基於自主基礎設施的無線網絡的製作方法

2023-06-12 19:52:11 3

專利名稱：基於自主基礎設施的無線網絡的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信網絡技術，尤其涉及到蜂窩網絡系統的構建及部署方法。
背景技術：
無線通信網一般由各種類型的收發機(發射機和接收機)構成，以發射電磁波的方式進行通信。這些收發機，也稱為無線接入設備，具備不同的尺寸大小和不同的傳輸/接收能力。這些指標表現為最高傳輸功率，信息傳輸速率，從其他收發機傳送或接收信號的能力，以及工作頻段。就現有的通信系統來說，此類型的無線接入設備包括小型便攜終端，例如多波段手機或具備無線接入能力的個人數字助理(PDA)，多波段收音機，蜂窩基站，無線區域網接入器和安裝了無線網卡的筆記本電腦等。
無線接入設備可分為兩類1)多用戶共享的接入設備，即與在不同地點的多個用戶進行通信的設備；2)專用於單一用戶的設備。多用戶共享的接入設備構成了通常所說的基礎設施網絡，這樣的基礎設施可以部署並服務於某一地理區域。其它進入到這個區域的收發機便可以與部署的基礎設施進行連接並通信。
無線網絡可以根據它所包括的收發機種類進行劃分。可分為1)只存在網絡基礎設施，2)網絡基礎設施與終端並存，3)只存在終端設備。微波點對點的通信網絡屬於第一類，因為不存在其他的終端參與通信。蜂窩網絡系統屬於第二類，由於它同時包括基站和終端。自組網絡(ad hoc)，如Wi-Fi(IEEE802.11b及802.11a)工作於ad hoc模式，屬於第三類。
考慮基礎設施的網絡系統，基礎設備通常事先部署在固定的地點，並與固定的有線網連接。通常的有線網可能是公共電話交換網絡(PSTN)、有線電視網(CATV)、電力線通訊網或一個與Internet網際網路相連接的區域網(如Ethernet乙太網)。例如在無線蜂窩網絡中構成基礎設施的基站，又如在無線區域網中扮演同樣角色的無線接入器(access point)，這種接入器提供了從無線網絡到有線網絡的網關。
前面所提到的第一類(多用戶共享的接入設備)通常稱為網絡設備。第二類則被稱作終端設備。然而，網絡設備不一定是固定不動的，它有可能是未來網絡中的可移動基站。例如，移動基站可能被安裝在移動的載體上，如火車、公交車、輪船或飛機。網絡設備與終端設備相比通常具有較高的成本，較大的體積，並且通常具備與多個終端同時連接的能力。
當前基礎設施網絡的特點是系統的部署非常複雜，必須由專家或專業工程師負責完成。由此我們可以把網絡分為兩類一類是為私人公司、機構或居家等特定用戶群設計的網絡系統，另一類則是為公共人群使用的的網絡系統。每個用戶需要跟稱作網絡服務提供商的公司籤訂協議並獲取服務。前者可被稱為專用網絡，而後者被稱為公共網絡。
目前的蜂窩網絡是典型的公共無線網絡。而區域網，例如WiFi，是典型的私人網絡，因為通常它只提供特定的終端用戶通信。WiFi也可以提供所謂的熱點區域服務，這時它可以被看作是公共無線網絡。在這裡，同樣作為公共的無線網絡的蜂窩系統，其與WiFi的區別在於，前者擁有很大的信號覆蓋範圍，通常大至一個國家；而後者僅提供特定有限區域的信號覆蓋，並且整個網絡的性能可由某一網絡運營商管理。
前面已經提到，網絡可分為那些有基礎設施的，或那些純屬Ad-hoc的自組網絡(終端之間互聯)。無線網絡基礎設施與終端並存的系統來源於電信服務的概念，終端可以在有信號覆蓋的區域內以移動的方式進行通信。Ad-hoc的概念則來源於某些軍事應用。OSI的網絡7層模型很好的描述了一個通信系統的結構。其中，物理層的概念包括了信號調製、信道編碼、多用戶接入、功率控制和小區切換等問題。
目前有兩大類無線網絡被廣泛採用1)基於不同物理層設計的蜂窩網絡，例如IS-136、PDC、GSM、IS-95(CDMA)、CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA等。2)基於IEEE802.11b，a，g的無線區域網。蜂窩標準已經發展成為不同代的技術，而目前我們正處於第三代。因此第三代可以看作是蜂窩技術演化的到當前的狀態。對於無線區域網來說，主要使用的物理層協議為IEEE802.11a和IEEE802.11b，被稱作WiFi。
3G和WiFi的物理層差別很大。這種差別的主要原因是WiFi的物理層的設計主要依據純粹ad hoc的概念而設計，而所有的3G網絡，其前身是基於規則的基礎設施(基站)的部署來覆蓋某一地理區域。然而，在無線工業的發展中，3G系統提供數據服務的能力一直低於預期。相反地，基於WiFi的無線上網卻很成功。而且，當無線接入器與Internet相連接時，WiFi不再是ad hoc的模式，而更像是基礎設施的模式。從某種意義上講，WiFi已經進入了3G所設計的服務範疇。只不過WiFi的信號覆蓋範圍較3G相比頗為有限。
儘管採取了不同的設計標準，3G和WiFi都在被用來作為基於基礎設施的接入技術。需要澄清的是，我們所說的″終端″泛指用戶所使用的網絡器件，如手機、手持裝置、個人電腦、或其他電腦化的無線設備。而兩種技術的主要差別在於他們各自的部署方式不同。基礎設施的部署已然成為無線網絡的重要要素。過去的很多研究都是考慮單個基站的容量和與容量相關的接入技術。至於對容量的描述，一般表現為每個基站單位赫茲所能支持的語音用戶的數量；或單個基站，單位赫茲所能支持的總比特率。由此，幾乎所有的蜂窩系統的設計目標都是為了最大化頻譜的利用率。而且，這些基站通常安裝昂貴。這是因為它們通常是要覆蓋很大的服務區，需要昂貴的功率放大器。此外，發射天線的安裝一般都要租用私人場所，如高層建築的屋頂等。選擇基站的安裝位置需要工程師們非常認真的研究射頻信號的傳播能力和復蓋範圍。這些工程師通常是運營商公司中最具專業知識的人員，有的也許要接受大學的研究生教育方可勝任。顯然，這些都是很昂貴的資源。基礎設施的部署需要選定發射機功率級別和天線方向。例如在CDMA系統如IS-95(2G)或CDMA2000(3G)的安裝過程中，許多參數需要在安裝軟體中配置初始化pilot信道的offset值，pilot偵聽窗口大小，小區切換時的pilot門限值等等。對於GSM(全球移動系統)系統，參數配置包括廣播信道的選擇、功率水平、確定射頻發射頻道、及決定跳頻算法和跳頻傳輸序列。
如前所述，無線蜂窩通信正處在第三代技術期--即所謂的3G系統。在北美，第三代系統存在兩種模式—即所謂的1x模式和3x模式。我們已經看到了1x系統的部署，而3x的最終部署在業界還不清楚。1x系統是基於1.25兆赫茲頻帶，且與IS-95系統兼容。而3x系統是基於工作在5兆赫茲頻帶的CDMA技術。它的前向信道採用多載波，而反向信道為3倍於IS-95碼率的直接序列擴頻。1x系統為用戶設定了比特速率的下限，而3G中也有類似的數據速率的規定。由於天線的多樣性可以大大提高1x系統的容量，因此可能沒有一個令人信服的理由來最終使用3x系統。
其他的主要3G技術是歐洲的基於GSM發展的CDMA系統。它類似CDMA2000的3x系統，其CDMA射頻佔據5兆赫茲的頻帶。但相較於CDMA2000，兩種標準又存在很多細節上的不同。
同時，全世界正在針對下一代無線蜂窩系統進行研究，通常稱為4G，或超越3G。當前對於它的定義仍存在分歧，只是認為這個系統應該在未來提供比3G更強的無線服務。
然而，從3G到4G的進化將與歷史到3G的演化有很大不同。以前的舊技術到3G的進化普遍強調基於固定頻譜分配上的更高比特率和更大系統容量。大部分系統的概念基本保持相同。例如，我們用規則的小區分布來覆蓋某一地理區域，基站位於每個小區的中央。雖然小區的大小不一，可能是宏小區、常規小區、小小區或微小區，但他們的系統部署方式十分類似。移動運營商購買無線頻譜，同時承受著近年來越來越昂貴頻譜的價格。運營商購買基礎設備，並依據其技術實力安裝這些設備為公眾提供服務。通常，語音服務按時間計費，而數據服務則按照數據流量為用戶計費。
當前蜂窩業務的一大特點是它所運行的頻譜資源具有極其昂貴的價格。尤其在歐洲的頻譜拍賣中，往往能達到數十億的高價。因此，許多的運營商已無力在基礎設備上投入更多資金，這致使新技術的出現產生滯後，並間接引起了對製造商需求的減退。
與此同時，無線區域網的市場卻已經相當成功。這些區域網基於IEEE802.11b和IEEE802.11a的標準，運行在2.4和5千兆赫茲的ISM頻段。不過無線區域網的設計基於以ad hoc的方式連接多個終端。前面提到，它的接入方式是源於早先關於數據包無線(packet radio)協議的研究，用以互聯在軍事應用中存在的多個以adhoc方式通信的終端。然而，較前不同的是，由於無線接入器通常與Internet相連，無線區域網已經被用作一種基於基礎設施的網絡。一個很成功的應用是將無線接入器與有線的路由器結合成一個設備。該無線路由器與網際網路、有線電視系統、或電力線通信系統相連，提供家用的無線接入。其價格已經與一般的網卡相當。
由於設計原因，IEEE802.11b不具備很高的頻譜使用率，尤其當用於基礎設施模式的時候。因此當很多的無線接入器密集的部署在同一地區時，小區間的信號幹擾很可能使服務質量發生明顯的降低。另外，有些應用程式更可能會要求過高的帶寬。儘管有可能建立連接WiFi與蜂窩系統的設備，但畢竟兩種系統有很大的差別。現在仍不清楚WiFi的這些不足能否會限制它繼續挑戰蜂窩無線系統。
顯然我們需要一種無線技術，它既能具備ad hoc網絡部署方便的特點(基於成功的WiFi技術)，又具備蜂窩系統所具備的廣闊復蓋範圍和較高的頻譜效率。
因此我們需要一個通信網，其結構和方法方便於網絡的部署和擴展。網絡的規模能依照用戶所需的容量做有機的改變。另外，網絡的部署應直接由私人用戶或企業完成，這使得對它的維護快速而便宜。

發明內容
本發明的目的是提供一種面向″第四代″的蜂窩系統(4G)。
根據本發明，提供了組網方式及網絡構建，使得網絡基礎設施的部署以低成本的自主方式實現。這種部署可以由網絡運營商(蜂窩業務運營商)以低廉的方式完成，也可能由客戶有機的實行。基礎設施通過自主的方式部署，大大降低了每個基站的成本。而且，部署低成本的微型基站使得蜂窩系統成為一個由大量基站構成，服務不同規格小區的有機網絡。由此，它更利於滿足日益增長的網絡容量要求與不斷出現的新興服務。
本發明描述一個網絡結構。它能提供類似於蜂窩系統的信號覆蓋範圍。同時，它能提供類似WiFi熱點服務的接入方式，具備更高的網絡容量。本發明採用統一的空中接口實現以上的兩個目標，即同時兼備無線廣域服務和熱點服務模式的特點。
本網絡設計的一個特點是採用類似於CDMA的通用頻率復用，並反向兼容現有的空中接口，修改了的3G接口標準採用睡眠pilot信道，和抗幹擾的調製方式，所設計的網絡結構同樣支持其他的物理層標準，如GSM。
本發明所定義的網絡結構是能包括一個或多個微型無線基站(以下稱為「小蜂窩接入器」)的通信系統。這些接入器可由用戶或顧客進行安裝(傳輸功率、天線陣或睡眠模式等參數)，並由網絡控制器管理，以獲得最佳的信號覆蓋範圍，減小小區間的幹擾，並優化網絡的傳輸配置。小蜂窩接入器提供面向區域網或廣域網的接入，例如DSL接入網、有線電視接入網、或基於電力線的電信網絡。小蜂窩接入器連接了用戶終端與通信網絡，並由所屬運營商的網絡控制器進行管理。同時，小蜂窩接入器能建立面向蜂窩網絡的接口，但同時又具備WiFi「熱點」技術的靈活性。修改了的3G接口技術使其能容納更多用戶。
本發明的另一目的是，小型蜂窩接入器能與其他基站(如網絡運營商安裝的大型基站，或″大蜂窩接入器″)相互協調，共同提供優化的網絡服務。網絡控制器能協調基站之間的操作。據此，本發明的特點可以說是利用微型基站作為蜂窩基站，並通過網絡控制器自動調整系統的工作參數。
本發明的另一個目的是，網絡控制器具備電腦程式和相關的伺服器，用以在某一頻帶上協調基站之間的操作。相關的操作涉及到此專利的更多技術細節。
本發明的另一個目的是，網絡控制器的功能同樣存在於基站控制器(蜂窩系統的必要設施)的軟體組件中。本發明的另一個特點是，pilot信道或廣播信道並非連續、周期性的傳輸。基站的睡眠pilot信道，或睡眠廣播信道只有在用戶終端發出「喚醒」命令時才傳輸。
本發明的另一個目的是，基站周期的估計信道質量(即檢測信道中的複合信號)，而後將信息傳遞給網絡控制器。網絡控制器將處理這些信息並決定是否存在未經許可的無線電信號在信道中傳輸。


下面的圖示列舉了本發明的一些具體結構圖1說明了本發明的系統框架。
圖2a顯示了蜂窩接入器連接區域網或乙太網的場景。
圖2b顯示了蜂窩接入器連接DSL或小型企業網絡的場景。
圖2c顯示了蜂窩接入器連接電話網絡的場景。
圖3a顯示了蜂窩接入器連接社區電視網(CATV)的場景。
圖3b顯示了蜂窩接入器連接電力線通信網(PLC)的場景。
圖3c顯示了蜂窩接入器連接無線骨幹網絡(IEEE802.16/IEEE802.11a)的場景。
上述的圖例僅用來列舉某些應用的實例，並未能包括本發明所可能應用到的所有場景。
具體實施例方式
在蜂窩網絡的發展進程中，不但要在基站的部署與網絡的優化上花大力氣，基站與PSTN網絡的連接也需要巨大的投資。然而，隨著Internet的出現和區域網的普及，電話網絡已經被拓展到高速數據服務的領域，如ADSL技術。因此，我們已有能力用更有效的方式，更為方便的連接無線接入器與有線骨幹網絡。如圖1所示，蜂窩接入器(10)可以通過固定網絡接入器(12)與高速的有線網絡相連。這些蜂窩接入器的數量比常規蜂窩系統中的基站多很多。而且，他們的部署也未必像傳統的蜂窩系統那樣規則。因此，蜂窩接入器的接口需要特殊的設計，以適應他們能被靈活部署的特點。下面將詳細說明。
如圖1所示，整個網絡(14)是由一組終端(16)，固定網絡的接入器(12)，蜂窩接入器(大小不等)(10)，和廣域網連接(18)構成。系統頻譜/功率/天線波束方向由網絡控制器管理。這裡，我們定義連接到同一個網絡控制器上的蜂窩接入器處於同一個網絡管理域(NCD)。這樣，網絡管理域實際上與一定的地理區域相對應。不同的網絡管理域之間可以通過骨幹網連接(22)。
本發明為蜂窩通信網絡提供了一種自主的部署方式。傳統的蜂窩概念被改變，具備特殊電腦程式的網絡控制器被引入對整個網絡進行管理。更為重要的是，蜂窩無線通信網絡的概念被拓展到更廣的範疇。它不僅包含了通常的用戶終端和基站設備，而且包括了基站同基站之間的連接網絡(固定設施或點對點的無線連結)。
本發明的一個特點是蜂窩接入器(10)可由用戶自主的安裝。蜂窩接入器(10)可以是非常便宜的，類似WiFi接入器的設備。用戶可以到當地的由運營商經營的商店去購買蜂窩接入器(10)。當然，蜂窩接入器的設計基於優化的3G技術。它可以通過區域網、DSL、或數字電纜同骨幹網(22)相連。
本發明的另一個特點是試圖採用一種類似於擴頻的抗幹擾調製方式。這樣，如同IS-95和3G(CDMA2000或WCDMA)的標準一樣，全部的頻譜資源能在每一個小區中得到復用，這樣的通用頻率復用對於自主增加的蜂窩網絡接入器(大或小的網絡接入器)來說是必須的。
用戶終端(16)同蜂窩網絡接入器(10)的通信可以是頻分雙工模式，也可能是未來的上、下行不對稱的頻譜分配模式。同樣，時分雙工在自主的蜂窩網絡中也是可行的。
本發明的另一個特點是其自主增長的網絡結構。這使得兩種上述的解決方案成為可能蜂窩網絡接入器的自主配置，與具備通用頻率復用的相關調製方式。這意味著頻率復用係數為1。CDMA當然是首選的調製技術。然而，當前和未來的其他一些技術也有可能，例如GSM系統採用動態的跳頻傳輸減小幹擾，這使得GSM成為可能的備選方案。
可以用於本發明的通信網絡接口包括●IS-95的CDMA系統(反向兼容已安裝的CDMA基站，但無抑制幹擾)
●IS-95的CDMA系統，包括睡眠模式(修改的IS-95)；●GSM-能動態選擇跳頻組和跳頻序列；●基於WCDMA的系統(無睡眠模式)；●CDMA2000的1x或3x系統(有、無睡眠模式)；●EDGE空中接口，或其他由GSM演化的高速數據網；●其他寬帶CDMA系統；●1xEV/DO系統；●新的基於MIMO的空中接口技術，例如由多倫多大學近期開發的擴空間頻譜多址(SSSMA)接入技術；●基於多載波CDMA的接口技術；●以上的所有這些接口應該能為網絡控制器提供識別不同蜂窩接入器的pilot信號。
儘管蜂窩接入器一般是指微型的基站設備，在本發明中，它可以泛指傳統的基站或者規格大小不一的蜂窩接入器。
蜂窩接入器的自動配置功能如下●蜂窩接入器(10)，以CDMA技術為例，需要設置pilot信道的傳輸功率。接入器的傳輸功率直接決定其價格，進而決定其部署方式。低功率的蜂窩接入器較為便宜，因此可由用戶購買和安裝。高功率的蜂窩接入器(24)，或大蜂窩接入器必須由專業的工程師安裝。其過程要考慮到相關的人體健康規範，射頻幹擾等等因素。
●狀態蜂窩接入器(10)具備「開」、「關」兩種狀態，相應於pilot或廣播信道傳輸與否。大蜂窩接入器(24)總是處於「開」狀態。而小蜂窩接入器可以在無流量的時候進入睡眠狀態。
●蜂窩接入器(10)可以將其天線的設置情況匯報給網絡控制器，尤其是當天線陣被用於蜂窩接入器時，一般的配置是關於天線波束的指向。在微蜂窩的環境中，由於豐富的多徑傳輸環境，波束的形成並不明顯。也就是說，很難形成理想的傳輸波束。然而，多天線的技術還是可以被採用的，具體的算法與配置方案將由網絡控制器決定。
●蜂窩接入器(10)將其傳輸功率報告給網絡控制器(20)，控制器向其發出功率控制的指令。
●蜂窩接入器(10)可將其GPS(全球定位系統)的坐標報告給網絡控制器，如果該接入器具備GPS的功能(可選擇)。
●蜂窩接入器(10)測量鄰近接入器的pilot信號強度，並將其報告給網絡控制器(20)。當然，它也可能測量鄰近接入器的廣播信道強度。報告的坐標矢量可以為「基站號或pilot號，接受到的pilot功率」。
●蜂窩接入器(10)可以有能力給臨近的接入器發送喚醒訊息，使其發射pilot信號以使網絡控制器(20)接收。據此，控制器能建立幹擾矩陣「I_ij 」。其中的每個元素標識了從接入器i到接入器j的幹擾。
網絡控制器(20)具有重要的功能，專業的人員將通過它實現網絡資源的分配。一種典型的考慮是儘可能用最低的接入器pilot發射功率覆蓋某一地理區域。
傳統蜂窩網絡大致有五層的結構1)移動終端，2)直接與終端通信的基站，3)控制多個基站及小區切換的基站控制器，4)移動交換中心—互聯多個基站控制器並連接PSTN，5)互聯多個移動交換中心的骨幹網。考慮CDMA系統，在無軟切換的情況下，這樣的系統結構基本上是從用戶終端到移動交換中心的樹形結構。每個移動終端依據自己的位置與某個基站相連。在有軟切換的情況下，移動終端可被看作同時隸屬於多個基站。整個地理區域被分成多個小區，而每個小區由於地形或建築物對信號的阻擋，一般具備不規則的信號邊界。
在GSM和CDMA網絡系統中，基站與終端都採用功率控制。發射機的功率要足以達到某一信號強度，或滿足一定的接收端信噪比(SNR)，但是為了做好功率控制，某一用戶終端需要知道它當前所屬的小區。也就是說，當用戶終端遠離基站的時候，功率控制使得從基站到終端的傳輸功率提高。到達某一臨界點時，功率控制停止，小區切換發生。這個臨界點由基站的廣播信號的強度決定，進而決定了小區的大小。對於GSM系統來說，小區大小由廣播信道(BC)的強度決定。而對於CDMA如IS-95或CDMA2000系統來說，由pilot和同步信道的強度決定。我們把這類信道統稱為信標(beacon)信道。總的來說，對於CDMA通信系統，小區的大小取決於信標信道，信道環境(如建築物或山體)，以及所採用的天線發射方式。如果採用全向天線並且處於相對平坦的信道環境，信號以圓形半徑輻射，小區的大小由發射功率決定。傳統蜂窩系統設計的目標是通過給基站分配不同的傳輸功率(信標信號功率)，達成以最小的信號重疊(多個小區覆蓋同一地點)覆蓋某一區域。當前的蜂窩系統通常在每一個小區內分割多個扇區。也就是說，要麼小區使用全向天線，要麼定向天線技術可將一個小區分為3，4，6個(120，90，60度)不等的扇區。基站的安裝需要在小區中定向扇區，在每個扇區中設定發射功率，及設定天線的下傾角度等等。這些參數在同步信道中傳輸(IS-95系統中第32行walsh碼)。未來的通信系統還可能在基站上採用波束切換技術。天線陣能夠產生相互重疊的多束波束，同時服務於多個用戶。
本發明的自主蜂窩系統與現有蜂窩系統的不同點在於，它能感知周圍信道環境的好壞。它能測量自己小區內及臨近小區不同天線波束上的信標強度，並將這些信息匯報給網絡控制器。控制器與基站的連接可能是基於廉價的IP網絡。實際上控制器對於基站的控制類似於傳統蜂窩系統中的基站控制器。不同之處在於，前者在傳統控制器的基礎上引入了自主配置基站的能力。當然，這樣的基站要經過特殊的設計、生產和技術人員的安裝。
網絡控制器可以實現不同的複雜功能。最簡單的情況是，控制器基於某種算法為不同的基站發出指令，調整他們的發射功率，天線波束方向等工作參數。較複雜的控制功能包括動態網絡優化和系統資源分配。這需要控制器始終對網絡流量進行監控，並調整流量的分配。
我們在這裡考慮一個具體的算法實現上述功能。首先，我們修改3G的空中接口每個基站於固定的時隙在前向信道周期的廣播它的pilot與同步信號。這個時隙要保證只預留給pilot與同步信道，以提供臨近的基站測量幹擾的情況。廣播的周期可能為幾秒，而時隙的長度可以設置為功率控制的最小時間單位(1.25毫秒-CDMA2000，或0.666毫秒-WCDMA)。另外，pilot與同步信道的預留廣播時隙序列中，需要有一些時隙為基站用作偵聽使用。某種隨機算法應該能使當某一基站處於偵聽狀態時，其餘的絕大多數基站處於廣播狀態。只要偵聽的時間足夠長，基站就能積累足夠的擴頻增益來了解周圍的幹擾情況。這些信息被送到網絡控制器，使其決定怎樣調整不同基站的pilot信道的強度。假設每個基站的總發射功率相同，某種算法應該使得功率的分配能最大化基站的總覆蓋面積，同時將幹擾降到最低。
在用戶終端的分布不是那麼密集的情況下，基站應該有能力進入睡眠模式，以減少相互之間的pilot信號幹擾。用戶終端可以在有數據需要傳輸時喚醒基站。當然，被喚醒的基站可能不止一個，這時網絡控制器將做出決定由接收到最強喚醒信號的基站提供服務。然而，考慮到小區間的幹擾，也可能存在例外的情況使得接收到低功率的基站被最終喚醒。
在已經敘述的網絡結構中，蜂窩接入器的部署不像傳統的基站部署那樣規則。通常大小不一的小區接入器將混合在一起，工作於相同的頻帶。另外的可能方案是，大、小規模的小區(兩個不同的網絡管理域)各自工作於不同的頻帶。
前面曾提到，大型蜂窩接入器的價格可能等同於常規基站，非常昂貴。而小型蜂窩接入器的價格能便宜至與用戶網卡不相上下。大型接入器始終廣播pilot信道，以界定小區的範圍。而小型接入器有能力進入睡眠模式，以減少相互之間的pilot信號幹擾。
小型接入器在睡眠狀態中時，隨時偵聽反向信道的公共接入信道。想要通信的終端(16)會給接入器發送試探訊息(如，你好！我需要服務，有人能回應我嗎？)。被喚醒的接入器(10)將發出pilot信號建立連接。其餘的通信過程與3G系統類似。
蜂窩接入器(10)可以由以下兩種方式安裝1).由運營商以安裝常規基站(28)的方式安裝。這包括信號覆蓋範圍，私人場所的租用，射頻輻射，與對人體健康影響等的考慮。
2).由用戶以自主的方式安裝。這能提供某些特殊區域的信號覆蓋，其安裝過程與WiFi接入器的操作類似。
如果蜂窩接入器(10)由運營商安裝，發射器的功率等設置將由專業人員完成，這與傳統的蜂窩網絡相類似。網絡控制器只是對基本已經配置完畢的接入器進行微調。如果用戶自主安裝蜂窩接入器(10)，網絡控制器將基於收到的接入器信息，全權負責對每個接入器的配置工作。
由此可見，本發明的一個特點是允許用戶以自主的方式參與網絡基礎結構的建設。以下為兩種主要的應用場景一是私人居所，通過DSL或CATV連接蜂窩接入器(10)。二是校園或類似的公共場所，通過區域網連接蜂窩接入器(10)。
網絡運營商可以將更多的精力放在網絡控制器上，而非基礎設施的建設，因為用戶承擔了基礎設施的部署。網絡的工作頻帶可能是需要執照的，也可能是ISM免執照的。未來也有可能會使用現在屬於廣播電視的頻帶。當使用ISM的免費頻段時，物理層須採用非頻分雙工的模式。3G的TDD模式也需要做修改以實現接入器的睡眠功能。
網絡控制器(20)還需要提供信息安全及用戶認證的功能。用戶登陸系統後通過IP網通信，無線信息必須被加密。而用戶費用的收取，可以分為無線接入部分(很可能是免費的)，和運營商所提供的服務費用。另外，蜂窩接入器的私人擁有者可與運營商達成協議，以使接入器可能承載第三方用戶的網絡流量。這種觀點已經被很多商業模型所支持。
一個典型的FDD或PCS系統通常被分配多個工作頻段。例如對於IS-95或CDMA2000 1x系統，這些信道都佔據1.25兆赫茲帶寬。網絡控制器需要為接入器選擇一個工作頻段，而這個選擇過程可以參照臨近小區已經佔用的工作頻段情況。極端的情況是，所有的小區都選擇相同的頻段，例如採用單一的IS-95載波。當允許多載波技術時，網絡控制器能夠動態的在不同的載波上分配流量，以增加網絡容量。
例如，本發明可以被用於1.25兆赫茲帶寬的CDMA網絡，也可以被用於5兆赫茲(上、下行各5兆赫茲)帶寬、三載波的北美CDMA網絡(載波之間存在0.5個帶寬的保護間隔)。
10兆赫茲帶寬的分配能容納7個載波。本發明的自主網絡系統可以將一個獨立的載波分配給小蜂窩接入器(26)，而將另一個獨立的載波分配給大蜂窩接入器(24)。小蜂窩接入器由用戶以自主的方式安裝，在市區及郊區範圍內的大蜂窩接入器由運營商安裝。這樣的載波分配方式避免了強pilot與弱pilot信道之間的幹擾。
因此，本發明提出的是一個基於自主網絡基礎結構的系統，即(全部或部分的)網絡設施實際由用戶以自主的方式部署。這大大減少了開銷，並提高了頻譜分配效率。由此，較傳統的蜂窩系統，該網絡能基於相同的頻帶分配承載更多的網絡應用。
自主網絡中所包含的基站(蜂窩接入器)可以被看作具備兩個接口的黑匣子。其中一個接口面向有線骨幹網絡(乙太網、DSL、或數字電纜等)或點對點的無線骨幹網絡(WiMax)。另一個接口能夠被動態的配置，以提供用戶終端的無線接入。
1).蜂窩接入器支持基於自主網絡基礎結構和能被動態配置的空中接口。修改的CDMA標準(IS-95、CDMA2000和WCDMA)，及非擴頻的GSM標準都可作為它的備選技術。
2).蜂窩接入器(10).與骨幹網絡連接後，即接受網絡控制器(20)的管理。網絡控制器(20)將會設置蜂窩接入器(10)的工作參數CDMA的版本號，支持的載波頻率，發射功率，支持的總數據傳輸速率，天線指向，上、下行信道頻率、探測信號的發射頻率、信標信號的發射頻率。對於一個FDD的系統，上、下行的頻帶並不一定對稱，通常下行高於上行。然而，考慮到某一個基站有可能去接收另一個基站的傳輸，上行的頻帶分配有可能高於下行。另外，基站有可能具備GPS接收機來決定自己的坐標方位。所有這些信息都應該報告給網絡控制器(20)。
3).在知道基站的容量後，控制器(20)將發送一個命令到基站，要求它分析自己的無線電環境。這種分析包含掃描一特定的頻段和向控制器(20)報告結果。例如在一個CDMA系統中，基站將掃描所有所謂的CDMA載波，並且向控制器(20)報告在發現的pilot信道中收到的信息。這個信息將包括pilot信號強度和pilot信道PN碼偏移，或者pilot信道標識符，或者輔助的pilot信道標識符，或者蜂窩標識符，或者扇區標識符(這裡標識符指的是一個識別數字)，和(有這樣pilot信道的)CDMA系統相關的系統信息。在其它系統中，報告將包括一套信號強度和基站識別參數。有了這個來自所有基站的信息(和可能包括的地理坐標)，控制器便有足夠的信息來確定一張近似的網絡圖，圖上包括激活的基站集，和每一個基站從相鄰的基站收到信號強度。例如，在一個特定的基站所監控的大量基站顯示有些終端的pilot信道強度可以被減少--從而減少(有時在CDMA網絡中被稱為)pilot信道汙染(或幹擾)。
4).在蜂窩接入器向控制器(20)報告其參數，和控制器儘可能地得知蜂窩接入器附近的無線電環境之後，控制器(20)將命令蜂窩接入器進入一些可能的操作方式，使其成為一個可能的連接服務供應者，以便給那些可能進入基站周圍的手機終端提供服務。可能的幾個方式是一)連續傳輸一個指示信號，諸如IS-95CDMA系統中的pilot信號，二)脈衝傳輸一個指示信號，即傳輸一個有特定周期的信號，或突發的pilot信號，三)偶而傳輸一個pilot信號，以便把信號強度告知相鄰的基站，四)傳輸一個睡眠pilot信號，此時基站處於激活的狀態，並監控(所有移動終端都知道的)接入信道，和五)非激活狀態，此時控制器(20)決定蜂窩接入器在可預見的將來不會被使用，或者控制器(20)決定蜂窩接入器不能正常工作。其它帶有類似特性的狀態也可能存在。
在一個CDMA系統中，連續的指示燈方式包括發送一個pilot信號和一個同步信號(如IS-9S系統中的Walsh零號函數和32號函數)。同步信號應該包含手機終端(16)能用來接入蜂窩接入器的信息，即從同步信號手機終端能找到蜂窩接入器所監控的接入信道。在IS-95CDMA系統中這個接入信道是反向連結的一個PN屏蔽碼。其它參數，如尋呼信道的標識，也包含在同步信號中。方式二類似於方式一，但是方式二預期到未來類似CDMA的蜂窩系統可能包含非連續的pilot信號。方式三使得蜂窩接入器在睡眠狀態下也可以發送信號，以便通知鄰區蜂窩接入器自己的存在，這樣控制器(20)才能建造一張網絡幹擾圖。方式四對有大量的小接入器(26)的系統是需要的，因為大部分小接入器不向任何終端(16)提供接入服務。在方式五中蜂窩接入器能通過收到對終端(16)是已知的一種喚醒信號來喚醒自己。在一個象IS-95一樣的CDMA系統中，標準需要被修改，這樣在呼叫建立階段期間，如果一個移動終端(16)找不到任何pilot信號，它就開始發送喚醒信號。終端(16)在沒有實現CDMA網絡同步的情況下發送喚醒信號。因此，喚醒信號應該是不斷重複，有特定時間長度的一個短PN碼，並且這個時間長度應該大於帶有睡眠pilot信號的基站的監測信道周期。一個帶有睡眠pilot信號的基站會周期性地在一段短時間後醒來，以便監控可能存在的喚醒信號。睡眠狀態的概念在電子設備中常見，這些設備使用電池，如何節省能量是至關緊要的。在本發明中，睡眠方式的主要目的在於減少網絡的幹擾，而非節省電池。一個典型的蜂窩網絡一般都有一個信道，用來宣布基站的存在。連續地發送這個信道(如在CDMA中的pilot信號)，在小的蜂窩接入器(26)中不是很理想的，因為大多部分並沒有任何和終端間的通信，即因為終端密度很低而沒被任何終端使用。
本發明對於現存蜂窩網絡的一個優勢在於，它將基礎設施部署的控制部分地交給了客戶。這能刺激無線服務的部署。它將把基礎設施市場改變成為一個類似於個人計算機的市場。無線服務的增長和使用將變得更有序。用戶將自動地部署網絡基礎設施，來滿足他們對熱點的需要。同時服務商(蜂窩運營公司)將確保有更寬闊的覆蓋範圍。客戶將自己做費用分析。另一方面，固定網運營公司將會有更多的流量和營利。這是因為，不論客戶採用什麼價格體系來部署小蜂窩接入器，對於部署大蜂窩接入器的運營商來說，都會有更多的流量。在這個情況下，這種結構對運營商在商業上的暗示將是積極的。運營商將通過一個安全伺服器來保證網絡是安全的。
本發明的一個關鍵體現在於，這裡所描述的網絡是為一(固定)網絡運營商所部署的。如果少量的蜂窩接入器(10)為客戶所部署，並接到固定網一側，最終在自主網絡裡的流量將被固定網運營商所控制。本發明的一個特殊方面在於，從PSTN到客戶的DSL連結實際上是在固定網運營商的控制下，而流量的一部分是DSL客戶的流量(作為當前的使用)，流量的其它部分則是第三方客戶所產生的無線流量。
安全功能控制器(20)以一種已知的方式在終端(16)和蜂窩接入器(10)之間建立一次會話。這包括加密和鑑權。控制器(20)也將確定是否有未經許可的發送器使用頻譜。確定這是否已發生的一種方式，是通過蜂窩接入器向控制器報告網絡中是否有不知名的用戶。因為網絡運營商擁有頻譜，它控制著蜂窩接入器(10)的分布。這些蜂窩接入器(10)各有標識。這些標識在pilot信道中被傳送。接入器(10)報告標識給控制器(20)，這樣控制器便能確定蜂窩接入器(10)是否被授權使用特定的頻譜。
將來的通訊商店電話商店一般被運營公司用來賣設備給最終用戶。當前這些商店一般只賣終端設備，如移動和固定終端，手機，尋呼機，衛星接收器等等。未來的通信商店，依據本發明，將攜帶除終端設備之外的網絡基礎設施，尤其是具有不同傳輸功率和速率的蜂窩接入器(10)。對於修改過的3G 1X系統，這將包括功率分級，最大集合速率，RF CDMA載波集合支持，和頻帶選擇能力。
應該被理解的是，依據本發明的一個方面，網絡運營商可以要求一名客戶根據特殊的網絡要求(如特殊的地理位置，或其它因素)安裝一個比那些小蜂窩接入器能力更強的接入器。電話商店可以被用來把這些有更強能力的蜂窩接入器(10)設備賣給客戶。
未來的電話商店看起來將象如下所列●終端設備(電話/pda終端，尋呼機，衛星終端)○所有帶有顯示和記憶能力的不同模型○可能的多模終端(AMPS/IS-95/CDMA2000/GSM/1X-EVDO/Auto蜂窩，或者有自主能力的蜂窩)●蜂窩接入器(讓我們測量相對於終端的功率等級)○選頻能力。參數見頻帶說明。
○不同的模型功率等級分類，當前移動終端的天線配置能力-0dB段與終端的功率等級分類相同，主要用於家庭應用，單一的RF載波。
-10dB段有安裝上限的客戶，小型企業-50dB段多RF載波，由RF專家安裝，大部分由網絡運營商安裝。
網絡運行方式/頻譜規定當前主要有兩種頻譜分配與規定1)為一個載波獲得許可，如，蜂窩/PCS系統，2)沒有許可，如，ISM帶/NII。當前一般有兩種類型的網絡運行1)公眾，運營商安裝基礎設施2)私人，基礎設施在家中或企業中私下地被安裝。本發明提出的新結構可以運行在以下表格所列的一些情景下。


同當前蜂窩系統的兼容性物理層這裡所描述的通信網絡物理層是基於某種具有抗幹擾能力的調製方式。CDMA系統(如CDMA2000)可以被改成適合本發明提出的網絡概念--如，給小蜂窩接入器增加睡眠方式。GSM系統比較難改成自主的網絡，然而，可以以已知的方式進行改裝。可以在控制器的控制下，在蜂窩接入器內使用動態的信道分配來達到這一點。主要的困難在於，如何最大限度地減少由於最初網絡部署高度不規則的蜂窩結構所造成的幹擾。然而，在不考慮頻譜效率的情況下，如果對於系統有足夠大的一整塊頻譜(即，如果具有200KHz帶寬的信道數目足夠多)，還是可以設計出一種動態的信道分配算法的。帶有普遍頻率復用並且無須做頻率規劃的調製方式是一個理想的選擇。CDMA2000 1X空中接口的一種修正，或者歐洲ETSI WCDMA標準的一種修正，是這種理想調製方式的主要例子。
蜂窩系統的進化全世界無數的研究小組正在開發下一代蜂窩技術。然而，當前沒有一個共同的目標或標準來決定網絡的結構。在某些情況下，研究者提及較高的數據率(10Mbits/s)，不同的調製方式(OFDM)，頻譜的不平衡分配，並且注重於能否提供不同的服務。蜂窩系統的各代技術可以被總結如下●1G-模擬，800MHz帶寬(北美)，FM調製，有些規則的蜂窩部署●2G-數字，主要為語音，單一速率數據服務，低速率數據，同模擬兼容(北美)，漫遊(歐洲)，有些規則的蜂窩部署●3G-可變的數據速率服務，高峰值數據率(2Mbps和更高)，有些規則的蜂窩部署。
●這裡提出的4G--自主的部署，睡眠基站，睡眠pilot信號，有機的蜂窩網絡成長，「智能的網絡結構」，所有智能的網絡包含在一個網絡控制器中。物理層的即插自優化基站。
部署的方式這裡所提出的自主蜂窩網絡為基站的部署提供了新的可能。為了讓基礎設施部署對覆蓋需求做出響應，或者對新忙點的出現做出響應，允許不同的人或企業以一種有機的方式進行部署是有利的。基站可以使用與終端相同的方式進行部署，這裡不同的基站可以被私人擁有。對於上述的模型(私人，非運營公司，蜂窩接入器的擁有者，或至少小的蜂窩接入器)，仍然需要一運營商來操作控制器(20)。這樣做是為了高頻譜效率的需要，並且也為了操作大基站(24)，這種大基站能在非熱點地區提供覆蓋，或者給在有機部署小蜂窩接入器下剩下的地區提供覆蓋。運營商也將管理它當前獲得許可的頻譜。這種管理更適合通過運行一種算法，該算法將優化連接到一個單一控制器(20)的不同的蜂窩接入器的功率水平。運營商也會提供許多接入服務，例如在一個移動環境中安全地登錄到網絡。這可以通過以下實現，無線鏈路上點到點的加密，或者如虛擬私人網絡裡的在終端到網絡安全伺服器之間建立一條通道。
小蜂窩接入器攜帶的流量可能是小蜂窩接入器所有者或者第三方的流量，而本發明的一個特殊方面在於，基站(大或者小)的安裝者被主幹網的運營商指定來攜帶第三方的流量。蜂窩接入器將有一個配置參數來確定其願意攜帶第三方流量的程度。
從一個終端(16)的立場和網絡接入的計費出發，我們考慮三種主要的運行方式(其他也是可能的)。在方式一中，終端(16)以這樣一種方式接入蜂窩運營商安裝的大基站(12)，這種方式有如當前的蜂窩系統，我們把它稱作寬闊區域方式。這種連接方式是默認方式，它存在在有蜂窩公司覆蓋任何地方。這個覆蓋只為蜂窩公司能提供的覆蓋所限制。在大多數歐洲國家這個覆蓋實際上包括整個國家，而只有總面積的一小部分是例外。在方式二中終端(16)屬於小蜂窩接入器(26)的所有者。這裡主要的例子是在一個家中，小蜂窩接入器(26)被安裝來提供無線的語音和數據服務，當同廣域網(方式一)結合起來服務以後便似乎是無縫的了。在這種方式中我們將期待空中時間是免費的，但移動終端是主幹網運營商的一個用戶並使用其服務。在這種方式中小蜂窩接入器將類似於一個當前的安裝在家中的WiFi接入器，但是具有小蜂窩接入器(26)同時處理語音和數據的優點，並且終端(16)對全網都是一樣的終端(它們帶有同樣的空中接口)。我們也可把方式二稱作家中熱點方式。方式三考慮在非家中熱點的終端。我們也可把它稱作漫遊熱點。在這種方式中，在切換，功率水平，碼率(我們在小蜂窩中期待較高的碼率)方面，終端(16)的行為類似於方式二，但是因為用戶不是蜂窩接入器的所有者，計費可能是不同的。
本發明因此達到3G的目標，但是以這樣一種方式達到的，它使用現有的基礎設施來提供一個新的基礎設施(在3G中)才有的優點。
在空中接口方面，本發明提供了一個通信系統，一個通信網絡基礎設施，和一種部署通信網絡基礎設施的方法，它能夠最大化每蜂窩每兆赫的容量，能夠處理蜂窩間幹擾，能很容易的完成切換。這些為了3G物理層而設計的技術和它們不斷沿著高碼率方向的發展，為本發明的物理層提供了基礎。本發明對它們加以修改，以便系統可以容納不規則的蜂窩和大量的小蜂窩接入器，而這些接入器在許多情況下負荷不會很重(以用戶數衡量的話)。
具有調頻功能的自主基礎設施GSM網絡GSM蜂窩標準基於GMSK調製(QPSK的一種廣義形式)和慢跳頻。這種調製方式沒有擴頻，或者CDMA的抗幹擾特點，並且與CDMA相反，它一般要求大於一的頻率復用係數。然而，跳頻確實提供了一些抗幹擾功能(一般被稱為幹擾分集)。在GSM網絡的頻率規劃中，一般先把一個頻段(5MHz或10MHz)分成若干200KHz的信道。然後這些信道被劃分成不同組，這些組被分配給蜂窩和扇區。分配到一個具體蜂窩的組被稱之為那個蜂窩的分配表(CA)。例如對於一個120度扇區天線，3/9的復用模式意味著3個蜂窩或者9個扇區的復用模式。對於每個扇區的信道組，我們擬定一組跳頻模式。如果有N信道(200KHz)，我們能制訂N個正交的跳頻模式。在舊的GSM網絡，頻率復用蜂窩簇被安排在一種有規則的模式中，而蜂窩的大小是固定的。然而隨著自主部署概念的引入，接入器或基站將被隨機部署在一個服務區中，而蜂窩大小也可能變化。在每一扇區的頻率分配信道選擇並要求基站監控其環境，即監控所有可供使用的RF信道，並且把這些信息傳送到控制器。控制器將選擇這些信道的一個子集來確定那個特定的蜂窩/扇區的頻率分配。然後，控制器將把一套配置參數發送到基站，把該基站配置成(從將進入蜂窩的終端看來)一個典型的基站。這些參數將包括下列的內容●在蜂窩裡使用的頻道集合，和廣播信道(BCCH)載波標識號。
●TDMA幀號(FN)然後基站將被命令進入睡眠方式或者信標(廣播信道)傳輸方式。
根據所選的頻率分配，一個跳頻序列將被產生，並通過控制器發送到基站。
下面(基於本發明)總結一下GSM的自主基礎設施蜂窩系統的操作●基站(如上所述)有能力在低頻帶上收到信號。這是正常的接收頻帶(在一個FDD系統中終端在低頻帶中發送)。
●基站附帶有在高頻帶上收到信號的能力。這種能力被用來監控相鄰基站的發送。
●基站向控制器報告一個頻帶。該頻帶包含它有能力監控的高頻帶和低頻帶。
●控制器將拿出它感興趣的頻帶的一個子集，為這些頻帶它運行一種配置算法，並且命令基站監控這些頻帶和提供幹擾(或者收到信號)信息。
●基站掃描所有這些頻帶並把信息發送到控制器。基站在一個跳頻周期中先呆在一個頻率裡，然後跳到另一個頻率。在信號強度方面報告測量結果。
●控制器將使用信道測量結果為新裝的接入器決定一個跳頻序列。
●對於完全雙工系統，下向連結的傳輸頻率(在一種跳躍的模式中)同上向連結頻率之間有一個固定的偏移。因此，下向連結的跳頻模式自動地決定了上向連結的跳頻模式。
●睡眠廣播信道對許多GSM的小接入器，讓廣播和同步信道不一直處於「開」的狀態(象在舊的GSM系統那樣)，因為這會給那些零負荷的小接入器造成不必要的幹擾。修改後的系統引進了這樣一種機制，在檢測到信道和沒有找到系統之後，將發送一個接入器喚醒信號。這個信號在一個顯著的系統信道上被發送。我們把這個信號稱作在一個警報信道中被發送。一個特定的系統可能不止含有一個警報信道。如果這樣信道超過一個，終端將執行一個發送周期通過所有警報信道來喚醒終端。
網絡結構這裡揭示的自主基礎設施無線網絡要求這樣一種網絡接入，基站或接入器應能容易地被附加或接入，猶如配屬一件家用電器將之接入電網一樣方便。同時，為了與通信網絡的趨勢相一致，這個網絡應該是一個基於IP(Internet協議)的網絡。有多種網絡結構可以被用來達到這個目的。以下我們討論其中的一些可能性。
(a)乙太網區域網一個基於IP的基站網際網路的主要例子是一個有線乙太網區域網。基站將包含一個直接連接到區域網的接口，或者他們使用網絡接口卡作為一個增加的模塊。每一個基站將為區域網自動地配置一個IP位址，同時發起與控制器間的通信。基站的接入將導致兩個階段的自配置。第一個階段將對網際網路的通信進行配置，這包括IP位址的自配置和為自主網絡控制器獲得一個IP位址。在這種通信建立之後，基站將開始第二個階段的配置-對自主蜂窩空中接口，無線接入和參數的配置。圖2a)描述了如何把蜂窩接入器(CAP)連接到網絡中。這圖不顯示作為網絡中一個節點的控制器，它被包含在稱為「Internet」的圖中。
b)公共交換電話網第二個例子是一公共交換電話網(PSTN)。在這裡最簡單的例子是家中或者小企業的DSL(數字用戶線)聯接。這個DSL線可以是一些DSL的進化之一，如ADSL，VDSL，xDSL，或者其它。有了這個選項我們能容易地建立無線的家庭網絡，或者小的企業網絡，它在無線物理層同常規的蜂窩網絡(自主蜂窩的兼容性方面)是兼容的。從安全和在高密度無線設備地方的幹擾管理考慮，這些網絡將優於現有的WiFi網絡。在這種類型的網絡中基站可能是客戶所有，或是運營商所有-即運營商可以操作自主網絡控制器。圖2b)展示了如何把蜂窩接入器(CAP)同網絡連接起來。
這種網絡的另一種選擇是將基站(蜂窩接入器(CAP))放置在一個家庭的附近，但可以用來服務幾個家庭。連接的方法如圖2c)所示。基站將通過光纖連接到PSTN的交換機或路由器。每個基站所服務的家庭數目將依賴於每個家庭的容量要求和可供使用的無線頻譜。例如，如果我們計劃向家庭提供諸如IP電視的服務，那麼每個家庭都有很大的容量要求，並且每一基站離家庭應保持這樣一種距離，以便它能根據所有的帶寬服務少量的家庭。這種選擇具有吸引力，當拿它同當前有線IP電視的最新計劃作比較，因為它提供了一種家庭環境中的終端，同時它減少了鋪線到每家的線路費用。
c)閉路電視(CATV).
一個CATV網絡是對互聯基站的另外一個邏輯網絡的選擇。它具有高容量和在住宅區的高覆蓋(部署)。如前所述，作為PSTN的另一個選擇，這裡有兩種可能性。第一種情況是我們可能將基站安裝在家中。這種基站將替代現有的電纜數據機(當前用於Internet訪問)。基站的一個接口將包含一個電纜數據機，它有能力調節到閉路的一個信道上(北美為6MHz)。其它接口將是自主無線接口，它能提供在一種家庭環境和其附近之內的無線接入，並且和廣域蜂窩網絡兼容。這種連接方式如圖3a)所示。
第二種方法將是在家之外並且離家有一段距離的地方放置基站。確切的距離將依賴於無線接口的容量要求。使用大的距離要求更大的傳輸功率並且導致更多的家庭為一基站所服務。基站可在閉路分配網絡中替換掉一個現有的機頂盒(一般可以服務8個家庭)，或者可以將它在閉路分配網絡中進一步往後放置(把它放在一個可以服務幾百戶家庭的節點上)。在閉路分配網絡裡的位置選擇依賴於可供使用的RF頻譜和被提供給家庭的服務--即最終的每家容量需求。容量需求越大，蜂窩的規模就越小，基站也離家庭越近。
d)電力線通信網絡(PLC)另一個互聯基站的選擇將是一個電力線通信(PLC)網絡，也被稱作寬帶電力線通信網絡(BPL)。總體網絡將包括一個主幹網(如電話主幹網)，而節點將是與電力線相連接的點。每一個這樣的節點將連接到服務一個有限區域的電網分支中去。那麼，對於每個分支可以有多個基站被連上。連接的方式如圖3b所示。每一個基站將有兩個接口。一個接口包含一個用於電力線通信的數據機，它使用特殊的調製方式(如某種OFDM的形式)。另一個接口將是自主蜂窩網絡的無線接入埠。上述電力網每個分支的規模和每個分支允許連接的基站數將依賴於每個基站的容量和每個PLC的容量。一個分支中的所有基站的流量處理容量將不得不小於PLC的容量。如果我們希望違反上述的容量約束，並以這樣一種方式來增加一個分支中的基站數，那麼一個解決辦法是將一個分支分成兩個較小的分支(通過在主幹網中增加額外的節點)。這種類型的網絡的優勢在於，那些電力線因為電力分配的需要已經存在了。同時，這樣一種網絡將在室內環境中，商業區，地下的空間中提供良好的覆蓋。
e)固定的無線接入網絡基站可以通過固定的無線接入網絡被連接，例如一個基於IEEE802.16空中接口(WiMax)的網狀網絡，或如圖3c)所示的基於IEEE802.11a的無線區域網。網狀網絡中的每一節點都可以成為自主蜂窩網絡中的一個基站。每一個基站將有兩個無線接口。一個接口將連接到網狀網絡。第二個接口將通過自主網絡給移動終端提供無線接入。網狀無線網絡應該按這樣一種方式被設計，新的節點應該容易地被部署以便網絡可以有機的增長，這樣才能體現自主基礎設施無線系統的精神。
終端考慮在一典型的蜂窩網絡(傳統蜂窩系統)中，基站或是持續不斷或是周期性地(如，每幀中的一個時隙)傳送一個信號，它的目的在於向剛進入蜂窩的終端「宣告」基站的存在。這些信號(信道)可被稱為廣播信道，同步信道，信標信道或信號，pilot信道或信號，或者其它。在本發明中揭示的一個十分重要的概念是睡眠的基站。
如果一個蜂窩沒有用戶，那麼我們不想上述的信號一定被傳送，因為我們可能有很高密度的基站，而這些基站並沒有用戶，這樣將造成不必要的幹擾。這裡最經典的例子是CDMA系統中的pilot信號，其導致的幹擾有時被稱為「pilot汙染」。當上述參照信號被關掉，這時基站被稱為處在睡眠方式。現在，在一個傳統蜂窩系統中，當一個終端在被開機後它立即試圖同步到上述的同步信道，pilot信道，或信標信道。如果基站在睡眠狀態，終端必須有一種機制來喚醒基站。因此，一個自主蜂窩網絡中的終端應該有提高的能力(相對於傳統蜂窩系統的終端)，來傳送一種我們這裡稱作警報的信號(與喚醒信號同義)。該終端，在被加電後將首先搜索當地醒著的蜂窩，就如傳統蜂窩系統中終端的平常運行模式那樣。當沒有找到這樣的蜂窩後，它將在一定的時間段內發送警報信號。它然後再一次搜索基站的存在。它將重複發送這個警報信號並傾聽一段時間，如果在某個時間點仍然沒有找到存在的基站，它將假定它不在一個自主網絡的服務範圍內，並自動關機。
服務本發明中的自主基礎設施蜂窩網絡將在第四代無線網絡被預見。今天電訊服務的三種主要種類為聲音，視頻分配，和Internet訪問。傳統上這些服務被三種不同結構的網絡所提供電話網絡，閉路電視網絡，和Internet。將來的趨勢是所有將這些結構匯聚成一種結構來提供三種服務。對三合一的規定的一個關鍵要求是在接入網絡中必須有足夠的容量。工業界中另一個趨勢是在網絡的接入部分使用無線。無線提供可移植性並降低布線的費用。第三個要求是減少安裝的費用。本發明所揭示的自主基礎設施無線網絡概念是達到這些目標的一種理想的技術。網絡可被設計成基於IP和提供VoIP的服務，在IP之上電視的服務(IP電視)，和平常的多媒體Internet訪問。在IP電視的情況下，依賴於終端或者顯示設備的大小，不同的新標準層出不窮。當前為蜂窩傳輸所部署的小終端，為它們提供的服務可以(按與移動蜂窩網絡計劃相同的方式)在自主蜂窩系統中被採納。然而，因為可能存在的小蜂窩，當採用IP電視的技術，自主蜂窩系統中也可以被用來傳送視頻信號到家用。
無線頻譜當前人們對以前被分配給電視廣播的頻譜挖掘新的用法有著巨大的興趣。這些電視UHF頻帶在1GHz之下的那部分很少被使用。另一方面政府規定要求，如果根據舊的頻譜分配許可，當一個發送器要求使用這些信道時，它們必須是可供使用的。這裡所討論的解決方法是，設計一套無線技術，它可以自動地檢測一特定的頻譜是否被佔用，並能挪離那個頻帶(如果它被使用的話)。自主基礎設施的網絡概念是達到這樣使用頻譜的一個理解辦法，並且是未來用於分配頻譜的候選結構。
權利要求
1.一種部署蜂窩無線通信網絡的方法，其特徵在於(a)向一人或多人或企業提供一個或多個無線微基站；(b)一人或多人，通過把微基站連接到至少一個(連到固定網的)網絡接入器，來自主部署該微基站，進而配置該微基站，使其與網絡控制器合作；該網絡控制器與蜂窩無線通信網絡相連，同時也連接到固定網，該網絡控制器可以被操作來向微基站發送一個或多個網絡執行命令；(c)能在微基站上執行網絡操作命令，進而在一個微基站定義的蜂窩區域裡提供網絡連接。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於微基站與其它基站(這包含微基站和大網絡基站)進行合作，從而給一個或多個蜂窩無線通信終端提供網絡連接。這些終端是個人或者企業連接到蜂窩無線通信網絡中的終端。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於微基站使用基於擴頻和通用頻率復用(頻率復用率為1)的物理層技術和網絡控制器，來自動配置基站的以下一項或多項(a)一預定的pilot信道強度；(b)pilot信號參數；(c)自適應天線陣列的指向參數；(d)一個或多個微基站的工作狀態，每一工作狀態與一組參數相關，這些參數為網絡控制器所建立，並包含從一種工作狀態轉變成另一個狀態的要求。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於微基站可攜帶第三方話務，這些話務是從無線通信終端到其它微基站之間(通過固定網)的話務，提供第三方話務服務的蜂窩無線網絡可以從中得到相應經濟上的獎勵和補償。
5.一種無線通信網絡，其特徵在於所述的無線通信網絡包括(a)具有以下功能的微基站(i)可以被配置，並通過高速傳輸鏈路連接到固定網，這樣在微基站和固定網之間就可以至少有一個接入點；(ii)包括一個無線接口；(iii)在接到網絡控制器命令後可被操作，該網絡控制器至少與一個蜂窩無線通信網絡相連，並且被連到固定網，這樣便能配置微基站來支持多個無線終端之間(通過空中接口)的通信。
6.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於至少有一個接入器被連接到高速數據傳輸網絡，這樣便可以給一個或多個連接到微基站的計算機提供數據連接。
7.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站能自動配置並連接到固定網和網絡控制器。
8.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站基於網絡控制器的操作命令，可以與一個或多個其它基站協作，並向一個或多個無線通信終端提供到固定網上的連接(這些連接又為網絡控制器所指定)。
9.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於無線接口為一個統一的空中接口，該接口工作在廣域模式和高碼率(或熱點)模式，譬如，網絡控制器可以配置無線接口，從而建立微基站的工作參數。
10.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站可以通過以下方式連接到網絡控制器(a)通過有線接口(並經由固定網)連接到網絡控制器；(b)通過無線接口建立點到點無線連結，先連接到另一個基站，再由該基站連接到網絡控制器。
11.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站是可自主操作的(a)在微基站和固定網之間可以安裝一個固定的網絡接入器，(b)可以為一個或多個無線通信終端安裝一個蜂窩接入點，以便這些終端能接入(網絡控制器所決定的)固定網，(c)可以連接到網絡控制器。
12.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於網絡控制器負責微基站和其它基站之間的協調運行。
13.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於基於含有擴頻和抗幹擾參數的調製方式，網絡控制器可以發出指令，微基站能運行這些指令，來實現該調製方式。
14.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站可以測量一個或多個在其附近的接入點的pilot信號強度，並把測量結果報告給網絡控制器。
15.根據權利要求14所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站可以執行指令，來設置(由網絡控制器決定的最優)pilot信號強度。
16.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站可以執行指令，來實現一個或多個工作狀態，而每一工作狀態又與網絡控制器建立的參數相關，這包括從一種狀態轉換成另一個狀態的要求。
17.根據權利要求16所述的無線通信網絡，其特徵在於基於網絡控制器建立的參數，微基站可以應用「睡眠模式」這種狀態來減少pilot信道幹擾。
18.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站可被連接到下列的一個或多個高速數據傳輸網絡(a)區域網，(b)廣域網，(c)DSL接入網絡，(d)有線電視接入網絡，(e)供電線路傳輸通信網絡。
19.根據權利要求5所述的無線通信網絡，其特徵在於微基站採用基於擴頻和通用頻率復用(復用係數為1)的物理層技術，網絡控制器使用預定的pilot信號強度，pilot信道參數，和自適應天線陣列指向參數，來自動配置微基站。
20.一種軟體產品，它包括可讀媒介和邏輯記錄，可在伺服器上運行並建立與無線網絡間的連接，能協作基站間的運行，其特徵在於(a)含有一個控制模塊，用來傳送一個或多個微基站可執行的命令，以執行以下操作(i)給一個或多個微基站裡的無線通信終端提供到固定網的連接，網絡控制器決定哪些終端獲得服務；(ii)基於網絡控制器定義的參數同其它基站進行合作，這些基站可能為微基站和大網絡基站，以便給與該網絡相關的無線通信終端提供網絡連接；(iii)用以下參數配置微基站pilot信號功率，pilot信號參數，自適應天線陣列指向參數，微基站可以處於一個或多個工作狀態，每個狀態與網絡控制器建立的參數相關，這些參數包括從一個狀態轉換成另一個狀態的要求。
21.作為一個用來控制蜂窩無線通信網絡的系統，其特徵在於(a)包括一臺運行控制軟體的伺服器，該伺服器和控制軟體定義了一個網絡控制器；(b)包括一個連接到無線通信系統的網絡控制器，該系統含有多個基站，它定義了一個提供終端連接服務的復蜂窩區域；基站包含一個或多個微基站，它們能自配置並通過高速鏈路連接到網絡控制器，微基站和網絡控制器之間至少有一個接入點，網絡控制器包含一個控制模塊，該模塊可傳送一個或多個指令，這些指令可用來執行(i)給微基站覆蓋的蜂窩區域裡的終端提供網絡連接；(ii)基於網絡控制器定義的參數與其它基站進行協作，這些基站可能是微基站和大網絡基站，給與無線通信網絡相關的終端用戶提供網絡連接；(iii)使用以下參數配置微基站pilot信號強度，pilot信號參數，自適應天線陣列指向參數，使得微基站運行在一個或多個狀態下，每個狀態與網絡控制器決定的參數相關，這包含從一個狀態轉換到另一個狀態的要求。
全文摘要
本發明是提供了一種部署蜂窩無線通信網絡的方案。該方案包括部署一個或多個微型基站；用戶自主的安裝這些微型基站並通過網絡接入器連接蜂窩通信系統；網絡控制器能發出指令對微型基站進行配置。另一個特點是，微型基站可與其他的基站通信並協調工作。用戶的單個或多個的終端及工作業務可以與這樣的蜂窩網絡建立連接。提供給用戶終端接入的無線網絡可通過高速的接口最終同蜂窩網絡相連。整個網絡的性能由網絡控制器通過接口對微型基站進行管理。最後定義了相關的系統和計算機控制軟體。
文檔編號H04W92/24GK1985532SQ200580023144
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月3日 優先權日2004年6月4日
發明者艾維諾·賽爾維若·麥迪拿·德·蘇沙 申請人:艾維諾·賽爾維若·麥迪拿·德·蘇沙