CN1162983C - 用于提高gsm基站的容量的方法和设备 - Google Patents

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CN1162983C CNB008121753A CN00812175A CN1162983C CN 1162983 C CN1162983 C CN 1162983C CN B008121753 A CNB008121753 A CN B008121753A CN 00812175 A CN00812175 A CN 00812175A CN 1162983 C CN1162983 C CN 1162983C
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Abstract

本发明涉及一种使得在蜂窝无线通信网中的无线基站(1)的小区(2)与无线基站的范围内的移动台(MSA，MSB，MSC)进行通信时能够支持业务负荷达到非常高的程度的方法和设备。跳频和自适应天线装置被使用来提供至少两个小区区域。对用于小区的频率的跳频表(HSN)进行分配，以及用跳频表中的频率偏移号(MAIO)来设置小区的可允许的跳频过程。在小区边界内的每个移动台在小区内的位置被确定。频率偏移号(MAIO)被分配用于每个移动台。小区配备有至少一个不同的波束(L1’，L2’；L1”，L2”，L3”；)用于每个所述小区区域，使用不同的自适应天线波束用于每个所述小区区域。在小区中的波束互相之间具有抑制。频率偏移号(MAIO)的不同组被分配给每个区域。用于每个小区区域的每个组具有至少递增2的数值，从而不同的区域具有互相不重叠的频率偏移号(MAIO)的不同组。

Description

用于提高GSM基站的容量的方法和设备
                         技术领域
本发明总的涉及蜂窝无线通信领域，具体地，本发明涉及在无线通信网中的基站。更具体地，本发明涉及用于提高GSM基站的容量的方法和实施该方法的设备。
                         背景技术
在过去十年中，移动无线电话的使用急剧增加。随着现有的移动无线***的负荷不断地增加，有效地利用稀有的频率资源变得越来越重要。今天将大量的努力集中在：当给定了一定的带宽后，如何使得具有可接受的信道质量的连接的数目最优化。
提高移动无线网的容量的一个方法是引入所谓的跳频。当在网络中使用跳频时，对于某一连接的传输所使用的频率以规则的间隔而改变。这样，由于频率分集和由此而得到的干扰分集，将会导致无线连接的质量提高(例如，参阅H.Olofsson等的“Interference diversityas means for increased capacity in GSM(GSM中作为提高容量的方法的干扰分集)”，EMPCC’95出版)。主要是使用跳频，这是因为无线信号会受到具有空间和频率选择性的多径衰落，但也是为了避免从相邻的小区在实际载波频率上或接近于该频率处发射的强信号的干扰。因为正在进行的连接的质量通常由于引入跳频而被提高，由***中连接数目的增加而引起的质量降低是可接受的。因此，质量提高可以换取提高的容量。
在使用跳频的***中，给每个连接分配一个跳频序列，规定在不同时间点连接将使用哪个频率。这样的跳频序列可以由两个不同的参量来规定：
跳频序列号，它按照频率将如何改变来规定跳频序列；以及
频率偏移号，它规定在特定的时间点所讨论的连接将处在跳频序列中哪个位置(例如，参阅全球移动通信***(GSM)技术规范条件05.02)。
在GSM中，一个小区中所有的收发信机被分配以同一个跳频序列号，而一个小区中每个收发信机被分配一个小区独特的频率偏移号。由此得出，一个连接不会受到来自同一个小区内其它的连接的任何同信道干扰。已经证明，为了通过引入跳频而得到想要的干扰分集增益，其间跳频的频率数目至少应当是3或4。在许多应用项中，对于每个小区没有那麽多可供使用的频率。这个问题可以通过应用至少两个不同的方法之一而得到解决(例如，参阅T.Toftegard Nielsen等的“Slowfrequency hopping solution for GSM networks of small bandwidth(对于小的带宽的GSM网络的慢跳频解决方案)”，VTC’98出版)。
1.第一种方法：通过让相邻的小区形成可分配给每个小区的频率库(其中作为该库的成员的每个收发信机将利用该库中可供使用的所有的频率)，每个小区可供使用于跳频的频率的数目将会增加。为了避免在这些相邻的小区内同信道干扰，同一个跳频序列被应用于每个小区，但独特的频率偏移号被分配给每个收发信机。然而，这个解决方案要求各个小区互相同步。
2.第二种方法：可供使用于跳频的频率的数目可以通过使用小的频率复用距离而被增加，因此，每个小区中得到很大的数目的频率。为了避免不可接受的同信道干扰电平，必须限制每个频率上的负荷。
提高移动无线网容量的另一个方法是引入所谓的自适应天线。具有静态的天线波束形式的传统的天线将被自适应天线所代替，后者可以改变天线波束的形状以及改变天线波束被发射的方向。这是通过以下方式来实现，即使得在共同工作的天线单元互相之间具有1/2波长距离的天线阵列被调整成希望的波束形状和波束方向，如果不同的信号相移被提供在不同的天线单元从而来形成波束的话。
因此窄的天线波束指向接受基站当前提供的服务的特定的移动台，从而代替如在使用传统的通信时的情形那样具有覆盖整个小区的天线波束。由此达到***中总的干扰电平被减小，因为在下行链路上的每个基站收发信机以窄的波束在更集中的地理区域内发送。在上行链路上的每个基站接收机拒绝来自不同于当前配置的方向的其它方向的信号。对于有关自适应天线的更详细的信息，可参阅S.Anderson等的“Adaptive Antennas for GSM and TDMA Systems(用于GSM和TDMA***的自适应天线)”，IEEE Personnal Communications，June 1999出版。
在同一个网络中组合使用自适应天线和跳频的结果已由F.Kronestedt等进行研究，见其著作：“Adaptive Antennas inFrequency hopping GSM(跳频GSM中的自适应天线)”，ICUPC 1998出版。已经发现，在这样的网络中，频率复用计划可以是非常紧凑的。正如在该出版物的结论中提到的，有可能在1/3小区复用情形下载送全部负荷，而无需DTX(非连续发送)或功率控制。只要信道利用率保持低于70％，甚至1/1小区复用(在每个小区中使用所有的频率)也是可能的。
如果信道利用率保持在低的水平，则以上讨论的具有太少的可供使用于在每个小区中跳频的频率的问题并不会出现。然而，对于相邻的信道干扰可以设置一个限制。对于诸如1/3或1/1的紧凑的复用情况，相邻的频率可被分配给一个小区。这样，相邻的频率可以在一个小区内同时被使用，以及将会出现来自本小区的相邻的干扰。这是非常严重的，因为干扰信号(相邻的干扰)是从同一个基站作为想要的信号而出现的。
在GSM中，跳频过程由相组合的两个参量(即，MAIO(移动分配索引号业务)和HSN(跳频序列号))来描述。在一个小区中，每个收发信机(TRX)被分配以与小区中其它的收发信机相同的HSN，但是被分配以独特的MAIO。以下的表显示对于小区A的这个过程的例子：
        小区A    HSN    MAIO
        TRX1     1        5
        TRX2     1        7
        TRX3     1        9
这样，一个小区中的两个收发信机决不同时使用同一个频率。而且，在以上的表中也说明：这样来分配MAIO，以使得在一个小区中的TRX之间MAIO的数值至少递增加2，从而导致来自本小区的相邻信道的干扰完全得到避免。相邻的频率决不同时被使用。
如果一个小区内的两个TRX具有接连的MAIO，则相邻信道的干扰将在每个突发中发生。这个不想要的行为将出现在用于小区B的以下的例子中：
        小区B     HSN    MAIO
        TRX1      0        5
        TRX2      0        6
这意味着，用于一个小区的接连的MAIO不能在现有技术网络中被使用。然而，现有技术状态的MAIO的缺点在于，只有跳频序列中的频率的数目是小区中安装的收发信机的数目的两倍，该分配才是可能的。其原因是：MAIO只能够取与跳频序列中的频率的数目一样多的数值。为了避免相邻信道的干扰，只能够利用每隔一个的MAIO。对于采用传统的天线技术的现有技术网络的这个准则可以以另一个方式来表示：
业务负荷(它被定义为等于每个小区的TRX的数目除以每个小区的跳频频率的数目)必须是在50％以下，并且在实际上要低于这个数值，以避免来自其它的小区的干扰。
然而，仿真表明，配备以自适应天线的网络也可能支持高达80-100％的业务负荷。
                         发明内容
因此，按照本发明解决的问题是：提供一种使得有可能在一个小区内使用相邻的频率、并且能够载送完全的负荷或至少50％以上的业务负荷以及仍旧避免相邻信道干扰的方法和/或设备。
按照本发明的解决方案是考虑不同的天线波束和每个用户所使用的MAIO。通常的MAIO分配法则是确保那些具有会产生严重的相互干扰的天线波束的移动台被分配以至少递增2的MAIO，即，不会产生相邻信道干扰。这在用户位于同一个方向或互相非常接近的方向时可能发生。然而，如果用户被分开以使得他们处在互相之间具有高的抑制度的波束内，则他们可被分配以递增1的MAIO。
因此，本发明涉及这样一种方法和设备，它使得在蜂窝无线通信网中的无线基站的小区与无线基站的范围内的移动台进行通信时能够支持业务负荷达到非常高的程度。一个跳频和自适应天线装置被使用来提供至少两个小区区域。分配用于小区的频率的跳频表(HSN)以及跳频表中的频率偏移号(MAIO)，以便设置小区的可允许的跳频过程。确定位于小区边界内的每个移动台在小区内的位置。将频率偏移号(MAIO)分配给每个移动台。给小区提供至少一个不同的波束以用于每个所述小区区域，对于每个所述小区区域使用不同的自适应天线波束。在小区中的波束互相之间具有抑制作用。不同组的频率偏移号(MAIO)被分配给每个区域。用于每个小区区域的每个组具有至少递增2的数值，从而不同的区域具有互相不重叠的不同组的频率偏移号(MAIO)。
在整个小区中被使用的频率偏移号(MAIO)具有递增1的数值。优选地，自适应天线波束是预定的和固定的。如果两个小区区域被提供(其每个由至少一个波束来规定)，则为一个区域的频率偏移号(MAIO)分配数值1，3，5等、以及为另一个区域的频率偏移号分配数值2，4，6等是优选的。如果每个区域至少有两个波束，其中相邻的波束互相部分重叠，则对于最靠近两个区域之间的边界线的波束，在其中一个区域中的波束被分配以该区域中最小的MAIO。在另一个区域中的波束被分配以该区域中最高的MAIO。
当一个移动台从一个所述小区区域移动到另一个小区区域时，可以执行小区内切换。小区内切换至少包括把分配给移动台正在移出的小区区域中的无线连接的频率偏移号(MAIO)改变为分配给移动台正在移入的小区区域的频率偏移号组中的一个频率偏移号。
本发明可以使得在1/3和1/1的复用情形下当使用自适应天线时的来自本身小区(在小区内)的相邻信道的干扰最小化。这意味着提高了质量和/或容量。
                          附图说明
现在参照由附图说明的、和仅仅作为例子给出的本发明的优选实施例更详细地讨论本发明，其中
图1显示具有不同的窄的波束的、服务于处在不同的角度位置的两个移动台的现有技术自适应天线无线基站；
图2显示具有固定的窄的波束的自适应天线无线基站的波束方向性图；
图3显示服务于三个移动台的按照本发明的自适应天线无线基站的第一实施例；
图4显示服务于三个移动台的按照本发明的自适应天线无线基站的第二实施例。
                      具体实施方式
参照显示现有技术***的图1，蜂窝移动无线网(例如GSM(全球移动通信***))提供对移动台MS1、MS2(诸如移动电话)的用户的无线通信。核心网CN控制往返于其它网络(诸如公共交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)、其它公共地面移动网(PLMN)、和互联网等等)之间的呼叫。核心网CN被连接到基站控制器BSC，后者又被连接到几个无线基站RBS。每个RBS(诸如无线基站站点1)可以通过无线链路与在它的无线覆盖区域(下面称为分布区域)内的移动台MS1、MS2进行通信。
每个RBS在多个分开的射频(即多个载波)上发射。对于每个RBS频率(下行链路频率)，有一个对应的、被MS使用的频率(上行链路频率)。
用于移动电话的无线基站RBS常常与那些处在它们的以扇区形式出现的分布区域内的移动台进行通信信号的发送和接收，这里的每个扇区代表一个小区。
在图1上，无线基站站点被划分成三个小区，它们分别具有覆盖区域2，3和4，每个小区具有单独的定向天线装置(未示出)，正如在通常的技术情况下、特别是在密集的业务区域的情况下所安排的那样。至少一个小区(诸如具有小区覆盖区域2的小区)配备有自适应天线装置5。这个天线装置能够发送出至少两个下行链路波束L1和L2，它们指向位于小区覆盖区域2内的两个移动台MS1和MS2中的每一个移动台。这些波束中的每一个代表一个单独的小区区域。
HSN是一个准备好的跳频表，以及MAIO表示一个特定的移动台应当进到该HSN中的地方。不同的小区(诸如具有小区区域3和4的那些小区)具有不同的HSN，所以，如果在小区中使用相同频率和相邻的频率，则这些不同的小区将仅仅间歇地互相干扰。这个事实对于属于相邻的基站站点的小区也是正确的。
按照现有技术，移动台被分配以相同的跳频序列号(HSN)和具有至少递增2的数值的MAIO。按照本发明，在小区覆盖区域内的移动台可以具有间隔为1的MAIO。
图2显示具有自适应波束的基站天线的波束方向性图。可以看到，在两个相邻的自适应天线波束内设置的移动台不能具有同一个HSN和递增量为1的MAIO。然而，如果波束是窄的，互相之间具有高的抑制作用、以及指向不同的方向，则它们中的每个可以具有分配了这样的一个MAIO的移动台，该MAIO与另一个波束内的MAIO的关系是递增1或递减1。然而，如果两个移动台位于同一个窄的波束或相邻且部分重叠的波束内，则在小区内的各个TRX之间，这些MAIO应当具有至少递增2的数值。
参照图3，与图1中相同的种类的无线基站站点1具有三个小区，图3上只显示其中的小区覆盖区域2。天线装置15被显示为发出两个波束L1’和L2’，它们由在具有小区覆盖区域2的小区内的无线基站站点1控制。然而，按照本发明，这些波束并不共享相同的MAIO。相反，在图3所示的实施例中，第一波束L1’配备以偶数的MAIO，以及第二波束L2’配备以奇数的MAIO，例如，对一个区域分配频率偏移号(MAIO)数值1，3，5，7等，以及对另一个区域分配频率偏移号(MAIO)数值2，4，6，8等。
因此，如果波束互相基本上不重叠，只要通过同一个波束L1’进行通信的两个移动台MSA、MSC具有至少递增2的数值，则在同一个小区覆盖区域2中有三个具有接连的MAIO的移动台MSA、MSB、MSC将不成问题。
由互相之间有高的抑制性的不同的天线波束提供服务的、空间上分开的移动台可以被分配以递增1的MAIO，这些移动台例如是波束L1’中的移动台MSA和波束L2’中的移动台MSB。每个天线波束的增益在那些处在它自己的波束以外、但是同时又处在它所属于的小区内的移动台的方向上变为最小。这样，相邻信道的干扰是可容忍的。
如果处在波束L1’内的移动台之一(诸如MSC)移动到波束L2’，则应当执行小区内切换，以便改变它的MAIO，在图3所示的情形下，从偶数改变到奇数。小区内切换至少包括把被分配给移动台正在移出的小区区域中无线连接的频率偏移号(MAIO)改变为被分配给移动台正在移入的小区区域的频率偏移号中组的一个频率偏移号。无线基站或BSC将监视这些MAIO，并将相关的MAIO分配给位于小区复盖区域之中的移动台。
MAIO被分配给每个新进入一个区域的移动台，该MAIO优选地应当具有离开被分配给相邻的区域中的移动台的MAIO尽可能远的号码。因此，如果两个移动台MSA和MSC已被分配以MAIO：2和MAIO：4，如图3所示，则如果可提供的话，新进入波束L2’的移动台可被分配以MAIO：7。这样，对于小区覆盖区域内在移动台之间的稀疏的业务的干扰可进一步及时地被避免。
移动台MSA和MSC由同一个波束提供服务，这可能引起干扰。所以，移动台MSA和MSC必须被分配以至少递增2的MAIO。而且，移动台MSB位于具有小区覆盖区域2的小区的另一个部分，导致天线波束L2’具有朝向移动台MSA和MSC和来自移动台MSA和MSC的高的抑制性。因此，相对于图2所示的另外的移动台MSA和MSC中的每个移动台来说，移动台MSB可以使用只递增1的MAIO。这是因为去向与来自移动台MSA和MSC的相邻信道干扰被天线增益抑制。
本发明的构思也可应用于使用在例如室内位于不同的房间中的分布天线的***，其中信号可以从一个或几个天线发送。这样的配置的例子显示于F.Kronestedt等的“Radio Network Performance forIndoor Cellular Systems(用于室内蜂窝***的无线网性能)”(ICUPC’96出版)中。
图3显示互相之间具有间隔的不同的波束。实际上，波束L1’和L2’被如此形成，以便能填充每半个小区覆盖区域2，从而使得从一个波束移动到另一个波束的移动台在小区区域之间输送期间不会丢失。
图4显示另一个实施例，其中具有覆盖小区覆盖区域2的三个波束并且在每个波束中具有一些移动台。在这个实施例中，有可能使得通过来自天线25的同一个波束L1”进行通信的两个移动台MSA”和MSC”在该波束中的TRX之间具有递增3的数值。因此，波束L1”可被分配以具有1，4，7等数值的MAIO，波束L2”可被分配以具有2，5，8等数值的MAIO，以及波束L3”可被分配以具有3，6等数值的MAIO。
图5显示一种配置，其中无线基站配备有四个固定的、互相重叠的波束L1到L4。虽然在本实施例中显示了四个波束，自然，可以提供更多的波束。小区被划分成两个小区区域R1和R2。波束L1和L2属于小区区域R1，而波束L3和L4属于小区区域R2。
而且，小区区域R1被分配以MAIO 1，3，5，7，而小区区域R2被分配以MAIO 2，4，6，8。正如所提到的，在某种程度上波束互相重叠。例如，如果由波束L2和波束L3提供服务的移动台具有递增1的MAIO数值，例如波束L2中是MAIO 1，以及波束L3中是MAIO2，则波束L2和波束L3可能互相产生干扰。
这个问题可以按以下的方式被解决。由波束L2提供服务的移动台应当优选地被分配以来自分配给小区区域R1的MAIO数值中最大的MAIO数值，因此是MAIO 7或5。同时，由波束L3提供服务的小区区域R2中的移动台应当优选地被分配以来自分配给小区区域R2的MAIO数值中最小的MAIO数值，因此是MAIO 2或4。在波束L2和L3之间其中存在着波束重叠的区域边界处，决不使用接连的MAIO，以避免干扰。
虽然本发明是对于示例性实施例被描述的，但应当看到，可以作出各种修正而不背离本发明的范围。因此，本发明不应当被认为限于所描述的实施例，而应由优选地权利要求来规定，权利要求意图包括本发明的所有的等同物。

Claims (14)

1.一种通过使用跳频和自适应天线装置提供至少两个小区区域以使得在蜂窝无线通信网中的无线基站(1)的小区(2)与该无线基站的范围内的移动台(MSA，MSB，MSC)进行通信时能够支持业务负荷达到非常高的程度的方法，其中，分配用于小区的频率的跳频表(HSN)和跳频表中的频率偏移号(MAIO)以便设置小区的可允许的跳频过程，确定位于小区边界内的每个移动台在小区内的位置，和将频率偏移号(MAIO)分配给每个移动台，其特征在于，
给小区提供至少一个不同的波束(L1’，L2’；L1”，L2”，L3)以用于每个小区区域，对于每个所述小区区域使用至少一个不同的自适应天线波束，在小区中的波束互相之间具有抑制作用；
对于每个区域分配不同组的频率偏移号(MAIO)，用于每个小区区域的每个组具有一个至少递增2的数值，从而不同的区域具有互相不重叠的不同组的频率偏移号(MAIO)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在整个小区中使用的频率偏移号(MAIO)具有递增1的数值。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，自适应天线波束是预定的和固定的。
4.按照权利要求1或2的方法，其中使用两个小区区域，每个区域具有至少一个波束，其特征在于，
为一个区域(L1’)的频率偏移号(MAIO)分配例如1，3，5等的奇数值，以及为另一个区域(L2’)的频率偏移号(MAIO)分配例如2，4，6等的偶数值。
5.按照权利要求4的方法，其中每个区域至少具有两个波束，相邻的波束(L1，L2，L3，L4)互相部分重叠，其特征在于，
对于最靠近在两个区域(R1，R2)之间的边界线的波束(L2，L3)，在一个区域(R1)中的波束(L2)被分配以在该区域中的最小的MAIO值，以及在另一个区域(R2)中的波束(L3)被分配以在该区域中的最高的MAIO值。
6.按照权利要求2的方法，其特征在于，当一个移动台从一个所述小区区域移动到另一个小区区域时，执行小区内切换，该小区内切换至少包括把被分配给移动台正在移出的小区区域中的无线连接的频率偏移号(MAIO)改变为被分配给移动台正在移入的小区区域的频率偏移号组中的一个频率偏移号。
7.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，对于每个进入到一个小区区域的新移动台分配一个MAIO，该MAIO具有离开被分配给相邻的区域中的移动台的MAIO尽可能远的号码。
8.一种通过使用具有指向小区中不同的小区区域的天线波束(L1’，L2’)的自适应天线装置和跳频使得在蜂窝无线通信网中的无线基站(1)的小区与该无线基站的范围内的移动台(MSA，MSB，MSC)进行通信时能够支持业务负荷达到非常高的程度的设备，该设备包括：
多个收发信机，每个收发信机被分配以同一个跳频表(跳频序列号(HSN))但是同时被分配以跳频表中的一个独特的移动分配索引号偏移(MAIO)，以及
用于确定区域内每个移动台的小区区域和分配用于每个移动台的MAIO的装置(1)，其特征在于，
用于给小区提供用于每个小区区域的至少一个不同的自适应天线波束的装置(5)，在小区中的波束互相之间具有抑制作用；
用于控制收发信机以便为每个小区区域分配不同组的MAIO的装置(1)，每个组具有在每个小区区域中的收发信机之间至少递增2的数值，但是不同的小区区域具有互相不重叠的不同组的MAIO；
由此，被服务的移动台占用50％以上的业务信道。
9.按照权利要求8的设备，其特征在于，在小区中的收发信机具有接连的MAIO，但是每对具有接连的MAIO的收发信机被分配给不同的小区区域。
10.按照权利要求8或9的设备，其特征在于，自适应天线波束(L1’，L2’；L1”，L2”，L3”)是预定的和固定的。
11.按照权利要求8或9的设备，其中使用两个小区区域，其特征在于，
被分配用于一个区域的MAIO具有奇数值，诸如1，3，5等，以及
被分配用于另一个区域的MAIO具有偶数值，诸如2，4，6等。
12.按照权利要求11的设备，其中每个区域至少具有两个波束，相邻的波束(L1，L2，L3，L4)互相部分重叠，其特征在于，
对于最靠近两个区域(R1，R2)之间的边界线的波束(L2，L3)的每个小区区域，所述用于给小区提供不同的自适应天线波束的装置(5)在一个小区区域(R1)中分配该区域中的最小的MAIO值给波束(L2)，以及在另一个小区区域(R2)中分配该区域中的最高的MAIO值给波束(L3)。
13.按照权利要求8或9的方法，其特征还在于，当一个移动台从一个所述小区区域移动到另一个小区区域时，装置(1)执行小区内切换，所述小区内切换至少包括把被分配给移动台正在移出的小区区域中的无线连接的频率偏移号(MAIO)改变为被分配给移动台正在移入的小区区域的频率偏移号组中的一个频率偏移号。
14.按照权利要求8或9的方法，其特征在于，装置(1)为每个进入到一个小区区域的新移动台分配一个MAIO，该MAIO具有离开被分配给相邻的区域中的移动台的MAIO尽可能远的号码。
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