专利名称：超经济广播系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及蜂窝通信系统。具体来说，本发明涉及超经济广播系统和方 法。
背景技术：
至少对于某些美国(U.S.)和欧盟(EU)的应用来说，蜂窝无线电话系统基站收发 台(BTS)可能受约束于1640瓦的最大容许有效等向辐射功率(EIRP)。EIRP，作为系统 性能的度量，至少是发射机功率和天线增益的函数。作为对蜂窝BTS EIRP限制的结果， U.S.、EU以及其它蜂窝系统设计者使用大量的BTS以便向他们的消费者提供令人满意的 服务质量。对小区的进一步限制包括小区内所要服务的消费者的数目，这会使小区大小 成为人口密度的函数。一种已知的天线装置具有17.5dBi的天线增益、3dB的馈线损耗(1.25〃线、200 英尺天线杆)以及3.5dB的BTS噪声系数，使得Ga-NFsys (系统噪声系数)=17.5-3.5-3.0 = IldBK在上行链路中)。下行链路发射机功率通常为50W。利用总计_3.5dB的馈线、 双工滤波器和跨接电缆，给天线的Pa输入功率通常为16W，使得EIRP为16W+17.5dB = 1,000W。在许多实现中，每个BTS被布置在小区中心附近，小区在本领域中按照术语有 各种称谓，例如宏小区，考虑到针对诸如室内服务或航空器内服务之类的特定用途，使 用更小的小区(微小区、纳小区、微微小区等等)。诸如城市人口密度的小区之类的典型 小区具有小于3英里(5千米)的半径。除了 EIRP约束，BTS天线塔的高度通常由各种 本地或地区的分区限制进行管制。结果，在世界许多地方的蜂窝通信提供商实施非常类 似的系统。在每个国家内，对蜂窝BTS EIRP以及天线塔的高度的限制是不同的。不仅全球 对移动蜂窝通信的需求正在快速增长，而且在诸如印度、中国等科技发展中国家中，确 实还有许许多人尽管有意愿和能力支付物美价廉的服务，但当前还不能使用蜂窝服务。 在一些国家，政府补贴当前正在推动扩建的进行，然而，却希望最小化这种补贴扩建的 成本和时间。在这些情况下，特别是对于收入水平低和/或人口密度低的地区来说， 传统蜂窝网络运营商仍需要解决的问题是如何减少与蜂窝基础设施部署相关联的资本成 本，同时降低运营费用。需要一种能够显著减少传统BTS基站等同物(site-equivalent)的 数目同时降低运营费用的创新解决方案。
发明内容
本发明的实施例提供一种超经济广播系统和方法。在一个实施例中，一种蜂窝通信系统包括限定多个相应的小区的多个基站收 发台，每个基站收发台包括具有多个扇区的相控阵天线，每个扇区具有多个垂直排列的 天线板，并且每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱中的多个垂直排列的辐射体。在另一实施例中，一种使用相控阵天线广播信号的方法包括使用多个垂直排 列的天线板形成被水平和垂直整形的波束，其中每个天线板具有布置在至少两个交错的 支柱中的多个垂直排列的辐射体，并且发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实 质上均勻的场强的功率分布。因此，已经相当宽泛地概述了本发明的某些实施例，以便可以更好地理解本发 明的详细描述并可以更好地认识对本领域的当前贡献。当然，还有将要在下面进行描述 的本发明的另外实施例，并且这些实施例将形成这里所附权利要求的主题。在这方面，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解，在本发明的 应用中，本发明并不限于下列描述中提出的或者附图中示出的结构细节和组件的排列。 除了所描述的这些实施例之外，本发明能够以各种方式实践和实施。同样，应当理解， 这里所用的措词和术语以及摘要是为了描述的目的而不应当视作限制。同样，本领域技术人员应当认识到，本公开所基于的构思可以容易地被用作设 计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方法以及系统的基础。因此，重要的是，这 些权利要求应当被视作包括这种等同结构，只要它们不背离本发明的精神和范围。
图1描绘根据本发明实施例的基站收发台天线的透视图。图2将标准小区的覆盖与由根据本发明实施例的基站收发台天线提供的覆盖进 行比较。图3A和图3B描绘根据本发明实施例的相控阵天线的水平辐射图和垂直辐射图。图4A和图4B示出根据本发明实施例的“罗宾汉”原理的各个方面。图5示出根据本发明实施例的相控阵天线的天线板的功率和相位。图6呈现根据本发明实施例的作为距离的函数的相控阵天线信号强度。图7A描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的半透明透视图。图7B和7C各描绘根据本发明相应实施例的相控阵天线板的透视图。图8A、8B和8C各描绘根据本发明相应实施例的相控阵天线板的端部的透视 图。图9描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的正面透视图。图10描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的后面透视图。图11描绘根据本发明实施例的天线板叠层的透视图。
具体实施例方式本发明的实施例提供一种超经济广播系统和方法。一、本发明概述
创造性的超经济广播系统包含各种天线设计和无线电网络规划构思， 解决蜂窝运营商在全面支持380至3,800MHz频率范围中所有子标准和调制的 GSM-960/1800/1900、CDMA-450/850 以及 UMTS-2170 标准中的需要。有利地，也就 是说，例如，由于基站的覆盖区域增加了 10-30倍以及应用了优化的无线电覆盖规划方 法，该创造性的超经济广播系统减少特殊资本支出以及运营费用，同时在技术效率、适 用性和盈利能力水平上超越标准技术。根据本发明的各种实施例，所需的BTS的数目降减少了 10-20倍，维持或提高 了服务质量，并且允许去除在新网络构建或现有网络扩张中使用的所有冗余BTS。这种 改进的资源管理效率允许运营商延迟或者甚至停止购买新的设备(BTS，收发机)，从而 导致财务资源的节省、更高的盈利能力以及提高的业务资本化。根据本发明的教导，小 区的现代化由于实施了调制解调器和更可靠的设备而使得无线接入网络具有更好的容错 性。维护费用也被降低，平均故障间隔时间(MTBF)显著增加，并且蜂窝网络的总体拥 有成本(TCO)大大降低，从而保持或者甚至增加了盈利能力水平。该创造性的超经济广播系统的优选实施例还包括安装优化的基站，该优化的基 站具有432厄兰(Erlang)的最大可能基站容量和例如达40km超长范围的室内覆盖。网 络每Ikm2的预期成本比用较便宜且质量较差的BTS和标准天线产生的覆盖的成本低10 倍以上。这些优化的基站既放大它们上行链路信道的信号又放大它们下行链路信道的信 号，从而与标准天线和天线杆相比，提高了链路预算18-30dB，甚至提高了 10-20倍大的 覆盖面积。下行链路的放大可以达到每载波差不多80W，从而允许移动终端减少能耗并 且使RF干扰最小。这些优化的基站还具有最大的容量扩张灵活性的特点，也就是说，例如，从 7.5-15厄兰的初始配置到成熟网络中的432厄兰(+2,880% )。这确保与现代电信市场的 人口、经济以及战略条件相比该网络具有最大自适应容量。该创造性的超经济广播系统类似地可应用于广播网络，其中强大的放大器和高 位安装的天线在40-50km半径内的地域(5,000至8,000km2)上提供视距无线电覆盖。该创造性的超经济广播系统有利地允许运营商在辽阔的地理区域上以最小资本 支出快速投入语音服务，从而给予许许多多的人以改善他们生活质量的机会。这样，运 营商接纳经济且有利可图的技术，这些技术在将来的很多年里可以成为业务发展战略的 关键要素。通过适应本发明的教导，运营商能够引进可以得到由高的内部收益率支持的 自筹资金的机会。运营商可能非常需要仅仅资本支出总量的15-25%来启动项目自筹资金 过程一其余可以凭借所产生的巨大总利润来筹措资金。该创造性的超经济广播系统可能在电信服务消费水平相对较低(ARPU(每用户 平均收入)US$1_4)、缺乏或只有老的模拟电信基础设施的地区最为有利可图。在这种地 区，具有最低CAPEX(资本支出)水平(50-150US$/km2)的移动蜂窝基础设施可以提供 最佳的经济和技术收益。在增加小区容量方面的灵活性、运营费用减少50-95%、与所有 新标准(GPRS、EVDO> HSDPA、WiMAX、UMB> OFDM/MIMO)兼容，可以共同确 保最低的总体拥有成本并且使得能够扩张到收入低和/或人口密度低的市场。二、本发明若干实施例的详细描述根据本发明的一个方面，与传统的蜂窝系统相比，有利地增加小区间隔，即相邻BTS之间的距离，同时在每个小区内提供一致的服务质量(QoS)。本发明优选实施例 增加每个BTS的范围。传统宏小区的半径通常具有从大约1/4英里(400米)到理论最 大值22英里(35千米)的范围(在GSM标准下的极限值)；实践中，除了在高密度的市 区和非常空旷的郊区外，使用大约3至6英里(5-10km)的半径。对于本发明的典型实施 例来说，本发明提供在22英里的GSM极限值下的全部功能，并且在某些实施例中很好地 扩展到该极限值之外。在本发明的某些实施例中，小区大小保持受用户容量的限制，与 传统宏小区相比，用户容量本身能够被显著增加。与小区大小的增加成比例地，增加BTS天线塔高度，从而为扩大的小区保留所 需的视距(针对惯用的4/3直径地球模型)传播路径。本发明的优选实施例将任何地方 的BTS天线塔的高度从大约200英尺(60米)增加到大约1500英尺(大约500m)。为 了使传统蜂窝收发机(用户的手持移动电话、数据终端、计算机适配器等等)的发送功率 和接收灵敏度很大程度上保持不变，用于SEC系统的塔顶装置的EIRP和接收灵敏度相对 于传统蜂窝系统来说在长距离处增加，而在天线杆附近减少。这些效果通过相控阵天线 和相关的无源元件以及本发明中包括的有源电子器件来实现。有利地，可以在SEC系统内使用诸如收发机、电源、数据传输系统、温度控制 和监控系统等等的标准BTS设备。一般来说，可以在例如以36至96台收发机以及216 至576厄兰的容量为特色的每个BTS处同时支持一至三个或者更多的蜂窝运营商(服务 提供商)。可替代地，蜂窝运营商可以使用更经济的BTS收发机(比如，0.1W的收发机 功率)，从而进一步减少成本和能耗。这些经济的BTS与之前的设计相比具有更小的覆 盖区(footprint)和更低的能耗，部分归因于在相控阵天线塔的顶部而非在地上执行发送 信号的放大和接收信号的处理。图1呈现根据本发明实施例的BTS天线的透视图。基站收发台10包括天线塔12和相控阵天线14，相控阵天线14布置在塔12的上 部，这里示出为塔顶。该实施例中示出的天线14的形状通常为圆柱形，这用来降低风力 载荷，并且天线14具有多个扇区16，例如6个扇区、8个扇区、12个扇区、18个扇区、 24个扇区、30个扇区、36个扇区等等，它们共同提供对与该BTS相关的小区的全向覆 盖。每个扇区16包括采用垂直叠层形式的多个天线板18。每个高程(elevation) 20包括 能够围绕支撑系统以在特定高度提供360°C覆盖的多个天线板18，每个板18可能属于不 同的扇区16。每个天线板18包括封装在天线罩内的多个垂直排列的辐射体，这些天线罩 在一定程度上与实施例中示出的板18相符合。诸如同轴电缆、光纤电缆等等之类的馈线将蜂窝运营商设备连接到位于相应的 扇区16后面的天线馈电系统。在每个扇区16的馈电系统的输入端有双工器、功率传输 放大器、低噪声接收放大器等等，来放大和整形从相控阵天线14发送的信号和由相控阵 天线14接收的信号。在一个实施例中，该馈电系统包括精密的功率分配器以将每个扇区 16内的天线板18互连，并且向该扇区中的板18提供垂直波瓣整形以及波束倾斜。在另 一实施例中，可以在该馈电系统内使用软同轴电缆。图2将标准小区的覆盖与由根据本发明实施例的BTS天线提供的覆盖进行比 较。表1将传统蜂窝基站的天线参数和覆盖与本发明的两个不同实施例进行比较。GSM 870-960MHZ频带用于该比较。
权利要求
1.一种蜂窝通信系统，包括限定多个相应的小区的多个基站收发台，每个基站收发台包括具有多个扇区的相控 阵天线，每个扇区具有多个垂直排列的天线板，每个天线板具有布置在至少两个交错的 支柱上的多个垂直排列的辐射体。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每个支柱包括至少八个固定间隔的、横向放置 的、四边形交叉偶极子辐射体。
3.根据权利要求2所述的系统，其中每个支柱内的辐射体之间的垂直间隔为约一个波长。
4.根据权利要求3所述的系统，其中相邻的、交错的辐射体之间的垂直间隔为约二分 之一波长。
5.根据权利要求4所述的系统，其中对于来自每个支柱的辐射体来说，在两个相邻辐 射体的中心之间所画的线相对于所述天线板的中心线形成大约45度的角。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个扇区包括至少六个扇区。
7.根据权利要求6所述的系统，其中每个扇区包括至少八个天线板。
8.根据权利要求7所述的系统，其中每个扇区形成具有约7°至约65°的水平波束宽 度以及约0.66°至约2°的垂直波束宽度的定向天线波束。
9.根据权利要求8所述的系统，其中每个扇区形成具有约30°至约45°的水平波束 宽度的定向天线波束。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述相控阵天线广播具有近区场强、中区场 强和远区场强的信号，并且其中所述近区位于约Okm到lkm，所述中区位于约Ikm到 5km，并且所述远区位于约5km到30km。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述相控阵天线的近区场强比传统蜂窝天线的 场强低约10dB，并且所述相控天线的远区场强比所述传统蜂窝天线的场强高约17dB至 27dB。
12.根据权利要求10所述的系统，其中每个扇区包括无源馈电系统，所述无源馈电系 统向每个天线板分配预定的信号功率和预定的信号相位并且分配来自每个天线板的预定 的信号功率和预定的信号相位。
13.根据权利要求10所述的系统，其中每个天线板包括无源馈电系统，所述无源馈电 系统向每个天线辐射体分配预定的信号功率和预定的信号相位并且分配来自每个天线辐 射体的预定的信号功率和预定的信号相位。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述无源馈电系统是带状线。
15.—种使用相控阵天线广播信号的方法，包括使用多个垂直排列的天线板形成被水平和垂直整形的波束，每个天线板具有布置在 至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体；并且发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均勻的场强的功率分布。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述近区位于约Okm至lkm，所述中区位于 约Ikm至5km，并且所述远区位于约5km至30km。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述近区的场强比传统蜂窝天线的场强低约 IOdB,并且所述远区的场强比所述传统蜂窝天线的场强高约17dB至27dB。
18.根据权利要求15所述的方法，其中水平波束宽度为约7°至约65°，并且垂直波 束宽度为约0.66°至约2°。
19.根据权利要求15所述的方法，其中每个支柱包括至少八个固定间隔的、横向放 置的、四边形交叉偶极子辐射体，其中每个支柱内的辐射体之间的垂直间隔为约一个波 长，并且其中相邻的、交错的辐射体之间的垂直间隔为约二分之一波长。
20.—种使用相控阵天线广播信号的系统，包括 用于形成被水平和垂直整形的波束的装置；以及用于发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均勻的场强的功率分布的装置。
全文摘要
提供一种超经济广播系统和方法。该系统包括限定多个相应的小区的多个基站收发台，每个基站收发台包括具有多个扇区的相控阵天线，每个扇区具有多个垂直排列的天线板，并且每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体。该方法包括使用多个垂直排列的天线板形成被水平和垂直整形的波束，其中每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体；并且发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均匀的场强的功率分布。
文档编号H01Q9/16GK102017304SQ200980115865
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月4日 优先权日2008年5月2日
发明者托尔比约恩·约翰逊, 约翰·谢德勒 申请人:Spx公司