具有改进的接入协议的通信网的制作方法

专利名称：具有改进的接入协议的通信网的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个通信网，该通信网包括一个通过传输介质与多个次级站相连接的主站，所述次级站被安排成试图占用信道以便向主站传输信息。
本发明还涉及在这种通信网中使用的主站和次级站。本发明还涉及一种通信方法。
S.Nanda、D.Goodman和U.Timor在IEEE学报关于车载技术(1991年8月，第40卷，第3期)上发表的文章《PRMA的性能一种应用于GSM系统的分组语音协议》中讲述了前文所说的通信网。
当多个次级站需要通过由若干次级站部分地公用的传输介质向主站传送信息时，可使用该通信系统。为了防止向主站传送信息的两个或多个次级站之间相互干扰，开发了一些技术如FDMA、TDMA、CDMA以及它们的组合。
在FDMA(频分多址)中，信道包括多个频带，每一个频带都能够传送从次级终端发出的一个信号。通过将各可用频带中的一个分配给需要向主站传送数据的次级站，就使得多个次级站相互无干扰地向主站传输信息成为可能。
在TDMA(时分多址)中，时间轴被分成多个时隙，不同的次级站可在各个时隙中向主站传输信息。
在CDMA(码分多址)中，代码被分配给每一个(激活的)次级站。次级站使用该代码调制要传送的数据，一般，数据的传输速率比代码的传输速率要低得多。通过对接收信号与分配给特定次级站的代码进行相关，主站可提取该特定次级站传送的信号。来自不同次级站的接收信号是正交，这是因为分配给不同次级站的代码是相互正交的。
可以看出，还可以使用上面提到的多址接入方法的组合。一种经常使用的组合方法是FDMA与TDMA的组合，在该方法中，多个频带可用来从次级站向主站传输信息。在每个频带中使用具有多个时隙的帧。这种具体的组合在例如GSM(全球移动通信系统)和DECT(数字增强无绳电话)中使用。
在大的通信网中，可用信道(频率、时隙、代码及其组合)比次级站的数目要少，这就不可能将信道固定地分配给次级站。为了让所有的次级站能够使用可用信道，可使用介质接入(MAC)协议。根据上述文章中的先有技术，次级站通过监听一些确认消息来确定哪一个信道是可用的以便在下一帧中获取它，这些确认消息是主站在正确接收了来自次级站的消息后传送的。在下一帧中，次级站试图占用一个在上一帧中没有被使用的信道。
有关先有技术接入协议的一个问题是次级站需要接收所有主站发送的确认消息并对其解码。对高容量的网络而言，由于需要监视大量的信道，在每一个次级站中接收并处理确认消息实际上是不可能的。
本发明的一个目的是提供根据本申请的开篇部分所述的一种能够处理大量信道的通信网。
为实现该目的，本发明的通信网特征在于，主站被安排用来确定哪些信道没有被次级站使用，主站还被安排用来向次级站传送没有被次级站使用的信道的标识，以及次级站被安排用来从那些没有被次级站使用的信道中试图占用至少一个信道。
这样，次级站就无须接收和处理所有的确认消息，并且，它通过接收由主站确定的空闲信道的一个列表，就能够简单地确定在下一时隙中可以试图占用哪一个信道。
可以看出，主站还可以向次级站传输哪一个信道正在被使用的消息。次级站能够从该信息中得到它可用来发送传输请求信号的信道的信息。可以通过向主站发送一个特殊的传输请求信号来试图占用信道，但最好是向主站传送净荷数据的起始部分以便获取信道。使用净荷数据获取信道的优点在于可以提高效率。
本发明的一个实施方案的特征在于，主站被安排用来向次级站传送关于一个具体的信道占用企图是否成功的消息，以及已经成功占用了该信道的次级站继续使用该信道向主站传输数据。
在本发明的该实施方案中，主站不需要向次级站传输有关其净荷信息应该在哪一个信道上进行传输的信息。这实质上简化了接入协议。可以看出，只须通过在未使用/已使用信道的一个列表中除去/添加特定的信道，就可以简单地实现将信令发送给一个占用信道企图已经成功的次级站，这进一步降低了接入协议的复杂性。
本发明一个进一步的实施方案的特征在于，当次级站停止在某一信道上传输数据后，主站被安排用来立即将该信道重新确认为可用信道。
因为不需要有一种信令机制来告知主站次级站不再需要信道，上述特性进一步简化了接入协议。次级站只需停止使用信道，该信道就可以被认为是空闲的。
本发明的一个更进一步的实施方案的特征在于，如果前一个信道占用企图没有成功，次级站被安排用来以一个小于1的概率p竞争信道。
这样可以避免当存在大量的信道占用企图时，这些占用企图持续地碰撞而不能获取任何信道。通过减小企图占用信道发生的概率，竞争信道成功的数目可显著地增加。
本发明一个更进一步的实施方案的特征在于，次级站被安排用来随机地从可用信道中选择一个它将要占用的信道。
按照该实施方案，可以确定信道占用企图在所有信道范围内均匀地分布，这使得所有次级站成功占用信道的概率最大。
本发明一个更进一步的实施方案的特征在于，如果次级站接收到来自主站的关于它的前一个占用一个信道企图成功的指示，则该次级站被安排用来试图占用至少一个额外信道。
这一特征使得次级站能获得比一个信道更大的传输容量。通过在前一个信道占用企图成功后再试图占用新的信道，信道占用企图的数量得以及时分配。这增加了信道占用企图的成功概率。
以下将参考附图对本发明进行解释。


图1示出了一个应用本发明的一个LMDS通信网。
图2示出了在40GHz频带内进行LMDS传输的可用频率。
图3示出了根据本发明在传输系统中使用的上行链路帧。
图4示出了根据本发明使用的包括两个ATM信元的数据包。
图5示出了根据本发明的一个主站的方框图。
图6示出了由控制装置30执行的用于实施本发明的接入协议的程序的流程图。
图7示出了根据本发明的一个次级站的方框图。
图8示出了在根据图6的次级站中使用的一个状态机的状态图。
在按照图1所示的LMDS(局域微波分布系统)通信网中，一个主站2被多个次级站4......18环绕。图1的网络被指定在40GHz的频带内工作。主站2使用全向天线以便被所有的次级站4......18接收。次级站4......18一般使用方向天线以便接收来自主站2的最大信号电平。
作为一种选择，也可将主站放置在需提供服务的区域的边缘，并使用方向天线来避免信号被传送到该服务区域以外。这一选择方案减少了传送到相邻小区的信号，与使用全向天线的系统相比，这使得给定的频率能够在更小的距离内得到重用。
图2示出了在本发明的通信网中使用的频带。在欧洲LMDS系统可用的整个频带范围是从40.5GHz到42.5GHz。这一2GHz的频带被分成两个1GHz的频带。每一个1GHz的频带被分成一个有50MHz带宽的上行链路和一个有950MHz的下行链路。该50MHz的上行链路频带由22个具有2.2MHz间隔的载波组成。可以用1152kbit/sec的比特速率对这些载波进行GMSK调制。这是DECT无绳电话标准所使用的相同的信道结构。
图3示出了按照图1在所有22个载波中都使用的上行链路帧。上行链路帧有10ms的持续时间，它包括12个双时隙。每一个双时隙可传送960比特。
图4示出了可在按照图3的一个双时隙中传输的上行链路的分组结构。它以32比特的同步域S为起始，其后是用来传输控制信息的64比特A域。A域之后是两个传送净荷的53字节的ATM信元。在ATM信元之后附加上了4个CRC比特。CRC比特用来确定由次级站传送的分组是否被正确接收。帧的最后12比特没有被用来传送数据。它们用作保护间隔来防止由于传输时延的不同，从不同次级站发出的两个顺序分组发生重叠。
在按照图5的主站2中，天线与用于分离上行链路频带与下行链路频带的双工滤波器20连接。双工滤波器20的一个输出传送上行链路信号，它连接至解调器40的输入。解调器40的多个输出连接至相应的拆包器32、34和36，其中解调器40的每一个输出传送一个TDMA分组序列，每个拆包器32、34和36分别处理TDMA分组序列中的一个序列。
解调器40的其它多个输出为每一个载波提供强度测量。该强度测量例如可通过测量每一个载波的IF信号的幅度来确定。可以看出，该幅度测量必须执行得足够快以便区别顺序的双时隙的强度。检测器38被安排用来确定每一个上行链路信道的状态。这可以通过在解调器40中监测为每一个载波确定的强度值以及针对每一个时隙判定该时隙的强度测量是否超过了给定的门限值而实现。如果超过门限值，暂时将信道标记为已被占用。否则将信道标识为空闲。这一信息被传递给一个使用该信息建立空闲信道表的控制装置30。
在每一个拆包器32、34和36中，通过计算CRC值并将其与包含在分组中的CRC值进行比较来检查接收分组的正确性。如果比较显示分组接收正确，则从分组中提取两个ATM信元并将其传送给ATM交换机42。比较的结果也会被传送给控制装置30。
控制装置被安排用来确定传输给次级站的空闲信道表。由检测器38的输出信号和拆包器32、34和36的CRC输出，可以确定是否应将一个信道标记为空闲，这将以后做更详细的说明。
为了处理净荷数据中的传输错误，可使用ARQ方案。最好使用只有错误接收的分组才被次级站重传的选择性重复方案。拆包器32、34和36包括一个缓冲存贮器，它被用来向ATM交换机提供ATM分组。一个用于帮助重新编号的序列号可被包含在分组的A域中。
将控制装置30的一个输出应用于调制器20的输入，其中控制信息(例如空闲信道表和用来确认正确接收一个上行分组的信号)被调制在一个次级站可以进行接收的广播载波上。ATM交换机的多个输出连接至复用器24、26和28的多个输入，复用器24、26和28包含从ATM交换机接收的ATM分组，并将其转换成TDM传输流。在复用器24、26和28的输出端，调制器将每一个TDM传输流分别调制在独立的载波上。调制器的输出信号包括多个以净荷ATM分组调制的载波和一个以控制信息调制的载波，该输出信号被加到用于向次级站进行传输的双工器20的一个输入端。
在BSCM(基站控制消息)中，主站通过广播信道传输关于上行链路的信息。该BSCM包括SS，RC和CC三个域。
SS域包括两个状态比特。第一个状态比特(比特0)标识信道是UNRESERVED(未保留)还是RESERVED(保留)。第二个状态比特(比特1)标识信道中的净荷是否被主站正确接收。
RC域用来向次级站传输保留信息。它包括一个次级站终端识别号(TIN)与分配给它的信道号的组合。
CC域用来向次级站传输网络入口消息。它包括一个TIN分配消息、一个时延补偿值和一个传输功率值。
在按照图6的流程图中，用数字编号的指令的含义如下标号 指令描述含义21START 程序开始23Measure RSSI测量当前时隙中RF信号的强度25RSSI＞Threshold？ 将当前时隙中RF信号的强度与门限值进行比较27Check for A_CRC 计算所接收的分组包头的校验和29A_CRC OK？ 检查所接收的分组包头校验和的正确性31Read A_Field读分组包头33Net_entry message 检查接收的消息是否是网络入口消息35Check for B_CRC 计算一个接收的分组的净荷的校验和37B_CRC OK？ 检查一个接收的分组的净荷的校验和的正确性39Declare slot RESERVED and CRC_OK声明本时隙为RESERVED并声明校验和正确41Declare slot RESERVED and CRC_KO声明本时隙为RESERVED并声明校验和不正确43STOP终止程序45Execute net_entry procedures执行网络入口程序46Declare slot UNRESERVED 声明时隙为UNRESERVED按照图6的流程图示出了由主站的控制器30执行的程序所完成的操作。
在指令21中，程序开始执行并对所需的参数进行初始化。在指令23中，对当前接收的信道(时隙)的强度进行确定。这可以通过对图5中由检测器38确定的强度值进行读操作来完成。在指令25中，强度值与门限进行比较。如果强度值不大于门限值，利用将信道标记为UNRESERVED(空闲)的指令47继续执行程序。对于当前信道而言，程序执行完指令47后在指令43中终止。
如果强度值大于门限，在指令27中计算包头的校验和。在指令29中检查在指令27中确定的包头校验和是否正确。如果该校验和不正确，这说明主站将不再能确定哪一个次级站使用该信道。因而利用将信道标记为UNRESERVED(空闲)的指令47继续执行程序。
如果校验和正确，在指令31中将对整个包头来进行读操作处理。在指令33中检查当前分组是否传送一个指示与网络的初始连接的消息。如果是这样，则在指令45中执行网络输入程序。
网络输入程序包括确定特定的次级站与主站用来接收次级站的标称强度之间的传输时延。主站由测量的传输时延和测量的强度确定一个时延补偿值和一个为次级站设定的输出功率。这些值连同终端识别号(TIN)传输至次级站。次级站按照从主站接收的时延补偿值和设定的功率来修改传输时刻和传输功率。这样可以保证从次级站接收的信号按时隙界限正确对准，同样可以保证主站以基本上相同的强度接收来自不同次级站的信号。次级站必须将终端号包含在它要传输给主站的每一个分组的包头中。
如果当前包头没有指出网络入口消息，在指令35中将确定净荷的校验和。在指令37中，检查在指令35中确定的校验和是否正确。如果校验和正确，在指令39中将该信道标记为RESERVED并发送关于分组已被正确接收的信号。如果校验和不正确，将该信道标记为RESERVED，并且向次级站发送关于分组接收不正确的信号。随后在指令43中终止程序。
对于在该通信网中使用的每一个上行链路，都需要执行按照图6所示的程序。
在图6的次级站4......18中，天线与双工器50的输入/输出连接。双工器50的一个输出应用于解调器52，解调器52解调次级站接收的由控制信息调制的载波以及一个或多个由净荷信息调制的载波。
由解调器52解调的信号被传送给解复用器54，解复用器54从解调器52的输出信号中提取控制信号并将其传送给控制装置58。净荷信号被传送给拆包器56，拆包器56从解复用器54的输出信号中提取净荷ATM分组并将其传送到次级站的输出端。
将次级站需要传输的信号提供给用于构造分组的打包器64，该分组中包含在打包器输入端所提供的ATM信元。打包器64也包括一个传输缓存器以便用来存储ATM信元，其用途是避免丢失那些由于拥塞或传输错误而需要重传的ATM信元。传输给主站的分组结构与图4所示的分组结构一致。如果将ATM信元提供给打包器64，会有信号发送给控制装置58。控制装置58使用空闲信道表来选择一个空闲信道以便传输分组，其中空闲信道表可从主站中接收的信道状态比特中获得。可以采取不同的方法选择要使用的信道。
选择空闲信道的第一个方法是使用在信道表中遇到的第一个空闲信道。该方法的优点是实现简单。选择第一个空闲信道的一个缺点是如果所有的次级站以这种方法选择要使用的信道，就会增加碰撞的可能性。选择要使用的空闲信道第二种方法是按照一个概率函数选择空闲信道。可以使用均匀概率函数，它以相等的概率选择空闲信道表中每一个信道。也可以按这样的概率来选择要使用的信道，该概率随空闲信道的顺序改变而递减。例如，以0.5的概率选择第一个空闲信道，以0.25的概率选择第二个空闲信道，以0.125的概率选择第三个空闲信道，等等。这一选择过程可通过激活一个可产生0到1之间的数的随机发生器来实现。如果随机数大于0.5，将使用第一个空闲信道。如果随机数小于0.5，再次激活随机发生器，如果随机数值大于0.5，则选择第二个空闲信道。重复此过程直到选择一个空闲信道或到达空闲信道表的末尾。
在选择了要使用的信道之后，在该空闲信道中传输由打包器64组装的分组。
如果主站正确接收了一个脉冲串的第一个分组，主站认为传输该分组的信道已被次级站占用，并将其标记为RESERVED。已在该信道上传输分组的次级站继续使用该信道向主站传输分组。如果次级站需要更多的信道，它可以按前面所述的方法试图占用额外的信道，直到特定的次级站占用了给定的最大数量的信道。
如果主站没有正确接收该脉冲串的第一个分组，就将该信道标记为UNRESERVED。该次级站将在下一个上行链路帧中发起新的信道占用企图。为了避免重复的碰撞，该次级站以概率p在给定的帧中试图占用信道。
复用器62被安排用来选择与被选择的自由信道对应的时隙。调制器60将复用器62的输出信号调制在载波上，该载波的频率与被选择的空闲信道的载波频率相对应。将调制器60的输出信号加到双工器50的一个输入端以便向主站进行传输。
按照图8所示的状态图，次级站可处于五个可能状态中的一个状态。以S标记的第一个状态是静默状态。在该状态下，次级站对从主站接收的信息进行读操作并根据该信息构造一个UNRESERVED信道表(空闲信道表)。次级站保持该状态直到在其输入端提供用于传输的ATM信元。在输入端的ATM信元被包含在具有图4所示格式的分组中。在分组的A域中需加入分组识别号(PIN)以便在主站重建分组的正确顺序。
当次级站准备传输分组时，它进入第二个状态C0。向状态C0的转换可以在帧中异步发生。在状态C0中，次级站试图占用数OBJ_NUM的信道(次级站需要使用这些信道按希望的QoS(服务质量)进行传输)。这可以通过在当前帧的下一个仍然可用的UNRESERVED信道中传输OBJ_NUM个分组来实现。如果当前帧中可用UNRESERVED信道的数目少于OBJ_NUM，则次级站试图占用所有可用的UNRESERVED信道。
因为从状态S向状态C0的转换是与帧定时异步的，不同次级站的占用企图均匀地分布在整个帧中。在下一帧的开始，次级站可从主站广播的信号中确定对一个或多个信道的占用企图是否成功。如果在信道状态比特中信道被标记为RESERVED并且在DSCM的CC域中主站已表示该特定的信道预留给已提出占用该信道企图的次级站，则认为该占用企图成功。
如果已经将所有的OBJ_NUMBER个信道预留给次级站，该次级站就从状态C0转换到状态R，这说明所有需要的信道被预留给该次级站。次级站使用保留的信道传输净荷数据。
如果在该帧内还剩余的部分中空闲信道的数目少于OBJ_NUMBER，并且如果次级站试图占用的信道已预留给该站，则次级站从状态C0转换到状态C1。
在由于碰撞或干扰而使次级站试图占用一个或多个信道不成功的情况下，次级站从状态C0转换到状态C2。
如果必须预留额外的信道以便获得保留的OBJ_NUMBER个信道，次级站处于状态1。在状态C1中，次级站随机地从空闲信道表中选择它所需要的其余数量的信道以便达到保留OBJ_NUMBER个信道。在实现该选择时，要能使得在空闲信道表中选择每一个信道的可能性是相等的。可将主站在下一个BSMC中将标记为正确接收的那些分组从次级站的传输缓存器中除去。如果时隙仍旧被标记为预留给该次级站、但是又标记了分组没有被正确接收，则必须再次重传该分组。如果主站错误地接收了在某一信道中发送的分组、从而不能确定该分组的发送源，则该信道在下一个BSCM中被标记为空闲。次级站丢失该信道的预留。已传输的分组将保留在传输缓存器中以便稍后传输。
如果由于碰撞或干扰而使一个被次级站试图占用的信道没有预留给该站，则该次级站从状态C0转换到状态C2。
在状态C2，次级站等待随机数量的帧而不试图占用任何信道。它持续使用已经占用的信道。帧的平均数目由前面说明的参数p确定。在状态C2等待若干帧之后，次级站转换到状态C1，以便试图占用需要的剩余信道。
如果已保留的信道数与OBJ_NUMBER的值相等，次级站进入状态R。它停留在状态R，直到传输缓存器中的所有分组都被传输或由于包头中的传输错误而丢失了所有的保留信道。如果所有的分组都被传输，次级站进入状态S。由于包头中的传输错误而使保留的信道丢失，次级站进入状态C1，以便获取新信道来代替被丢失的保留信道。
可以看出，在状态C0、C1和C2中，同样可以传输完传输缓存器中的全部ATM信元。在这种情况下，次级站进入状态S，直到向打包器64提供新ATM信元。
权利要求
1.一种通信网，包括一个通过传输介质与多个次级站连接的主站，这些次级站被安排用来试图占用信道以便向主站传输信息，其特征在于，主站被安排用来确定哪一个信道没有被次级站使用，主站还被安排用来向次级站传送没有被次级站使用的信道的标识，以及次级站被安排用来从没有被次级站使用的信道中试图占用至少一个信道。
2.根据权利要求1的通信网，其特征在于主站被安排用来向次级站传送关于一个特定的信道占用企图是否成功的消息，已经成功占用该信道的次级站持续使用该信道向主站传输数据。
3.根据权利要求2的通信网，其特征在于一旦次级站停止在某一信道上传输数据后，主站被安排用来立即将该信道再次确定为可用信道。
4.根据权利要求1的通信网，其特征在于如果前一个占用信道企图没有成功，则次级站被安排用来以一个小于1的概率p来试图占用信道。
5.根据权利要求1的通信网，其特征在于次级站被安排用来随机地从要被次级站占用的可用信道中选择一个信道。
6.根据权利要求2的通信网，其特征在于如果次级站接收到来自主站的关于它的前一个占用信道企图成功的指示，则该次级站被安排来试图占用至少一个额外信道。
7.一种被安排用来试图占用信道以便向主站传输信息的次级站，其特征在于该次级站被安排用来接收关于哪些信道没有被次级站使用的信息，以及次级站被安排用来从没有被次级站使用的信道中试图占用至少一个信道。
8.根据权利要求7的次级站，其特征在于次级站被安排用来接收指示某一特定的信道的占用企图是否成功的信息，以及当次级站成功占用该信道后，便开始使用该信道向主站传输数据。
9.一种应用于多址接入通信网中的主站，该主站被安排用来检测次级站为了向主站传输信息而发起的信道占用企图，其特征在于主站被安排用来确定哪一个信道没有被次级站使用，以及主站被安排用来向次级站传输关于没有被次级站使用的信道的信息。
10.根据权利要求9的主站，其特征在于一旦已经占用信道的次级站停止在该信道上传输数据后，主站被安排用来立即将该信道再次确定为可用信道。
11.一种使用通过传输介质与多个次级站相连接的主站的通信方法，该方法包括试图占用信道以便向主站传输信息，其特征在于该方法包括确定哪些信道没有被次级站使用；向次级站传输关于没有被次级站使用的信道的信息；以及从没有被次级站使用的各信道中试图占用至少一个信道。
全文摘要
在多址接入通信网中的一个通过传输介质与多个次级站(4......18)连接的主站(2),该主站被安排用来确定一个空闲信道表,该表包括未被任何向主站传输信息的次级站使用的信道。主站被安排用来向次级站传输该空闲信道表。次级站被安排用来试图占用在该空闲信道表中标示出的一个信道。如果信道占用企图成功,次级站继续使用其占用的信道,直到它传输完所有的可用信息。如果次级站停止使用该信道,主站会将该信道再次包含在空闲信道表中。
文档编号H04W72/04GK1375175SQ99800834
公开日2002年10月16日 申请日期1999年3月15日 优先权日1998年3月26日
发明者A·E·萨洛姆萨拉扎, G·科珀拉 申请人:皇家菲利浦电子有限公司