CDMA通信系统基地台天线装置以及通信容量优化方法

摘要

一种天线装置，被安装于CDMA通信系统基地台中，其中，包括接收无线信号的多个天线元件、根据上述各天线元件接收的无线信号中所含信息生成天线控制信号的控制器、根据上述天线控制信号来调整上述多个天线元件各自定向特性的调整单元、以及根据上述天线控制信号来将上述各天线元件指配给某一扇形区的指配单元；上述小区中的扇形区数量可因上述天线控制信号含意而变更。

说明书

技术领域

本发明涉及CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址联接)通信技术领域，尤其是涉及CDMA通信系统基地台天线装置以及通信容量优化方法。

背景技术

CDMA通信系统中，同一频带在同一时刻为多个通信信道所公用，而各通信信道是以扩散码加以区别的。故，自身通信信道以外的通信信道总构成干扰信号。若干扰信号过多，则不能进行良好通信，在小区(cell)或扇形区内可以包容的用户数(通信容量)受到限制。要想尽可能地扩大通信容量，就必须适当地抑制干扰。

作为抑制来自其它信道干扰之技术，有一种将基地台所管辖地理意义上的区域(小区)分割为多个更小区域(扇形区)的扇形区分割技术。根据该技术，准备等量于扇形区数量的各具有给定波束图的定向天线而设置于基地台，各定向天线分别分担一个扇形区。通过将定向天线的主波束朝向分担扇形区内而将副瓣朝向分担扇形区外，来在空间上分离期望波(自身通信信道)与干扰波(其它通信信道)。

图1是一种扇形区分割技术所可以采用的定向天线100的立体图，图2是其俯视图。如图所示，该定向天线100包括：棒状发射元件103、用于反射来自发射元件103的电波的相交成给定顶角α而装设的两块发射板102、可在维系发射元件103与反射板102之位置关系下使之绕平行于棒状发射元件的轴而旋转的天线轴旋转单元101。两块反射板背后设有反射板顶角开闭单元105(见图2)，其可以变更两块发射板102间顶角α及变更定向天线100的波束宽(波束图)。又，通过以天线轴旋转单元101使发射元件103与反射板102旋转，还可以变更波束定向β。

假设使用3个这种定向天线100A，100B，100C，则可以构成图3A所示的由3个扇形区构成的小区。如图3B所示，每个定向天线的波束图均定向于对应的扇形区。

如果使用6个定向天线100A至100F，则可以构成图4A所示的由6个扇形区构成的小区。如图4B所示，每个定向天线的波束图均定向于对应的扇形区。

这种采用上述天线的扇形区分割技术，就传播延迟及信号到来方向等宽泛的多通路传播环境而言，比较有助于抑制由分担扇形区外其它通信信道造成的干扰。然而，对于传播延迟及信号到来方向等差距小的多通路传播环境而言，尤其是就传送功率、传送率及错误率等通信质量或通信类型不同的通信信号同在的环境而言，其抑制其它通信信道干扰的能力就比后面将描述的自适应天线阵列(adaptive antennaarray)技术要差。

作为抑制来自其它信道干扰之技术，还有一种自适应天线阵列技术。根据该技术，多个天线元件排列成给定形状，在基地台上形成天线阵列。利用接收信号的引导比特或独特码等已知信号来适应性地控制多个天线元件，使期望波对干扰波比即信噪比(SIR∶Signal toInterference Ratio)最大。将天线阵列的主瓣朝向自身信道到来方向，而将零点(Null Point)朝向其它信道到来方向，据此，干扰被在空间上明确地分离开。

图5一种自适应天线阵列技术所可以采用的自适应天线阵列的概念图，图6是自适应阵列天线的定向特性图。如图5所示，自适应天线阵列装置500包括多个(n个)天线元件(501₁，501₂，...，501_n)、对来自这些天线元件的信号分别乘以加权系数(w1，w2，...wn)的加权单元、以及将被加权化的各信号合成输出的输出端。通过适当变更赋与各信号的加权而使合成信号的SIR变得最大，可以实现最佳定向特性。

图6例示的是采用4个定向天线(n＝4)的自适应天线阵列的定向特性。该例中，如图6B所示，多个天线元件的每一个都由棒状发射元件构成，通过将多个棒状发射元件并列来形成天线阵列。一般，可以在自适应天线阵列前面形成数量比天线元件数量(n)少1个的零点(n-1个)。该例中，如图6A所示，可获得4-1＝3个零点，通过将这些零点朝向其它通信信道方向可以获得较大干扰抑制效果。

这种采用上述天线的自适应天线阵列技术，通过适应性地改变主瓣、零点位置等定向特性以使SIR最大，尤其对于传送功率、传送率及错误率等通信质量或通信类型不同的通信信号同在的环境下的干扰可以有效地加以抑制，有助于增加通信容量。譬如，若将传送功率大的信号朝向零点，则即使对传送功率小的信号也可以比较容易地确保所需通信质量。

然而，就传播延迟及到来方向等宽泛的多通路传播环境而言，尤其是就传送功率、传送率及错误率等通信质量或通信类型相同的信号占据主要的环境而言，自适应阵列技术抑制其它通信信道干扰的能力就比上述扇形区分割技术要差。其原因在于，当传播延迟及到来方向等宽泛时，自身通信信道到来方向分散，这势必要将主瓣形成得较宽，造成空间上干扰分离性变差，再加上其它通信信道到来方向也分散，故利用零点所带来的干扰抑制效果变小。还由于，通信质量、通信类型并非均一，所以上述使传送功率大的信号朝向零点的那种控制行不通。

综上所述，将上述已有技术单独地采用的话，不能够灵活地应对传播环境、通信类型等通信环境的变化，在给定频带中无法达成通信容量优化。

发明内容

本发明目的就在于提供一种可以相应于通信环境的变化而优化小区或扇形区中上行线路通信容量的CDMA通信系统基地台的天线装置及通信容量优化方法。

为达到上述目的，天线阵列配置可相应于传播环境(包括信号到来方向)及服务区中存在的通信类型来自动地切换，以适用扇形区分割技术或自适应天线阵列技术。这一结构即使传播环境或传播质量变动发生改变也照样可以确保优化通信容量。

本发明一方案是：一种天线装置，被安装于CDMA通信系统基地台中，其中，包括(a)接收无线信号的多个天线元件、(b)根据上述各天线元件接收的无线信号中所含信息生成天线控制信号的控制器、(c)根据上述天线控制信号来调整上述多个天线元件各自定向特性的调整单元、(d)以及根据上述天线控制信号来将上述各天线元件指配给某一扇形区的指配单元；上述小区中的扇形区数量可因上述天线控制信号含意而变更。

根据该项发明，通过调整扇形区数量和天线元件指配，可以相应于通信环境变化来适当地调整天线元件定向特性，故可实现通信容量优化。

上述诸天线元件被配置成天线阵列。在不改变阵列中天线元件位置的情况下，可通过调整各天线元件定向特性(波束宽、主瓣方向等)及扇形区数量来变更天线阵列结构，扇形区数量。

天线阵列譬如可为六边形阵列，而诸天线元件沿六边形各边配置，或者，天线元件也可配置于六边形区域。甚而还可以采用任意多边形天线阵列。

上述控制器可根据上述诸天线元件接收的无线信号来判定传播路径状况及通信类型变动，根据该判定结果来生成上述天线控制信号。传播路径状况包括多通路传播环境下传播延迟或信号到来方向。通信类型包括传送功率、传送率、错误率等。根据传播路径状况及通信类型变动，可以按天线控制信号指令来调整各天线元件定向和天线元件对扇形区的指配。

本发明另一方案是：一种优化小区通信容量方法，该小区被分成多个扇形区，其中，包括下列步骤：

(a)将天线阵列提供给控制小区的基地台，该天线阵列由多个天线元件构成；

(b)借上述诸无线元件接收无线信号；

(c)解析该等无线信号；

(d)根据该解析结果生成天线控制信号；

(e)定义上述诸天线元件与上述诸扇形区之对应关系，实施上述各天线元件定向特性调整与扇形区数量调整两者至少其一。

根据该方法，可以相应于通信环境变化来实时地调整天线元件定向特性及扇形区数量。

附图说明

图1是一种扇形区分割技术所可以采用的天线的立体图。

图2是图1所示天线的俯视图。

图3A是一种以3个定向天线形成小区时的天线配置图。

图3B是图3A所示天线配置的定向特性图。

图4A是一种以6个定向天线形成小区时的天线配置图。

图4B是图4A所示天线配置的定向特性图。

图5是一种自适应天线阵列技术所可以采用的自适应天线阵列的示意图。

图6A是图5所示自适应天线阵列的定向特性示意图。

图6B是图6A所示天线元件配置示意图。

图7A是根据本发明实施例的一种天线装置的框图。

图7B是图7A所示天线阵列中天线元件示意图。

图8A是将图1所示定向天线8个排列而形成天线阵列的示意图。

图8B是图8A所示天线阵列的定向特性示意图。

图9是一种在六边形各边排列天线元件而形成朝向6个方向的6扇形天线阵列示意图。

图10是图7所示将天线元件指配给6个扇形区的天线指配单元的示意图。

图11是一种在六边形各边排列天线元件而形成朝向3个方向的3扇形天线阵列示意图。

图12是图7所示将天线元件指配给3个扇形区的天线指配单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作以说明。

图7是根据本发明实施例的天线装置700的框图。天线装置700具有包含给定数(譬如18个)的天线元件702的天线阵列704。各天线元件702设有用于调整天线元件702波束宽的反射板顶角开闭单元706、以及用于调整天线元件702波束定向的天线轴旋转单元708。反射板顶角开闭单元706通过开闭两个反射板来调节两板间夹角。各天线元件702的反射板顶角开闭单元706及天线轴旋转单元708连接于调整单元710，可以根据该调整单元710的指令按每一天线元件来调整波束宽及定向。

各天线元件702通过一用于确定天线元件702与构成小区的扇形区之关系的指配单元712而连接于控制单元720。控制单元720具有一接收单元722，该接收单元722通过指配单元712接收来自对应天线元件702的信号。接收单元722计算自适应天线阵列的加权系数，将之与接收信号相乘。又，接收单元722由可以接收多代码(多用户)信号的多通路接收器构成，可以对多用户数据进行解调。

控制单元720还具有传播路径检测单元724以及通信类型等检测单元726。传播路径检测单元724接收在接收单元722解调过程中从接收信号提取出的给定参数(τ，κ)，通信类型等检测单元726接收在接收单元722解调过程中从接收信号提取出的其它参数(K)。进一步，控制单元720还具有结合输入传播路径检测单元724的输出(LP)和通信类型等检测单元726的输出(LM)的天线控制单元728。天线控制单元728的输出(天线控制信号)被提供给调整单元710以及指配单元712。

天线装置700中，通常是将扇形区分割使用的多个天线元件(如图1)排列成天线阵列704。即，将上述扇形区分割技术与自适应天线阵列技术组合使用。这种天线阵列704的定向特性取决于构成天线阵列的天线元件702本身的定向特性、天线元件702数量、天线元件702配置以及对各天线元件702的加权等，可以有种种形态。控制装置720灵活的确定主要采用哪种技术。

图8A示出了将定向天线8个成直线排列而形成的天线结构，图8B示意了天线阵列的天线图(或定向特性)。如图8B所示，其定向特性在于，图8所示天线阵列前方具有较大定向性，也有一些副瓣及零点。波束图(或天线图)呈扇形，这说明天线阵列可以分担一个扇形区。如图8所示例子，只要天线元件本身定向特性可以在大约60度范围分布，则天线阵列也可以在同样范围定向主瓣，所以这样的天线阵列只要准备6个就可以包罗所有方向(整个小区)。

图9给出了一种在六边形各边排列天线元件而形成的6扇形区天线阵列704，扇形区数量(S)为6，单位扇形区中的天线元件数量(A)为3，故天线元件总数为6×3＝18。其中，第1至第3天线元件的定向是设置在零度，第4至第6天线元件的是设在60度，第7至第9天线元件的是设在120度，第10至第12天线元件的是设在180度，第13至第15天线元件的是设在240度，第16至第18天线元件的是设在300度。

图10给出了图7所示的置于天线阵列704与接收单元722之间的指配单元712的细节。该图所示例子同图9描述的6扇形区天线阵列的配置对应。该指配单元712根据天线控制单元728(见图7)所提供的天线控制信号来具体设置各天线元件(#1至#18)与扇形区之对应关系。图9所示例子中，定向零度的天线元件#1至#3对应于第1扇形区，定向60度的天线元件#4至#6对应于第2扇形区，定向120度的天线元件#7至#9对应于第3扇形区，定向180度的天线元件对应于第4扇形区，定向240度的天线元件对应于第5扇形区，定向300度的天线元件对应于第6扇形区。天线元件指配可以根据传播路径状况作适当变更。须指出的是，图10中的指配单元712的下侧部分画出了扇形区1至扇形区6等6个块，其在于概念性地说明关于各扇形区的接收单元722内部处理。

下面说明处理动作。图7所示天线装置700的接收单元722从各天线元件(或各扇形区)接收通信信号。接收单元722从通信信号提取出给定参数，譬如象表示路径延迟的延迟参数τ以及表示到来方向(或角度)的方向参数κ，将这些参数τ及κ传送给传播路径检测单元724。又，视需要传播路径检测单元724还可以在延迟参数及方向参数基础上再参考信号强度。

传播路径检测单元724根据从接收单元722获取的参数来检测传播路径状态，输出传播路径检测水平LP。传播路径检测在于判定譬如多通路传播路径的影响，接收单元722可以采用各种结构，只要可以达到目的即可。

接收单元722包括多用户接收器，可以从接收信号获取多用户的有关参数，可以利用这一点进行统计处理。譬如假设以每一移动终端的延迟分布(delay profile)P(τ)为延迟参数τ，则可以从所得多用户延迟分布求延迟扩展(delay spread)σ_τ。根据统计信息(譬如延迟扩展)可求出对应于时间轴上偏差的累积分布X％。又譬如，假设以各移动终端角度分布(profile)为方向参数κ，则可从所得求多用户角度分布求角度扩展(spread)σ_κ。可以从角度扩展求对应于信号到来方向上偏差的角度扩展累积分布Y％。

譬如，从延迟扩展累积分布X％(在时间轴上的偏差)和角度扩展累积分布Y％(在到来方向上的偏差)来确定传播路径检测水平LP。在传播路径检测水平LP确定方面，可以参照预先通过模拟或根据经验形成的一览表来选择传播路径检测水平LP，另外也可当时计算。

另一方面，接收单元722还从通信信号提取出表示通信质量或信道类型的参数K，将之传送给通信类型等检测单元726。通信类型等检测单元726根据从接收单元722获取的参数来检测接收到的信号通信信道的通信质量、类型等，输出通信类型等检测水平LM。

通信类型等的检测在于判定譬如由传送功率、传送率、错误率等确定的被提供通信质量的高低、即通信信道类型等，通信类型等检测单元726可以采用各种结构，只要可以达到目的即可。假如参数K表示基地台的从移动台接收的信号的接收功率，则其功率强弱关联于被提供通信质量的高低、即通信信道类型或移动终端类型，通过统计处理可以掌握信号功率水平上的分布与偏差。CDMA通信不同于其它无线通信方式，通常其那种偏差程度非常之大。

天线控制单元728接收传播路径检测单元724的输出LP及通信类型等检测单元726的输出LM，于是根据LP信号及LM信号生成并输出天线控制信号LA。上述传播路径检测水平LP是表示多通路传播环境特征的指标，类型等检测水平LM是表示通信类型等的指标。

假如传播路径检测水平LP大则表示接收信号在到来方向及延迟时间上偏差大、多通路传播影响强，故此时天线控制单元728输出天线控制信号LA，以在这种状态下让采用较平缓天线波束图的扇形区分割控制优先实行。进一步，若类型等检测水平LM小则通信类型或质量分布小，这意味着当前服务区内移动终端类型不多，此时更应该实施扇形区分割控制。

另一方面，若传播路径检测水平LP小则意味着通信信号在到来方向及延迟时间上偏差小、多通路传播影响弱，故此时应让适当地改变天线波束图、加大SIR这一自适应天线阵列控制优先实行。进一步，若类型等检测水平LM大则意味着通信信号类型、质量(或移动终端)偏差大，此时更应该实施自适应天线阵列控制。

扇形区分割控制与自适应天线阵列控制具体是通过调整单元710调整天线阵列704内有关天线元件702的定向特性来实现的。至于如何调整各天线元件702，可以根据对传播路径检测水平LP及类型等检测水平LM的模拟或根据经验而预先形成的一览表(查阅表)来确定，另外也可在提供天线控制信号LA当时计算。

根据本实施例的天线装置700，在不改变天线元件702位置的情况下，可以利用指配单元712和/或调整单元710来变更天线阵列704位置。可以根据天线控制信号LA并靠反射板顶角开闭单元706以及天线轴旋转单元708来变更各天线元件波束宽及定向。通过调整各天线元件702的波束宽及定向，可以可调方式切换扇形区分割控制及自适应天线阵列控制。

又，根据天线控制信号LA，也可以靠指配单元712来改变扇形区数量。假设传播路径检测水平LP低、对多通路传播环境影响小，通信类型等检测水平LM低、通信类型或质量偏差小，这时最好是减少扇形区数量、将天线元件702更多地指配于天线阵列，优先实行自适应天线阵列控制。一般，若单位扇形区中天线元件702数量或阵列天线元件数量增多则在定向特性上主瓣突出，而且增益提高。因此，可以较小传送功率进行通信，使电波发射减少，故可减轻周围其它小区或扇形区的干扰。据此可以增加整个系统的通信容量。

图11给出了一种基于天线控制信号的由调整单元710和指配单元712构成的3扇形区天线阵列。单位扇形区天线元件数量(A)设为6个、扇形区数量(S)为3个。天线元件总数为6×3＝18，同图9所示形态一样。这些天线元件的位置也同图9所示的一样。具体而言，所有18个天线元件当中，第1至第5以及第18天线元件(#1-#5，#18)的定向是设置在零度，第6至第11天线元件(#6-#11)的是设在120度，第12至第17天线元件(#12-#17)的是设在240度。

图12给出了图7所示指配单元712的细节，其同图11所描述的3扇形区天线配置对应。在本例中，定向零度对应于第1扇形区，定向120度对应于第2扇形区，定向240度对应于第3扇形区。若此，通过调整各天线元件指配可以变更扇形区的数量。须指出的是，扇形区1至扇形区3等3个块，其在于概念性地表示接收单元722(图7)实施的扇形区处理。

上述例子所描述的是减少扇形区数量的情形，反之，进行增加扇形区数量的控制显然也是可行的。譬如有时会出现传播路径检测水平LP对多通路传播环境影响大、据类型等检测水平LM高、传送质量偏差大(移动终端多中多样)这一情况。于是，使扇形区数量增多，以更多地收容用户，实行自适应阵列控制。有时，也可以通过增多扇形区数量来抑制干扰。

这样，在操作天线装置中检测传播环境和通信类型偏差，根据检测结果来实时地改变天线配置。通过适应性地改变扇形区数量和扇形区内天线元件数量，当调整波束宽及定向时，可以适当地切换扇形区分割控制及自适应天线阵列控制。

天线控制单元728对于所有可能有的传播路径检测水平LP及类型等检测水平LM均设有一给定的设置值，该设置值是有关于应如何进行包括变更扇形区数量与配置在内的对天线阵列704控制的值。该设置值可以存放在根据对传播路径检测水平LP及类型等检测水平LM的模拟或根据经验预先形成的一览表(查阅表)中。另外，天线阵列控制值也可当输入传播路径检测水平LP及类型等检测水平LM时计算。

天线控制单元728将包含对应于特定传播路径检测水平LP及类型等检测水平LM选出的设置值的天线控制信号LA提供给调整单元710及指配单元712，进行所期望调整(波束宽、定向、倾角以及扇形区数量等)。

在上述实施例中，天线元件702最好采用机械式改变波束宽及定向等的结构，这是由于可以较简单的结构来获取高增益的缘故。当然也可以采用其它结构，只要能够响应天线控制信号而适当地变更波束宽及定向等即可。譬如，也可以采用通过调整天线元件供电方式(譬如供电相位调整)而改变定向特性的天线元件。从应尽量消减天线装置机械动作部件的角度考虑，这种基于供电方式的调整是可取的。

虽然上述实施例中形成天线阵列704的天线元件702是采用其本身可以分担扇形区的定向天线，但是也可以采用其它天线，譬如象无定向性的全向天线。进一步，还可以变更天线元件排列形状、元件数量等，譬如上述中是将天线元件排列在六边形的各边上，但也可排列成其它形状。只不过，考虑到通常扇形区分割数为3或6等，还是采用六边形为佳。又，若将天线元件沿给定多边形各边配置，则无须变更天线元件位置，只要变更波束宽及定向即可改变扇形区数量(S)或单位扇形区中天线数量(A)。

综上所述，根据本发明，由于不仅可以变更天线元件定向特性而且还可以变更构成小区的扇形区的数量，所以可以迅速地响应通信环境变化而进一步优化小区或扇形区通信容量。

本申请是基于2002年2月14日于日本提出的申请号为2002-037296号的在先申请，在此参照了其全部内容。