專利名稱：分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及分布式基站系統(tǒng)的小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法。
背景技術(shù)：
隨著無線頻譜資源的開發(fā)利用，系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)不斷提高，基站覆蓋相同的面積需要的發(fā)射功率迅速增加。例如在自由空間衰落模型下，保持500米覆蓋范圍，工作在5GHz頻點(diǎn)的基站發(fā)射功率比工作在800MHz頻點(diǎn)的基站發(fā)射功率要高16dB。分布式基站系統(tǒng)可以將地理位置不同的天線收發(fā)信號集中到同一處進(jìn)行基帶處理，自然地成為一種提高小區(qū)覆蓋的手段。
如《無線通信原理與應(yīng)用》(Wireless Communications Principles and Practice，Theodore R.Rappaport，Page(s)17-39)中所述，現(xiàn)有的蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)是以正六邊形為基本小區(qū)，各小區(qū)緊密拼湊，無縫無交叉重疊地覆蓋整個(gè)地區(qū)的一種小區(qū)覆蓋方式。基本小區(qū)為獨(dú)立收發(fā)通信區(qū)，分配有限通信頻段使用。蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要是沒有交叉重疊的無縫覆蓋，各小區(qū)是獨(dú)自收發(fā)的單基站中心系統(tǒng)，鄰近小區(qū)各不相關(guān)，但電波不會在小區(qū)邊界上消失，會造成干擾。為了減小對邊緣鄰近小區(qū)產(chǎn)生明顯的干擾，在蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)中，通常采用多頻段分小區(qū)重復(fù)利用技術(shù)。一個(gè)小區(qū)用一個(gè)頻率，使用幾個(gè)不同頻率的小區(qū)構(gòu)成小區(qū)簇，每個(gè)簇使用相同的幾個(gè)頻率。雖然各簇都使用相同的幾個(gè)頻率，但在地理上分開，因此頻率可以重復(fù)利用，進(jìn)而可以覆蓋整個(gè)區(qū)域。在現(xiàn)有技術(shù)中，最好的情況是一個(gè)簇只存在一個(gè)小區(qū)，那么一個(gè)頻率覆蓋整個(gè)地區(qū)。類似地，若一個(gè)簇有7個(gè)小區(qū)，就需要7個(gè)頻率覆蓋整個(gè)地區(qū)。蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)是小區(qū)無縫無交叉重疊覆蓋，小區(qū)間雖然截然分開，但發(fā)射信號功率不會截然中止，簇越小則干擾越大，限制了系統(tǒng)容量的提高。
現(xiàn)有的分布式小區(qū)結(jié)構(gòu)采用類似傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)的無縫覆蓋配置方案，其區(qū)別在于收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不同，分布式小區(qū)的收發(fā)系統(tǒng)可以將地理位置不同的天線收發(fā)信號集中到同一處進(jìn)行基帶處理，從而減少了干擾，提高了系統(tǒng)容量。但是，現(xiàn)有的分布式小區(qū)覆蓋面積只是單個(gè)天線單元最大覆蓋面積之和，而且移動臺接收端信噪比隨移動臺的位置有明顯起伏變化。例如《電氣和電子工程師協(xié)會第57屆車載技術(shù)會議論文集》(Vehicular Technology Conference，2003.VTC 2003-Spring.The 57th IEEESemiannual，22-25 April 2003 Page(s)779-782 vol.1)中提出的小區(qū)配置方案，其功率分配策略為分布式基站的發(fā)射功率與r4成比例(文中假定自由傳播模型衰減因子為4)，其中r是移動臺到最近的分布式天線單元的距離。上述分布式天線系統(tǒng)采用全向天線，天線單元的覆蓋面積是由天線單元的最大發(fā)射功率決定的。并且，在這種下行功率分配策略下的現(xiàn)有發(fā)射功率方案中，移動臺距離某一天線單元較近而距離其余天線單元較遠(yuǎn)時(shí)，接收端解調(diào)出的信噪比較低；當(dāng)移動臺處于靠近小區(qū)中心位置，即距離各天線單元距離相近時(shí)，接收端解調(diào)出的信噪比快速增高。這種下行功率分配策略的缺陷是對小區(qū)中移動臺發(fā)射的總功率大，增大了鄰近小區(qū)的共道干擾，降低了系統(tǒng)容量；并且，小區(qū)覆蓋面積只是單個(gè)天線單元最大覆蓋面積之和。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法，以增加小區(qū)的覆蓋面積，同時(shí)減小相鄰小區(qū)間的共道干擾，進(jìn)而增加系統(tǒng)容量。
本發(fā)明分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法，利用位于小區(qū)頂點(diǎn)的分布式天線單元共同覆蓋一個(gè)小區(qū)，將屬于同一小區(qū)的分布式天線單元通過光纖連接到基站控制器，基帶信號由基站控制器統(tǒng)一處理，下行功率分配由基站控制器中的功率分配策略產(chǎn)生并控制天線單元的發(fā)射功率；移動臺首先對分集信號同步、跟蹤，然后合并接收信號，最后做相應(yīng)的基帶處理；其特征在于基站控制器連接三個(gè)分布式天線單元，每個(gè)天線單元以60度扇區(qū)朝向小區(qū)中心，共同覆蓋一個(gè)正三角形區(qū)域；該正三角形小區(qū)的邊長為2R1+R2，其中R1為天線單元的最大覆蓋半徑，小區(qū)中位于最大覆蓋半徑內(nèi)的區(qū)域?yàn)閱我桓采w區(qū)，R1即為單一覆蓋區(qū)半徑，小區(qū)其他部分為交叉覆蓋區(qū)，R2為交叉覆蓋區(qū)寬度；當(dāng)小區(qū)內(nèi)移動臺處于單一覆蓋區(qū)時(shí)，移動臺只與最近扇區(qū)頂點(diǎn)上的天線單元通信，天線單元發(fā)射功率為PT＝p0·rα，其中α為自由傳播模型路徑損耗因子，r是移動臺到天線單元的距離，P0為發(fā)射功率初值；當(dāng)小區(qū)內(nèi)移動臺位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，接收位于小區(qū)頂點(diǎn)上的三個(gè)天線單元的空間分集信號，天線單元發(fā)射功率為PT=P0·R1α,]]>其中α為自由傳播模型路徑損耗因子。
天線單元的天線數(shù)目由天線單元的總發(fā)射功率和每根天線上分配的功率確定；通常采用的確定方式之一為當(dāng)均勻分配每根天線的功率時(shí)，天線數(shù)等于總發(fā)射功率除以每根天線分配的功率值。
本發(fā)明分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)的原理如下在包括時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、正交碼分多址(OCDMA)或正交頻分多址(OFDMA)的現(xiàn)有通信系統(tǒng)中，信道模型可以表示為Y=H(0)·X(0)+Σi=1KH(i)·X(i)+Z]]>式中，X是一個(gè)N×L×1的發(fā)射信號向量，它代表N個(gè)分布式天線單元，每個(gè)天線單元有L個(gè)天線；Y和Z都是M×1的接收信號向量，Y是移動臺的接收信號，Z是高斯白噪聲；式中第一部分是來自移動臺所在小區(qū)的有用信號，第二部分是來自另外K個(gè)小區(qū)的干擾，最后一項(xiàng)是高斯白噪聲。
從第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的信道增益可以表示為hi,j=ri,j-α·βi,j]]>
式中ri，j表示從第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的距離，α是路徑損耗因子，這里設(shè)定為3，βi，j表示第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的陰影衰落。
設(shè)發(fā)送端完全不知道信道狀態(tài)，一個(gè)天線單元上的每個(gè)天線平均分配功率，以系統(tǒng)信息理論容量為標(biāo)準(zhǔn)比較兩種基站控制器發(fā)射功率策略，其中系統(tǒng)的信息理論容量可以表示為C=logdet(IM+PN×L·σ2HH*)=Σi=1Klog(1+ρN×Lλi)]]>式中，K是信道的階數(shù)，λi是矩陣HH*的特征值，并且ρ=Pσ2.]]>在單位覆蓋面積上天線單元的平均發(fā)射功率相同的情況下，通過計(jì)算機(jī)仿真，得到采用本發(fā)明分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的信息理論容量是傳統(tǒng)方案的兩倍。因?yàn)樵诜植际教炀€系統(tǒng)中，每個(gè)天線單元具有相同的發(fā)射功率上限，這樣最大發(fā)射功率能夠覆蓋的區(qū)域之和就是分布式天線系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；在本發(fā)明中利用交叉覆蓋區(qū)增大了覆蓋面積，而不必增大發(fā)射功率的上限，這是因?yàn)樵诮徊娓采w區(qū)中的移動臺利用了3個(gè)天線單元同時(shí)收發(fā)所帶來的空間分集增益；相應(yīng)的，若在覆蓋相同的面積時(shí)，本發(fā)明中移動臺接收端信噪比更高，從而提高了系統(tǒng)的信息理論容量。


圖1為本發(fā)明分布式正三角形小區(qū)系統(tǒng)示意圖。
圖2為分布式正三角形小區(qū)接收機(jī)示意圖。
圖3為分布式正三角形小區(qū)下行功率分配示意圖。
圖4為分布式正三角形小區(qū)和小區(qū)間干擾示意圖。
圖5為小區(qū)中各點(diǎn)信息理論容量的分布圖。
圖6為在不同信噪比條件下平均系統(tǒng)容量圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例1附圖1給出了本發(fā)明分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置示意圖由三個(gè)分布式天線單元A共同覆蓋一個(gè)正三角形小區(qū)，每個(gè)天線單元以60度扇區(qū)朝向三角形小區(qū)中心；三個(gè)天線單元通過光纖與基站控制器B相連。該正三角形小區(qū)的邊長為2R1+R2，其中R1為天線單元的最大覆蓋半徑，R2為交叉覆蓋區(qū)寬度。
附圖2給出了小區(qū)中的移動臺對接收到的基帶信號的處理流程首先為時(shí)頻同步跟蹤模塊1，在該模塊中一般可利用包括插入導(dǎo)頻的方法實(shí)現(xiàn)，然后通過信號合并模塊2實(shí)現(xiàn)信號疊加，例如可采用最大比合并方法來提高接收信號的信噪比，最后根據(jù)具體的系統(tǒng)類型把合并后的信號輸入到相應(yīng)類型的基帶處理模塊3中做處理。
根據(jù)天線單元的發(fā)射功率上限可以得到正三角形小區(qū)的單一覆蓋區(qū)半徑R1和交叉覆蓋區(qū)寬度R2，從而把正三角形小區(qū)劃分為單一覆蓋區(qū)和交叉覆蓋區(qū)，基站控制器B可以通過天線到達(dá)角和定時(shí)信息得知小區(qū)中移動臺的位置，當(dāng)移動臺4處于單一覆蓋區(qū)時(shí)，基站控制器B控制距離移動臺最近的天線單元A2采用單一覆蓋區(qū)功率策略6發(fā)送下行數(shù)據(jù)，當(dāng)移動臺4位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，基站控制器B控制天線單元A1、A2和A3采用交叉覆蓋區(qū)功率策略5同時(shí)向移動臺4發(fā)送下行數(shù)據(jù)。
所述交叉覆蓋區(qū)功率策略5為當(dāng)移動臺位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，天線單元發(fā)射功率為PT=P0·R1α,]]>其中α為自由傳播模型路徑損耗因子，P0為發(fā)射功率初值，R1為單一覆蓋區(qū)覆蓋半徑。
所述單一覆蓋區(qū)功率策略6為當(dāng)移動臺位于單一覆蓋區(qū)時(shí)，天線單元發(fā)射功率為PT＝P0·rα，其中α為自由傳播模型路徑損耗因子，P0為發(fā)射功率初值，r是移動臺到天線單元的距離。
所述R1也即為天線單元對單一覆蓋區(qū)中移動臺的最大發(fā)射功率覆蓋半徑，R2/R1的值可以體現(xiàn)單一覆蓋區(qū)和交叉覆蓋區(qū)在正三角形小區(qū)中的比例關(guān)系，此比值可以為定值，也可以自適應(yīng)調(diào)整。
附圖4為分布式正三角形小區(qū)和小區(qū)間干擾圖圖中頂點(diǎn)天線單元A1、A2和A3所構(gòu)成的三角形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)分布式正三角形小區(qū)；天線單元A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11和A12分別是第一圈相鄰小區(qū)中對正三角形小區(qū)A1A2A3造成干擾的扇區(qū)的天線單元；各小區(qū)內(nèi)激活用戶均勻分布，考慮現(xiàn)有包括TDMA、FDMA、OCDMA或OFDMA在內(nèi)的單用戶情形，小區(qū)間頻率復(fù)用因子為1。
信道模型可以表示為Y=H(0)·X(0)+Σi=1KH(i)·X(i)+Z]]>式中，X是一個(gè)N×L×1的發(fā)射信號向量，它代表N個(gè)分布式天線單元，每個(gè)天線單元有L個(gè)天線；Y和Z都是M×1的接收信號向量，Y是移動臺的接收信號，Z是高斯白噪聲；式中第一部分是來自移動臺所在小區(qū)的有用信號，第二部分是來自另外K個(gè)小區(qū)的干擾，最后一項(xiàng)是高斯白噪聲。
從第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的信道增益可以表示為hi,j=ri,j-α·βi,j]]>式中ri，j表示從第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的距離，α是路徑損耗因子，這里設(shè)定為3，βi，j表示第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的陰影衰落。
設(shè)發(fā)送端完全不知道信道狀態(tài)，一個(gè)天線單元上的每個(gè)天線平均分配功率，以系統(tǒng)信息理論容量最為標(biāo)準(zhǔn)比較兩種基站控制器發(fā)射功率策略，其中系統(tǒng)的信息理論容量可以表示為C=logdet(IM+PN×L·σ2HH*)=Σi=1Klog(1+ρN×Lλi)]]>式中，K是信道的階數(shù)，λi是矩陣HH*的特征值，并且ρ=Pσ2.]]>單位覆蓋面積上天線單元的平均發(fā)射功率相等是一個(gè)公平的比較標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)覆蓋面積相同，設(shè)交叉覆蓋區(qū)寬度R2是單一覆蓋區(qū)半徑R1的一半，則R1＝0.8R1’，其中R1’為三角形小區(qū)邊長。如前述所設(shè)可以知道，相同覆蓋面積的前提下，本發(fā)明的分布式天線單元的最大發(fā)射半徑只有傳統(tǒng)小區(qū)天線單元最大發(fā)射半徑的0.8，所以，要使平均發(fā)射功率相同，可以增加單一覆蓋區(qū)天線單元的天線數(shù)。設(shè)采用本發(fā)明功率策略和傳統(tǒng)功率策略時(shí)，收發(fā)天線數(shù)目相同，例如以(M、L、N)來分別表示接收天線數(shù)，位于同一天線單元的發(fā)射天線數(shù)和天線單元數(shù)目，設(shè)接收天線數(shù)為1，則如果采用交叉覆蓋區(qū)功率策略時(shí)收發(fā)天線數(shù)表示為(1，1，3)，則采用單一覆蓋區(qū)功率策略時(shí)收發(fā)天線數(shù)表示為(1、3、1)，即位于同一天線單元的3根天線與位于單一覆蓋區(qū)中的移動臺通信。
這樣可以得到天線單元的平均發(fā)射功率采用本發(fā)明中的下行發(fā)射功率策略NL·∫0π3∫0R1P0·r3·rdrdθ+L·P0·R13·SmultiStriangle]]>采用傳統(tǒng)發(fā)射功率策略NL·∫0π3∫0R1′P0·r3·rdrdθStriangle]]>Smulti和Striangle分別是交叉覆蓋區(qū)面積和正三角形小區(qū)面積，通過計(jì)算可以得到，上面兩個(gè)平均功率是相同的。
如附圖5所示，從正三角形小區(qū)頂點(diǎn)的天線單元A1到小區(qū)對邊的線段上等距離找22個(gè)點(diǎn)，采用本發(fā)明和傳統(tǒng)功率策略時(shí)各點(diǎn)的容量，單一覆蓋區(qū)半徑R1歸一化為1，其中實(shí)線a在歸一化距離為0到1時(shí)，即移動臺位于單一覆蓋區(qū)內(nèi)時(shí)，曲線變化平坦，平均的系統(tǒng)容量為7bits/s/Hz，在歸一化距離從1到1.2時(shí)，系統(tǒng)容量從7.4bits/s/Hz下降到5bits/s/Hz，歸一化距離從1.2到2.2時(shí)，即移動臺位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，曲線變化平坦，系統(tǒng)平均的系統(tǒng)容量保持在5bits/s/Hz；點(diǎn)劃線b在歸一化距離從0到1.5時(shí)，系統(tǒng)容量從3.7bits/s/Hz上升到6.5bits/s/Hz，歸一化距離從1.5到2.2時(shí)，系統(tǒng)容量從6.5bits/s/Hz下降到5.7bits/s/Hz。圖中曲線形狀可以看出本發(fā)明的容量分布在單一覆蓋區(qū)和交叉覆蓋區(qū)都是平坦的，從而可以提供更平穩(wěn)的服務(wù)質(zhì)量，而傳統(tǒng)功率策略的小區(qū)容量在這條線段上達(dá)到最大值，線段兩側(cè)均下降。移動臺位于單一覆蓋區(qū)時(shí)，本發(fā)明系統(tǒng)容量平均提高3bits/s/Hz，而位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)本發(fā)明比傳統(tǒng)功率策略的系統(tǒng)容量低約1bits/s/Hz。如附圖6所示當(dāng)收發(fā)天線數(shù)為(2、1、3)，實(shí)線c在接收端信噪比從0上升到22dB時(shí)，平均系統(tǒng)容量從3.5bits/s/Hz上升到7bits/s/Hz，在接收端信噪比從22到30dB時(shí)，平均系統(tǒng)容量保持在7bits/s/Hz；點(diǎn)劃線d在接收端信噪比從0上升到21dB時(shí)，平均系統(tǒng)容量從1bits/s/Hz上升到3bits/s/Hz，在接收端信噪比從21到30dB時(shí)，平均系統(tǒng)容量保持在3bits/s/Hz。接收端信噪比在0到30dB變化時(shí)，采用本發(fā)明功率策略的平均系統(tǒng)容量是傳統(tǒng)功率策略小區(qū)的2.5倍。
權(quán)利要求
1.一種分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法，利用位于小區(qū)頂點(diǎn)的分布式天線單元共同覆蓋一個(gè)小區(qū)，將屬于同一小區(qū)的分布式天線單元通過光纖連接到基站控制器，基帶信號由基站控制器統(tǒng)一處理，下行功率分配由基站控制器中的功率分配策略產(chǎn)生并控制天線單元的發(fā)射功率；移動臺首先對分集信號同步、跟蹤，然后合并接收信號，最后做相應(yīng)的基帶處理；其特征在于基站控制器連接三個(gè)分布式天線單元，每個(gè)天線單元以60度扇區(qū)朝向小區(qū)中心，共同覆蓋一個(gè)正三角形區(qū)域；該正三角形小區(qū)的邊長為2R1+R2，其中R1為天線單元的最大覆蓋半徑，小區(qū)中位于最大覆蓋半徑內(nèi)的區(qū)域?yàn)閱我桓采w區(qū)，R1即為單一覆蓋區(qū)半徑，小區(qū)其他部分為交叉覆蓋區(qū)，R2為交叉覆蓋區(qū)寬度；當(dāng)小區(qū)內(nèi)移動臺處于單一覆蓋區(qū)時(shí)，移動臺只與最近扇區(qū)頂點(diǎn)上的天線單元通信，天線單元發(fā)射功率為PT＝P0·rα，其中α為自由傳播模型路徑損耗因子，r是移動臺到天線單元的距離，P0為發(fā)射功率初值；當(dāng)小區(qū)內(nèi)移動臺位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，接收位于小區(qū)頂點(diǎn)上的三個(gè)天線單元的空間分集信號，天線單元發(fā)射功率為PT=P0·R1α,]]>其中α為自由傳播模型路徑損耗因子。
2.如權(quán)利要求1所述正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法和相應(yīng)的收發(fā)系統(tǒng)，特征在于當(dāng)均勻分配每根天線的功率時(shí)，天線數(shù)等于總發(fā)射功率除以每根天線分配的功率值。
全文摘要
本發(fā)明分布式正三角形小區(qū)結(jié)構(gòu)配置方法，特征是基站控制器連接三個(gè)分布式天線單元，每個(gè)天線單元以60度扇區(qū)朝向小區(qū)中心，共同覆蓋一個(gè)正三角形區(qū)域，基帶收發(fā)信號通過光纖連接到基站收發(fā)器集中處理；正三角形小區(qū)分為單一覆蓋區(qū)和交叉覆蓋區(qū)；當(dāng)移動臺位于單一覆蓋區(qū)時(shí)，只與距離最近的天線單元通信；當(dāng)移動臺位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，同時(shí)與位于頂點(diǎn)的三個(gè)天線單元通信。本發(fā)明利用交叉覆蓋區(qū)增大了覆蓋面積而沒有增大發(fā)射功率的上限；相應(yīng)的，若覆蓋相同的面積，本發(fā)明中移動臺接收端信噪比更高，從而提高了系統(tǒng)的信息理論容量。
文檔編號H04Q7/36GK1921342SQ20061009600
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月9日
發(fā)明者朱近康, 王振, 朱劍 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)