三维空间覆盖蜂窝通信网的制作方法

专利名称：三维空间覆盖蜂窝通信网的制作方法
技术领域：
本发明有关蜂窝通信系统中无线电蜂窝信号在地面和地面上空间的覆盖，是关于在一地理区域建立一个无线电蜂窝信号覆盖三维空间且同时消除信号干扰的蜂窝通信系统的网络、方法、基站和天线。
背景技术：
最初由美国贝尔电话实验室于二十世纪七十年代发明的(美国专利号3,663,762)移动蜂窝无线电通信系统(简称“移动蜂窝通信系统”或“蜂窝通信系统”)通常包括至少一个移动交换中心(MSC)、多个分散在一地理区域的基站以及多个地面用户无线电台。该系统包含至少一个控制通信信道和一组用户通信信道，并使用分配给移动蜂窝通信的无线电频率或频谱为地面用户无线电台提供移动无线电接入通信服务。该系统的每个基站包括一个基站收发信机系统(BTS)、至少一个基站天线和一个天线支撑体(塔、柱或者屋顶等)，并服务一个被该基站的一个或多个基站天线所覆盖的地面区域，即一地面蜂窝。该系统的每个地面蜂窝可进一步划分为多个地面蜂窝扇区，每个地面蜂窝扇区由一个或多个基站扇区天线所覆盖。蜂窝通信无线电频率或频谱在该系统的多个地面蜂窝和扇区中被重复使用。基站收发信机系统包括多个发信机和多个收信机，二者均包含至少一个控制通信信道和一组用户通信信道。独占的无线电频段被分配给一地理区域的移动蜂窝通信系统。在北美地区，两个频段被分配给了移动蜂窝通信系统，一个是800MHz频段，另一个是1900MHz频段。其800MHz频段的发信频率从824MHz到849MHz，收信频率从869MHz到894MHz；其1900MHz频段的发信频率从1850MHz到1910MHz，收信频率从1930MHz到1990MHz。
蜂窝通信系统基于两个基本概念蜂窝和频率复用。一地理区域划分成多个小的通信服务区——蜂窝，通常用彼此相邻的六边形代表并组成一蜂窝形状。基站大致位于每个蜂窝的中心，其天线安装在塔上(或者柱子、屋顶上等)。基站发射并接收无线电通信信号，并且与其蜂窝内的用户电台通信。无线电频率在这些蜂窝内被重复使用。该策略的好处是用有限的频谱极大地增加通信网络的用户容量。目前，该蜂窝策略已广泛应用在各种移动蜂窝通信系统中，如AMPS系统(先进移动电话系统)、TDMA系统(时分多址接入系统)、GSM系统(全球移动通信系统)、CDMA系统(码分多址接入系统)和3G系统(第三代蜂窝通信系统)。(蜂窝是被一基站或者该基站子系统的相关特定逻辑识别的无线电路经所覆盖的地理区域或者空间，也可以认为是一基站或者该基站子系统的覆盖范围。蜂窝内的移动电台可以被该蜂窝基站相关的无线电设备接通)。
无线电频率在蜂窝中复用会造成干扰。对于FDMA(频分多址接入)蜂窝通信系统(如AMPS)和TDMA蜂窝通信系统(如GSM)，频率复用引起同频道干扰。为减少同频道干扰，蜂窝网的结构被设计成增大同频道干扰源到用户电台的距离。多个蜂窝组成一蜂窝簇，所有可用频谱可以在该蜂窝簇中使用，簇中每个蜂窝分配到所有频道中的部分频道，然而簇中的每个相邻蜂窝分配到的频道不同，没有同一频道在簇中重复使用。然后该蜂窝簇中的频道安排方式在其蜂窝通信网中的每个簇中重复使用。这种结构使得频率复用的距离远大于蜂窝的半径，因而帮助减少同频道的干扰。每个蜂窝可以进一步用扇区天线分割成多个扇区，每个扇区只覆盖其蜂窝的一部分。每个扇区分配到其蜂窝全部频道的一部分。扇区天线的定向特征进一步减少同频道的干扰。对于CDMA蜂窝通信系统，其所有的蜂窝使用在一宽频带内相同的扩频。其干扰来自自身蜂窝和其相邻蜂窝中在线通信量的增长，该在线通信的增长增加系统的背景噪声。因而辐射到相邻蜂窝的信号越少，对系统造成的干扰越小。限制基站无线电信号在其自身的蜂窝内是控制系统干扰的一个途径。
如图1A和1B所示，射束下倾的基站天线(简称“下俯天线”)是一广泛应用在移动蜂窝通信系统中的方法(美国专利号4,249,181)。下俯天线向下辐射信号，控制其信号辐射在自身蜂窝内并限制其信号辐射到相邻蜂窝内，因而减少蜂窝系统的干扰。然而在其减少干扰的同时，下俯天线也使得蜂窝通信系统付出了代价。由于其射束向下指向地面，使得下俯天线上空的基站信号强度急剧下降，尤其在临近其蜂窝的边界附近。使用下俯天线的蜂窝空间形状犹如一个巨大的圆顶建筑(如附图1C和1D所示)，中间高边上低。基站的无线电信号在其蜂窝覆盖范围之外弱到无法进行通信。(此后，称被下俯天线或其射束无倾斜的天线所覆盖的一蜂窝为“地面蜂窝”；称被下俯扇区天线或其射束无倾斜的扇区天线所覆盖的一蜂窝扇区为“地面蜂窝扇区”；由地面蜂窝和扇区所组成的蜂窝通信网称为“地面蜂窝通信网”。“地面”一词强调其覆盖目标)。
移动蜂窝通信系统是为提供地面移动无线电通信而发展起来的，其网络结构和系统设计基于移动性和地面覆盖。传统上，移动蜂窝通信网将其覆盖区域当成一个平面且只覆盖地面，基本上它是一个二维空间覆盖网。然而现实的世界是三维空间的。都市地区尤其是大城市有很多高层建筑。由于基站天线有限的安装高度和下俯，使得很多高层建筑的高层部分处在移动蜂窝网的覆盖范围之外。尽管随着科技的进步，用户电台如手机和基站收发信机系统做得愈来愈灵敏，使其可以接收到微弱的信号，但是高层建筑高层的室内蜂窝信号实在是太弱，已经被证实不能进行高质量的通信。除了基站与其蜂窝内高层建筑高层室内手机之间的自由空间损耗外，高层建筑高层的室内蜂窝信号还有另外两大主要损耗，其一为高层建筑外墙和窗的信号穿透损耗，该损耗平均贡献约20dB；另一主要损耗来自基站天线的下俯。很多高层建筑的高层部分不在基站下俯天线的主瓣覆盖范围内，相反它们处在基站下俯天线的零区覆盖范围内。通常基站天线的零区增益比起其主瓣增益少20dB以上，因而基站天线的下俯贡献另外平均约20dB的损耗。绝大多数高层建筑高层室内的蜂窝信号因此比同地点的地面蜂窝信号平均低大约40dB，这也是为什么我们难以在很多高层建筑的高层室内打手机电话的原因。然而在高层建筑的低层或者低层建筑内，由于它们在基站下俯天线的主瓣覆盖范围内，那里的蜂窝信号除自由空间损耗外只遭遇到平均约20dB的墙体穿透损失，那里的蜂窝信号比同区域的很多高层建筑高层内的蜂窝信号强很多，绝大多数情况下你可以在此进行高质量的手机通话。20dB对于无线电通信具有意义重大的差别，尤其是在诸如室内的弱信号环境下更是如此。现有的移动蜂窝通信网需要进行改造，以解决其高层建筑的高层覆盖问题。(天线的主瓣是天线辐射形状中包含最大辐射能量的一叶或者一瓣，有时也称其为“主包络”或者“射束”)。
在偏远地区，无线电通信量少，那里的蜂窝被设计得尽量大来覆盖一大的区域，其基站天线通常下俯角较小或者根本不下俯。在都市地区，无线电通信量大，那里的蜂窝被设计得比偏远地区的蜂窝要小得多，绝大多数基站天线比在偏远地区下俯较大的角度，以限制其辐射在自身小蜂窝范围内并减少干扰。基于干扰、蜂窝尺寸、美学、费用和可用地点的综合考量，基站天线通常安装在距地面20米到40米之间的屋顶上，这使得都市尤其是大城市的很多高层建筑的高层部分处在移动蜂窝网的覆盖空间之外。现实情况是很多高层建筑的高层室内要么根本没有蜂窝信号覆盖，要么那里的蜂窝信号很弱。人们工作生活在那里，由于移动电话现在在世界范围内是如此地流行，高层建筑的移动蜂窝信号覆盖已经成为移动电话营运商和用户共同关心的问题。
一种称为“分配式天线系统”(DAS)的系统和方法已经被用来提供移动蜂窝信号在高层建筑室内的覆盖。它把来自微蜂窝基站或中继站的蜂窝无线电信号通过射频(RF)电缆和/或光纤引入建筑室内。通常它需要一微蜂窝基站或中继站、长且复杂的无线电信号分配网络及众多的室内天线，其无线电信号的强度只限于覆盖室内天线周围很小的区域。不幸的是，该系统和方法不能经济有效地解决高层建筑的覆盖。微蜂窝基站或中继站以及无线电信号分配网络均十分昂贵，安置它们在高层建筑中的机房租金也很贵，同时该系统的安装还需征得大厦屋主的同意，其安装费用也奇高。为覆盖所有的建筑，你必须在建筑中一层接一层、一个建筑接一个建筑地安装该系统，其费用极其昂贵。而该系统覆盖范围内所获得的付费却是有限的。在绝大多数情况下，从该系统所获得的收入不能够抵销其投资成本。这也是该系统和方法未被广泛采用的原因。
对蜂窝通信系统，需要一种更加实际且经济有效方案来解决其蜂窝信号在高层建筑高层中的覆盖。

发明内容
本发明的蜂窝通信网(简称“蜂窝网”)，其特征在于其网络中至少有一个基站具有地面和地面上空间的三维空间(3D)覆盖范围，同时为消除干扰，该基站的下俯天线射束下俯、该基站的上仰天线射束上仰，且其下俯和上仰天线共享该基站的发信机和收信机。该蜂窝通信网还可以有另一特征，即其网络中至少有另一个基站具有地面上空间的覆盖范围，同时该基站的上仰天线射束上仰以消除干扰。因此本发明的蜂窝通信网提供一个三维空间覆盖、尤其是城市中高层建筑高层覆盖的经济有效的解决方案。
本发明同时提供建立具有上述特征的蜂窝通信网的方法和基站。
本发明的蜂窝通信网在一地理区域内包含多个基站，并在该地理区域内提供蜂窝通信服务。该地理区域被划分成多个通信蜂窝。每个基站为其蜂窝内的用户电台提供无线电通信信号。该蜂窝通信网中至少有一个基站在其蜂窝内具有地面和地面上空间的三维空间覆盖范围。该基站包含一发信机、一下俯天线和一上仰天线。该发信机产生一无线电信号，该无线电信号被提供在该基站的蜂窝内，该无线电信号的频率在一其频率可在该蜂窝通信网的蜂窝内重复使用的频率范围内。该下俯天线耦合连接到该发信机上，并以其辐射图案的主瓣朝下的方式发射该无线电信号。该上仰天线也耦合连接到该发信机上，并以其辐射图案的主瓣朝上的方式发射该无线电信号。因而该基站以低于该下俯天线、高于该上仰天线的方式发射该无线电信号在其蜂窝内，同时限制该无线电信号辐射到该蜂窝网的其它蜂窝中，不至于该无线电信号在其它蜂窝中与来自该蜂窝网的其它基站的无线电信号产生可能的干扰。该基站进一步包含一收信机，用以接收其蜂窝内用户电台产生的无线电信号。该收信机可同时与该下俯天线和该上仰天线耦合相接，因而可以从这两个天线中的至少其中一个接收该基站蜂窝内的用户电台产生的无线电信号。这两个天线可以大致位于同一地点。该下俯天线在高度上可以置于该上仰天线之上。这两个天线也可以整合形成一个天线。(无线电信号，有时也简称为“信号”，是由发信机或者用户电台产生的携带信息的可测无线电能量。天线辐射图案是相应其轴的天线场强随角度的变化)。
本发明的蜂窝通信网可以进一步包含至少另一个基站，该基站具有地面上空间的覆盖范围。该基站包含一发信机和一上仰天线。该发信机产生一无线电信号，该无线电信号被提供在该基站蜂窝内，该无线电信号的频率在一其频率可在该蜂窝通信网的蜂窝内重复使用的频率范围内。该上仰天线耦合连接到该发信机上，并以其辐射图案的主瓣朝上的方式发射该无线电信号。因而该基站发射该无线电信号在其蜂窝内，且高于该上仰天线，同时限制该无线电信号辐射到该蜂窝网的其它蜂窝中，不至于该无线电信号在其它蜂窝中与来自该蜂窝网的其它基站的无线电信号产生可能的干扰。该基站进一步包含一收信机，用以接收其蜂窝内用户电台产生的无线电信号。
本发明的方法为在一被划分成多个蜂窝的地理区域内提供蜂窝通信服务，该方法包含如下过程产生多个无线电信号，这些无线电信号的频率在一其频率可在这些蜂窝内重复使用的频率范围内，其中的每个无线电信号被提供给其蜂窝内的用户；提供其中的每个无线电信号在其蜂窝内。其中一个无线电信号被一下俯天线以其辐射图案的主瓣朝下的方式以及被一上仰天线以其辐射图案的主瓣朝上的方式提供给其蜂窝。因而该无线电信号以低于该下俯天线、高于该上仰天线的方式辐射到其蜂窝内，同时该无线电信号被限制辐射到其它蜂窝中，不至于该无线电信号在其它蜂窝中与其它无线电信号产生可能的干扰。该发明方法进一步包含接收来自该蜂窝内的至少一个用户电台的无线电信号的过程。该用户电台的无线电信号可以从该下俯天线和该上仰天线至少其中的一个来接收。这两个天线可以大致上位于同一地点。该下俯天线在高度上可以置于该上仰天线之上。二者也可以整合形成一个天线。
本发明的方法可以进一步包含如下过程提供另一无线电信号到其蜂窝，该无线电信号被该蜂窝的一上仰天线以其辐射图案的主瓣朝上的方式辐射到该蜂窝内，因而该无线电信号以高于该上仰天线的方式辐射到其蜂窝内，同时该无线电信号被限制辐射到其它蜂窝中，不至于该无线电信号在其它蜂窝中与其它无线电信号产生可能的干扰。
本发明一蜂窝通信网基站，该基站包含一发信机、一下俯天线和一上仰天线。该蜂窝通信网适合在一被划分成多个通信蜂窝的地理区域内提供多个无线电蜂窝通信信号。该发信机产生一无线电信号，该无线电信号被提供在该基站的蜂窝内。该发信机工作在一其频率可在该蜂窝通信网的多个蜂窝内重复使用的频率范围内。该下俯天线耦合连接到该发信机，因而以其辐射图案的主瓣朝下的方式发射该无线电信号。该上仰天线也耦合连接到该发信机，因而以其辐射图案的主瓣朝上的方式发射该无线电信号。因而该无线电信号被该基站以低于该下俯天线、高于该上仰天线的方式发射到该基站的蜂窝内，同时该无线电信号被限制辐射到该蜂窝网的其它蜂窝中，不至于该无线电信号在其它蜂窝中与该蜂窝网的其它无线电信号产生可能的干扰。该基站进一步包含一收信机，用以接收其蜂窝内用户电台产生的无线电信号。该收信机可同时与该下俯天线和该上仰天线耦合相接，因而可以从这两个天线中的至少其中一个接收该基站蜂窝内的用户电台产生的无线电信号。这两个天线也可以整合形成一个天线。
本发明进一步提供一多射束多倾角的基站天线，该天线有至少在两个不同方向的两个射束。它可以用在一蜂窝通信基站中替代一下俯天线和一上仰天线，因而用单个天线就可以提供三维空间的覆盖。当它用于蜂窝通信基站时，其一个射束朝下并覆盖地面，其另一个射束朝上并覆盖地面上的空间。(天线射束，也称为天线主瓣，是在至少一维空间中包含在一限定小角度内的该天线主要辐射能量的辐射包络)。


图1A(现有技术)一典型移动蜂窝通信系统基站及其覆盖。
图1B(现有技术)图1A中的下俯扇区天线在高度方向的包络图案。
图1C(现有技术)移动蜂窝通信系统一典型地面蜂窝的三维空间覆盖形状示意图。
图1D(现有技术)一地面移动蜂窝通信网的三维空间覆盖形状示意图。
图2A基站上仰扇区天线覆盖高层建筑的高层。
图2B基站上仰全向天线覆盖高层建筑的高层。
图2C基站上仰扇区发射天线和基站上仰扇区接收天线覆盖高层建筑的高层。
图2D图2A中的上仰扇区天线在高度方向的包络图案。
图2E本发明一向上蜂窝的三维空间覆盖形状示意图。
图2F本发明一向上蜂窝及其扇区的三维空间覆盖形状示意图。
图2G本发明一向上覆盖蜂窝通信网的三维空间覆盖形状示意图。
图3A向上覆盖蜂窝网以第一种方式叠加在地面蜂窝网的空间覆盖垂直剖面图。
图3B向上覆盖蜂窝网以第二种方式叠加在地面蜂窝网的空间覆盖垂直剖面图。
图3C向上覆盖蜂窝网以第三种方式叠加在地面蜂窝网的空间覆盖垂直剖面图。
图3D向上覆盖蜂窝网以第四种方式叠加在地面蜂窝网的空间覆盖垂直剖面图。
图4A本发明消除向上蜂窝与地面蜂窝之间干扰的共享基站和方法的示意图。
图4B本发明消除向上蜂窝与地面蜂窝之间干扰的共享基站收信机、共享基站发信机和方法的示意图。
图4C在向上覆盖蜂窝网中使用专用频率来消除其向上蜂窝与地面蜂窝之间干扰方法的示意图。
图5A本发明向上覆盖蜂窝通信网系统结构的示意图。
图5B本发明一向上覆盖蜂窝通信网和一地面蜂窝通信网的整合系统的示意图。
图5C本发明一向上覆盖蜂窝通信网和一地面蜂窝通信网的整合系统的示意图。
图5D本发明一向上覆盖蜂窝通信网和一地面蜂窝通信网的整合系统的示意图。
图6A(现有技术)一典型蜂窝通信基站的扇区天线、其射束图案及其覆盖。
图6B使用窄射束基站天线覆盖高层建筑方法的示意图。
图7A本发明单频带多射束多倾角天线的示意图。
图7B图7A中天线在高度方向的包络图案。
图7C本发明双频带多射束多倾角天线的示意图。
图7D图7C中天线在高度方向的包络图案。
图7E多射束多倾角天线射束倾斜的机械方法示意图。
图7F多射束多倾角天线射束倾斜的电方法示意图。
具体实施例方式
图1A至图1D描述现有技术及其问题。
图1A为一移动蜂窝通信系统的典型基站及其覆盖的示意图。下俯扇区天线1用射频电缆4连接到基站收发信机系统BTS 5上，它安装在天线杆3上，其射束自其安装位置水平面下俯β度。其射束覆盖其地面蜂窝扇区中的地面、低层建筑20a及高层建筑20的低层部分。其射束没有覆盖高层建筑20的高层部分。天线1同时用作发射和接收天线。箭头51为天线射束(或主瓣)的轴。(扇区天线的辐射图案在方位和高度上均有方向性。天线射束或主瓣轴是该射束或主瓣的最大辐射功率的方向)。
图1B为图1A中的下俯扇区天线在高度方向的包络形状示意图，该包络形状对其发射方向和接收方向均适用。因为天线发射和接收特征的逆互性，其包络形状在发射方向和接收方向上相同。扇区天线1的主瓣6自其水平面下俯β度。(主瓣方向为其最大辐射功率方向)。图中7为天线1的第一上副瓣，8为其第一下副瓣，9为其背瓣，箭头51为其主瓣轴。注意主瓣6和第一上副瓣7之间的零区恰好在水平面附近，这正是很多高层建筑的高层所在空间区域。通常蜂窝信号在该零区的信号强度比其主瓣最大信号强度低20dB。因而，蜂窝通信系统中基站天线的下俯造成绝大多数高层建筑高层中的蜂窝信号强度比同地区的高层建筑低层及低层建筑中的蜂窝信号强度平均低20dB。图中坐标XY为参照物(X轴代表水平方向，Y轴代表高度方向)。
图1C为移动蜂窝通信系统的一典型地面蜂窝的三维空间覆盖形状示意图。下俯全向天线2所覆盖的区域和空间形成地面蜂窝11，其形状或许有似一个大的圆顶建筑，中间高边上低。图中13为地面蜂窝11的边界。天线2连接到基站收发信机系统BTS 5，并且安装在距地面h1的高度。地面蜂窝11没有覆盖比h1更高的空间，其覆盖高度随着距蜂窝中心距离的增加而降低。由于天线收发特征的逆互性，地面蜂窝11在发射方向和接收方向上具有几乎相同的覆盖范围和形状。(全向天线其辐射形状在方位角上各向同性，在高度方向上则可能具有任何形状)。
图1D为一地面移动蜂窝通信网的三维空间覆盖形状示意图，该形状对其发射方向和接收方向均适用。多个地面蜂窝并列在地面上组成一地面移动蜂窝通信网。这些地面蜂窝只覆盖各自下俯天线高度以下的空间，其蜂窝信号强度和覆盖高度在这些蜂窝的边界附近是最差的。正如前面所述，地面移动蜂窝网没有覆盖很多高层建筑的高层部分。这是一个需要解决的问题。本发明的目的就是要用经济有效的方式解决该问题。地面移动蜂窝通信网在发射方向和接收方向上具有几乎相同的覆盖形状和范围。
图2A至图2G描述本发明的第一个基本概念基站天线的主瓣上仰并覆盖高层建筑的高层部分，增强那里的蜂窝信号强度；一地理区域中地面上的空间划分成多个小的服务空间，即向上蜂窝；每个向上蜂窝在发射方向和接收方向上由一个或者多个基站天线的主瓣来覆盖；多个向上蜂窝组成一个向上覆盖蜂窝通信网并覆盖该地理区域中地面上的空间。因此，该向上覆盖蜂窝通信网为移动蜂窝通信系统在该地区提供蜂窝信号在地面上空间的覆盖，尤其是绝大多数高层建筑高层的覆盖。
图4A至图4C描述本发明的第二个基本概念一上仰天线和一下俯天线耦合连接在一起后再共同连接到基站的收发信机上，即二者共享基站收发信机，因而共享频率或频谱并避免干扰。二者既可以共享整个基站的收发信机系统，也可以只共享其中的一部分。上仰天线覆盖地面上的空间、即向上蜂窝；下俯天线覆盖地面、即地面蜂窝。因为这两个天线共享同一辐射信源，其向上蜂窝和地面蜂窝之间不会发生干扰。该消除干扰技术和天线射束上仰及下俯的消除干扰技术可以结合起来使用，以便在整个蜂窝通信网中消除干扰。
移动蜂窝通信系统的基站包含至少一基站收发信机系统、一发射天线和一接收天线。每个基站收发信机系统包含至少一发信机和至少一收信机。发射天线与发信机耦合相连，并把由发信机产生的无线电信号发射至其基站的蜂窝内；接收天线与收信机耦合相连，并接收由其基站蜂窝内的用户电台所产生的无线电信号。这二个天线具有几乎相同的辐射特征图案，它们安装在天线支撑体上。发信机产生蜂窝无线电信号，该信号被提供给其基站的蜂窝内，该信号在一其频率可在其移动蜂窝通信网的蜂窝内重复使用频率范围内。发信机产生的无线电信号由发射天线以其主瓣朝上且高于该发射天线的辐射特征图形辐射到其基站蜂窝内。收信机通过接收天线接收由其基站内的用户电台所产生的无线电信号。通常一基站既用作发射天线也用作接收天线。
前面已经讨论过，如果基站天线上仰并以其主瓣覆盖高层建筑的高层部分，那里的蜂窝信号强度将平均增加可达20dB。由于天线收发特征的逆互性，当该基站天线既用作发射天线也用作接收天线时，由那里的用户电台(如手机)所产生并被该基站天线所接收到的无线电信号强度也将平均增加可达20dB。这将显著改善那里的蜂窝通信条件。一个上仰基站天线就可以覆盖其整个蜂窝内的很多高层建筑的高层。这是一个经济有效的覆盖解决方案，并且它容易实施。(此后，射束上仰的基站天线简称为“上仰天线”；射束上仰的基站扇区天线简称为“上仰扇区天线”)。
移动蜂窝通信系统中基站与用户电台之间的无线电通信过程是现有技术，这并不是本发明的范围。绝大多数情况下，蜂窝基站天线既用作发射天线也用作接收天线，其发射和接收的增益和方向选择是相同的，其覆盖范围之外的用户电台信号将被其排斥。例如，上仰天线将排斥其蜂窝内的地面用户电台所产生的信号。正如下俯天线用于消除移动蜂窝网中蜂窝之间的干扰一样，上仰天线也可以用于消除移动蜂窝网中蜂窝之间的干扰。因为某些原因，基站可能使用分立的发射天线和接收天线。为平衡下行链路(从基站到用户电台)和上行链路(从用户电台到基站)之间的差别，该分立的发射天线和接收天线可能具有不同的特征。无论在哪种情况下，移动蜂窝通信网中的基站最好是在其发射方向和接收方向上具有相同的覆盖形状和范围。
本发明中，地面上空间的覆盖被当作三维空间来对待。除地面蜂窝和地面扇区外，本发明引入向上蜂窝和向上蜂窝扇区的概念。一向上蜂窝是一地面上的限定空间，且该空间由一个或者多个基站天线的上仰主瓣来覆盖。一向上蜂窝可以划分成多个向上蜂窝扇区(例如三个向上蜂窝扇区)。一向上蜂窝扇区是在一向上蜂窝中的地面上的限定空间，且该空间由一个或者多个基站扇区天线的上仰主瓣来覆盖。每个向上蜂窝包含至少一基站收发信机系统和至少一个天线(发射和接收)，该天线耦合连接到该基站收发信机系统，且安装在一天线支撑体上。每个向上蜂窝扇区包含一基站收发信机系统和至少一扇区天线(发射和接收)，该扇区天线耦合连接到该基站收发信机系统，且安装在一天线支撑体上。除去覆盖空间不同外，向上蜂窝和扇区与地面蜂窝和扇区之间并没有特别显著的差别。在网络层面上，正如地面被划分成地面蜂窝一样，本发明将移动蜂窝通信系统在一地理区域的地面上空间划分成多个小的服务空间，即向上蜂窝。多个向上蜂窝组成一向上覆盖蜂窝通信网，该网络为其移动蜂窝通信系统覆盖其地理区域内地面上的空间。如有需要(取决于蜂窝通信系统的种类和向上覆盖蜂窝网的规模)，蜂窝通信频率或者频谱在向上蜂窝中被重复使用。向上覆盖蜂窝网可以采用与现有地面覆盖蜂窝网相似的频率复用规划，如在GSM蜂窝通信系统中使用的7/21或者4/12频率复用规划，以消除向上蜂窝之间的干扰。本发明中，最好调整基站上仰天线的高度及其主瓣的上仰角度，以达到在一定高度内(取决具体应用情况)消除向上蜂窝之间的干扰。向上覆盖蜂窝通信网进一步包含至少一个控制中心。该控制中心与向上覆盖蜂窝网的每个基站相连，它还可能与其他通信系统相连。该控制中心控制向上覆盖蜂窝网中基站和用户电台之间的通信，它还控制其移动蜂窝系统和其他通信系统之间的通信。关于该控制中心是如何控制其向上覆盖蜂窝网中的通信，这是一已知技术且不是本发明的范畴。现有地面蜂窝通信网覆盖地面，本发明的向上覆盖蜂窝通信网可以与其整合，以将其覆盖扩大到其地理区域中地面上的空间。这两个蜂窝网可以共享同一个系统控制中心。
当本发明应用于移动蜂窝通信系统中高层建筑的覆盖时，其基站天线的上仰主瓣指向该基站向上蜂窝中的高层建筑的高层。该移动蜂窝通信系统中的每个向上蜂窝服务其蜂窝内高层建筑高层内的用户电台；该移动蜂窝通信系统中的每个向上蜂窝扇区服务其蜂窝扇区内高层建筑高层内的用户电台。本发明中，最好调整基站上仰天线的高度及其主瓣的上仰角度，以达到对其向上蜂窝内高层建筑高层最大的覆盖，并最大程度地减少对其向上蜂窝外的高层建筑的覆盖。现有地面覆盖蜂窝通信网已经覆盖地面、低层建筑及高层建筑的低层部分。向上覆盖蜂窝通信网可以与其整合，以将其覆盖扩大到其地理区域内的绝大多数高层建筑的高层。这两个蜂窝通信网可以共享同一个系统控制中心。本发明的向上覆盖蜂窝通信网还可以使用在其他的应用中。例如，向上覆盖蜂窝通信网可以用于非地面(即空间)移动蜂窝通信系统对空间的覆盖。
图2A描述本发明的基本概念基站上仰天线覆盖高层建筑的高层。图中扇区天线10经射频电缆4与基站收发信机系统BTS 15相连，它安装在天线柱3上，其射束自其安装水平面上仰α度(例如10°)并指向其向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)中高层建筑20的高层。箭头51为其射束(或主瓣)轴。由基站收发信机系统BTS 15的发信机产生的蜂窝无线电信号经天线10向上辐射出去，并提供给其基站向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)内高层建筑20高层中的用户电台。该基站收发信机系统BTS 15的收信机经天线10接收由其基站向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)内高层建筑20高层中的用户电台产生的蜂窝无线电信号。尽管图2A中天线10的射束是机械上仰，它也可以用电子的方法上仰，或者这两种上仰方法并用。替代天线柱3，天线10可以安装在任何天线支撑体上，如塔或屋顶等。尽管图2A中天线10的覆盖目标是高层建筑，它们也可以是塔或者地面上的任何高层建筑物。图2A中，天线10既用作发射天线也用作接收天线，它在发射和接收上具有几乎相同的方向选择性。基站收发信机系统BTS 15在发射方向和接收方向上具有几乎相同的覆盖范围，这意味着其向上蜂窝扇区(或者向上蜂窝)在发射方向和接收方向上具有大致相同的覆盖形状和范围。
图2B如图2A描述相同的概念，但是图2A中的上仰扇区天线10被图2B中的上仰全向天线14所取代。天线14提供蜂窝无线电信号在其向上蜂窝内的覆盖。
图2C如图2A描述相同的概念，但其基站收发信机系统BTS 15使用分立的发射扇区天线10t和接收扇区天线10r。图中天线10t其射束自其安装水平面上仰α度(例如10°)并覆盖其向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)。该天线经射频电缆4连接到基站收发信机系统BTS 15的发信机(TXs)。天线10r其射束自其安装水平面同样上仰α度并覆盖其向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)。该天线经射频电缆4连接到基站收发信机系统BTS 15的收信机(RXs)。这两个天线均安装在天线柱3上，且具有大致相同的方向选择性。箭头51为射束(或主瓣)轴。由基站收发信机系统BTS 15的发信机产生的蜂窝无线电信号经天线10t向上辐射出去，并提供给其基站向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)内的用户电台。该基站收发信机系统BTS 15的收信机经天线10r接收由其基站向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)内用户电台产生的蜂窝无线电信号。尽管天线10t和天线10r可以有不同的增益，但最好它们有大致相同的覆盖范围，以使得在其上行链路和下行链路之间取得平衡。
图2D为图2A中的上仰扇区天线10在高度方向的包络形状示意图，该图对其发射方向和接收方向均适用。图中主瓣16相对于水平面上仰α度，17为其第一上副瓣，18为其第一下副瓣，19为其背瓣。箭头51为其主瓣轴。本发明中，最好调整天线上仰角，使得主瓣16和第一上副瓣18之间的零区刚好处于其天线安装位置的水平面附近。这样可以使天线安装水平面上的蜂窝信号强度最弱，从而限制蜂窝信号辐射到其他向上蜂窝或者地面蜂窝中，使可能发生的干扰减少到最低。图中坐标XY用作参照物(X轴代表水平方向，Y轴代表高度方向)。
图2E为本发明向上蜂窝的三维空间覆盖形状示意图，该图对其发射方向和接收方向均适用。图中由上仰全向天线14所覆盖的空间形成向上蜂窝21，其形状好似一个上下颠倒的巨大圆形建筑物。23为向上蜂窝21的边界。天线14连接到基站收发信机系统BTS 15，并安装在距地面h2的高度。向上蜂窝21也许没有覆盖低于h2高度的空间，其没有覆盖的高度随着距其蜂窝中心距离的增加而增高。本发明中，最好作到向上蜂窝在发射方向和接收方向上具有大致相同的覆盖形状和范围。
图2F为本发明向上蜂窝及其扇区的三维空间覆盖形状示意图。向上蜂窝21划分成三个向上蜂窝扇区22a、22b及22c。上仰扇区天线10a连接到基站收发信机系统BTS4 15a，并覆盖向上蜂窝扇区22a；上仰扇区天线10b连接到基站收发信机系统BTS5 15b，并覆盖向上蜂窝扇区22b；上仰扇区天线10c连接到基站收发信机系统BTS6 15c，并覆盖向上蜂窝扇区22c。23为向上蜂窝21的边界。这三个上仰扇区天线均安装在距地面h3的高度。本发明中，最好作到向上蜂窝及其扇区在发射方向和接收方向上具有大致相同的覆盖形状和范围。
图2G为本发明向上覆盖蜂窝通信网的三维空间覆盖形状示意图。多个向上蜂窝21并列在地面上组成一向上覆盖蜂窝通信网络。本发明中，最好调整基站上仰天线的高度及其射束的上仰角度，以取得对其向上蜂窝最大的信号辐射，并限制信号辐射到其向上蜂窝之外。正如下俯天线和下俯扇区天线消除地面蜂窝间的干扰一样，在一地理区域中上仰天线和上仰扇区天线同样可以在一定的高度范围内(如高层建筑的最大高度)消除向上蜂窝间的干扰。本发明的向上覆盖蜂窝通信网将可以覆盖一地理区域内绝大多数高层建筑的高层，它以一种经济有效的方式解决了移动蜂窝通信系统中长期存在的高层建筑覆盖问题。本发明的向上覆盖蜂窝通信网最好作到在发射方向和接收方向上具有大致相同的覆盖形状和范围。
对移动蜂窝通信系统而言，其向上覆盖蜂窝通信网也许仅在都市地区是必需的。数量有限的覆盖目标(高层建筑)使得覆盖它们的向上覆盖蜂窝网比起同区域的地面蜂窝网在规模上要小得多。这对减少向上蜂窝之间的干扰以及向上蜂窝和地面蜂窝之间的干扰是有帮助的。在中型及小型城市，全部所需向上蜂窝或许在同一个蜂窝簇内。(对7/21频率复用规划，一个蜂窝簇包含七个蜂窝)。此时对FDMA或TDMA移动蜂窝通信系统而言，其向上覆盖蜂窝网内频率无须重复使用。在孤立的偏远地区，或许单个向上蜂窝或者向上蜂窝扇区就已经足够覆盖那里少量的高层建筑。本发明的向上蜂窝、向上蜂窝扇区及向上覆盖蜂窝通信网可以应用于各类移动蜂窝通信系统，提供其蜂窝信号在高层建筑高层中的覆盖。
理论上，蜂窝通信频率或频谱应该在向上覆盖蜂窝通信网的蜂窝中重复使用。对一个实际的向上覆盖蜂窝通信网，其蜂窝通信频率或频谱是否在其蜂窝网中被重复使用，取决于其蜂窝通信系统的种类及其蜂窝网的结构和规模。例如，如果该移动蜂窝系统是一个CDMA系统，同一扩频在其地理区域内的所有向上蜂窝中被重复使用。对TDMA或FDMA移动蜂窝系统，如果其向上覆盖蜂窝网的规模大于一蜂窝簇，蜂窝频率或许在其向上蜂窝中被重复使用。在一大城市，有很多高层建筑散布在比较大的都市地区，需要一个大规模的向上覆盖蜂窝通信网来覆盖这些高层建筑。
图3A至图3D为一向上覆盖蜂窝网以不同方式叠加在一地面蜂窝网时其空间覆盖在高度方向的剖面示意图。为了扩展一地面移动蜂窝通信系统的覆盖至地面上的空间尤其是高层建筑的高层，一向上覆盖蜂窝通信网叠加在其现有地面覆盖蜂窝通信网上。有多种方式将一向上覆盖蜂窝通信网叠加在一地面覆盖蜂窝通信网上，图3A至图3D所示为其中的四个例子。
图3A中，一向上蜂窝叠加在一地面蜂窝上，该向上蜂窝的基站天线与该地面蜂窝的基站天线处于大致相同的位置和高度。向上蜂窝21b、21a及21e(图中实线区)分别叠加在地面蜂窝11b、11a及11e(图中虚线区)上，29为既未被向上蜂窝覆盖也未被地面蜂窝覆盖的空间间隙。图3A中，向上蜂窝基站与地面蜂窝基站共站点。
图3B展示与图3A相似的情形，例外的是其向上蜂窝的基站天线低于同站点地面蜂窝的基站天线。重叠空间28(图中影线区)为向上蜂窝和地面蜂窝共同覆盖的空间。图3B和图3A中向上蜂窝与地面蜂窝叠加方式的优点是向上蜂窝可以共享全部或者部分地面蜂窝的现有设施，如机房、供电、天线塔及通信干线等。如图4A中所示，甚至现有地面蜂窝的基站收发信机系统也可以被共享。图3B中的叠加方式比图3A中的叠加方式提供更佳的空间覆盖，因为在图3B的叠加方式中，更少的空间未被覆盖。
图3C中，一向上蜂窝的中心位于两地面蜂窝之间的边界附近，向上蜂窝的基站天线和地面蜂窝的基站天线处于大致相同的高度。向上蜂窝21b的中心位于地面蜂窝11b和11a之间的边界附近；向上蜂窝21a的中心位于地面蜂窝11a和11e之间的边界附近；向上蜂窝21e的中心位于地面蜂窝11e和11g之间的边界附近。29为既未被向上蜂窝覆盖也未被地面蜂窝覆盖的空间间隙。
图3D展示与图3C相似的情形，例外的是其向上蜂窝的基站天线的高度低于地面蜂窝的基站天线的高度。重叠空间28(图中影线区)为向上蜂窝和地面蜂窝共同覆盖的空间。图3C和图3D中向上蜂窝与地面蜂窝叠加方式的优点是你可以自由选择向上蜂窝基站的站点。图3D中的叠加方式比图3C中的叠加方式提供更佳的空间覆盖，因为在图3D的叠加方式中，更多的空间被覆盖。
现实中的向上覆盖蜂窝通信网为实现高层建筑的覆盖可以采用多种叠加方式来取得灵活性和经济效益的统一。
图4A描述本发明的一个重要内容一向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)和一地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)的共享基站，及避免二者之间频率干扰的方法。它也是在向上蜂窝和地面蜂窝之间共享蜂窝频率或频谱及基站设施、同时消除二者之间频率干扰的方法。
由于每个移动蜂窝通信系统的可用频谱有限，且几乎全部可用频谱已经用于现有地面移动蜂窝通信系统，在都市地区尤其如此，因而向上覆盖蜂窝通信网也许不得不与地面移动蜂窝通信网共享蜂窝频率或频谱。这带来一个新的问题二者之间的频率干扰。本发明很巧妙地解决了该问题。其解决办法是一向上蜂窝与一个大致共站点的地面蜂窝共享全部或者部分基站收信机和发信机。这些共享的发信机和收信机包含其移动蜂窝通信系统的至少一个控制信道和至少一个业务信道。其向上蜂窝的发射天线和其地面蜂窝的发射天线通过一分路/合路器或者一耦合器(均衡或不均衡地分/合射频信号)耦合连结在一起，然后连接到这些共享的发信机上；其向上蜂窝的接收天线和其地面蜂窝的接收天线通过一分路/合路器或者一耦合器(均衡或不均衡地分/合射频信号)耦合连结在一起，然后连接到这些共享的收信机上。在该解决办法中，向上蜂窝成为地面蜂窝在地面上空间的扩展，它们之间没有引入干扰。这样，由共享发信机产生的蜂窝信号自向上蜂窝的发射天线向上辐射，提供给该向上蜂窝中的用户电台；同时该蜂窝信号也自地面蜂窝的发射天线向下辐射，提供给该地面蜂窝中的用户电台。共享收信机通过向上蜂窝的接收天线接收由该向上蜂窝中的用户电台产生的蜂窝信号；该共享收信机同时还通过地面蜂窝的接收天线接收由该地面蜂窝中的用户电台产生的蜂窝信号。该解决方案中，向上蜂窝和地面蜂窝同时也共享了蜂窝频率或频谱以及很多该移动蜂窝通信系统的设施，如通信干线和控制中心等。该解决方案非常经济有效且容易实施。现有移动蜂窝系统以仅仅在其基站天线系统中添加上仰天线如此极低的代价，就轻而易举地将其覆盖扩展到地面上的空间，尤其是高层建筑的高层。
图4A为该解决方案的示意图。向上蜂窝扇区的上仰扇区天线10和地面蜂窝扇区的下俯扇区天线1用分路/合路器(或者耦合器)30和射频电缆4耦合连接在一起，然后连接到共享的基站收发信机系统BTS 5的发信机和收信机。天线10的射束自其安装水平面上仰α度(例如10°)，并指向其向上蜂窝扇区中的高层建筑20。天线1的射束自其安装水平面下俯β度(例如8°)，并指向其地面蜂窝扇区中的地面及低层建筑20a。两天线均安装在天线柱3上。箭头51为天线射束(或主瓣)轴。图4A中该向上蜂窝扇区成为该地面蜂窝扇区在地面上空间的扩展。由基站收发信机系统BTS 5的发信机产生的蜂窝信号自天线10向上辐射，提供给其向上蜂窝扇区中的用户电台；该蜂窝信号同时也自天线1向下辐射，提供给其地面蜂窝扇区中的用户电台。基站收发信机系统BTS 5的收信机通过天线10接收其向上蜂窝扇区中的用户电台产生的蜂窝信号；该收信机同时也通过天线1接收其地面蜂窝扇区中的用户电台产生的蜂窝信号。尽管图4A中上仰天线10安装在下俯天线1之下，它也可以安装在下俯天线1之上或同一高度上。尽管图4A中天线1为一下俯扇区天线，它也可以是一下俯全向天线。尽管图4A中天线10为一上仰扇区天线，它也可以是一上仰全向天线。尽管图4A所示天线支撑物为天线柱3，它也可以是任何天线支撑建筑，如塔或者屋顶等。尽管图4A中基站收发信机系统BTS 5的全部发信机和收信机都被共享，也可以只有它们中的一部分被天线1和天线10所共享。图4A中，当一个分路/合路器(或者耦合器)被插入其天线系统时，它将对地面蜂窝扇区的基站天线系统引进大约3dB的损耗(当射频信号被均分)。由于都市地区的几乎所有地面蜂窝和扇区都是小规模且其基站采用低增益天线，因而只要将这些低增益基站天线更换成增益高一些的天线，就可以轻易弥补该损耗。图4A中，天线1和天线10各自既用作发射天线也用作接收天线。该解决方案中，向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)同时也共享地面覆盖蜂窝通信网的通信干线和控制中心。(注意，这里的分路/合路器或者耦合器指在发射方向上将一路无线电信号分成两路或多路信号，在接收方向上它则将两路或多路无线电信号合成一路信号。当无线电信号在其中均分为两路时，有时我们也称它为功率均分器。它是一个无源设备，信号信息在其中没有经过处理。在发射和接收两个方向上，其输入和输出无线电信号包含完全相同的信息。当然由于其中的无线电路径，其输入和输出无线电信号存在信号强度差别和微量的时移。在发射方向上，由同一输入信号分开的两路或多路输出信号包含完全相同的信息，当然各路输出信号的强度可能存在差别，并且由于各路输出信号在分路/合路器或者耦合器内的无线电路径可能存在微量差别，它们之间可能存在微量的时移)。
图4A同时也是一向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)与一地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)二者的共享基站示意图。图中一向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)与一地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)共享同一基站的收发信机系统，因而该基站为一共享基站。也可以只有该基站收发信机系统的部分发信机和收信机在该向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)与该地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)二者之间被共享。共享基站的好处显而易见，这些好处包括覆盖范围的扩展、节省费用、节省频率及免干扰。
图4B为本发明共享基站的另一个示意图。不像图4A中收发天线共用一个天线，图4B中共享基站使用分立的发射天线和接收天线。向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)的上仰天线10t与地面蜂窝扇区(或地面蜂窝)的下俯天线1t用射频电缆4和一分路/合路器(或耦合器)30耦合连接起来，然后连接到基站收发信机系统BTS 5的共享发信机上；向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)的上仰天线10r与地面蜂窝扇区(或地面蜂窝)的下俯天线1r用射频电缆4和另一分路/合路器(或耦合器)30耦合连接起来，然后连接到基站收发信机系统BTS 5的共享收信机上。该示意图中，天线10t和1t用作发射天线；天线10r和1r用作接收天线。天线10t和10r也许具有大致相同的上仰角，而且它们在向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)也许具有大致相同的覆盖范围；天线1t和1r也许具有大致相同的下俯角，而且它们在地面蜂窝扇区(或地面蜂窝)也许具有大致相同的覆盖范围。
图4A和图4B中所示情形，其由上仰天线所覆盖的向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)及由下俯天线所覆盖的地面蜂窝扇区(或地面蜂窝)可以视作单个具有三维空间覆盖范围的蜂窝扇区(或蜂窝)。该向上蜂窝扇区(或向上蜂窝)为该地面蜂窝扇区(或地面蜂窝)在地面上空间的扩展。当一用户电台在二者之间移动时，并不发生信道切换。例如，当一个正在通话的移动用户由图4A中的一高层建筑20的底层移动至该建筑的顶层时，其与图中基站收发信机系统的无线电通信链路保持不变。
另一个在上向覆盖蜂窝通信网和地面覆盖蜂窝通信网之间消除干扰的解决办法是在一地理区域中向上覆盖蜂窝通信网使用专用的蜂窝频率或频谱。例如，现有移动蜂窝通信系统中未被使用的保留蜂窝频道可以用作向上覆盖蜂窝通信网的专用频道。该方法中，向上覆盖蜂窝通信网可以独立于地面覆盖蜂窝通信网。其向上蜂窝基站可以位于该地理区域中任何有利的位置，它们无需与地面蜂窝基站共站点。该向上覆盖蜂窝通信网可以采用与其地面覆盖蜂窝通信网不同的网络结构和频率复用规划。例如，当地面覆盖蜂窝通信网采用7/21频率复用规划时，向上覆盖蜂窝通信网可以采用4/12频率复用规划。向上覆盖蜂窝通信网既可以共享地面覆盖蜂窝通信网的系统控制中心，它也可以拥有自己独立的系统控制中心。
上面所描述的两个方法可以在一个移动蜂窝通信系统中综合起来灵活使用，以取得经济效益和最大的覆盖。即部分向上蜂窝共享地面蜂窝基站及其系统控制中心；部分向上蜂窝具有自己独立的基站和系统控制中心，或者与地面蜂窝共享系统控制中心。
图2A也可以视为一向上蜂窝扇区基站使用专用频率或频谱的示意图。
图2B也可以视为一向上蜂窝基站使用专用频率或频谱的示意图。
图4C为另一个向上蜂窝在其基站使用专用频率或频谱的示意图。图中一向上蜂窝扇区的基站和一地面蜂窝扇区的基站共站点。向上蜂窝扇区的基站收发信机系统BTS4 15使用专用频率或频谱，其上仰扇区天线10用射频电缆4连接到BTS4 15上。地面蜂窝扇区的下俯天线1用射频电缆4接到其基站收发信机系统BTS15上。这两个天线均安装在天线柱3上。箭头51为天线射束(或主瓣)的轴。这两个天线均同时用作发射和接收天线。图4C中，向上蜂窝扇区的BTS4 15与地面蜂窝扇区的BTS15彼此相互独立，二者工作在不同的频率或频谱上。
图5A至图5D为向上覆盖蜂窝通信网系统及其与地面覆盖蜂窝通信网系统集成的示意图。
本发明的向上覆盖蜂窝通信网至少还包括一个控制中心(例如交换中心)。该控制中心控制向上覆盖蜂窝通信网中的通信以及向上覆盖蜂窝通信网与其他系统如地面覆盖蜂窝通信网及PSTN(公共电话交换网)等之间的通信。一向上覆盖蜂窝通信网可能与一地面覆盖蜂窝通信网共享同一控制中心。
图5A为本发明向上覆盖移动蜂窝通信网系统的示意图。图中七个向上蜂窝21a、21b、21c、21d、21e、21f及21g组成一向上覆盖移动蜂窝通信网。向上蜂窝21a被划分成三个向上蜂窝扇区22a1、22a2及22a3；向上蜂窝21c被划分成三个向上蜂窝扇区22c1、22c2及22c3。向上蜂窝21d不是一个完整的蜂窝，它只包含两个向上蜂窝扇区22d1及22d3。向上蜂窝21e不是一个完整的蜂窝，它只包含一个向上蜂窝扇区22e1。向上蜂窝21f也不是一个完整的蜂窝，它只包含一个向上蜂窝扇区22f1。向上蜂窝21b和21g没有进一步划分蜂窝扇区，二者各自或许被一个上仰全向天线所覆盖。这些向上蜂窝中的每一个在其蜂窝的中心位置附近都有一个基站收发信机系统，它们分别是BTS 15a、15b、15c、15d、15e、15f及15g。基站控制中心BSC1 25a通过通信干线27(电缆、光纤、微波等)控制向上蜂窝21a、21e、21f及21g相应的基站收发信机系统15a、15e、15f及15g。基站控制中心BSC2 25b通过通信干线27控制向上蜂窝21b、21c及21d相应的基站收发信机系统15b、15c及15d。移动蜂窝交换中心MSC 24则通过通信干线26(电缆、光纤、微波等)控制基站控制中心BSC1 25a和BSC2 25b。该移动蜂窝交换中心MSC 24还与公共电话交换网PSTN相接。该向上覆盖移动蜂窝通信系统的结构和操作与现有地面覆盖移动蜂窝系统相似，只不过用向上蜂窝和扇区取代地面蜂窝和扇区而已。该系统的具体运作是现有技术，它并不是本发明的内容。
图5B为本发明一向上覆盖移动蜂窝通信系统与一地面覆盖移动蜂窝通信系统的系统集成示意图。图中虚线和虚线圈代表地面覆盖移动蜂窝通信网；实线和实线圈代表向上覆盖移动蜂窝通信网。二者被整合在一起。地面覆盖移动蜂窝通信网包含七个地面蜂窝11a、11b、11c、11d、11e、11f及11g，其中每个地面蜂窝在其蜂窝的中心位置附近都有一个基站收发信机系统，它们分别是BTS 5a、5b、5c、5d、5e、5f及5g。基站控制中心BSC1 25a通过通信干线27控制地面蜂窝11a、11e、11f及11g；基站控制中心BSC2 25b通过通信干线27控制地面蜂窝11b、11c及11d。移动蜂窝交换中心MSC 24则通过通信干线26控制基站控制中心BSC125a和BSC2 25b。每个地面蜂窝被划分成三个地面蜂窝扇区。例如，地面蜂窝11d被划分成12d1、12d2及12d3三个地面蜂窝扇区。图中向上覆盖移动蜂窝通信网包含五个向上蜂窝21a、21b、21c、21f及21g。向上蜂窝21a被分成三个向上蜂窝扇区22a1、22a2及22a3；向上蜂窝21b被分成三个向上蜂窝扇区22b1、22b2及22b3；向上蜂窝21g被分成三个向上蜂窝扇区22g1、22g2及22g3。向上蜂窝21c不是一个完整的蜂窝，它只包含两个向上蜂窝扇区22c1及22c3。向上蜂窝21f也不是一个完整的蜂窝，它只包含一个向上蜂窝扇区22f1。该示意图中，每个向上蜂窝与一个地面蜂窝共享同一基站收发信机系统。向上蜂窝21a与地面蜂窝11a共享BTS 5a；向上蜂窝21b与地面蜂窝11b共享BTS 5b；向上蜂窝21c与地面蜂窝11c共享BTS 5c；向上蜂窝21f与地面蜂窝11f共享BTS5f；向上蜂窝21g与地面蜂窝11g共享BTS 5g。因而，该向上覆盖移动蜂窝通信网同时也共享该地面移动蜂窝通信网的基站控制中心BSC125a、基站控制中心BSC2 25b及移动交换中心MSC 24。该示意图体现了在一移动蜂窝通信系统的部分蜂窝中，上仰天线与地面蜂窝或地面蜂窝扇区的天线耦合在一起共享其基站收发信机系统的情形(如图4A所示)。这是将移动蜂窝通信网的覆盖扩展至高层建筑高层的最经济有效的方式。至于该系统的具体运作是现有技术，它并不是本发明的内容。
图5B同时也是向上覆盖蜂窝通信网和地面覆盖蜂窝通信网共享基站的示意图，及在两网之间避免干扰的方法的示意图。
图5C为本发明一向上覆盖移动蜂窝通信系统与一地面覆盖移动蜂窝通信系统的系统集成的另一示意图。图中虚线和虚线圈代表地面覆盖移动蜂窝通信网；实线和实线圈代表向上覆盖移动蜂窝通信网。二者被整合在一起。地面覆盖移动蜂窝通信网包含七个地面蜂窝11a、11b、11c、11d、11e、11f及11g，其中的每个地面蜂窝在其蜂窝的中心位置附近都有一个基站收发信机系统，它们分别是BTS 5a、5b、5c、5d、5e、5f及5g。基站控制中心BSC1 25a通过通信干线控制地面蜂窝11a、11e、11f及11g；基站控制中心BSC2 25b通过通信干线控制地面蜂窝11b、11c及11d。移动蜂窝交换中心MSC1 24a则通过通信干线控制基站控制中心BSC1 25a和BSC2 25b。与图5B中不同的是，图5C中向上蜂窝与地面蜂窝之间没有任何基站收发信机系统、基站控制中心及移动交换中心的共享。图5C中，向上覆盖移动蜂窝通信网包含三个向上蜂窝21a、21b及21c，每个上向蜂窝的中心大致位于地面蜂窝的边界附近。向上蜂窝21a不是一个完整的蜂窝，它包含两个向上蜂窝扇区22a1及22a3；向上蜂窝21b没有蜂窝扇区，它或许被一个上仰全向天线所覆盖；向上蜂窝21c划分成三个向上蜂窝扇区22c1、22c2及22c3。图中每个向上蜂窝均有一个基站收发信机系统大致位于其蜂窝的中心位置(就方位而言)，它们分别是BTS 15a、15b及15c。基站控制中心BSC3 25c通过通信干线27控制它们。该向上覆盖移动蜂窝通信网有自己独立的移动交换中心MSC2 24b，通过通信干线26它控制基站控制中心BSC3 25c。同时该移动交换中心MSC2 24b也与公共电话交换网PSTN相接。该示意图中，向上覆盖移动蜂窝通信系统独立于地面覆盖移动蜂窝通信系统。
图5C同时也是一向上覆盖蜂窝通信网使用专用频率或频谱来避免与地面覆盖蜂窝通信网之间干扰的方法的示意图。图中向上蜂窝的基站收发信机系统BTS 15a、15b及15c使用专用频率或频谱，避免与地面覆盖蜂窝通信网产生干扰。
图5D为一向上覆盖移动蜂窝通信系统与一地面覆盖移动蜂窝通信系统更加复杂的系统集成示意图。它是图5B和图5C所示系统集成的结合，即部分向上蜂窝和扇区共享地面蜂窝、扇区和网络的基站收发信机系统、基站控制中心和移动交换中心；部分向上蜂窝和扇区拥有他们自己的基站收发信机系统、基站控制中心和移动交换中心。图中向上蜂窝21s共享地面蜂窝11b的基站收发信机系统BTS 5b，它含有两个向上蜂窝扇区22s1和22s3。向上蜂窝21t共享地面蜂窝11c的基站收发信机系统BTS 5c，它含有两个向上蜂窝扇区22t1和22t3。向上蜂窝21s和21t共享地面覆盖移动蜂窝通信网的基站控制中心BSC2 25b和移动交换中心MSC1 24a。而向上蜂窝21a、21b和21c各自拥有自己的大致位于地面蜂窝边界的基站收发信机系统，分别是BTS 15a、15b和15c，同时它们还拥有自己的基站控制中心BSC3 25c和移动交换中心MSC2 24b。图中向上蜂窝21a、21b、21c、21s和21t组成一向上覆盖移动蜂窝通信网。该系统集成方案对移动蜂窝通信系统扩展其覆盖至地面上的空间既具有灵活性又经济有效。
图5D同时也是向上蜂窝和地面蜂窝共享基站避免干扰的方法及向上蜂窝通信网中使用专用频率或频谱来避免干扰的方法这两种方法综合应用的示意图。图中向上蜂窝21a、21b及21c中使用专用频率或频谱，避免与地面蜂窝产生干扰。
对CDMA移动蜂窝通信系统，当向上蜂窝与地面蜂窝二者的基站不共站点时，地面蜂窝中使用的扩频或许可以在向上蜂窝中重复使用。此时，向上蜂窝充当地面蜂窝在空中的相邻蜂窝。例如，如果图5C中的移动蜂窝通信系统是CDMA系统的话，向上蜂窝21a、21b及21c中可以使用图中地面蜂窝相同的扩频。除充当向上蜂窝21a及21c的相邻蜂窝外，向上蜂窝21b同时也充当地面蜂窝11a、11b和11g在地面上空的相邻蜂窝。对一个覆盖三维空间的蜂窝通信网，我们要以三维的眼光来看待相邻蜂窝。
一典型基站扇区天线其射束特征是在方位方向上宽而在高度方向上窄，正好适合地面扇区的覆盖。图6A所示就是这样一个典型基站扇区天线、其射束形状及其覆盖。扇区天线31包含一列辐射单元(例如天线偶极子)32排列在一垂直平面上，它生成射束33。该射束的方位角宽度Φ(例如45°)远大于其高度角宽度θ(例如10°)。显然，当天线31靠近高层建筑20时(例如500米)，即便射束33上仰，它也无法覆盖整个高层建筑20。图中坐标XYZ用作参照物(Y轴代表高度方向，X轴和Z轴代表水平面的两个垂直方向)。
高层建筑并非无处不在，而是集中在城市的商业中心区并散布在一个较大的都市范围内。或许一地理区域中只有少量的高层建筑需要覆盖。由于移动蜂窝通信系统在城市中上采用小规模蜂窝，很多基站靠近高层建筑。与其覆盖整个向上蜂窝，不如让基站天线集中覆盖单个高层建筑。这样做对蜂窝通信系统的表现也是有益的，因为天线辐射集中在整个蜂窝的一小部分空间，使得覆盖到高层建筑的蜂窝信号更强，同时也减少了蜂窝网中的干扰。
本发明提供移动蜂窝通信系统中蜂窝信号覆盖高层建筑的另一方法，即在其蜂窝基站使用窄射束天线。该天线的射束在高度角方向的宽度大于其在方位角方向的宽度。该天线接到基站的收发信机系统，它将基站收发信机系统产生的蜂窝无线电信号以其射束在高度角方向宽而在方位角方向窄的辐射图案发射出去。为避免干扰，或者该天线的射束上仰，或者其基站使用专用频率或频谱。该方法在短距离内对于单个高层建筑或者一组彼此相邻的高层建筑的覆盖是有用的。
图6B为该天线及覆盖方法示意图。图中天线34包含一列辐射单元(例如天线偶极子)35排列在一水平面上，它生成射束36。该射束的高度角宽度θ(例如45°)大于其方位角宽度Φ(例如10°)。该天线上仰α角(例如30°)，并覆盖高层建筑20。图中坐标XYZ用作参照物。天线34很容易实现。将图6A中天线31绕X轴顺时针旋转90°，即变成图6B中的天线34。天线34适合在短距离内对单个或一小组高层建筑覆盖。
图7A至图7F描述一种新的多射束多倾角天线，它可以用来以单个天线实现对向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)和地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)的同时覆盖。
由于天线支撑体的天线安装空间有限且一基站中有很多天线需要安装，因此最好单个天线具有多项功能。这种多功能天线除能节省空间外，也是经济的。基于此原因，发明了一种新的多射束多倾角天线，它可以用来以单个天线实现对向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)和地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)的同时覆盖。该天线包含至少两组辐射单元、一支撑装置及射束倾斜机构。每组辐射单元包含至少两个辐射单元。每个辐射单元组中的辐射单元安装在支撑装置上且分开排列。该天线还包括一安装结构、一外壳及信号输入/输出口。辐射单元组、支撑装置及射束倾斜机构安放在该外壳内。第一组辐射单元在第一方向生成第一射束；第二组辐射单元在与第一方向不同的第二方向生成第二射束。射束倾斜机构包括机械机构，或电子机构，或者二者兼有。它将生成的每个射束倾斜到既定的方向上。因而该天线在两个方向上提供无线电信号的覆盖。每个射束既可以是全向的，也可以是定向的。该两组辐射单元既可以工作在相同的移动蜂窝通信频段上，也可以工作在不完全重合的不同移动蜂窝通信频段上。该第一射束和第二射束既可以其极化相同，也可以极化不同。这两个射束之间的夹角在3°至60°之间。本发明中当该天线使用在蜂窝基站时，最好其第一射束指向下且其第二射束指向上。因而该天线同时覆盖向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)和地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)。
图7A为本发明一多射束多倾角基站天线的示意图，该天线为单频带及垂直极化。图7B为该天线的包络在高度方向的示意图。图中双射束双倾角天线38包含两组辐射单元39(位于图中虚线以上)和40(位于图中虚线以下)。这两组辐射单元均为垂直极化且工作在相同的频带(例如800Mhz蜂窝通信频带)。辐射单元组39包含四个辐射单元，它们依次分开排列，并安装在一支撑装置上(如接地板)。辐射单元组39生成射束37b，该射束自水平面下倾β度(例如8°)。辐射单元组40包含四个辐射单元，它们依次分开排列，并安装在该支撑装置上。辐射单元组40生成射束37a，该射束自水平面上倾α度(例如10°)。箭头51a为射束37a的轴，箭头51b为射束37b的轴。射束37a及37b各自在发射和接收方向上具有大致相同的特征。41为该天线射频信号输入/输出口。该天线每个射束的倾斜可以用机械、或电子、或者机械加电子的方法来实现。
图7E为图7A中天线38使用电子机构使其射束倾斜到预定方向的示意图。图中辐射单元组39的四个辐射单元39a、39b、39c和39d大致等距离排列并安装在接地支撑板47上，辐射单元组40的四个辐射单元40a、40b、40c和40d也大致等距离排列并安装在接地支撑板47上。支撑板47大致在垂直方向上。50a为辐射单元组39的信号供给电路，通过分路器49(均等或非均等分开信号)它与信号口41相接。该信号供给电路到辐射单元39a、39b、39c和39d的电路长度等量增加，因而信号到达它们时的相位相应地等量增加(例如，自辐射单元39a算起，信号到达辐射单元39b时相位增加δ，到达辐射单元39c时相位增加2δ，到达辐射单元39d时相位增加3δ)，因而由辐射单元组39生成的射束下倾。(下倾的角度取决频率和相移增量δ)。50b为辐射单元组40的信号供给电路，通过分路器49它与信号口41相接。该信号供给电路到辐射单元40a、40b、40c和40d的电路长度等量减少，因而信号到达它们时的相位相应地等量减少(例如，自辐射单元40a算起，信号到达辐射单元40b时相位减少γ，到达辐射单元40c时相位减少2γ，到达辐射单元40d时相位减少3γ)，因而由辐射单元组40生成的射束上倾。(上倾的角度取决频率和相移减少量γ)。反射板46放置在天线外壳45的后背壳内，用以反射辐射信号。所有辐射单元、支撑板47、信号供给电路50a和50b、分路器49及反射板46全部放置在天线外壳45内。一天线安装结构附加在外壳的后背(没有在图中显示出来)。因而图7E中的天线产生一上仰射束和一下俯射束，它是一个单频带双射束双倾角的基站扇区天线。
图7C为本发明另一多射束多倾角基站天线示意图，该天线为双频带及交叉极化。图7D为该天线的包络在高度方向的示意图。双射束双倾角天线42包含两组辐射单元43(位于图中虚线以上)和44(位于图中虚线以下)。这两组辐射单元均为交叉极化。辐射单元组43工作在第一频带(例如800Mhz蜂窝通信频带)；辐射单元组44工作在另一不同的频带(例如1900Mhz蜂窝通信频带)。辐射单元组43包含四个辐射单元，它们依次分开排列，并安装在一支撑装置上(如接地板)。辐射单元组43生成射束37d，该射束自水平面下倾β度(例如8°)。辐射单元组44包含四个辐射单元，它们依次分开排列，并安装在该支撑装置上。辐射单元组44生成射束37c，该射束自水平面上倾α度(例如10°)。箭头51c为射束37c的轴，箭头51d为射束37d的轴。射束37c及37d各自在发射和接收方向上具有大致相同的特征。41a为该天线中辐射单元组43的射频信号输入/输出口；41b为该天线中辐射单元组44的射频信号输入/输出口。该天线每个射束的倾斜可以用机械、或电子、或者机械加电子的方法来实现。
图7F为图7C中天线42使用机械机构使其射束倾斜到预定方向的示意图。图中辐射单元组43的四个辐射单元43a、43b、43c和43d大致等距离排列并安装在接地支撑板47a上。支撑板47a自垂直方向下倾β度。辐射单元组44的四个辐射单元44a、44b、44c和44d也大致等距离排列并安装在接地支撑板47b上。支撑板47b自垂直方向上倾α度。48a为辐射单元组43的信号供给电路，它与信号口41a相接。该信号供给电路到各辐射单元的电路长度大致相同且同相位，因而由辐射单元组43生成的射束在方向上垂直支撑板47a。48b为辐射单元组44的信号供给电路，它与信号口41b相接。该信号供给电路到各辐射单元的电路长度大致相同且同相位，因而由辐射单元组44生成的射束在方向上垂直支撑板47b。反射板46放置在天线外壳45的后背壳内，用以反射辐射信号。一天线安装结构附加在外壳的后背(没有在图中显示出来)。图中49为供给电路中的分路器。所有辐射单元、支撑板47a和47b、信号供给电路48a和48b及反射板46全部放置在天线外壳45内。因而图7F中的天线产生一上仰α角的射束和一下俯β角的射束，它是一个双频带双射束双倾角的基站扇区天线。
本发明的多射束多倾角天线可以应用在移动蜂窝通信系统的基站中，提供蜂窝信号在三维空间的覆盖。该应用中，该多射束多倾角天线接到基站的收发信机系统，它的一个射束下倾并覆盖地面蜂窝(或地面蜂窝扇区)，它的另一个射束上倾并覆盖向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)，使得该基站提供三维空间的覆盖。例如，图7A中的单频带双射束双倾角天线38可以用来代替图4A中的天线1、天线10和分路/合路器(或耦合器)30，其信号口41接到基站收发信机系统BTS 5上。该天线的一个射束下倾、另一个射束上倾，因而同时覆盖地面蜂窝扇区和向上蜂窝扇区。该应用中，天线38充当天线1和天线10的结合体。再例如，图7C中的双频带双射束双倾角天线42可以用来代替图4C中的天线1和天线10，其信号口41a接到地面蜂窝扇区的基站收发信机系统BTS15上，其信号口41b接到向上蜂窝扇区的基站收发信机系统BTS4 15上。BTS15产生的射束由天线42向下辐射并覆盖地面蜂窝扇区；BTS4 15产生的射束由天线42向上辐射并覆盖向上蜂窝扇区。因而该天线同时覆盖地面蜂窝扇区和向上蜂窝扇区。
本发明取得了移动蜂窝通信系统中蜂窝信号在高层建筑覆盖的一个经济有效的解决方案。本发明的网络、方法、基站及天线可以应用于其他蜂窝通信系统中，提供其蜂窝信号在地面和地面上空间的覆盖。
前面的描述以整体实例来表示，那么这些实例的对应变体也应认为包括在本文的描述中。
尽管本发明用例子及尽可能的参照示意图来描述，因而不离开本发明范围和精神的改进和修改是可以理解得到的。例如，移动蜂窝通信系统中基站天线的空间分集尤其在上行链路上的天线空间分集是一广泛应用于地面蜂窝和扇区中用以克服多径衰落并提高系统表现的方法，出于同样的目的它也可以应用在向上蜂窝和扇区的基站上。即在向上蜂窝(或向上蜂窝扇区)的基站中为一上仰天线加入一上仰空间分集天线。再例如，共享基站收发信机系统的上仰天线和下俯天线可以整合在一起形成一个天线并提供相同的功能，该整合天线正如图7A中的天线38。
权利要求
1.一蜂窝通信网，该蜂窝通信网在一地理区域中提供蜂窝通信服务，该地理区域被划分成多个蜂窝，该蜂窝通信网包含多个基站，其中每个基站为所述多个蜂窝中的一相关蜂窝内的用户电台提供无线电信号；所述多个基站中的至少第一基站包括一发信机，该发信机产生第一无线电信号，该第一无线电信号被提供在所述多个蜂窝中与该第一基站相关的第一蜂窝内，该信号频率在一其频率可在所述多个蜂窝中重复使用的频率范围内；第一天线，该第一天线耦合连接到该发信机，目的是将该第一无线电信号以其主瓣朝下的辐射特征图形发射出去；第二天线，该第二天线耦合连接到该发信机，目的是将该第一无线电信号以其主瓣朝上的辐射特征图形发射出去；因而将该第一无线电信号以低于该第一天线且高于该第二天线的方式发射到该第一蜂窝内，同时限制该第一无线电信号发射到所述多个蜂窝中的其他蜂窝内，否则该第一无线电信号有可能在所述其他蜂窝内与来自所述多个基站中的其他基站的无线电信号产生干扰。
2.如权利要求1所述蜂窝通信网，其特征在于所述第一基站进一步包含一收信机，该收信机接收由所述第一蜂窝内的用户电台所产生的无线电信号。
3.如权利要求2所述蜂窝通信网，其特征在于所述收信机耦合连接到所述第一和第二天线，因而该收信机通过所述第一和第二天线中的至少其中一个接收由所述第一蜂窝内的用户电台所产生的无线电信号。
4.如权利要求1至3任一项所述蜂窝通信网，其特征在于所述第一和第二天线大致位于同一地点。
5.如权利要求1至4任一项所述蜂窝通信网，其特征在于所述第一天线的位置高于所述第二天线的位置。
6.如权利要求1至5任一项所述蜂窝通信网，其特征在于所述第一和第二天线二者组合成一个天线。
7.如权利要求1至6任一项所述蜂窝通信网，其特征在于所述多个基站中的第二基站包括一第二基站发信机，该发信机产生一第二基站无线电信号，该第二基站无线电信号被提供在所述多个蜂窝中与该第二基站相关的第二蜂窝内，该信号频率在一其频率可在所述多个蜂窝中重复使用的频率范围内；一第二基站天线，该天线耦合连接到该第二基站发信机，目的是将该第二基站无线电信号以其主瓣朝上的辐射特征图形发射出去；因而将该第二基站无线电信号以高于该第二基站天线的方式发射到该第二蜂窝内，同时限制该第二基站无线电信号发射到所述多个蜂窝中的其他蜂窝内，否则该第二基站无线电信号有可能在所述其他蜂窝内与来自所述多个基站中的其他基站的无线电信号产生干扰。
8.如权利要求7所述蜂窝通信网，其特征在于所述第二基站进一步包含一收信机，该收信机接收由所述第二蜂窝中的用户电台所产生的无线电信号。
9.一方法，该方法在一地理区域中提供蜂窝通信服务，该地理区域被划分成多个蜂窝，该方法包括产生多个无线电信号，其中每个信号被提供给所述多个蜂窝中一相关蜂窝内的用户电台，且该信号频率在一可在所述多个蜂窝中重复使用的频率范围内；提供所述多个无线电信号中的每个信号给其相关蜂窝，其中第一无线电信号用以下的方式提供给所述多个蜂窝中与该第一信号相关的第一蜂窝自第一天线以其主瓣朝下的辐射特征图形辐射该第一无线电信号，且自第二天线以其主瓣朝上的辐射特征图形辐射该第一无线电信号，因而将该第一无线电信号以低于该第一天线且该高于第二天线的方式发射到该第一蜂窝内，同时限制该第一无线电信号发射到所述多个蜂窝中的其他蜂窝内，否则该第一无线电信号有可能在所述其他蜂窝内与所述多个无线电信号中的其它信号产生干扰。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于进一步包括接收至少一无线电信号，该信号来自所述第一蜂窝内的一用户电台。
11.如权利要求10所述方法，其特征在于所述至少一无线电信号是通过所述第一和第二天线中的至少其中一个来接收的。
12.如权利要求9至11任一项所述方法，其特征在于所述的第一和第二天线大致位于同一地点。
13.如权利要求9至12任一项所述方法，其特征在于所述第一天线的位置高于所述第二天线的位置。
14.如权利要求9至13任一项所述方法，其特征在于所述第一和第二天线二者组合成一个天线。
15.如权利要求9至14任一项所述方法，其特征在于所述多个无线电信号中的第二无线电信号用以下方式提供给所述多个蜂窝中与该第二无线电信号相关的第二蜂窝自一第二蜂窝天线以其主瓣朝上的辐射特征图形辐射该第二无线电信号，因而将该第二无线电信号以高于该第二蜂窝天线的方式发射到该第二蜂窝内，同时限制该第二无线电信号发射到所述多个蜂窝中的其他蜂窝内，否则该第二无线电信号有可能在所述其他蜂窝内与所述多个无线电信号中的其它信号产生干扰。
16.一蜂窝通信网基站，该蜂窝通信网适合在一地理区域中提供多个蜂窝无线电信号，该地理区域被划分成多个蜂窝，该基站包括一发信机，该发信机产生一发信机无线电信号，该信号被提供给所述多个蜂窝中的第一蜂窝，该发信机工作在其频率可在所述多个蜂窝中重复使用的频率范围内；第一天线，该第一天线耦合连接到该发信机，目的是将该发信机无线电信号以其主瓣朝下的辐射特征图形发射出去；第二天线，该第二天线耦合连接到该发信机，目的是将该发信机无线电信号以其主瓣朝上的辐射特征图形发射出去；因而将该发信机无线电信号以低于该第一天线且高于该第二天线的方式发射到该第一蜂窝内，同时限制该发信机无线电信号发射到所述多个蜂窝中的其他蜂窝内，否则该发信机无线电信号有可能与所述多个蜂窝无线电信号中的其他信号产生干扰。
17.如权利要求16所述基站，其特征在于该基站进一步包含一收信机，该收信机接收由所述第一蜂窝中用户电台所产生的无线电信号。
18.如权利要求16所述基站，其特征在于所述收信机耦合连接到所述第一和第二天线，因而该收信机通过所述第一和第二天线中的至少其中一个接收由所述第一蜂窝中用户电台所产生的无线电信号。
19.如权利要求16至18任一项所述基站，其特征在于所述第一和第二天线二者组合成一个天线。
20.一基站天线，该天线工作在蜂窝通信的频率范围，该天线包括第一辐射单元组，该第一辐射单元组包含至少两个分开排列的辐射单元，该第一辐射单元组可在第一频率范围工作，该第一辐射单元组具有其第一主瓣在第一方向的辐射特征；第二辐射单元组，该第二辐射单元组包含至少两个分开排列的辐射单元，该第二辐射单元组可在第二频率范围工作，该第二辐射单元组具有其第二主瓣在第二方向的辐射特征，且该第二方向与该第一方向的夹角在3°至60°之间；一机构，该机构使该第一主瓣倾斜在所述第一方向并且使该第二主瓣倾斜在所述第二方向；因而，该天线具有两个主瓣在两个不同方向的辐射特征。
21.如权利要求20所述天线，其特征在于所述第一频率范围和第二频率范围相同。
22.如权利要求21所述天线，其特征在于所述第一辐射单元组和第二辐射单元组可以被同一无线电台所驱动。
23.如权利要求20所述天线，其特征在于所述第一频率范围和第二频率范围并不完全重合。
24.如权利要求23所述天线，其特征在于所述第一辐射单元组可以独立地被第一无线电台所驱动，同时所述第二辐射单元组可以独立地被第二无线电台所驱动。
25.如权利要求20至24任一项所述天线，其特征在于所述天线为一扇区天线。
26.如权利要求20至24任一项所述天线，其特征在于所述天线为一全向天线。
全文摘要
本发明公开在一蜂窝通信系统中建立其蜂窝通信信号在三维空间覆盖、尤其是对城市中高层建筑的高层覆盖的网络、方法、基站及天线。为了扩展基站的覆盖范围至地面上的空间，上仰天线和下俯天线耦合连接在一起共享基站的收发信机，因此共享蜂窝通信频谱、扩展基站覆盖范围且同时避免干扰。该下俯天线覆盖地面；该上仰天线覆盖地面上的空间、尤其是其蜂窝内高层建筑的高层。本发明的一多射束多倾角基站天线可用来替代一下俯天线和一上仰天线，因而只需单个天线就可以提供三维空间的覆盖。在一基站中，该天线的一个射束指向下并覆盖地面，其另一射束指向上并覆盖地面上的空间。
文档编号H04B7/26GK1653841SQ03811326
公开日2005年8月10日 申请日期2003年7月30日 优先权日2002年7月31日
发明者谢元 申请人:谢元