专利名称：大城市广域网的制作方法
本申请要求1997年6月19日申请的，名称为“城域网构造和电信系统”，序列号为60/050,252的美国临时申请的权益。
本发明涉及电信系统的大城市广域网。更具体地讲，本发明涉及将在毫米微波无线电范围中操作的无线点对多点系统与智能城域宽带干线网络进行集成，以便能够开展各种增强话音，宽带数据和多媒体电信业务。
在现有技术中，人们普遍了解点对点窄带，一点对多点窄带和点对点宽带固定无线系统。一点对多点无线电技术也是已知技术，一般用于窄带通信，例如话音通信。窄带系统一般是能够在一单独的电路或信道中产生每秒1.544兆位数据或低于这个速率的系统，而宽带系统能够在每个电路或信道中产生高于每秒1.544兆位的数据率。虽然已经把窄带“一点对多点”系统应用于话音通信，但一点对多点系统现在还没有普遍应用到宽带电信网络。
如今，窄带一点对多点系统可以在一种被称为“T1线路(T1 line)”中聚集一组高达24个每秒64千位的信道。但是，这种T1线路在其被用于支持多个话音信道时仍然被认为是一种窄带设备。在欧洲在话音电话网络中使用窄带一点对多点系统也已经有多年了。
点对点宽带技术也是众所周知的。在37吉赫或“GHz”至40GHz范围(一般称为“38GHz”)中，使用点对点宽带无线系统。在38GHz宽带无线链路设计恰当时，它的性能与光纤电信的性能基本相同。
由于固定无线技术成本低，安装迅速和容易操作，它正在成为一种广泛使用的电信业务传输方法。连接两个具有点对点无线业务的地点，大部分工作是由在两个建筑物顶部安装屋顶天线以及有关室内设备构成的。两个建筑物之间不必连接实际线路，这明显优于铜线或光纤技术。在建筑物之间连接光纤或铜线需要花费许多劳力，以及与挖掘街道、获得准许等有关的其它开销。由于在大多数情况下采用宽带固定无线系统不需要土木建筑，因此它的安装比在城域电信网络中的“最终里程(last mile)”互连的传统方法更快，更经济。
当前38GHz固定无线技术具有许多使其成为诱人的商业电信传输介质的特征。38GHz无线技术为话音、数据、多媒体和视频提供了高带宽路径。当前的技术允许长达五英里的链接距离。由于所有的毫米微波传播会受降雨的影响，因此实际距离是地理位置或“降雨区”的函数。在经常降大雨的气候条件下，要取得与光纤相同的性能和可用性需要较短的链接距离。
在38GHz的毫米波无线电传播一般需要无障碍的视线传输。在实际应用中，把小直径天线安装在办公楼的屋顶上，并且在一些场合，安装在办公楼的窗户上。这些天线的直径一般在12至24英寸范围内，虽然也使用更小的天线。制造商指出，对于无线电和调制解调器零件，超过10年的平均无故障时间(MTBF)统计表明硬件是高度可靠的。因此，对于从每秒1.544兆位(T1)到每秒45兆位(DS3)容量范围中的高度可用性的宽带点对点商业话音和数据应用来说，当前的38GHz固定无线技术是十分适合的。
典型的无线点对点宽带商业应用的例子是校园局域网(LAN)中多个服务器的互连。另一种应用是大城市广域联网。在这里，同一城市内的多个校园LAN通过38GHz的无线设备互连。对长途通信公司(IXC)，因特网服务提供者(ISP)和其它迂回接入设备的专用接入是38GHz无线链路的公用点对点商业应用。在38GHz范围中，蜂窝和个人通信业务(PCS)操作人员可以在他们的干线网络中部署高度可用性的无线设备，以支持天线场地、基站和移动电话交换局(MTSO)之间的迂回路程。38GHz的无线点对点技术也用于在需要从一个光纤网络延伸到不由光纤提供服务的地点时提供任务临界保护信道和其它点对点迂回路由选择。最后，利用38GHz点对点无线技术与公众交换电话网(PSTN)互连，以便通过竞争本地电话公司(CLEC)提供市内拨号音得到越来越广泛的应用。
图2示出了一种提供客户与业务互连的基本点对点无线设备。这种连接将支持宽带(数据，视频等)和窄带(话音)应用。客户建筑物示为200，可以包括多个用户小交换机分群。它连接到另一个容纳有电信网络交换机203的建筑物202。这两个建筑物通过两个屋顶天线之间的无线链路连接一个天线204在客户建筑物上，另一个天线205在容纳交换机203的建筑物上。这种连接的带宽可以高达28个T1电路，或DS3(每秒45兆位)。交换机203连接到PSTN 206，或用于市内业务的公众交换电话网，和用于长途业务的长途网207。交换机203也能够提供到因特网208的拨号访问。
图3是一个用于38GHz的FCC频谱分配方案的示意图，包括14个总信道。每个信道带宽是100兆赫(MHz)。每个100MHz信道由两个50MHz子信道组成，一个子信道发射，另一个子信道接收。这两个50MHz的子信道由700MHz的频谱隔离。如图3中所示，子信道1A是50MHz带宽，并且是一个发射信道，而子信道1B为50MHz带宽，是一个接收信道。子信道1A与子信道1B相隔700MHz。这种频带方案产生了FCC分配的38至40GHz范围中频谱的14个信道(1400MHz或1.4GHz)。
参考图4，图4示出了与大城市区中点对点无线系统的使用有关的基本频谱管理问题。由于在大城市区内建筑物彼此靠近，通过无线链路的信息传播可能会重叠，因而使得在相邻的系统中不可能使用相同信道(1A/1B)。在本图中，一个建筑物上的天线正在向预定的接收机发射它的信号，但是相邻建筑物上的天线也会接收到一部分信号。这种信号干扰叫作“同波道干扰”。
在图4中，包括一个交换机402的主建筑物401通过四个屋顶天线403A，403B，403C和403D分别连接于远端建筑物404A，404B，404C和404D，每个远端建筑物具有其自己的相应屋顶天线。这些建筑物之间所示的是每个点对点无线系统所用的频谱的概念性表示。由于建筑物全都靠在一起，建筑物之间的发送信号发生重叠。为了避免上一段落中所述的同波道干扰，必须使用不同的信道来连接相邻的建筑物。例如，信道1A/1B用于建筑物404D，信道2A/2B用于建筑物404C。尽管信道1A/1B部分地覆盖了2A/2B的发送，但由于两个系统使用了不同频率(信道)，避免了同波道干扰。因此，一个建筑物的天线可能把一部分它的信号发送到错误的接收天线，但是每个系统被“调谐”到一个不同频率，因而来自使用其它频率的相邻系统的发送被忽略。
图4中所示的频率管理技术避免了拥挤的市区内部署的无线网络中的同波道干扰，但是使用FCC信道避免同波道干扰不能最大地利用许可频谱的信息传送容量，因而效率不高。因而需要解决这种问题。
图5示出了一个与点对点系统相关的额外频谱管理问题。建筑物501通过信道1与建筑物502连接。建筑物503通过信道2与建筑物504连接。实连接线505，506代表预定的无线发送。但是，由于“发射射线”在发射源是大约2度，信号可能被不是预定的但正巧处于始发系统的发射射线范围中的其它系统接收到。点划线507代表这种情况，其中建筑物4中的系统错误地接收到了建筑物1中系统的发送。如果使用了两种不同的频率，将不会有同波道干扰。这又使点对点无线网络中的频率管理需要使用多个信道来避免干扰，而不能充分使用频谱来提高带宽的利用率。
屋顶空间是宝贵的，在许多情况下屋顶设置天线的数量、大小和位置是受限的。由于点对点系统为每个无线连接使用独立的天线，因此建筑物屋顶空间成为限制因素。随着设置在建筑物屋顶上的点对点系统的数量的增加，不仅频谱管理考虑方面会限制可部署的系统的数量，屋顶上每个天线可用的物理空间也限制系统的数量。因此，需要有能够扩展无线网络容量并由此扩展用户数量而不用增加相应天线屋顶数量的解决办法。
点对点系统为用户提供了所谓的全日连接。全日连接是“永远开通的”(连接的和有效的)，总是等待信息的传送。全日无线连接利用一旦指定后其它用户就不能使用的专用频谱。因此，点对点无线系统适用于连续或长时间的传输。点对点系统不能有效地支持需要可变带宽的可变比特率或“突发”数据业务。由于每个系统在全时“永远开通”的基础上利用分配的信道，而不管链路上的信息量或传输持续时间，可变比特率应用的点对点系统使用的带宽被浪费。因此，对于像LAN对LAN数据传输这样的“突发”数据业务，需要有更有效地利用频谱的解决方法。
本发明的一个目的是要创建一个能够支持高级话音和数据业务的“全特性”局部城域宽带电信网络基础设施。
本发明的另一个目的是要使用无线频谱作为提供高级话音和数据业务的局部城域宽带电信网的接入的关键启动器(key enabler)。
本发明的再一个目的是要最大地利用局部城域宽带电信网中分配的可用频谱。
本发明的再一个目的是要克服与点对点固定无线电信系统的使用有关的频谱管理限制。
本发明的再一个目的是要使局部城域宽带电信网中的多信道利用能够额外地提高网络容量。
本发明的再一个目的是要使屋顶上提供对局部城域宽带电信网的接入所需的无线电信系统的数量减到最少。
根据本发明网络的一种形式，广域通信网络包括至少两个由通信干线互连的中枢站点。每个中枢站点在至少一个扇区中提供无线覆盖。在每个扇区中存在至少两个远端站点，并且通过一点对多点宽带无线系统耦合到对应的中枢站点。该网络最好包括至少一个可由远端站点通过中枢站点和干线访问的业务节点。
根据本发明网络的另一种形式，宽带局部城域电信网为多个用户提供固定宽带无线本地环路接入。用户包括一个以对应于所述用户所处的网孔扇区的频率工作的用户无线电单元。至少一个用户具有多个相关的客户端设备，并且包括在多个客户端设备和用户无线电单元间执行统计多路复用的装置。该网络包括由基于Sonet的干线互连的多个中枢站点。中枢站点包括以可选频率工作的多个中枢站点无线电单元，而且至少一个无线电单元对应于一个网孔扇区。中枢站点还包括在每个所述网孔扇区内的多个用户间动态地分配通信带宽的装置。该网络最好包括多个耦合于干线并且可由用户通过中枢站点和干线访问的增值业务节点。该网络还包括一个中央操作节点，其通过一控制网连接到每个所述中枢站点并且提供中枢站点的远程访问和控制以及增值服务节点的远程控制用户访问。
通过以下结合附图对示例实施例的详细说明，可以对本发明网络实施例的这些和其它特征、目的和优点有更清楚的理解。
图1是说明局部城域宽带电信网的示意图，其利用以38GHz操作的固定无线点对点系统提供到局部城域宽带电信网的客户接入；
图2是说明现有技术的用于经过一交换机提供到电信业务的客户访问的典型点对点系统构造的示意图；图3是说明把100MHz信道划分为用于发射和接收信号的两个50MHz子信道的38GHz频谱分配方案的示意图，其中每个发射和接收子信道由700MHz频谱隔离；图4是说明根据现有技术的其中存在中枢和客户建筑物无线系统之间一对一关系的建立在一中枢化网络构造中的点对点固定无线系统的示意图，重叠区表示点对点固定无线网络中遇到的同波道干扰现象；图5是说明在现有技术的点对点固定无线系统中遇到的另一种同波道干扰现象的示意图；图6A是说明在本发明系统中使用的一个固定无线一点对多点设施的示意图，其中在一个扇区内存在中枢和客户系统之间的一对多关系；图6B是进一步说明本发明网络中使用的图6A的中枢站点的方框图；图7是说明利用以38GHz操作提供到干线网和各种电信业务的用户接入的一点对多点固定无线技术的本发明的局部城域宽带电信网的示意图；图8是本发明系统中使用的一个实施例用户系统的方框图。
1.网络拓扑本发明的网络使用固定无线微波方案，其允许中枢系统和位于客户建筑物中的远端系统间的多点对一点关系。这种称为“多路接入”或“一点对多点”的技术通过结合改善频谱效率(和可用带宽)和增强智能可以支持大城市广域网中的传统话音和数据电话业务，以及商业和居民宽带多媒体业务。
图6A示出了以中枢和客户建筑物无线电系统间的“一对多”关系为特征的一点对多点系统。在图6A中，中枢站点601装备有天线602，603和604。天线602向覆盖多个用户建筑物606，607，608和609占据的物理空间的“扇区”605发射。扇区605中的建筑物606，607，608和609上的天线都与扇区605的单一中枢天线602通信。扇区可以是15至90度宽。一个扇区中所有建筑物一般利用一个单独的信道，所以对于同一扇区内的建筑物，同波道干扰不再是一个问题。
为了防止扇区边缘处的同波道干扰，中枢站点601把频率分配给实际上彼此隔离的相邻扇区。例如，可以给扇区602分配信道1A/1B，并且给扇区604分配信道2A/2B。因而一点对多点系统可以充分利用一个扇区内分配的每个信道来传送信息，这与需要在同一地理区域中仅仅是为了避免同波道干扰而利用多个信道的点对点系统的频谱管理要求形成了鲜明对照。
图6B示出了一个在本发明网络中使用的中枢站点601的示例实施例。天线602，603…60n，对应于各频道。一个频道一般分配给一个对应网孔扇区605。但是，在需要额外带宽的情况下，本发明网络把多个信道分配给一个或更多的网孔扇区。每个天线最好包括一个相应的中枢无线电单元620。为了避免在38GHz上的与同轴电缆和波导相关的信号损失，中枢无线电单元最好耦合到安装在屋顶或塔顶的相应天线上成为一个整体单元。
中枢站点还包括通过设备互连链路(interfacility link)624耦合到中枢无线电单元620的中枢室内单元(IDU)622。设备互连链路624是一种宽带连接，最好采用光纤连接形式。中枢IDU连接于一个或多个管理中枢站点601内操作和数据传送的中枢控制器626。还包括一个干线接口628，以便能够与网络干线连接和进行数据传送。
图7示出了利用38GHz多路接入无线技术的商业城域网中的本发明的网络的一个实施例。该网络包括宽带干线702，它可以用光纤、铜线或无线技术实现。位于圆环中的大方框代表一点对多点中枢站点704，每个覆盖至少一个网孔扇区706。在商业市区环境中，以适当的方式部署网孔扇区706，使得带宽朝向具有适当建筑物(客户)密度的地理位置。一旦上了干线702，客户业务被路由选择到任意数量的提供增值业务的网络节点。这种业务节点的例子有本地通信交换台706，长途电话交换台708，和因特网接入点710及视频业务点712。本发明网络还包括至少一个中央操作节点713，其通过例如帧中继网这样的控制网715连接到每个中枢站点704。
38GHz一点对多点无线网络的结构一般是由具有3-5英里直径(1.5-3英里线路距离)的网孔714组成的。每个网孔714包括多个扇区706-1，706-2，…，706-n，扇区宽度范围从15到90度。一个中枢站点704位于每个网孔的中央，位于扇区内客户建筑物中的多个远端用户系统(用户)716与中枢无线电设备通信，以建立无线链路。对应中枢站点704把一个给定扇区内的带宽在该扇区内提供的远端用户系统中分配。一个扇区可以利用一个单一许可的信道的全部带宽，或可以在一个扇区中“堆叠”多个信道，以满足对带宽的总用户需求。当使用多个信道时，给该中枢站点704增加一个用于该扇区的附加中枢无线电单元620和天线。
最佳扇区宽度的规定是一个不可忽视的问题。一种设计目的是要使需要的有效辐射功率(ERP)的成本最小。窄扇区产生较高的天线增益，所以只需要较小的功率来达到给定的ERP。但是，每个扇区需要它本身的无线电系统，所以窄扇区增大了覆盖一给定地理区域所需的设备成本。在最后的分析中，中枢站点设计是对容量的总客户需求和客户位置地理分布的函数。
在本发明的一点对多点城域网中，中枢站点704最好在干线702上通过光纤或高容量微波无线电设备以SONET环形结构互连。长途电话商708，因特网服务提供者710，本地PSTN交换台706和视频源712之类的业务节点互连到光纤环，在一些情况下通过与中枢站点合设而连到光纤环。因此，一旦客户经过无线接入链路连接到网络，就可以访问各种业务节点支持的任何业务。
本网络方法需要干线上的传送和路由选择能力，以方便多个客户位置之间和客户位置与网络业务节点之间的连接。异步传送模式(ATM)是本发明的城域网构造的优选传输层协议。也可以预计在一段时间将使用更为传统的面向连接的或异步电话传送协议作为到全ATM网络的话务员过渡。为此原因，在中枢站点704和干线702之间最好包括ATM(OC-3c)和STM(DS-3)接口两者。2.无线ATM这种网络构造利用异步传送模式(ATM)作为网络中的基本传送方法。ATM是一种把信息组织成多个信元的打包传送技术。各信元具有一个“信首”和一个“有效负载”。信首说明有效负载中的数据类型和数据在何处终止。各信元经过多种路径通过网络传播，并且能够以不同于原有的顺序达到终点。包含在信元中的信首信息允许以向客户端设备传送之前的正确顺序重新排列信元。通过把数据封装在有效负载中，ATM信元可以传送许多标准电信话音、数据和视频业务。因此，ATM可以把话音、数据和视频结合在一个单一电信传送网络中。
本发明网络的一个关键结构因素是在一点对多点系统无线传送(无线接口)中使用ATM。在用户716和中枢站点704之间，客户特定业务(以太网、帧中继，DS-1，DS-3，ISDN，话音)封装在ATM有效负载中。因此，由基于信元的协议最有效处理的业务受益于网络中的端对端ATM传送，而必须在干线上临时信道化的业务在中枢站点704被时分多路复用。在上述任意一种情况下，所有业务经过ATM的空中传送使得能够在网络中实现重要的按需分配带宽功能。3.调制和系统容量利用QPSK和4FSK之类的调制技术的无线设备产生每秒每赫兹1比特的有效数据率。当在50MHz全双工信道中(即，对于每许可信道总共100MHz频谱，每个方向上50MHz)分配38GHz频谱时，当今固定无线技术的最大点对点数据率是45Mb/s，或DS-3。16QAM和64QAM之类的更高级调制技术与整个系统增益的提高一同会产生每秒每赫兹4-5比特或更高的数据率。这代表每信道可用带宽的显著提高。因此，在38GHz可以获得每扇区每信道OC-3(155Mb/s)和更高的数据率。可以预期每秒每赫兹6-8比特范围的频谱效率。根据比较保守的设计可以容易地获得支持可用带宽的每秒数千兆比特的总数据率的多扇区、多信道网孔。较少保守的设计将会产生更高的网孔容量。4.按需带宽由于为了通过无线网络传送而把数据封装在信元中，所以有可能比非ATM无线设备更高效地利用射频频谱。这是由于一种叫作“统计多路复用”技术的结果。统计多路复用利用了系统中数据传输的随机始发和全部用户并不在所有时间需要带宽的事实。统计多路复用使包含不同用户始发的数据的信元用最小的所需频谱传送。在这种意义上说，用户分享无线ATM网络中分配的频谱，并且在任何给定时刻系统中所有用户的集合带宽需求由系统内可用频谱及时提供。
这导致了数据容量的“统计增益”，这种统计增益使电信网络操作人员能够根据在一给定用户位置(例如，多用户交换机用户分群办公楼)将不会在所有时间需要分配给该位置的全部容量的假设“超额贡献”无线链路。对于其上大多数信息是以短脉冲串(“突发数据”)传送的链路，可以有高达10比1(10∶1)的超额贡献比(统计增益)，如在LAN-LAN通信的场合。其中通信对话持续期间业务混合更多地向话音或需要通过网络(电路)点对点连接的其它业务偏移的网络，更典型的统计增益是2∶1或3∶1。
ATM信元信首还包含能够使各个信元按优先等级排序的参数。因此，具有最高优先等级的信元立即通过网络传送，而具有较低优先等级的信元可以延迟直到较高优先等级的信元已被交换完毕。ATM的这种属性使其能够支持具有变化的“业务质量”，或QOS的业务。当把这种优先等级系统与统计多路复用结合使用时，可以使信息以很高的效率通过无线网络传送。例如，可以把一个大文件分解为多个信元，并且通过网络在散布有较小文件的其它信元的信息包流中发送。因此，小文件不必等待大文件传送完毕，并且整个网络的操作效率更高。
在一给定扇区706内的用户716之间动态地分配带宽。因此，一个给定用户716对高比特率突发信息的瞬间需求可以通过利用此时没有被扇区706内其他用户使用的带宽来满足。这可以通过对用户的时隙的可变按需分配(时分多址或TDMA)，或频率的可变按需分配(频分多址或FDMA)来完成，或通过组合两种多路复用技术(按需分配多址或DAMA)完成。
当把这些在一扇区中的建筑物之间动态地分配带宽的技术与分配给各个建筑物内的客户的带宽的ATM统计多路复用(超额贡献)结合时，结果是极大地提高了本发明网络中使用的无线频谱的信息传送容量。通过使用16 QAM和64 QAM之类的高效调制方案可以进一步增大容量。5.建立中枢结构本发明系统使用了一种称为“建立中枢”的配置策略，把许多无线链路的一端集中到一个单独的建筑物屋顶或“中枢”上。每个中枢704可以利用无线链路连接到许多远端无线电系统716。在大城市区中的中枢704可以经过无线、光纤，或其它高容量电信设备以环形、网孔形、或其它干线网络拓扑技术互连。给中枢704装备ATM交换或TDM多路复用设备以跨越干线702桥接无线链路，建立用户间的连接，或把用户连接到网络上的其它位置，以便访问各种业务。通过建立中枢，利用联网大大增加无线接入链路的有效范围，以及提供对各种话音、数据和多媒体业务的访问。
本发明的建立中枢结构可以应用于点对点和一点对多点固定无线系统。在点对点无线系统中，每个中枢为连接到干线网络的每个链路支持一个天线。因此，屋顶空间限制了可以由利用点对点固定无线系统的单一中枢支持的天线的数量(并且因此也限制了到网络的链路数量)。图1示出了一个使用38GHz点对点无线电信系统的网络结构的实施例，其中无线设备把客户位置连接到一个城域干线网。这个系统使用了一种点对点系统，其中在一个中枢100与特定建筑物102或校园104之间发生通信。干线网由以环形结构连接中枢的高容量电信传送设备106组成，每个中枢通过“最终里程”无线连接连接到各个建筑物或校园位置。
在一点对多点固定无线系统中，较小数量的中枢天线在一个在15和90度之间变化并且包含许多客户建筑物的扇区中提供到客户建筑物的连接。在上述任意一种情况下，建立中枢结构提供了到网络干线的有效接入，因此用户之间可以进行通信，并且使得用户可以访问连接到网络的增值业务。6.远端用户系统设备和业务支持在本发明的系统中，用户716可以是单一客户的形式、在一个建筑物中多个使用者系统的形式，或甚至是一种客户校园的形式。图8示出了在一建筑物中多使用者系统使用的用户系统的实施例。
参考图8，天线802与紧密封装的用于在屋顶上安装的室外单元(ODU)804中的无线电收发信机集成为一体。为了快速、低成本安装和无障碍，ODU最好用标准4英寸杆架固定。室外单元804通过由同轴电缆或光纤构成的设备互连链路(IFL)808连接到通常位于建筑物内公用空间中的室内单元(IDU)806。
在IFL 808中使用光纤，为在建筑物内电缆管线已经与电信设备紧密地组装在一起并且只有很小的空间拉新电缆的地方提供了很大的安装便利。这是经常遇到的安装问题。由于光纤比同轴电缆细得多，所以把它穿过现存的建筑物电缆管路拉出比同轴电缆容易得多，使得安装工作比用电缆要快得多，花费也低不少。
在IFL 808中使用光纤的另一优点与IDU 806和ODU 804之间的信号损失有关。在大多数情况下，同轴电缆的物理性质使信号的传播限制在1000英尺以下。这限制了建筑物中ODU 804与IDU 806之间的间隔。由于在大多数商用办公建筑中提供给电信设备(包括IDU)的公用空间是在地下室，而ODU 804安装在屋顶，这给在15层或更高的较大的建筑物中的安装造成问题。光缆没有这种IDU 806和ODU804之间的距离限制。因此，建筑物中电信设备的公用空间位置不妨碍安装。
室内单元806用来与客户端设备(CPE)810连接。室内单元的一个优选实施例包括一个机架，其具有用于接受业务专用线路卡812的插槽。在安装客户时线路卡812物理地插在机架中，并且通过来自集中式网络操作中心的软件命令激活。提供线路卡812是为了支持特定的电信业务(DS-1，DS-3，ISDN，帧中继，以太网，令牌环，ATM，等等)。线路卡812又连接到一底板，用于把协议转换到ATM用来向中枢传输，和从ATM转换到业务专用协议用来从中枢传输。一个机架最好能支持10-20个线路卡812，每个线路卡可以提供用于与CPE互连的多个端口。例如，一个典型的DS-1线路卡允许每卡连接4条DS-1线路(4x DS-1)。线路卡价格不高，因此，一旦在一个建筑物安装了基础远端系统设备，在网络中增加客户所提高的费用很低。一旦安装完成，线路卡812提供的业务就可以本地起动，或最好是由中央操作节点713(图7)产生的通过网络传送的命令远程起动。
以这种方式，室内单元价格比有效地满足了电信业务的需求。大多数小到中等大小的商用办公建筑物可以由10-20个上述卡机架支持。在很大的建筑物中，两个或更多的IDU可以用“菊花链”形式互连以扩充可用业务接口的数量，并且安装在公用空间和总配线架所在的不同楼层以向客户提供服务。本发明也为很小的、低价室内单元提供固定业务接口，以便向小办公室/家庭办公室(SOHO)和住宅客户提供服务。这些小IDU不是使用机架和底板结构，而是低价制造完全一体化的封装单元，以支持一组预定业务。一个这类低端IDU的例子将提供用于多个64KB/s话音线路的接口，和用于连接远端办公室LAN的ISDN或以太网端口。7.操作考虑除了改进的频谱效率和得到带宽增加之外，利用38GHz的一点对多点无线电技术还可以显著地节省操作和设备开销。用一个或多个一点对多点中枢天线代替中枢屋顶上的多个天线消除了操作上的复杂性，并且降低了安装成本。一旦安装了一个中枢704，向网络增加客户成了一件在覆盖扇区706内的客户建筑物中安装用户系统716的事情。这与现在的点对点38GHz无线技术情况下需要设计和安装支持每个链路两端的设备形成鲜明对照。
此外，业务提供和结构改变可以由通过网络下载到位于客户建筑物中的用户系统的可软件定义的业务属性来远程管理。由具有适当授权的技术人员从中央网络操作中心提供、监视、改变和控制业务。系统软件使从中枢到远端用户系统中的终端用户业务接口卡的“直观(seethrough)”业务提供成为可能。8.业务本发明的网络可以支持全部可由有线线路电信技术支持的业务。这些业务包括两种广义定义的范畴传统电信业务和正在出现的宽带多媒体业务。
用于商业市场的传统电信业务包括(1)话音频段本地和长途业务，(2)用于话音和数据的DS-1，nx DS-1和DS-3速度的点对点专用设备，(3)交换56Kb/s和帧中继之类的数据交换业务，和(4)以OC-3或更高速度操作的高容量点对点数据设备。
本发明网络支持的正在出现的宽带多媒体业务包括高速因特网访问，网上主持和信息业务，以太网和令牌环之类的本地LAN-LAN业务，和桌面视频会议、有关生意的商业视频编程，和按需视频培训(远程学习)之类的视频业务。以实际上任何数据率提供至网络的无线客户接入链路，以满足这些业务的带宽需要。
提供给住宅客户的业务包括上述用于电信和小办公室/家庭办公室(SOHO)应用的一个分组。用于这些客户的一个业务分组可以包括本地和长途电话业务，信息业务和电子邮件的高速因特网访问，和可选视频编程。也可以用任何速度为住宅客户提供对网络的接入。
可以使用ATM业务质量(QOS)参数支持基于使用的宽带多媒体数据业务。例如，一个客户可以预约一个到网络的2兆位的约定信息速率(CIR)连接。这个客户的ATM信元中的开销在每次该客户在网上需要这样的带宽量时都将保证2兆位的实际通过量。当该客户没有使用这个2兆位的网络容量(在一点对多点固定无线接入网络中的频谱)时，可以把它用于网络上的其它传输。
ATM QOS参数可以用来在网络上提供变化的通过量等级，以使网络操作人员能够制定与这些通过量等级相符的价格。对于特别不能容忍非连续信元传送中所固有的延迟的话音业务，永久虚电路(PVC)保证以预定数据率立即通过。每次有业务请求时，PVC在网络中使用恒定的固定带宽。即使与信元重新排序相关的延迟小到以毫秒计，人类耳朵也能察觉到这种延迟的累积效果。凭借通过网络有效地建立端对端路径，信元通过该路径连续地传送，PVC克服了ATM网络中的这一问题。在本质上，PVC是一种通过ATM网络的电路交换连接。在固定无线一点对多点网络中，在话音呼叫持续期间带宽是以全时基础在用户系统和中枢之间分配的。
其它基于ATM的业务是利用交换虚电路(SVC)提供的，SVC根据从保证数据通过速率到以“可用容量”为基础的数据传送的等级优先权方案向使用者传输分配带宽。SVC利用用于管理与数据的临界状态和对客户的业务的成本有关的通过量的QOS参数，最有效地支持可变比特率(突发)数据业务，例如LAN通信。
在本发明网络中，在系统上收集并存储事件数据，以便根据提供给客户的业务类型计费。用于数据业务的计费可以考虑提供业务的时刻，客户利用的网络资源(例如，峰值数据率，持续数据率，传送的信息包/字节数量)，提供的业务质量，由于阻塞或其它网络传输错误而丢失的信息包数量，和其它在传统电信业务计费算法中一般不考虑的因素。对于话音业务，计费数据由网络中建立的交换设备从传统的通话详细纪录(CDR)格式收集。
本发明的一点对多点宽带城域网将支持大范围的未来商业和个人电信业务，例如，使用把城市和公路地图与全球定位数据和本地交通信息结合在一起的机载计算机系统的车辆数据应用。防撞车雷达是另一种适合的车辆应用。此外，一点对多点网络可以支持具有无线宽带连接性能的个人计算应用的主机，包括个人数字助理，手持网络终端，和校园移动LAN，等等。
尽管是参照优选实施例对本发明进行说明的，但熟悉本领域的人员应当理解，其中可以在形式和细节上进行各种修改，而不脱离本发明的范围和精神。因此，上述的修改不受限制，并应包含在本发明的范围中。
权利要求
1.一种广域通信网，包括至少两个中枢站点，所述中枢站点由通信干线互连，每个所述中枢站点在至少一个扇区中提供覆盖；至少两个对应于每个所述扇区的远端站点；一点对多点宽带无线系统，所述至少两个远端站点通过所述一点对多点宽带无线系统耦合到对应的中枢站点。
2.一种根据权利要求1所述的广域通信网，还包括至少一个业务节点，所述业务节点可操作地耦合到至少一个所述中枢站点。
3.一种根据权利要求2所述的广域通信网，其中所述至少一个业务节点包括因特网业务节点、长途电话业务节点、本地电话业务节点、和视频业务节点中的至少一个。
4.一种根据权利要求1所述的广域通信网，其中所述至少两个远端站点中的至少一个包括室外单元，所述室外单元包括可操作地耦合到天线的无线电收发信机；多个室内单元，所述室内单元可操作地耦合到多个客户端设备；和设备互连链路，所述设备互连链路把所述室外单元耦合到所述多个室内单元，由此所述无线电收发信机支持多个所述客户端设备。
5.一种根据权利要求4所述的广域通信网，还包括用于在所述多个客户端设备中统计多路复用使用所述无线电单元的装置。
6.一种根据权利要求4所述的广域通信网，其中所述室内单元包括机架，所述机架具有用于多个线路卡的接受装置；和线路卡，所述线路卡提供所述机架和客户端设备之间的业务专用接口。
7.一个根据权利要求6所述的广域通信网，其中所述线路卡可以支持菊花链结构中的附加室内单元。
8.一种根据权利要求4所述的广域通信网，其中所述设备互连链路是光纤链路。
9.一种根据权利要求4所述的广域通信网，其中所述远端站点位于一个多层住宅，并且在该住宅的多个楼层上安装室内单元。
10.一种根据权利要求1所述的广域通信网，其中所述至少两个远端站点中的至少一个包括一个向客户端设备提供所选择的业务的集成单元。
11.一种根据权利要求1所述的广域通信网，其中在每个所述中枢站点的所述一点对多点宽带无线系统包括第一无线电单元，以第一可选频率操作并在第一扇区中提供覆盖；第二无线电单元，以第二可选频率操作并在第二扇区中提供覆盖，所述第二扇区实际上与所述第一扇区相邻；和用于从多个可用频率适当频率选择所述第一可选频率和所述第二可选频率的装置，使得所述第一和第二可选频率实际上被隔离因而使同波道干扰降到最低。
12.一种根据权利要求11所述的广域通信网，还包括至少一个以第三可选频率操作的第三无线电单元，所述第三无线电单元在所述第一和第二扇区之一中提供进一步的覆盖，所述选择装置进一步选择所述第三可选频率，使得所述第一、第二和第三可选频率实际上不同。
13.一种根据权利要求11所述的广域通信网，其中所述中枢站点包括多个相邻和不相邻扇区，并且其中所述频率选择装置在所述不相邻扇区上重复使用所述可用频率。
14.一种根据权利要求1所述的广域通信网，其中所述通信干线和所述宽带无线系统每个都支持一个基于信息包的数据传送协议。
15.一种根据权利要求14所述的广域通信网，其中所述基于信息包的传送协议是异步传送模式。
16.一种根据权利要求14所述的广域通信网，其中用于干线对中枢站点通信的所述基于信息包的传送协议包括异步传送模式和同步传送模式。
17.一种根据权利要求16所述的广域通信网，其中所述信息包是包括一个信首部分和一个有效负载部分的ATM信息包，所述信首部分包括一个业务质量参数，并且其中所述网络还包括用于根据所述业务质量参数分配系统带宽的装置。
18.一种提供固定宽带无线本地接入的宽带局部城域电信网络，包括多个用户，所述用户包括用户无线电单元，所述用户无线电单元以对应于所述用户所处的网孔扇区的频率操作，所述用户中的至少一个具有多个相关客户端设备，并且包括用于在所述客户端设备和所述无线电单元之间执行统计多路复用的装置；多个中枢站点，所述中枢站点由基于Sonet的干线互连，所述中枢站点包括多个中枢站点无线电单元，所述中枢站点无线电单元以可选频率操作，并且至少一个无线电单元对应于一个网孔扇区，所述多个中枢站点包括用于在每个所述网孔扇区内的多个用户之间动态分配通信带宽的装置；多个增值业务节点，所述业务节点耦合到所述干线，所述用户通过所述中枢站点和所述干线访问所述增值业务节点；和中央操作节点，所述中央操作节点由一控制网连接到每个所述中枢站点，并提供所述中枢站点的远程控制和所述用户访问所述业务节点的远程控制。
19.一种根据权利要求18所述的宽带局部城域电信网络，其中所述多个增值业务节点包括因特网业务节点、长途电话业务节点、本地电话业务节点、和视频业务节点中的至少一个。
20.一种根据权利要求18所述的宽带局部城域电信网络，其中所述多个用户中的所述至少一个包括室外单元，所述室外单元包括可操作地耦合到天线的无线电收发信机；多个室内单元，所述室内单元可操作地耦合到多个客户端设备；和设备互连链路，所述设备互连链路把所述室外单元耦合到所述多个室内单元，由此所述用户无线电单元支持多个所述客户端设备。
21.一种根据权利要求20所述的宽带局部城域电信网络，其中所述室内单元还包括机架，所述机架具有用于多个线路卡的接受装置；和线路卡，所述线路卡提供所述机架和客户端设备之间的业务专用接口。
22.一种根据权利要求21所述的宽带局部城域电信网络，其中所述设备互连链路是光纤链路。
23.一种根据权利要求20所述的宽带局部城域电信网络，其中所述用户中的至少一个位于一个多层住宅，并且所述多个室内单元中的至少一个安装在该住宅的多个楼层上。
24.一种根据权利要求18所述的宽带局部城域电信网络，其中所述用户中的至少一个是向客户端设备提供一个选择的业务的集成用户单元。
25.一种根据权利要求18所述的宽带局部城域电信网络，其中在每个所述中枢站点的所述多个中枢无线电单元包括第一扇区无线电单元，以第一可选频率操作并且在第一网孔扇区中提供覆盖；第二扇区无线电单元，以第二可选频率操作并且在第二网孔扇区中提供覆盖，所述第二扇区实际上与所述第一扇区相邻；和用于从多个可用频率中适当频率选择所述第一可选频率和所述第二可选频率的装置，使得所述第一和第二可选频率实际上隔离因而使同波道干扰降至最低。
26.一种根据权利要求25所述的宽带局部城域电信网络，其中所述多个中枢无线电单元还包括至少一个以第三可选频率操作的第三无线电单元，所述第三无线电单元在所述第一和第二扇区之一中提供进一步的覆盖，所述用于选择的装置还选择所述第三可选频率，使得所述第一、第二和第三可选频率实际上不同。
27.一种根据权利要求25所述的宽带局部城域电信网络，其中所述中枢站点覆盖多个相邻和不相邻扇区，并且其中所述频率选择装置在所述不相邻扇区上重复使用所述可用频率。
28.一种根据权利要求18所述的宽带局部城域电信网络，其中所述干线，所述用户无线电单元和所述中枢无线电单元每个都支持基于信息包的数据传送协议。
29.一种根据权利要求28所述的宽带局部城域电信网络，其中所述基于信息包的传送协议是异步传送模式。
30.一种根据权利要求28所述的宽带局部城域电信网络，其中用于中枢站点对干线通信的所述基于信息包的传送协议包括异步传送模式和同步传送模式。
31.一种根据权利要求18所述的宽带局部城域电信网络，其中所述用户无线电单元和所述中枢无线电单元使用高级调制在频道上传送数据。
32.一种根据权利要求31所述的宽带局部城域电信网络，其中所述高级调制是16QAM和64QAM中的一个。
33.一种根据权利要求29所述的宽带局部城域电信网络，其中所述中央操作节点包括用于收集有关所述用户的信息包质量和信息包容量数据的装置，所述数据被提供到计费系统。
34.一种宽带电信网络结构，包括第一中枢站点，在第一区中向第一组多个用户提供宽带无线通信；第二中枢站点，在第二区中向第二组多个用户提供宽带无线通信；通信干线，互连所述第一中枢站点和所述第二中枢站点，因而使所述第一区中的所述第一组多个用户与所述第二区中的所述第二组多个用户之间能够通信。
35.一种根据权利要求34所述的宽带电信网络结构，其中所述宽带无线通信包括点对点通信链路。
36.一种根据权利要求34所述的宽带电信网络结构，其中所述宽带无线通信包括一点对多点通信链路。
37.一种根据权利要求34所述的宽带电信网络结构，还包括连接到所述干线的多个增值业务节点，所述用户经过所述中枢站点访问所述业务节点。
38.一种在一个中枢和具有多个客户的多个用户之间的并且在频道上操作的一点对多点系统中获得提高的有效带宽的方法，包括以下步骤在所述多个用户之间动态地分配带宽；利用高级调制在频道上通信；和在用户处使用多个客户的统计多路复用。
全文摘要
一种广域通信网,包括至少两个由通信干线互连的中枢站点。每个中枢站点在至少一个扇区中提供无线覆盖。在每个扇区中有至少两个远端站点并且经过一点对多点宽带无线系统耦合到一个对应的中枢站点。该网络最好包括至少一个可以由远端站点经过中枢站点和干线访问的业务节点。
文档编号H04Q11/04GK1267416SQ98808229
公开日2000年9月20日 申请日期1998年6月19日 优先权日1997年6月19日
发明者阿伦M·岑德勒 申请人:温斯达通信公司