一种评估天线波束赋形提升无线通信容量的方法与流程

本发明主要属于移动通信技术领域，具体涉及一种评估天线波束赋形提升无线通信容量的方法，该方法对应通信容量估算、无线资源管理和调度具有实用价值。

背景技术：

天线的3d波束赋形技术被认为能有效提升蜂窝系统的容量,也被认为是5g(第五代移动通信)的关键技术之一。关于这种系统的容量的提升，业界一般通过系统仿真和测量实验来验证计算，仿真需要耗费大量的时间进行系统建模和运算，时间长，费用高。现场测量实验需要搭建复杂的硬件系统，费用更高。目前，缺乏一种理论化的、从物理概念出发的数学模型。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种评估天线波束赋形提升无线通信容量的方法，给出了波束赋形天线发射这一物理过程的熵的计算公式，联系信息量的定义，指出波束赋形系统相对全向天线系统的负熵约等于波束赋形引入的无线通信系统容量提升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种评估天线波束赋形提升无线通信容量的方法，所述方法通过计算获得波束赋形天线在发射过程中的物理熵值，并计算获得波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵；使用所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵来评估无线通信容量。

进一步地，所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵等于所述无线通信容量增加的倍数。

进一步地，波束赋形天线在发射过程中的物理熵值的计算具体为：

将天线方向图函数作为概率密度函数，将宏观的电磁波作为微观的光子的集合，则从天线发射出来的光子落到角度对应的一个小角域面元上的概率密度为

波束赋形天线在发射过程中的物理熵值为：

式中：hg为波束赋形天线在发射过程中的物理熵值；为天线方向图函数；θ是坐标系的垂直角，是坐标系的水平角，底数α根据需要选取10、2或自然对数e中的任意一项；当α为10时，计算结果的量纲为db；当α为自然对数e时，计算结果的量纲为np；当α为2时，计算结果的量纲为bit。

进一步地，所述概率密度函数的自变量的分布空间体积为v，则当p(x,y)是1/v时，波束赋形天线在发射过程中的物理熵值熵值最大且等于logαv；其中，所述概率密度函数的自变量的分布空间体积v为一维、二维或者三维及三维以上的多维空间；x、y表示一个概率分布所在自变量的坐标系变量，p(x,y)表示该概率分布的概率密度函数；

计算理想全向天线辐射方向图的物理熵值，该理想全向天线辐射方向图的物理熵值等于logα4π，是所有波束赋形天线辐射方向图的物理熵值中的最大值；

所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵hr为：

hr＝hg-logα4π。

进一步地，对于三扇区的固定波束基站天线系统，该天线能够指向的角度域是有限的，则三扇区的固定波束基站天线系统的相对理想全向天线系统的负熵h3sectors[db]表述为：

式中，db为对数单位，a为椭圆域和轴相交的上限；as为该三扇区的固定波束基站天线系统在单位球上能遍历覆盖的球面面积。

进一步地，在评估无线通信容量时，考虑基站-用户的链路分布；

假设在球坐标系中，基站-用户的链路分布密度函数为则

式中，为天线方向图函数，为链路加权的方向图函数；

对做归一化处理，即设：

式中：kgl为链路加权的方向图函数的归一化因子；

则：

式中：为归一化的链路加权的方向图函数；

此时，在评估无线通信容量时，考虑基站-用户的链路分布时，所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵为：

本发明的有益技术效果：

本发明所述方法不需要耗费大量时间进行系统建模和运算，费用低；并且本发明所述方法不需要搭建复杂的硬件系统进一步节省了相关费用。

本发明所述方法给出了波束赋形天线发射这一物理过程的熵的计算方法，联系信息量的定义，指出了所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵等于所述无线通信容量增加的倍数，能够准确评估通过天线波束赋形所提升的无线通信容量。

本发明所述评估方法可用于无线通信系统无线资源管理，具体来说是根据系统所需容量实时评估所需要的波束赋形流的方向图参数，并且与频域、时域无线资源做关联调整、控制，从而使无线通信系统的在涉及方向图波束控制的无线资源管理算法更明确、计算量更小。

附图说明

图1为基站天线方向图模型的分析坐标系；

图2为理想3d波束赋形天线方向图引入的相对负熵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种评估天线波束赋形提升无线通信容量的方法，所述方法通过计算获得波束赋形天线在发射过程中的物理熵值，并计算获得波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵；使用所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵来评估无线通信容量；所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵约等于所述无线通信容量增加的倍数。

已知具有联合概率密度函数p(x,y)的连续分布的熵是：

考虑天线发射具有天线方向图函数的定义：

其中，假设天线的辐射功率是1，是半径为r的球面上角度对应的一个小角域面元上的辐射功率；在(2)式中从数学上看r被消去了，从物理上看r→∞的条件在工程中可以适当放宽，满足远场条件即可；

如果将宏观的电磁波看成微观的光子的集合，那么从天线发射出来的光子，落到角度对应的一个小角域面元上的概率密度就是将代入(1)式可得：

式(3)为波束赋形天线在发射过程中的物理熵值，如果自变量的分布空间体积是v(可以是一维、二维或者多维空间)，则当联合概率密度函数p(x,y)是常数1/v时，那么则波束赋形天线在发射过程中的物理熵值熵值最大且等于logαv；那么显然理想全向天线辐射方向图的物理熵值等于logα4π，是所有波束赋形天线辐射方向图的物理熵值中的最大值；在log函数底数α根据需要选取10、2或自然对数e中的任意一项，取不同的底数时，熵值将取不同的量纲；按照天线工程的惯例，底数α可以取以10倍的10为底，则量纲是db。按照信息理论的惯例，底数α可以取以2为底数，则量纲是bit；当log函数的底数为自然对数e时，计算结果的量纲为np。

则定义所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵hr为：

hr＝hg-logα4π(4)

工程计算使用的简化的基站天线方向图可以参考国际电联itu-rm.2135报告，比如三维天线方向图表达式为式(5)所示。

其中：

是天线方向图的功率密度。

θ是垂直角，范围是-π/2～π/2(0对应天线正面)；

是水平角，范围是-π～π；

gmax是基站天线方向图上的最大增益(db)；

ae,h是基站天线方向图的水平函数；

ae,v是基站天线方向图的垂直函数；

其中是水平3db波束宽度，一般可以取65°；am是基站天线的旁瓣抑制比，一般取30db，ke和kh是降落系数，可以都取12；θ3db是垂直3db波束宽度，一般取10°。

该三维天线方向图模型的基本思路是删繁就简，将旁瓣、副瓣等简化为一个球面的包络。这个抛物面模型有一定的通用性，所以有必要进行更进一步的推导，考虑到球面积分功率的归一化要求，可以做下面的分析。将图1所示角度坐标系上的椭圆区域称为e，则有：

则天线方向图的功率密度为：

可以证明如下椭圆参数：

考虑到3d波束赋形的工程需要，则这个波瓣有可能只是整个天线系统的一个子波瓣，占据系统整个发射功率的ks为多波束系数；

则有：

由于θ坐标系的不同，(12)式中的积分项和正常坐标系中略有不同(sinθ替换为cosθ)；先求ie为计算过程量：

可以直接求得：

则为一个计算过程量；

按照基站天线方向图的定义，则有：

式(16)说明，考虑到球面积分功率的归一化要求，在θ3db、am已知情况下，基站天线方向图上的最大增益gmax是可以计算得到的。

表1列出了一个典型的基站天线的gmax计算值和测量值的对照，其中测量在中国泰尔实验室的室外天线测量远场完成，这说明本文所使用的数学模型是符合实际的。

表1基站天线方向图上的最大增益gmax测量值和计算值

在讨论无线通信系统中的波束赋形天线引入的相对负熵时，只有主瓣在通信容量提升、频谱效率提升中起作用，所以只应该考虑主瓣的作用，如(17)式所示。

(17)式隐含了一个前提：即这个主瓣可以指向任何角域，只有3d波束赋形的智能天线可以做到这一点。

对于三扇区的固定波束基站天线系统，该天线能够指向的角度域是有限的，对于这种问题，需要扣除角域不能遍历带来的“熵增加”，这个损失可以用式(18)表述：

则三扇区的固定波束基站天线系统的相对理想全向天线系统的负熵h3sectors[db]可以表述为：

更一般的，可以将(19)式推广为：

式(19)中，as为该三扇区的固定波束基站天线系统在单位球上能遍历覆盖的球面面积；

从信息的定义出发，空分复用是相对于其他无线资源维度的一个独立维度，所以波束赋形的相对负熵等于系统容量增加的倍数，比如天线系统的相对理想全向天线系统的负熵是-10db,意味着在理想情况下系统容量能相对参考值(理想全向天线)增加10倍。

这里需要明确的是：

1.“负熵”是“相对”，是说波束赋形系统电波发射的熵小于全向天线的，而发射本身的熵仍然是正值，因为代表电磁波的光子从波导系统极小的空间扩散到自由空间，熵必然是增大的，“相对负熵”不违反热力学第二定律。

2.实际天线系统有很多非理想的因素：比如用户端并不完全均匀地分布在球面上，比如实际智能天线波束指向并不是完全自由的，比如信道衰落的影响等等。这些因素的引入，就需要进一步的综合分析。

在评估无线通信容量时，考虑基站-用户的链路分布；

假设在球坐标系中，基站-用户的链路分布密度函数为则

式中，为天线方向图函数，为链路加权的方向图函数；

对做归一化处理，即设：

式中：kgl为一个归一化系数；

则：

式中：为归一化的链路加权的方向图函数；

此时，在评估无线通信容量时，考虑基站-用户的链路分布时，所述波束赋形天线相对理想全向天线系统的负熵为：

案例1：

对于一个典型的am＝30db，θ3db＝10°的三扇区基站系统，可以计算得到其h3sectors是-8.35db。即相对于理想全向天线，其容量增加8.35db.

案例2：

以下给出理想3d波束赋形天线系统的计算结果如图2所示，给出了不同垂直波束宽度和水平波束宽度对应的结果。所谓的理想，指的是天线波束能指向任何角度。从图2可以看到，水平3db波束宽度和垂直3db波束宽度θ3db越小，则引入的相对负熵越大，即潜在的通信容量提升越大，这个计算结果的趋势符合工程方面的物理常识，但是恰恰是目前移动通信工程领域缺乏定量计算的方法，而本发明提供了该定量计算方法。