广域无线分配系统的制作方法

文档序号:7575238阅读:340来源:国知局
专利名称:广域无线分配系统的制作方法
技术领域
本发明涉及一个用于有关语音、图象、声频、电视和数据应用的点到多点无线通信系统。系统可以是多功能、多小区、单向、双向和/或多向的。该系统设计的无线频率范围从54MHz到140GHz,因此包含UHF/VHF TV广播频段和MMDS,LMDS,MVDS以及本专利目前定义的其它频段。
到1996年6月13日为止,还没有开发出在MMDS或更高频率上的MPEG2数字电视系统,也没有高频(20GHz到45GHz或以上)点到多点系统可以在世界上工作。同样,世界上没有点到多点无线ATM系统可以工作。另外,世界上也还没有已知的MPEG2交换和复用系统可以工作。因此,本专利所讨论的系统设计是独特和新颖的。
背景目前,多蜂窝数字电话系统在世界上许多国家得到应用,其中使用了诸如数字调制技术、公共控制信道、以每个电话呼叫为基础的动态功率调整和动态信道分配等设计基本原理。这些系统通常为便携或移动用户服务,其设计针对移动便携环境的限制。具体地说,这些限制是指在移动/便携位置使用全向天线、小区位置使用全向天线或扇形天线、在移动/便携位置使用相同的Rx/Tx方向图,以及由小区位置和移动/便携位置天线高度、移动/便携位置的移动和移动/便携位置处最小天线方向性等因数综合导致的严重多径和时延扩散。
工作在13和18GHz的通信和有线电视中继链路出现已有一段时间,其中分配的频段上有导频音插入。这些导频音用于到接收机的自动增益控制(AGC)电路的反馈,以及为接收机提供一个参考频率以得到与发射系统振荡器锁定的低成本、高稳定性本地接收振荡器(LO)。这一特点允许在发射位置使用成本更高的高稳定性LO,以降低网络成本和便于业务用户更容易接入。
使用2.50到2.686GHz频段的模拟MMDS系统目前在全球范围内使用。这些系统采用同频转发/放大、交叉极化和频率偏移技术的系统设计概念,以在指定覆盖区域内提供多小区分配。
到1996年2月为止,提出了数字MMDS系统并为其提供了北美2.5到2.686GHz频段,用于数字有线电视的广播分配。到1997年6月为止,在加拿大和美国已实现了几种数字MMDS系统,其中最早的两种商用系统是由Broadband Networks公司在加拿大的两个省,Manitoba和Saskatchewan建立的。这些系统向用户区域提供数字MPEG2编码电视信道。这些系统使用多蜂窝设计原则,其中取决于天线的方位、定向和极化方向,单个用户可以接收来自一个以上分配塔的信号。
用于以下频段的多蜂窝系统也被提出美国的28GHz LMDS频段,加拿大的26到30GHz LMCS频段,欧洲、亚洲、北美和南美的40.5到42.5GHz MVDS频段,一些国家的23到24GHz频段以及一些国家的38GHz频段。在题名为“低功率多功能蜂窝电视系统”的加拿大专利1,333,0889中包含了28GHz系统的一种设计型式。
这些多蜂窝系统设计将采用许多用于模拟MMDS、数字MMDS、蜂窝电话和PCS系统设计的同一原则。
在某些文献中可以找到对定向天线的使用,例如美国专利第3,041,450号,其中描述了使用定向接收机接收来自一个全向发射天线的信号。讨论极化接收或在无线发射中使用水平-垂直极化的其它专利包括美国专利2,992,427;3,882,393;4,220,923;4,321,705;以及4,521,878。
在系统的设计中,以发射机位置设计、接收机位置设计、共信道和相邻信道抑制性能以及传播信道的特性为基础,适当使用了高级调制和接收技术,例如由Broadband Networks,Broadcom,Comstream,EF Data,RF Networks,Raydyne,Stanford Telecom,Qualcomn,Fairchild,Inficom和SICOM公司实现的技术。使用m-维FSK、m-维PSK、16/64/256 QAM、OFDM、COFDM及其变形、带有正交和准正交编码的直接序列扩频、带有同步发射的跳频扩展频谱以及其它高级调制技术和方法,可以使设计的系统在各种用户级别和小区位置成本、功能和性能级别上工作。所述系统具有根据灵活带宽技术构成的频段,可以在信道带宽从0到40MHz及以上的系统中使用任何这些调制技术。
SICOM(美国)已向社会宣布实现了很长的数字无线链路,其中使用无线传播在Hawaii和Arizona的Phoenix之间建立了一条视频会议链路。这条链路没有使用天波反射,而是通过与OFDM调制技术及其变形有关的技术能力实现的。
用于蜂窝电话、陆地移动无线、无线通信和其它系统的固定信道分配方法包括频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、时分双工(TDD)和码分复用(CDM)。在K.Pahlacan和A.H.Levesque所著的参考书《无线信息网》中研究了这些技术。
已有某些公司(例如Lasertron和Anacom)以及科研机构的研究人员(例如与加拿大西部TR实验室有关的人员)对在远端发射、接收或收发小区位置和中心小区位置之间使用光纤或同轴链路的可能性进行过讨论。这些连接类型的主要目的是减少远端位置处的数字设备数量,同时增加用户群的接收和发射分集。在本专利文献中描述的系统内也可以使用这些相同的原理。
目前有多家厂商正提供在现有双绞铜线对上实现宽带通信或延长通信距离的产品。这些厂商包括Pairgain和TUT Systems。与这种设备有关的技术被称为ADSL(不对称数字用户环路)和HDSL(高比特率数字用户环路)及其它变形。AT&T还提供了一种CAP(无载波AM/PM)收发机芯片,该芯片与通过100米第三类UTP(无屏蔽双绞线)电缆提供51,84Mbps全双工能力的ATM论坛标准兼容。在更长的环路或级别更低的电缆上提供25-92Mbps的较低速率。另外,Broadcom(美国)指出现有技术实现可能直接在UTP链路上提供QAM基带信令,从而通过与无线网的简单连接提供较高的带宽。
反复用是一种应用多条较低速率数字链路以提供单条更高速率数字链路的技术,它已在连网领域中使用多年。人们可以查阅标准设备目录,以寻找用于电缆/有线网的反复用设备。到1997年为止,ATM论坛产生了一个反复用标准,以允许通过多条较低速率信道正确传送OC3(155.52Mbps)数据速率。
统计复用是一种根据每个数据源的统计特性把多条深入数据线路复用为较小的集合线路速率的技术,该技术已出现一段时间。由D.E.McDysam和D.L,Spohn所著的参考书《ATM理论和应用》中简要讨论了统计复用。当存在突发信源(峰值速率与平均速率之比大于10)的时候以及信源峰值速率与链路速率之比低于0.02时,统计复用非常有用。例如,如果Internet住宅用户可以提供1.5Mbps的峰值速率,但平均速率只有0.15Mbps,峰值速率与平均速率之比等于10。另外,如果这些用户与一个输出链路速率为155Mbps的统计复用器连接,峰值速率与链路速率之比等于1.5/155=0.01。根据书中所示平均值曲线,这种数据速率配置允许大约750个用户与一个155Mbps统计复用器连接,而信元损失率仅为百万分之一。注意集合平均速率就是0.15Mbps*750=112Mbps。
目前可用的天线技术包括由英国Flann Microwave,美国Millitech,美国Endgate,美国Gardiner以及全世界许多其它天线生产商提供的技术。这些生产商生产用于住宅和商用的用户天线,天线增益范围从15dBi到42dBi,并具有各种前后比、旁瓣电平、波束宽度、带宽和交叉极化鉴别电平。以下所述系统设计中使用的天线技术可以包括介质透镜、简单的馈电喇叭、平面阵和微带天线以及全向和扇形天线系统的各种设计。所有这些天线类型都可能在系统设计中应用,这取决于调制类型、覆盖区域、允许的扇形划分、系统使用者要求以及各种其它影响因素。
来自美国Arraycomm的可用专利技术以动态可调整的天线方向图为基础,可以把带宽提高为原来的2至3倍。这些方向图能有效改变其主波束和旁瓣性能,以从环境中接收最大信号,并滤除可能出现的任何干扰信号。这些技术是动态分相阵列概念的扩展。这些天线技术也可用于这里描述的系统。文献[“具有自适应天线阵的高通过量时分式ALOHA分组无线网”,IEEE通信学报,卷41(3),1993年3月,pp.460-470]讨论了一种多波束自适应阵(MBAA),用来在每个波束内接收不同用户发射。这种天线类型也可以在本系统范围内使用,而不改变系统的基本设计特点。
由A.A.R.Townsend撰写的参考文献“数字视距内无线链路”讨论了用于在微波级合并信号的常用分集技术。这些技术针对链路上的选择性衰落现象提供保护。具体地说,空间分集合并技术可以在微波、IF或数字基带级实现,以使性能得到明显改善。本文中,表8.5说明了在无线链路上同时使用均衡和空间分集时实现的链路可用性增益。以该结论为基础,可以预计由于使用了这些技术,包含本专利所述系统的点到多点链路在多径导致的选择性通信中断方面将取得明显的性能改善。
在这些文献中还讨论了用于抵抗降雨衰减和降雨去极化的常用分集技术。唯一有效的降雨衰减分集方法是路由分集,其中使用2条或多条路由连接两个位置。这种方法的原理是降雨衰减将只影响一条路由,而不会同时影响两条。为了产生理想的效果,两条路由必须分开一定距离,该距离要大于使用这种技术抵抗衰减的降雨小区范围。另外,当降雨速度(毫米/小时)增加时,我们知道降雨小区范围将缩小。因此,在降雨速度很高的系统设计中,可以使用距离只相隔几公里的路由分集。在给定毫米/小时降雨速度下,降雨小区的范围将随地区而不同。就我们所知,在多小区城市网中对路由分集效果的分析有限.这是因为大多数无线网的发射频率都低于10GHz,这时降雨并不是主要关注的因素。
在A.A.R.Townsend撰写的参考文献“数字视距内无线链路”及K.Pahlavan和A.H.Levesque撰写的参考文献“无线信息网”中讨论了通常使用的均衡技术。
在K.Pahlavan和A.H.Levesque撰写的参考文献“无线信息网”中简单讨论了扇形天线对无线系统容量性能的影响,不过应该指出文中没有讨论使用扇形划分同时发射不同数据流。
在K.Pahlavan和A.H.Levesque撰写的参考文献“无线信息网”和几篇学术论文中指出只有使用FM调制的时候,俘获效应对ALOHA网通过量才有影响。俘获有效地提高了使用ALOHA的多址系统的性能。俘获效应使ALOHA网的性能扩展到书中通常讨论的性能之上。
通过购买IEEE 802.11兼容套片(chipset)或使用来自Echelon(美国)、SMC(美国)或其它厂商的LON(本地操作系统)套片可以获得在中等大小区域内的多个节点之间实现控制结构的可用协议。另外,在诸如K.Pahlavan和A.H.Levesque撰写的“无线信息网”等参考文献中讨论了媒体接入协议。到1997年6月为止,在与IEEE802.14标准有关的小组、ATM论坛无线ATM工作小组(主要研究PCS系统),原先处于802.14小组之下的MNCP MAC标准、IEEE 802.11 MAC和DAVIC小组内正在进行有关用于无线ATM和无线IP网络的MAC协议的工作。DAVIC标准用于1.5Mbps标称数据速率的TDMA上行接入,并使用ATM信元来承载信息。
另外一些参考书和学术文章讨论了对于很长的链路(例如卫星通信和卫星间通信网中出现的链路)如何实现媒体接入协议。这些媒体接入协议讨论了传播时间、消息长度、链路层设计和媒体接入有效性之间的关系。
当前对设计的各个方面具有影响的标准范围包括用于交互式电视市场的DAVIC协会结构和协议、MPEG2 DSM-CC消息结构和协议、ETS工标准化过程中涉及层结构的HiperLan活动、用于媒体接入方法以及子网(不同HiperLan)创建和注册的层结构、关于适合无线链路的前向纠错控制和滤波处理的DVB(数字视频广播)标准、关于局内LAN协议和媒体接入方法的IEEE 802.11 VLAN标准、以及用于以MAC为基础的电缆系统的IEEE 802.14小组。在[“用于TDMA无线接口的统计复用接入机制的性能”,IEEE个人通信,1995年6月,pp.56-64]中可以看到有关统计复用及其对TDMA无线接口影响的其它研究结果。在这篇论文中,作者讨论了第三代TDMA和MAC接入结构的可选方法及其有关性能分析。尽管第二代TDMA接入结构采用固定时隙分配,该论文中讨论的第三代TDMA方法在一次呼叫期间提供时隙的重分配。不过,这种方法没有讨论在使用信道时RF信道带宽变化的灵活FDMA或灵活TDMA技术。
许多论文中讨论了无线系统的资源分配问题,其中包括[“用于TDMA无线接口的统计复用接入机制的性能”,IEEE个人通信,1995年6月,pp.56-64]。任何具有多个载波并在用户开始一次连接或进程时将其动态分配给用户的无线系统都存在资源分配问题。资源分配问题包括根据诸如可用时隙数、可用时隙质量、系统的当前用户数、业务请求类型、不同业务的优先级以及其它判据等信息,为某个用户指定频率、信道带宽和时隙。文献[“带有功率控制的分布式自动无线信道分配算法”,IEEE汽车技术学报,卷44(3),1995年8月,pp.420-429]讨论了资源分配问题的某些方面,并描述了一种使用指定参数提供服务程序的算法。文中没有讨论无线ATM系统。
尤其与城市链路上的功率-时延分布有关的其它传播现象指示可能在两个定向天线之间建立一条城市视距内(LOS)链路,并允许该链路以155Mbps的数据速率工作。当然,155Mbps是一个极有用处的速率,因为只要不在数据流中附加其它纠错或成帧比特,它就能允许发射SONET数据速率。与这些数据速率有关的信息由加拿大西部的TR实验室提供。
加拿大CRC(通信研究协会)以及Andrew Corporation等天线公司研究了中继天线和分配天线之间的隔离问题。中继天线之间的隔离度通常能够实现100到130dB的隔离,允许在一个小区域内构建密集天线子系统。但在各种文献中还没有广泛研究分配天线(全向、心形天线等等)和位于同一塔内的中继接收天线之间可实现的隔离。在模拟MMDS系统中,增强位置设备所要求的隔离一般要允许能实现约45dB的C/I(载波干扰)比,这表示80dB的隔离只能允许使用35dB的增强位置增益.正如在以下系统设计中指出的那样,数字系统可以容纳更高的C/I电平(例如对于16-QAM是25dB,对于64-QAM是31dB,对于QPSK调制是20dB),因此允许在转发(增强)位置使用更高的转发(增强)增益。(在模拟系统中,采用术语增强,在数字系统中,采用术语转发。这两种位置类型的功能相同,都是指接收天线接收来自一个更远位置的信号,并把这个信号提供给作为增益设备的转发功率放大器,转发器的输出与一副分配天线连接。)在模拟MMDS系统中使用这种位置类型覆盖被屏蔽的区域。对于数字系统,这种位置类型用于把信号从一个位置中继到另一个位置。当这两种功能类型集成到一起时,在数字MMDS,LMCS,LMDS和MVDS系统中就存在一个位置,其中分配和中继天线位于同一个塔内。
在各种文献和论文[“用于数字广播的单频网络中的通信中断概率”,IEEE广播学报,第39卷第4期,1993年12月,第395页]讨论了单频网络(SFN)。SFN是一种同播网络,其中区域内的多个发射位置发射同一数据流,等效于一个同播多小区系统。(注意这不同于下面讨论的系统,在后者中每个小区位置发射不同的信息流)。这篇论文指出,对于广域网,用一般功率就可以实现很低的中断概率,因此支持低功率多小区系统的解决方案。这篇论文中讨论的SFN使用COFDM(编码正交频分复用)方法对付用户移动终端出现的干扰。不过要注意,移动终端必须使用可在环境内随意移动的全向天线。下面提出的系统设计通过在用户住宅处使用定向、固定位置天线实现了与固定宽带系统同样的频谱效率和频率使用率。
如果考虑干扰和热噪声的双重作用,上面提到的论文还进一步提高了低功率多小区系统的效率和用途。在发射机功率很低时,系统性能和链路系统受热噪声的制约。在发射机功率很高时,系统和链路性能受系统产生的干扰的制约。只有使用属于低功率方案的合适发射机功率时,干扰和热噪声才能达到平衡,使得链路性能最优。分析SFN的RF系统性能对以下讨论的系统设计是很重要的,因为密集频率再用值为1时,多小区系统非常类似一个SFN,只是从各小区位置发射的信息不同。
在用户位置,目前的大多数无线系统都使用用户住宅处的单副天线,通过合适的天线共用器同时提供发射和接收功能。不过,以下描述的系统可以在用户住宅处使用两副天线,以提高可以在发射和接收方向实现的隔离度。对于高频网络使用两副天线是可能的,因为两副天线的体积很小。这种方法提高了隔离度,从而允许使用接近于1的更密集频率再用值。注意与为移动环境设计的无线系统不同,为固定位置环境设计的无线系统设计在用户住宅处使用定向天线,并选取用户天线在商用或住宅楼房顶上面或下面的最佳位置。这些优点意味着固定位置无线网链路由于多径和干扰遇到的问题要少得多。另外,与移动环境不同,固定位置系统通常使用的用户天线位置距地平面20英尺高或以上。因此多径的发生和多径的严重性也减少了。由于多径影响降低,在小区位置使用交叉极化变得容易,从而允许在小区位置的相邻扇区之间进行交叉极化组合,使整个系统内的密集频率再用方案成为可能。
到1996年2月为止,用于固定宽带无线接入的无线ATM点到多点系统设计和实现还处于所谓的预备阶段。没有已开发的系统存在。(Canada Winipeg的Broadband Networks公司是第一个进行无线ATM宽带展示的公司,该展示是1997年春天在华盛顿的ComNet展览上进行的)。已出现有关这方面的几篇论文。J.Porter和A.Hopper(英国剑桥大学Ollivetti研究所)撰写的“基于无线LAN协议的ATM”讨论了用于移动应用的无线ATM的设计问题。他们讨论了室内环境中的频率再用问题、切换、注册和鉴权以及基于确认的数据链路层。他们在其系统中使用了扩频调制。文献[“用于多业务无线个人通信网的基于ATM的传输模式”,IEEE通信专刊,卷12(8),1992年10月,pp.1401-1414]讨论了在PCN网中使用ATM的看法。
因此,显然我们需要新的设计方法和解决方案来提供无线ATM,其中包括的方法涉及Q.2931无线信令、VPI/VCI寻址方案、无线信道接入控制(CAC)功能、用于系统接入的控制信道方法、通过MAC层用于ATM传输的统计复用和突发请求方法进行有效数据传输。另外,用于CBR(恒定比特率)、VBR(可变比特率)、ABR(可用比特率)和UBR(未指定比特率)传输的特定方法是无线ATM系统设计的一个部分。另外,还要考虑从用户到小区位置的单条上行链路上CBR、VR、ABR和UbR业务类型的混合,因为它会影响下面讨论的动态带宽方法。在无线ATM系统中,限制系统内空闲信元的使用和传输也是很重要的。对于有线ATM网,无论发射何类信息,接口通常都以固定数据速率工作。但是,如下所述,可以在无线链路的入口点使用特定方法去除空闲信元,从而使无线频谱使用效率达到最高。
使用IP取代ATM作为传输媒质的无线IP(网间连接协议)系统也是一项新技术。在固定宽带网络市场上,发明人还没有看到基于IP的系统出现。在这些系统中,要注意IPv6及其相关寻址和QoS(业务质量)方法的趋势,因为这些趋势势必要反映到无线IP系统的设计中。文献[“用于校园范围无线移动Internet的结构”,Purdue技术报告CSD-TR-95-058]讨论了移动环境中基于IP的无线系统。
尽管可以在其它地方发现本发明的一些部分,但能够肯定没有任何有关文献提出过一种低功率、多载波、多蜂窝、单向、双向和多向通信系统用于包括语音、图象、声频、电视和数据传输的宽带范围应用,并且具有本发明在本文中提出的频谱效率、空间效率和应用的灵活性。本发明还包括用于固定和便携位置应用的无线ATM和无线IP宽带网络的设计。
发明概述本发明涉及用于在一个覆盖区域内通信的无线分配系统,所述系统包括在覆盖区域内的多个小区;其每个小区内包括信号发射装置的至少一个小区位置;每个小区内的至少一个用户位置,它包括用于接收来自同一小区内的小区位置的信号的信号接收装置。
发明还涉及运行在一个覆盖区域内通信、并包括多个小区的无线分配系统的方法,所述方法包括
在每个小区内至少提供一个包括信号发射装置的小区位置;从小区位置向各个相应的小区发射信号;在每个小区内提供至少一个包括信号接收装置的用户位置;以及在每个用户位置接收来自同一小区内的小区位置的信号。
系统实施例包括用于在一个点到多点网络拓扑范围内进行单向(即广播)、双向或多向传输以及接收语音、图象、声频、电视和数据信号的低功率、多蜂窝、宽带通信系统。
根据发明的一个方面,提供了这样一种系统,其中每个用户位置包括一个用于解调从小区位置收到的信号的解调装置;小区位置包括一个用于向用户位置发射带宽控制信号的带宽信号装置;以及解调装置包括带宽选择装置,它响应带宽控制信号,有选择地改变解调装置的工作带宽。
在优选实施例中,解调装置是一个调制解调器。
与传统无线系统不同,本发明系统的这个方面提供在使用者的整个许可频带内工作的调制解调器、调制器和解调器单元。这些单元最好提供可由软件来进行选择的信道带宽、调制能力和前向纠错能力。另外,微波发射机、接收机和收发机单元也可以在使用者许可的整个频带上工作,从而实现与灵活的调制解调器(调制器、解调器)结构连接的宽带微波结构,该结构允许在系统一级进行灵活的信道选择。这些系统单元特点允许在系统使用者认为合理的任何时候,在任何一个方向(下行或上行)上使用许可带宽。因此,没有必要象现有无线系统结构那样,提前指定在哪个方向上使用哪条信道。不过,设计中可能有始终保持一个恒定方向(即下行或上行)的固定控制信道。
系统可以实现到或来自用户的ATM传输、到或来自用户的IP传输以及到或来自用户的MPEG2传输。因此,系统可以用于一个业务集成队列,包括通过ATM或其它骨干网提供给家庭的广播能力、交互式电视、视频点播、媒体点播、近视频点播、宽带Internet接入、视频会议以及其它应用。系统适用于200MHz和140GHz之间的所有频率,以及各种要求改变天线、发射机和其它RF单元的可用RF配置。系统还可以在两个或多个频率配置上工作,例如24GHz处的下行频率配置与36GHz处的上行频率配置对应。通过分离小区位置的接收和发射功能以及使用发射机/接收机方向图不同的用户天线可以使这种方式成为可能。该方式可实现不同数目和不同类型的接收机或发射机小区位置。因此,用户可以从区域内一个更接近中心的位置接收信号,同时向一个本地接收机发射。适合用于特定系统用户的这种系统设计方法在上行通路上实现转发器/集中器功能。
系统设计可以在从小覆盖区域(例如用于小范围无线ATM实现的一个房间)到覆盖2000km以上的大区域内使用。可以使用一种或多种传输协议(例如ATM,SMDS和其它DODB实现,帧中继和其它)或互连协议和标准(Ethernet),以提供通信传输的基本结构。在整个覆盖区域内构建一个发射、接收和收发小区位置群。为了实现密集频率复用,可以使用合适的调制方法,用户和小区位置天线技术,用户和小区位置天线方向图,用户和小区位置功率控制算法和实施,以及使用可变符号速率调制器、解调器、调制解调器、TDMA、FDMA、软FDMA接入结构(软FDMA代表灵活FDMA,其中某个住宅使用的信道带宽根据业务负荷随时间而变)和各种MAC方法实现的广播统计复用和突发响应方法。另外,分离小区位置的接收、发射和收发功能以及使用发射和接收通路不同的用户天线可以提高隔离度和用户比特率以及系统数据速率。另外,使用高级用户天线技术可以为特定用户定义初级和次级小区位置,从而提供路由分集以克服雨致衰减和雨致中断效应,这两种效应是工作在10GHz以上频率的广域网出现通信中断的主要原因。
在1GHz的频带(例如28GHz处的LMDS和40GHZ处的MVDS所共有的频带)内,小区业务比特率的值扩大到了1000Gbps,更高的值也是可能的。通常使用以下等式计算这种类型的数据速率1GHz允许频谱×调制方法的频谱效率(b/s/Hz)×所用极化数(通常是水平和垂直)×一个小区位置的扇区数=该小区的最大可能数据速率例如,对于带有15%过量滤波的256-QAM调制,频谱效率是6.3b/s/Hz。使用垂直和水平极化从每个扇区发射,天线具有100个扇区,这个小区位置的数据速率值就是1300Gbps。这一级别的数据速率以适合于系统和被服务的用户的方式分割为上行和下行通路。所用调制方法、天线扇区划分、信道滤波和纠错方法将根据用户要求变化。
依每次安装和用户的特定情况而定,系统设计针对的业务区域可小到一个房间和大到2,000km甚至以上的区域。小区域要求带宽和小区位置复杂度最小,而较大的区域要求仔细选择调制方法(通常是OFDM或它的变形)和其他系统参数(例如极大链路的媒体接入控制方法)。使用市场上现有的调制器和解调器技术就可能实现这些大覆盖区域。这种级别的比特率强度以及可能实现的覆盖区域是独特的系统设计的结果。
尽管存在降雨和多径衰落及其对通信中断的影响,下面讨论的独特系统设计允许使用路由分集抵抗降雨和多径衰落的影响。
每个用户有一副或多副天线、收发机和天线控制系统,并指向一个或多个发射、接收或收发机小区位置。每副用户天线都有一个较窄的一个或多个具有天线极化方向的接收和发射波束集,该天线极化适合于发射或接收来自小区位置的特定集合(无论它们是发射、接收或收发小区位置)。系统能够在任何频率或频率范围内工作。不同的频率配置影响可用RF带宽、天线设计实体、传播路径实体以及发射/接收/收发实现实体,在针对每个具体用户和区域的系统设计中必须考虑这些因素。
通过利用极化分集、前后向用户天线分集、小区位置交叉极化发射、小区位置天线定向、小区位置有效全向辐射功率(EIRP)控制、调制选择、频率、时间、空间和多信道接收及传输、经过直接序列和跳频扩展频谱调制的正交和准正交编码分集、路由分集、小区位置天线高度和位置及用户天线高度和位置与周围建筑物及树、围墙、架空电线和金属杆等障碍物的关系,可以实现用户与无用传输或通信的分离。
影响系统设计的传播现象包括降雨衰落、选择性多径衰落、天线高度对多径衰落发生的影响、天线高度对与距离有关的路径损耗的影响(即幂律的变化从沿着城区街道传播时的小于2到接收和发射天线低于楼房平均高度传播时的大于6)、定向天线在接收和发射位置的影响、导致季节性接收电平变化和短时多径衰落的树叶和地面覆盖物影响、人、汽车和湿树叶的运动对短时接收电平变化和多径衰落的影响、以及城区结构对沿着街道和穿过街道的信号强度的影响,具体地说,众所周知,接收天线(无论是住宅、商业或工业区)和发射天线的位置将影响沿着街道和街道之间的传播以及有衍射信号传播到下面街道的房顶传播通路。
因此,本发明的优选实施例提供了一种通信结构,它以一种对调制方式、频带或频带组、或使用本节讨论的任何或所有设备透明的方式工作。另外,本发明的实施例可以采用特定的方法和设计根据基于光纤/同轴的ATM标准与无线接入系统接口。较简单的、廉价的功能较低的系统可以使用一个或多个这些概念。高级的、成本较高、功能较完善的系统使用多个这些概念,而功能最完善的系统使用所有这些概念来实现每平方公里高于1000Gbps的这种前所未有的频谱效率。
就本应用来说,系统设计概念及其相关设备被称为广域无线分配系统(WADS)。在以系统使用者要求为基础的许多种配置中,该WADS都能存在,并在一个区域内实现多个位置。WADS可用于支持基于SONET、ATM、SMDS、帧中继、DODB和/或其他技术并带有各种协议栈和混合协议栈的广域网。使用各种网间连接协议和技术并不会有损于下面提出的基本系统实现概念。
附图简述在说明本发明各方面的实施例的附图中

图1是说明在一个覆盖区域内小区布局的系统示意图;图2是对用户位置上一个设备结构的说明;图3说明用于收发小区位置的一种典型安装;图4a,4b和4c说明了CPE-R的三个实施例;图5用示意图说明对一个基座UTP桥接器的使用;图6说明用于UHF、VHF和MMDS数字电视MPEG广播系统的一种在家中分集接收的实现方案。
图7说明在小区位置或转发器/集中器中使用不同的发射和接收扇区。
图8说明使用两条通路(一条是初级,一条是次级)以便为固定接入系统抵抗降雨衰落。
详细描述参考图1,所示系统包括小区位置(包括发射机小区位置、接收机小区位置和收发机小区位置)、转发器位置、用户位置、监测位置和主控位置。在主控位置和小区位置之间使用光纤连接来实现一个WADS骨干网。无线接入用于转发器位置、用户位置及监测位置和WADS骨干网的互连。基座(灯柱)转发器位置到双绞线转发器位置是无线连接。位置定义和描述主控位置包含从外界到WADS系统的初级接口,并与网络内的任何其它位置连接。主控位置可以作为单一节点或作为具有分布式能力的网络或互连节点存在。
小区位置包含到外界的次级或多个初级接口。小区位置可以与网络内的任何其它位置连接。一个小区内可以存在多个小区位置。
转发器位置与小区位置连接。转发器位置的主要功能是使用无线转发或使用基座位置处的无线-双绞线变换来传播和接收从小区位置、发射机位置或接收机位置到用户位置的信息。
发射机位置可以与所有其它位置连接,其中包括接收位置。它们的主要功能是向用户和/或转发器发射信息。发射机位置接收并向网络内所有其它潜在位置发射系统命令和控制信息。
接收机位置可以与所有其它位置连接。它们的主要功能是接收来自用户的信息。接收机位置接收并向网络内所有其它潜在位置发射系统命令和控制信息。
监测位置提供系统性能监测和控制。它们测量信号特性,并把信息转发返回给其它系统位置,以在广域内对频率、符号、极化和空间冗余度进行协调。监测位置可以和其他系统位置共位置,并且可以以硬件、软件或其组合技术的形式实现。
用户位置根据用户设备配置同时接收和发射一个或多个数据流。用户位置通过无线链路或到基座转发器位置的双绞线连接与系统相连。对于无线接入,用户位置设备包括一副或多副天线或天线部件,一个或多个收发机及对应的频率变换、命令和控制,系统监测和其它与实现广域数据、语音、图象、音频、电视、交互式编程、交互式计算、分布式计算以及基于数字和模拟通信方法的其它应用一致的功能单元。
用户位置通过以无线技术为基础的初级连接使用54MHz和140GHz之间的频率或通过双绞线方法,与一个或多个发射机、接收机、转发器或小区位置连接。
重新参考各附图,图1是说明覆盖区域内小区分布的系统示意图。这些小区的大小是任意的,只受在白天、夜晚的一部分或某个时期内两个位置之间存在接收信号这个一般要求的限制。覆盖区域,即与系统对应的一个或多个小区集合,它也具有任意大小。在其它实施例中,覆盖区域可以覆盖地球的整个表面或屋内的一个房间。图1说明了设计中使用的所有位置类型,包括●发射机小区位置12●接收机小区位置14●收发机小区位置16●发射转发器位置18●接收转发器位置20●收发转发器位置22●转发器/集中器位置24●用户监测位置26●用户接收位置28●用户收发机位置30参考图1编号的用户位置,下面将描述各种类型的用户位置用户位置类型1接收来自发射机位置的广播通信信号。不存在从用户到接收机的链路。用户位置类型2接收来自发射机位置的通信信号,存在到接收机位置的返回通路。(接收机和发射机位置通过图中没有标出的骨干网连接)。用户位置类型3接收来自发射机位置的通信信号,存在到收发机位置和接收机位置的返回通路,网络协调算法确定究竟是一个位置还是两个位置都接收消息。用户位置类型4与一个收发机位置通信。用户位置类型5与一个收发机位置和一个转发器/集中器位置通信。转发器/集中器位置通过无线或有线装置与收发机通信。因此这个用户位置通过两种可以同时发射或接收的装置提供双向通信。用户位置类型6用户使用UTP(采用ADSL、HDSL或CAP技术)与一个基座或局域连接相连。基座或局域连接使用WADS与光纤骨干网相连。
为便于讨论,图1表示的是圆形小区和圆形覆盖区域,不过,覆盖区域的形状将会受城市建筑物和街道的地形影响。覆盖区域形状还要受发射和接收天线高度在区域内建筑物平均高度之上或之下的影响。
图2是对用户位置内一个设备结构的说明。调制器/解调器对可以采用相同或不同的调制方案,并且设备根据硬件或软件开关可以选择不同调制方案和FEC方法。用户位置带有VFC(可变频率控制)和VPC(可变功率控制),这是蜂窝电话系统内已提供的标准特性。
图3说明了收发位置的一种典型安装。收发位置包括与骨干网连接的数字设备、微波设备和天线部件。数字设备可以根据元件和封装设计放在室内或室外。图3说明了用于ATM连接系统的一个收发小区位置。正如这里所述,可以应用现有公开技术构建数据速率范围在从155Mbps或以下到1000Gbps或以上的小区位置。
图4a,4b和4c说明了CPE-R,一个用于住宅用户的用户住宅设备单元的实现方案。图4a和4b表示集成天线/接收机/数字设备的配置,图4c表示一种更典型的安装,它带有室外天线,其收发机与室内数字设备连接。
图4a和4b的CPE-R实现方案以集成的天线单元为其特征。这种类型设计的其它优点包括本地振荡器的频率稳定度提高,VHF频率范围内的电缆损耗降低,单机结构使得安装成本下降、生产成本降低、封装成本降低,CPE单元的输出提高,故障率降低。
图5说明了使用WADS在骨干网和本地UTP(无屏蔽双绞线)连接点(即基座)之间提供一条中间链路。这种情况下,小区位置通过无线链路与UTP桥接器或路由器通信,然后用户经由进入房屋或大楼的UTP接收信号。该设备可能有从连接一个用户到许多用户的多种配置。天线、收发机和基座数字设备的各种设计取决于系统使用者连接要求的细节。
图6说明了在用户位置处的分集接收实现方案,它用于UHF/VHF/MMDS和其它数字电视和MPEG广播系统,使用具有不同LNB振荡器值的两副接收天线,后接一个机顶盒设计,它允许在解调器一级计算机顶盒内的RSSI和BER。
图7说明在小区位置和/或转发器/集中器处使用不同的发射和接收扇区划分来达到提高用户位置发射功率。
图8说明在用户住宅处使用多副天线技术,以使用到收发机、发射机和接收机小区位置的次级链路为基础,抵抗雨致衰落效应。
在与无线ATM和无线IP传输技术一起使用时,本系统的设计和运行包含了许多因素的综合作用,后面描述的一些主要因素归纳如下1.使用可变带宽调制解调器来实现后面的权利要求中所述各项特征的系统,该系统在每个进程的动态的基础上提供对调制解调器的控制和配置。
2.用于FDMA无线ATM和无线IP系统的动态带宽分配(DBA)算法,以使用CBR、VBR、ABR、UBR业务类型和优先级类型之比为基础,来克服雨致衰落事件的影响。这种动态带宽分配要求使用可变速率和可变调制方式的调制解调器。
3.用于单频网络的带内中继系统。
4.无线AM消息与ITU Q.2931或ATM论坛UNI 3.2/4.0之间的映射关系。
5.无线IP寻址结构。
6.MPEG2在ATM上的分段和解包装,PID映射为VCC。
7.不使用硬件保护频带滤波而是提供软件保护频带(SGB)算法的宽带系统,在该系统设计中,接收和发射频率分离开了一个合理宽度,以进行频谱再生、交叉调制和消除干扰影响。
8.用于无线OC3传送的反复用方法。
9.使用基座UTP桥接器来提供到用户位置的双绞线连接。
10.通过使用具有不同LNB振荡器值的两副接收天线,实施用户位置处的分集接收,用于UHF/VHF/MMDS和其它数字电视MPEG广播系统,后接一个机顶盒设计,它允许在解调器一级计算机顶盒内的RSSI和BER。
11.在从用户到小区位置的上行方向上对无线ATM链路使用空闲信元丢弃算法。
12.在小区位置处使用不同的发射和接收扇区,以降低用户位置发射功率。
13.空间上不同的小区位置接收和发射点。
14.在用户住宅处使用多副天线技术,以使用到收发机、发射机和接收机小区位置的次级链路为基础,抵抗雨致衰落效应。
下面讨论以上的每一种关键技术和算法。
1.使用可变带宽调制解调器来实现后面的权利要求中所述各项特征的系统,该系统在每个进程的动态的基础上提供对调制解调器的控制和配置。
以前各代技术的无线接入系统使用固定调制方案和固定带宽分配来支持诸如移动电话(AMPS,数字蜂窝,PCS)和移动数据(PCS,CDPD)等移动应用。我们的设计中的宽带固定无线接入系统使用了可以在从0到20MHz范围内工作的可变带宽调制解调器,调制器设置在QPSK,16QAM和64QAM范围内可变,前向纠错方法(例如Reed-Solomon,Viterbi和卷积)也是可变的,这些软件可设置参数的具体设置取决于系统使用者和用户业务要求。
在这项权利要求中,使用可变带宽能力的系统是独一无二的。这种可变带宽能力用于向用户提供各种数据速率,它为系统使用者提供改变的覆盖区域大小(因为在QPSK方式下工作时调制解调器在2MHz带宽下的背景热噪声要比20MHz带宽下低10dB,从而提高了覆盖范围),以及用于抵抗雨致衰落,这是通过在雨致衰落出现期间降低信道带宽实现的。
2.用于无线ATM和无线IP系统的动态带宽分配(DBA)算法,允许在每个信道的基础上的一个特定的高优先级或相关CBR业务与低优先级或VBR、ABR、UBR分派之比。这种动态带宽分配要求使用可变带宽、可变调制方式和可变FEC(前向纠错)的调制解调器设备。
对于工作频率范围在10GHz以上的无线ATM和无线IP系统,雨致衰落效应是通信中断的主要原因。系统包括的调制解调器单元允许使用软件提供以下参数●调制可以选择QPSK,16-QAM,64-QAM,256-QAM●前向纠错可以选择RS(Reed-solomon),Viterbi或它们的组合以及其它标准技术●信道带宽可以在0 MHz到20MHz范围内选择为通过无线链路传送而定义的四种业务类型是CBR(恒定比特率)、VBR(可变比特率)、ABR(可用比特率)和UBR(未指定比特率)。系统在晴天(没有雨致衰落)正常工作时,某个MBU(多路商用单元)或MDU(多路住宅单元)或其它用户位置上将会有各种数量的每种类型业务。用户位置处的调制解调器将可以在带有各种信道带宽值和各种FEC方法的QPSK,16QAM,64-QAM级或其它调制方式下工作。调制解调器晴天可工作在带有最小FEC的64-QAM级,以优化频谱效率和支持N Mbps的数据速率。动态带宽分配(DBA)算法于是可以接受具有以下所述比值的特定CBR,VBR,ABR和UBR业务类型之比。
工作期间,在出现雨致衰落时,这条链路可以要求附加链路容限。这一附加链路容限是通过根据雨致衰落的严重程度把调制星座从256QAM降低到64QAM、再到16QAM、甚至QPSK而实现的。如果调制速率降低的时候不改变信道带宽和FEC方法,在调制方式中这种降低将减小可以提供给用户的总数据速率,因而会迫使低优先级业务受到限制,而同时高或更高优先级业务维持同一速率。例如,CBR业务可以属于高优先级,而VBR,ABR,UBR属于低优先级。这种情况下,正如下表所示,CBR业务与VBR,ABR和UBR业务之比与所用调制方式有关。在该表中,过量带宽假定为15%,那么为每种调制方式所提供的频谱效率分别为对于256QAM为6.3b/s/Hz,对于64QAM为5.0b/s/Hz,对于16QAM为3.5b/s/Hz,对于QPSK为1.5b/s/Hz。
表1,在恒定信道带宽和恒定FEC方法下各种调制变化方式所允许的CBR业务百分比
可以为不同的过量带宽和前向纠错(FEC)方法的组合构造其它的表。可以为信道带宽(0到20MHz或更高)在工作期间可变的系统构造其它的表。
再举一例,考虑一个实现以下系统和DBA的使用者表2抵抗雨致衰落的特定系统实现范例
这时,9MHz,16QAM链路与20MHz QPSK链路将向用户传送相同的数据速率。QPSK链路的热背景噪声将会扩大,但是QPSK所需的发射机功率放大器补偿将减小,接收机需要的载波噪声比(CNR)将降低,因此在雨致衰落发生时能改善链路性能。这时,不需要限制优先级较低的业务,因为向用户提供的数据速率相同。在雨致衰落发生时需要的附加链路容限由这一转换提供。
因此,申请专利保护的特征是任何一种动态带宽分配(DBA)算法,该算法使用了限制较高优先级与较低优先级业务类型之比的概念,以在雨致衰落发生时允许改变调制、带宽和FEC。
管理一个灵活系统的每个系统操作员在本设计概念内将可以有不同的特定实现方法。DBA算法和该算法的特定实现可以涵盖FDMA和TDMA接入系统设计。
3.用于单频多小区网络的带内中继系统,其中每个小区内的分配天线极化方向相同,中继天线的极化方向也都相同,并与分配天线的极化方向交叉极化。
单频网络定义为在同一频率上分配信号的系统。另外,在这些分配位置中间使用与分配频率交叉极化的同一频率进行中继的概念是新颖的。在这种系统设计方法中,所有的中继链路按一种方式极化(例如垂直或水平),分配位置与中继链路交叉极化。这时,用户天线前后比和交叉极化鉴别用于在出现干扰带时提供良好性能。系统设计的新颖性在于经典模拟MMDS系统使用分配小区的交叉极化。这种系统设计不在中继设计中的各种转发器/分配塔处使用频率变换电路,因而沿着中继路由不会观察到相位噪声的衰减。
带内中继设计通过中继/分配塔的适当分离而实现。例如,测试表明分配天线比接收中继天线高过100英尺时,就天线塔设备方向而言,2.5GHz处可以实现100dB的分离值。因此,100dB的值允许塔上增益为70dB,从而实现了30dB的载波干扰(共信道)比值。30dB的C/I值对于使用16-QAM调制的最后一段带内中继系统已足够了。带内中继转发器设备可以在固定增益方式(其中转发器增益不随输入信号电平变化)下工作,也可以工作在ALC或AGC方式下。对于固定增益带内中继系统,当出现衰落时,塔上的C/I值将保持一个恒定值,因此允许分配信号的C/N值改变。对于提供ALC能力的转发器设备,当出现衰落时,转发器增益改变,因而使得C/N值保持恒定,而塔上的C/I值减小或增加。
另外,在中继和分配系统的特定设计中必须考虑沿着带内中继段积累起来的交叉调制噪声和级联交叉调制噪声。在设计中考虑交叉调制噪声可以通过使用波导滤波以降低带外C/CTB发射来实现,设计也可以不要求波导滤波。这两种控制交叉调制的方法都在带内中继权利要求的范围之内。
4.无线ATM信令消息与ITU Q.2931或ATM论坛UNI 3.2/4.0之间的映射关系。
本专利包含的WADS与有线ATM系统有本质不同。WADS的物理层是一个点到多点系统,而有线ATM物理层是一个点到点系统。注意ATM网络提供点到多点业务,但这种业务是对几个点到点连接的逻辑描述。由于这种基本结构的差别,需要把为支持点到点连接设计的有线ATM网络的信令消息映射到用于在点到多点环境下工作的无线信令消息。
无线网络节点与使用由标准化组织(例如ITU,ATM论坛和ETSI)定义的标准信令协议的ATM交换机通信。无线网络节点和ATM交换机之间的信令信息和控制信息的交换使用众所周知的虚连接(例如VPI/VCI=0/5和VCI/VCI=0/16)来进行。不过,无线网络节点不能使用同一信令虚连接在点到多点环境中对所有用户寻址。
因此,该设计使用了一个唯一的虚连接(VPI/VCI)以用于呼叫控制消息,以及另一个唯一的虚连接(VPI/VCI)被用于在点到多点系统中分配给每个用户的管理消息。每个用户识别自己的信令和管理虚连接,忽视所有其它信令和管理虚连接。无线网络节点在标准信令VPI/VCI和每个用户的个别虚信令连接之间进行映射。映射功能的实现以呼叫建立消息中的信息为基础,这例如是被叫方号码或任何其它与无线网络节点和有线网共同提供的业务有关的参数。后续消息的映射在呼叫参考值的基础上进行。
另外,由于物理层是按点到多点方式配置的,我们可以定义一个同播和一个广播信令VPI/VCI。同播VPI/VCI对一组用户寻址,广播VPI/VCI对所有用户寻址。
用于这种信令映射的VPI和VCI值的数目和指定值根据系统使用者的要求而变化,这些变化与以上详述的无线ATM信令设计一致。
5.无线IP寻址结构对于一个标准的拨号Internet业务服务商(ISP),寻址一般通过用户连接的调制解调器在每次连接的基础上进行。这种结构在专用连接网络中起作用,这时用户调制解调器与ISP调制解调器组内的一个指定ISP调制解调器连接,不过,对于无线系统,在用户端共用调制解调器设备是可能的。
因此,本设计允许用户住宅处的每台PC使用无线调制解调器序列号与小区位置通信。该设计使用指定无线调制解调器专用的一个序列号。另外,在CPE处,每台PC具有一个A类IP地址(虚假IP地址),并对用户位置处的实体之间的业务使用这个物理层地址。这将防止本地业务离开本地LAN。下面,我们讨论对从用户PC发往Internet以及从Internet发往用户PC的IP消息寻址的问题。首先,我们研究从用户PC发往ISP的消息,接着研究从ISP发往用户PC的消息。
用户位置处可以有一台以上的PC。每台PC有一个虚假IP地址(A类地址)。当用户方的一台PC希望与ISP通信时,它向无线调制解调器发送一条消息。当无线调制解调器得知该消息对它寻址时,会懂得要把这条消息转发给小区位置设备。因为用户住宅侧实体之间的通信是通过Ethernet进行的,为了向小区位置发送Ethernet分组,无线调制解调器去除Ethernet地址,将该消息拆成合适的无线分组,给每个分组加上它的序列号,并在分配的上行业务时隙中发送每个分组。小区位置设备重新组装原来的Ethernet分组,交换虚假IP地址和ISP为本次连接提供的IP地址,并向ISP设备转发Ethernet分组。
对从ISP到用户PC的IP业务的寻址按照如下方式进行。工SP向小区位置设备发送带有目的IP地址的Ethernet分组。小区位置设备接收Ethernet分组并去除Ethernet地址。目的IP地址与小区位置设备保留的一份表中的无线调制解调器序列号和虚假IP地址进行匹配。一旦获得匹配,就用虚假IP地址取代目的IP地址,并把消息拆成无线下行分组。然后给每个无线下行分组加上被寻址的无线调制解调器序列号。用户无线调制解调器监听下行信道,并识别具有其序列号的分组。然后把这些分组组装成一个Ethernet分组,给这条消息加上与虚假IP地址对应的Ethernet地址。最后,在Ethernet上向用户PC发送该消息。
6.MPEG2在ATM上的拆开和组装,同时将PID映射为VCC。
每个MPEG2流通过一个唯一的13比特分组标志(PID)进行识别。音频和视频MPEG2流使用独立的PID。为了在ATM上传输MPEG2分组,需要把每个MPEG2流映射到一个唯一的虚通路连接(VCC)上。到本专利提交时为止,还没有进行这种映射的标准。VCC通过ATM信头中的一个虚通道标志(VPI)和一个虚信道标志(VCI)域进行识别。因此,我们在MPEG2 PID和ATM VPI/VCI之间进行直接映射。
对MPEG2分组要进行分拆和组装,以便由ATM携带MPEG2分组。四种拆装(SAR)算法归纳如下1.使用标准的从L5拆装程序把一个MPEG2分组映射为一个从L5分组。这导致有五个ATM信元长的一个从L5分组生成。
2.使用标准的从L5拆装算法把三个MPEG2分组映射为一个AAL5分组。这导致有12个ATM信元长的一个AAL5分组生成。
3.使用专用拆装算法把一个MPEG2分组映射为四个ATM信元。
每个MPEG-2分组被拆成四段,映射到四个ATM信元上。最后一个ATM信元包含用于控制和重装的四个字节(见下图)。MPEG2分组的结束标记在第45个字节表示。分组结束标记之后是包含一个能够检测和纠正传输错误的循环冗余校验序列的三字节区域。
拆开的MPEG-2分组如下所示
最后一个分组的净荷是
44字节 1字节 3字节4.使用专用拆装算法把一个MPEG2分组映射为四个ATM信元,其中最后一个ATM信元以被置为1的PTI文件为标志。
与方法3相类同。每个MPEG-2分组被拆成四段,映射到四个ATM信元上。我们使用ATM信元头中的净荷类型指示区域表示一个MPEG2分组的最后一个信元。最后一个ATM信元的PTI区域被置为PTI=1。对于前面三个ATM信元,PTI区域被置为PTI=0。最后一个ATM信元的四字节区域用于CRC-32,以检测和纠正传输错误。注意该算法与从L5算法的不同之处在于是对固定长度的分组进行拆装,并因此去除了AAL5中的长度和填充区域,这允许我们在四个ATM信元中装下一个MPEG2分组。
7.不使用硬件保护频带滤波而是使用软件保护频带(SGB)算法的宽带系统,其中用于特定用户的接收和发射频率被分离一个合理宽度,以进行频谱再生、交叉调制和消除干扰影响,从而能灵活地指定上行和下行频率。
具有提供信道选择的可变带宽调制解调器的宽带微波设备的概念可以用于提供变化的接收和发射频率。例如,在使用商用数据连接的白天,大多数连接都可能是对称的,这时将在上行和下行方向上分配许可频率的相同部分。但是在晚上,业务要求大多可能是住宅Internet接入,这时使用者可能希望使用大部分许可频率进行下行通信,小部分许可频带进行上行通信。要求提供这一特性的系统设计不能使用硬件滤波来规定上行和下行信道,因为这将限制系统的灵活度。相反,我们需要使用在小区位置工作并为用户终端分配接收和发射频率的SBA算法,以便在Rx和Tx频率之间提供合理的频率分离,从而生成软件保护频带来取代硬件保护频带。术语“合理”的定义将随不同的系统使用者和不同的许可频带而变化。这一权利要求将适用于不采用受硬件滤波限制的固定上行和下行信道选择的任何宽带系统。
接收和发射设备的实现可以在用户和/或小区位置处使用分离的接收和发射天线(所以,由于可实现的高分离值,这将允许进行全双工通信),或使用带有合适交叉极化或发射和接收频带之间的频率分集的公共天线来实现。只要没有硬件保护频带限制系统,任何一种类型的实现都符合本权利要求。
8.用于无线OC3传送的反复用方法。
该技术应用了至无线链路的反复用的概念。考虑以下例子。假定单个用户要求一项155.52Mb/s OC3数据速率的业务。至该用户的传播特性只允许建立18Mb/s的无线链路。该项限制与发射机和接收机之间的传播特点有关。在这种情况下,我们提供9条无线链路,每一条都以18Mb/s的数据速率工作。每条链路传送OC-3业务的一部分。
在发射方向(从ATM有线线路到ATM无线)上,七个ATM信元打包成一个无线分组。按照循环(round-robin)方式在不同链路上发送每个无线分组,使得每条无线链路传送与OC-3数据速率的九分之一等效的速率。可以在无线分组中插入空闲ATM信元,以确保在较高速率的OC3链路和较低速率的无线链路之间正确的速率解耦。无线分组包含一个序列计数器,用于确保信元按照与其到达时相同的顺序重组。把来话业务分离成几条速率较慢的并行无线通道的过程称为解绑过程(un-bonding process)。
在接收方向(从无线ATM到有线ATM)上,来自并行通道上的无线分组被重组为单个ATM信元流。使用序列计数器区域保存ATM信元顺序。重组ATM流被送往OC-3有线线路接口。空闲ATM信元在接收过程中被分离,以确保来自所有并行通道的信元到达间隔时间得到保持。合并来自不同并行通道上的ATM信元的过程称为捆绑(bonding)。
在发射和接收方向上提供了缓冲器,以在捆绑和解绑过程中保持信元定时。
系统并不限于9条并行通道。可以使用从2到9及以上数目的并行通道为任何数目的有线线路数据速率(例如DS3,E3,OC-3和OC-12)提供一条端到端传输通道。
本算法包括从一条或数条无线链路故障中适度恢复的能力,链路故障可能是一个部件故障或临时通道干扰的结果。在这种类型的故障下,向无线系统提供的业务速率可能高于无线链路可以承载的速率。系统将在开始时根据ATM信头中的信元丢失优先级(CLP)比特或净荷类型指示(PTI)进行信元级的丢弃或分组级的丢弃,以使提供的数据速率与剩余链路的传输容量匹配。系统可以包含业务成形技术和对ABR及UBR ATM业务类型执行的端到端流控算法,以便减少来自OC-3的业务,直到它与剩余的有效无线链路的容量匹配,不再需要进行信元丢弃。
9.使用基座UTP桥接器提供到用户的UTP(无屏蔽双绞线)宽带连接。
WADS可以用于提供骨干网和本地UTP(无屏蔽双绞线)连接点即基座之间的中间链路。这时,小区位置通过无线链路与UTP桥接器或路由器进行连接,然后用户通过进入房屋或大楼的UTP接收通信信号。图5表示一种典型配置。该设备从连接一个用户到许多用户的多种配置也是可能的。天线、收发机和基座数字设备的各种设计取决于系统使用者连接要求的细节。
10.通过使用具有不同LNB振荡器值的两副接收天线,实现用户位置处的分集接收,用于UHF/VHF/MMDS和其它数字电视MPEG广播系统,后接一个机顶盒设计,它允许在解调器一级计算机顶盒内的RSSI和BER。
对于使用从54MHz到10GHz的频率的系统,通信中断的主要原因是多径衰落。为了克服多径衰落,在用户住宅处提供两副或多副天线。这如图6所示。这些天线带有集成或未集成的具有不同振荡器频率的LNB(低噪声分组下变换器)。来自室内设备(机顶盒或多个机顶盒)的一条公共电缆与所有LNB连接。室内设备将有两套信号装置,一套在诸如222-408MHz处工作,另一套在更高频率(例如600-786MHz)处工作。两个频率范围包含完全相同的数据,唯一的差别是IF(中频)的值。带有覆盖这些频率范围的调谐器的机顶盒可以探测到这些下变换频率。在机顶盒内,系统使用者定义的各种电视信道与一对频率(一个来自222-408MHz的范围,另一个来自600-786MHz的范围)和一个来自MPEG2规范和标准的PID(分组标志)值的集合相对应。例如,信道2可以定义为频率225和频率606,在两个频率上的PID值为视频=1,音频=2。当用户使用机顶盒并选择指定电视信道的时候,机顶盒首先在222-408MHz范围内搜索信道。如果接收信号电平或误比特率太高,机顶盒就检查更高的频率段(在本例中是600-786MHz)。这种方法实现了使用单条通向室外设备的同轴电缆,同时,因为有两副天线可用,可以抵抗链路上出现的多径衰落。这些室外或室内天线通常分隔成10个波长,以使接收信号电平的相关值很低。注意对于MMDS系统,波长约为10厘米,这使得典型的天线相隔距离在100厘米范围内。
以上提出的方法显然适用于不同天线类型、各种天线空间分布以及各种IF频率范围。该方法也可以使用一个调谐器/解调器单元以降低成本,或出于冗余的考虑使用多个调谐器/解调器单元而不改变设计的基本理论。本方法将在UHF/VHF频率、MMDS频率或其它受到衰落的系统频率上工作。用户端的天线可以对准同一分配天线或小区内的不同分配天线,这些不同的分配天线相距一个很短或很长的距离。用户天线可以安装在房屋或大楼的两个不同侧面或同一侧的不同垂直高度,这些方式均符合本设计的概念。
11.在从用户到小区位置的上行方向上用于无线ATM链路的空闲信元丢弃算法。
在用于光纤环境的标准ATM中,ATM链路以固定速率连接方式工作,其中空闲信元被插入以保持恒定速率。在无线链路中,这会使得系统效率很低,因为无线链路是所有用户共享的资源。因此,使用空闲信元丢弃算法是无线ATM系统特有的特征,并被写入权利要求。所用的特定空闲信元丢弃算法取决于业务类型,即CBR,VBR,ABR或UBR,以及有效的特定QoS(业务质量)合同。空闲信元丢弃算法根据业务类型而接通或关断。
空闲信元丢弃算法不用于从小区位置到用户,因为保持用户同步和定时需要恒定速率数据流。相反,空闲信元丢弃用于从用户位置到小区位置(上行方向),以便只传输有用的用户数据。
12.在小区位置和/或转发器/集中器处使用不同的发射和接收扇区,以降低用户位置发射功率在小区位置处,使用高度扇区化天线为小区覆盖区域在上行和下行方向上提供更高的带宽。另外,接收天线的扇区大于发射天线的扇区,从而提高上行通道增益。增益提高允许用户侧的发射功率成比例地降低,从而减小对用户健康的影响,提供更低成本的用户位置设备以及允许在系统内进行零保护频带的频率分配。
零保护频带频率分配的实现如图7所示,其中较低的发射功率以及发射和接收电路约10dB的隔离使得用户设备实现的成本低廉。就本例而言,假定在小区位置或转发器/集中器处使用2dB的发射功率,用户LNA在失真前最大可以保持-18dBm的RSL,用户天线共用器在用户发射和接收电路之间提供10dB的隔离。如果接收天线不进行扇区划分,就要求用户链路上的发射功率与小区位置或转发器/集中器处的发射功率相同(即2dBm)。但是,在10dB的扇区增益下,用户处所要求的发射功率就降低到了-8dBm,这能节约成本和减弱对健康的影响。显然,如果用户LNA失真前的最大输入信号是-20dBm,小区位置或转发器/集中器处的Rx天线可以规定为增益=G+ -20dBm-天线共用器隔离,这就允许在用户及小区位置和/或转发器/集中器位置用户使用各种规格满足要求的设备。不管哪种情况,接收信号电平(RSL)在下行和上行链路上都等于值N,因此在两个方向上提供相同的业务质量(QoS)。
13.空间上不同的小区位置接收和发射点小区位置可以作为仅发射位置、仅接收位置或收发位置存在。分离发射和接收功能的目的是增加两种功能之间的隔离,以增加带宽效率。分离发射和接收位置的第二个目的是允许数目更多的发射或接收位置,以便为特定的应用在上行和下行方向上优化带宽效率。随着接收和发射位置功能之间分离度的提高,第一种效果是隔离增加。当系统中接收位置多于发射位置时,具有可能指向不同方向的接收主瓣和发射主瓣的用户天线可以允许在高得多的信号电平上进行上行接收,从而降低用户设备成本、减小用户住宅处的发射以削弱对健康的影响、以及提高系统性能。
14.在用户住宅处使用多副天线技术,以便在使用到收发机、发射机和接收机小区位置的次级链路的基础上抵抗雨致衰落效应。
在用户住宅处,目前用于MMDS的系统设计包括一个具有发射和接收功能的单副天线单元。在高级天线技术和系统工作频率的基础上,在用户住宅处实现多副天线单元是可能的。这多副天线可提供路由分集以便克服雨致衰落,也可用于提供空间分集以便克服多径衰落。这种方法如图8所示。
该图可应用于用户住宅配置或基座设备配置。链路1和2可用于同时发射同一信息,或作为这样一种初级和次级链路配置,其中初级链路被使用至信号电平降低到可接受电平之下,然后使用次级链路。尽管图中所示为典型的介质透镜或抛物面配置的天线,应当理解天线可以是平板或使用其它天线技术制作的。天线也可以集成到用户住宅和/或基座设备组件中。另外,图中所示各天线指向相反的方向,但应当理解可以使用任何天线指向。还有,天线可以指向同一小区位置,在微波、IF或数字级作为组合设备使用,以克服多径衰落效应。
尽管上面已描述了本发明的具体实施例和各方面,应当理解在发明范围内可能会有其它实施例和方面,并将被认为包含在所附权利要求范围之内。
权利要求
1.用于在覆盖区域内通信的一种无线分配系统,所述系统包括覆盖区域内的多个小区;其每个小区内包括信号发射装置的至少一个小区位置;每个小区内的至少一个用户位置,它包括用于接收来自同一小区内的小区位置的信号的信号接收装置。
2.根据权利要求1的系统,其特征在于其中每个用户位置包括一个用于解调来自小区位置的接收信号的调制解调器;小区位置包括向用户位置发射带宽控制信号的带宽信号装置;以及调制解调器包括响应带宽控制信号,有选择地改变调制解调器工作带宽的带宽选择装置。
3.根据权利要求2的系统,其特征在于包括若干在至少一个小区内的多个用户位置,在所述至少一个小区内的信号发射装置包括用于在至少一个小区内广播具有所选带宽的微波信号的装置,调制解调器包括响应各自的带宽控制信号,对所述所选带宽的各部分进行操作的装置。
4.根据权利要求2或3的无线分配系统,其特征在于其中在至少一个小区内的多个用户位置包括向小区位置发射信号的发射及装置、和接收来自小区位置的信号的接收机装置,发射机装置和接收机装置在不同的发射和接收频率上工作,调制解调器包括响应于带宽控制信号以在发射和接收频率之间提供保护频带的装置。
5.根据权利要求2,3或4的无线分配系统,其特征在于其中小区位置包括向用户位置发射调制控制信号的调制信号装置;以及调制解调器包括响应于调制控制信号以有选择地改变调制解调器的调制方法的调制方法选择装置。
6.根据权利要求5的无线分配系统,其特征在于从以下项中选取调制方法QPSK;16-QAM和256-QAM。
7.根据权利要求2到6中任意一项的无线分配系统,其特征在于其中小区位置包括向用户位置发射前向纠错控制信号的前向纠错信号装置;以及调制解调器包括响应于前向纠错控制信号以有选择地改变调制解调器的前向纠错方法的前向纠错方法选择装置。
8.根据权利要求7的无线分配系统,其特征在于从以下项中选取前向纠错方法Reed-Sslomon和Viterbi。
9.根据权利要求2到8中任意一项对应的无线分配系统,其特征在于包括监测系统性能的监测装置和根据系统性能来控制带宽控制信号变化的控制装置。
10.根据权利要求5到9中任意一项的无线分配系统,其特征在于包括监测系统性能的监测装置和根据系统性能来控制调制控制信号变化的控制装置。
11.根据权利要求7到10中任意一项的无线分配系统,其特征在于包括监测系统性能的监测装置和根据系统性能来控制前向纠错控制信号变化的控制装置。
12.运行一个在包括多个小区的覆盖区域上通信的无线分配系统的方法,所述方法包括在每个小区内提供至少一个包括信号发射装置的小区位置;从小区位置向各个相应的小区发射信号;在每个小区内提供至少一个包括信号接收装置的用户位置;以及在每个用户位置处接收来自同一小区内的小区位置的信号。
13.根据权利要求12对应的方法,其特征在于包括为每个用户位置提供调制解调器;解调从带有调制解调器的小区位置接收的信号;从每个小区位置发射带宽控制信号;以及根据带宽控制信号来改变调制解调器的工作带宽。
14.根据权利要求13对应的方法,其特征在于其中系统包括在至少一个小区内的多个用户位置,该方法包括在至少一个小区内广播具有所选带宽的微波信号,并且控制调制解调器在所述所选带宽的各部分上进行工作。
15.根据权利要求13或14的方法,其特征在于所述方法还包括以第一频率从至少一个用户位置向各小区位置发射信号;以第二频率在所述至少一个用户位置接收来自各小区位置的信号;以及控制调制解调器的工作,从而在第一和第二频率之间提供一个保护频带。
16.根据权利要求13,14或15的方法,其特征在于包括向用户位置发射调制控制信号;以及根据调制控制信号有选择地改变调制解调器的调制方法。
17.根据权利要求16的方法,其特征在于包括从以下项中选择调制方法QPSK;16-QAM和256-QAM。
18.根据权利要求13到17中任意一项的方法,其特征在于包括向用户位置发射前向纠错控制信号;以及根据前向纠错控制信号来改变调制解调器的前向纠错方法。
19.根据权利要求18的方法,其特征在于包括从Reed-Solomon和Viterbi中选择前向纠错方法。
20.根据权利要求13到19中任意一项的方法,其特征在于包括监测系统性能和根据系统性能来控制带宽控制信号变化。
21.根据权利要求16到20中任意一项的方法,其特征在于包括监测系统性能和根据系统性能来控制调制控制信号变化。
22.根据权利要求18到21中任意一项的方法,其特征在于包括监测系统性能和根据系统性能来控制前向纠错信号变化。
23.根据权利要求1到11中任意一项的无线分配系统,其特征在于包含多个小区,其中所述小区包括在小区位置之间以具有所选频率和所选极化方向的中继信号进行无线通信的中继装置,信号发射装置包括以所述被选频率及与中继信号交叉极化的方向在各自小区内发射分配信号的装置。
24.根据权利要求1的系统,其特征在于其中该系统包括提供ATM信令消息的一个有线ATM网络;每个小区位置包括与ATM网络通信以便交换消息的装置;在每个小区内提供多个用户位置;每个小区位置包括为各用户位置分配多个虚连接的装置;以及每个用户位置包括只唯一地响应分配给该用户位置的虚连接的装置。
25.根据权利要求12用于把来自有线ATM网络的ATM信令消息映射到无线WADS点到多点网络的方法,其特征在于所述方法包括向WADS的每个小区位置提供包括ATM信令消息的消息;为接受WADS服务的每个用户位置分配一个唯一的虚连接;确定每条信令消息和一条虚连接之间的对应关系;将消息与其对应的虚连接关联起来;广播该消息;在每个用户位置处只检测与分配给该用户位置的虚连接有关的那些广播消息。
26.根据权利要求1的系统,其特征在于其中小区位置包括与一个Internet业务服务商通信的装置;至少一个用户位置包括多个计算机、联结各计算机以便它们相互进行通信的网络、与网络连接的调制解调器、向小区位置发射来自调制解调器的信号的发射机装置和接收来自小区位置的信号的接收机装置;每个调制解调器有一个分配给它的唯一序列号;用户位置内的每台计算机有一个A类IP地址;每个调制解调器包括把通过相关的网络从计算机收到的消息转换成包含调制解调器序列号的无线消息格式的装置;以及把来自小区位置的无线消息格式的接收消息转换成网络消息格式的装置;小区位置包括把从调制解调器收到的消息转换成IP消息格式和用IP地址取代A类IP地址的装置;以及把从Internet业务服务商收到的消息转换成包含调制解调器序列号和A类IP地址的无线消息格式的装置。
27.根据权利要求12的方法,其特征在于包括向小区位置提供与Internet业务服务商进行通信的装置;向至少一个用户位置提供多个计算机、联结各计算机以便它们相互进行通信的网络、与网络相连接的调制解调器、从调制解调器向小区位置发射信号的发射机装置、和接收来自小区位置的信号的接收机装置;给每个调制解调器分配一个唯一的序列号;为用户位置内的每台计算机提供一个A类IP地址;把通过有关网络从计算机收到的消息转换成包含调制解调器序列号的无线消息格式;以及把由调制解调器从小区位置接收的无线消息格式的消息转换成网络消息格式;把由小区位置从调制解调器收到的消息转换成IP消息格式和用IP地址取代A类IP地址;以及把由小区位置从Internet业务服务商收到的消息转换成包含调制解调器序列号和A类IP地址的无线消息格式。
28.根据权利要求1的系统,其特征在于包括用于复用和发射来自小区位置的信息以便向多个用户位置传送的装置;以及在每个用户位置处对信息解复用并选择相关的信息的装置。
29.根据权利要求1的无线系统,其特征在于其中信号发射装置包括在每个小区内提供多个数据链路的装置;把发送数据分解成顺序的分组的装置;在各条数据链路上按顺序发射分组的装置,其中顺序的分组的发射时间重叠;以及用户位置包括按顺序接收数据分组的装置。
30.根据权利要求12的方法,其特征在于包括在每个小区内提供多个数据链路;把发送数据分解成顺序的分组;在各条数据链路上按顺序发射分组,其中顺序的分组的发射时间重叠;以及按顺序接收数据分组。
31.根据权利要求1的系统,其特征在于包括基座桥接器,它包括从小区位置接收信号的天线和把天线接收的信号转换成Ethernet格式的装置;多个用户位置;以及多个连接各用户位置与基座桥接器的无屏蔽双绞线。
32.根据权利要求1的系统,其特征在于其中至少一个用户位置包括用于从一个或多个小区位置接收信号的多个信号接收装置。
33.权根据利要求32的系统,其特征在于其中多个信号接收装置接收来自一个或多个小区位置的公共信号;所述至少一个用户位置包括使用信号的一个用户应用设备;多个变换器,每个变换器都从一个相应的信号接收装置接收信号,并产生一个由接收信号调制的中频信号,中频信号的中频由互不相同的各变换器产生;选择任意一个中频信号和对所选中频信号解调的调谐装置;对所选中频信号与一个标准范围进行比较的信号监测装置;在监测装置检测到所选中频信号落在所述标准范围之外时进行响应从而使调谐装置选择另一中频的信号转换装置。
34.根据权利要求1的系统,其特征在于包括用于测量代表用户位置处接收信号强度的接收信号强度指示的装置;对接收信号强度指示与一个标称值进行比较的装置;根据接收信号强度指示与标称值之间的差别来调整小区位置和用户位置发射信号强度的装置。
35.根据权利要求12的方法,其特征在于包括测量代表用户位置处接收信号强度的接收信号强度指示;比较接收信号强度指示与一个标称值;根据接收信号强度指示与标称值之间的差别来调整小区位置和用户位置发射信号强度。
36.根据权利要求1的系统,其特征在于其中系统从用户位置向小区位置传送作为ATM数据流的数据,并且包括在用户位置处用于从数据流中去除空闲数据信元的装置。
37.根据权利要求1的系统,其特征在于,其中至少一个小区位置包括扇形发射和接收天线,其中接收天线的扇区大于发射天线的扇区,从而提高从用户位置接收的传输增益。
38.根据权利要求1的系统,其特征在于其中至少一个小区包括至少一个在小区和用户位置之间接收和转发信号的转发器位置。
39.根据权利要求38的系统,其特征在于其中转发器位置是一个用于接收来自多个用户位置的传输、复用来自用户位置的接收信号、和向小区位置发射复用信号的转发器/集中器位置。
40.根据权利要求1的系统,其特征在于其中至少一个小区包括在小区内的在空间上分离的位置处的一个接收机小区位置和一个发射机小区位置或收发机小区位置。
41.根据权利要求1的系统,其特征在于其中小区位置包括向用户位置发射调制控制信号的调制信号装置;以及调制解调器包括响应于调制控制信号以有选择地改变调制解调器的调制方法的调制方法选择装置。
42.根据权利要求1的系统,其特征在于其中小区位置包括在小区位置之间以具有所选频率和所选极化方向的中继信号进行无线通信的中继装置,每个小区位置包括以所述被选频率及与中继信号交叉极化的方向在各自小区内发射分配信号的分配装置。
43.根据权利要求1的系统,其特征在于覆盖区域内的多个小区位置,每个位置包括微波信号发射装置;每个小区内的至少一个用户位置,包括多个从各小区位置接收信号的信号接收装置。
44.根据权利要求43的系统,其特征在于其中用户位置包括使用信号的一个用户应用设备;选择由一个信号接收装置的接收信号和向用户应用设备传送所选信号的信号选择装置;监测所选信号强度的信号监测装置;在信号监测装置检测到所选中频信号小于一定信号强度时进行响应,从而使信号选择装置选择另一信号接收装置的接收信号的信号转换装置。
45.根据权利要求1的系统,其特征在于包括测量代表用户位置处接收信号强度的接收信号强度指示的装置;对接收信号强度指示与一个标称值进行比较的装置;根据接收信号强度指示与标称值之间的差别来调整小区位置和用户位置发射信号强度的装置。
46.根据权利要求1的系统,其特征在于包括用于MPEG到ATM变换的装置,包括把188字节MPEG2传输分组分成四个其中各包括47字节的分组的装置,包括把47字节插入一个ATM信元净荷的装置、和使用第48个字节来提供被实现为从1比特标记或直到8比特标记的同步标记的装置。
全文摘要
本发明提供了一种在一个点到多点网络拓扑范围内进行语音、图象、声频、电视和数据信号的单向(即广播)、双向及多向发射和接收的低功率、多蜂窝、宽带通信系统。该系统包括调制解调器,即在操作者的整个许可频带内工作的调制和解调单元。另外,微波发射机、接收机和收发机单元也工作在使用者的整个许可频带内,从而实现与灵活的调制解调器(调制器、解调器)结构连接的宽带微波结构,该结构允许在系统一级进行灵活的信道选择。系统可以在两个或多个单独频段上工作,例如24GHz处的一个下行频段和36GHz处的一个上行频段。使其成为可能是由于小区位置接收和发射功能的分离以及使用了发射机/接收机方向图不同的用户天线。这就可以实现不同数目和不同类型的接收机或发射机小区位置。使用高级用户天线技术允许为特定用户定义初级和次级小区位置,从而提供路由分集以克服雨致衰减和雨致中断效应,这两者是工作在10GHz以上频率的广域网出现通信中断的主要原因。以下讨论的独特系统设计允许进行路由分集,以克服雨致和多径衰落效应。
文档编号H04N7/24GK1228213SQ97197276
公开日1999年9月8日 申请日期1997年6月13日 优先权日1996年6月13日
发明者H·D·格雷夫斯, D·巴加斯, J·施尔伦博格 申请人:北方电讯有限公司
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