CN106576254B - 用于无线系统中自适应波束放置的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信系统的操作相控阵天线的方法，该无线通信系统服务于其中来自多个移动通信设备的通信需求作为时间的函数改变的区域，该方法涉及：对于多个连续时间中的每个时间，(1)获得指示对于那个时间作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息；及(2)利用相控阵天线，电子地生成对于那个时间相对于其它波束方向指向其总移动通信需求密度高的方向的通信波束。

Description

用于无线系统中自适应波束放置的方法

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2014年7月17日提交的标题为“Method forAdaptive Beam Placement in Wireless Systems”的临时申请序列No.62/025,638的权益，其全部内容通过引用被结合于此。

技术领域

本发明的实施例一般而言涉及利用窄波束代替常规天线辐射模式或作为其附加的无线系统，并且涉及使用这些窄波束来增加无线系统的容量的方法。

背景技术

诸如无线电或TV广播的许多无线系统使用全向天线，即，在至少一个平面中辐射360度的天线。诸如点对点微波链路的其它系统使用定向天线，即，主要在锥形或波束内辐射的天线。商业蜂窝系统首先引入了全向塔天线。后来，无线运营商迁移到在塔上利用3个定向天线的扇区体系架构，每个天线覆盖120度的方位角和大约15-20度的仰角。

现代蜂窝网络每个小区使用三个扇区作为虚拟标准。这种解决方案在过去当语音通信主导无线流量时很好地服务于无线运营商。但是，随着运行具有大无线数据消耗的应用(诸如视频点播)的智能电话和其它智能移动设备的出现，对无线网络容量的要求已经远远超出了蜂窝系统的能力。原则上，通过添加塔、基站和天线的小区分割是用于增加网络容量的自然解决方案，但是这种做法的高成本以及公众对新小区塔的普遍反对呈现严重的实际限制。

用于增加蜂窝网络容量的另一个自然方案是通过扩展所使用的电磁(EM)频谱。这也是高成本的解决方案，因为EM频谱稀缺并且获取是昂贵的。此外，这是受限的解决方案，因为只有很少频带可用于蜂窝使用。

用于增加蜂窝网络容量的先进信号处理方法基于多输入多输出(MIMO)技术。这些方法依赖在基站和移动设备处使用多个天线来利用EM传播的空间分集并重用EM频谱。MIMO广泛地在诸如WiMAX和LTE(长期演进)的4G(第四代)无线网络中使用。不幸的是，在实践中，MIMO要求大量的信号处理并且仅提供较小的容量改进，因为其性能对在现有蜂窝环境中普遍存在的低信干噪比(SNIR)条件非常敏感。

在美国专利申请13/442,561中描述了一种用于大量的增加蜂窝网络容量而无需添加小区塔或频谱的新方法，该专利申请通过引用被结合于此。这种方法基于使用窄的、灵活的扫描波束来增强扇区中所有位置处的SNIR并且创建频谱重用的可能性，类似于MIMO但是没有信号处理。在实践中，通过在美国专利#8,611,959中描述的低成本相控阵技术，在塔处生成窄波束是可能的，该专利通过引用被结合于此。但是，美国专利申请13/442,561中的方法要求波束放置与扫描之间的精确协调以及基站与移动设备之间的通信时间的调度。基站软件中的重要修改对于实现这种协调是必要的。

在这里，我们公开利用窄波束增加蜂窝网络容量但不要求基站软件中的任何显著修改的其它方法。

发明内容

一般而言，在一方面，本发明的特征在于用于无线通信系统的操作相控阵天线的方法，该无线通信系统服务于其中来自多个移动通信设备的通信需求作为时间的函数改变的区域。该方法涉及：对于多个连续时间中的每个时间，(1)获得指示对于那个时间作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息；和(2)利用相控阵天线，电子地生成对于那个时间相对于其它波束方向指向其总移动通信需求密度高的方向的通信波束。

其它实施例包括以下特征中的一个或多个。获得指示作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息涉及在一定方向范围内扫描探测波束并且测量作为探测波束方向的函数的总移动通信需求。探测波束是窄波束，并且探测波束在其上扫描的方向范围在方位角和仰角上都变化。作为替代，获得指示作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息涉及：(1)引用提供关于作为时间的函数的移动通信设备的预期地理分布的信息的数据库；(2)获得关于多个移动通信设备的地理分布的信息；(3)在一定方向范围内扫描探测波束并测量作为探测波束方向的函数的瞬时频谱效率；或(4)参考指示作为波束方向的函数的瞬时频谱效率的所存储的信息源。通信波束是窄波束，并且具有基于与总移动通信需求密度的聚集有关的细节而选择的形状。所生成的通信波束是发送波束和/或接收波束。

其它实施例还包括以下特征中的一个或多个。该方法还涉及，利用相控阵天线并且对于多个连续时间中的每个时间，电子地生成多个通信波束，每个通信波束指向对于那个时间相对于其它波束方向其总移动通信需求密度高的多个不同方向，其中首先提到的通信波束在所述多个通信波束之中。作为替代，该方法涉及，利用相控阵天线并且对于多个连续时间中的每个时间，电子地生成多个通信波束，每个通信波束指向总移动通信需求密度展现聚集的多个不同方向，其中首先提到的通信波束在所述多个通信波束之中。多个通信波束的波束形状被选择为匹配集群的形状。获得指示作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息涉及：(1)在一定方向范围内扫描探测波束，并且测量作为探测波束方向的函数的总移动通信需求，其中探测波束是窄波束并且探测波束在其上扫描的方向范围在方位角和仰角上都变化；(2)引用提供关于作为时间的函数的移动通信设备的预期地理分布的信息的数据库；(3)获得关于多个移动通信设备的地理分布的信息；(4)在一定方向范围内扫描探测波束，并测量作为探测波束方向的函数的瞬时频谱效率；或(5)参考指示作为波束方向的函数的瞬时频谱效率的所存储的信息来源。

本发明的实施例包括用于以在特定时间最大化小区的平均容量的方式放置在小区塔处生成的波束和其它波束形状(以下统称为“窄波束”)并且用于根据移动流量(移动通信流量)的变化改变波束的放置(诸如为了维持最大平均容量)的方法。

根据本发明的一个实施例，提供了在具有至少在方位角和/或仰角上使窄波束转向的装置的小区塔上生成窄波束的波束形成设备，用于估计小区中的移动流量的密度的方法，以及用于放置窄波束(诸如为了最大化平均流量)的方法。

根据本发明的一个实施例，提供了在具有改变波束模式的装置的小区塔上生成波束模式的波束形成设备，用于估计小区中的移动流量的密度的方法，以及用于放置波束模式(诸如为了最大化平均流量)的方法。

根据本发明的另一个实施例，提供了在小区塔上生成窄波束的波束形成设备，该小区塔具有经由独立于基站的控制信号来使窄波束转向的装置。

根据本发明的另一个实施例，提供了在具有使窄波束转向的装置的小区塔上生成窄波束的波束形成设备，用于独立于基站估计小区中的移动流量的密度的方法，以及用于放置窄波束(诸如为了最大化平均流量)的方法。

根据本发明的另一个实施例，提供了在具有使窄波束转向的装置的小区塔上生成窄波束的波束形成设备，用于从由UE提供的信息而不使用基站来估计小区中的移动流量的密度的方法，以及用于放置窄波束(诸如为了最大化平均流量)的方法。

根据本发明的另一个实施例，提供了在具有使窄波束转向的装置的小区塔上生成窄波束的波束形成设备，用于从在基站和波束形成设备之间流动的信号来估计小区中的移动流量的密度的方法，以及用于放置窄波束(诸如为了最大化平均流量)的方法。

根据本发明的另一个实施例，提供了在具有使窄波束转向的装置的小区塔上生成窄波束的波束形成设备，用于从由UE提供的信息而不使用基站、从在基站和波束形成设备之间流动的信号来估计小区中的移动流量的密度的方法，以及用于放置窄波束(诸如为了最大化平均流量)的方法。

附图说明

图1绘出了是典型蜂窝系统的一部分的小区的示意图，包括运行被称为eNodeB的通信软件的基站处理器、基站无线电库(Radio Bank)和被称为用户设备或UE的移动电台。

图2绘出了典型蜂窝基站的无线电库的简化示意图。

图3绘出了典型蜂窝基站Tx/Rx模块的简化示意图。

图4绘出了具有在扇区上均匀分布的UE的典型蜂窝扇区的示意图。

图5绘出了具有在扇区上非均匀分布的UE的典型蜂窝扇区的示意图。

图6绘出了具有非均匀分布的UE的典型蜂窝扇区以及利用窄笔形(3D)波束覆盖具有高密度UE的区域的扇区照明的示意图。

图7绘出了具有非均匀分布的UE的典型蜂窝扇区以及利用窄楔形(2D)波束覆盖具有高密度UE的区域的扇区照明的示意图。

图8绘出了具有2D/3D波束形成能力和由eNodeB控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图9绘出了具有2D/3D波束形成能力和由eNodeB以及由独立于eNodeB的附加信号控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图10绘出了具有2D/3D波束形成能力和由eNodeB以及由独立于基站的外部流量密度检测器控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图11绘出了具有2D/3D波束形成能力和仅由独立于基站的外部流量密度检测器控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图12绘出了具有2D/3D波束形成能力和由eNodeB以及由独立于eNodeB的在波束形成子系统内部的流量密度检测器控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图13绘出了具有2D/3D波束形成能力和仅由独立于eNodeB的在波束形成子系统内部的流量密度检测器控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图14绘出了具有2D/3D波束形成能力和由独立于基站的外部流量密度检测器以及独立于eNodeB的在波束形成子系统内部的流量密度检测器控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图15绘出了具有2D/3D波束形成能力和由eNodeB、由独立于基站的外部流量密度检测器以及由独立于eNodeB的在波束形成子系统内部的流量密度检测器控制波束放置的蜂窝系统的示意图。

图16是示出系统的操作的流程图。

具体实施方式

蜂窝系统的基本体系架构

图1示出了小区的部件，小区是典型蜂窝网络的构建块。被称为用户装备(UE)的无线终端400经由无线链路(图1中未示出)连接到包括被称为eNodeB的处理器100、无线电接口总线300和无线电库200的基站。UE可以是移动设备，诸如移动电话、平板电脑、汽车电话等，或者是固定设备，诸如计算机、监视站、安全设备等。基站和UE之间的无线链路由无线电库200中的基站无线电设备并由UE内部的无线电设备生成并管理。处理器eNodeB 100经由称为回程的通信链路连接到蜂窝网络中的其它节点。

一般而言，图2中更详细示出的无线电库200包含M个无线电发送/接收模块(Tx/Rx模块)210(其中M是整数)、无线电数字接口230和M条内部总线220。处理器100经由无线电接口总线300和内部总线220从每个Tx/Rx模块210接收数字信号并向其发送数字信号。通常，M是1-4，但是具有更大数量的无线电设备的系统是可能的。

简化的Tx/Rx模块210在图3中示出。这个模块的主要功能是将数字信号转换成射频(RF)信号，反之亦然，并将RF信号耦合到天线和从天线耦合。Tx/Rx模块的发送器部分包括数模(DAC)转换器和频率上变频器，而Tx/Rx模块的接收器部分包括频率下变频器和模数(ADC)转换器。数字双工器将发送/接收路径连接到内部总线220，并且RF前端将发送/接收路径连接到天线。RF前端包含接收机低噪声放大器、发送机功率放大器，以及若干个RF滤波器和开关。

峰值速率和平均速率以及频谱效率

考虑如图1中的典型无线小区，在某个时间段上的小区无线流量是那个时间段期间在由基站服务的所有UE与相应基站之间流动的信息的总量(例如，按位测量)。存在下行小区流量，即，从基站流到UE的数据，以及上行小区流量，即，从UE流到基站的数据。在频分双工(FDD)系统中，上行和下行小区流量流持续且同时流动，而在时分双工(TDD)系统中，上行和下行流量流持续地在不在时间上重叠的分开的突发(burst)中流动。

如果我们计算或测量小区流量的时间段短，则结果所得的小区流量值除以相应的时间段是对在那个时间段内任何时间的瞬时小区流量位速率(例如，以每秒的位来测量)或者简单地“小区速率”的良好近似。一般而言，上行小区速率不同于下行小区速率，并且每个随时间变化很大。例如，在夜间，它们通常较低，甚至可能偶尔变成零，但在繁忙的白天，它们达到高得多的值。此外，小区速率可以非常快速地变化。例如，当道路交通阻塞迫使许多车辆完全停止从而激发驾驶员和乘客使用他们的电话时，覆盖公路的基站将经历数据流的突然增加。类似地，公共场所中的体育或音乐事件的结束通常触发覆盖那个区域的基站的小区速率的大峰值。

以类似的方式，我们将扇区速率(上行和下行)定义为基站用来与扇区中的移动站通信的流量位速率。由于瞬时小区/扇区速率可以快速且大量地变化，因此还考虑在某个时间段内计算或测量的平均小区/扇区速率是有用的。例如，由基站处理的瞬时扇区速率可以在一小时内在0.1位/Hz到1位/Hz之间广泛变化，但是平均小区速率可以是0.2位/Hz，假设在那个小时内大部分时间瞬时小区速率更接近下限。一般而言，瞬时和平均小区速率是相应扇区速率之和，因为基站同时处理扇区(每个扇区单独的无线电收发装置)。因此，讨论扇区速率就足够了，因为所有的论证和结论也对小区速率有效。

理论上，瞬时扇区速率可以仅与由所使用的无线标准和EM带宽给出的最大值一样高。无线系统的典型通信协议规定了在基站和UE之间允许通信的有限数据速率集合(下行和上行)。在任何时间对每个UE使用的实际数据速率取决于相应的无线链路质量并且由基站动态地设置。例如，如果链路的SNIR小于某个最小值，则基站不发起与UE的任何数据传输。如果链路SNIR高于该最小值但小于下一个更高的水平，则基站以最小的指定速率发起数据交换。对于更高的SNIR，分别使用更高的数据速率，每个速率对应于一个SNIR带，直到最大速率。用于最高速率的SNIR带是无界的，即，SNIR的任何增加不导致更高的数据速率。假设最高SNIR对整个所使用的EM带宽可用，则扇区瞬时速率达到最大值。在这个时候，基站或小区流量被称为达到“峰值容量”。

在实践中，即使网络流量需求高，当前基站也很少达到峰值容量。事实上，典型扇区中的平均速率常常比最大速率小一个数量级或更多。这个主要缺点的主要原因是基站与各个UE之间的大多数无线链路的差质量(低SNIR)，这是当前无线系统中无线信号的传播限制的直接结果。首先，信号经受路径损耗，这随着距离快速增加。第二，信号遭遇来自地面杂波(诸如建筑物、桥梁、树木等)的多次反射，从而产生进一步的损耗、弥散和衰落。第三，来自相邻小区或其它源的非期望信号产生干扰和噪声。因此，大多数时间，基站被迫以比标准所允许的峰值速率小得多的数据速率与UE通信，因此导致小的平均扇区速率。

由于EM频谱在无线通信中是非常有价值的资源，因此计算频谱被多高效地使用是非常有意义的。峰值频谱效率是最大扇区速率除以EM带宽。平均频谱效率是平均扇区速率除以EM带宽。峰值频谱效率和平均频谱效率是以位每秒每赫兹(b/s/Hz)测量的。与峰值速率相比产生低平均扇区速率的低SNIR条件也产生与峰值频谱效率相比较低的平均频谱效率。

增加平均频谱效率

应用增加扇区平均频谱效率的方法对蜂窝系统运营商和用户是最重要和有益的，因为增加的平均速率为相同的EM带宽和网络基础设施携带更多的流量。在不增加频谱效率的情况下增加扇区平均速率的任何其它方法要么要求昂贵的附加EM频谱获取，要么要求昂贵的基础设施扩展，诸如添加小区塔、基站和相关装备。

用于增加频谱效率的传统途径是从一代无线系统向更高级的代迁移。这是由使用更复杂的调制技术理论上增加系统的峰值频谱效率的事实促进的。但是，无线链路SNIR中的实际限制在平均频谱效率方面产生很少的改进。由于相同的普遍低的SNIR条件，甚至MIMO技术的引入也没有增加平均频谱效率，而仅仅是适度地(but only moderately)。此外，MIMO由于繁重的信号处理要求而在功率耗散和UE通话时间方面造成大的损失。最后，在提高平均频谱效率方面，开发和部署处理密集型波束成形技术的许多尝试甚至比MIMO更不成功。提到经典的波束成形技术使用少量天线并且主要依赖干扰抵消而不是依赖使用窄波束是重要的，尽管其名称如此。

在美国专利申请13/442,561中描述的敏捷波束的方法引入了用于解决平均频谱效率问题的新维度。窄笔形波束的使用导致从一开始就显著更大的SNIR。这些波束，也称为3D波束，将能量聚焦到在方位角和仰角两者都窄的立体角，从而增加UE接收信号电平并通过消除多路径中的许多来减少衰落和色散。而且，在相邻扇区中使用窄笔形波束最小化扇区对扇区的干扰。但是，在整个扇区上均匀地增强SNIR的代价是严格的条件，以准确地实时地协调波束放置以及扫描来自/去往每个UE的数据流。这要求基站中保证UE发送和接收时隙的适当调度的软件能力。当UE 400在扇区500中均匀分布时，这个系统增加平均频谱效率，如图4中所示。

在实践中，在许多情况下，在扇区中的所有点处具有高SNIR对于显著增加扇区平均频谱效率是不必要的。例如，如果大百分比的UE 400存在于扇区500的几个小区域中，如图5中所示，则仅仅通过增加那些区域中的SNIR就足以提高扇区平均频谱效率。类似地，如果没有UE或少数UE在扇区的不同区域中，则覆盖具有低SNIR的那个区域对平均频谱效率没有显著影响。例如，在图5中，其中UE被分组在几个小区域中，用在每个地方提供低SNIR的EM辐射501覆盖扇区将产生非常低的扇区平均频谱效率。但是，如图6中将窄笔形波束502放到UE存在的区域将显著地提高扇区频谱效率，因为大多数UE经历更好的SNIR。在被波束覆盖的区域之外的少数UE将继续以低的个别平均频谱效率操作，但它们对扇区平均频谱效率的贡献很小。当在其中UE 400均匀分布的图4的情况下放置窄波束时，这种效果大大降低。放在扇区中任何地方的窄笔形波束将许多UE留在高SNIR区域之外，因此扇区平均频谱效率的增加不大。

图7示出了尝试利用楔形波束503提升局部SNIR的情况，楔形波束503在方位角上窄但在仰角上宽。当大多数UE被分组在小区域中时，这些波束，也称为2D波束，在提高扇区平均频谱效率方面不如笔形(3D)波束有效。

我们得出结论，一般而言，对于在少数小区域中具有许多UE的非均匀流量情况，匹配UE分布的不均匀SNIR扇区分布生成比不匹配UE分布的均匀SNIR分布或不均匀SNIR分布更高的平均频谱效率。这种观察是本发明的基础，隐含的假设是用于创建SNIR分布的波束是窄的。否则，SNIR改善不显著。此外，如果扇区中的UE分布随时间变化，则将SNIR分布维持在先前的最优将肯定产生较低的平均频谱效率。但是，更新SNIR分布以便匹配新的UE分布将保持高的平均频谱效率，假设新的UE分布对于在小区域中分组的许多UE仍然是不均匀的。为了利用这个概念，我们接下来描述用于生成窄波束并用于将它们放置以便创建匹配UE分布的SNIR分布的方法。

由常规塔式天线生成的宽波束

常规的基站天线产生覆盖整个120度扇区的定向辐射模式或波束并且在扇区外部是最小(理想地为零)。为了本说明书的目的，这些波束被称为“宽”。如果代替常规宽波束使用仅覆盖常规120度蜂窝扇区的一小部分(例如，扇区的十分之一或更小的区域)的天线辐射模式，则被称为“窄”波束。这种窄波束可以用碟形天线或二维天线阵列生成。

生成宽波束的典型常规扇区天线利用天线元件的一个或几个垂直列来构建，每个元件以比120度扇区更宽的波束辐射。电缆和移相器的网络从单个射频(RF)输入馈送这些天线元件，使得作为来自所有天线元件的波束的叠加的扇形天线的总辐射模式几乎完全包含在120度扇区中。

从天线的有利位置，诸如小区塔上的高点，将辐射指向扇区的地面区域要求将辐射聚焦在仰角上相对较窄的角度，而在方位角上更宽的角度。这是为什么在典型的扇形天线中使用天线元件的垂直列的原因。结果所得的扇形天线的口径方位角大，而仰角小。天线元件的宽波束仅在窄角度内构造性地干扰仰角，并且在那个窄角度之外破坏性地干扰仰角。它们还在宽角度上构造性地干扰方位角并且在那个宽角度之外破坏性地干扰方位角。

在实践中，这样创建的宽波束在地平面覆盖具有非均匀SNIR的扇区，SNIR在该扇区内部远离扇区边界处最大，而在扇区边界处小得多。这对于最小化相邻扇区和小区之间的相互干扰是必要的。根据前面部分中的讨论，在绝大多数情况下，来自扇区天线的SNIR分布将不匹配UE分布，从而导致小的扇区频谱效率。事实上，在UE分布包括位于扇区边界处的UE组的常见情况下，频谱效率甚至更低。

很清楚，具有固定宽波束的常规扇区天线的使用对于频谱效率来说不是最佳的。这进一步解释了大多数扇区在实践中所经历的低平均频谱效率。通过利用机械/电气倾斜、旋转和展开(fanning)技术，这种情况的适度改进得以实现。在倾斜的情况下，天线被设计为具有机械或机电装置，以通过在仰角方面倾斜天线辐射模式来改变地面上的峰值SNIR投影的位置更远离或更接近塔。这些称为RET(远程电气倾斜)的天线中的一些可以根据距离进行电气调节。常见的RET设计是将电动马达放在天线主体上，以致动机械装置，该机械装置改变对天线元件的RF馈送网络的电气特性，诸如为了实现期望的效果。类似的机电设计可以产生整个天线主体在方位角的物理旋转，被称为平移和展开效应，即，在方位角改变波束宽度。

发送和接收的射线

描述天线辐射模式的精确途径是通过考虑从天线传播的平面波的发射角(AOD)。一般而言，所发送的任何3维天线辐射模式都可以被分解成平面波的叠加，每个平面波携带在各种AOD上天线电磁(EM)功率的一部分。这些平面波也被称为“射线”。一般而言，这些射线的强度随着AOD而变化，并且在天线被设计为聚焦到的立体角之外变得可忽略或为零。对于覆盖整个120度扇区的常规蜂窝天线，具有不可忽略的能量的所有射线的AOD形成与从塔上的天线位置开始的扇区的视野一样大的立体角。一些蜂窝天线被设计为创建更窄的波束，用于覆盖比标准120度扇区更小的区域。

通常，天线被构造为互逆的(reciprocal)电气系统，即，它们具有完全相同的发送和接收辐射模式。因此，对于在AOD处发送的每个平面波，可以以等于相应AOD的到达角(AOA)接收对应的完全相同的平面波。假设所发送和接收的电磁能量之间的这种相互性在这里讨论的所有情况下都是有效的，对于本说明书的其余部分，为了简单起见将仅提及AOD和所发送的射线，但是所有以下讨论、论证和权利要求也意在用于AOA和接收射线。

沿某个AOD的天线增益被定义为在相应AOD中所发送的射线的功率与来自在所有方向上均等辐射(各向同性辐射)的假想天线的任何方向的假想发送射线的功率之比，在所有方向上均等辐射(各向同性辐射)的假想天线与所考虑的天线具有相同的总EM功率。通常，根据功率比的通常做法，天线增益是以分贝(dB)测量的。为了具体地指示这个增益是关于各向同性辐射器计算的，天线增益的dB单位被称为分贝-各向同性或“dBi”。在扇区天线中使用的天线元件具有3-6dBi的最大增益。具有12个元件的典型120度扇区天线具有15-17dBi的最大增益。具有96个天线元件(例如，12×8)的平面阵列具有大约25dBi的最大增益。用在微波点对点链路中的碟形天线具有高达30-40dBi的最大增益。

在一个方向上的天线增益的概念允许波束和波束方向的精确定义。为了本说明书的目的，波束是在天线的中心具有顶点并且满足三个条件的特定立体角内的天线辐射模式。这些条件是：a)具有最大天线增益的方向在这个立体角内，b)在这个立体角内的所有其它方向上的天线增益比最大增益小不超过3dB，以及c)在这个立体角外的所有方向的天线增益比最大增益小3dB以上。用于最大增益的方向定义波束方向。

射线的传播

由常规蜂窝天线生成的宽波束包含具有大AOD变化的射线。在扇区中没有障碍物并且所有UE都在视线(LOS)内的异常情况下，只有接近AOD的一组射线到达每个UE。由于在宽立体角中的发送能量分散，对每个UE的信号损耗大，但是由于到达任何UE的所有射线都具有几乎完全相同的路径，因此存在很少或没有多路径衰落。但是，在更常见的情况下，当扇区包含产生射线反射的自然和人为杂波和/或一些EU不在视线(NLOS)中(诸如在建筑物或自然障碍物之后)时，通常若干组射线到达每个UE。在每个组中，射线具有相似的路径，但来自不同组的光线具有相当不同的路径。这除了损耗还产生强的多路径衰落。损耗和衰落对扇区中的SNIR是有有害的影响。

窄波束可以通过若干种方法创建，包括使用辐射(天线)元件的二维阵列。窄波束中的射线自然地在AOD中仅具有小的变化。因此，这些射线在LOS或NLOS情况下以及在具有或不具有杂波的扇区中通过相似的路径传播。由于较小的空间弥分散，窄波束中的损耗小于宽波束中的损耗，并且由于到达UE的更少的不相似路径而减少了多路径衰落。

波束指向

如前面所定义的，波束的方向是从天线增益最大的天线位置考虑的方向。以等效的方式来说，波束在一个方向上“指向”，该方向是具有最大天线增益的方向。

波束的方向可以通过纯机械手段、通过混合的机械和电气手段或通过纯电气手段来改变。例如，常规的扇区天线利用机械固定装置安装在蜂窝塔上，该固定装置允许调节天线的仰角或倾斜，使得天线宽波束指向扇区中方便的位置。这种用于将波束指向的纯机械途径仅限于非常罕见的调整。RET天线提供了通过混合机械和电气手段在仰角上进行波束指向调整的例子，如前所述。这些天线的波束方向调整可以经常执行，尽管缓慢。

相控阵(诸如在RADAR中所使用的)生成窄3D波束，其可以通过纯电气手段非常快地在许多方向被指向。通过改变施加到天线元件的信号的相位，实现也被称为“波束转向”的移动相控阵的波束方向。一般而言，相控阵可以生成独立可转向的多个独立窄波束。为此，相控阵适合用作无线通信系统中的基础设施天线，因为它们可以在地面上创建具有SNIR值高的小区域的非均匀SNIR模式。这早先被示为当无线流量模式不均匀时用于增加平均频谱效率的有效方法。

波束放置控制

图8示出了具有被称为BFS无线电库的更复杂无线电库600替代的来自图1的无线电库200的典型蜂窝网络中的小区的部件，这添加了波束形成和波束转向功能。内部波束形成有源天线系统610提供波束形成，并且内部波束放置控制620提供波束转向。如果波束形成有源天线系统610是相控阵，则波束放置控制620提供由610发送或接收的信号的相位和幅度值。

eNodeB 100经由对在控制线621上发送的适当控制信号来控制波束的指向方向和相应波束在地面上的放置。这些控制信号可以是对应于各种预定波束位置的简单代码。在这种情况下，用于波束形成的所有相位和幅度信息已经存在于BFS无线电库600中。控制信号的另一个例子是波束形成有源天线系统610创建波束所需的相位和幅度数的整个集合。波束放置控制模块620经由内部控制线611控制波束形成有源天线系统610。

图8中的基站，包括eNodeB 100、无线电接口总线300、BFS无线电库600和控制线621，要求在图1的基站中非必需的附加功能(模块100、300和600)，以便选择由BFS无线电库生成的波束的方向。如前面所讨论的，当无线流量不均匀时，这些波束的布置对扇区平均频谱效率具有重要的影响。因此，重要的是找到最佳波束放置，以获得尽可能高的平均频谱效率。此外，这种最佳波束放置必须自适应地改变，以匹配流量模式。

作为正常操作，eNodeB具有用于到其服务的UE 400的每个链路的详细的SNIR和数据速率信息。因此，eNodeB可以在任何时间计算瞬时和平均频谱效率。而且，eNodeB可以记录这些参数的历史并且分析它们在一天中的几小时和包括季节性变化的更长时间段内的统计信息。这种记录和分析可以自动地或与人为干预相结合地进行。此外，可以执行这些统计信息与UE的物理位置之间的相关性。eNodeB具有若干手段来找到UE的物理位置，例如通过UE的GPS坐标报告或三角测量技术。这种统计计算的最终目标是生成流量模式的地图并且指引波束诸如匹配流量模式与相似的SNIR模式。

快速和容易地获得流量模式地图的方法是通过使用诸如由相控阵生成的窄波束。这种波束对整个扇区进行缓慢扫描，同时eNodeB针对每个波束位置计算由这个波束覆盖的区域内的频谱效率。在一次或若干次这样的扫描之后，eNodeB确定波束增加频谱效率的方向，即，无线流量被聚集的方向，例如，通信密度经历峰值或最大值的方向。然后，eNodeB在尽可能多具有高流量的方向中指引所有可用波束。相同的过程可以在一天的不同时间和一年的不同天进行，以生成流量模式地图。在这些地图可用之后，可以对波束放置进行编程，而无需进一步的计算。但是，如果平均频谱效率恶化，则必须利用与之前相同的过程来更新流量地图。

图8中的基站根据上述或类似方法完全负责波束放置。但是，除了控制线621之外，还有可能利用控制线622设计波束放置控制620，如图9中所示。在这种情况下，除了基站之外的系统可以形成并将波束指向。

外部流量密度检测器

上述具有频谱效率监视的波束扫描方法以及用于生成流量地图的统计计算方法是用于检测扇区中的流量密度的方法一般类别的例子。支持这种方法的硬件、固件、软件或其任意混合被称为“流量密度检测器”。图8中的基站隐含地包含基于eNodeB的流量密度检测器，以确定波束的正确布置。为了使图9中的系统正确地操作，外部流量密度检测器700必须如图10中所示那样连接。一个外部流量密度检测器的例子是从在UE中运行的软件接收链路质量和数据速率值的独立服务器(不是eNodeB的一部分)。报告的信息可以是瞬时值或一段时间内的平均值。UE就像蜂窝系统的常规客户端一样经由标准信道与服务器通信。

如果波束的放置是在eNodeB和外部流量密度检测器两者的控制下，如图10中所示，则当eNodeB和外部流量密度检测器尝试使波束彼此转向时，必须小心，以避免不稳定的操作循环。对这个潜在问题的解决方案是向eNodeB和外部流量密度检测器指派不同波束的控制。例如，eNodeB可以被编程为在一天的不同时间在具有高流量的若干已知位置中放置几个波束，并且外部流量密度检测器可以在扇区的部分中出现不可预测的高流量密度时用于附加的波束放置。

如果使用外部流量密度检测器，则在控制波束形成和波束转向功能中不再需要涉及eNodeB。图11示出了其中eNodeB仅经由无线电接口总线300连接到BFS无线电库600的系统。在这种情况下，外部流量密度检测器700执行系统中的所有波束控制功能。这种配置在实践中对于改进具有BFS无线电库的图1的常规系统并且引入最佳波束形成和转向功能(以获得高频谱效率)是重要的，无需在eNodeB中的任何改变，而是简单地通过添加外部流量密度检测器。

内部流量密度检测器

图12示出了使用流量密度检测器的可能性，流量密度检测器驻留在BFS无线电库600内，被称为内部流量密度检测器640。这个模块经由内部线路623控制波束放置控制模块620。内部流量密度检测器需要关于无线流量的信息的来源。在BFS无线电库内可用的唯一这种来源是无线电接口总线300。事实上，关于针对这个基站的所有蜂窝流量的完整信息通过无线电接口总线300。信号分离器630是分接这种信息并经由线路641将其发送到内部流量密度检测器640所必需的。分离器630还经由线路631连接到波束形成有源天线系统610。

从无线电接口总线信号提取流量模式是复杂的操作，其可以在eNodeB中执行，如前所述。因此，内部流量密度检测器的一个例子是eNodeB中检测流量模式的最小功能的复制品。但是，更简单的方法是可行的，诸如监视流经无线电接口总线的原始无线电数据的密度。

图13、14和15示出了各种系统配置，其中波束放置控制由内部和外部流量密度检测器的各种组合和eNodeB提供。在先前示出的实施例中的对应部件的描述也适用于这些图。如前所述，适当的控制规划对于避免各种流量密度检测器之间的冲突是必要的。

示例性系统的操作在图16中示出。位于正在为其提供蜂窝通信的地理区域中的多波束相控阵生成指向需求密度集中区域的多个可转向波束。周期性地或者在预定的时间，系统启动用于更新由阵列生成的多个通信波束的位置的过程(步骤800)。首先，系统获得关于那个需求密度的最新信息(步骤802)。这可以通过参考反映指示对应时隙的实测需求密度的历史数据的所存储信息或者通过从外部源或在内部从操作期间基站收集的数据获得在那个时间的需求密度的直接测量来实现。(参见上面更详细描述的不同做法。)

在确定用于那个时间段的需求密度的地理或空间分布后，系统识别最大需求的区域或需求集中的区域(步骤804)，然后它指引各个通信波束为那些区域服务(步骤806)。

在稍后的某个时间，基于在那个稍后时间的需求密度的地理或空间分布的变化，重复这个过程，以将波束指引到其它更适当的区域。

这个过程可以以规律的间隔或在预定的不规律时间执行。如果系统在需求密度持续变化的环境中操作，则以规律的间隔更新系统可能是适当的。另一方面，如果历史数据指示需求密度的显著变化通常发生在一天或一周或一个月的某些时间，则系统可以被编程为在那些特定时间执行更新过程。

其它实施例在所附权利要求书内。例如，如前面所指出的，被用来最大化小区的平均容量的窄波束可以具有被选择为符合在整个移动通信密度的空间分布中发生的聚集的类型或形状的不同形状和/或尺寸和/或极性。

Claims (18)

1.一种用于操作无线通信系统的相控阵天线的方法，该无线通信系统服务于其中来自多个移动通信设备的通信需求作为时间的函数改变的扇区，所述方法包括：

对于多个连续时间段中的每个时间段，

(1)获得指示对于那个时间段作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息；

(2)利用所获得的信息来识别对于那个时间相对于其它方向其总移动通信需求密度高的射束方向；及

(3)利用相控阵天线，电子地生成对于那个时间相对于其它波束方向指向在识别出的其总移动通信需求密度高的方向的通信波束；

其中获得指示作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息包括：

探测波束在覆盖整个扇区的方向范围内进行扫描；以及

确定作为探测波束方向的函数的所述探测波束的频谱效率。

2.如权利要求1所述的方法，其中探测波束是窄波束。

3.如权利要求1所述的方法，其中探测波束被的方向范围在方位角和仰角上都变化。

4.如权利要求1所述的方法，其中通信波束是窄波束。

5.如权利要求1所述的方法，其中通信波束具有基于与总移动通信需求密度的聚集有关的细节而选择的形状。

6.如权利要求1所述的方法，其中所生成的通信波束是发送波束。

7.如权利要求1所述的方法，其中所生成的通信波束是接收波束。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：

利用相控阵天线并且对于多个连续时间中的每个时间，电子地生成多个通信波束，每个通信波束指向对于那个时间相对于其它波束方向其总移动通信需求密度高的多个不同方向，其中首先提到的通信波束在所述多个通信波束之中。

9.如权利要求1所述的方法，还包括：

利用相控阵天线并且对于多个连续时间中的每个时间，电子地生成多个通信波束，每个通信波束指向总移动通信需求密度展现聚集的多个不同方向，其中首先提到的通信波束在所述多个通信波束之中。

10.如权利要求9所述的方法，其中多个通信波束的通信波束形状被选择为匹配集群的形状。

11.一种用于操作无线通信系统的相控阵天线的方法，该无线通信系统服务于其中来自多个移动通信设备的通信需求作为时间的函数改变的区域，所述方法包括：

储存包含指示作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的历史信息的数据库，

其中获得所述历史信息包括：探测波束在覆盖整个扇区的方向范围内进行扫描；以及确定作为探测波束方向的函数的所述探测波束的频谱效率；

其中该历史信息包括作为探测波束方向的函数的所述探测波束的频谱效率或者测得的来自作为探测波束方向的函数的所述探测波束的多个移动通信设备的蜂窝流量的特性；

对于多个连续时间段中的每个时间段，

(1)引用包含在数据库中的指示对于那个时间段作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的历史信息；

(2)利用所引用的历史信息来识别对于那个时间相对于其它方向其总移动通信需求密度高的波束方向；及

(3)利用相控阵天线，电子地生成对于那个时间相对于其它波束方向指向在识别出的其总移动通信需求密度高的方向的通信波束。

12.如权利要求11所述的方法，其中测得的特性是无线电数据的密度。

13.一种用于无线通信系统的操作相控阵天线的方法，该无线通信系统服务于在服务区域上分布的多个移动通信设备，所述方法包括：

探测波束在整个服务区域上进行扫描；

在探测波束在整个服务区域上进行扫描的同时，(1)利用所述探测波束与多个移动通信设备通信；及(2)记录用于作为所述探测波束的方向的函数的所述探测波束的SNIR数据；及

利用所记录的SNIR数据来识别多个移动通信设备中相对于其它区域其通信需求密度高的区域；及

将多个窄通信波束指引到识别出的区域。

14.如权利要求13所述的方法，还包括根据所记录的SNIR数据计算用于所述探测波束的多个方向中每一个的频谱效率，并且其中利用所记录的SNIR数据识别多个移动通信设备中相对于其它区域其通信需求密度高的区域，涉及利用计算出的用于多个方向的频谱效率来识别多个移动通信设备中相对于其它区域其通信需求密度高的区域。

15.如权利要求14所述的方法，其中探测波束是窄波束。

16.如权利要求14所述的方法，其中探测波束进行扫描涉及所述探测波束在方位角和仰角都变化的方向范围上进行扫描。

17.一种用于操作无线通信系统的相控阵天线的方法，该无线通信系统服务于其中来自多个移动通信设备的通信需求作为时间的函数改变的扇区，所述方法包括：

对于多个连续时间段中的每个时间段，

(1)获得指示对于那个时间段作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息；

(2)利用所获得的信息来识别对于那个时间相对于其它方向其总移动通信需求密度高的波束方向；及

(3)利用相控阵天线，电子地生成对于那个时间相对于其它波束方向指向在识别出的其总移动通信需求密度高的方向的通信波束，

其中获得指示作为波束方向的函数的总移动通信需求密度的信息包括:

探测波束在覆盖整个扇区的方向范围内进行扫描；以及

为所述探测波束测量来自作为探测波束方向的函数的多个移动通信设备的蜂窝流量的特性。

18.如权利要求17所述的方法，其中蜂窝流量的特性是无线电数据的密度。

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