輸。未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究必然著眼于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有小區(qū)同頻組網(wǎng)以提高頻率使用效率，因此需要采用有效的同頻組網(wǎng)方法以降低以至避免同頻復(fù)用引起的嚴(yán)重小區(qū)間干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用垂直覆蓋的同頻組網(wǎng)方法，以克服現(xiàn)有蜂窩組網(wǎng)方式在頻譜效率及網(wǎng)絡(luò)容量方面的缺陷，達(dá)到較好的同頻覆蓋性能，并有效降低以至避免相鄰小區(qū)之間的干擾。本發(fā)明采用垂直覆蓋的同頻組網(wǎng)方法，其特征在于采用零度下傾角的定向天線發(fā)射由5-13個(gè)非均勻子波束干涉合成的波束進(jìn)行垂直覆蓋，其中合成波束的中心子3dB波束寬度為60-90°，而邊緣子波束的3dB波束寬度小于30° ;將由零度下傾角的定向天線進(jìn)行垂直覆蓋的小區(qū)稱為“垂直覆蓋小區(qū)”，當(dāng)采用垂直覆蓋小區(qū)改進(jìn)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將垂直覆蓋小區(qū)嵌入現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)易受干擾的區(qū)域即水平覆蓋的宏蜂窩小區(qū)的邊緣地帶進(jìn)行混合覆蓋組網(wǎng)，代替原水平覆蓋的小區(qū)為該區(qū)域用戶提供接入。由于本發(fā)明采取了利用多非均勻子波束合成的定向天線進(jìn)行垂直覆蓋，該定向天線的波束在覆蓋中心區(qū)域平坦、在邊緣快速截止，因此在進(jìn)行垂直覆蓋時(shí)能降低對(duì)鄰近小區(qū)的干擾；本發(fā)明將垂直覆蓋與現(xiàn)有的水平覆蓋進(jìn)行混合覆蓋組網(wǎng)，能明顯降低現(xiàn)有水平覆蓋下同頻復(fù)用引起的小區(qū)間干擾的影響，實(shí)現(xiàn)有效的同頻組網(wǎng)，從而獲得較高的頻譜效率和傳輸能力。本發(fā)明克服了現(xiàn)有蜂窩組網(wǎng)方式在頻譜效率及網(wǎng)絡(luò)容量方面的缺陷，能達(dá)到較好的同頻覆蓋性能并有效降低以至避免相鄰小區(qū)之間的干擾。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I中使用的由5個(gè)非均勻子波束合成的定向天線波束結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明組網(wǎng)方法中所采用的垂直覆蓋的小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的由垂直覆蓋小區(qū)與水平覆蓋小區(qū)構(gòu)成的混合覆蓋組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為水平覆蓋鄰近小區(qū)的受干擾程度性能曲線。圖5為水平覆蓋的干擾區(qū)內(nèi)的平均干擾功率比性能曲線。圖6為實(shí)施例I的垂直覆蓋對(duì)鄰近小區(qū)的干擾程度性能示意圖。圖7為實(shí)施例2的水平覆蓋不同平均信噪比能實(shí)現(xiàn)的頻譜效率性能示意圖。圖8為實(shí)施例2的水平覆蓋與嵌入兩種垂直覆蓋小區(qū)的頻譜效率比較圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :非均勻子波束合成的定向天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直覆蓋的有效性。現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多小區(qū)無(wú)縫覆蓋結(jié)構(gòu)是基站位于小區(qū)中心全向或定向發(fā)送/接收信號(hào)，信號(hào)的傳播方向在蜂窩小區(qū)的二維平面上，即“水平覆蓋”。如果整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用同一頻率，則不同用戶只能采用功率控制技術(shù)，使得移動(dòng)用戶達(dá)到所需的接收信號(hào)功率要求。這種情況下，水平覆蓋小區(qū)的受干擾程度與期望的接收信干比(signal-to-interference ratio, SIR)相關(guān)。本發(fā)明方法采用具有零度下傾角的定向天線進(jìn)行垂直覆蓋，該定向天線波束由5-13個(gè)非均勻子波束干涉合成的波束組成，這種覆蓋方式可以減小對(duì)鄰小區(qū)的干擾，提升網(wǎng)絡(luò)性能。圖I為本實(shí)施例中使用的由5個(gè)非均勻子波束干涉合成的波束組成的定向天線波束結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I中所示該定向天線3dB波束寬度為20，Bffl為合成波束輻射強(qiáng)度；中心波束位于定向天線輻射方向居中的位置上，使用3dB波束寬度20^*60°、0°的波束，B0為其對(duì)應(yīng)的波束輻射強(qiáng)度；在中心波束兩邊使用3dB波束寬度2 Θ i為30°飛0°的波束，B1為其對(duì)應(yīng)的波束輻射強(qiáng)度；定向天線的邊緣，則使用3dB波束寬度2 Θ為5° ^30°窄波束，B為其對(duì)應(yīng)的波束輻射強(qiáng)度。圖2給出了本發(fā)明組網(wǎng)方法中所采用的零度下傾角定向天線進(jìn)行垂直覆蓋的小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。其中定向天線采用圖I給出的定向天線波束結(jié)構(gòu)。兩個(gè)半徑為R的實(shí)線圓形區(qū)域C1和C2分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)由掛高(即天線高度)為H、3dB波束寬度為2 0的定向天線第一定向天線Antl和第二定向天線Ant2進(jìn)行垂直覆蓋的第一蜂窩小區(qū)C1和第二蜂窩小區(qū)C2;虛線圓形區(qū)域?yàn)檫@兩個(gè)定向天線的信號(hào)輻射區(qū)域，虛線與實(shí)線之間的” I ”填充環(huán)形區(qū)域S1和無(wú)填充區(qū)域S2分別為第一定向天線Antl對(duì)相鄰小區(qū)的干擾區(qū)域和第二定向天線Ant2對(duì)相鄰小區(qū)的干擾區(qū)域，環(huán)形區(qū)域S1和S2的徑向距離Rj為干擾距離；。由小區(qū)半徑R與天線掛聞H之間的幾何關(guān)系有R=HXtan(O)(I)在天線高度H給定的情況下，為實(shí)現(xiàn)較大覆蓋，3dB波束寬度2 O不能太小，例如天線高度H = 30米，為了使得覆蓋半徑達(dá)到60米，由小區(qū)半徑R與天線掛高H之間的幾何關(guān)系式(I)可知，3dB波束寬度2Θ為120°。此時(shí)如果基站使用傳統(tǒng)的單波束定向天線，天線IOdB波束寬度已經(jīng)可達(dá)180°，因此超出覆蓋區(qū)域的帶外泄露非常嚴(yán)重，會(huì)形成對(duì)相鄰小區(qū)的強(qiáng)烈干擾。設(shè)定向天線邊緣子波束的3dB波束寬度為2 θ，主瓣半功率點(diǎn)到主瓣功率零點(diǎn)的夾角近似于9 ,則主瓣半功率點(diǎn)到主瓣邊緣衰減至-IOdB功率點(diǎn)的夾角 θ/2，亦即主瓣邊緣進(jìn)入鄰近小區(qū)的角度為θ /2，泄露信號(hào)構(gòu)成對(duì)相鄰小區(qū)的干擾，信干比SIR=IOdB的小區(qū)干擾徑向距離R_dB RJ10dB=H X (tan (Θ + θ /2) -tan (Θ))(2)顯然，本發(fā)明中由多個(gè)非均勻波束合成的定向天線的邊緣子波束的3dB波束寬度2 θ越小，定向天線波束的邊緣越陡峭，相鄰小區(qū)的小區(qū)干擾徑向距離就越小，其所受干擾的區(qū)域也就越小。 鄰近小區(qū)的受干擾程度用小區(qū)干擾徑向距離％與小區(qū)半徑R之比來(lái)衡量，記為R/R0當(dāng)給定基站天線3dB波束寬2 0=120°時(shí)，不同最低平均接收信干比要求SIR下，隨著邊緣子波束的3dB波束寬度2 θ增大基站定向天線垂直覆蓋對(duì)鄰近小區(qū)的干擾程度R/R不斷增大。圖6為本實(shí)施例的垂直覆蓋對(duì)鄰近小區(qū)的干擾程度性能示意圖。如圖6中所示圖中從上往下依次排列的四條曲線6 (a)、6 (b)、6 (c)和6 (d)分別是對(duì)應(yīng)于SIR=20、13、16和IOdB時(shí)的小區(qū)徑向干擾距離比小區(qū)半徑與小區(qū)邊緣波束角關(guān)系曲線。結(jié)果表明，采用非均勻子波束合成的定向天線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較大范圍的平均信干比要求SIR e [10dB, 20dB]，只要定向天線波束邊緣的窄波束角2 θ〈100°，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近小區(qū)的干擾程度小于10%。圖4中為水平覆蓋鄰近小區(qū)的受干擾程度性能曲線，圖5中為水平覆蓋的干擾區(qū)內(nèi)的平均干擾功率比性能曲線。水平覆蓋采用同頻復(fù)用時(shí)，Rj/R隨接收信干比要求的提高而上升，如圖4中所示。同樣，干擾區(qū)內(nèi)的干擾對(duì)有用信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度，即平均干擾功率&與所需的接收信號(hào)功率Pm之比，記為Pj/PM，也隨著信干比要求而增大，如圖5中所示。因此，只有在信干比要求較低，即傳輸速率要求不高時(shí)，如SIR在5dB以下，小區(qū)受干擾程度能夠控制在20%以下，平均干擾功率比在17%以下，同頻復(fù)用水平覆蓋才勉強(qiáng)可用，但遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)高速無(wú)線通信業(yè)務(wù)要求。將圖6中不同邊緣子波束3dB波束寬度2 θ、不同接收信干比SIR要求下垂直覆蓋對(duì)鄰小區(qū)干擾程度R/R與圖4中不同接收信干比SIR要求下水平覆蓋對(duì)鄰小區(qū)干擾程度R/R進(jìn)行比較，接收信干比要求為SIR=IOdB下，圖4中R/R=0. 6，而圖6中R/R隨著2 θ變化而最大不超過(guò)O. 3，這表明垂直覆蓋的組網(wǎng)方法對(duì)鄰近小區(qū)的干擾程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水平覆蓋組網(wǎng)方法。實(shí)施例2 :水平覆蓋與垂直覆蓋混合覆蓋組網(wǎng)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提高。本實(shí)施例中采用本發(fā)明方法將垂直覆蓋小區(qū)與現(xiàn)有的水平覆蓋小區(qū)進(jìn)行混合覆蓋組網(wǎng)，以提升網(wǎng)絡(luò)性能。圖3為本發(fā)明的由垂直覆蓋小區(qū)與水平覆蓋小區(qū)構(gòu)成的混合覆蓋組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖將現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)蜂窩小區(qū)的水平覆蓋小區(qū)S1記為一類小區(qū)，其覆蓋區(qū)域較大，用半徑為R的圓來(lái)表示。記兩個(gè)相鄰的一類小區(qū)的邊緣干擾區(qū)域的干擾距離為％。在三個(gè)一類小區(qū)的交界區(qū)域還存在信號(hào)覆蓋空隙，是半徑約為3R/20的圓，加上上述干擾徑向距離Rp三個(gè)一類小區(qū)間的相互干擾區(qū)域的半徑為R1 = R#3R/20。采用本發(fā)明方法把使用非均勻子波束合成定向天線的垂直覆蓋基站，嵌入現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)采用水平覆蓋的一類小區(qū)邊緣的受干擾地區(qū)，構(gòu)成水平覆蓋與垂直覆蓋重疊共存的混合小區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。將三個(gè)一類小區(qū)間的干擾區(qū)域嵌入半徑為R1的垂直覆蓋小區(qū)記為二類小區(qū)，如圖3中的以符號(hào)“+”形陰影填充的小區(qū)S2。相鄰兩個(gè)一類小區(qū)間的干擾區(qū)域的剩余部分再嵌入半徑為R2 ( Rj/2的垂直覆蓋小區(qū)，記為三類小區(qū)，如圖3中的以符號(hào)“ I ”形陰影填充的小區(qū)S3。如果以信噪比為SNR的接收信號(hào)功率為基準(zhǔn)，可以得到受干擾區(qū)域的平均信干t匕，一類小區(qū)在不同平均信干比要求下的頻譜效率如圖7中所示，圖7中靠上面的曲線7 (a)和靠下面的曲線7(b)分別對(duì)應(yīng)無(wú)小區(qū)干擾和有小區(qū)干擾時(shí)的頻譜效率。值得注意的是，相比于理想的無(wú)干擾情形下頻譜效率隨接收信噪比增加單調(diào)上升，在存在干擾的實(shí)際系統(tǒng)中，較高的信噪比要求將導(dǎo)致頻譜效率下降。本實(shí)施例中的混合小區(qū)覆蓋結(jié)構(gòu)的總體效果，相當(dāng)于在一個(gè)水平覆蓋的一類小區(qū)內(nèi)，嵌入2個(gè)二類小區(qū)、6個(gè)三類小區(qū)。設(shè)一類小區(qū)的頻譜效率為E(R)，二類小區(qū)的頻譜效率為iiW，三類小區(qū)的頻譜效率為，上述混合覆蓋組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的頻譜效率或信息傳輸能力Eaverage,不是由三種小區(qū)的頻譜效率(Ew + 2Ew+6EiRi])的簡(jiǎn)單相加，而是由下式計(jì)算Eavemge = Em + )x~jp-+ 6^{Η,)χηρ-(3)·這是由于各種小區(qū)的數(shù)目、覆蓋面積都不相同，因此混合覆蓋網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率應(yīng)該是其覆蓋范圍內(nèi)的各點(diǎn)頻譜效率的平均值，等同于三類小區(qū)單獨(dú)覆蓋下頻譜效率相對(duì)于面積的加權(quán)和，即式(3)。從式(3)可以看出在水平覆蓋中嵌入垂直覆蓋的混合小區(qū)結(jié)構(gòu)的頻譜效率的性能得到了提高。圖8給出了本實(shí)施例采取嵌入垂直覆蓋小區(qū)后的混合小區(qū)結(jié)構(gòu)的頻譜效率圖。如圖8中所示圖中的下虛曲線8(a)和上面的向右上翹的實(shí)曲線8(b)分別對(duì)應(yīng)單一水平覆蓋及混合覆蓋時(shí)的系統(tǒng)頻譜效率，對(duì)混合覆蓋組網(wǎng)的平均頻譜效率EavCTage與水平覆蓋的單位平均頻譜效率E00進(jìn)行對(duì)比可看出，本發(fā)明提出的混合小區(qū)結(jié)構(gòu)頻譜效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一水平覆蓋的蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有蜂窩組網(wǎng)方式在頻譜效率及網(wǎng)絡(luò)容量方面的缺陷，能達(dá)到較好的同頻覆蓋性能并有效降低以至避免相鄰小區(qū)之間的干擾。
權(quán)利要求
1.一種采用垂直覆蓋的同頻組網(wǎng)方法，其特征在于采用零度下傾角的定向天線發(fā)射由5-13個(gè)非均勻子波束干涉合成的波束進(jìn)行垂直覆蓋，其中合成波束的中心子3dB波束寬度為60-90°，而邊緣子波束的3dB波束寬度小于30° ;將由零度下傾角的定向天線進(jìn)行垂直覆蓋的小區(qū)稱為“垂直覆蓋小區(qū)”，當(dāng)采用垂直覆蓋小區(qū)改進(jìn)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將垂直覆蓋小區(qū)嵌入現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)易受干擾的區(qū)域即水平覆蓋的宏蜂窩小區(qū)的邊緣地帶進(jìn)行混合覆蓋組網(wǎng)，代替原水平覆蓋的小區(qū)為該區(qū)域用戶提供接入。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用垂直覆蓋的同頻組網(wǎng)方法，特征是采用零度下傾角的定向天線發(fā)射由5-13個(gè)非均勻子波束干涉合成的波束進(jìn)行垂直覆蓋，其中合成波束的中心子3dB波束寬度為60-90°，而邊緣子波束的3dB波束寬度小于30°；將由零度下傾角的定向天線進(jìn)行垂直覆蓋的小區(qū)稱為“垂直覆蓋小區(qū)”，當(dāng)采用垂直覆蓋小區(qū)改進(jìn)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將垂直覆蓋小區(qū)嵌入現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)易受干擾的區(qū)域即水平覆蓋的宏蜂窩小區(qū)的邊緣地帶進(jìn)行混合覆蓋組網(wǎng)，代替原水平覆蓋的小區(qū)為該區(qū)域用戶提供接入。本發(fā)明克服了現(xiàn)有蜂窩組網(wǎng)方式在頻譜效率及網(wǎng)絡(luò)容量方面的缺陷，能達(dá)到較好的同頻覆蓋性能并有效降低以至避免相鄰小區(qū)之間的干擾。
文檔編號(hào)H04W16/28GK102724684SQ20121022493
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者任海豹, 朱近康, 趙明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)