专利名称：分布式正三角形小区结构配置方法
技术领域：
本发明属于移动通信技术领域，特别涉及分布式基站系统的小区结构配置方法。
背景技术：
随着无线频谱资源的开发利用，系统的工作频点不断提高，基站覆盖相同的面积需要的发射功率迅速增加。例如在自由空间衰落模型下，保持500米覆盖范围，工作在5GHz频点的基站发射功率比工作在800MHz频点的基站发射功率要高16dB。分布式基站系统可以将地理位置不同的天线收发信号集中到同一处进行基带处理，自然地成为一种提高小区覆盖的手段。
如《无线通信原理与应用》(Wireless Communications Principles and Practice，Theodore R.Rappaport，Page(s)17-39)中所述，现有的蜂窝小区结构是以正六边形为基本小区，各小区紧密拼凑，无缝无交叉重叠地覆盖整个地区的一种小区覆盖方式。基本小区为独立收发通信区，分配有限通信频段使用。蜂窝小区结构的特点主要是没有交叉重叠的无缝覆盖，各小区是独自收发的单基站中心系统，邻近小区各不相关，但电波不会在小区边界上消失，会造成干扰。为了减小对边缘邻近小区产生明显的干扰，在蜂窝小区结构中，通常采用多频段分小区重复利用技术。一个小区用一个频率，使用几个不同频率的小区构成小区簇，每个簇使用相同的几个频率。虽然各簇都使用相同的几个频率，但在地理上分开，因此频率可以重复利用，进而可以覆盖整个区域。在现有技术中，最好的情况是一个簇只存在一个小区，那么一个频率覆盖整个地区。类似地，若一个簇有7个小区，就需要7个频率覆盖整个地区。蜂窝小区结构是小区无缝无交叉重叠覆盖，小区间虽然截然分开，但发射信号功率不会截然中止，簇越小则干扰越大，限制了系统容量的提高。
现有的分布式小区结构采用类似传统蜂窝小区结构的无缝覆盖配置方案，其区别在于收发系统的实现不同，分布式小区的收发系统可以将地理位置不同的天线收发信号集中到同一处进行基带处理，从而减少了干扰，提高了系统容量。但是，现有的分布式小区覆盖面积只是单个天线单元最大覆盖面积之和，而且移动台接收端信噪比随移动台的位置有明显起伏变化。例如《电气和电子工程师协会第57届车载技术会议论文集》(Vehicular Technology Conference，2003.VTC 2003-Spring.The 57th IEEESemiannual，22-25 April 2003 Page(s)779-782 vol.1)中提出的小区配置方案，其功率分配策略为分布式基站的发射功率与r4成比例(文中假定自由传播模型衰减因子为4)，其中r是移动台到最近的分布式天线单元的距离。上述分布式天线系统采用全向天线，天线单元的覆盖面积是由天线单元的最大发射功率决定的。并且，在这种下行功率分配策略下的现有发射功率方案中，移动台距离某一天线单元较近而距离其余天线单元较远时，接收端解调出的信噪比较低；当移动台处于靠近小区中心位置，即距离各天线单元距离相近时，接收端解调出的信噪比快速增高。这种下行功率分配策略的缺陷是对小区中移动台发射的总功率大，增大了邻近小区的共道干扰，降低了系统容量；并且，小区覆盖面积只是单个天线单元最大覆盖面积之和。
发明内容
本发明的目的是提出一种分布式正三角形小区结构配置方法，以增加小区的覆盖面积，同时减小相邻小区间的共道干扰，进而增加系统容量。
本发明分布式正三角形小区结构配置方法，利用位于小区顶点的分布式天线单元共同覆盖一个小区，将属于同一小区的分布式天线单元通过光纤连接到基站控制器，基带信号由基站控制器统一处理，下行功率分配由基站控制器中的功率分配策略产生并控制天线单元的发射功率；移动台首先对分集信号同步、跟踪，然后合并接收信号，最后做相应的基带处理；其特征在于基站控制器连接三个分布式天线单元，每个天线单元以60度扇区朝向小区中心，共同覆盖一个正三角形区域；该正三角形小区的边长为2R1+R2，其中R1为天线单元的最大覆盖半径，小区中位于最大覆盖半径内的区域为单一覆盖区，R1即为单一覆盖区半径，小区其他部分为交叉覆盖区，R2为交叉覆盖区宽度；当小区内移动台处于单一覆盖区时，移动台只与最近扇区顶点上的天线单元通信，天线单元发射功率为PT＝p0·rα，其中α为自由传播模型路径损耗因子，r是移动台到天线单元的距离，P0为发射功率初值；当小区内移动台位于交叉覆盖区时，接收位于小区顶点上的三个天线单元的空间分集信号，天线单元发射功率为PT=P0·R1α,]]>其中α为自由传播模型路径损耗因子。
天线单元的天线数目由天线单元的总发射功率和每根天线上分配的功率确定；通常采用的确定方式之一为当均匀分配每根天线的功率时，天线数等于总发射功率除以每根天线分配的功率值。
本发明分布式正三角形小区结构的原理如下在包括时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交码分多址(OCDMA)或正交频分多址(OFDMA)的现有通信系统中，信道模型可以表示为Y=H(0)·X(0)+Σi=1KH(i)·X(i)+Z]]>式中，X是一个N×L×1的发射信号向量，它代表N个分布式天线单元，每个天线单元有L个天线；Y和Z都是M×1的接收信号向量，Y是移动台的接收信号，Z是高斯白噪声；式中第一部分是来自移动台所在小区的有用信号，第二部分是来自另外K个小区的干扰，最后一项是高斯白噪声。
从第j个发送天线到第i个接收天线的信道增益可以表示为hi,j=ri,j-α·βi,j]]>
式中ri，j表示从第j个发送天线到第i个接收天线的距离，α是路径损耗因子，这里设定为3，βi，j表示第j个发送天线到第i个接收天线的阴影衰落。
设发送端完全不知道信道状态，一个天线单元上的每个天线平均分配功率，以系统信息理论容量为标准比较两种基站控制器发射功率策略，其中系统的信息理论容量可以表示为C=logdet(IM+PN×L·σ2HH*)=Σi=1Klog(1+ρN×Lλi)]]>式中，K是信道的阶数，λi是矩阵HH*的特征值，并且ρ=Pσ2.]]>在单位覆盖面积上天线单元的平均发射功率相同的情况下，通过计算机仿真，得到采用本发明分布式正三角形小区结构的系统的信息理论容量是传统方案的两倍。因为在分布式天线系统中，每个天线单元具有相同的发射功率上限，这样最大发射功率能够覆盖的区域之和就是分布式天线系统的覆盖区域；在本发明中利用交叉覆盖区增大了覆盖面积，而不必增大发射功率的上限，这是因为在交叉覆盖区中的移动台利用了3个天线单元同时收发所带来的空间分集增益；相应的，若在覆盖相同的面积时，本发明中移动台接收端信噪比更高，从而提高了系统的信息理论容量。
图1为本发明分布式正三角形小区系统示意图。
图2为分布式正三角形小区接收机示意图。
图3为分布式正三角形小区下行功率分配示意图。
图4为分布式正三角形小区和小区间干扰示意图。
图5为小区中各点信息理论容量的分布图。
图6为在不同信噪比条件下平均系统容量图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例1附图1给出了本发明分布式正三角形小区结构配置示意图由三个分布式天线单元A共同覆盖一个正三角形小区，每个天线单元以60度扇区朝向三角形小区中心；三个天线单元通过光纤与基站控制器B相连。该正三角形小区的边长为2R1+R2，其中R1为天线单元的最大覆盖半径，R2为交叉覆盖区宽度。
附图2给出了小区中的移动台对接收到的基带信号的处理流程首先为时频同步跟踪模块1，在该模块中一般可利用包括插入导频的方法实现，然后通过信号合并模块2实现信号叠加，例如可采用最大比合并方法来提高接收信号的信噪比，最后根据具体的系统类型把合并后的信号输入到相应类型的基带处理模块3中做处理。
根据天线单元的发射功率上限可以得到正三角形小区的单一覆盖区半径R1和交叉覆盖区宽度R2，从而把正三角形小区划分为单一覆盖区和交叉覆盖区，基站控制器B可以通过天线到达角和定时信息得知小区中移动台的位置，当移动台4处于单一覆盖区时，基站控制器B控制距离移动台最近的天线单元A2采用单一覆盖区功率策略6发送下行数据，当移动台4位于交叉覆盖区时，基站控制器B控制天线单元A1、A2和A3采用交叉覆盖区功率策略5同时向移动台4发送下行数据。
所述交叉覆盖区功率策略5为当移动台位于交叉覆盖区时，天线单元发射功率为PT=P0·R1α,]]>其中α为自由传播模型路径损耗因子，P0为发射功率初值，R1为单一覆盖区覆盖半径。
所述单一覆盖区功率策略6为当移动台位于单一覆盖区时，天线单元发射功率为PT＝P0·rα，其中α为自由传播模型路径损耗因子，P0为发射功率初值，r是移动台到天线单元的距离。
所述R1也即为天线单元对单一覆盖区中移动台的最大发射功率覆盖半径，R2/R1的值可以体现单一覆盖区和交叉覆盖区在正三角形小区中的比例关系，此比值可以为定值，也可以自适应调整。
附图4为分布式正三角形小区和小区间干扰图图中顶点天线单元A1、A2和A3所构成的三角形区域为一个分布式正三角形小区；天线单元A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11和A12分别是第一圈相邻小区中对正三角形小区A1A2A3造成干扰的扇区的天线单元；各小区内激活用户均匀分布，考虑现有包括TDMA、FDMA、OCDMA或OFDMA在内的单用户情形，小区间频率复用因子为1。
信道模型可以表示为Y=H(0)·X(0)+Σi=1KH(i)·X(i)+Z]]>式中，X是一个N×L×1的发射信号向量，它代表N个分布式天线单元，每个天线单元有L个天线；Y和Z都是M×1的接收信号向量，Y是移动台的接收信号，Z是高斯白噪声；式中第一部分是来自移动台所在小区的有用信号，第二部分是来自另外K个小区的干扰，最后一项是高斯白噪声。
从第j个发送天线到第i个接收天线的信道增益可以表示为hi,j=ri,j-α·βi,j]]>式中ri，j表示从第j个发送天线到第i个接收天线的距离，α是路径损耗因子，这里设定为3，βi，j表示第j个发送天线到第i个接收天线的阴影衰落。
设发送端完全不知道信道状态，一个天线单元上的每个天线平均分配功率，以系统信息理论容量最为标准比较两种基站控制器发射功率策略，其中系统的信息理论容量可以表示为C=logdet(IM+PN×L·σ2HH*)=Σi=1Klog(1+ρN×Lλi)]]>式中，K是信道的阶数，λi是矩阵HH*的特征值，并且ρ=Pσ2.]]>单位覆盖面积上天线单元的平均发射功率相等是一个公平的比较标准，所以设覆盖面积相同，设交叉覆盖区宽度R2是单一覆盖区半径R1的一半，则R1＝0.8R1’，其中R1’为三角形小区边长。如前述所设可以知道，相同覆盖面积的前提下，本发明的分布式天线单元的最大发射半径只有传统小区天线单元最大发射半径的0.8，所以，要使平均发射功率相同，可以增加单一覆盖区天线单元的天线数。设采用本发明功率策略和传统功率策略时，收发天线数目相同，例如以(M、L、N)来分别表示接收天线数，位于同一天线单元的发射天线数和天线单元数目，设接收天线数为1，则如果采用交叉覆盖区功率策略时收发天线数表示为(1，1，3)，则采用单一覆盖区功率策略时收发天线数表示为(1、3、1)，即位于同一天线单元的3根天线与位于单一覆盖区中的移动台通信。
这样可以得到天线单元的平均发射功率采用本发明中的下行发射功率策略NL·∫0π3∫0R1P0·r3·rdrdθ+L·P0·R13·SmultiStriangle]]>采用传统发射功率策略NL·∫0π3∫0R1′P0·r3·rdrdθStriangle]]>Smulti和Striangle分别是交叉覆盖区面积和正三角形小区面积，通过计算可以得到，上面两个平均功率是相同的。
如附图5所示，从正三角形小区顶点的天线单元A1到小区对边的线段上等距离找22个点，采用本发明和传统功率策略时各点的容量，单一覆盖区半径R1归一化为1，其中实线a在归一化距离为0到1时，即移动台位于单一覆盖区内时，曲线变化平坦，平均的系统容量为7bits/s/Hz，在归一化距离从1到1.2时，系统容量从7.4bits/s/Hz下降到5bits/s/Hz，归一化距离从1.2到2.2时，即移动台位于交叉覆盖区时，曲线变化平坦，系统平均的系统容量保持在5bits/s/Hz；点划线b在归一化距离从0到1.5时，系统容量从3.7bits/s/Hz上升到6.5bits/s/Hz，归一化距离从1.5到2.2时，系统容量从6.5bits/s/Hz下降到5.7bits/s/Hz。图中曲线形状可以看出本发明的容量分布在单一覆盖区和交叉覆盖区都是平坦的，从而可以提供更平稳的服务质量，而传统功率策略的小区容量在这条线段上达到最大值，线段两侧均下降。移动台位于单一覆盖区时，本发明系统容量平均提高3bits/s/Hz，而位于交叉覆盖区时本发明比传统功率策略的系统容量低约1bits/s/Hz。如附图6所示当收发天线数为(2、1、3)，实线c在接收端信噪比从0上升到22dB时，平均系统容量从3.5bits/s/Hz上升到7bits/s/Hz，在接收端信噪比从22到30dB时，平均系统容量保持在7bits/s/Hz；点划线d在接收端信噪比从0上升到21dB时，平均系统容量从1bits/s/Hz上升到3bits/s/Hz，在接收端信噪比从21到30dB时，平均系统容量保持在3bits/s/Hz。接收端信噪比在0到30dB变化时，采用本发明功率策略的平均系统容量是传统功率策略小区的2.5倍。
权利要求
1.一种分布式正三角形小区结构配置方法，利用位于小区顶点的分布式天线单元共同覆盖一个小区，将属于同一小区的分布式天线单元通过光纤连接到基站控制器，基带信号由基站控制器统一处理，下行功率分配由基站控制器中的功率分配策略产生并控制天线单元的发射功率；移动台首先对分集信号同步、跟踪，然后合并接收信号，最后做相应的基带处理；其特征在于基站控制器连接三个分布式天线单元，每个天线单元以60度扇区朝向小区中心，共同覆盖一个正三角形区域；该正三角形小区的边长为2R1+R2，其中R1为天线单元的最大覆盖半径，小区中位于最大覆盖半径内的区域为单一覆盖区，R1即为单一覆盖区半径，小区其他部分为交叉覆盖区，R2为交叉覆盖区宽度；当小区内移动台处于单一覆盖区时，移动台只与最近扇区顶点上的天线单元通信，天线单元发射功率为PT＝P0·rα，其中α为自由传播模型路径损耗因子，r是移动台到天线单元的距离，P0为发射功率初值；当小区内移动台位于交叉覆盖区时，接收位于小区顶点上的三个天线单元的空间分集信号，天线单元发射功率为PT=P0·R1α,]]>其中α为自由传播模型路径损耗因子。
2.如权利要求1所述正三角形小区结构配置方法和相应的收发系统，特征在于当均匀分配每根天线的功率时，天线数等于总发射功率除以每根天线分配的功率值。
全文摘要
本发明分布式正三角形小区结构配置方法，特征是基站控制器连接三个分布式天线单元，每个天线单元以60度扇区朝向小区中心，共同覆盖一个正三角形区域，基带收发信号通过光纤连接到基站收发器集中处理；正三角形小区分为单一覆盖区和交叉覆盖区；当移动台位于单一覆盖区时，只与距离最近的天线单元通信；当移动台位于交叉覆盖区时，同时与位于顶点的三个天线单元通信。本发明利用交叉覆盖区增大了覆盖面积而没有增大发射功率的上限；相应的，若覆盖相同的面积，本发明中移动台接收端信噪比更高，从而提高了系统的信息理论容量。
文档编号H04Q7/36GK1921342SQ20061009600
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月9日 优先权日2006年9月9日
发明者朱近康, 王振, 朱剑 申请人:中国科学技术大学