天线波束形状优化.pdf

本发明涉及调节通信系统(1)中的定向天线(120)的天线波束(20)的形状。根据本发明，天线波束(20)被分为至少切换波束扇区(24)和主波束扇区(22)。至少两个波束扇区(22；24)的形状则根据不同要求和目的来调节。切换波束扇区(24)的形状根据通信系统(1)的切换参数设定、例如通过根据参数设定调节这个切换波束扇区(24)的角间隔来调节。可选地，主波束扇区(22)的形状通过使这个波束扇区(22)中的定向天线(120)的天线增益为最大来调节。

1.  一种优化通信系统(1)中的第一定向天线(120)的天线波束形状(20)的方法，所述方法包括以下步骤：
-定义所述定向天线(120)的天线波束(20)的切换波束扇区(24)；以及
-根据所述通信系统(1)的切换参数设定来优化所述切换波束扇区(24)的形状。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定义步骤包括把所述定向天线(120)的天线波束(20)分为至少所述切换波束扇区(24)和主波束扇区(22)。

3.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一定向天线(120)设置在所述通信系统(1)中的基站(100)中，以及所述切换参数设定与所述基站(100)关联。

4.  如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述优化步骤包括提供超过根据所述切换参数设定来确定的第一角门限(T_ang1)的所述切换波束扇区(24)的角间隔。

5.  如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述优化步骤包括提供超过根据所述切换参数设定所确定的最小增益门限(T_min)的所述切换波束扇区(24)的所述定向天线(120)的天线增益。

6.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，基站(100)包括第二定向天线(140)，以及所述第一定向天线(120)的所述天线波束(20)部分交迭所述第二天线(140)的天线波束(40)。

7.  如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述定义步骤包括把所述切换波束扇区(24)定义为其中与所述第一定向天线(120)关联的所接收信号电平和与所述第二定向天线(140)关联的所接收信号电平中的差异小于根据所述切换参数设定所确定的第一门限值(T₁)的所述天线波束(20)的一部分。

8.  如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述定义步骤包括把所述切换波束扇区(24)定义为其中所述第一定向天线(120)的所接收信号电平超过根据所述切换参数设定所确定的第二门限值(T₂)的所述天线波束(20)的一部分。

9.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括通过使所述主波束扇区(22)中的所述第一定向天线(120)的天线增益为最大来优化所述主波束扇区(22)的形状的步骤。

10.  如权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，所述定义步骤包括把所述天线波束(20)分为所述切换波束扇区(24)、主波束扇区(22)和干扰波束扇区(26)。

11.  如权利要求1至10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述定义步骤包括把所述天线波束(20)分为所述切换波束扇区(24)、主波束扇区(22)、干扰波束扇区(26)和切换检测波束扇区(28)。

12.  如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，还包括通过使所述干扰波束扇区(26)的角间隔为最小来优化所述干扰波束扇区(26)的形状的步骤。

13.  如权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：把所述干扰波束扇区(26)定义为所述切换波束扇区(24)外部的、并且其中所述定向天线和第二相邻定向天线(140)的所接收信号电平超过干扰冲击门限(T_I)的所述天线波束(20)的一部分，所述第二定向天线(140)设置在与所述第一定向天线(120)相同的基站(100)中。

14.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过提供超过根据所述切换参数设定所确定的第二角门限(T_ang2)的所述检测波束扇区(28)的角间隔来优化所述检测波束扇区(28)的形状的步骤。

15.  如权利要求11或14所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：把所述检测波束扇区(28)定义为所述切换波束扇区(24)外部的、并且其中与所述第一定向天线(120)关联的所接收信号电平超过根据所述切换参数设定所确定的第三门限值(T₃)的所述天线波束(20)的一部分。

16.  如权利要求1至15中的任一项所述的方法，其特征在于，所述优化步骤包括根据所述切换参数设定来机械地调节所述第一定向天线(120)的机械结构。

17.  如权利要求1至16中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一定向天线(120)是包括多个天线单元的天线阵，以及所述优化步骤包括以下步骤中的至少一个：
-根据所述切换参数设定来调节所述天线单元的幅度激励；以及
-根据所述切换参数设定来调节所述天线单元的相位激励。

18.  一种用于优化通信系统(1)中的定向天线(120)的天线波束形状(20)的系统(200)，所述系统(200)包括：
-用于定义所述定向天线(120)的天线波束(20)的切换波束扇区(24)的部件(220)；以及
-用于根据所述通信系统(1)的切换参数设定来优化所述切换波束扇区(24)的形状的部件(230)。

19.  如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述定义部件(220)配置用于把所述定向天线(120)的天线波束(20)分为至少所述切换波束扇区(24)和主波束扇区(22)。

20.  如权利要求18或19所述的系统，其特征在于，所述定向天线(120)设置在所述通信系统(1)中的基站(100)中，以及所述切换参数设定与所述基站(100)关联。

21.  如权利要求18至20中的任一项所述的系统，其特征在于，所述优化部件(230)包括用于提供超过根据所述切换参数设定所确定的第一角门限(T_ang1)的所述切换波束扇区(24)的角间隔的部件(232)。

22.  如权利要求18至21中的任一项所述的系统，其特征在于，所述优化部件(230)包括用于提供超过根据所述切换参数设定所确定的最小增益门限(T_min)的所述切换波束扇区(24)中的所述定向天线(120)的天线增益的部件(232)。

23.  如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述基站(100)包括相邻定向天线(140)，以及所述定向天线(120)的所述天线波束(20)部分交迭所述相邻天线(140)的天线波束(40)。

24.  如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述定义部件(220)包括用于把所述切换波束扇区(24)定义为其中与所述定向天线(120)关联的所接收信号电平和与所述相邻定向天线(140)关联的所接收信号电平中的差异小于根据所述切换参数设定所确定的第一门限值(T₁)的所述天线波束(20)的一部分的部件(222)。

25.  如权利要求23或24所述的系统，其特征在于，所述定义部件(222)配置用于把所述切换波束扇区(24)定义为其中与所述第一定向天线(120)关联的所接收信号电平超过根据所述切换参数设定所确定的第二门限值(T₂)的所述天线波束(20)的一部分。

26.  如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括用于通过使所述主波束扇区(22)中的所述定向天线(120)的天线增益为最大来优化所述主波束扇区(22)的形状的部件(234)。

27.  如权利要求18至26中的任一项所述的系统，其特征在于，所述定义部件(220)配置用于把所述天线波束(20)分为所述切换波束扇区(22)、主波束扇区(22)和干扰波束扇区(26)。

28.  如权利要求18至27中的任一项所述的系统，其特征在于，所述定义部件(220)配置用于把所述波束形状(20)分为所述切换波束扇区(22)、主波束扇区(22)、干扰波束扇区(26)和切换检测波束扇区(28)。

29.  如权利要求27或28所述的系统，其特征在于，还包括用于通过使所述干扰波束扇区(26)的角间隔为最小来优化所述干扰波束扇区(26)的形状的部件(236)。

30.  如权利要求27至39中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括用于把所述干扰波束扇区(26)定义为所述切换波束扇区(24)外部的、并且其中所述定向天线(120)和相邻定向天线(140)的所接收信号电平超过干扰冲击门限(T_I)的所述天线波束(20)的一部分的部件(226)，所述相邻定向天线(140)设置在与所述定向天线(120)相同的基站(100)中。

31.  如权利要求28所述的系统，其特征在于，还包括用于通过提供超过根据所述切换参数设定所确定的第二角门限(T_ang2)的所述检测波束扇区(28)的角间隔来优化所述检测波束扇区(28)的形状的部件(238)。

32.  如权利要求28或31所述的系统，其特征在于，还包括用于把所述检测波束扇区(28)定义为所述切换波束扇区(24)外部的、并且其中所述定向天线(120)的所接收信号电平超过根据所述切换参数设定所确定的第三门限值(T₃)的所述天线波束(20)的一部分的部件(228)。

33.  如权利要求18至32中的任一项所述的系统，其特征在于，所述优化部件(230)配置用于根据所述切换参数设定来机械地调节所述定向天线(120)的机械结构。

34.  如权利要求18至33中的任一项所述的系统，其特征在于，所述定向天线(120)是包括多个天线单元的天线阵，以及所述优化部件(230)配置用于执行以下步骤中的至少一个：
-根据所述切换参数设定来调节所述天线单元的幅度激励；以及
-根据所述切换参数设定来调节所述天线单元的相位激励。

35.  一种具有天线波束(20)的定向天线(120)，其中，所述天线波束(20)的子扇区被定义为切换波束扇区(24)，以及所述切换波束扇区(24)的形状根据所述定向天线(120)可设置在其中的通信系统(1)的切换参数设定来优化。

天线波束形状优化
技术领域
一般来说，本发明涉及无线电通信系统中的定向天线单元，以及具体来说，涉及优化这类系统中的定向天线单元的天线波束形状。
背景技术
按照传统方式，在无线电通信系统中，具有关联天线单元的多个基站或无线电基站设置用于提供系统的相关无线电覆盖。这样一种天线单元则负责实现对位于其关联无线电覆盖区内的移动单元的通信服务。在本领域中，所谓的全向天线单元可设置在基站中，用于在基站周围提供一般无线电覆盖。但是，覆盖具有不同主点方向的不同扇形区域的定向或扇区天线单元往往与基站结合使用。因此，在这样一种情况中，多个定向天线可设置在给定基站中，在其中，各个这种定向天线在与基站关联的总无线电覆盖区域的扇区或小区内提供无线电覆盖。
目前，定向天线的波束扇区形状通常由两个天线参数表征：天线的增益和天线的波束扇区的3dB波束宽度。这些参数的任一个对于给定天线配置是固定的，或者天线的包含元件可被调节以控制天线增益和/或波束宽度。
为了在通信会话期间实现不同小区之间的移动单元的无缝移动，相邻小区的无线电覆盖区通常至少部分交迭。这种交迭覆盖区在本领域表示为切换区域或区。在切换区域中，切换过程一般对于移动单元可被触发和执行，它可使得到目标小区(更正确来说是与该小区关联的天线单元)的新的无线电通信链路被建立，然后再放弃到源小区的旧的无线电链路。
但是，根据先有技术的基站的定向天线单元的切换区域在实现切换过程的完成以及使任何干扰和通信开销为最小的方面不是最佳的。先有技术配置在改变两个相邻定向天线单元的天线波束形状、因而影响切换区域方面的可能的唯一选择是调节天线增益和/或波束宽度。但是，执行这类天线调节通常将导致过小的交迭区(通过减小波束宽度以及可能增加增益)或者过大的交迭区(通过增加波束宽度，可能损失天线增益)。在前一种情况中，由于这种过小的切换区域，移动单元的切换过程在无线电条件恶化时还未完成，从而导致丢失正在进行的通信会话。在后一种情况中，相邻天线单元的信号能量将在大区域上交迭，从而导致干扰问题以及信号能量的不良利用。
发明内容
本发明克服了先有技术配置的这些及其它缺陷。
本发明的一般目的是提供无线电通信系统中的定向天线的天线波束形状的调节和优化。
本发明的另一个目的是提供定向天线的天线波束形状的天线波束扇区的差异形状调节。
本发明的又一个目的是提供使切换开销为最小的天线波束形状。
如所附专利权利要求所定义的本发明满足这些及其它目的。
简言之，本发明包括调节和优化通信系统中的定向天线的天线波束的形状。根据本发明，定向天线的总天线波束分为多个波束扇区。采用不同优化目标和要求对这些波束扇区执行差异形状优化。
在本发明的第一实施例中，至少定义了天线波束的切换波束扇区和主波束扇区。切换波束扇区的形状则根据无线电通信系统中切换参数设定来优化。换言之，这种切换波束扇区形状根据用于执行系统中的切换过程、优选地为站点内或软切换过程的至少一个切换参数的值来调节。这种基于参数的形状优化可通过提供比第一角门限更大的这个切换波束扇区的角间隔来实现。这个角门限的值根据系统中切换参数设定来确定。因此，这个切换波束扇区的角大小将适应(站点内)切换要求，以及门限值选择成允许穿越切换波束扇区的移动单元的切换过程的触发和完成。作为替代或补充，这个切换波束扇区中所提供天线增益超过最小增益门限，它的值根据切换参数设定来确定。主波束扇区可选地可通过使这个波束扇区中的天线增益为最大来优化。
切换波束扇区可定义为定向天线的天线波束的一部分，在其中，与定向天线关联以及与无线电覆盖与波束扇区中的天线的无线电覆盖部分交迭的相邻定向天线关联的所接收信号电平的差异小于第一门限。此外，这个切换波束扇区内的所接收信号电平优选地还超过第二门限。第一和第二门限的值则优选地根据切换参数设定来确定。相关的所接收信号电平可由定向天线(或相邻天线)根据对于移动单元所传送的数据的测量来确定。或者，移动单元根据由定向天线(或相邻天线)所传送的数据的测量来确定信号电平。在这种情况中，移动单元向相应的定向天线传送信号电平的通知。
在其它实施例中，定向天线的天线波束分为两个以上不同的波束扇区。例如，切换和主波束扇区可采用高站点内干扰波束扇区和/或检测及切换预备波束扇区进行补充。在这种情况中，切换和主波束扇区的形状可按照以上所述方式进行优化。干扰波束扇区通过使其角间隔为最小来优化。相应地，检测波束扇区的形状通过提供它的大于第二角间隔的角间隔来调节。因此，检测波束扇区的角大小调节成对于移入切换波束扇区的移动单元的受控检测和切换预备足够大。
在一个优选实施例中，检测波束扇区被定义为切换波束扇区外部的、并且其中天线的所接收信号电平超过第三门限的定向天线的天线波束的部分。此外，干扰波束扇区则可定义为位于这个检测波束扇区的外部，并且其中所接收信号电平超过干扰冲击电平。天线波束的其余部分则为主波束扇区。
本发明提供以下优点：
-允许基于切换参数设定的定向天线的天线波束的形状的优化，并增强通信系统中的切换操作；
-使所需通信开销为最小；
-使系统中所需切换的数量为最小，进一步产生最小化RNC负荷；以及
-增加通信系统的稳定性。
通过阅读以下对本发明的实施例的描述，将会理解本发明提供的其它优点。
附图说明
通过参照以下结合附图进行的描述，可以透彻地理解本发明以及其它目的和优点，附图包括：
图1是可应用本发明的理论的通信系统的一部分的示意概况；
图2是流程图，说明根据本发明的优化天线波束形状的方法的一个实施例；
图3是流程图，说明根据本发明的优化天线波束形状的方法的另一个实施例；
图4是流程图，说明图3的优化方法的附加步骤；
图5是天线图，说明根据图3的优化方法进行调节的两个相邻天线波束的一个实例；
图6是天线图，说明根据图3的优化方法进行调节的两个相邻天线波束的另一个实例；
图7是流程图，说明根据本发明的优化天线波束形状的方法的另一个实施例；
图8是流程图，说明图7的优化方法的附加步骤；
图9是天线图，说明根据图7的优化方法进行调节的两个相邻天线波束的一个实例；
图10是流程图，说明根据本发明的优化天线波束形状的方法的又一个实施例；
图11是流程图，说明图10的优化方法的附加步骤；
图12是天线图，说明根据图10的优化方法进行调节的两个相邻天线波束的一个实例；
图13是图12所示的天线图的一部分的放大；
图14是示意框图，说明根据本发明的天线波束调节单元；
图15是示意框图，更详细地说明图14的波束形状定义单元；以及
图16是示意框图，更详细地说明图14的天线波束优化单元。
具体实施方式
在所有附图中，相同的参考标号将用于相应或相似的元件。
本发明涉及无线电通信系统中的定向天线，以及具体来说，涉及优化和调节这类定向天线的天线波束形状。
图1是可应用本发明的理论的无线电通信系统1的一部分的示意概况。在图1中仅表示本发明直接包含的配置和单元，以便简化说明。本发明通常可适用于不同类型的通信系统1，其中包括：GSM(全球移动通信系统)系统；不同的CDMA系统，例如WCDMA(宽带CDMA)系统、时分多址(TDMA)系统、频分多址(FMDA)系统；或者利用无论什么多址方法的其它任何无线电通信系统，例如正交频分多址(OFDMA)系统。
无线电通信系统1包括多个无线电基站(RBS)或基站收发信机100，在图中仅说明两个。RBS 100实现通信服务在其所提供无线电覆盖区10中利用。图中，RBS 100采用多个关联的定向天线单元120、140、160来说明，它们在基站100所在的站点的总无线电覆盖区10的不同扇区或小区12、14、16中提供无线电覆盖。RBS 100可包括具有不同主方向的三个定向天线单元120、140、160，如图所示。但是，本发明还可适用于包括多个、即至少两个定向天线、例如2、3、4、6、9或12个定向天线的另一个基站配置。
定向天线120、140、160可能配置用于在围绕RBS 100的一般区域、例如圆形、六边形或星形区域内共同提供总无线电覆盖10。但是，设置在RBS 100中的定向天线120、140、160的总覆盖区域10仅组成一般区域的一部分或扇区也是可行的。例如，如果定向天线160被省略，则没有无线电覆盖由表示为6的区域内的RBS 100提供。当网络运营商没有兴趣在可能例如包括高山或其它物体的某些区域中提供无线电覆盖以及因而提供通信服务、从而使该区域为移动单元400的用户不可达时，情况可能是这样。通过任一种方式，与RBS100或站点关联的相邻小区12、14优选地部分交迭15，以便实现具有正在进行的通信会话的移动单元400的无缝移动。
为了简化对本发明的理解，下面简短论述通过WCDMA无线电通信系统1举例的站点内或软切换过程。例如，移动单元400当前位于源小区12，并且具有到与这个小区12关联的定向天线120的通信链路。移动单元400则开始向由相同站点的相邻定向天线140所管理的目标小区14移动。移动单元400还间断地或定期地执行所谓的有效集中的通信信道的信号质量测量。这个有效集包括移动单元400当前连接到的那些小区12。移动单元400优选地还测量所谓的候选集中的通信信道的信号质量。这个候选集包括有效集中的小区12的相邻小区14、16。这些信号质量测量结果则上报给连接到基站100并管理基站100的中央单元，在图中由无线电网络控制器(RNC)300表示。RNC 300则根据所接收的测量数据来核实是否应当对于移动单元400来触发和执行切换过程。
当移动单元400从源小区12向目标小区14移动时，来自源定向天线120的通信信道(L12)的信号质量将恶化，而来自目标定向天线140的信道(L14)的相应质量将改进。最后，移动单元400将进入两个相邻小区12、14的无线电覆盖交迭并且L14信道的信号质量将高于L12信道的质量减去第一切换参数或门限的切换区域15。这时，切换过程被触发，它将使得建立源定向天线140与移动单元400之间的通信链路以及把目标小区14加入有效集。在移动单元400的连续移动期间，L14信道的质量将超过L12信道的相应质量，使得目标小区14这时是最佳在服务小区。最后，L12信道的质量将下降到低于L14信道的质量减去第二切换参数。然后，另一个切换过程被触发，使得从有效集中删除源小区12并丢弃到那个小区12的通信链路(L12)。
对于无线电通信系统，除了两个上述事件、即无线电链路添加和无线电链路删除之外，通常还有几个不同的切换相关触发事件或条件。此外，这类事件可能是，一个小区离开以及一个小区进入报告范围(有效集中的小区的替换)，以及最佳在服务小区的改变、即新小区这时采用最高信号质量来测量。一般来说，每个这种切换事件关联与用于确定应当触发事件的时间的信号质量数据共同使用的切换参数。这些不同的切换参数组成无线电通信系统1的切换参数设定。相同的参数设定用于系统1中的所有RBS 100也可能是可行的。或者，不同的切换参数设定可由不同的RBS 100和/或不同的定向天线120、140、160使用。这些参数的值通常由网络运营商确定，并且可由RNC 300传递给RBS 100和定向天线120、140、160。切换事件和条件的更详细论述见于3GPP文献[1]。
图2是流程图，说明根据本发明优化定向天线的天线波束形状的方法的一个实施例。
该方法在步骤S1开始，在其中，定义定向天线的总天线波束的第一或切换相关波束扇区。这个切换波束扇区构成位于切换区或者其中一部分的波束扇区的部分。先回到图1，定向天线120的切换波束扇区构成位于(加阴影线)切换区域15或者其中一部分中的天线波束12的部分。在下一个步骤S2，这个切换波束扇区的波束形状根据通信系统的切换参数设定来调节或优化。如果不同的参数值用于系统中的不同RBS和/或定向天线，则切换波束形状的优化优选地根据其关联基站和/或定向天线的具体切换参数设定来执行。然后，该方法结束。
因此，根据本发明，定向天线的无线电覆盖区域或天线波束分为多个、即至少两个波束子扇区。这些子扇区的形状则根据不同要求以不同方式来调节。这应当与其中只可调节任何可能的定向天线的总增益和/或波束宽度的先有技术解决方案进行比较。但是，在本发明中认识到，定向天线的天线波束的不同部分通常具有形状、增益等形式的不同要求。通过然后执行定向天线的总天线波束中的子扇区的差异优化，不同子扇区的要求可在形状优化中得以考虑。例如，相对于切换参数设定、例如根据用于定向天线的一个或多个切换参数的当前值来优化切换波束扇区。这允许基于当前切换参数设定的切换区域或者至少其中一部分中的无线电覆盖的优化。
子扇区定义和子扇区形状的优化提供若干优点，包括两个小区之间的站点内切换区域的大小的调节。这种大小调节则将产生足够大到允许在旧的通信链路的链路质量恶化到使得这个链路在建立新通信链路之前丢失或丢弃之前正移动的移动单元的切换过程的完成的切换区域。但是，该区域不会过大，使得对于移动单元同时且不必要地存在多个链路，从而导致(有限)通信资源的不良利用。切换波束扇区的优化以及因而切换区还将使所需通信开销为最小，即，使系统中的所需切换的数量为最小，从而进一步产生最小化RNC负荷。合起来看，这可产生增加的系统容量，但仍然满足区域覆盖和移动性要求。
本发明预计，实际上，由于所涉及设备及单元的限制，优化不可能达到理想的100％最佳状态或结果(次优化)。因此，根据本发明的优化在这样的设备限制条件下执行，但是与先有技术的定向天线的总天线波束形状的单个整体调节相比，仍然提供较大的有利效果。
图3是根据本发明优化定向天线的天线波束形状的方法的另一个实施例的流程图。该方法在步骤S10开始，在其中，定向天线的天线波束分为至少切换波束扇区和第二或主波束扇区。这两个波束扇区的形状则用不同的标准来优化。在步骤S11，切换波束扇区的形状根据本发明的第一实施例、通过提供大于第一角门限的这个切换波束扇区的角间隔来调节。这个角门限的值根据系统中的切换参数设定来确定。因此，这个切换波束扇区的角大小将适应(站点内)切换要求，以及门限值选择成允许穿越切换波束扇区的移动单元的切换过程的触发和完成。在下一个步骤S12，切换波束扇区的形状根据第二实施例、通过提供这个切换波束扇区中的定向天线的最小天线增益来优化。因此，波束扇区中的天线增益应当超过最小门限，它的值根据系统中的切换参数设定来确定。步骤S11和S12中分别说明的本发明的第一和第二实施例优选地经过结合，使得切换波束扇区的角间隔超过角门限，以及这个扇区中的天线增益超过最小门限。在最后的步骤S13，主波束扇区的形状被优化或调节。这种优化通过使这个主波束扇区中的定向天线的天线增益为最大来执行。然后，该方法结束。
图4是流程图，说明用于定义天线波束的切换波束扇区的图3的方法的附加步骤。该方法从图3中的步骤S10继续进行。如以上结合图1所述，第一定向天线的天线波束通常与第二相邻定向天线的相应天线波束部分交迭。然后在下一个步骤S20，切换波束扇区被定义为其中定向天线与它在切换波束扇区中的相邻天线的所接收信号电平的差异小于第一门限T₁的天线波束的那个部分。
相关信号电平在第一实施例中是由定向天线所测量的信号强度电平。这个信号电平根据移动单元所发送以及天线所接收的数据来测量和确定。在第二实施例中，所接收信号电平由移动单元来确定，并上报给定向天线。因此，在这个实施例中，正是定向天线发送由移动单元接收及测量的数据。在任一种情况中，如本领域已知的那样，对于与信号源、如定向天线或移动单元的较大无线电距离，所接收信号电平一般下降。因此，对于定向天线，对于从天线到小区边缘的边界的较大无线电距离、具体来说对于朝小区边界的角移动，所接收信号电平下降。这个无线电距离反映离开信号源的功率损耗。注意，具有与源相同无线电距离的两个点不一定必需具有到那个信号源的相同地理距离。高山、建筑物及类似物体可能部分阻挡或者减小由接收单元所接收的信号，从而导致某些方向上的更大传播损耗。
在下一个可选步骤S21，定向天线以及优选地还有相邻定向天线的所接收信号电平(由天线本身测量或者由移动单元测量并从其中接收)应当超过第二门限T₂。不满足这两个条件的天线波束的部分则被定义为主波束扇区。然后，该方法继续进行到图3的步骤S11。
第一门限T₁和第二门限T₂的值优选地根据用于系统中的切换参数设定来确定。单个或多个切换参数可用于确定T₁和T₂的值。此外，相同的切换参数或不同的参数可用于产生两个门限T₁和T₂。
图5是天线图，说明设置在RBS中的两个相邻定向天线的天线波束或无线电覆盖20、40。这些天线的天线波束20、40已经根据以上结合图3所述的本发明的实施例进行了优化。因此，定向天线的天线波束20(实际上)分为至少切换波束扇区24和主波束扇区22。如果在其中设置了定向天线的基站提供一般区域中的无线电覆盖，则对应天线波束将设置在图中的波束20的左侧。在这种情况中，天线波束20将包括第一切换波束扇区24、主波束扇区22和第二切换波束扇区(未示出)。但是，基站仅在周围区域的一部分之内提供无线电覆盖、使得天线波束20及其定向天线仅分别具有同一基站的单一相邻波束40和定向天线，可能是可行的，如图中所示。在这种情况中，除了切换波束扇区24之外，主波束扇区22可构成波束扇区20的其余部分。
如图中所示，在切换波束扇区24中，两个相邻定向天线的所接收信号电平的差异小于第一门限T₁。此外，定向天线以及优选地还有相邻定向天线的所接收信号电平在这个切换波束扇区24中高于第二门限T₂。
为了使无线电通信系统的性能为最大以及使开销通信为最小，天线波束扇区形状或模式和切换参数设定以及因而门限T₁、T₂应当经过优化，使得切换波束扇区24的角间隔大于第一角门限T_ang1。这将产生对于正移动的移动单元的受控切换充分大的切换波束扇区大小。另外，定向天线的天线增益在切换波束扇区24中超过最小增益门限T_min。门限T₁的值尽可能小，而波束扇区24中的所接收信号电平在门限T₂之上尽可能高。此外，主波束扇区22中的天线增益优选地被最大化。
从图5的天线图清楚地看到，在本发明的这个实施例中，定向天线的天线波束20的不同子扇区22、24的所得优化将产生与先有技术天线的一般平滑“余弦形状”或“泪珠形状”不同的整体波束形状。相反，根据本发明，切换波束扇区24中的无线电覆盖通常大于产生这个波束扇区24中的天线波束20的“膝形”外观的先有技术解决方案。因此，与先有技术解决方案相比，定向天线的“可用”天线能量或增益的一部分一般从主扇区22重新分配给切换波束扇区24。
图6是根据本发明优化的两个定向天线波束20、40的另一个天线图的说明。在这个实施例中，天线波束20、40具有不对称形状，其中在切换波束扇区24中或者在其附近具有最大增益(无线电覆盖)。当沿着天线波束20从切换波束扇区24和最大增益进入主波束扇区22时，所接收信号能量(最大无线电距离)将逐渐下降。但是，进入切换波束扇区24或者波束扇区的另一端(它可能是第二切换波束扇区或者构成主波束扇区的一部分)，最大可允许无线电距离将按照已传播距离迅速下降，以便减小对相邻小区的干扰，以及不让定向天线的信号能量传播到相邻小区中。
与图5相似，切换波束扇区24中的所接收信号电平超过第二门限T₂，以及这个切换波束扇区24中的两个相邻定向天线的所接收信号电平的差异小于第一门限T₁。相应的门限T₁和T₂的值根据系统的切换参数的设定来确定，如上所述。
图7是根据本发明优化定向天线的天线波束形状的方法的又一个实施例的流程图。在第一步骤S30，定向天线的天线波束分为至少切换、主和干扰(第三)波束扇区。这至少三个波束扇区的波束形状则根据不同要求来优化。在后续步骤S31和S32，切换波束扇区被调节和优化。这些步骤S31和S32对应于图3的步骤S11和S12，并且不作进一步论述。在下一个步骤S33，高站点内干扰波束扇区的形状通过使这个波束扇区的角间隔为最小来进行优化。换言之，相邻定向天线的所接收信号能量应当按照这个干扰波束扇区内的已传播距离迅速下降，以便减小两个定向天线之间的干扰情况。在一个备选实施例中，在这个步骤S33，干扰波束扇区的角间隔应当调节成小于角干扰门限。在最后的步骤S34，主波束扇区的形状通过使这个波束扇区中的天线增益为最大来优化，与图3的步骤S13相似。然后，该方法结束。
图8是流程图，说明图7的优化方法的附加步骤。这些步骤定义天线波束的不同波束扇区。该方法从图7的步骤S30继续进行。在后两个步骤S40和S41，定义天线波束的切换波束扇区部分。这些步骤对应于图4的步骤S20和S21，并且不作进一步论述。在步骤S42，定义高站点内干扰波束扇区。干扰波束扇区被定义为切换波束扇区外部的、并且其中天线以及优选地相邻定向天线的所接收信号电平(由定向天线对从移动单元接收的数据测量的，或者由移动单元对从天线接收的数据测量并上报给天线的)超过干扰冲击电平或门限T₁的定向天线的天线波束的部分。这个门限T₁的值经过选择，使得干扰波束扇区的角间隔尽可能小，其中干扰冲击电平对无线电通信系统中的干扰电平提供小份额。切换和干扰波束扇区外部的天线波束的部分则被定义为主波束扇区。然后，该方法继续进行到图7的步骤S31。
图9是根据以上结合图7所述的方法进行优化的相邻定向天线的天线波束的天线图的说明。因此，在这个实施例中，第一天线波束20与第二天线波束40之间的所接收信号电平的差异在切换波束扇区24中小于第一门限T₁。此外，两种波束20、40的电平高于第二门限T₂。高站点内干扰波束扇区26处于切换波束扇区24的外部，其中优选地两种波束20、40的所接收信号电平高于干扰冲击门限T_I。切换24和干扰26波束扇区旁边的天线波束20的其余部分则被定义为主波束扇区22(注意，天线波束20可包括两个切换波束扇区24、两个干扰波束扇区26和一个主波束扇区22)。
门限T₁和T₂的值根据系统(RBS或定向天线)的切换参数设定来确定，并且应当提供充分的时间让系统来处理正通过站点内切换区、即从一个天线波束20进入同一个站点或基站的下一个天线波束40的移动单元的切换。与以上所述相似，切换波束扇区形状和切换参数设定优选地经过优化，使得切换波束扇区24的角间隔对于正移动的移动单元的受控切换充分大，即大于门限T_ang1。另外，切换波束扇区24中的天线增益优选地超过最小门限，以便在这个波束扇区24内提供充分的无线电覆盖。T₁的值尽可能小，而这个切换波束扇区24中的波束电平在T₂的值之上尽可能高。干扰波束扇区26的角间隔尽可能小，其中干扰冲击电平T₁对系统中的总干扰电平提供小份额。最后，主波束扇区22中的天线增益优选地被最大化。
图10是根据本发明优化定向天线的天线波束的形状的方法的另一个实施例的流程图。在第一步骤S50，定向天线的天线波束分为至少切换、干扰、主和检测(第四)波束扇区。在后续步骤S51和S52，切换波束扇区的形状被优化。这些步骤对应于图3的步骤S11和S12，并且不作详细论述。然后，在步骤S53，检测和切换预备波束扇区的形状被优化。在这个步骤S53，提供高于最小第二角门限T_ang2的检测波束扇区的角间隔。这个门限T_ang2经过选择，使得系统可成功地检测并预备正移动的移动单元的(站点内或软)切换过程。步骤S54和S55之后分别对应于图7和图3的步骤S32和S12，并且不作进一步论述。然后，该方法结束。
图11是流程图，说明图10的优化方法的附加步骤。该方法从步骤S50继续进行。下一个步骤S60对应于图4的步骤S20。在下一个步骤S61，检测和切换预备波束扇区被定义为切换波束扇区外部的、并且其中定向天线以及优选地相邻定向天线的所接收信号电平超过第三门限T₃的天线波束的部分。干扰波束扇区被定义为切换和检测波束扇区外部的、并且其中定向天线以及优选地相邻定向天线的所接收信号电平超过干扰冲击门限T₁的天线波束的部分。天线图的其余部分则可定义为主波束扇区。此后，该方法继续进行到图10的步骤S51。
图12说明根据以上结合图10所述的本发明的实施例进行优化的相邻站点内天线波束的天线图。图13说明图12的天线图的一部分的放大。如两个图中所示，两个天线波束20、40的所接收信号电平的差异在切换波束扇区24中小于门限T₁。检测和切换预备波束扇区28处于切换波束扇区24的外部，以及天线波束20、40的信号电平在这个波束扇区28中应当高于检测门限T₃。高站点内干扰波束扇区26处于检测波束扇区28的外部。在这个波束扇区26中，天线波束20、40的所接收信号电平优选地高于干扰冲击门限T₁。在干扰波束扇区26的外部是主波束扇区22。与以上对于图9所述相似，根据定向天线在基站中有一个还是两个相邻定向天线，天线波束可分为一个或两个切换波束扇区24、一个或两个检测波束扇区28、一个或两个干扰波束扇区26以及一个主波束扇区22。在本发明的这个实施例中，两个小区20、40之间的站点内切换区通常包括切换波束扇区24和检测波束扇区28。
门限T₁的值根据系统的切换参数设定来确定，并且应当提供充分的时间用于完成通过站点内切换区的移动单元的切换过程。门限T₃优选地也根据切换参数设定来确定。这个门限影响信号内容的检测应当开始以便为可能的切换过程准备的时间。
切换波束扇区24的角间隔对于正移动的移动单元的受控切换应当充分大，其中有效地利用在检测和切换预备波束扇区28中进行的预备。因此，切换波束扇区24的角间隔超过门限T_ang1。切换波束扇区24中的最小天线增益优选地超过门限T_min。T₁的值尽可能小，而切换波束扇区24中的所接收信号电平20、40则尽可能高。检测波束扇区28的角间隔对于移动到切换波束扇区24中的移动单元的受控检测和切换预备足够大，即，优选地大于第二角门限T_ang2，参见图13。T₃的值高到足以使定向天线能够正确检测来自这个波束扇区28中的移动单元的信号。相应地，干扰波束扇区26的角间隔尽可能小，其中干扰冲击电平T₁对系统中的干扰电平提供小份额。因此，来自相邻小区中的移动单元的所接收信号电平应当在这个波束扇区26中迅速下降，并且在这个波束扇区26外部、即在主波束扇区22中应当小于门限T₁。最后，使主波束扇区22中的天线增益为最大。
在本发明的上述实施例中，定向天线的天线波束已经分为具有不同要求的两个、三个或四个不同的波束扇区，以及相应波束扇区的形状已经采用不同的参数和目标进行了优化和调节。本领域的技术人员知道，这个原理也可适用于把天线波束分为四个以上波束扇区。
根据本发明的定向天线的天线波束的多个波束扇区的定义可能是固定的。在这种情况中，一旦天线波束已经分为多个波束扇区，则在天线的后续操作中使用这个子扇区定义。但是，相应波束扇区的实际大小和形状可能例如通过调节如上所述的切换参数设定和/或其它门限值来改变。本发明预计，由于切换参数设定的变化，上述门限值的一部分的值可能改变，这又可能导致不同波束扇区中的天线增益的增加和/或减小。
或者，例如由于业务情况、小区配置和/或小区规划的变化，子扇区定义在操作期间可能被改变。在这种情况中，天线波束到多个波束扇区的初始划分首先用于给定的定向天线。随后，可采用多个波束扇区的另一个定义。例如，在初始波束扇区定义中，天线分为切换波束扇区和主波束扇区。此后，例如由于小区中的预计业务情况的变化，可能更为有利的是把天线波束分为更多不同的波束扇区，例如采用干扰波束扇区来补充切换和主波束扇区。
相同的波束扇区定义可用于站点或基站的所有定向天线。或者，不同的波束扇区定义可用于不同的定向天线，但它们可能设置成在基站中彼此相邻，并且它们的相应天线波束至少部分交迭。
图14是根据本发明的天线波束调节单元或调节器200的一个实施例的示意框图。天线波束调节器200一般包括用于与外部单元进行通信的输入和输出(I/O)单元210。这个I/O单元210具体配置用于接收包括在通信系统中所使用的切换参数值和设定的输入数据。这些切换参数可从系统中确定和/或存储这类参数的任何单元、包括RNC或基站控制器(BSC)接收。当I/O单元210接收这类切换参数时，它将其转发给数据存储器240供存储。此外，I/O单元210适用于向定向天线传送天线波束优化命令。这类命令则引起定向天线的波束扇区形状的调节。
天线波束调节器200还包括波束扇区定义器220，它配置用于定义定向天线的天线波束的多个波束扇区。在第一实施例中，定义器220适用于(实际上)把天线波束分为至少切换波束扇区和主波束扇区。在另一个实施例中，波束扇区定义器220定义至少切换、高站点内干扰和主波束扇区。定义器220或者可定义至少切换、检测和切换预备、高站点内干扰以及主波束扇区，或者把天线波束分为四个以上不同的波束扇区。定义器220可使它对波束扇区的定义基于来自系统中的其它单元的输入数据。这种输入数据可能规定，同一个波束扇区定义应当用于系统中的所有定向天线，或者不同的定义可用于不同的天线，例如当它们设置在具有不同的预计业务条件的区域时。此外，给定天线单元的波束扇区定义可能是固定的或者例如根据新的输入数据而随时间改变。定义器220优选地使波束扇区定义基于信号电平门限值，它们又可根据切换参数设定或值来确定。这种门限数据可从数据存储装置240中检索。或者，数据存储装置240可以省略。在这种情况中，定义器220优选地接收来自系统中的外部单元、用于波束扇区定义过程的信息。
波束扇区优化器230设置在波束调节器200中，用于接收来自定义器220的当前波束扇区定义的信息。优化器230则确定当前定义中的波束扇区应当如何调节或优化。这个优化器230配置用于应用差异形状优化，在其中，不同的要求和目的用于不同的波束扇区。优化器230优选地使这种确定基于相关切换参数设定或值以及在数据存储装置240中找到的或者从外部单元提供的其它门限值。
优化器230根据这个确定产生调节命令，它经由I/O单元210被传递给相关定向天线。这种调节命令则将控制定向天线的操作，并产生预期的波束扇区形状。调节命令可通过控制设置并连接到定向天线的天线调节单元来提供波束扇区形状优化。这种调节单元则可响应调节命令以机械方式来调节、例如移动和/或转动天线中的机械结构，以便获得预期波束形状。这种机械结构可能是天线辐射器周围的挡板、天线辐射器后面的地平面和/或耦合来自辐射器、如辅助辐射器的能量的结构。如果定向天线是具有多个天线单元的天线阵，则作为替代或补充，命令可通过调节天线单元的相对幅度和/或相位激励来产生预期波束形状。本领域的技术人员知道，根据本发明，可采用引起天线的波束形状的调节的任何过程，以便使定向天线获得某种天线波束形状。因此，不同波束扇区的无线电覆盖区域将根据以上所述不同的目标来进行调节和优化。这种调节例如可产生波束扇区中的增加或减小的天线增益和/或波束扇区的增加或减小的角间隔。
天线波束调节器200的单元210至230可实现为软件、硬件或者它们的组合。单元210至240都可在通信系统的单网络节点上的天线波束调节器200中实现。例如，调节器200可在无线电基站中实现，然后管理这个基站中的所有定向天线的波束形状操作。或者，各定向天线可配备根据本发明的天线波束调节器200。在又一个实施例中，调节器200在控制多个基站中的定向天线的波束形状操作的网络节点中实现。这种可能的节点可能是通信系统的无线电网络控制器或基站控制器。但是，分布式实现也是可行的，其中的单元210至240设置在不同的网络节点中。
图15是图14的波束扇区优化器220的一个实施例的示意框图。这个定义器220包括切换波束扇区定义器222，它设置用于定义天线波束的切换波束扇区部分。这个波束扇区定义器222优选地配置用于把切换波束扇区定义为其中定向天线和相邻定向天线的所接收信号电平的差异超过第一门限值的天线波束的部分。作为替代或补充，所接收信号电平优选地在这个波束扇区中高于第二门限。第一和第二门限的值根据例如从数据存储装置中检索的切换参数数据来确定。
可选检测波束扇区定义器228优选地把检测波束扇区定义为位于天线图的切换波束扇区外部的、并且其中定向天线的所接收信号电平高于第三门限的天线波束的部分。
可选干扰波束扇区定义器226优选地把检测波束扇区定义为位于天线图的切换和检测波束扇区外部的、并且其中定向天线的所接收信号电平高于干扰冲击门限的天线波束的部分。
波束扇区定义器220优选地还包括用于定义主波束扇区的定义器224。这个主波束扇区则优选地定义为除了切换波束扇区和可选的检测及干扰波束扇区之外的天线波束的其余部分。
波束扇区定义器220的单元222至228可实现为软件、硬件或者它们的组合。单元222至228都可在波束扇区定义器220中实现。或者，分布式实现也是可行的，其中单元222至228的一部分或全部在天线波束调节器中实现。
图16是图14的天线波束优化器230的一个实施例的示意框图。这个优化器230包括切换波束扇区优化器232，它设置用于优化和调节构成切换波束扇区的天线波束部分。这个波束扇区优化器232优选地配置用于产生使定向天线提供高于第一角门限的切换波束扇区的角间隔或大小的调节命令。第一角门限的值根据例如从数据存储装置中检索的切换参数数据来确定。作为替代或补充，波束扇区优化器232产生使定向天线提供在切换波束扇区中超过最小增益门限的天线增益的命令。
天线波束优化器230优选地还包括用于调节主波束扇区的波束形状的优化器234。这个优化器234优选地产生使定向天线使这个主波束扇区中的天线增益为最大的调节命令。
可选干扰波束扇区优化器236优选地产生控制定向天线使干扰波束扇区的角间隔或大小为最小的命令。
来自可选检测波束扇区优化器238的调节命令优选地调节定向天线，以便提供高于第二角门限的检测波束扇区的角间隔或大小。
天线波束优化器230的调节命令优选地包括来自相关优化器232至238的相应命令。因此，如果定义器已经确定给定的定向天线的天线波束将分为切换、干扰和主波束扇区，则来自单元232至236的信息优选地包含在调节命令中，以便调节所有这三个波束扇区的形状。
天线波束优化器230的单元232至238可实现为软件、硬件或者它们的组合。单元232至238都可在天线波束优化器230中实现。或者，分布式实现也是可行的，其中的单元232至238的一部分或全部在天线波束调节器中实现。
本领域的技术人员会理解，可以对本发明进行各种修改和变更，而没有背离所附权利要求定义的本发明的范围。
参考文献
[1]3GPP TS 25.922 V5.2.0；第三代合作项目；技术规范组无线电接入网；无线电资源管理策略；2003年12月