CN104320788A - 一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法，包括：扇区测试点集合和干扰约束点集合获取；无线信号传输路径损耗集合获取；天线流形矢量集合构建；扇区立体覆盖优化建模；激励权值矩阵求解；激励电流馈入和覆盖控制实施。本发明通过优化面阵天线的方向图来实现面向实际传播环境和目标覆盖距离的扇区立体覆盖控制，即抑制弱覆盖比和干扰度、最小化基站天线发射功率，达到抑制覆盖空洞和扇区间干扰、节能环保的目的。本发明方法既可用于面向单扇区的立体覆盖控制，也可以用于对整个网络的立体覆盖控制。

Description

一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法

技术领域

本发明属于蜂窝移动网络通信技术领域，具体涉及一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法。

背景技术

随着城市化推进和立体交通的发展，高架桥、立交桥、高层楼宇快速增多。全球建筑调查机构安波利斯(Emporis)数据显示，中国高层建筑年增长率超过20％，大都市的平均建筑高度不断攀升，城市向复杂立体空域扩张。立体高层建筑的出现，促进了无线通信业务的数量指数式增长和在三维空间中立体式分布，也对蜂窝移动通信网络公共控制信号(导频、同步等)的立体覆盖提出了需求。只有实现公共控制信号的立体无缝覆盖，才能保证用户的随时随地接入。

现有研究和工程中提出了采用分层异构无线网络实现立体覆盖的解决方案，通过基站密集化的方式来弥补覆盖空洞，实现信号的无缝覆盖。但也带来了副作用，大量微蜂窝小区的密集部署和空间划分带来小区间复杂严重的互相干扰，而用户在小区间的频繁切换增加了切换管理难度，尤其在立交桥等用户高速移动场景中。为了解决这些问题，在未来的协同网络架构中，宏基站通过公共控制信道实现网络的无缝覆盖，小基站通过业务信道实现业务的提供。因此，为了确保网络中用户包括高速移动用户无缝接入，宏基站发射的公共控制信号必须以合适的强度覆盖到整个三维的目标覆盖区域。

覆盖控制的难点之一是各个方向上的目标覆盖距离不全相等，各个方向上的传播条件也不相同。难点之二是既要减少本小区的弱覆盖，又要降低对正面相邻小区的干扰，两者相互矛盾，难以兼顾。立体覆盖的控制还因为维数高而计算量大。

现有的覆盖控制技术包括：

(1)调节基站天线或天线阵列的发射功率和/或俯仰角，使小区的实际覆盖区域在各方向上同时扩大或缩小(具体可参见公开号为CN 102202330A的中国专利)，难以达到理想的覆盖效果。

(2)联合调节多个相邻小区的天线或天线阵列的俯仰角和方位角，或联合调节多个相邻小区的基站天线发射功率，尽量使小区间有合适的重叠覆盖，但只能将小区各个方向的实际覆盖距离同时扩大或减小，也无法针对实际地貌做小区间覆盖区域的合理分割。

(3)根据各个方向的实际传播条件和目标覆盖距离，用具有方位面上波束赋形能力的阵列天线，通过调整天线方向图(即方位面上各个方向的辐射强度)来控制单个小区的实际覆盖范围(具体可参公开号为CN 101304278A的中国专利)，但往往在改善本小区弱覆盖的同时给相邻小区带来过覆盖。

(4)联合设计多个相邻小区的天线方向图，使之相互咬合，从而改善相邻多个小区的覆盖效果(具体可参见发表在WOCC的论文“Pilot CoverageOptimization for Cellular Network by Joint Beamforming of Multiple Sectors”、专利号为201210078206.7的中国专利以及专利号为201310389438.9的中国专利)。

所有上述这些方法都是针对地面覆盖的需求提出的，不适用于立体覆盖目标下的弱覆盖消除和小区间干扰抑制。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法，能够按照三维空间中实际传播条件和覆盖距离需求，对扇区基站的面阵天线的发射功率、三维方向图进行设计，使得在发射功率不超过最大值限制、对邻扇区干扰强度不超过允许值的前提下，扇区内的弱覆盖体积最小。

本发明采用弱覆盖比、干扰度和基站发射功率作为主要性能指标。

所述的弱覆盖比定义为目标覆盖区域上信号接收功率小于接收功率门限的测试点数与总测试点数之比，其表达式如下：

其中：为目标覆盖区域(包括地面覆盖区域和地面以上覆盖区域)中所有测试点的集合；为目标覆盖区域中信号接收功率低于接收功率门限P_r,th的测试点的集合。弱覆盖比越小，表明目标覆盖区域中覆盖空洞体积越少。

所述的干扰度定义为虚拟界墙上信号接收功率高于干扰功率门限I_th的干扰约束点数与总干扰约束点数之比，其表达式如下：

其中：为虚拟界墙上所有干扰约束点的集合；为信号接收功率高于干扰功率门限的干扰约束点的集合。干扰度越小，表明对邻扇区的干扰强度越低。

所述的基站天线发射功率为面阵天线各阵元发射功率之和，是阵元激励权值向量w_m(m＝0,1...M-1)和天线输入电阻R_e的函数，其表达式如下：

$P_t=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m^H{w}_m{R}_e---\left(3\right)$

其中：M是面阵天线中阵元的列数；N维向量w_m是面阵天线中第m列阵列的激励权值向量，m＝0,1...M-1，而N是面阵天线的每一列包含的阵元数目；天线输入电阻R_e由特定的天线产品的阵元方向图函数决定。

一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法，包括如下步骤：

(1)对于蜂窝移动通信网络内任一120°的扇区，对该扇区的目标覆盖区域(包括地面覆盖区域和地面以上覆盖区域)进行立体网格划分，记录每个立体网格中心点坐标，所有立体网格中心点作为测试点组成测试点集合

(2)对该扇区的虚拟界墙进行平面网格划分，记录每个平面网格中心点坐标，所有平面网格中心点作为干扰约束点组成干扰约束点集合

所述的扇区存在两处虚拟界墙，所述的虚拟界墙即为扇区与其两个正面邻扇区边界处假定的一道长度为边界长度，高度足够高且与地面垂直的虚拟界墙；

(3)获得该扇区基站面阵天线中心点到各测试点和各干扰约束点的无线信号传输路径损耗，进而计算出各测试点和各干扰约束点的天线流形矢量；

(4)根据所述的无线信号传输路径损耗和天线流形矢量，建立该扇区的立体覆盖优化模型如下：

其中：P_t为基站面阵天线各阵元总的发射功率，P_r,s为测试点s上的信号接收功率，P_r,k为干扰约束点k上的信号接收功率，P_r,th和I_th分别为预设的接收功率门限值和干扰功率门限值，P_t,max为基站面阵天线的最大允许发射功率，W为基站面阵天线的阵元激励权值矩阵，其为一个N×M维的矩阵，由所有M列阵元激励权值向量组成；

(5)求解所述的立体覆盖优化模型，得到该扇区基站面阵天线的阵元激励权值矩阵，进而根据所述的阵元激励权值矩阵为基站面阵天线各阵元馈入相应的激励电流，以实现对扇区公共控制信号的立体覆盖控制。

式4所述的发射功率P_t的表达式如下：

$\begin{array}{cc}{P}_t={\hat{w}}^H\hat{w}{R}_e& \hat{w}\end{array}=\left[\begin{array}{c}{w}_0\\ w_1\\ \·\·\·\\ w_{M-1}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中：w₀～w_M-1为阵元激励权值矩阵W中第0～M-1列元素集合，M为阵元激励权值矩阵W的列数即基站面阵天线的阵元列数，^H表示共轭转置，R_e为基站面阵天线的输入电阻。

所述的输入电阻R_e的表达式如下：

其中：为基站面阵天线的阵元方向图函数，θ和分别为由基站面阵天线中心点出发的俯仰角和方位角，η为传播介质的特征阻抗。

式4所述的信号接收功率P_r,s的表达式如下：

其中：e_t和e_r分别为基站面阵天线和用户接收天线的总效率，为测试点s的天线流形矢量，θ_s和分别为基站面阵天线中心点到测试点s的俯仰角和方位角，为测试点s的俯仰角θ_s和方位角代入基站面阵天线阵元方向图函数中得到的函数值，L_s为基站面阵天线中心点到测试点s的无线信号传输路径损耗。

式4所述的信号接收功率P_r,k的表达式如下：

其中：为干扰约束点k的天线流形矢量，θ_k和分别为基站面阵天线中心点到干扰约束点k的俯仰角和方位角，为干扰约束点k的俯仰角θ_k和方位角代入基站面阵天线阵元方向图函数中得到的函数值，L_k为基站面阵天线中心点到干扰约束点k的无线信号传输路径损耗。

所述的无线信号传输路径损耗可通过无线传输损耗模型计算得到，或通过网络实测得到。

所述的立体覆盖优化模型(式4)要求目标覆盖区域上的弱覆盖比为0。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明利用面阵天线方向图的自由度，求解合适的阵元激励权值矩阵，调整面阵天线的三维方向图，来实现面向实际传播环境和目标覆盖距离的立体覆盖控制。

(2)本发明在基站的面阵天线发射功率不超过最大值限制、对正面邻扇区干扰强度不超过允许值的条件下，使扇区的目标覆盖区域内的弱覆盖体积最小。

(3)本发明提出“虚拟界墙”的概念，通过控制在虚拟界墙上的信号接收功率，来使得对邻扇区的干扰强度不超过允许值。这使得立体覆盖控制能够以扇区为单位进行，其计算复杂度远低于多扇区联合控制。

(4)本发明既可用于对一个扇区的立体覆盖控制，也可通过对全部扇区逐一应用来实现全网的立体覆盖控制。

附图说明

图1为蜂窝移动通信网络中扇区地理位置及扇区间干扰关系示意图。

图2为一个120°扇区及其立体覆盖的场景示意图。

图3为本发明实施例1方法的流程示意图。

图4为本发明实施例2方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

蜂窝移动通信网络通常由120°扇区组成，如图1所示。每个扇区配备一个面阵天线，该天线发射公共控制信号。扇区面阵天线发射的公共控制信号对位于该扇区后方和两侧的邻扇区的干扰可以忽略不计，因为工程上用挡板来屏蔽辐射(以图1中Cell_0为例，其基站天线两侧的挡板位置如粗实线所示)。扇区对其前方所有邻扇区的信号辐射都要经过其与两个正面邻扇区(以Cell_0为例，其两个正面邻扇区为Cell_2和Cell_3)的边界(虚线)。

一个典型的120°扇区如图2所示。其目标覆盖区域包括地面、大型立体道路(如，高度为H1的立交桥)、各种高度的建筑(如，高度为H2的公共设施和高度为H3的商住楼)。

本发明的技术方案原理如下：

称待进行立体覆盖控制的扇区为目标扇区。设想在目标扇区与其两个正面邻扇区的边界处，垂直于地平面有一面虚拟界墙，则可在虚拟界墙上测得目标扇区对其两个正面邻扇区的信号辐射(干扰)功率。

目标扇区的基站的面阵天线由MN个阵元组成。每一列有N个等间隔布放的阵元，共M列。每一行有M个等间隔布放的阵元，共N行。

本发明定义了一个NM×1维天线流形矢量和一个NM×1维天线激励权值向量

$\hat{w}=\left[\begin{array}{c}{w}_0\\ w_1\\ \·\·\·\\ w_{M-1}\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中：w_m为面阵天线中第m列阵列的激励权值向量，是N维复值列向量；为面阵天线中第m列阵列的阵列流形矢量，是N维列向量；θ和分别为由基站面阵天线的中心出发的俯仰角(垂直方向)和方位角(水平方向)。

则测试点s上的接收功率、干扰约束点k上的接收功率和基站面阵天线的发射功率都可由天线流形矢量和天线激励权值向量表达。

测试点s上的接收功率可以表达为：

其中，e_t和e_r分别为基站发射天线和用户接收天线的总效率，其数值由具体的天线产品决定，理想值为1；η为介质特征阻抗，在空气中为377Ω；L_s为基站面阵天线的中心到测试点s的无线信号传输路径损耗；θ_s和分别为从基站天线到测试点s的俯仰角和方位角；为面阵天线的阵元方向图函数在方向上的数值，由具体的天线产品决定。

干扰约束点k上的接收功率可以表达为：

其中，L_k为基站天线到干扰约束点k的无线信号传输路径损耗；θ_k和分别为从基站天线到干扰约束点k的俯仰角和方位角；为面阵天线的阵元方向图函数在方向上的数值，由具体的天线产品决定。

基站面阵天线的发射功率可以表达为：

$P_t={\hat{w}}^H\hat{w}{R}_e---\left(5\right)$

因而，优化式4被重组为：

$\underset{\left\{\hat{w}\right\}}{\min }\left({\hat{w}}^H\hat{w}\right)R_e---\left(11a\right)$

$\left({\hat{w}}^H\hat{w}\right)R_e\≤P_{t,\max }---\left(11d\right)$

重组得到的优化式11是一个非凸问题，无法在指数时间内进行精确求解。但是，其目标函数和约束函数都是的二次函数，可以采用半定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)的方法进行求解。

根据矩阵中的迹运算性质可知则优化式11可以等效为：

$\underset{\left\{\hat{W}\right\}}{\min }\mathrm{Tr}\left(\hat{W}\right)R_e---\left(12a\right)$

$\mathrm{Tr}\left(\hat{W}\right)R_e\≤P_{t,\max }---\left(12d\right)$

$\mathrm{rank}\left(\hat{W}\right)=1---\left(12e\right)$

$\hat{W}\≥0---\left(12f\right)$

其中，Tr(·)是矩阵迹运算，计算矩阵对角线上元素之和；中间变量矩阵 表示矩阵是半正定矩阵；表示矩阵的秩为1。

在式12中，非凸条件被分离并单独表达为式12e。因此只需通过松弛该非凸条件约束得到问题12的SDR，就可用凸优化方法求得其最优解但是，这样求得的问题12的SDR的最优解不能保证满足约束式12e，即不一定是一阶的。因此，无法直接利用等式从还原出问题4(等价于问题12)的最优解W^opt，通常采用最大特征值法或随机化法从还原得到问题4的近似最优解W'。

由于还原W'的过程会带来一定的性能损耗，造成问题4中的部分约束条件无法满足，而部分测试点s上信号接收功率低于接收功率门限就导致弱覆盖比不为0。

有鉴于此，本发明对还原得到的激励权值矩阵进行功率提升，来降低弱覆盖比。也即，等比例地放大所有阵元的激励权值α倍，使得各个方向角上的发射功率均增强到原来的α²倍。功率提升后的激励权值表达式为：

W^final＝α·W'  (13)

其中，实系数α≥1，其值用试探法确定。设置其初始值为1，逐步增大，直到达到下面3种条件之一：(1)发射功率达到最大允许发射功率P_t,max；(2)干扰度大于预设的目标值β_target；(3)弱覆盖比为0。也即，在基站面阵天线发射功率不超过最大值限制、对邻扇区干扰强度不超过允许值的条件下，扇区的目标覆盖区域内的弱覆盖体积最小。

下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方式。

实施例1

将上述立体覆盖控制方法应用于一个扇区的立体覆盖控制，其实施流程如图3所示，包括以下步骤：

S101，测试点集合和干扰约束点集合获取；

对一个扇区的目标覆盖区域(包括地面覆盖区域和地面以上覆盖区域)进行立体网格划分，记录每个立体网格中心点坐标，所有立体网格中心点组成测试点集合

对该扇区的虚拟界墙进行平面网格划分，记录每个平面网格中心点坐标，所有的平面网格中心点组成干扰约束点集合

虚拟界墙是处于目标扇区与其两个正面邻扇区的边界处，与地面垂直。该虚拟界墙是为进行干扰功率测试而人为假定的，实际上不存在。为该虚拟界墙设置足够的高度，从而确保目标扇区辐射到正面邻扇区的信号都会经过该界墙。

S102，无线信号传输路径损耗获取和天线流形矢量集合构建；

获取基站面阵天线中心点到每个测试点和每个干扰约束点的无线信号传输路径损耗，或通过无线传输损耗模型计算得到，或通过网络实测得到；构成无线信号传输路径损耗集合；

用公式9计算每个测试点和干扰约束点的天线流形矢量，构成天线流形矢量集合；

S103，立体覆盖优化建模；

利用步骤S102中计算得到的无线信号传输路径损耗集合和天线流形矢量集合，由公式11构建公共控制信号立体覆盖的优化模型；

S104，激励权值求解；

根据步骤S103中建立的优化模型，采用技术方案原理部分介绍的SDR方法求解优化式11，得到其近似最优解W'；利用公式13进行功率提升，得到最终激励权值矩阵W^final，从而达到抑制本扇区弱覆盖和对邻扇区干扰的目的。

S105，立体覆盖控制实施；

根据步骤S104中求解得到的最终激励权值矩阵W^final，为天线阵元馈入相应激励电流，实现扇区的立体覆盖控制目标。

实施例2

根据上述立体覆盖控制方法，对全部扇区逐一应用来实现全网的立体覆盖控制，其实施流程如图4所示，包括以下步骤：

S201，目标扇区选取；

在整个网络中选取一个尚未进行立体覆盖控制的扇区作为目标扇区；

S202，目标扇区立体覆盖控制；

采用实施例1中的步骤S101～S105，对所选的目标扇区进行立体覆盖控制；

S203，判别、重复或退出；

判别是否每个扇区都已进行了立体覆盖控制；如果没有，则返回步骤S201；否则，全网的立体覆盖控制已经完成，结束算法。

本发明利用面阵天线方向图的自由度，求解合适的阵元激励权值矩阵，调整阵列天线的三维方向图，来实现面向实际传播环境和目标覆盖距离的立体覆盖控制；同时在基站的面阵天线发射功率不超过最大值限制、对邻扇区干扰强度不超过允许值的条件下，使扇区内的弱覆盖体积最小。本发明提出“虚拟界墙”的概念，控制在虚拟界墙上的信号接收功率，来使得对邻扇区的干扰强度不超过允许值；这使得立体覆盖控制能够以扇区为单位进行，其计算复杂度远低于多扇区联合控制；既可用于对一个扇区的立体覆盖控制，也可通过对全部扇区逐一应用来实现全网的立体覆盖控制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种蜂窝移动通信网络公共控制信号的立体覆盖控制方法，包括如下步骤：

(1)对于蜂窝移动通信网络内任一120°的扇区，对该扇区的目标覆盖区域进行立体网格划分，记录每个立体网格中心点坐标，所有立体网格中心点作为测试点组成测试点集合

(2)对该扇区的虚拟界墙进行平面网格划分，记录每个平面网格中心点坐标，所有平面网格中心点作为干扰约束点组成干扰约束点集合

(3)获得该扇区基站面阵天线中心点到各测试点和各干扰约束点的无线信号传输路径损耗，进而计算出各测试点和各干扰约束点的天线流形矢量；

(4)根据所述的无线信号传输路径损耗和天线流形矢量，建立该扇区的立体覆盖优化模型如下：

其中：P_t为基站面阵天线各阵元总的发射功率，P_r,s为测试点s上的信号接收功率，P_r,k为干扰约束点k上的信号接收功率，P_r,th和I_th分别为预设的接收功率门限值和干扰功率门限值，P_t,max为基站面阵天线的最大允许发射功率，W为基站面阵天线的阵元激励权值矩阵；

(5)求解所述的立体覆盖优化模型，得到该扇区基站面阵天线的阵元激励权值矩阵，进而根据所述的阵元激励权值矩阵为基站面阵天线各阵元馈入相应的激励电流，以实现对扇区公共控制信号的立体覆盖控制。

2.根据权利要求1所述的立体覆盖控制方法，其特征在于：所述的发射功率P_t的表达式如下：

$P_t={\hat{w}}^H\hat{w}{R}_e$    $\hat{w}=\left[\begin{array}{c}{w}_0\\ w_1\\ ...\\ w_{M-1}\end{array}\right]$

其中：w₀～w_M-1为阵元激励权值矩阵W中第0～M-1列元素集合，M为阵元激励权值矩阵W的列数即基站面阵天线的阵元列数，H表示共轭转置，R_e为基站面阵天线的输入电阻。

3.根据权利要求2所述的立体覆盖控制方法，其特征在于：所述的输入电阻R_e的表达式如下：

其中：为基站面阵天线的阵元方向图函数，θ和分别为由基站面阵天线中心点出发的俯仰角和方位角，η为传播介质的特征阻抗。

4.根据权利要求1所述的立体覆盖控制方法，其特征在于：所述的信号接收功率P_r,s的表达式如下：

   $\hat{w}=\left[\begin{array}{c}{w}_0\\ w_1\\ ...\\ w_{M-1}\end{array}\right]$

其中：e_t和e_r分别为基站面阵天线和用户接收天线的总效率，η为传播介质的特征阻抗，w₀～w_M-1为阵元激励权值矩阵W中第0～M-1列元素集合，M为阵元激励权值矩阵W的列数即基站面阵天线的阵元列数，H表示共轭转置，为测试点s的天线流形矢量，θ_s和分别为基站面阵天线中心点到测试点s的俯仰角和方位角，为测试点s的俯仰角θ_s和方位角代入基站面阵天线阵元方向图函数中得到的函数值，L_s为基站面阵天线中心点到测试点s的无线信号传输路径损耗。

5.根据权利要求1所述的立体覆盖控制方法，其特征在于：所述的信号接收功率P_r,k的表达式如下：

   $\hat{w}=\left[\begin{array}{c}{w}_0\\ w_1\\ ...\\ w_{M-1}\end{array}\right]$

其中：e_t和e_r分别为基站面阵天线和用户接收天线的总效率，η为传播介质的特征阻抗，w₀～w_M-1为阵元激励权值矩阵W中第0～M-1列元素集合，M为阵元激励权值矩阵W的列数即基站面阵天线的阵元列数，H表示共轭转置，为干扰约束点k的天线流形矢量，θ_k和分别为基站面阵天线中心点到干扰约束点k的俯仰角和方位角，为干扰约束点k的俯仰角θ_k和方位角代入基站面阵天线阵元方向图函数中得到的函数值，L_k为基站面阵天线中心点到干扰约束点k的无线信号传输路径损耗。

6.根据权利要求1所述的立体覆盖控制方法，其特征在于：所述的扇区存在两处虚拟界墙，所述的虚拟界墙即为扇区与其两个正面邻扇区边界处假定的一道长度为边界长度，高度足够高且与地面垂直的虚拟界墙。

7.根据权利要求1所述的立体覆盖控制方法，其特征在于：所述的无线信号传输路径损耗通过无线传输损耗模型计算得到或通过网络实测得到。