多形的峰窩網絡體系結構的製作方法
2023-04-24 08:19:01 2
專利名稱：多形的峰窩網絡體系結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及在無線通信領域中的改良，更具體地，通過採用和促進改良的多層面的動態的可重新配置的網絡拓撲，來使用納諾小區(nanoCell)基站以提高無線網絡的容量。
本發明還包含在網絡的所有節點之間相互通信以便有效地傳送多種通信信道的方法。
背景技術：
由於可用帶寬數量的限制、建立基礎結構的經濟上和政治上的成本以及其它原因，傳統蜂窩通信網絡使用多種幾何拓撲來將覆蓋區域分割成促進有效頻率再用的小區。每個小區典型地包含一個中央天線，並且與相鄰小區輕微重疊。多數的公共蜂窩覆蓋模型使用六邊形或圓形的腳印、伸長的定向覆蓋區、從中央點發散的扇形區域以及它們的組合。幾何覆蓋區的拼湊物被結合在一起，以便為訂戶基地(base)提供足夠的覆蓋，並通過行動網路完成端到端的通信。
從端到端通信路徑是由來自聚集的各個點的扇出(fan-out)支持的方面來看，這些網絡是在本質上分層的。攜帶通信的物理信道的趨勢是被固定但可被配置的。多數行動網路拓撲(例如GSMMAP或ANSI-41)包含基站子系統和網絡子系統。在GSM的情況中，基地收發信臺(BTS)硬體被布置成與每個天線相連接，以便在任何給定時間與那個小區內的多個移動站(MS)進行通信。基站控制器(BSC)設備以這樣一種方式布置一個BSC將控制多個BTS，並與它們進行通信。同樣，移動交換中心(MSC)將控制許多BSC，並與它們進行通信。使用這種方法，從固定網絡到多個移動用戶的通信路徑被簡單地定義和控制。移動分組數據網絡以相似的方式進行配置。典型地，BSC通過接口連接到分組數據網絡支持節點，該分組數據網絡支持節點向公共數據網絡提供接入。在GSM的情況中，服務GPRS支持節點(SGSN)在基站子系統(BSS)和網關GPRS支持節點(GGSN)之間提供此連通性，所述網關GPRS支持節點(GGSN)又通過接口連接到公共數據網絡(PDN)。相同的情況存在於ANSI-41行動網路體系結構中。
發射功率和通信協議概括地定義每個小區的大小以及每個小區可以支持多少用戶。可能影響蜂窩設計和布置的硬體數量的其它因素包含將在給定區域內接受服務的移動站數、移動站和基站的操作功率電平以及損傷(例如地形、建築物和無線電幹擾等)的存在或不存在。其它因素包含通信數據速率和為了獲得這些速率的必需的鏈路性能。當規劃蜂窩網絡時，在典型地包含BTS、BSC和MSC設備的給定地區內布置的硬體數量一般是這樣設計的使得有足夠的容量來在峰值業務負載期間提供充足的覆蓋和可用性。因為業務密度將在一整天之內以及在橫跨覆蓋地區時發生變化，所以在蜂窩網絡中有固有的未使用容量以便在任何給定時間使用。本發明使用蜂窩網絡中的多餘容量來重新分布業務到未充分使用的聚集點，以便增加整體網絡容量，而不用因為建設新的基礎結構而引出成本和政治上的問題。
為了獲得地理區域的充足無線電覆蓋，一般需要多個基站。每個小區可以由自己擁有的基站進行服務，或可以與許多其它小區共享一個基站。每個小區包含一個相關的控制信道，控制(非語音)信息通過該控制信道在那個小區中的移動站和基地收發信臺之間進行通信。通常，控制信道包含一個在已知頻率上的專用信道，特定信息通過該專用信道從基地收發信臺發送到移動站；一個尋呼信道，用於將信息從基站單向發送到移動站；以及一個接入信道，用於在移動站和基站之間進行雙向通信。這些不同的信道可共享相同頻率，或者它們在各自不同的頻率上運行。
除了控制信道，每個小區還可被指定預定數目的業務信道，以便在訂戶之間發送通信的內容。該內容可以是模擬或數位化的語音信號或數字數據信號。根據蜂窩系統的接入模式，每個語音信道可以對應於頻分多址(FDMA)中的一個單獨頻率、時分多址(TDMA)中的一個單獨頻率和一個時隙或多個時隙，或碼分多址(CDMA)中的一個單獨碼。本發明可以使用這些多址技術中的任何一種或與將來可能被開發的象這樣的其它技術來實施。
在頻分多址(FDMA)系統中，通信信道包含指定的頻率和帶寬(載波)。如果載波在給定小區內使用，則它只能在距離該給定小區足夠遠的其它小區內再用，以使得其它小區信號不會與給定小區內的載波產生明顯幹擾。對於再用小區必須是多遠和什麼構成明顯幹擾的確定是具體到執行的細節，這是本領域技術人員可以輕鬆查明的。
在時分多址(TDMA)系統中，時間被分為特定持續時間的時隙。時隙被分組成幀，每幀中同類時隙被指定到相同的信道。通常習慣是將所有幀中的同類時隙的組稱為時隙。典型地，每個邏輯信道被指定公共載帶上的一個時隙或一些時隙。在每個邏輯信道上攜帶通信的無線電傳輸因此在時間上是不連續的。
TDMA系統的一個例子是GSM系統。在GSM系統中，除了業務信道，還有四類不同的控制信道，即廣播信道、公共控制信道、專用控制信道和相關的控制信道，這些信道與接入處理和用戶登記結合使用。
在碼分多址(CDMA)系統中，RF傳輸是利用獨特擴展碼擴展在一個寬頻譜(擴展頻譜)上的反向信道通信和正向信道通信。通過在仔細的時間一致中處理整個佔用的頻譜，這種系統中的RF接收將特定發射機的發射從相同頻譜中的很多其它發射機的發射中區分出來。在接收相關器中使用擴展碼的拷貝對發射中的希望的信號進行解擴而所有的其它信號保持完全擴展並且不接受解調，從而恢復所述希望的信號。
從一個小區地點中的基站發送的CDMA正向物理信道是包含各個邏輯信道的正向波形，其中所述邏輯信道通過它們的擴展碼而相互區分開來(並且不像GSM情況中一樣在頻率上或時間上分開)。正向波形包含一個導頻信道、一個同步信道和業務信道。定時對於CDMA信號的正確解擴和解調來說是關鍵的，且移動用戶使用導頻信道來與基站同步，以使用戶能夠識別其它信道的任一個。同步信道包含CDMA系統中的移動用戶需要的信息，其中包含系統標識號(SID)、接入過程和準確的日曆信息。
在前幾年，無線通信已經得到了指數形式地增長。蜂窩電話已經變得無處不在，而且它們的應用已經普及到這樣的程度，以至於很多司法人員打算對它們在移動車輛、飯店和其它位置中的應用進行某些限制。儘管近些年在無線技術中的多數增長都與蜂窩電話的使用相關，但通過無線通信接入網際網路才是當前的現實。在無線通信系統可能需要僅僅八千赫帶寬來進行語音傳輸的地方，多媒體通信典型地需要大得多的帶寬。對於網際網路應用的數位化分組數據傳輸所需的典型帶寬持續增長，在那裡的標準曾經典型為28.8千比特每秒(KBPS)，它很快增長到33.3KBPS，並且現在是在對於標準電話數據機接入的56KBPS帶寬的帶寬限制上。迄今為止，這樣的帶寬只能通過在有線通信系統中使用有線連接來獲得。工作於28.8到56KBPS之間的有線數據機通常為多數網際網路用戶提供足夠的帶寬。作為替換，與綜合業務數字網(ISDN)數據機結合使用的ISDN線路為用戶提供更大的帶寬。然而，這樣的帶寬也是只能在有線通信系統中獲得。直到最近，無線通信中的帶寬也不夠允許比僅僅是較短的電子郵件消息或其它短消息業務更多的內容通過無線發送或接收。在無線數據行業中，正在努力採用為能夠啟用無線接入協議(WAP)的移動單元提供簡化的全球資訊網接入的WAP。儘管這是提供更佳的無線全球資訊網接入的一個努力，但需要對於要被提供到更高速的有線接入設備的內容進行網頁編程。由於公眾逐漸習慣了由硬接線的系統(例如電纜和高速DSL線路)提供的高速，在一些情況中為1.5百萬比特每秒(MBPS)或更大，所以出現了一種興趣，即在離家或辦公室很遠的地方擁有相同類型的服務。作為結果，已經產生了一種興趣，即提供更大帶寬到無線社區，以便允許通過無線技術實現網際網路接入和其它數據業務。今天的無線數據標準支持從114KBPS到至少2MBPS的數據速率。與對於語音傳送的需要相比，對於多媒體信息的傳輸的需要是巨大的，而這給無線數據基礎結構的開發加上了沉重的負擔。
蜂窩電話和其它無線設備的迅速擴張以及計劃的無線數據速率的進一步增長已經引起了對於支持無線技術的使用的基礎結構的嚴重關注。在公眾欣然獲得新型無線技術的同時，這些相同的公眾將不允許基礎結構的操作者將必需的天線和其它所需設備放到許多居民區中。作為結果，公司面臨這樣一種進退兩難的局面要通過正在變得過載的系統來提供公眾希望的業務，而且很難以添加額外基站的傳統方式來擴充系統。增加基站數目同時解決一些基礎結構的問題不能完全補救上述難題。除了公眾安全和添加額外基站的美感關注，很多提供者還在尋找其它解決方案來解決網絡使用過度的問題。基站建設不是解決問題的萬能藥，因為在站的建設和維護中需要巨大的成本。作為結果，即使在有添加基站的空間並且反對意見不強烈的地區裡，成本也會妨礙快速的擴充。需要業務增長的國家的很多部分包含很多人口稀少的地區，與較為擁擠的地區相比，在這些人口稀少地區中的每個用戶的成本維持在較高的水平。作為結果，行業不願在這些區域中擴充，直到那裡有更多的人口。不幸的是，使得額外基站更為必要的人口的增加使得減少了其中基站是更可接受的地點。當前發明的思路是小的、易於安裝的並且相對不易看清的，這樣就減輕了由這些居民社區提出的很多關注。
當前在無線行業中為成長中的訂戶基地增加容量、數據速率和業務的努力包含增加頻譜分配、提供更有效的數據調製方案和執行更佳頻率再用方案。這些方法的每一個使該問題改良到不同的程度。僅僅增加頻譜分配將提供容量的一到一的增加，也就是說，在1MHz帶寬支持40個音頻級信道的情況中，添加另外1MHz頻譜將使總容量增加40個額外的音頻級信道。相同地，通過更高階的調製技術來提高頻率效率能夠以一到「n」的係數增加容量。例如，如果使用頻率調製使30kHz頻譜支持1個單獨音頻級信道，而通過使用數字調製可使相同的30kHz信道支持3個音頻級信道，那麼效率以係數3增長，即「n」＝3。
通常，提高的調製效率必須相對於對於更高信噪比(SNR)或載波-幹擾比(C/I)的需求進行權衡。這意味著更高的功率必須在預定接收機的方向內通過放大或定向天線進行發送，而且與同信道或相鄰信道信號的幹擾必須更小。在動態移動環境中獲得這些SNR或C/I性能的改良是代價很高的任務。
用於指數提高頻譜效率進而提高容量的技術是改良頻率再用。使用幾種技術來達到這一目的，這些技術包含使用定向天線陣列的小區分區、小區半徑降低技術、為了在統計上將同信道引入的誤差分布到所有信道上的跳頻等。在文獻中顯示出小區半徑的降低將使頻率再用以二次冪增加，即，用多個較小的小區(其中每個的小區包含以因子「r」降低的半徑)替換一個較大的小區將會增加原來由較大的小區覆蓋的區域內的容量，增加的係數為r2，其中假設所有頻率在每個較小的小區內被再用。建議了多個方法來降低小區半徑以便實現容量的指數增加。這些技術的缺點是支持基礎結構的成本趨勢是高到無法接受的地步。
最後，蜂窩網絡中的容量通常以被阻塞的呼叫的統計概率來定義。通常接受的統計可被用於使網絡中的信道總數與那個網絡中被支持的訂戶基地相關。例如，具有2％阻塞概率(B)和30信道(N)每小區的容量的0.03厄蘭每訂戶的提供的負載(A0)轉換為對於那個小區的21.9厄蘭的最大負載(A』)，其中假設了一個厄蘭B模型。對於這個例子，30信道小區可容納21.9/0.03(A』/A0)＝730(M)訂戶。從在N中的增長大於增長A的方面來看，從A』到N的關係是指數的。添加設備來增加信道(N)數趨於昂貴，結果帶來這樣的淨效應為了在任何給定時間支持任何給定小區內的峰值負載，所有小區必須增加信道(N)的數目，這將造成整個網絡中的明顯的更未充分使用的容量。當前發明在未充分使用的基站之間重新分布了負載，虛擬地增加了「N」，而非物理地增加「N」，因此，訂戶總數在給定區域內增加，結果額外基礎結構的成本最小。
為了使蜂窩基站的網絡能通過使用上述技術來獲得容量的明顯增加，需假設每個小區提供一個從該小區到中央交換點的專用通信路徑，在此例中，是從BTS到BSC。當多小區網絡被建立時，每個小區將包含支持其覆蓋區域內的預期忙時負載所必需的硬體。在其它時間或其它區域，每個小區內的多餘容量是待用的。
解決一些上述問題的努力本身可以產生超出當今蜂窩系統能力的需要。例如，一個增加系統業務容量的方法是包含更高程度的無線電頻率再用。(無線電頻率再用指的是這一事實無線電頻率被指定由特定小區使用，使得避免與相鄰小區中的通信的幹擾。然而，由於可指定的頻率數可能在已經對系統中每個小區進行完指定之前用盡，所以指定給一個小區的頻率經常還被指定給另一個不太可能在第一個小區中造成幹擾或從第一個小區經受幹擾的更遠的小區)。為了實現更大的無線電頻率再用，小區的物理尺寸被(通過降低在BTS和MS之間的無線電信號的信號強度)減小，以便創建所謂的微小區和皮小區。當然，如果相同的整個地理區域接受蜂窩系統的服務，那麼使用微-和微微-小區意味著需要更多的BTS，從而需要在BTS和系統的其餘部分之間的數據和信令傳輸容量的相應增加。作為這些問題的結果，需要提供更大帶寬來滿足對於以成本有效的、公眾可接受的方式增加無線網絡的整體數據容量的需求。
發明目的本發明的一個目的是提供低等級蜂窩網絡中的無線網絡的數據容量的增加，而不需要增加網絡基站數。
本發明的一個目的是提供一種用於增加無線網絡的數據容量、同時使資本支出和每個訂戶的運行費用最小化的方法、系統和設備。
本發明的另一個目的是提供一種使頻率再用最大化以便增加蜂窩網絡中的容量的體系結構。
本發明的另一個目的是提供一種使用「帶內」信道以便與其它基站互連來使基礎結構成本最小化的方法、系統和設備。
本發明的再一個目的是提供一種改良的方法、系統和設備來使頻率分配、調製技術和蜂窩網絡中的多個接入方法最大化。
本發明的另一個目的是提供一種不必始終被置於小區塔上的基站。
本發明的另一個目的是提供一種通過帶內回程來互連的基站系統。
本發明的另一個目的是在網絡中使用軟體設計的無線電技術，以避免由於無線標準中的變化而產生的問題。
本發明的另一個目的是使用可以簡單地配置的硬體來支持增加的頻譜分配。本發明的又一個目的是使用頻率再用的非傳統方式在頻分雙工網絡中操作以增加容量。即，可以使用上行鏈路頻率來傳送通信業務，就好像它是下行鏈路信道一樣，反之亦然。
本發明的一個目的是實現小區半徑的降低，同時使額外基礎結構成本最小化。
發明內容
本發明的納諾小區體系結構使用從納諾小區到更少使用的網絡入口點的動態分配的通信路徑，即，從給定納諾小區到BSC的通信路徑通過多個BTS動態地改變，以獲得增加的整體網絡容量。這是通過一種使總資本和運營費用最小化的方式完成的。
本發明包含一種蜂窩網絡單元，這裡稱其為納諾小區基站，還包含由這些納諾小區基站中的一個或多個構成的通信系統。每個納諾小區基站在多個移動站、基地收發信臺和其它納諾小區之間提供無線電連通性，以便提供給定蜂窩網絡中的明顯增加的容量。每個納諾小區包含多個收發器，每個收發器提供基站功能、移動站功能或者提供基站和移動站這兩種功能。另外，納諾小區提供管理收發器並確定基站和移動站功能之間的通信連通性路徑的控制功能。
納諾小區之間的連通性的主要方式是通過無線電鏈路，這些無線電鏈路利用通常為蜂窩網絡中的基站到移動站的通信保留的無線電頻率，因此這被稱為「帶內」回程。使用「帶內」回程的目的是明顯降低費用和傳統通信回程(即微波、光纜、導線或其它方式)的複雜性。這種方法與現有技術不同，因為「帶內」回程頻率是根據鏈路性能需要和業務負載需要來動態指定的，而且給定的納諾小區可直接與一個或多個基地收發信臺或者一個或多個額外納諾小區進行通信。「帶內」回程連通性可被動態地重新配置以便有效地利用可用頻率，以便提供更高或更低的數據速率來支持數據吞吐量的需要，或以更高或更低的功率進行發射來增強幹擾特徵，以使網絡可以更有效地工作。
可以使用被稱為軟體定義的無線電的概念和技術來簡單地對給定納諾小區中的收發器進行重新配置。給定收發器的再配置性是這樣的它可被編程來支持多個同時的蜂窩通信標準、調製方案和數據速率，以便在蜂窩網絡中有效地傳遞通信。收發器還支持多種通信標準，包含但不限於那些頻段、調製技術和與北美蜂窩相關的多路復用方法，GSM、DCS、PCS、UMTS和MMDS。另外，納諾小區提供一種可以與其它更高等級的有線或無線通信分布系統結合使用的更低等級的無線分布能力，其中所述的更高等級的有線或無線通信分布系統包含但不限於綜合業務分布網(ISDN)、乙太網、電纜數據機、數字用戶環路(DSL)、多信道、多點分布系統(MMDS)、本地多點分布系統(LMDS)、基於衛星的通信系統等，其中用上述更高等級系統的節點替換了先前討論中的BTS。
被提供了靈活性的納諾小區導致多種配置，其結果是一種多形的蜂窩網絡體系結構。在其最簡單的實施例中，納諾小區可被用作無線電轉發器來延伸小區的地區或覆蓋區域。提供更大容量的一種配置是在納諾小區支持基站和移動站功能性時。以這種方式，納諾小區執行小區間通信的完整的解調和消息解碼，以便檢測並糾正由通信信道引入的誤差，將多個獨立信道的聚集提供為一個更有效的單獨信道，並執行動態信道分配和在納諾小區的網格內的消息路由。在整體體系結構中的給定納諾小區的組成功能包含中繼站-納諾小區功能，其中單獨信道以最少的等待時間轉向至一個替換信道。子-模式包含直接頻率轉換和放大，以及基帶處理，以便減輕信道損傷。
收集器-納諾小區聚集點，其中多個信道被收集到一個公共小區中，並在不進行轉換的情況下轉發至另一個節點。這是一種透明操作模式，其特徵在於穩定的吞吐量、固定的轉接遲延和可變的誤差率。
集中器-納諾小區聚集點，其中一個或多個信道被集中到一個公共的小區中並且為了傳輸效率而轉換到更高數據速率的信道。這是一種非透明操作模式，其特徵在於改良的誤差率，並具有可變的轉接遲延和吞吐量。
延遲-納諾小區功能，其中分組被接收並臨時地保持在暫停狀態，直到有一個合適的通信信道可被用於對該分組進行重傳。
一個給定的納諾小區可以在任何時間支持這些功能中的一個或多個的任何組合。而且，多個納諾小區基站可被連接以形成一系列相互通信的小區，這些小區延伸了蜂窩網絡的操作距離。另外，多個納諾小區基站可被配置成一個特別的矩陣，以便在多個網絡基站和多個移動站之間形成冗餘的並行通信路徑。同樣，被連接的納諾小區和納諾小區矩陣的任何組合可被配置以便提供無所不在的、多形的、無線的覆蓋。
特別可以通過使用納諾小區基站和網絡基站的系統(即一個或多個納諾小區基站和可用的網絡基站，其中不同的基站通過帶內回程相互連接起來)來達到本發明的目的。帶內回程的使用允許在不過度增加系統成本的條件下使當前基礎結構的容量明顯增加。帶內回程的使用允許納諾小區基站在任何給定時刻及時地使用未被充分使用的網絡基站資源，以便增加系統的整體容量。通過使用帶內回程技術可以降低(如果不是消除的話)對微波、光纖或電纜回程設備的依賴。
本發明的另一個優點是簡化後勤支持的固有冗餘。由於帶內回程允許網絡的自動配置，所以存在一種固有容錯性，它通過使待命的技術支持最小化來降低支持成本。本發明的系統還可由技術水平較低的勞動力來維護，從而降低了用於網絡的工資預算。
本發明的另外的優點是實現非常小的小區，以便使對於高發射功率的需要最小化。隨著納諾小區基站中的發射功率的降低，對於額外基地收發信臺的需要和伴隨著它們的放置出現的問題明顯減小。另外，隨著發射功率的降低，設備設計和網絡計劃也被減少。本發明的非常小的基站使系統操作者可以方便地為其找到合適的位置，並且在很多種情況中不需要將它們置於小區塔上。
納諾小區基站超越現有技術基站的主要改良的一個方面體現在經濟上。資本費用可被降低，因為針對傳統的高功率基站的本地反對意見不會成為一個要素。因此，由於較長計劃周期造成的成本被降低，而且分區和管理需求可被消除。通過購買或租賃的土地獲取成本可被降低。同樣，與微波回程有關的協調問題和頻率管理被減少。還將有降低的安裝成本，以及降低的設備維護和獲取成本。由於本發明不像傳統系統那樣複雜，所以勞力和設備的安裝成本被降低。成本上的好處不會隨著本發明的安裝而結束。通過減少租賃線路和小區塔的不動產，每月的運營費用也會更低。
因為本發明使用基於標準的體系結構，所以獲得了兩個額外的好處由於設備獲取成本更低，所以用於恢復的成本更低；由於基本通信原理易於理解，所以開發風險更低。
圖1是包含多個納諾小區基站、基地收發信臺(BTS)和伴隨的基站控制器(BSC)的多形蜂窩網絡。
圖2顯示了其中納諾小區基站起中繼站、收集器、集中器或延遲節點作用的多形蜂窩網絡體系結構。
圖3是納諾小區基站的多個收發器體系結構的表示。
圖4是由納諾小區收發器執行的收集器功能的表示。
圖5是由納諾小區收發器執行的集中器功能的表示。
圖6是由納諾小區收發器執行的中繼站功能的表示。
圖7是由納諾小區收發器執行的延遲功能的表示。
圖8是一種替換頻率使用計劃，其中在通常被用於上行鏈路信道的頻率上攜帶下行鏈路信道。
圖9表示一個網絡路由選擇的例子。
圖10表示初始節點同步的分層性質。
圖11表示一種通用節點連通性模式。
圖12表示一種分層回程結構。
圖13是在納諾小區體系結構中的軟體定義的無線電的框圖。
圖14是在納諾小區體系結構中的軟體定義的無線電的替換實施例。
圖15表示軟體定義的無線電的單元。
圖16是RF收發器的框圖。
圖17是基帶處理器的操作圖。
圖18是基帶處理器實現的例子。
圖19表示將多個納諾小區連接到宏小區的方向性可控天線配置。
具體實施例方式
圖1顯示了一種多形蜂窩網絡，該多形蜂窩網絡包含多個納諾小區基站21、22、24、24、基地收發信臺(BTS)25、26和伴隨的基站控制器(BSC)20。從圖中可見，納諾小區基站21可與一個或多個其它納諾小區基站22、23、24通信，與一個或多個主要基站25、26(即宏小區BTS)通信和與一個或多個移動站27、28通信。可以使從移動站到BTS的通信路徑穿過一個或多個相互通信的納諾小區基站。如圖1所示，給定地理位置中的許多納諾小區基站的存在降低並可消除對於額外宏小區站的需要。另外，從圖1中可見，納諾小區基站的存在使給定區域內的覆蓋更為均勻，從而減少了盲點和其它覆蓋效果弱或質量不一的區域的數目。
如圖2所示的納諾小區基站21起中繼站29、收集器30、集中器或延遲節點31的作用，如圖2所示，以便提供移動站和基地收發信臺之間的有效連通性。移動站可以是任何無線通信設備，包含但不限於蜂窩電話、計算機、PDA等。兩個或更多個納諾小區基站的每一個在它們各自的工作區域內相互連成網絡。如果業務的集中的狀態是納諾小區基站21和宏小區BTS25之間容量不足，則使用與具有低業務集中的任何其它納諾小區基站22進行通信的帶內回程克服了在納諾小區基站21和宏小區BTS25之間的帶寬缺乏。
圖3，一個單獨納諾小區基站21包含一個或多個通信收發器32和33，所述的每一個通信收發器共享一個公共的控制功能。優選實施例包含兩個到四個收發器。實施為七個或更多個收發器也是合理的。通信收發器可以起BTS、MS或中繼站的作用。當起BTS33的作用時，通信收發器像基站一樣在下行鏈路信道34上發射並在上行鏈路信道35上接收。當起MS32的作用時，通信收發器像MS一樣在上行鏈路信道36上發射並在下行鏈路信道37上接收。當起中繼站的作用時，通信收發器在獨立的信道上發射和接收，所述獨立信道中的任一個可以是上行鏈路或下行鏈路信道。在起中繼站作用的情況中，信道可被配置為上行鏈路接收機和上行鏈路發射機，或相反地配置為下行鏈路接收機和下行鏈路發射機。
當納諾小區起圖4中的收集器的作用時，該納諾小區重新路由多個個體信道，其中不對輸入/輸出信道的數據流進行修改。對於由中心頻率(f)、信道標識符(c)、數據速率(r)和功率電平(p)定義的給定信道，在不修改數據流的情況下將這個信道轉換到第二頻率和與其它個體信道多路復用的信道號。然後使用第二信道的功率管理來改良所有個體信道的整體性能。
如圖4中所示，為了清楚地解釋，在TDMA系統中，收集器功能獲得與個體信道相關的脈衝串，並將它們重新多路復用到一個可能在不同載波頻率上的新信道中，其中不對脈衝串的結構進行修改。以這種方式，「f」和「c」改變，而「r」不改變。這其中固有的是容易地控制這些多路復用的信道的功率電平以便更有效地傳遞信息的能力。同樣在CDMA系統中，個體碼信道被重新多路復用到一個具有相同好處的新信道上。
當納諾小區起圖5中的集中器的作用時，該納諾小區允許轉換數據速率並將多個獨立信道集中到一個新的、更高速率的信道中。這意味著多個較低速率的信道可被組合到一個較高速率的信道中，從而提供頻譜的更有效的使用。這個處理是雙向的，因為它還會將集中的高速率信道分解到它的組成的較低速率的獨立信道中。
當納諾小區起圖6中的中繼站的作用時，該納諾小區在不修改數據流或多路復用結構的情況下，在輸入和輸出信道之間轉換個體信道。以這種方式，網絡中的整體等待時間被最小化。對於連接的中繼的數目有一個限制，這可能在給定的時間上存在，它歸因於雙向時間延遲和每個信道中的額外噪音的積累效應。為此，必須散置中繼站、集中器和收集器來優化通信性能。
當納諾小區起圖7中的延遲的作用時，該納諾小區接收並保留數據，直到有合適的輸出信道可用的時候。以這種方式，較高優先級的通信將接收對於納諾小區收發器資源的使用的優先權，而較低優先級的通信被暫時延遲。遲延可以是固定的或可變的，也可以包含在任何水平上的轉換，這取決於後來選擇的輸出信道。具有多個收發器信道的納諾小區可能同時具備這些功能中的每一個功能，這是合理的。
此外，主要打算從BTS向移動站(即通過下行鏈路信道)或相反地從移動站向固定地點(即通過上行鏈路信道)橫穿FDD網絡的通信信道可以通過兩個或更多個納諾小區40和41以非標準的方式轉換，從而使未充分利用的頻譜得到最有效的使用，如圖8所示。如果FDD類型的網絡的上行鏈路部分未被充分利用(由於上行鏈路數據的速率的趨勢是遠遠低於下行鏈路數據的速率的這一事實)，就可能出現這種情況。以這種方式，固有平衡的(每個方向具有相同頻譜量的)上行鏈路和下行鏈路頻譜可以被更好地利用，以便傳送非對稱加載的數據業務。
本發明的無線電網絡通過在大部分相互通信納諾小區基站之間的頻率再用來提供容量擴充。通信和控制信道能夠從一組允許的上行鏈路和下行鏈路頻率、時隙以及碼信道中被動態地分配。根據業務負載、服務質量需要和相互通信的基站連通性限制，將通信路徑動態地指定給合適的基站。
納諾小區的控制實現了多個納諾小區和基站之間的相互通信。該相互通信允許在相鄰納諾小區之間的連接，而不需要包含主要基站。通過這樣做，將在自主網絡管理功能中使用的信息在納諾小區之間得到有效的分布。該自主網絡路由選擇是獨特的，因為它允許納諾小區作出自主的路由決定，而不是由基站控制器或移動交換中心或相似的網絡控制功能作出決定。
納諾小區基站的相互通信網絡根據服務優先化、網絡負載和節點可用性來動態地確定有效的通信路徑，如圖9中的附圖標記51和53所示。之後的通信可以通過不同的路徑進行路由選擇，以便分布業務負載，如圖9中的附圖標記52a和52b所示。納諾小區網絡中的通信可被遠離或朝向一個特定的BTS地進行重新分布，從而更有效地容納具有不同服務質量需要的移動站。在圖9所示的情況中，移動站可能獲得BTS1(ACQ)，並在之後，在基礎結構網絡中執行一個切換(HO)，以便重新分布業務負載。
本發明的自動網絡配置特徵允許網絡中的自發現，從而簡化了布置。新節點的初始化與新網絡中的MS登記相似。
圖10顯示了利用本發明的帶內回程的操作。節點1同步於信標信道，並建立其本地頻率和定時基準。節點1向BTS登記作為一個移動站(MS)。節點1之後在替換的信標信道上廣播作為一個BTS。節點2同步於節點1信標信道，並建立頻率和定時基準。節點2向節點1登記作為一個MS。節點2之後在替換的信標信道上廣播作為一個BTS。用戶MS同步於節點2信標信道，並建立其本地頻率和定時基準。用戶MS向節點2登記。一旦用戶向節點2登記，用戶就請求服務並建立一個與節點2的電路或分組連接。節點2、節點1和BTS建立合適的連接。為了記帳的目的，BTS與MSC建立連接。
延伸這個同步和信道分配的過程，可以得到一個網絡拓撲，如圖11所示。在此圖中，通過MS到BTS同步過程得到分層拓撲。納諾小區n1分別從BTS b1和b2接收信標信道f1和f2，並單獨地同步於每一個。納諾小區n1然後選擇要發射的信標信道f3。順序地，納諾小區n11和n12接收頻率f1、f2和f3，並單獨地同步於每一個。之後，n11和n12分別選擇要發射的信標信道f4和f5。有這樣一種機制如果同步在兩個節點之間建立，則額外的同步被消除。在圖11的情況中，n1將不通過f4同步於n11，而且n12也不通過f5同步於n1。如果通過某種方式，使n12在它通過f3同步於n1之前通過f2同步於b2，那麼n1將通過f5同步於n12就是合理的。同樣，在n11和n12之間通過f4或f5的同步將取決於同步發生的順序。如果在任何兩個節點之間丟失任何鏈路，則發生新信標信道的重新選擇，並使用重新同步來建立網絡中的新連通性。以這種方式，在網絡結構中的節點之間的連通性可能被自主地建立和維護。
同步功能的一個重要方面是它允許納諾小區根據相鄰納諾小區的發射精確度來建立其內部頻率基準中的必要精確度。傳統方法將使用貴重的設備，例如銣或銫標準、GPS接收機或其它更精細的方案(對於BTS控制信道，典型的精確度需要是小於百萬分之零點零五-0.05ppm，而典型移動站將同步於BTS，並將它們的內部基準調諧到0.10ppm之內。納諾小區將使用多個接收的控制信道信號來計算最佳調諧控制，以便在統計上維持0.05ppm的精確度。
圖12顯示了本發明的分層基礎結構的一個例子。在此圖中顯示了一個BTS 60和多個納諾基站61、62、63、64和65。納諾小區基站又與多個移動站或其它無線裝置66、67、68、69、70和71通信。在此例中，通信信道可以是通用分組無線業務(GPRS)、EDGE或其它最近被定義的通信系統，例如寬帶CDMA(WCDMA)和cdma2000。在此例中，在BTS和個體納諾小區基站之間的回程速度在最高到2Mbps的數量級上。兩個納諾小區基站之間的本地回程在最高到384kbps或更高的數量級上。對於無線設備和納諾小區基站之間的回程，該回程在約為14.4kbps或更高的數量級上。當使用GPRS或EDGE時，回程範圍為114到大約384kbps。
實施納諾小區基站的優選方法是使用軟體定義的無線電方法。軟體定義的無線電實現了在傳統無線電上的幾個改良短開發周期，這歸因於對無線電進行重新編程以滿足不同協議的能力，使用最新修訂版的標準來升級無線電而無需物理接入單元的能力，隨負載需要而動態地重新配置無線電以支持不同協議的能力，例如高數據速率集中器集線器運行384kbps EDGE協議以便為不同的用戶回程多個56kbpsGPRS信道。
考慮到納諾小區基站執行的不同類操作，在納諾小區基站的建造中典型地對它進行劃分。如圖13所示，納諾小區基站的部分81的操作與傳統移動站相似。移動站部分81分配頻率、時隙和碼信道的方式與移動站執行這些功能的方式相似。控制信道的選擇是基於由下行鏈路接收功能進行的一個調查，以便檢測和識別最佳的可用下行鏈路信道，而且信道選擇是通過配置和控制鏈路授權的。同步、定時和頻率穩定化是通過在此接口上進行的測量來獲得的。納諾小區基站的配置和控制是在此接口上管理的，其中命令和控制消息被在下行鏈路信道上接收，並被提供到控制功能82用於進一步的安排。納諾小區基站還被提供了基站部分83，所述基站部分83在功能上與基地收發信臺相似。基站部分以相似於基地收發信臺的方式分配頻率、時隙和碼信道。該接口起到通往移動站或其它下遊納諾小區基站的無線電接口的作用。控制信道的分配是基於由移動站部分81進行的調查，就像通過內部選擇列表來區分優先權和通過配置及控制鏈路進行授權一樣。下遊納諾小區基站的配置和控制是通過向它們發射命令和控制消息來獲得的。為了使通過納諾小區基站的直接傳送的等待時間最小化，可以使上行鏈路接收路徑84與上行鏈路發射路徑85直接連接，並使下行鏈路接收路徑86與下行鏈路發射路徑87直接連接—只要合適的頻率、時隙或碼信道轉換被提供。
在納諾小區的另一個實施例中，一個代表性的主要基站90在圖14中示出。主要基站子系統91提供基站控制器和無線電網絡之間的主(principle)接口。同步、定時和頻率基準92在此子系統中被建立。來自基站控制器接口的命令被用於配置和控制主要基站，以便建立控制信道頻率分配和碼信道。控制信道選擇是基於從下遊納諾小區基站報告的結果，並通過基站控制器接口授權。來自此接口的數據被調製以便在下行鏈路無線電接口上傳輸。在上行鏈路無線電接口上接收的信號被解調並被提供到基站控制的接口。這是通往移動站和其它下遊納諾小區基站的主要基站無線電接口。頻率、時隙和碼信道分配是基於通過基站控制器接口接收的命令。下遊納諾小區基站的配置和控制是通過向它們發射命令和控制消息來完成的。
軟體定義的無線電模塊在圖15中表示。模塊是可以利用無線電進行編程並支持多波形的。模塊優選地可被配置作為用戶節點或作為服務回程，並運行作為移動站或BTS。方向性可控天線陣列被模塊使用。天線優選地在相鄰節點的方向內具有高增益，並實現了幹擾避免。一種優選天線是波束形成天線。控制處理器控制網絡管理和控制管理，以及協議棧和互通功能。另外，控制處理器還控制分組路由選擇、設備控制和天線指向，並監視系統的健康/狀態。
控制處理器控制設備，管理網絡，並執行頻率穩定性管理。控制處理器還執行層3協議處理，並包含一個相互通信功能。納諾小區基站的控制處理器典型地包含控制用戶與網絡間交互所需的信息。此系統中的控制處理器支配控制以及排隊、路由選擇和用戶與BTS之間的數據鏈路。
圖16是顯示納諾小區中的接收機和發射機到基帶處理器的關係的納諾小區RF收發器框圖。從圖中可見，納諾小區基站的特性優選地包含在824到3600MHz範圍內的無線電頻率，以及同時的Tx/Rx。在此基站中的轉換器優選地可以在整個頻率範圍上進行調整，並控制選擇性濾波、信號隔離和輸出功率放大器(PA)。RF模塊提供向上和向下轉換以及RF信號的濾波，以便支持納諾小區基站的BTS和MS功能。
圖17顯示了圖15的基帶處理器的操作實施例。基帶處理器的用途是提供納諾小區基站內的數字調製和解調功能。圖18顯示了基帶處理器的結構的優選細節。基帶處理器控制收發器，執行數字濾波和均衡執行層1處理控制和層2控制。基帶處理器可通過IF或基帶採樣進行操作。
方向性可控天線陣列的用途是增加在基地收發信臺或相鄰納諾小區的方向內的方向性或增益，如圖19所示。通過增加增益，載波-幹擾比(C/I)被增加，從而改善鏈路性能。更大的C/I直接轉換到增加的數據速率和頻率再用距離。因為納諾小區是靜止的，所以方向性可控天線陣列的複雜性明顯降低，這使得建造整個單元較不昂貴。這是與動態控制的陣列相比來說的，所述的動態控制的陣列爭取維持波束指向一個移動站。所述需求的技術複雜性和算術複雜性使成本有效陣列的成本對於納諾小區來說高到無法接受的地步。在靜止納諾小區環境中使用的複雜程度較低的陣列的成本明顯更為有效。
如圖19所示，自適應波束操縱追蹤相鄰節點的信標頻率，因此增益對於高數據速率被優化。相鄰節點的定向波束連接被用於改善C/I，並從而提供用於回程的更高數據速率。全向模式被呈現給本地最終用戶，以便提供合適的覆蓋和服務質量(QoS)。本發明的一個優點是它減少了頻率計劃和拓撲分析。另外，它自動補償幹擾和阻塞。相控陣天線對於回程是優選的，因為它們可包含一種簡單的信標上操縱(steer-on-beacon)算法，該算法將支持更高的數據速率。
權利要求
1.一種用於在一個或多個移動站、一個或多個基地收發信臺或者一個或多個其它納諾小區基站之間提供無線電連通性的納諾小區基站，該納諾小區基站包含一個或多個收發器，所述收發器中的一個提供基站功能，收發器中的一個提供移動站功能，還包含一個用於管理收發器並確定在基站和移動站功能之間的通信連通性路徑的控制器。
2.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中一個收發器提供基站和移動站功能。
3.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中所述收發器中的一個提供基站功能，並且所述收發器中的另一個提供移動站功能。
4.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中納諾小區基站起中繼站的作用。
5.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中納諾小區基站起收集器的作用。
6.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中納諾小區基站起集中器的作用。
7.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中納諾小區基站起延遲節點的作用。
8.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中納諾小區基站適合於起中繼站、收集器、集中器或延遲節點的作用，以便在移動站和基地收發信臺之間提供有效的連通性。
9.根據權利要求1所述的納諾小區基站，該納諾小區基站適合於當業務的集中使得在納諾小區基站與宏小區BTS之間容量不足時，該納諾小區基站使用帶內回程來與包含低業務集中的一個或多個其它納諾小區基站進行通信。
10.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中該納諾小區基站包含一個適合於起BTS、MS或中繼站作用的通信收發器。
11.根據權利要求10所述的納諾小區基站，其中在起BTS作用時，所述收發器像基站一樣在下行鏈路信道上發射並在上行鏈路信道上接收。
12.根據權利要求10所述的納諾小區基站，其中在起MS作用時，所述收發器像MS一樣在上行鏈路信道上發射並在下行鏈路信道上接收。
13.根據權利要求10所述的納諾小區基站，其中在起中繼站作用時，所述收發器在獨立的信道上發射和接收，所述獨立信道中的任一個可以是上行鏈路或下行鏈路信道。
14.根據權利要求13所述的納諾小區基站，其中在起中繼站作用時，所述收發器包含一個被配置作為上行鏈路接收機和上行鏈路發射機的信道。
15.根據權利要求13所述的納諾小區基站，其中在起中繼站作用時，所述收發器包含下行鏈路接收機和下行鏈路發射機。
16.根據權利要求13所述的納諾小區基站，其中在起中繼站作用時，所述收發器被配置作為上行鏈路接收機和下行鏈路發射機。
17.根據權利要求13所述的納諾小區基站，其中在起中繼站作用時，所述收發器被配置作為下行鏈路接收機和上行鏈路發射機。
18.根據權利要求5所述的納諾小區基站，其中所述基站適合於在不修改輸入/輸出信道中的數據流的情況下重新路由多個個體信道。
19.根據權利要求16所述的納諾小區基站，其中對於由中心頻率(f)、信道標識符(c)、數據速率(r)和功率電平(p)定義的給定信道，在不修改數據流的情況下將所述信道轉換到第二頻率和與其它個體信道多路復用的信道號。
20.根據權利要求19所述的納諾小區基站，其中在起收集器作用時，所述基站獲得由中心頻率(f)、信道標識符(c)、數據速率(r)和功率電平(p)定義的給定信道，並在不修改信道結構的情況下將其重新多路復用到一個新信道中，以便使「f」和「c」改變，而「r」不改變。
21.根據權利要求6所述的納諾小區基站，其中在起集中器作用時，所述基站導致數據速率轉換並將多個獨立信道集中到一個新的、更高速率的信道中。
22.根據權利要求6所述的納諾小區基站，其中在起集中器作用時，所述基站導致將集中的高速率信道分成其組成的較低速率的獨立信道。
23.根據權利要求6所述的納諾小區基站，其中在起集中器作用時，所述基站導致單獨信道轉換成更高速率的信道。
24.根據權利要求6所述的納諾小區基站，其中在起集中器作用時，所述基站導致更高速率的信道轉換成單獨信道。
25.根據權利要求4所述的納諾小區基站，其中在起中繼站作用時，所述基站在不修改數據流或多路復用結構的情況下，在輸入和輸出信道之間轉換個體信道。
26.根據權利要求7所述的納諾小區基站，其中在起延遲作用時，所述基站接收並保留數據，直到有合適的輸出信道可用的時候。
27.根據權利要求7所述的納諾小區基站，其中在起延遲作用時，所述基站給更高優先級通信一個使用納諾小區收發器資源的優先權，而較低優先級的通信被暫時延遲。
28.根據權利要求27所述的納諾小區基站，其中延遲是固定的。
29.根據權利要求27所述的納諾小區基站，其中延遲是可變的。
30.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中主要打算通過下行鏈路信道從BTS向移動站橫穿FDD網絡的通信信道被通過兩個或更多個納諾小區以非標準的方式轉換，以便使未充分利用的頻譜得到最有效的使用。
31.根據權利要求1所述的納諾小區基站，其中主要打算通過上行鏈路信道從移動站向固定地點橫穿的通信信道被通過兩個或更多個納諾小區以非標準的方式轉換，以便使未充分利用的頻譜得到最有效的使用。
32.根據權利要求1所述的納諾小區基站的相互通信網絡，其中該相互通信網絡適合於根據服務優先化、網絡負載和節點可用性來動態地確定有效通信路徑。
33.根據權利要求32所述的納諾小區基站，其中後來的通信能夠通過不同路徑進行路由選擇，以便分布業務負載。
34.根據權利要求33所述的納諾小區基站，其中納諾小區網絡中的通信可被遠離或朝向一個特定的BTS來進行重新分布，從而更有效地容納具有不同服務質量需要的移動站。
35.一種配置網絡中的業務負載的方法，該方法包含使第一納諾小區同步於信標信道，並建立其本地頻率和定時基準；向BTS登記所述第一納諾小區作為一個移動站(MS)；在替換的信標信道上廣播所述第一納諾小區作為一個BTS；使第二納諾小區同步於所述第一節點的信標信道，並建立頻率和定時基準；向所述第一節點登記所述第二納諾小區作為一個MS；在替換的信標信道上廣播所述第二納諾小區作為一個BTS；使用戶MS同步於所述第二納諾小區的信標信道，並建立其本地頻率和定時基準；向所述第二納諾小區登記用戶MS；一旦用戶向所述第二納諾小區登記並且用戶請求服務，就建立一個與所述第二納諾小區的電路或分組連接；在所述第二納諾小區、所述第一納諾小區和所述BTS之間建立合適的連接；為了記帳的目的，在所述BTS與MSC之間建立連接。
36.一種在通信網絡中同步和信道分配的方法，該方法包含第一納諾小區分別從BTS b1和b2接收信標信道f1和f2，並單獨地同步於每一個；所述第一納諾小區選擇要發射的信標信道f3；至少一個第二納諾小區接收頻率f1、f2和f3，並單獨地同步於每一個；所述額外的納諾小區分別選擇要發射的信標信道f4和f5。
37.根據權利要求35所述的配置網絡中的業務負載的方法，其中以任意數目的納諾小區的連接系列來配置網絡連通性。
38.根據權利要求35所述的配置網絡中的業務負載的方法，其中以任意數目的納諾小區的矩陣方式來配置網絡連通性。
39.根據權利要求35所述的配置網絡中的業務負載的方法，其中關於連接的納諾小區和納諾小區矩陣的組合來配置網絡連通性。
40.根據權利要求36所述的在通信網絡中同步和信道分配的方法，其中以任意數目的納諾小區的連接系列來配置網絡連通性。
41.根據權利要求36所述的在通信網絡中同步和信道分配的方法，其中以任意數目的納諾小區的矩陣方式來配置網絡連通性。
42.根據權利要求36所述的在通信網絡中同步和信道分配的方法，其中關於連接的納諾小區和納諾小區矩陣的組合來配置網絡連通性。
43.根據權利要求36所述的方法，其中如果在兩個納諾小區之間建立同步，則額外同步被消除。
44.根據權利要求43所述的方法，其中如果在任何納諾小區之間丟失任何鏈路，則發生新信標信道的重新選擇，並使用重新同步來建立網絡中的新連通性。
45.根據權利要求44所述的方法，其中納諾小區根據相鄰基站或相鄰納諾小區的發射的精確度來建立其內部頻率基準中的必要精確度。
46.根據權利要求9所述的納諾小區基站的相互通信網絡，其中在BTS和個體納諾小區基站之間的回程速度在最高到大約2Mbps的數量級上。
47根據權利要求9所述的納諾小區基站的相互通信網絡，其中兩個納諾小區基站之間的回程速度在最高到大約384kbps或更高的數量級上。
48.根據權利要求9所述的納諾小區基站的相互通信網絡，其中回程速度在大約4.8kbps或更高的數量級上。
49.根據權利要求9所述的納諾小區基站的相互通信網絡，其中當使用GPRS時，回程速度最高到大約114kbps。
50.根據權利要求9所述的納諾小區基站的相互通信網絡，其中當使用EDGE時，回程速度最高到大約384kbps。
51.一種納諾小區基站的網絡，該網絡包含兩個或更多個根據權利要求1所述的納諾小區基站。
52.一種納諾小區基站，該納諾小區基站包含一個適合於與一個或多個移動站或者與一個或多個其它納諾小區基站進行通信的基站部分；和一個適合於與一個或多個其它納諾小區基站、與一個或多個基地收發信臺、或者與一個或多個主要基站進行通信的移動站部分。
全文摘要
公開了一種納諾小區基站，該納諾小區基站用於在一個或多個移動站、一個或多個基地收發信臺或者一個或多個其它納諾小區基站之間提供無線電連通性。本發明的納諾小區基站包含一個或多個收發器。收發器中的一個提供基站功能，並且收發器中的一個提供基站功能，並且收發器中的一個提供移動站功能。存在一個控制器，該控制器用於管理收發器，並確定在基站和移動站功能之間的通信連通性路徑。
文檔編號H04B7/005GK1709002SQ01822717
公開日2005年12月14日 申請日期2001年12月17日 優先權日2000年12月18日
發明者G·馬休斯, L·德阿加蒂, D·查菲 申請人:無線電話公司