一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统的制作方法
【专利摘要】一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统包括若干中央处理单元（CU）和远端天线单元（RAU）。小区内的多个RAU通过光纤与CU互连。CU联合处理多路RAU天线接收的上行信号，并将预处理后的下行信号通过多个RAU天线发射。假设一个小区内配置M副定向天线、N副全向天线及L个天线架。定向天线数目M大于或等于3，全向天线数目N大于或等于1，天线架数目L小于或等于（M+N）。定向天线部署在小区边角的天线架，其最大增益方向对准小区中心；全向天线部署在小区中心的天线架。系统中的定向天线可以是120°，60°或者更小角度的波束天线。小区内（M+N）副天线为小区内所有移动终端服务。小区边角天线架的多个定向天线可为本小区及相邻小区的移动终端服务。
【专利说明】一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，用于改善小区边缘用户性能及降低网络规划成本，是一种定向天线与全向天线相结合的分布式天线系统。
【背景技术】
[0002]随着时代的进步与发展，人类社会对无线通信的速率、质量等各个方面提出了越来越高的要求，并且希望更加方便快捷地获取信息与进行沟通。由于无线频谱资源的有限性，分布式天线系统作为一种能够降低发射功率、增加系统容量、改善系统覆盖性能的技术越来越受人们关注。
[0003]在分布式天线系统中，分布地部署在小区内不同地理位置的多个远端天线单元通过光纤或同轴电缆等专用小区内回传链路连接到一个中央处理单元，在中央处理单元进行信号的联合处理。多个小区内的中央处理单元通过小区间回传链路连接到一个无线控制器设备，从而构成了一种树形的网络拓扑结构。每个中央处理单元通过本小区远端天线单元发送下行链路信号，并且联合处理多个远端天线单元接收的上行链路信号。
[0004]在传统的蜂窝系统中，使用多个正六边形小区来实现对服务区域的大范围无缝隙覆盖。一个正六边形小区构成一个独立的通信小区，距离较远的多个非相邻小区之间可以实现频率复用。随着用户数的不断增加，必须提高蜂窝系统的容量才能满足用户的需求.提高系统容量的传统方法是小区分裂技术，即将一个宏蜂窝小区划分成多个微蜂窝小区，并在每个微蜂窝小区设置一个基站设备处理该微小区内的无线信号接收与发射。但是，小区分裂不可能无限制地进行下去。一方面，这是由于多个小区间存在频率复用，当小区半径减少到一定范围时，小区间同频干扰会增强到不可接受；另一方面，当用户移动时，半径过小的小区会导致频繁的小区切换，系统信令等额外开销迅速增加。由此可见，小区分裂会带来网络架设成本增加、干扰增强、越区切换频繁等问题。通过采用分布式天线系统相关技术能够克服以上这些缺陷。
[0005]经过对现有文献的检索发现，Jonghyun Park等人在2009年的《IEEE Transactionon Wireless Communications (IEEE 无线通信汇刊)》上发表了题为 “Capacity Analysisfor Distributed Antenna Systems Using Cooperative Transmission Schemesin Fading Channels”的文章，其中分析了多个小区蜂窝结构下基于全向天线的分布式天线系统中不同位置移动用户的容量特性。刘玉玺等人在2011年《Journal ofElectronic&Information Technology (电子与信息学报)》上发表了题为“多蜂窝分布式系统下行链路性能分析”的文章，其中给出了三小区蜂窝结构下基于全向天线的分布式天线系统的遍历容量。基于全向天线的分布式天线系统相比传统的蜂窝系统能够获得较高的信道容量，但是在小区边界，移动终端用户能够获得的服务性能较差；另外，由于需要在不同的地理位置部署大量的远端天线单元，从而增加了基础网络规划与建设的成本。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术方案的上述不足，提出了一种定向天线与全向天线相结合的分布式天线系统。本发明通过使用部署于小区边角的定向天线和部署在小区中心的全向天线，可以将下行发射功率集中在所要覆盖的小区内，减低了对相邻小区的干扰，从而提高系统的信道容量；通过将定向天线放置在小区边角，可以改善小区边缘用户的性能；通过将多个定向天线放置在一个天线架上，可以降低系统网络规划的成本。
[0007]本发明的技术方案为:
[0008]本发明包括若干个中央处理单元和若干个远端天线单元，其中每个远端天线单元都通过光纤与中央处理单元相连，一个小区内的所有远端天线单元通过光纤连接到同一个中央处理单元。每个远端天线单元处有一个天线架，天线架上可以配置一副天线或者多副天线，天线可以是全向天线，也可以是定向天线。部署在小区边角的远端天线单元由定向天线与天线架构成，部署在小区中心的远端天线单元由全向天线与天线架构成。中央处理单元联合处理经光纤传输的多个远端天线单元的上行链路接收信号，中央处理单元预处理过的下行链路信号经由光纤传输到多个远端天线单元进行发射。移动终端用户与小区内的多个远端天线单元通过无线信道进行双向信号传输。
[0009]本申请所述的部署在小区边角的一个远端天线单元包括定向天线与天线架，所述的部署在小区中心的一个远端天线单元包括全向天线与天线架，其中定向天线或者全向天线都安置在天线架上。假设一个小区内有M副定向天线，N副全向天线，L个天线架。M副定向天线放置在小区边角的天线架上，它们的最大增益方向对准小区中心。N副全向天线放置在小区中心的天线架上。相邻小区的多副定向天线可以共用一个处于小区边角的天线架，所以一个小区内天线架的数目L小于或者等于定向天线数目与全向天线数目的总和(M+N)。
[0010]所述的系统中部署的定向天线可以是120°波束角定向天线，也可以是60°波束角定向天线。120。波束定向天线各个角度上的增益满足_min{12( Θ / Θ 3dB)2，AJ, Θ 3dB =70。，Am = 20dB。60。波束定向天线各个角度上的增益满足_min{12(0/03dB)2，Am}，Θ 3dB= 35°，Adi = SScIBq
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:减少了天线架的数目，降低了网络规划与建设的成本及复杂度；改善了小区边缘用户的性能，增大了系统容量。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为实施例1系统中天线部署位置情况示意图。
[0013]图2为基于120°波束定向天线的分布式天线系统。
[0014]图3为仅考虑噪声因素时实施例1系统小区边界信道容量随归一化距离的变化情况。
[0015]图4为仅考虑干扰因素时实施例1系统小区边界信道容量随归一化距离的变化情况。
[0016]图5为实施例2系统中天线部署位置情况示意图。
[0017]图6为仅考虑噪声因素时实施例2系统小区边界信道容量随归一化距离的变化情况。
[0018]图7为仅考虑干扰因素时实施例2系统小区边界信道容量随归一化距离的变化情况。
[0019]图8为实施例3系统中天线部署位置情况示意图。
[0020]图9为仅考虑噪声因素时实施例3系统小区边角信道容量随归一化距离的变化情况。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本发明的系统进行详细的描述:实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。实施例1:一种120°波束定向天线与全向天线结合的4天线分布式天线系统
[0022]如图1所示，实施例1包括7个正六边形小区，每个小区有4个远端天线单元，SP位于小区中心的一个远端天线单元和位于小区边角的三个远端天线单元，每个远端天线单元对应一个天线架。每个小区内有I副处在小区中心天线架上的全向天线和3副分别安装在3个小区边角天线架上的定向天线。一个小区内采用4副天线对整个小区进行覆盖。每个远端天线单元通过光纤与本小区的中央处理单元相连。移动终端用户与远端天线单元之间通过无线信道进行双向信号传输。
[0023]实施例1中，在小区I内，第一个天线架部署于小区中心0，第二个天线架位于小区的边角A，第三个天线架位于小区的边角C，第四个天线架位于小区的边角E。全向天线部署在第一个天线架上。第一副120°波束定向天线位于第二个天线架上，且该120°定向天线
的最大增益方向对准小区中心，即最大增益方向为4(9。第二副120°定向天线位于第三个
天线架上,且该120°定向天线的最大增益方向对准小区中心，即最大增益方向为第三
副120°定向天线位于第四个天线架上，且该120°定向天线的最大增益方向对准小区中
心，即最大增益方向力万3 4副分布地部署在小区不同位置的天线通过光纤与小区内的中
央处理单元相连，移动终端用户与各个天线之间通过无线信道进行双向信号传输。
[0024]小区I中第二个天线架上共配置了 3副120°定向天线，这3个120°定向天线分另Ij属于小区1、小区2和小区7 ;第三个天线架上共配置了 3副120°定向天线，这3个120°定向天线分别属于小区1、小区3和小区4 ;第四个天线架上共配置了 3副120°定向天线，这3个120°定向天线分别属于小区1、小区5和小区6。所有部署的120°波束定向天线的最大增益方向都对准所属小区的中心。
[0025]根据小区I中天线的配置方式，在实施例1的七个小区中共有19个天线架、21副120°波束定向天线和7副全向天线。部署于小区中心的一个天线架用于安装全向天线，而放置在小区边界的天线架被I个或者2个或者3个相邻小区的定向天线共用。
[0026]作为对比，考虑全部基于120°波束定向天线的分布式天线系统，即有6副120°定向天线分布在一个小区内，如图2所示。以小区I为例，各个天线的分布情况如下:小区中心的天线架上配置3副定向天线，它们的最大增益方向对准小区边角，分别力涵
W, 0F。位于小区边角A、C、E的天线架上配置3副属于小区I的120°波束定向天线，
它们的最大增益方向对准小区中心，分别为M、Cd, W)为了性能对比，考虑在集中式天线系统中，仅在处于小区中心的天线架上配置一副全向天线，而小区边角处无配置天线。为了分析方便，将小区I边界CB的距离进行归一化。
[0027]实施例1中仅考虑噪声因素和干扰因素时，小区I边界CB信道容量随归一化距离的变化情况分别如图3和4所示。从图3可以看出，在小区I边界CB上，当仅考虑噪声因素时，基于120°波束定向天线的分布式天线系统和集中式天线系统的信道容量最大可达到14bps/Hz和4.8bps/Hz,而实施例1的信道容量最大可达到15.2bps/Hz ;从图4可以看出，在小区I边界CB上，当仅仅考虑干扰因素时，基于120°定向天线的分布式天线系统和集中式天线系统的信道容量最大可达到5.5bps/Hz和0.7bps/Hz，而实施例1的信道容量最大可达到6bps/Hz。由此可见，相比基于120°定向天线的分布式天线系统，实施例1中小区边界系统容量有所提高，并且配置天线的数目减少；相比集中式天线系统，虽然实施例1中天线架及天线的数目增加，但是信道容量有了较大幅度的提高。实施例2:—种120°定向天线与全向天线结合的8天线分布式天线系统
[0028]如图5所示，实施例2包括7个正六边形小区，每个小区包括4个远端天线单元，即位于小区中心的一个远端天线单元和位于小区边界的三个远端天线单元。每个远端天线单元配置两副天线，一副垂直极化天线与一副水平极化天线。每个远端天线单元通过光纤与本小区的中央处理单元相连。移动终端用户与远端天线单元之间通过无线信道进行双向信号传输。
[0029]实施例2中位于小区中心的远端天线单元配置一副垂直极化全向天线和一副水平极化全向天线，位于小区边界的远端天线单元配置一副120°波束垂直极化定向天线与一副120°波束水平极化的定向天线。一个小区内共采用8副天线对整个区域进行覆盖。
[0030]实施例2中，在小区I内配置两副全向天线、六副定向天线和四个天线架。第一个天线架位于小区中心0，第二个天线架位于小区的边角A，第三个天线架位于小区的边角C，第四个天线架位于小区的边角E。两副全向天线安装于第一个天线架。安装于第二个天线架上的第一副和第二副120°波束定向天线分别为垂直和水平极化，且120°定向天线的最大增益方向均对准小区中心`，即最大增益方向为15。位于第三个天线架上的第三副和第四副120°定向天线分别为垂直和水平极化，且120°定向天线的最大增益方向均对准小区中心，即最大增益方向为^安装于第四个天线架上第五副和第六副120°波束定向天线分别为垂直与水平极化，且120°定向天线的最大增益方向均对准小区中心，即最大增益方向为。分布在小区不同地理位置的8副天线通过光纤与本小区的中央处理单元相
连，移动终端用户与各个天线之间通过空中接口进行无线电信号的双向传输。
[0031]在小区I中，第二个天线架上共配置了 3副120°垂直极化定向天线与3副120°水平极化定向天线，这6副120°定向天线分别属于小区1、小区2和小区7，相应的一副垂直极化定向天线和一副水平极化定向天线属于同一个小区；第三个天线架上共配置了 3副120°垂直极化定向天线与3副120°水平极化定向天线，这6副120°定向天线分别属于小区1、小区3和小区4，相应的一副垂直极化定向天线和一副水平极化定向天线属于同一个小区；第四个天线架上共配置了 3副120°垂直极化定向天线与3副120°水平极化定向天线，这6副120°定向天线分别属于小区1、小区5和小区6，相应的一副垂直极化定向天线和一副水平极化定向天线属于同一个小区。所有的120°波束定向天线的最大增益方向都对准所属小区的中心。[0032]根据小区I中天线的配置方式，在实施例2的七个小区中共有19个天线架、42副120°定向天线和14副全向天线。位于小区中心的一个天线架用于安装全向天线，而放置在小区边界的天线架被I个或者2个或者3个相邻小区的定向天线共用。
[0033]实施例2中仅仅考虑噪声因素和干扰因素时，小区I的边界CB信道容量随归一化距离的变化情况分别如图6和7所示。由图6可见，在小区I边界CB上，当只考虑噪声因素时，基于120°波束定向天线的分布式天线系统和集中式天线系统的信道容量最大可达到14bps/Hz和4.8bps/Hz，而实施例2的信道容量最大可达到23bps/Hz ;从图7可见，在小区I边界CB上，当只考虑干扰因素时，基于120°定向天线的分布式天线系统和集中式天线系统的信道容量最大可达到5.5bps/Hz和0.7bps/Hz，而实施例2的信道容量最大可达到7.2bps/Hz。由此可见，与采用120°波束定向天线的分布式天线系统和集中式天线系统相t匕，虽然实施例2中天线架及天线的数目增加，但是信道容量有了较大幅度的提高。
[0034]实施例3:—种60°定向天线与全向天线结合的8天线分布式天线系统
[0035]如图8所示，实施例3包括7个正六边形小区，每个小区包括7个远端天线单元，即位于小区中心的I个远端天线单元和位于小区边界的6个远端天线单元。每个远端天线单元放置一个天线架，处于小区中心的天线架上安装一副垂直极化全向天线和一副水平极化全向天线。每个远端天线单元通过光纤与本小区的中央处理单元相连。移动终端用户与远端天线单元之间通过无线信道进行信号的双向传输。
[0036]实施例3中，位于小区中心的远端天线单元配置一副垂直极化全向天线与一副水平极化全向天线，而位于小区边界的远端天线单元配置一副60°的定向天线。一个小区内共采用8副天线对整个区域进行覆盖。
[0037]实施例3中，在小区I内配置两副全向天线、六副定向天线和七个天线架。第一个天线架位于小区中心0，第二个天线架位于小区的边角A，第三个天线架位于小区的边角B，第四个天线架位于小区的边角C，第五个天线架位于小区的边角D，第六个天线架位于小区的边角E，第七个天线架位于小区的边角F。垂直极化全向天线与水平极化全向天线安装于第一个天线架上。第一个60°定向天线位于第二个天线架上，且该60°定向天线的最大增
益方向对准小区中心，即最大增益方向为第二个60°定向天线位于第三个天线架上，
且该60°定向天线的最大增益方向对准小区中心，即最大增益方向为价)第三个60°定向天线位于第四个天线架上，且该60°定向天线的最大增益方向对准小区中心，即最大增益方向为&第四个60°定向天线位于第五个天线架上，且该60°定向天线的最大增益
方向对准小区中心，即最大增益方向为万石第五个60°定向天线位于第六个天线架上，且
该60°定向天线的最大增益方向对准小区中心，即最大增益方向为位)。第六个60°定向天线位于第七个天线架上，且该60°定向天线的最大增益方向对准/」区中心，即最大增益方向为瓦L分布安装在小区不同地理位置的8副天线通过光纤与本小区的中央处理单元
相连，移动终端用户与各个天线之间通过无线信道进行双向信号传输。
[0038]小区I中，第二个天线架上共配置3副60°波束定向天线，这3副60°定向天线分别属于小区1、小区2和小区7 ;第三个天线架上共配置3副60°定向天线，这3副60°定向天线分别属于小区1、小区2和小区3 ;第四个天线架上共配置3副60°定向天线，这3副60°定向天线分别属于小区1、小区3和小区4;第五个天线架上共配置3副60°定向天线，这3副60°定向天线分别属于小区1、小区4和小区5 ;第六个天线架上共配置3副60°定向天线，这3副60°定向天线分别属于小区1、小区5和小区6;第七个天线架上共配置3副60°定向天线，这3副60°定向天线分别属于小区1、小区6和小区7。所有配置的60°波束定向天线的最大增益方向均对准所属小区的中心。
[0039]根据小区I中天线的配置方式,在实施例3的七个小区中共包括31个天线架、42副60°定向天线和14副全向天线。位于小区中心的一个天线架用于安装全向天线，放置在小区边角的天线架被I个或者2个或者3个相邻小区的定向天线共用。
[0040]实施例3中仅考虑噪声因素时，小区I的边界CB信道容量随归一化距离的变化情况如图9示。从图9可见，在小区I边界CB上，当仅考虑噪声因素时，集中式天线系统的信道容量最大可达到4.8bps/Hz，而实施例3的信道容量最大可达到15.5bps/Hz。由此可见，与集中式天线系统相比较，虽然实施例3中天线架及天线的数目增加，但是信道容量有了较大幅度的提高。
[0041]通过对以上实施例的分析可以看出，本发明通过使用部署于小区边角的定向天线及位于小区中心的全向天线，可以将无线电信号功率更加集中在期望覆盖的服务小区内，减小了对相邻小区的干扰，从而提高了多小区网络的系统容量；通过将定向天线放置在小区边界，可以改善小区边缘用户的性能；通过将多个定向天线放置在一个天线架上，可以降低系统中网络规划的复杂度与网络架设的成本。
【权利要求】
1.一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统，其主要特征是:一个小区内包括至少一个中央处理单元和若干个远端天线单元；每个小区形状为正六边形，多个相邻的正六边形小区实现对整个服务区域的大范围无缝隙覆盖；每个远端天线单元通过光纤与所属中央处理单元相连；一个小区内的所有远端天线单元连接到相同的中央处理单元；部署在小区边角的远端天线单元包括定向天线与天线架，部署在小区中心的远端天线单元包括全向天线与天线架；对于上行链路，通过光纤将多个远端天线单元的接收信号传输到中央处理单元进行联合处理；对于下行链路，经过中央处理单元预处理后的发送信号通过光纤传输到多个远端天线单元进行发射；移动终端用户与远端天线单元之间通过空中接口进行双向无线电信号传输； 假设一个小区内有#副定向天线、Λ/副全向天线及Z个天线架，I副定向天线位于小区边角的天线架上，其最大增益方向对准小区中心W副全向天线位于小区中心的天线架上；移动终端用户与小区内的所有远端天线之间通过无线信道进行双向传输。
2.根据权利要求1所述的一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统，其特征是，系统采用的定向天线可以是120°波束定向天线，或是60°或者更小波束角度的定向天线，它们部署在小区边角，最大增益方向均对准小区中心。
3.根据权利要求2所述的一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统，其特征是，多副天线可以共用一个天线架，这样天线架的数目Z小于或者等于定向天线与全向天线的数目之和(MN、。
4.根据权利要求1所述的一种定向天线与全向天线结合的分布式天线系统，其特征是，位于同一个天线架上的多副定向天线可以为一个小区内的所有移动终端用户提供服务，或者为多个小区内的移动用户提供服务；多副天线的射频载波收发频率可以工作在不同的频段上，或者工作在相同的频段上。
【文档编号】H04W16/28GK103731846SQ201410005459
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】王向阳, 李倩, 王江舟 申请人:东南大学