专利名称：利用具有内部天线的cpe的固定ofdm无线大城市区通信网的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线数据通信系统领域。更具体地讲，本发明涉及使用配置以使客户房屋设备(consumer premise equipment)(CPE)能够利用布置在客户房屋内的天线，而不需要具有到基站的视线传输路径的外部可接入天线的正交频分多路复用(OFDM)载波接入调制的固定无线大城市区通信网(MAN)。
背景技术：
利用射频(RF)信号发射和接收数据的无线数据通信系统是众所周知的。一般地讲，无线数据通信技术已经应用到诸如卫星通信或微波塔电信之类的高性能长距离通信系统，或应用到诸如住宅或办公环境内的无线LAN之类的短距离局域网(LAN)通信系统。在长距离通信系统的情况下，需要有一个点对点天线系统，并且在发射机与接收机之间必须有视线传输路径。在短距离无线LAN通信的情况下，由于距离一般不超过1英里，因而可以利用全向天线系统，并且不需要视线传输路径。这种差别的原因是由于在较长的距离上，或当穿过建筑物或墙壁之类的障碍物发送时，RF信号迅速地损耗功率的事实。
大城市区通信网(MAN)是一种能够在大约1至40英里之间的中等范围的距离中通信的网络，例如，一般看到的为整个大城市区提供通信覆盖的通信网。数字用户环路(DSL)业务是利用电话线作为通信媒体的基于有线的MAN系统的一个很好的例子。电缆调制解调系统是利用同轴电缆作为通信媒体的基于有线的MAN系统的另一个例子。MAN系统的一个主要优点在于，它允许与常规电话调制解调速度相比更高速度的数据通信。这种基于有线的MAN的主要问题是，安装和维护高质量电话或同轴电缆通信媒体的成本。固定无线MAN系统具有降低了与安装和维护基于有线的通信媒体相关的成本的显著优点。
固定无线MAN系统的另一个优点是，可以设计无线通信媒体来提供比常规基于有线的MAN系统更高的数据通信速度。这个优点导致迄今为止已经部署的固定无线MAN系统被设计为用于超高性能和相当昂贵的专用网。这些固定无线MAN系统的市场已经有少量的客户，这些客户具有可以证明在单个的基础上这些系统的昂贵和复杂的安装是合理的高速数据通信的需要。有限的客户基础和对超高性能的需要的结果，使现有固定无线MAN系统的设计多数一直沿高性能长距离无线通信系统的路线发展。
尽管在设计RF通信系统时有许多因素要考虑，但是设计固定无线MAN系统中要考虑的一些更重要的因素是分配的频率、信号调制和载波接入调制。分配的频率是指系统可以使用的无线电信号的频率或振荡范围。一个例子是用于在500KHz和1600KHz之间操作的AM无线电信号的分配频带。信号调制是指为RF信号中信息或数据编码的编码方式。一个例子是调幅(AM)无线电信号与调频(FM)无线电信号之间的差别。载波接入调制是指使用分配的载频携带RF信号的方式。一个例子是在相同的分配带宽上使用一个单一的宽信道与多个窄信道之间的差别。
对于本发明来说，固定无线MAN系统的设计集中在小于10GHz的频率范围。已经开发出其它的中距离无线通信系统，例如，在28GHz至31GHz的高得多的频率范围操作的局部多点分布系统(LMDS)。这些更高频率涉及到不同的技术问题，并且需要提供从一个建筑物的顶部到另一个建筑物顶部的视线传输路径的更大的外部天线系统。
由于希望有更高的数据速度，所有的现有固定无线MAN系统都使用了更为复杂的信号调制方案。为了支持更快速度的下行链路传输，这些系统一般使用16位正交幅度调制(QAM)或64位QAM进行至少10Mbps的数据率的从基站到CPE的下行链路发送。
与为短距离通信而开发的并且使用将一个信号扩展到整个分配的频带宽度上的扩展频谱形式的载波接入调制的许多固定无线LAN系统不同，现在已经开发出的极少数的固定无线MAN系统使用多载波调制作为它们的载波接入调制。在多载波调制中，将信号分割成数个并行数据流，并且将这些并行数据流沿不同的较低速度的信道同时发送，然后在接收机重组，以产生较高效率的传输率。IEEE标准委员会指定用作高速无线数据通信的802.11无线LAN标准的扩展部分的多载波调制方案被称为正交频分多路复用(OFDM)。OFDM调制方案有助于更有效地利用分配的带宽，和提高接收更高速度发送能力。
现有固定无线MAN系统的所有这些更为复杂的调制方案一般都要求在每个基站有更昂贵的设备和更高的发射功率。为了利用与每个基站相关的增大的投资，已经对现有的固定无线MAN系统进行了设计，以使为一个给定区域提供覆盖所需的基站数量最少。现有无线MAN系统的典型覆盖区的半径在10至30英里的范围。
也使用较大的覆盖区来减少对相邻覆盖区中重复使用相同频道的需要。由于在所有的现有固定无线MAN系统中使用了更高的发射功率以更高的数据率发射，更高功率的信号防止相邻覆盖区中相同的频道的重复使用，并且甚至能够排除在三到五倍于覆盖区半径的距离上的相同频道的重复使用。结果，较大的覆盖区减小了由不能重复使用相邻覆盖区中的频率造成的问题的影响。
每个基站的较大的覆盖区面积的最大的缺点是，基站与CPE之间潜在的更大的信号损耗或衰减。为了克服更大距离中的这种潜在的信号损耗，和改进在更高功率、更高发射速度下的接收，所有现有固定无线MAN系统使用了需要基站与连接到CPE的外部可接入天线之间的视线传输路径的点对点天线系统。例如，参看图1的现有技术固定无线MAN系统配置，其中在一个单个使用者环境中的CPE，例如，一个住宅中的CPE，连接到一个单个使用者环境的外部的天线，而在一个多个使用者的环境内，例如，一个小办公室中，每个CPE连接到位于多个使用者环境外部的各自的天线。
倘若相对有限的客户基础和对于支配现有固定无线MAN系统的发展的超高性能的需要，提供视线传输路径的外部可接入天线的使用不但是必须的，而且是可以理解的。但是，希望提供一种不需要使用外部可接入天线并且能够更广泛地部署、以更有效地向更多数量的客户提供更高的数据速度的固定无线MAN系统。
发明内容
本发明的一种固定OFDM无线MAN系统在很大程度上满足了上述需要。固定无线接入系统一般包括一个经过以太网接口连接到小型办公室/住宅办公个人计算机或局域网的客户房屋设备(CPE)单元，和经过以太网接口连接到一个网络的基站单元。CPE单元位于一个用作住宅或小办公室的房屋中，具有布置在房屋内部并且易于用户安装的天线。基站单元优选是安装在1-5英里的CPE单元范围内的塔中。CPE单元优选结合一个使得它能够接收来自一个计算机或网络的数字信号、将这个信号变换成一种模拟格式、并且将模拟信号经过优选在2.5-2.686GHz范围工作的射频技术发送到基站单元的内部集成数据收发信机/转换器。基站单元优选结合一个集成的数据收发信机/转换器。一旦接收到信号，基站单元将模拟信号变换回数字信号，并且通过以太网连接传送到个人计算机、LAN、和/或网络。在CPE单元和基站单元之间的上行链路和下行链路发送中使用正交频分多路复用。
固定无线接入系统利用结合OFDM码元的OFDM信号发送。OFDM码元不带训练码元，并且以逐个码元的方式检测。
固定无线接入系统使用分成帧的下行链路发送，和不分成帧的上行链路发送。
图1提供了一个利用外部天线的现有技术固定无线MAN系统的概要；图2提供了一个利用内部天线的本发明的固定OFDM无线MAN系统的概要；图3示出了建立在本发明的一个固定无线接入系统的网孔内的一个单一扇区的概要；图4示出了本发明的一个蜂窝系统；图5示出了一个标准的，现有技术蜂窝重复使用模式；图6示出了一个利用TDMA的现有技术蜂窝重复使用模式；图7示出了本发明的优选蜂窝重复使用模式；图8示出了本发明的系统使用的上行链路和下行链路发送时隙的布局，以及包含在时隙内的消息分组的布局；图9以方框图的形式示出了在本发明的固定无线接入系统内通过射频发射和接收的数据分组的比特流的处理；和图10是具有六个带有30°偏移的60°扇区的网孔的1∶1复用模式的干扰的示意图。
具体实施例方式
图2中示出了一个带有利用本发明的内部天线的计算机房屋设备(CPE)的固定OFDM无线大城市区通信网(MAN)。如图所示，可以将本发明的固定无线接入系统10配置为用作一个单独使用者环境，或一个多个使用者环境，例如，一个局域网。系统10操作以通过使用高可靠性无线电传输技术从和向系统10的使用者传送数据。系统10特别可应用于住宅和小办公/住宅办公室(SOHO)市场。
现在参考图3，图3示出了建立在固定无线接入系统10的一个网孔内的一个单一扇区的概观。如图3中所示，系统10一般包括一个或更多的主机，例如，一个或更多的主计算机12，和/或一个或更多的局域网服务器13，它们经过以太网连接16连接到一个或更多的客户房屋设备(CPE)单元14。每个CPE单元14经过射频与系统10内的一个或更多的基站单元18通信。每个基站单元18经过一个以太网接口19连接到一个或更多的各种类型的网络19，或交换结构，例如，异步传送模式(ATM)。
I.系统组件，组件分布和组件识别每个CPE单元14结合实现与使用者个人计算机12或LAN服务器的以太网通信，以及与基站单元18的射频通信所需的硬件。硬件优选是至少部分地利用现场可编程门阵列(FPGA)技术或ASIC技术实现，并且优选设计为大约10瓦的最大功率消耗。更具体地讲，每个CPE单元14优选结合一个集成数据收发信机/转换器和一个或更多的以太网连接器，例如10Base-T RJ45连接器(10Base-T是IEEE 802.3规定的一种利用双绞导线，也称为无屏蔽双绞(UTP)线，以基带形式携带高达10Mbps的速率信息的传输媒介)。对于集成数据收发信机/转换器，应当指出，可以使用单个组件而不脱离本发明的精神和范围。
为了容易安装CPE单元14，集成数据收发信机/转换器优选结合一个一体的定向天线，以使客户可以将CPE单元14安装在一个相关主计算机12附近和客户房屋内。标准以太网连接器22的使用进一步提高了CPE单元14安装的简易性，并且使得能够容易地使用者安装CPE单元14，以便与它们的主计算机12或局域网服务器13通信。CPE单元14优选具有一种使它能够定位和/或安装在桌面上的大小或形状，这又进一步增加了使用者安装的简易性。
基站单元18结合了实现与一个或更多的各种类型的网络19，或转换结构，例如，异步传送模式(ATM)，的以太网通信，以及与CPE单元14射频通信所需的硬件。优选实现至少部分用FPGA技术或ASIC技术实现硬件，并且优选设计为大约100瓦的最大功率消耗。更具体地讲，与每个CPE单元14相同，基站单元18优选结合一个集成数据收发信机/转换器，和一个或更多的以太网连接器，例如，10Base-T RJ45连接器。对于集成数据收发信机/转换器，应当注意，可以使用单个的组件而不脱离本发明的精神和范围。基站单元18优选附加地装备一个全球定位系统(GPS)接收机，以便为系统分辨率和精度提供时间参考。系统10优选使用一个GPS时间脉冲来提供整个地理分布基站单元18的同步，以避免基站单元18之间的干扰。对于集成数据收发信机/转换器，应当注意，可以使用单个组件而不脱离本发明的精神和范围。
根据图3，基站单元18优选是塔式安装的，以利于一个展开的非视线通信半径。发射电平、天线增益、和接收机灵敏度提供的高系统增益容许基站单元18的非视线操作。如果基站单元18安装在塔的底部，那么在基站单元18与它的天线之间需要有更长的同轴电缆，较长的电缆在系统增益中长度产生较大的损耗，并且会减小一个非视线覆盖范围的给定电平的操作距离。
将每个基站单元18定位在每个分布式蜂窝系统30中，见图4，其中每个网孔32优选包括一个或更多的扇区34，并且每个扇区优选包括一个基站单元18。图4是一个其中每个网孔32具有六个扇区34的示例分布式蜂窝系统30的示意图。每个网孔32优选具有大约1至5英里的通信半径，典型的通信半径是3英里。但是，蜂窝式扇区化基站单元18部署的使用并不限制单个全向基站单元18的使用。更具体地讲，不需要使一个带有多个扇区的网孔像一个单一网孔操作一样地操作。在一个小地理区的例子中，例如，一个小于3英里半径的地理区中，潜在的使用者基数很低，并且一个单独的基站单元18可以满足数据通过容量，因而可以给一个单独的基站安装一个高增益全向天线。
一旦适当地安装了每个CPE单元14和每个基站单元18，每个都能够向和/或从对方发射和接收通信信号。在最基本的条件中，CPE单元14和基站单元18之间的射频通信的组合效果是带有一定额外增强的标准以太网交换的效果。例如，促进了单元14与单元18之间的射频通信，是由于像以太网交换系统一样，给每个CPE单元14和每个基站单元18分配了一个唯一的地址的事实。此外，单元14与单元18之间射频通信优选是以包括了分别指示通信信号来自和/或到哪个CPE单元14或基站单元18的源和/或目标地址的数据分组的形式进行，这又与以太网交换系统相同。如同以太网交换系统一样，也可以在基站单元18与CPE单元14之间通信广播业务，例如，发送到系统10内所有单元的业务。
因此，正如以太网交换增强了以太网系统的操作一样，CPE单元14和基站单元18提供的转换配置进行操作，以通过仅允许在CPE单元14和基站单元18之间传播基本业务；根据数据分组的源和/或目标地址过滤或发送它们而不受中间基站单元18干涉，例如，分布式交换，提高了系统10的性能。此外，如同以太网系统一样，CPE单元14和基站单元18优选执行动态主机控制协议(DHCP)，这个协议是一个CPE单元14和基站单元18通过观察动态地发现对应于连接到一个CPE单元14的主计算机12的高层互联网协议(IP)地址的低层物理网络硬件地址的协议。
更具体地讲，当一个CPE单元第一次联机时，它通过利用它的收发信机开始监视基站单元18的信号。当CPE单元14检测到一个足够质量的基站单元18信号时，CPE单元14向基站单元18登记。基站18利用网络20内的一个鉴别服务器确定CPE单元14是否被允许，并且确定可以有多少主计算机12连接到CPE单元14。然后，基站单元18否认或承认带有允许数量的主计算机12的CPE单元14。一旦向一个基站单元18登记，CPE单元14进入一个学习阶段，通过这个学习阶段，CPE单元14操作以通过观察业务了解层3地址和以太网物理层地址。观察的业务是从数据通信网，即，LAN 13上的一个服务器请求层3地址的一个主计算机12的业务，和服务器的回答的业务中的一个，最好是在DHCP中。
一旦观察到业务，CPE单元14建立连接的主计算机层3，IP地址，和关联的以太网低层物理网络硬件地址的表。在建立这个表时，CPE单元14能够保证它将不通过空中链路向具有对应于一个已经经过LAN 13接口连接到CPE单元14的主计算机12的层3地址目的的基站单元18发送消息。与CPE单元14一样，基站单元18操作以观察业务和建立主计算机层3、IP地址、关联的以太网低层物理网络硬件地址、和CPE单元14的关联的空中硬件地址的表。在建立这个表中，基站单元18能够保证在消息包括一个不在基站单元18的地址表中的层3地址目标时，它将不通过空中链路发送消息。
此外，如同以太网系统一样，CPE单元14和基站单元18优选实现地址分辨协议(ARP)，地址分辨协议是一个终端设备、主计算机和连接到网络的其它计算机用于动态地发现对应于所述主计算机12的关联IP地址的一个连接的主计算机12的以太网低层物理网络硬件地址的协议。
但是，与标准以太网系统不同的是，固定无线接入系统10提供了一个其中一个基站单元18可以回答预定给一个连接到一个CPE单元14的主计算机12的APR请求的ARP代理。通过代表一个CPE单元14，拦截基站单元18承担路由数据分组的责任，并且可以对其作出回答，例如，基站单元18可以送回CPE单元14的实际以太网MAC地址。当然，也可以使用其它和/或附加的代理协议，而不脱离本发明的精神和范围。通过使用ARP和ARP代理，可以保存信道容量，并且可以提高系统10的效率，即，减少了空中广播业务。此外，CPE单元14观察连接到CPE单元14的主计算机12的数据业务。如果业务的目标是另一个也连接到CPE单元14的主计算机12，那么CPE单元14不向基站单元18发送该业务，因此，可以保存信道容量，并且提高系统10的效率。
CPE单元14最好结合一个漫游功能，以使能够把CPE单元14从一个基站单元18的范围内的房屋移动到另一个基站范围内的房屋中，或如果基站将从空间中消失，那么切换基站18。CPE单元14监视所有基站单元18信号的质量，并且在当前基站单元18的信号的质量降低到低于另一个基站单元18的信号质量时，向一个不同的基站18登记。如同向原始基站单元18登记一样，当发生变化时，CPE单元14向新的基站单元18登记，并且附加地将连接于CPE单元14的那些主计算机12的层3地址和以太网物理层地址表传送到新基站单元18，以使CPE单元和新基站单元18之间的表能够适当地同步化。然后，新基站单元18执行无偿的ARP，以更新前一基站单元18的表，以便加快基站单元18的处理速度，将业务适当地切换到CPE单元14，供给其关联的主计算机12。
此外，可以将一个主计算机12从一个CPE单元14断开，并连接到一个不同的CPE单元14。然后，这个新CPE单元14可以经过业务观察到另一个主计算机12活动在其LAN13接口。然后，这个新CPE单元14执行向增加的主计算机12登记，并且将增加的主计算机12的层3地址和以太网物理层地址添加到它的表中。然后，与新CPE单元14关联的基站单元18识别出已经增加了一个新主计算机12，并且操作，在基站单元地址表中建立用于新主计算机12的新项。基站单元18额外地执行一个无偿ARP，以更新其它基站单元18。
II.系统数据传输固定无线接入系统10最好操作在2.5-2.686GHz教学电视固定服务/多点分布服务(ITFS/MDS)频率范围。FCC特许这些频率作为31个信道，每个具有用于双向数字通信的6MHz带宽。在最近的命令中，FCC已经确定将为这些信道许可发布一个总许可证，从而取消了每个使用者登记他们的CPE单元14的需要，并且取消了必须单独登记每个基站单元18的需要。
如上所述，系统10优选是一种其中系统中的每个网孔32分割成一个或更多的扇区34的蜂窝系统30。通过使用蜂窝频率复用和时分多路复用方法的组合，可以用一个6MHz信道支持一个完整的系统。作为替代，可以使用一个以上的6MHz信道；增加更多的信道提高了对于射频通信容量和通过量的系统10容量。
如图4中所示，一个优选系统10使用了其中每个网孔32被分割成六个扇区34，并且带有六个信道，从而一个扇区34在所有时间都可以使用一个信道的蜂窝系统30。在这个优选配置中，系统10提供了1∶1复用模式，每扇区9Mbps(每个网孔54Mbps)的传输率，和每扇区3Mbps(每网孔18Mbps)的数据通过率。优选系统10能够支持每扇区大约300个同时活动的使用者(每网孔1800个)，和每扇区大约1000-1500个用户(每网孔6000-9000个)。将最小系统10设计为支持至少每扇区250个同时活动的使用者。
现有技术的无线系统对于一种频率的复用一般需要至少一个分离的网孔环。例如，参考图5，在网孔32中使用着三种频率，如用三种不同阴影指示的。在图5的配置中，蜂窝系统操作，分离共用由至少一个网孔32建立的相同信道的每个网孔，以便允许在系统的另一部分中使用相同信道的同时，使干扰最小。在另一种现有技术中，使用了无线系统时分多址(TDMA)来减小网孔间的频率干扰。例如，参考现有技术图6，每个网孔32被分割成扇区34，每个扇区34具有其自身的频道，各信道在下一个最近的网孔32中重复。为了能够进行这种频率复用，使用TDMA给每个使用者一个独特的信道内时隙。这样，在最底部的网孔32中，扇区1，一个使用者根据指定的分级时间信号发送，在相邻的右网孔32中，一个使用者根据指定的分级时间信号发送，即在最底部的网孔32之后发送，并且在相邻的上面的网孔32中，一个使用者根据指定的分级时间信号发送，即，在相邻的右网孔32之后发送，等等，从而使每个网孔中的每个扇区1在不同的时间发送。但是，根据本发明，通过以后要进一步说明的使用四相移键控(QPSK)和减小每个网孔的直径，既不需要网孔32的隔离，也不需要网孔间的TDMA，见图7。
在本发明的替代实施例中，每个网孔32可以带有三个扇区34，从而使网孔内使用的时分多路复用法基于一种两网孔模式(六个扇区)。当给这个两网孔模式提供一个单一的6MHz信道时，在每个扇区中的传输发生在六分之一的时间，当为两网孔模式提供两个6MHz信道时，每个扇区中的传输发生在三分之一的时间，当给这个两网孔模式提供三个6MHz信道时，发送发生在二分之一的时间。当然，改变网孔和扇区模式对传输率、数据通过率、和系统10可以支持的使用者数量具有影响。但是，时间分享能力，例如，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶6，等等，使得能够为一个要覆盖的指定区域部署具有较少的频率数的系统10。应当指出，系统10内可以使用其它网孔、扇区和信道配置，而不脱离本发明的精神和范围。但是，也应当指出，增加扇区的数量将使每个基站单元18所需的分离天线的数量增加，从而提高了基站单元18的总成本。
不管准确的蜂窝布局和网孔内时分多路复用工作循环如何，每个扇区34优选将它的规定信道用于称为帧的时间增量的数据分组发送。系统10优选利用时分双工(TDD)来支持每个扇区34中的双向通信。每个帧分割成两个主要部分，一个下行链路发送时间和一个上行链路发送时间。下行链路发送时间最好允许基站单元18在多个下行链路信道时隙100之一中发送，见图8。同样，上行链路发送时间优选允许CPE单元14在多个上行链路信道时隙102之一中发送。优选具有可变的下行链路信道时隙100与上行链路信道时隙102的比率，以使系统能够适合于给定通信业务类型的数据通过速率。比率最好是一个可配置的参数，但是可以在操作期间改变，而不脱离本发明的精神和范围。
每个下行链路和上行链路信道时隙优选包含一个单一OFDM信号的发送，该单一OFDM信号包含一个数据的分组(OFDM优选是数字扩展频谱，尽管数字扩展频谱不为每个在整个频率上发送的码元提供足够的功率，增大功率以支持更长的发送距离将导致信号功率超出分配的带宽的边带干扰)。最好是可以将总的帧持续时间的定时配置到一个优选的标准时间长度。但是，每个帧的持续时间的长度可以从一帧到下一帧地改变，并且可以在网孔和扇区之间改变。应当注意，为了提供上行链路操作的信令和时间/频率参考，一个给定扇区34的下行链路优选发送下行链路发送时间的持续时间，即使一个给定帧或一个帧的一部分没有要在下行链路上发送的数据。
参考图8，每个下行链路发送优选包含一个下行链路消息分组104，该下行链路消息分组104包括一个由主计算机12或网络19产生的连续字节流。每个字节流以一个标志106开始和结束，例如，1或2字节，以标记消息分组的开始和结束。在标志106之间，每个字节流优选包括一个4字节的目标地址108，一个2字节的长度/类型字段110，多达2k的数据字节112，和一个覆盖了地址字段108、长度/类型字段110和数据112的4字节的循环冗余码(CRC)114。
此外，利用一个空中链路MAC协议将下行链路发送部分分成帧，并且优选包含一个帧标题字段(FH)116和多个上行链路信道状态字段(UCS)118，UCS字段118出现在下行链路发送中的一个下行链路时隙的间隔中。此外，每个下行链路OFDM码元以一个八比特码元序列标志(SSF)119开始，SSF 119指示一个下行链路码元是否包含一个帧标题字段116。这样，每个OFDM码元包含一个数据和足以解调码元的检测帮助信息的分组；没有使用包含用于训练的已知固定信息，即，嵌入在码元中以使接收机能够捕获并锁定到发送的数据。
帧标题字段116包含基站单元18的越空地址，和用于基站单元18和正在使用给定基站单元18的CPE单元14的整个操作的给定基站单元18所特有的其它信息。帧标题字段116的优选配置规定了总共八个字节，包括(1)用作一个超帧的开始，一个超帧的结束，和空闲码元的几个标志(每个1比特)；(2)系统标识符，4比特；(3)发射功率电平，4比特；(4)扇区/网孔基站单元地址，4字节；(5)一个指示帧的下行链路部分中的OFDM码元数量的偏移数，4比特；(6)时分多路复用因数(例如，1∶1，1∶2，1∶3，等等)，4比特；和(7)循环冗余码(CRC)，1字节。
上行链路信道状态(UCS)字段118包含有关是否一个上行链路信道时隙102正在被使用的信息。这样，在前“n”个下行链路码元的每一个中有一个UCS字段118，其中“n”是帧中的上行链路时隙数量。如果时隙102正在被使用，那么UCS 118包含(1)正在使用特定上行链路信道时隙102的CPE单元14的越空地址；(2)是否保留了上行链路信道时隙102，和为哪个CPE单元14保留的；和(3)用于给定上行链路信道时隙102的控制的其它有关信息。UCS字段118的优选配置规定了总共六个字节，包括(1)移动地址，4字节；(2)使用中的时隙，1比特；(3)确认(Ack)，1比特；(4)预留(preempt)，1比特；(5)保留的，2比特；(6)服务质量(QoS)，3比特；和(7)循环冗余码(CRC)，1字节。
UCS字段118的移动地址一般是指使用在前帧中的给定时隙102的CPE单元14。但是，它可以指将要使用当前/下一个帧的上行链路发送部分中的时隙102，但以前可以一直未使用时隙102的一个CPE单元14。“使用中的时隙”是指给定时隙102是否可在当前帧的CPE单元14发送部分中用于随机存取。“确认”是指在前帧中给定时隙102中的上行链路发送结果。CPE单元14在发送一个新数据块之前必须重新发送任何错误的数据块。“预留”是指在下一个帧的CPE单元发送部分中为一个“新”CPE单元14保留的时隙102。“保留”比特不被使用。“服务质量”(QoS)是指在当前帧的CPE单元发送部分中的时隙102的优先等级，即，只有指定的或高优先等级的使用者才被允许在当前帧的上行链路发送部分中的给定时隙102中发送随机存取脉冲串。CRC是与在帧标题字段116中使用的相同的多项式，并且覆盖UCS字段118中的所有其它字段。
下行链路为经过UCS字段118在上行链路上发送提供了由CPE单元14进行的媒体接入控制(MAC)。下行链路提供的MAC优选使用空中链路MAC协议。这个MAC优选担当时隙-ALOHA媒体接入作用，为使用者提供对CPE单元14和基站单元18之间的空中链路的请求式接入，提供了用于从CPE单元14扩展消息发送的隐含附加时隙保留。优选在UCS字段118中提供服务质量(QoS)，以控制被允许的接入的服务。
在图9中的方框图的每个低层中调节字节流，以便通过CPE单元14或基站单元18发送。如图所示，字节流首先受到前向纠错编码，例如，由里德/索洛蒙块编码器40和卷积编码器42提供的前项纠错编码。里德/索洛蒙块编码器40操作，将里德/索洛蒙奇偶性的字节，例如，十个奇偶性字节，加入到字节流中，可以改正其中一定数量的字节错误，例如五字节错误。在里德/索洛蒙块编码器40之后，将字节流以串行比特流的形式输入到卷积编码器42。卷积编码器42优选是一个操作将冗余位添加到比特流中的半速率卷积编码器。注意，优选将里德/索洛蒙码字以7的限制长度、35的深度、和0.5的编码率输入到卷积编码器42中。当然，也可以使用其它限制长度和编码率，而不脱离本发明的精神和范围。
在本优选实施例中，用里德/索洛蒙块编码器40和1/2速率卷积编码器42编码字节流，以使用672个载波。更具体地讲，利用两比特调制携带数据信息的这672个载波，提供了每码元发送的1344比特的数据。为随机错误对这1344比特的数据进行1/2速率卷积编码，以在接收机接收并卷积译码时剩下672数据比特。这672个数据比特包括84个数据字节，它们被利用里德/索洛蒙编码分离成要传送的74个有效负载数据字节，和10个纠错字节。当接收这84个数据字节时，执行里德/索洛蒙译码纠错(如以下要说明的)，以改正可能是错误的多达5字节的数据，这纠正了接收的突发性误差。
将离开卷积编码器42的比特流提供到一个信号映射器44，信号映射器44优选是由交插器方框46和“比特至QPSK码元”方框48组成的。信号映射器44操作，以便用特定的跨度和深度，例如，分别是32和42，交插从卷积编码器输出的比特。然后，将1/0的比特值编码到-1/1，并且随后把未调制的双比特，例如，三个未调制的双比特(0，0)插在比特序列的中央，以形成一个675信息双比特总序列，每个信息双比特调制一个四相移相键控(QPSK)子码元。中央三个载波的空出或不调制，排除了保存调制信号中DC和低频内容的需要，这简化了发射机和接收机的涉及约束和实现。
对信息载波使用QPSK调制为最佳化蜂窝系统作出了准备。更具体地讲，对载波使用QPSK调制，为一个给定数据通过率提供了最佳载波-干扰比。这个最佳载波-干扰比为使用1∶1频率复用模式的蜂窝部署类型提供了基础。这使得每个网孔能够在一个六扇区的网孔中使用相同的六个频率。更高级的调制需要更大的载波-干扰比，从而需要比QPSK调制系统更高的频率，即，三倍或更高倍数的频率。
为了进一步说明，现在参考图10，图10示出了对于一个具有六个带有30°偏移的60°扇区的网孔的1∶1复用模式的干扰，其中1的距离代表一个扇区的顶点，R。在这个图中，站点X是主发射站点。将受到干扰的用户是A，B和C。干扰站点是T和U。在T和U下方和右面的网孔也将加入到干扰因素中，但是比T和U的程度小得多。那么干扰电平如下(在以下的分析中使用了A1/R4传播损耗因数)1.“A”将受T和U的干扰。干扰电平大约是14.84dB。
2.“B”将受T和U的干扰。干扰电平大约是14.84dB。
3.“C”将受T和U的干扰。干扰电平大约是13.9dB。
在考虑到定向天线的辐射模式时，存在一个2至4dB的附加保护。
利用QPSK的OFDM的信令仅需要5dB的SNR(信噪比)保护来取得10-6的比特差错率(BER)。六扇区网孔提供了至少8dB的附加干扰保护。对于相同的码元差错率，更高级的调制需要比QPSK更高的SNR。下面的表给出了调制级和相对于QPSK更高级的调制所需的附加保护。
传输率是一个用于调制之间比较的传输率的例子。附加的保护是更高的调制取得与QPSK相同的码元差错率所需的附加SNR量。这个附加保护对于来自同信道站点的干扰保持为真。所需的附加保护电平接近或超过来自上述六扇区1∶1蜂窝模式的可用容限。复用因数是建立一种能够提供需要的保护的复用模式所需的信道组数量。经验法则是，对于调制级每增加一倍，附加保护需要增加3dB。3dB功率的增加可以转换为导致不能取得相邻网孔之间的1比1频率复用比的传播距离的增加。
那么，可以把效率因数计算为相对于QPSK的比特/秒/Hz/面积。本发明使这个效率因数最大，为固定OFDM无线MAN建立一个高效蜂窝系统。本发明认识到在考虑整个蜂窝网时，较高级调制具有较低的效率因数。因此，对于在一个蜂窝网中的一个给定区域上使用最小频谱量的蜂窝系统，QPSK是最佳调制方法。也应当注意，由于多径条件，较高级调制需要用于较高衰减容限的信号电平。
接下来，继续信号调节的讨论并且再次参考图9，对输出信号映射器44的QPSK子码元执行调制，优选是正交频分调制(OFDM)50。如图9中所示，OFDM 50优选包括以下步骤。首先，在信息双比特间均匀地插入具有调制双比特值(1，1)的导频子码元，在6MHz信道的顶部和底部插入未调制保护子码元，和加入带外子码元以形成一个希望的总子码元序列长度，例如，每OFDM码元1024个子码元，见方框52。接下来，将一个符号位随机函数发生器应用于子码元，见方框54。更具体地讲，优选将子码元序列乘以一个伪随机噪声(PRN)序列，以消除由于数据+导频+保护+带外子码元的非随机性质造成的幅度尖峰。
OFDM中的接下来的步骤优选包括一个对于现在随机化的子码元序列进行一个逆快速傅立叶变换，见方框56。在变换完成之后，将一个循环前缀/后缀插在下行链路码元的开始，见方框58。现在完成了调制，优选将数字序列传送到一个低通滤波器，并且如果需要的话，在输入到数模转换器之前，内插到更高的频率速率，见方框60。最后，将序列传送到一个数模转换器62，并且经过模拟无线电电路从CPE单元14或基站单元18发送。
OFDM操作至少部分地消除多径效应，例如，相长和破坏性干扰，以及信号的相移。多径是一种导致无线电信号通过两个或更多路径到达接收天线的传播现象。
再参考图8，每个上行链路发送优选包含一个上行链路消息分组120，上行链路消息分组120包括一个已经由计算机12或网络19产生的连续字节流。每个字节流优选包括一个4字节目的地址122，一个4字节源地址124，一个2字节长度/类型字段126，60个数据字节128，和覆盖地址字段122和124、长度/类型字段126、和数据128的32比特的循环冗余码(CRC)130。注意，通过上行链路发送，不将消息分组120分成帧，下行链路发送也是一样，但是，预期有固定数量的上行链路信道时隙102，例如6个。可以配置系统10以使每个给定CPE单元14能够仅在一个给定帧的一个上行链路信道时隙102中发送。但是，也可以替代地配置系统10，使得来自一个单一CPE单元14的多个上行链路消息在多达每帧的上行链路时隙102数量中同时处理。因此，受到MAC层的控制，一个单独的CPE单元14可以通过使用每个帧中的两个或更多的上行链路时隙102，如果希望的话，可以使用该帧中的多达上行链路时隙102的总数的上行链路时隙102，来提高它的上行链路通过量。
通过图9中的上层方框图调节字节流，以便CPE单元14和基站单元18接收。如上所述，CPE单元14或基站单元18经过模拟无线电电路接收模拟信号。然后，将模拟信号传送到一个模数转换器70。在一个自动增益控制环路中对模数转换器的输出进行抽样并且作为反馈输出，从而使模数转换器保持在线性操作范围，见方框72。模数转换器的输出也传送到“数字LPF和抽取器”方框74，由此将数字输出转移到优选使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)技术的DSP，和低通滤波。现在信号是OFDM码元形式。
对OFDM码元进行的操作，在完成接收的下一个步骤是从OFDM码元除去循环前缀和后缀，见方框76。然后对接收的OFDM码元执行快速傅立叶变换，见方框78。然后，实现一个符号位去随机函数发生器，见方框80。通过方框82和84分别提供0FDM码元的粗定时/粗频率，和精定时/精频率。
粗定时优选通过将一个给定OFDM码元的循环前缀与码元的内容相关而完成。更具体地讲，作为码元的一个重复部分的循环前缀使得接收机能够执行一个自动相关功能，以在数个抽样的时间内确定一个码元的开始。一旦通过观察数个码元(不需要这些码元是固定的数据内容，训练码元)捕获了粗定时，那么接收机能够逐码元检测。优选通过导频信号相关获得粗频率。更具体地讲，接收机根据导频信号在频域中执行自动相关，以确定接收机载波的频率。
优选通过评估导频信号的相位来完成OFDM码元的精定时。导频信号是以已知的相位发送的，因而使得接收机能够利用这种已知的信息精确地确定一个码元的开始时间，精度好于一个抽样的分数。优选从循环前缀获得OFDM的精频率。将循环前缀用于将载波的频率精确地调谐到发射机的载波。一旦接收机获得了粗定时和精频率，接下来调节每个OFDM码元，以获得精定时和粗频率，使得接收机能够改进码元检测、改进接收灵敏度、和改进误差性能。
接下来，使OFDM接受解调，解调包括经过导频处理的信道均衡化，见方框86。通过现在解调的OFDM信号，提取导频、保护、和带外子码元，剩下一个信息双比特的总序列，它们每个调制成一个四相移相键控(QPSK)子码元，见方框88。然后优选将QPSK码元提交到一个信号去映射器90，信号去映射器90包括将QPSK码元返回到1/0比特值的方框92，和将比特去交插的方框94。信号去映射器90有效地操作，将比特排列成与发送的原始信号相同的顺序。信号去映射器90的输出是一个串行比特数据流，优选将这个串行比特数据流提交到一个维特比译码器96，在这里将这个串行比特数据流的比特率降低一半，以改正错误。然后，优选将维特比译码器96的输出提交到一个里德/索洛蒙块译码器98，里德/索洛蒙块译码器98操作，以改正提交的数据流中的剩余错误。
然后，提交上行链路数据流，以在基站单元18中进行循环冗余码(CRC)校验。CRC校验是一种数据通信中错误检测技术，用它来保证数据分组准确地传送。CRC是对于发射机，例如，CPE单元14，附加到数据分组的发送比特组的计算的结果，如前面根据上行链路发送说明的那样。在接收机，例如，基站单元18，重复进行计算，并且把计算结果与编码值比较。选择适当的计算以优化错误检测。如果CRC校验良好，那么处理数据分组。如果CRC校验不好，那么拒绝进一步处理数据分组，如同基站单元18根本没有接收到这个分组一样。
如上所述，可以看到，本发明的固定无线接入系统10能够提供每分配频谱的多信道多点分布式服务(MMDS)操作器最大通过量和使用者容量，并且容易在基站和客户方进行网络部署。更具体地讲，系统10可以支持比其它现有无线系统更高效率的通过量，通过量可以定义为用户密度乘以每个用户的数据通过率。对于客户方，使用者完全可以利用简单的以太网连接器安装CPE单元14，并且不需要向FCC登记。此外，基站单元18设计的蜂窝和扇区化结构为分配的信道组的完全频率复用提供了基础，这能够使网络规划更容易，并且能够遵照用户密度改变网孔的大小，即，优选用多个相邻较小的网孔定址高客户密度，而不是用一个单一的大网孔。
对于固定无线接入系统10的零售实现，产生如下的情况(1)系统10的潜在终端使用者到一个零售电子商店购买CPE单元14；(2)零售商给终端使用者提供在提供固定无线接入系统10的区域中的服务提供商的合同；(3)终端使用者与服务提供商接触，并且给服务提供商提供使服务提供商能够开通终端使用者的专用CPE单元14所需的信息；和(4)如前面所述，终端使用者利用它的内部天线安装CPE单元14，以便与系统10交互作用。服务提供商不需要派遣服务人员到终端使用者的房屋安装CPE单元14。当然，也可以使用其它零售实现方式，而不脱离本发明的精神和范围。
固定无线接入系统10的应用包括，但不限于(1)高速数据应用，例如，因特网接入(DSL速度)，远端接入电子邮件主机，WAN/LAN扩展，远端MIS支持业务；(2)电话，例如，因特网电话，通过因特网协议的话音(VoIP)；视频，例如，视频会议，视频流，远端图像摄像机监视，远距离学习，遥测治疗。
本发明可以以其它特定形式体现，而不脱离其基本属性的精神；因此，应当将说明的实施例在所有方面都考虑为说明性的，而不是限制性的，本发明的范围是参考附属的权利要求指出的，而不是参考上述说明书指出的。
权利要求
1.一种在计算机房屋设备单元与多个基站单元之间建立通信的方法，包括步骤使用者将所述计算机房屋设备单元安装到位于房屋内的主机，其中所述计算机房屋设备单元完全包含在所述房屋内；一旦所述计算机房屋设备单元被使用者安装，自动通过射频通信向所述多个基站单元中的一个进行登记。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述登记步骤是根据所述基站单元发射的信号质量进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括所述一个基站单元确定所述计算机房屋设备单元向所述一个基站单元的登记是否被允许。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括所述一个基站单元拒绝或确认所述计算机房屋设备单元。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述计算机房屋设备单元连接到多个主机，和其中一旦所述计算机房屋设备单元向所述多个基站单元中的一个进行登记，所述计算机房屋设备单元将连接到所述计算机房屋设备单元的那些主机的地址发送到所述一个基站单元。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述主机是从由一个单个主计算机和一个多个计算机的网络构成的组中选择的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述计算机房屋设备单元经过以太网连接连接到所述多个主机。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述射频通信是在10GHz下进行的。
9.一种用于建立固定无线系统的方法，包括从零售商购买计算机房屋设备单元；一旦购买了所述计算机房屋设备单元，获得服务提供商的合同；与所述服务提供商接触，以提供有关购买的计算机房屋设备单元的信息；使用者安装所述计算机房屋设备单元；和自动地将所述计算机房屋设备单元向所述固定无线系统中以前建立的多个基站单元中的一个进行登记。
全文摘要
一种固定无线接入系统(10)包括一个通过以太网接口(16)连接到一个个人计算机或局域网(12)的客户房屋设备(CPE)单元(14)，和一个通过以太网接口连接到一个网络的基站单元(19)。因而，CPE单元(14)最好是易于使用者安装的，而基站单元(19)最好是塔式安装在客户房屋设备单元的1－5英里范围内。CPE单元和基站单元最好结合一个能够在2.5－2.686GHz范围中操作的射频空中链路的集成数据收发信机/转换器。在CPE单元和基站单元之间的上行链路和下行链路发送中使用正交频分多路复用。
文档编号H04W99/00GK1758621SQ20051011365
公开日2006年4月12日 申请日期2000年10月23日 优先权日1999年10月22日
发明者梅尔乌·格林达尔, 弗拉迪米尔·Z·克尔曼, 斯图·弗勒利克, 基思·巴恩斯, 埃里克·邓恩 申请人:耐克斯特奈特无线公司