用于具有六扇区的蜂窝小区的CDMA网络的增强型蜂窝布局

技术领域

本发明一般涉及CDMA蜂窝无线通信网络的蜂窝布局，特别是涉及用于具有六扇区的蜂窝小区的CDMA蜂窝无线通信网络的增强型蜂窝布局。

本发明的背景

在蜂窝无线通讯网络或者“蜂窝网络”中，被提供服务的地区被划分成蜂窝小区。除了在全向蜂窝小区(在其中，整个蜂窝小区包含单个扇区)的情形之外，每个蜂窝小区都被进一步划分成多个扇区。至少是由一个通常位于蜂窝小区中心的蜂窝站点的基站来对每个蜂窝小区进行服务的。所有的基站都通过基站控制器(“BSC”)和硬件链路而连接到消息交换中心(“MSC”)。多个移动单元通过与附近的一个或多个基站建立无线链路而与MSC相连接。

在其它的蜂窝电话技术(例如时分多址(“TDMA”))中，当移动单元从一个蜂窝漫游到另一个的时候，在移动单元与服务于第一个蜂窝的基站之间的无线链路不得不被断开，取而代之的是移动单元与服务于第二个蜂窝的基站之间的无线链路。与此相对的是，在码分多址(“CDMA”)蜂窝电话系统中，由于对于所有的蜂窝和扇区都采用了同一个频段，所以在连接到第二条链路之前不必断开第一条链路。如同下文将更加详细地论述的那样，此过程被称为“软切换”或“较软的切换”。提供了处理增益的CDMA的波形属性也被用于对占用了同一频段的各个信号进行辨别。因此当把呼叫从一个蜂窝小区或扇区转移到另一个的时候，移动单元不必转换其频率。在TIA/EIA/IS-95-A：双模宽带扩频蜂窝系统的移动站—基站兼容性标准(Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode WidebandSpread Spectrum Cellular System)(此后称为“CDMA标准”)之中描述了关于CDMA蜂窝电话特性的更多的细节，在这里将其整体引用而作为参考。

在蜂窝电话系统的情况下，“切换”意味着当移动单元检测到可能与另一个扇区之间进行可接受的通信的时候就把呼叫从一个扇区转移到另一个的过程。这主要发生在移动单元靠近扇区边界或者当前的通信链路受到射频(“RF”)遮蔽而变弱、同时来自另一个扇区的潜在的通信路径得到了增强的时候。一般地，切换由三个阶段组成。在称为“启动切换”的第一阶段中，切换过程被触发。在称为“选择目标”的第二阶段中，确定出哪些扇区才是接受切换的候选者。在称为“完成切换”的第三也是最后一个阶段中，移动单元从原来的扇区转移到新的扇区。

术语“软切换”通常用于称谓这样一种切换，其中移动单元在不中断与原来的基站之间的通信的条件下开始与新的基站进行通信，也就是说，呼叫在两个基站上都得以维持。如果在切换中涉及到三个蜂窝小区，则呼叫在所有的三个基站上都得以维持。“较软的切换”指的是这样一种切换，其中呼叫在一个用于同一蜂窝小区的不同扇区的基站上得以维持。本领域的技术人员将认识到，出于多种原因，更软的切换比起软切换而言在前向(也就是从基站到移动单元的)链路和反向(也就是从移动单元到基站的)链路上通常都只需要较少的发送功率。

为了优化CDMA网络的性能，必须考虑多个因素。可以论证的是，这些因素中最重要的就是网络容量(确切地说就是在给定时刻网络所能够处理的呼叫的数量)和掉话率(确切地说就是在进行的通信期间呼叫掉线的概率)，以及上述因素与网络资源(诸如发射功率、切换以及其它资源)之间相关的交互作用。显然，所希望的就是在使掉话率最小化的同时使得容量最大化。

在CDMA中，容量是软性的，也就是说，用户的容量是可以增加的；然而，当用户的数量增加时服务将受到恶化。可以通过使切换最少化，以及使维持移动单元与基站之间的充裕通信所需要的平均的前向链路功率最小化，来增加CDMA系统的容量。然而显然，将这些参数最小化通常将增加误帧率(“FER”)并加大呼叫掉线的概率。

有多种方法用于在对服务具有高需求的地区中提高CDMA网络的容量。例如，可以增加额外的信道；甚至增加额外的可用频率，然而，这并不是经常可能的，对于服务提供者来说这种解决方案是代价高昂的。变通地，可以配置大量的小蜂窝。这也是一种代价高昂的解决方案，因为服务提供者除了购买基站所在处的房地产以外，还必须为了在每个蜂窝站点处都建设基站而购置所需的设备。

还有一种使得CDMA网络的容量最大化的方法，就是通过增加构成蜂窝小区的扇区数目以使得其中每个蜂窝小区的容量都最大化。举例来说，全向(也就是单扇区的)蜂窝小区的容量是X次呼叫。作为对照，估计三扇区化的蜂窝小区的容量将接近2.6X，而估计六扇区的的蜂窝小区的容量将接近4.8X。在CDMA网络的业务量繁重的地区，通常采用一到两个扇区化的蜂窝小区(而不是大量较小的全向蜂窝小区)来提供必要的覆盖量，成本上才是较为合算的。

CDMA蜂窝/扇区的反向链路容量可以采用下面的等式来估计：

           N＝(W/R)*(1/(E_b/N₀))*(1/v)*F*G

其中：N＝每个扇区的用户数；

      W＝扩频的带宽；

      R＝数据速率；

      E_b/N₀＝比特能量/噪声谱密度；

      v＝语音的占空比；

      F＝频率复用系数；以及

      G＝天线的扇区化增益。

如同上式所表明的，一个需要考虑的重要因素就是所涉及到的频率复用系数。频率复用系数就是来自某个扇区之内的移动单元的干扰与来自所有扇区的总干扰之比，可以采用下式算出：

                     F＝N_ic/(N_ic+N_oc)

其中F是反向链路频率复用系数，N_ic是蜂窝小区/扇区的内部干扰，而N_oc是蜂窝小区/扇区的外部干扰。显然，当N_oc趋于零的时候，F趋于1；因此，目标就是使N_oc最小化，从而也就使F最大化了。

也可以通过在蜂窝站点使用有向天线来增加网络的容量。因为有向天线仅在天线的方向上进行接收，所以它减小了基站所收到的干扰。事实上，如果在有向天线中没有旁瓣或者背瓣，那么一个扇区所观察到的来自其它扇区的总干扰将减少三分之一。显然，通过采用有向天线来进行扇区化将增加用户的数量，然而由于有向天线的旁瓣和背瓣，这减少了频率复用率。因此在扇区化过程中，在F略有减少的同时，G得以增加，表现为总体上容量的增加。在减少网络的频率复用系数中起重要作用的其它因素包括：均匀的(相对于不规则的)蜂窝布局、天线波束宽度、旁瓣和背瓣泄漏，以及是否各天线是一致的(也就是说，所有的都是60°，还是一些为60°另一些为90°)。

附图1表明了CDMA网络的一种三扇区化蜂窝小区的实施方案。在附图1中，蜂窝间的边界是用实线来表示的。扇区是由附图1中的六边形来表示的。下面的表I列出了对于如同附图1所示的CDMA网络的三扇区化蜂窝小区的实施方案而言，在各种天线波束宽度条件下的频率复用系数和频率复用系数比的估计值，其中“频率复用系数比”的计算是通过用所阐明的实施方案的频率复用系数除以包含全向蜂窝小区的CDMA网络的该数值(通常是0.62)。

表I

蜂窝小区的六扇区的是众所周知的，而目前至少有两种用于六扇区的蜂窝小区的已知的蜂窝布局，包括如同附图2中所示的平行四边形蜂窝布局，以及附图3中所示的平常少见得多的三角形蜂窝布局。如同在附图1中一样，在附图2和3中，蜂窝间的边界是用实线来表示的，而扇区间的边界是用虚线来表示的。

下面的表II列出了对于如同附图2所示的CDMA网络的平行四边形蜂窝布局的六扇区的蜂窝小区的实施方案而言，在各种天线波束宽度条件下的频率复用系数和频率复用系数比的估计值，其中“频率复用系数比”的计算是通过用所阐明的实施方案的频率复用系数除以包含全向蜂窝小区的CDMA网络的该数值(通常是0.62)。

表II

最后，下面的表III列出了对于如同附图3所示的CDMA网络的三角形蜂窝布局的六扇区的蜂窝小区的实施方案而言，在各种天线波束宽度条件下的频率复用系数和频率复用系数比的估计值，其中“频率复用系数比”的计算是通过用所阐明的实施方案的频率复用系数除以包含全向蜂窝小区的CDMA网络的该数值(通常是0.62)。

表III

如同参照上面的表II和表III所能看到那样，扇区设置的方式将影响到CDMA网络的频率复用系数，从而最终影响到它的容量。例如，对于30°的天线波束宽度来说，如图2所示的CDMA网络的扇区的频率复用系数和频率复用系数比分别是0.550和0.887，而如图3所示的CDMA网络的扇区的同样的参数分别是0.565和0.911。对于频率复用系数和容量来说，三角形蜂窝布局要比平行四边形蜂窝布局更佳。

参照附图2，在平行四边形蜂窝布局中，将会发现每个X点距三个基站是等距的，因此，很有可能在每个X点都没有单个占优势扇区。相反，将有六个具有近似相同强度(或微弱度)的扇区，而位于X点的移动单元有必要进入一种较高的(例如四向、五向或者六向的)切换状态。由于缺少单一占优势扇区，每个扇区的强度都更低了，因此，性能将受到恶化。在附图3中，在三角形蜂窝布局中，在每个Y点都有四个具有近似相同强度的扇区。这是一种相对于平行四边形蜂窝布局的改进，但仍然不是最佳的。

本领域的技术人员将认识到，CDMA网络的前向链路的容量是直接受到切换状态影响的，其中较高的切换状态将消耗更多资源。此外，较高的切换状态来源于较高的蜂窝外信号功率，而这意味着如果在前向链路上存在有过度的信号干扰，于是将牺牲掉容量而在前向链路上需要更大的发射功率，以便维持在移动单元和基站之间的通信。

如同这里的用法一样，如果没有另外指定是“前向链路”或是“反向链路”，那么“容量”指的就是网络的整体容量(也就是说，在某一时间所能够提供服务的呼叫数量)。

其它需要考虑进行优化的参数就是每个用户所需要的前向链路和反向链路的平均发射功率，以及前向链路和反向链路的误帧率(“FER”)，所有的这些都受到干扰的影响，并且都能够通过减少每个呼叫所受到干扰而得到改善。

正如上文所表明的，在六扇区的蜂窝小区的CDMA网络之中，对扇区的具体布置将影响到网络的性能。

因此，需要一种用于具有可优化CDMA网络容量的六扇区的蜂窝小区的CDMA网络的改进的蜂窝布局。

发明概要

因此，本发明提供了一种用于优化CDMA网络容量的系统和方法。在优选的实施方案中，可以通过把位于六扇区的CDMA网络的三角蜂窝布局(附图3)的每个蜂窝小区站点处的有向天线顺时针或逆时针旋转大约10.893°±3°，也可以把位于六扇区的CDMA网络的平行四边形蜂窝布局(附图2)的每个蜂窝小区站点处的有向天线顺时针或逆时针旋转大约19.107°±3°，从而实现一种用于六扇区的蜂窝小区的CDMA网络的增强型蜂窝布局。

已经确认了的，就是这种用于六扇区的CDMA网络的增强型蜂窝布局将导致几种超越了现有技术的六扇区的蜂窝布局的优点。确切地说，把本发明的增强型蜂窝布局和相同条件下的现有技术的蜂窝布局(例如蜂窝站点间分开相同距离，采用相同的基站最大输出功率以及相同的RF条件)进行比较的话，本发明的增强型蜂窝布局将导致频率复用系数的增加、容量的增加以及掉话率的减少。掉话率的减少主要是由于移动单元由此易于进入和退出切换。除此之外的好处包括：每个用户所需要的前向链路和反向链路的平均发射功率的减少、以及前向链路和反向链路上误帧率(“FER”)的减少。

也许本发明的增强型蜂窝布局的最重要的特点之一就是为了维持宽裕的通信所需的移动单元的平均功率将得以减小，由于任何两个扇区都不是直接面对面的；因而平均的干扰电平也将降低，于是增加了网络的频率复用系数。

采用本发明而获得的一种技术上的优点就是增加了六扇区的CDMA网络的频率复用系数与容量，并且减小了其掉话率。

采用本发明而获得的另一种技术上的优点就是通过确保没有两个扇区是相互直接面对面而减小了移动单元为了维持宽裕的通信所需的平均功率，从而减少了干扰的平均电平。

采用本发明而获得的另一种技术上的优点就是它使得更多的用户能够使用网络，并且增加了网络的可靠性。

采用本发明而获得的还有另一种技术上的优点，就是比起其它的蜂窝布局而言，在两向、三向软切换和更软的切换之间存在更好的平衡。

采用本发明而获得的还有另一种技术上的优点，就是减少了移动单元处于较高的(例如四向、五向或者六向的)切换状态的时间。

采用本发明而获得的还有另一种技术上的优点，就是它带来了前向链路和反向链路平均发射功率的改善以及前向链路和反向链路的FER的改善。

附图的简要描述

图1阐明了一种包含三扇区化蜂窝小区的CDMA网络。

图2阐明了一种CDMA网络的六扇区的蜂窝小区实施方案的平行四边形蜂窝布局。

图3阐明了一种CDMA网络的六扇区的蜂窝小区实施方案的三角形蜂窝布局。

图4是一幅表达了本发明的特征的CDMA网络的系统模块图。

图5阐明了一种根据本发明的特征的CDMA网络的六扇区的蜂窝小区实施方案的增强型蜂窝布局。

图6阐明了附图2和附图5中的蜂窝布局的直接对比。

图7阐明了在通常的CDMA网络中蜂窝站点的相对安置。

图8阐明了用于附图2中所示的蜂窝布局的天线指向性。

图9阐明了用于附图5中所示的蜂窝布局的天线指向性。

优选实施方案的描述

如上所述，附图1阐明了一种包含三扇区化蜂窝小区的CDMA网络。如上所述，附图2阐明了一种CDMA网络的六扇区的蜂窝小区实施方案的平行四边形蜂窝布局。如上所述，附图3阐明了一种CDMA网络的六扇区的蜂窝小区实施方案的三角形蜂窝布局。

在附图4中，一般性地用一个参照数字10来指定了一个CDMA网络。在优选的实施方案中，系统10由多个蜂窝小区组成，在附图4中用蜂窝小区C1和C2来表示。根据本发明的特征，如同将要参照附图5所作的更详细地描述的那样，通过在C1和C2中每一个的蜂窝站点使都用有向天线而把C1和C2中的每一个都划分成六个扇区，分别为S11-S16和S21-S26。C1和C2中的每一个都包含一个至少具有六个有向天线并位于其蜂窝站点的基站，分别为B1和B2，其主要功能就是提供与移动单元(例如移动单元12)之间的空中射频(“RF”)通信。

基站B1和B2中的每一个都通过一条链路而连接到基站控制器(“BSC”)18，而后者又连接到移动交换中心(“MSC”)22。由于在本领域中，构成系统10的元件以及其中的配置是众所周知的，所以除了是在对本发明的完整理解中必不可少的那些之外其他细节就不再进一步进行描述了。

附图5阐明了一种根据本发明的特征的CDMA网络的六扇区的蜂窝小区实施方案的增强型蜂窝布局。如同附图1、附图2和附图3一样，在附图5中，蜂窝小区之间的边界是用实线来表示的，而扇区之间的边界是用虚线来表示的。如同下面将要更加详细地阐述的一样，既可以通过把六扇区的CDMA网络的三角蜂窝布局(附图3)的每个有向天线顺时针或逆时针旋转约10.893°±3°，也可以把六扇区的CDMA网络典型的平行四边形蜂窝布局(附图2)的每个有向天线顺时针或逆时针旋转约19.107°±3°，从而最好地实现附图5中所示的蜂窝布局。

附图6阐明了附图2和附图5中的蜂窝布局的直接对比。在附图6中，用虚线来表示根据附图5中所示的增强型蜂窝布局的蜂窝小区指向(包括其中的扇区间边界)，而用实线来表示根据附图2中所示的平行四边形蜂窝布局的蜂窝小区指向(包括其中的扇区间边界)。

现在将参照附图7-9而对本发明的增强型蜂窝布局进一步进行描述。附图7阐明了在通常的CDMA网络中蜂窝站点和相应的有向天线的相对安置。

现在参照附图7，对传统的蜂窝站点布局所进行的描述将参照于蜂窝站点CS1，它被定义为一个用x，y平面的原点(0，0)。而CS2-CS7这六个蜂窝站点环绕着蜂窝站点CS1而分别定位于下列坐标组合： $>>>(>2>>3>>z>,>3>z>)>>,>>(>2.5>>3>>z>,>->1.5>z>)>>,>>(>>(>>3>>/>2>)>>z>,>->4.5>z>)>>,>>(>->2>>3>>z>,>->3>z>)>>,>>(>->2.5>>3>>z>,>1.5>z>)>>,>>(>->>(>>3>>/>2>)>>z>,>4.5>z>)>>>s>其中z等于一个单位的距离，而蜂窝站点CS1与其它蜂窝站点CS2-CS7中的任何一个之间的距离分别是：$ >>z>>21>>>s>$$

同时以便认识到在蜂窝站点CS1-CS7中的每一个处都至少需要6个有向天线以便能产生六个扇区。

现在参照附图8，本领域的技术人员将认识到，在附图2中所示的平行四边形蜂窝布局是按如下方式来构成的。对于每一个蜂窝站点(诸如蜂窝站点CS1)，该处的有向天线是指向六个周边蜂窝站点CS2-CS7中的每一个的，如同附图8中用标注为A的箭头来表示的那样。相应地，每个蜂窝站点都具有指向其六个相邻蜂窝站点中每一个的天线，并具有从六个不同的蜂窝站点指向自己的天线。

附图9阐明了本发明的增强型蜂窝布局的天线指向性。如同附图9中所示，蜂窝站点CS1的天线指向是这样的：它们与从CS1到CS2-CS7中每一个的假想连线(如同附图9中用标注为D的箭头来表示的一样)之间构成一个角度β，而不是如同附图8中所示那样直接指向相邻的蜂窝站点CS2-CS7。分析和仿真表明，β的理想值是19.107°，尽管在实践上可以期望将天线定位于该数值±3°的范围内。

下面的表IV列出了对于如附图5所示的CDMA网络的增强的蜂窝布局的六扇区的蜂窝小区的实施方案的、在各种天线波束宽度条件下的频率复用系数和频率复用系数比的估计值，其中“频率复用系数比”的计算是通过用所阐明的实施方案的频率复用系数除以包含全向蜂窝小区的CDMA网络的该数值(通常是0.62)而得到的。

表IV

将表IV所示的增强型蜂窝布局的性能与表II和表III分别所显示的平行四边形和三角形蜂窝布局的性能相比较，将会发现比起其他任一蜂窝布局而言，增强型的蜂窝布局会带来更好的频率复用系数和频率复用系数比，并由此带来更高的容量。举例来说，对于30°的天线波束宽度而言，采用了增强型蜂窝布局的CDMA网络中扇区的频率复用系数是0.580，这与采用了平行四边形蜂窝布局的CDMA网络中扇区的频率复用系数是0.550、而采用了三角形蜂窝布局的CDMA网络中扇区的频率复用系数是0.565可形成对比。类似地，对于相同的天线波束宽度而言，比起采用了平行四边形蜂窝布局或是三角形蜂窝布局的CDMA网络来说，该CDMA网络的扇区容量更大，这是由于这样几个因素，包括：(1)更高的频率复用系数；(2)更好的切换的分布；(3)改善了的前向链路性能；以及(4)改善了的反向链路性能。

参照附图2，在平行四边形蜂窝布局中，将会发现每个X点距三个基站是等距的，因此，很有可能在每个X点都没有单一的占优势的扇区。相反，将有六个具有近似相同强度(或微弱度)的扇区，而位于X点的移动单元有必要进入一种较高的(例如四向、五向或者六向的)切换状态。由于缺少单一的占优势的扇区，每个扇区的强度都更低了，因此，性能将受到恶化。在附图3中，在三角形蜂窝布局中，在每个Y点都有四个具有近似相同强度的扇区。这是一种相对于平行四边形蜂窝布局的改进，但仍然不是最佳的。

参照附图5将会发现：在增强型的蜂窝布局中，由于其独特的结构，因而存在类似于X和Y的点，但是在每个Z点处仅有三个扇区而不是六个(平行四边形的蜂窝布局)或是四个(三角形的蜂窝布局)这样的扇区具有可比拟的强度。因此，切换的状态得以较低(也就是说两向或者是三向——对比于四向、五向或是六向而言)，这意味着比起X点和Y点来说，在每个Z点都具有更多的资源，而这三个强度相等的扇区的强度可以小些(但还不至于小到会使性能恶化)。

正如前文注明的，避免较高的切换状态是重要的，因为较高的切换状态会消耗更多的资源并导致前向链路容量的减少。此外，通过增强型蜂窝布局所获得的干扰的下降将减少为了维持移动单元和基站之间的通信所需的前向链路的发射功率。

显然，在所有的要点(频率复用系数、容量以及切换状态)上，增强型蜂窝布局都比平行四边形蜂窝布局或是三角形蜂窝布局更加优越。

举例来说，对于增强型蜂窝布局而言，在一定的条件下(即，72公里/小时的速度，瑞利衰落，每个扇区为一路多径信号)，估计每个用户所需的平均前向链路发射功率约为全部可用功率的7.5％。作为对照，对于平行四边形蜂窝布局而言，在相似的条件下，估计每个用户所需的平均前向链路发射功率约为全部可用功率的8.0％。此外，对于增强型蜂窝布局而言，在相同的条件下，当采用功率控制把FER约束在1％时，估计前向链路的FER约为1％。作为对照，对于增强型蜂窝布局而言，在相同的条件下，当采用功率控制以图把FER约束在1％时，估计前向链路的FER约为1.5％。

尽管所展现和描述的是本发明的一种说明性的实施方案，但是在前文的披露中也含有其他的各种修订、更改和替换的打算。因此，对所附的权利要求进行广义而又与本发明的范畴相吻合的解释将是恰如其分的。