蜂窝移动通信中一种垂直方向定向天线及空间分层小区的探讨

【摘要】文章提出一种垂直方向定向天线在蜂窝通信中的应用，对其在密集小区中所起作用进行探讨，将其与现有天线进行比较从而得出其优点。根据实际情况对现有小区进行空间分层并通过对基站天线的馈源波束进行控制，使天线在现有基础上进行垂直方向定向，并结合基站高度这一参数，探讨得出一种新的蜂窝基站分布方式。

【关键词】蜂窝通信　垂直方向定向天线　基站高度　空间分层

1　引言

近年来，移动电话数量剧增，也带来了很多不利的影响，例如在人流密集的区域(如商业步行街)，手机接打电话时经常会发生断线或跳线，而且信号时好时坏。对此，运营商会增加移动基站数量；而一旦增加了移动基站数量，却又有居民投诉电磁辐射过大。投诉和多建基站成为困扰运营商的两大难题，电信运营商的通信保障能力正因基站建设难而下降。

携带移动电话的用户绝大多数都是在地面活动，少数在高层建筑。靠近地面的用户在移动台密集区域使用手机时往往信号不好，通话和分组数据连接都会受影响；但若转移至相同地点的高层建筑中，会发现信号很好且分组数据连接速度很快。这说明在密集小区中，位置高的地方无线信道保障充足；而靠近地面部分，往往会发生极其频繁的信道排队延迟情况，且移动台间干扰大。

如今，随着3G网络覆盖范围变大和4G通信网络的筹备建设，更多的移动基站将架设在人口密集的城市上空，同时城市人口数量和个人拥有移动电话数量都在不断增大。为了克服这些影响，节约资源，提高电信运营商通信保障能力，本文提出一种考虑了基站高度并在垂直方向上进行定向的基站天线，与现有天线系统进行对比并分析其优缺点，在理论上做进一步优化。

2　对垂直方向定向天线的一些假设与定义

在立体空间中，对于现有基站天线，水平360°方向上有全向天线与定向天线之分，定向天线可以做到60°、90°、120°等几种。现在假设：可以对基站天线在立体空间中的垂直180°方向上进行定向分解，主要是定向为两个90°(如图1)。

特点一：对于在垂直方向上被定向的天线馈源，电磁波的指向将主要集中在被定向的区域；理想情况下，上半部分90°定向的天线只会将无线信号辐射至这一空间中，而对其下半部分90°是不考虑的。这类似于水平方向的定向天线。

定义一：将这种上半部分90°方向进行定向的天线称为向上90°天线，下半部分90°方向进行定向的天线称为向下90°天线。

同时，考虑天线基站的地理高度，7(指天线基站上天线到该地的海平面距离)。

定义二：在同一地区中，天线基站地理高度抑较大的称之为上一级，较小的称之为下一级。

例如，天线1比天线2高，天线2比天线3高，即／h1>／h2>h3，则称天线1是天线2的上一级，天线3是天线1、天线2的下一级。

3　垂直方向定向天线在小区中的使用

3.1现有小区移动电话分布情况

在乡村一些移动台较分散的地方，选用大区制的站型并通常配置全向天线；由于用户使用量并不大，这时不仅不会造成通信拥堵，而且天线的发射功率也不需要很大。在城区的小区制中，多数使用各种定向天线，并且人口越密集小区细化分裂程度越大；但实际上在一些人口非常密集且流动量大的地方，仍然会出现通信不顺畅的情况。

为了更好地理解小区中移动台在垂直空间中的分布情况，假设密集小区中的移动台分布状况如图2所不：

现实生活中，绝大多数用户都是在地面或是底层建筑物中，而进入高层建筑物(离地面30～50米，即十层楼以上)的用户并不多，显然在信道分布和利用上就会有很大的差别。

3.2小区在垂直方向上的空间分层

保持现有的蜂窝小区的分区方法以及频率复用方式不变，对城区中人口密集同时小区分裂较小的地区，在其垂直方向上进行分层：

(1)距离地面高度在15米以内的区域称为近地面区；

(2)距离地面高度在15～50米之间的称为中间区：

(3)距离地面高度在50米以上的称为远地面区。

特点二：各个空间分层区的基站天线对该区的移动台有最高的服务优先级，仅当移动台所处分层区繁忙到难以进行服务时才会接受其上一分层区中能进行覆盖且有空闲信道的基站天线的服务；而当所处分层区有空闲信道时便立即切换至该区的基站进行服务。

应该指出，以上所进行的分区是只考虑在同一地面上的外界条件相同的空间区域，理论上各区接受电磁波信号的能力是相同的。这样，离地面越远的区域所拥有的移动台数量越少，而在近地面区所能提供的无线信道数应该是尽可能多的，以保障如此繁杂密集的移动台能准确接收信号。

同时，在各个区中的移动台应该是对于接收该区基站天线发出的电磁波信号有最高的优先级；除此，同样可以接收来自它区的信号。

3.3垂直方向定向天线在分层空间中的应用

(1)远地面区模型类比及基站设置

远地面区即高度在50米以上这一层面的用户少而分散，并且在一个大的区域内移动台都不会有太多的业务量，因此，可以将这一区域的用户类比为乡村大区模型。给定这一区域的基站设置特点：

1)天线使用水平全向、垂直向下90°天线，不用再进行小分区；

2)基站只负责该区域层面上的移动台信号，且功率要求不大；

3)基站要求在远地面区较高建筑物上设置，或是基站尽量高出50米，且在同一区域内最高。

这一基站的设置，基本类似于农村大区制的基站，以使天线辐射的电磁波信号能够绕过一些较高的建筑物而保证一些被较高建筑物遮挡的移动台的信号通畅。

(2)近地面区和中间区基站的设置

近地面区和中间区基站的配置基本思路是：所有高度上的基站天线均采用垂直向下90°天线，水平方向上的具体定向分布将保持不变。其具体方法是：

1)在中间区及近地面区所放置的基站地理高度均小于50米，且所有天线均采用垂直向下90°天线(如图3)；

2)各个基站天线的馈源数将依照该基站等级的高低进行分配，等级越低馈源数量越大，即所提供的信道数越多。

现实生活中，大多数基站均是处于中间区和近地面区，且它们主要对近地面区的用户提供信道服务。因此，这一部分的很多基站在实施时不必做太大的增减，仅需对天线进行更换或是重新分配，而且在水平方向上的要求(全向或是定向)与以前基本一致。按照现在的基站分布原则，基本是各小区基站处于该小区中的地理位置最高点以保证能覆盖最多的用户；在新的分层小区中，大部分基站保持现有的地理位置不变，由于各基站在地理高度上本来就不一致，因此更有利于按高度分层设计。

4　新的空间分层小区的参数分析

4.1各部分工作情况

(1)基站工作任务分布

上文已经提到远地面区类似于农村的大区制，基站 采用垂直向下90°的方向性天线，除了保证远地面区用户正常通信外，还能在有足够信道的情况下服务于近地面或中间区的繁忙小区。

处于近地面区和中间区的所有基站在功能上是一样的，但由于所处级别不一样，其具体分工也有所不同。此部分均采用垂直向下90°的方向性天线，级别最低的基站上所能支持的信道最多，且近地面区的基站只负责这一区的移动台。

位于中间区的基站级别越高所应支持信道数越少，除了服务于中间区的移动台外，还可以在信道空闲时服务于近地面区一些过于密集的区域的移动台。由于该区地理位置越高移动台数量越少，可根据实际需求在高级别的基站上装水平方向的全向天线。

(2)移动台接受信号情况

在密集区域的近地面区，移动台数量较多，主要是由该区域的基站按优先级由低到高进行服务。若是移动台数量超过该区基站所供信道数量，移动台将会接受到中间区的基站中有空闲信道的信号，从而不会出现移动电话没信号、通话掉线等情况。

位于中层建筑的移动台处在中间区时，有最高优先级接收到该区基站的信号，并且只能接收到地理位置比自己高的基站的信号。该区的移动台所接收到的信号服务会非常好，因为这一区的基站所能提供的信道是有富余的；即便是达到饱和时，亦可以按优先级切换接收来自远地面区的基站信号。

位于远地面区的移动台只接收该区基站的信号，且通信质量会很好。

4.2信道分配和位置切换

分层小区中的各个基站信道分配问题很复杂，除了要考虑到实地的用户密集度外，将主要依据基站所处小区层次、基站级别及优先级等参数进行分配。具体方案如下：

(1)按照空间各分层区所对应的用户统计数量百分比进行信道分配，其中中间区和远地面区各留有一定的富余量，位于近地面区的基站分配最多的信道，以保证该区密集的用户群体有较好的信号服务质量；

(2)对于位于同一分层区的基站，级别越低分配的信道越多。

信道分配的原则是保证各区内移动台有好的信号服务，同时又不造成信道浪费，以达到充分利用有限信道的目的。

当移动台从一个分层区移动到另一个分层区时，便会涉及到基站服务信号的切换。不难看出，在空间分层小区中，由远区向近区移动时，信号由远区的基站覆盖变为远区和近区基站同时覆盖，此时可当作是移动台接收到优先级更高的基站服务而自动切换近区基站的信号；由近区向远区移动时，由于在远区没有近区的覆盖信号，更容易切换。这样，空间分层区中移动台的位置切换问题便得到很好的解决。

4.3基站间干扰

在空间分层小区中，频率复用使用现有方法。

依据干扰情形，基站干扰可以分为基站对基站的干扰和基站对移动台以及移动台对基站的干扰，这里只讨论基站对基站的干扰。

考虑如图4所示的各基站地理高度h/7和移动台所处地理高度，70(单位均为米)。此时移动台处于该小区垂直位置的中间区，其中h0

根据新的空间分层小区的特点，所有近地面区和中间区基站采用垂直向下90。上天线进行辐射信号，于是只有处在低级别的基站会被高级别基站的信号所覆盖，而低级别基站的信号对高级别基站是毫无影响的。这将极大地改进目前所面临的基站间强烈的同频干扰问题。如图4中h7会对／71～h6均产生干扰，而，71是不会对其它基站产生干扰的。

同样考虑到各基站上馈源数不同，最低级别的基站应对用户最多，拥有最多馈源数，级别越高数量越少。于是对低级别基站产生干扰的那些高级别基站上的辐射总功率并不是很高，因为辐射总功率最高的基站应该是最低级别的基站，而它是不会对同信道相邻基站产生干扰的。如图4中，h1级别最低、辐射功率最大，但却不会对其它任何站产生同频干扰；而尽管h7会对其它各个基站产生同频干扰，但它的辐射功率却是最小的。

可见，这种基站间的干扰只是单向的，而并不是相互的。

5　新的空间分层小区的优缺点

5.1优点

(1)资源节约

在空间分层小区中，大多规则是依照现有蜂窝小区中的建站原则，如基站位置、水平方向上天线的定向、频率复用等。但各级别上基站天线的辐射功率将会有很大调整，不仅可以使信道合理分配应用，还可以减少一些地方的基站数量，节约资源。

(2)移动台信号及服务质量变好

在这种分层小区中，移动台所处地理位置越高，其接收信号越好；而即使在最密集的近地面区，处在高级别上的基站也能处理一些拥堵情况，改善目前容易出现的话务量负载过大和呼叫阻塞过多的状况。而且信道分配是根据实际地理空间上移动台数量分布情况进行规划的，这使得近地面区的移动台在密集环境中也不会频发掉线、无信号等情况。

(3)馈源分配得到调整，各种干扰改善极大

根据基站级别高低，各基站的馈源数量不同，处在最低级上的基站拥有最多的馈源数，且它对其它邻频、同频基站干扰都会很小，基站闻干扰只是单向的，这给通信质量带来很大提高。

同时由于基站的功率在分布上有一定规律，其辐射的电磁波对环境的影响也会相应得到改善。

5.2缺点

首先，基站天线在水平方向和垂直方向上同时进行定向是有一定难度的，并且目前小区基站覆盖已基本稳定，再做调整会耗费很大物力财力。

其次，这种分层小区基于城区移动电话数量较多的区域，在大区制农村其实用性不大。

此外，空间分层在各个地域环境不同的地方是有很大区别的，这需要进一步用实验数据进行论证。

6　结束语

在当今信息发展迅猛的时代，移动通信由2G转向3G，而4G技术也正在筹备应用，于是各种制式各种频率的移动电话信号交织在我们周围，仅靠之前的蜂窝小区分区法难以满足这些需求。要保证通信质量，又要让新型的技术迅速推广应用，这便需要有一些新的方法来解决这些矛盾。

本文提出了几个新概念，对目前的蜂窝小区进行空间分层，并与各种数据进行类比，得出了几点结论。相比目前的小区使用的分布无规律的基站，分层小区中的基站分级别以及使用垂直方向定向天线将会使移动通信质量得到很好的保障，并且有利于蜂窝移动通信网络向更加标准化、智能化方向发展。