專利名稱：利用具有內(nèi)部天線的cpe的固定ofdm無線大城市區(qū)通信網(wǎng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)領域。更具體地講，本發(fā)明涉及使用配置以使客戶房屋設備(consumer premise equipment)(CPE)能夠利用布置在客戶房屋內(nèi)的天線，而不需要具有到基站的視線傳輸路徑的外部可接入天線的正交頻分多路復用(OFDM)載波接入調(diào)制的固定無線大城市區(qū)通信網(wǎng)(MAN)。
背景技術：
利用射頻(RF)信號發(fā)射和接收數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是眾所周知的。一般地講，無線數(shù)據(jù)通信技術已經(jīng)應用到諸如衛(wèi)星通信或微波塔電信之類的高性能長距離通信系統(tǒng)，或應用到諸如住宅或辦公環(huán)境內(nèi)的無線LAN之類的短距離局域網(wǎng)(LAN)通信系統(tǒng)。在長距離通信系統(tǒng)的情況下，需要有一個點對點天線系統(tǒng)，并且在發(fā)射機與接收機之間必須有視線傳輸路徑。在短距離無線LAN通信的情況下，由于距離一般不超過1英里，因而可以利用全向天線系統(tǒng)，并且不需要視線傳輸路徑。這種差別的原因是由于在較長的距離上，或當穿過建筑物或墻壁之類的障礙物發(fā)送時，RF信號迅速地損耗功率的事實。
大城市區(qū)通信網(wǎng)(MAN)是一種能夠在大約1至40英里之間的中等范圍的距離中通信的網(wǎng)絡，例如，一般看到的為整個大城市區(qū)提供通信覆蓋的通信網(wǎng)。數(shù)字用戶環(huán)路(DSL)業(yè)務是利用電話線作為通信媒體的基于有線的MAN系統(tǒng)的一個很好的例子。電纜調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)是利用同軸電纜作為通信媒體的基于有線的MAN系統(tǒng)的另一個例子。MAN系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點在于，它允許與常規(guī)電話調(diào)制解調(diào)速度相比更高速度的數(shù)據(jù)通信。這種基于有線的MAN的主要問題是，安裝和維護高質(zhì)量電話或同軸電纜通信媒體的成本。固定無線MAN系統(tǒng)具有降低了與安裝和維護基于有線的通信媒體相關的成本的顯著優(yōu)點。
固定無線MAN系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是，可以設計無線通信媒體來提供比常規(guī)基于有線的MAN系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)通信速度。這個優(yōu)點導致迄今為止已經(jīng)部署的固定無線MAN系統(tǒng)被設計為用于超高性能和相當昂貴的專用網(wǎng)。這些固定無線MAN系統(tǒng)的市場已經(jīng)有少量的客戶，這些客戶具有可以證明在單個的基礎上這些系統(tǒng)的昂貴和復雜的安裝是合理的高速數(shù)據(jù)通信的需要。有限的客戶基礎和對超高性能的需要的結果，使現(xiàn)有固定無線MAN系統(tǒng)的設計多數(shù)一直沿高性能長距離無線通信系統(tǒng)的路線發(fā)展。
盡管在設計RF通信系統(tǒng)時有許多因素要考慮，但是設計固定無線MAN系統(tǒng)中要考慮的一些更重要的因素是分配的頻率、信號調(diào)制和載波接入調(diào)制。分配的頻率是指系統(tǒng)可以使用的無線電信號的頻率或振蕩范圍。一個例子是用于在500KHz和1600KHz之間操作的AM無線電信號的分配頻帶。信號調(diào)制是指為RF信號中信息或數(shù)據(jù)編碼的編碼方式。一個例子是調(diào)幅(AM)無線電信號與調(diào)頻(FM)無線電信號之間的差別。載波接入調(diào)制是指使用分配的載頻攜帶RF信號的方式。一個例子是在相同的分配帶寬上使用一個單一的寬信道與多個窄信道之間的差別。
對于本發(fā)明來說，固定無線MAN系統(tǒng)的設計集中在小于10GHz的頻率范圍。已經(jīng)開發(fā)出其它的中距離無線通信系統(tǒng)，例如，在28GHz至31GHz的高得多的頻率范圍操作的局部多點分布系統(tǒng)(LMDS)。這些更高頻率涉及到不同的技術問題，并且需要提供從一個建筑物的頂部到另一個建筑物頂部的視線傳輸路徑的更大的外部天線系統(tǒng)。
由于希望有更高的數(shù)據(jù)速度，所有的現(xiàn)有固定無線MAN系統(tǒng)都使用了更為復雜的信號調(diào)制方案。為了支持更快速度的下行鏈路傳輸，這些系統(tǒng)一般使用16位正交幅度調(diào)制(QAM)或64位QAM進行至少10Mbps的數(shù)據(jù)率的從基站到CPE的下行鏈路發(fā)送。
與為短距離通信而開發(fā)的并且使用將一個信號擴展到整個分配的頻帶寬度上的擴展頻譜形式的載波接入調(diào)制的許多固定無線LAN系統(tǒng)不同，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出的極少數(shù)的固定無線MAN系統(tǒng)使用多載波調(diào)制作為它們的載波接入調(diào)制。在多載波調(diào)制中，將信號分割成數(shù)個并行數(shù)據(jù)流，并且將這些并行數(shù)據(jù)流沿不同的較低速度的信道同時發(fā)送，然后在接收機重組，以產(chǎn)生較高效率的傳輸率。IEEE標準委員會指定用作高速無線數(shù)據(jù)通信的802.11無線LAN標準的擴展部分的多載波調(diào)制方案被稱為正交頻分多路復用(OFDM)。OFDM調(diào)制方案有助于更有效地利用分配的帶寬，和提高接收更高速度發(fā)送能力。
現(xiàn)有固定無線MAN系統(tǒng)的所有這些更為復雜的調(diào)制方案一般都要求在每個基站有更昂貴的設備和更高的發(fā)射功率。為了利用與每個基站相關的增大的投資，已經(jīng)對現(xiàn)有的固定無線MAN系統(tǒng)進行了設計，以使為一個給定區(qū)域提供覆蓋所需的基站數(shù)量最少。現(xiàn)有無線MAN系統(tǒng)的典型覆蓋區(qū)的半徑在10至30英里的范圍。
也使用較大的覆蓋區(qū)來減少對相鄰覆蓋區(qū)中重復使用相同頻道的需要。由于在所有的現(xiàn)有固定無線MAN系統(tǒng)中使用了更高的發(fā)射功率以更高的數(shù)據(jù)率發(fā)射，更高功率的信號防止相鄰覆蓋區(qū)中相同的頻道的重復使用，并且甚至能夠排除在三到五倍于覆蓋區(qū)半徑的距離上的相同頻道的重復使用。結果，較大的覆蓋區(qū)減小了由不能重復使用相鄰覆蓋區(qū)中的頻率造成的問題的影響。
每個基站的較大的覆蓋區(qū)面積的最大的缺點是，基站與CPE之間潛在的更大的信號損耗或衰減。為了克服更大距離中的這種潛在的信號損耗，和改進在更高功率、更高發(fā)射速度下的接收，所有現(xiàn)有固定無線MAN系統(tǒng)使用了需要基站與連接到CPE的外部可接入天線之間的視線傳輸路徑的點對點天線系統(tǒng)。例如，參看圖1的現(xiàn)有技術固定無線MAN系統(tǒng)配置，其中在一個單個使用者環(huán)境中的CPE，例如，一個住宅中的CPE，連接到一個單個使用者環(huán)境的外部的天線，而在一個多個使用者的環(huán)境內(nèi)，例如，一個小辦公室中，每個CPE連接到位于多個使用者環(huán)境外部的各自的天線。
倘若相對有限的客戶基礎和對于支配現(xiàn)有固定無線MAN系統(tǒng)的發(fā)展的超高性能的需要，提供視線傳輸路徑的外部可接入天線的使用不但是必須的，而且是可以理解的。但是，希望提供一種不需要使用外部可接入天線并且能夠更廣泛地部署、以更有效地向更多數(shù)量的客戶提供更高的數(shù)據(jù)速度的固定無線MAN系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種固定OFDM無線MAN系統(tǒng)在很大程度上滿足了上述需要。固定無線接入系統(tǒng)一般包括一個經(jīng)過以太網(wǎng)接口連接到小型辦公室/住宅辦公個人計算機或局域網(wǎng)的客戶房屋設備(CPE)單元，和經(jīng)過以太網(wǎng)接口連接到一個網(wǎng)絡的基站單元。CPE單元位于一個用作住宅或小辦公室的房屋中，具有布置在房屋內(nèi)部并且易于用戶安裝的天線。基站單元優(yōu)選是安裝在1-5英里的CPE單元范圍內(nèi)的塔中。CPE單元優(yōu)選結合一個使得它能夠接收來自一個計算機或網(wǎng)絡的數(shù)字信號、將這個信號變換成一種模擬格式、并且將模擬信號經(jīng)過優(yōu)選在2.5-2.686GHz范圍工作的射頻技術發(fā)送到基站單元的內(nèi)部集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器?；締卧獌?yōu)選結合一個集成的數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器。一旦接收到信號，基站單元將模擬信號變換回數(shù)字信號，并且通過以太網(wǎng)連接傳送到個人計算機、LAN、和/或網(wǎng)絡。在CPE單元和基站單元之間的上行鏈路和下行鏈路發(fā)送中使用正交頻分多路復用。
固定無線接入系統(tǒng)利用結合OFDM碼元的OFDM信號發(fā)送。OFDM碼元不帶訓練碼元，并且以逐個碼元的方式檢測。
固定無線接入系統(tǒng)使用分成幀的下行鏈路發(fā)送，和不分成幀的上行鏈路發(fā)送。
圖1提供了一個利用外部天線的現(xiàn)有技術固定無線MAN系統(tǒng)的概要；
圖2提供了一個利用內(nèi)部天線的本發(fā)明的固定OFDM無線MAN系統(tǒng)的概要；圖3示出了建立在本發(fā)明的一個固定無線接入系統(tǒng)的網(wǎng)孔內(nèi)的一個單一扇區(qū)的概要；圖4示出了本發(fā)明的一個蜂窩系統(tǒng)；圖5示出了一個標準的，現(xiàn)有技術蜂窩重復使用模式；圖6示出了一個利用TDMA的現(xiàn)有技術蜂窩重復使用模式；圖7示出了本發(fā)明的優(yōu)選蜂窩重復使用模式；圖8示出了本發(fā)明的系統(tǒng)使用的上行鏈路和下行鏈路發(fā)送時隙的布局，以及包含在時隙內(nèi)的消息分組的布局；圖9以方框圖的形式示出了在本發(fā)明的固定無線接入系統(tǒng)內(nèi)通過射頻發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)分組的比特流的處理；和圖10是具有六個帶有30°偏移的60°扇區(qū)的網(wǎng)孔的1∶1復用模式的干擾的示意圖。
具體實施例方式
圖2中示出了一個帶有利用本發(fā)明的內(nèi)部天線的計算機房屋設備(CPE)的固定OFDM無線大城市區(qū)通信網(wǎng)(MAN)。如圖所示，可以將本發(fā)明的固定無線接入系統(tǒng)10配置為用作一個單獨使用者環(huán)境，或一個多個使用者環(huán)境，例如，一個局域網(wǎng)。系統(tǒng)10操作以通過使用高可靠性無線電傳輸技術從和向系統(tǒng)10的使用者傳送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)10特別可應用于住宅和小辦公/住宅辦公室(SOHO)市場。
現(xiàn)在參考圖3，圖3示出了建立在固定無線接入系統(tǒng)10的一個網(wǎng)孔內(nèi)的一個單一扇區(qū)的概觀。如圖3中所示，系統(tǒng)10一般包括一個或更多的主機，例如，一個或更多的主計算機12，和/或一個或更多的局域網(wǎng)服務器13，它們經(jīng)過以太網(wǎng)連接16連接到一個或更多的客戶房屋設備(CPE)單元14。每個CPE單元14經(jīng)過射頻與系統(tǒng)10內(nèi)的一個或更多的基站單元18通信。每個基站單元18經(jīng)過一個以太網(wǎng)接口19連接到一個或更多的各種類型的網(wǎng)絡19，或交換結構，例如，異步傳送模式(ATM)。I.系統(tǒng)組件，組件分布和組件識別每個CPE單元14結合實現(xiàn)與使用者個人計算機12或LAN服務器的以太網(wǎng)通信，以及與基站單元18的射頻通信所需的硬件。硬件優(yōu)選是至少部分地利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術或ASIC技術實現(xiàn)，并且優(yōu)選設計為大約10瓦的最大功率消耗。更具體地講，每個CPE單元14優(yōu)選結合一個集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器和一個或更多的以太網(wǎng)連接器，例如10Base-T RJ45連接器(10Base-T是IEEE 802.3規(guī)定的一種利用雙絞導線，也稱為無屏蔽雙絞(UTP)線，以基帶形式攜帶高達10Mbps的速率信息的傳輸媒介)。對于集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器，應當指出，可以使用單個組件而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
為了容易安裝CPE單元14，集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器優(yōu)選結合一個一體的定向天線，以使客戶可以將CPE單元14安裝在一個相關主計算機12附近和客戶房屋內(nèi)。標準以太網(wǎng)連接器22的使用進一步提高了CPE單元14安裝的簡易性，并且使得能夠容易地使用者安裝CPE單元14，以便與它們的主計算機12或局域網(wǎng)服務器13通信。CPE單元14優(yōu)選具有一種使它能夠定位和/或安裝在桌面上的大小或形狀，這又進一步增加了使用者安裝的簡易性。
基站單元18結合了實現(xiàn)與一個或更多的各種類型的網(wǎng)絡19，或轉(zhuǎn)換結構，例如，異步傳送模式(ATM)，的以太網(wǎng)通信，以及與CPE單元14射頻通信所需的硬件。優(yōu)選實現(xiàn)至少部分用FPGA技術或ASIC技術實現(xiàn)硬件，并且優(yōu)選設計為大約100瓦的最大功率消耗。更具體地講，與每個CPE單元14相同，基站單元18優(yōu)選結合一個集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器，和一個或更多的以太網(wǎng)連接器，例如，10Base-T RJ45連接器。對于集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器，應當注意，可以使用單個的組件而不脫離本發(fā)明的精神和范圍?；締卧?8優(yōu)選附加地裝備一個全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機，以便為系統(tǒng)分辨率和精度提供時間參考。系統(tǒng)10優(yōu)選使用一個GPS時間脈沖來提供整個地理分布基站單元18的同步，以避免基站單元18之間的干擾。對于集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器，應當注意，可以使用單個組件而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
根據(jù)圖3，基站單元18優(yōu)選是塔式安裝的，以利于一個展開的非視線通信半徑。發(fā)射電平、天線增益、和接收機靈敏度提供的高系統(tǒng)增益容許基站單元18的非視線操作。如果基站單元18安裝在塔的底部，那么在基站單元18與它的天線之間需要有更長的同軸電纜，較長的電纜在系統(tǒng)增益中長度產(chǎn)生較大的損耗，并且會減小一個非視線覆蓋范圍的給定電平的操作距離。
將每個基站單元18定位在每個分布式蜂窩系統(tǒng)30中，見圖4，其中每個網(wǎng)孔32優(yōu)選包括一個或更多的扇區(qū)34，并且每個扇區(qū)優(yōu)選包括一個基站單元18。圖4是一個其中每個網(wǎng)孔32具有六個扇區(qū)34的示例分布式蜂窩系統(tǒng)30的示意圖。每個網(wǎng)孔32優(yōu)選具有大約1至5英里的通信半徑，典型的通信半徑是3英里。但是，蜂窩式扇區(qū)化基站單元18部署的使用并不限制單個全向基站單元18的使用。更具體地講，不需要使一個帶有多個扇區(qū)的網(wǎng)孔像一個單一網(wǎng)孔操作一樣地操作。在一個小地理區(qū)的例子中，例如，一個小于3英里半徑的地理區(qū)中，潛在的使用者基數(shù)很低，并且一個單獨的基站單元18可以滿足數(shù)據(jù)通過容量，因而可以給一個單獨的基站安裝一個高增益全向天線。
一旦適當?shù)匕惭b了每個CPE單元14和每個基站單元18，每個都能夠向和/或從對方發(fā)射和接收通信信號。在最基本的條件中，CPE單元14和基站單元18之間的射頻通信的組合效果是帶有一定額外增強的標準以太網(wǎng)交換的效果。例如，促進了單元14與單元18之間的射頻通信，是由于像以太網(wǎng)交換系統(tǒng)一樣，給每個CPE單元14和每個基站單元18分配了一個唯一的地址的事實。此外，單元14與單元18之間射頻通信優(yōu)選是以包括了分別指示通信信號來自和/或到哪個CPE單元14或基站單元18的源和/或目標地址的數(shù)據(jù)分組的形式進行，這又與以太網(wǎng)交換系統(tǒng)相同。如同以太網(wǎng)交換系統(tǒng)一樣，也可以在基站單元18與CPE單元14之間通信廣播業(yè)務，例如，發(fā)送到系統(tǒng)10內(nèi)所有單元的業(yè)務。
因此，正如以太網(wǎng)交換增強了以太網(wǎng)系統(tǒng)的操作一樣，CPE單元14和基站單元18提供的轉(zhuǎn)換配置進行操作，以通過僅允許在CPE單元14和基站單元18之間傳播基本業(yè)務；根據(jù)數(shù)據(jù)分組的源和/或目標地址過濾或發(fā)送它們而不受中間基站單元18干涉，例如，分布式交換，提高了系統(tǒng)10的性能。此外，如同以太網(wǎng)系統(tǒng)一樣，CPE單元14和基站單元18優(yōu)選執(zhí)行動態(tài)主機控制協(xié)議(DHCP)，這個協(xié)議是一個CPE單元14和基站單元18通過觀察動態(tài)地發(fā)現(xiàn)對應于連接到一個CPE單元14的主計算機12的高層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)地址的低層物理網(wǎng)絡硬件地址的協(xié)議。
更具體地講，當一個CPE單元第一次聯(lián)機時，它通過利用它的收發(fā)信機開始監(jiān)視基站單元18的信號。當CPE單元14檢測到一個足夠質(zhì)量的基站單元18信號時，CPE單元14向基站單元18登記。基站18利用網(wǎng)絡20內(nèi)的一個鑒別服務器確定CPE單元14是否被允許，并且確定可以有多少主計算機12連接到CPE單元14。然后，基站單元18否認或承認帶有允許數(shù)量的主計算機12的CPE單元14。一旦向一個基站單元18登記，CPE單元14進入一個學習階段，通過這個學習階段，CPE單元14操作以通過觀察業(yè)務了解層3地址和以太網(wǎng)物理層地址。觀察的業(yè)務是從數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，即，LAN 13上的一個服務器請求層3地址的一個主計算機12的業(yè)務，和服務器的回答的業(yè)務中的一個，最好是在DHCP中。
一旦觀察到業(yè)務，CPE單元14建立連接的主計算機層3，IP地址，和關聯(lián)的以太網(wǎng)低層物理網(wǎng)絡硬件地址的表。在建立這個表時，CPE單元14能夠保證它將不通過空中鏈路向具有對應于一個已經(jīng)經(jīng)過LAN 13接口連接到CPE單元14的主計算機12的層3地址目的的基站單元18發(fā)送消息。與CPE單元14一樣，基站單元18操作以觀察業(yè)務和建立主計算機層3、IP地址、關聯(lián)的以太網(wǎng)低層物理網(wǎng)絡硬件地址、和CPE單元14的關聯(lián)的空中硬件地址的表。在建立這個表中，基站單元18能夠保證在消息包括一個不在基站單元18的地址表中的層3地址目標時，它將不通過空中鏈路發(fā)送消息。
此外，如同以太網(wǎng)系統(tǒng)一樣，CPE單元14和基站單元18優(yōu)選實現(xiàn)地址分辨協(xié)議(ARP)，地址分辨協(xié)議是一個終端設備、主計算機和連接到網(wǎng)絡的其它計算機用于動態(tài)地發(fā)現(xiàn)對應于所述主計算機12的關聯(lián)IP地址的一個連接的主計算機12的以太網(wǎng)低層物理網(wǎng)絡硬件地址的協(xié)議。
但是，與標準以太網(wǎng)系統(tǒng)不同的是，固定無線接入系統(tǒng)10提供了一個其中一個基站單元18可以回答預定給一個連接到一個CPE單元14的主計算機12的APR請求的ARP代理。通過代表一個CPE單元14，攔截基站單元18承擔路由數(shù)據(jù)分組的責任，并且可以對其作出回答，例如，基站單元18可以送回CPE單元14的實際以太網(wǎng)MAC地址。當然，也可以使用其它和/或附加的代理協(xié)議，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。通過使用ARP和ARP代理，可以保存信道容量，并且可以提高系統(tǒng)10的效率，即，減少了空中廣播業(yè)務。此外，CPE單元14觀察連接到CPE單元14的主計算機12的數(shù)據(jù)業(yè)務。如果業(yè)務的目標是另一個也連接到CPE單元14的主計算機12，那么CPE單元14不向基站單元18發(fā)送該業(yè)務，因此，可以保存信道容量，并且提高系統(tǒng)10的效率。
CPE單元14最好結合一個漫游功能，以使能夠把CPE單元14從一個基站單元18的范圍內(nèi)的房屋移動到另一個基站范圍內(nèi)的房屋中，或如果基站將從空間中消失，那么切換基站18。CPE單元14監(jiān)視所有基站單元18信號的質(zhì)量，并且在當前基站單元18的信號的質(zhì)量降低到低于另一個基站單元18的信號質(zhì)量時，向一個不同的基站18登記。如同向原始基站單元18登記一樣，當發(fā)生變化時，CPE單元14向新的基站單元18登記，并且附加地將連接于CPE單元14的那些主計算機12的層3地址和以太網(wǎng)物理層地址表傳送到新基站單元18，以使CPE單元和新基站單元18之間的表能夠適當?shù)赝交Ｈ缓?，新基站單?8執(zhí)行無償?shù)腁RP，以更新前一基站單元18的表，以便加快基站單元18的處理速度，將業(yè)務適當?shù)厍袚Q到CPE單元14，供給其關聯(lián)的主計算機12。
此外，可以將一個主計算機12從一個CPE單元14斷開，并連接到一個不同的CPE單元14。然后，這個新CPE單元14可以經(jīng)過業(yè)務觀察到另一個主計算機12活動在其LAN13接口。然后，這個新CPE單元14執(zhí)行向增加的主計算機12登記，并且將增加的主計算機12的層3地址和以太網(wǎng)物理層地址添加到它的表中。然后，與新CPE單元14關聯(lián)的基站單元18識別出已經(jīng)增加了一個新主計算機12，并且操作，在基站單元地址表中建立用于新主計算機12的新項?；締卧?8額外地執(zhí)行一個無償ARP，以更新其它基站單元18。II.系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸固定無線接入系統(tǒng)10最好操作在2.5-2.686GHz教學電視固定服務/多點分布服務(ITFS/MDS)頻率范圍。FCC特許這些頻率作為31個信道，每個具有用于雙向數(shù)字通信的6MHz帶寬。在最近的命令中，F(xiàn)CC已經(jīng)確定將為這些信道許可發(fā)布一個總許可證，從而取消了每個使用者登記他們的CPE單元14的需要，并且取消了必須單獨登記每個基站單元18的需要。
如上所述，系統(tǒng)10優(yōu)選是一種其中系統(tǒng)中的每個網(wǎng)孔32分割成一個或更多的扇區(qū)34的蜂窩系統(tǒng)30。通過使用蜂窩頻率復用和時分多路復用方法的組合，可以用一個6MHz信道支持一個完整的系統(tǒng)。作為替代，可以使用一個以上的6MHz信道；增加更多的信道提高了對于射頻通信容量和通過量的系統(tǒng)10容量。
如圖4中所示，一個優(yōu)選系統(tǒng)10使用了其中每個網(wǎng)孔32被分割成六個扇區(qū)34，并且?guī)в辛鶄€信道，從而一個扇區(qū)34在所有時間都可以使用一個信道的蜂窩系統(tǒng)30。在這個優(yōu)選配置中，系統(tǒng)10提供了1∶1復用模式，每扇區(qū)9Mbps(每個網(wǎng)孔54Mbps)的傳輸率，和每扇區(qū)3Mbps(每網(wǎng)孔18Mbps)的數(shù)據(jù)通過率。優(yōu)選系統(tǒng)10能夠支持每扇區(qū)大約300個同時活動的使用者(每網(wǎng)孔1800個)，和每扇區(qū)大約1000-1500個用戶(每網(wǎng)孔6000-9000個)。將最小系統(tǒng)10設計為支持至少每扇區(qū)250個同時活動的使用者。
現(xiàn)有技術的無線系統(tǒng)對于一種頻率的復用一般需要至少一個分離的網(wǎng)孔環(huán)。例如，參考圖5，在網(wǎng)孔32中使用著三種頻率，如用三種不同陰影指示的。在圖5的配置中，蜂窩系統(tǒng)操作，分離共用由至少一個網(wǎng)孔32建立的相同信道的每個網(wǎng)孔，以便允許在系統(tǒng)的另一部分中使用相同信道的同時，使干擾最小。在另一種現(xiàn)有技術中，使用了無線系統(tǒng)時分多址(TDMA)來減小網(wǎng)孔間的頻率干擾。例如，參考現(xiàn)有技術圖6，每個網(wǎng)孔32被分割成扇區(qū)34，每個扇區(qū)34具有其自身的頻道，各信道在下一個最近的網(wǎng)孔32中重復。為了能夠進行這種頻率復用，使用TDMA給每個使用者一個獨特的信道內(nèi)時隙。這樣，在最底部的網(wǎng)孔32中，扇區(qū)1，一個使用者根據(jù)指定的分級時間信號發(fā)送，在相鄰的右網(wǎng)孔32中，一個使用者根據(jù)指定的分級時間信號發(fā)送，即在最底部的網(wǎng)孔32之后發(fā)送，并且在相鄰的上面的網(wǎng)孔32中，一個使用者根據(jù)指定的分級時間信號發(fā)送，即，在相鄰的右網(wǎng)孔32之后發(fā)送，等等，從而使每個網(wǎng)孔中的每個扇區(qū)1在不同的時間發(fā)送。但是，根據(jù)本發(fā)明，通過以后要進一步說明的使用四相移鍵控(QPSK)和減小每個網(wǎng)孔的直徑，既不需要網(wǎng)孔32的隔離，也不需要網(wǎng)孔間的TDMA，見圖7。
在本發(fā)明的替代實施例中，每個網(wǎng)孔32可以帶有三個扇區(qū)34，從而使網(wǎng)孔內(nèi)使用的時分多路復用法基于一種兩網(wǎng)孔模式(六個扇區(qū))。當給這個兩網(wǎng)孔模式提供一個單一的6MHz信道時，在每個扇區(qū)中的傳輸發(fā)生在六分之一的時間，當為兩網(wǎng)孔模式提供兩個6MHz信道時，每個扇區(qū)中的傳輸發(fā)生在三分之一的時間，當給這個兩網(wǎng)孔模式提供三個6MHz信道時，發(fā)送發(fā)生在二分之一的時間。當然，改變網(wǎng)孔和扇區(qū)模式對傳輸率、數(shù)據(jù)通過率、和系統(tǒng)10可以支持的使用者數(shù)量具有影響。但是，時間分享能力，例如，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶6，等等，使得能夠為一個要覆蓋的指定區(qū)域部署具有較少的頻率數(shù)的系統(tǒng)10。應當指出，系統(tǒng)10內(nèi)可以使用其它網(wǎng)孔、扇區(qū)和信道配置，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。但是，也應當指出，增加扇區(qū)的數(shù)量將使每個基站單元18所需的分離天線的數(shù)量增加，從而提高了基站單元18的總成本。
不管準確的蜂窩布局和網(wǎng)孔內(nèi)時分多路復用工作循環(huán)如何，每個扇區(qū)34優(yōu)選將它的規(guī)定信道用于稱為幀的時間增量的數(shù)據(jù)分組發(fā)送。系統(tǒng)10優(yōu)選利用時分雙工(TDD)來支持每個扇區(qū)34中的雙向通信。每個幀分割成兩個主要部分，一個下行鏈路發(fā)送時間和一個上行鏈路發(fā)送時間。下行鏈路發(fā)送時間最好允許基站單元18在多個下行鏈路信道時隙100之一中發(fā)送，見圖8。同樣，上行鏈路發(fā)送時間優(yōu)選允許CPE單元14在多個上行鏈路信道時隙102之一中發(fā)送。優(yōu)選具有可變的下行鏈路信道時隙100與上行鏈路信道時隙102的比率，以使系統(tǒng)能夠適合于給定通信業(yè)務類型的數(shù)據(jù)通過速率。比率最好是一個可配置的參數(shù)，但是可以在操作期間改變，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
每個下行鏈路和上行鏈路信道時隙優(yōu)選包含一個單一OFDM信號的發(fā)送，該單一OFDM信號包含一個數(shù)據(jù)的分組(OFDM優(yōu)選是數(shù)字擴展頻譜，盡管數(shù)字擴展頻譜不為每個在整個頻率上發(fā)送的碼元提供足夠的功率，增大功率以支持更長的發(fā)送距離將導致信號功率超出分配的帶寬的邊帶干擾)。最好是可以將總的幀持續(xù)時間的定時配置到一個優(yōu)選的標準時間長度。但是，每個幀的持續(xù)時間的長度可以從一幀到下一幀地改變，并且可以在網(wǎng)孔和扇區(qū)之間改變。應當注意，為了提供上行鏈路操作的信令和時間/頻率參考，一個給定扇區(qū)34的下行鏈路優(yōu)選發(fā)送下行鏈路發(fā)送時間的持續(xù)時間，即使一個給定幀或一個幀的一部分沒有要在下行鏈路上發(fā)送的數(shù)據(jù)。
參考圖8，每個下行鏈路發(fā)送優(yōu)選包含一個下行鏈路消息分組104，該下行鏈路消息分組104包括一個由主計算機12或網(wǎng)絡19產(chǎn)生的連續(xù)字節(jié)流。每個字節(jié)流以一個標志106開始和結束，例如，1或2字節(jié)，以標記消息分組的開始和結束。在標志106之間，每個字節(jié)流優(yōu)選包括一個4字節(jié)的目標地址108，一個2字節(jié)的長度/類型字段110，多達2k的數(shù)據(jù)字節(jié)112，和一個覆蓋了地址字段108、長度/類型字段110和數(shù)據(jù)112的4字節(jié)的循環(huán)冗余碼(CRC)114。
此外，利用一個空中鏈路MAC協(xié)議將下行鏈路發(fā)送部分分成幀，并且優(yōu)選包含一個幀標題字段(FH)116和多個上行鏈路信道狀態(tài)字段(UCS)118，UCS字段118出現(xiàn)在下行鏈路發(fā)送中的一個下行鏈路時隙的間隔中。此外，每個下行鏈路OFDM碼元以一個八比特碼元序列標志(SSF)119開始，SSF 119指示一個下行鏈路碼元是否包含一個幀標題字段116。這樣，每個OFDM碼元包含一個數(shù)據(jù)和足以解調(diào)碼元的檢測幫助信息的分組；沒有使用包含用于訓練的已知固定信息，即，嵌入在碼元中以使接收機能夠捕獲并鎖定到發(fā)送的數(shù)據(jù)。
幀標題字段116包含基站單元18的越空地址，和用于基站單元18和正在使用給定基站單元18的CPE單元14的整個操作的給定基站單元18所特有的其它信息。幀標題字段116的優(yōu)選配置規(guī)定了總共八個字節(jié)，包括(1)用作一個超幀的開始，一個超幀的結束，和空閑碼元的幾個標志(每個1比特)；(2)系統(tǒng)標識符，4比特；(3)發(fā)射功率電平，4比特；(4)扇區(qū)/網(wǎng)孔基站單元地址，4字節(jié)；(5)一個指示幀的下行鏈路部分中的OFDM碼元數(shù)量的偏移數(shù)，4比特；(6)時分多路復用因數(shù)(例如，1∶1，1∶2，1∶3，等等)，4比特；和(7)循環(huán)冗余碼(CRC)，1字節(jié)。
上行鏈路信道狀態(tài)(UCS)字段118包含有關是否一個上行鏈路信道時隙102正在被使用的信息。這樣，在前“n”個下行鏈路碼元的每一個中有一個UCS字段118，其中“n”是幀中的上行鏈路時隙數(shù)量。如果時隙102正在被使用，那么UCS 118包含(1)正在使用特定上行鏈路信道時隙102的CPE單元14的越空地址；(2)是否保留了上行鏈路信道時隙102，和為哪個CPE單元14保留的；和(3)用于給定上行鏈路信道時隙102的控制的其它有關信息。UCS字段118的優(yōu)選配置規(guī)定了總共六個字節(jié)，包括(1)移動地址，4字節(jié)；(2)使用中的時隙，1比特；(3)確認(Ack)，1比特；(4)預留(preempt)，1比特；(5)保留的，2比特；(6)服務質(zhì)量(QoS)，3比特；和(7)循環(huán)冗余碼(CRC)，1字節(jié)。
UCS字段118的移動地址一般是指使用在前幀中的給定時隙102的CPE單元14。但是，它可以指將要使用當前/下一個幀的上行鏈路發(fā)送部分中的時隙102，但以前可以一直未使用時隙102的一個CPE單元14?！笆褂弥械臅r隙”是指給定時隙102是否可在當前幀的CPE單元14發(fā)送部分中用于隨機存取?！按_認”是指在前幀中給定時隙102中的上行鏈路發(fā)送結果。CPE單元14在發(fā)送一個新數(shù)據(jù)塊之前必須重新發(fā)送任何錯誤的數(shù)據(jù)塊。“預留”是指在下一個幀的CPE單元發(fā)送部分中為一個“新”CPE單元14保留的時隙102?！氨Ａ簟北忍夭槐皇褂谩！胺召|(zhì)量”(QoS)是指在當前幀的CPE單元發(fā)送部分中的時隙102的優(yōu)先等級，即，只有指定的或高優(yōu)先等級的使用者才被允許在當前幀的上行鏈路發(fā)送部分中的給定時隙102中發(fā)送隨機存取脈沖串。CRC是與在幀標題字段116中使用的相同的多項式，并且覆蓋UCS字段118中的所有其它字段。
下行鏈路為經(jīng)過UCS字段118在上行鏈路上發(fā)送提供了由CPE單元14進行的媒體接入控制(MAC)。下行鏈路提供的MAC優(yōu)選使用空中鏈路MAC協(xié)議。這個MAC優(yōu)選擔當時隙-ALOHA媒體接入作用，為使用者提供對CPE單元14和基站單元18之間的空中鏈路的請求式接入，提供了用于從CPE單元14擴展消息發(fā)送的隱含附加時隙保留。優(yōu)選在UCS字段118中提供服務質(zhì)量(QoS)，以控制被允許的接入的服務。
在圖9中的方框圖的每個低層中調(diào)節(jié)字節(jié)流，以便通過CPE單元14或基站單元18發(fā)送。如圖所示，字節(jié)流首先受到前向糾錯編碼，例如，由里德/索洛蒙塊編碼器40和卷積編碼器42提供的前項糾錯編碼。里德/索洛蒙塊編碼器40操作，將里德/索洛蒙奇偶性的字節(jié)，例如，十個奇偶性字節(jié)，加入到字節(jié)流中，可以改正其中一定數(shù)量的字節(jié)錯誤，例如五字節(jié)錯誤。在里德/索洛蒙塊編碼器40之后，將字節(jié)流以串行比特流的形式輸入到卷積編碼器42。卷積編碼器42優(yōu)選是一個操作將冗余位添加到比特流中的半速率卷積編碼器。注意，優(yōu)選將里德/索洛蒙碼字以7的限制長度、35的深度、和0.5的編碼率輸入到卷積編碼器42中。當然，也可以使用其它限制長度和編碼率，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
在本優(yōu)選實施例中，用里德/索洛蒙塊編碼器40和1/2速率卷積編碼器42編碼字節(jié)流，以使用672個載波。更具體地講，利用兩比特調(diào)制攜帶數(shù)據(jù)信息的這672個載波，提供了每碼元發(fā)送的1344比特的數(shù)據(jù)。為隨機錯誤對這1344比特的數(shù)據(jù)進行1/2速率卷積編碼，以在接收機接收并卷積譯碼時剩下672數(shù)據(jù)比特。這672個數(shù)據(jù)比特包括84個數(shù)據(jù)字節(jié)，它們被利用里德/索洛蒙編碼分離成要傳送的74個有效負載數(shù)據(jù)字節(jié)，和10個糾錯字節(jié)。當接收這84個數(shù)據(jù)字節(jié)時，執(zhí)行里德/索洛蒙譯碼糾錯(如以下要說明的)，以改正可能是錯誤的多達5字節(jié)的數(shù)據(jù)，這糾正了接收的突發(fā)性誤差。
將離開卷積編碼器42的比特流提供到一個信號映射器44，信號映射器44優(yōu)選是由交插器方框46和“比特至QPSK碼元”方框48組成的。信號映射器44操作，以便用特定的跨度和深度，例如，分別是32和42，交插從卷積編碼器輸出的比特。然后，將1/0的比特值編碼到-1/1，并且隨后把未調(diào)制的雙比特，例如，三個未調(diào)制的雙比特(0，0)插在比特序列的中央，以形成一個675信息雙比特總序列，每個信息雙比特調(diào)制一個四相移相鍵控(QPSK)子碼元。中央三個載波的空出或不調(diào)制，排除了保存調(diào)制信號中DC和低頻內(nèi)容的需要，這簡化了發(fā)射機和接收機的涉及約束和實現(xiàn)。
對信息載波使用QPSK調(diào)制為最佳化蜂窩系統(tǒng)作出了準備。更具體地講，對載波使用QPSK調(diào)制，為一個給定數(shù)據(jù)通過率提供了最佳載波-干擾比。這個最佳載波-干擾比為使用1∶1頻率復用模式的蜂窩部署類型提供了基礎。這使得每個網(wǎng)孔能夠在一個六扇區(qū)的網(wǎng)孔中使用相同的六個頻率。更高級的調(diào)制需要更大的載波-干擾比，從而需要比QPSK調(diào)制系統(tǒng)更高的頻率，即，三倍或更高倍數(shù)的頻率。
為了進一步說明，現(xiàn)在參考圖1O，圖10示出了對于一個具有六個帶有30°偏移的60°扇區(qū)的網(wǎng)孔的1∶1復用模式的干擾，其中1的距離代表一個扇區(qū)的頂點，R。在這個圖中，站點X是主發(fā)射站點。將受到干擾的用戶是A，B和C。干擾站點是T和U。在T和U下方和右面的網(wǎng)孔也將加入到干擾因素中，但是比T和U的程度小得多。那么干擾電平如下(在以下的分析中使用了A 1/R4傳播損耗因數(shù))1.“A”將受T和U的干擾。干擾電平大約是14.84dB。
2.“B”將受T和U的干擾。干擾電平大約是14.84dB。
3.“C”將受T和U的干擾。干擾電平大約是13.9dB。
在考慮到定向天線的輻射模式時，存在一個2至4dB的附加保護。
利用QPSK的OFDM的信令僅需要5dB的SNR(信噪比)保護來取得10-6的比特差錯率(BER)。六扇區(qū)網(wǎng)孔提供了至少8dB的附加干擾保護。對于相同的碼元差錯率，更高級的調(diào)制需要比QPSK更高的SNR。下面的表給出了調(diào)制級和相對于QPSK更高級的調(diào)制所需的附加保護。
傳輸率是一個用于調(diào)制之間比較的傳輸率的例子。附加的保護是更高的調(diào)制取得與QPSK相同的碼元差錯率所需的附加SNR量。這個附加保護對于來自同信道站點的干擾保持為真。所需的附加保護電平接近或超過來自上述六扇區(qū)1∶1蜂窩模式的可用容限。復用因數(shù)是建立一種能夠提供需要的保護的復用模式所需的信道組數(shù)量。經(jīng)驗法則是，對于調(diào)制級每增加一倍，附加保護需要增加3dB。3dB功率的增加可以轉(zhuǎn)換為導致不能取得相鄰網(wǎng)孔之間的1比1頻率復用比的傳播距離的增加。
那么，可以把效率因數(shù)計算為相對于QPSK的比特/秒/Hz/面積。本發(fā)明使這個效率因數(shù)最大，為固定OFDM無線MAN建立一個高效蜂窩系統(tǒng)。本發(fā)明認識到在考慮整個蜂窩網(wǎng)時，較高級調(diào)制具有較低的效率因數(shù)。因此，對于在一個蜂窩網(wǎng)中的一個給定區(qū)域上使用最小頻譜量的蜂窩系統(tǒng)，QPSK是最佳調(diào)制方法。也應當注意，由于多徑條件，較高級調(diào)制需要用于較高衰減容限的信號電平。
接下來，繼續(xù)信號調(diào)節(jié)的討論并且再次參考圖9，對輸出信號映射器44的QPSK子碼元執(zhí)行調(diào)制，優(yōu)選是正交頻分調(diào)制(OFDM)50。如圖9中所示，OFDM 50優(yōu)選包括以下步驟。首先，在信息雙比特間均勻地插入具有調(diào)制雙比特值(1，1)的導頻子碼元，在6MHz信道的頂部和底部插入未調(diào)制保護子碼元，和加入帶外子碼元以形成一個希望的總子碼元序列長度，例如，每OFDM碼元1024個子碼元，見方框52。接下來，將一個符號位隨機函數(shù)發(fā)生器應用于子碼元，見方框54。更具體地講，優(yōu)選將子碼元序列乘以一個偽隨機噪聲(PRN)序列，以消除由于數(shù)據(jù)+導頻+保護+帶外子碼元的非隨機性質(zhì)造成的幅度尖峰。
OFDM中的接下來的步驟優(yōu)選包括一個對于現(xiàn)在隨機化的子碼元序列進行一個逆快速傅立葉變換，見方框56。在變換完成之后，將一個循環(huán)前綴/后綴插在下行鏈路碼元的開始，見方框58?，F(xiàn)在完成了調(diào)制，優(yōu)選將數(shù)字序列傳送到一個低通濾波器，并且如果需要的話，在輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器之前，內(nèi)插到更高的頻率速率，見方框60。最后，將序列傳送到一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器62，并且經(jīng)過模擬無線電電路從CPE單元14或基站單元18發(fā)送。
OFDM操作至少部分地消除多徑效應，例如，相長和破壞性干擾，以及信號的相移。多徑是一種導致無線電信號通過兩個或更多路徑到達接收天線的傳播現(xiàn)象。
再參考圖8，每個上行鏈路發(fā)送優(yōu)選包含一個上行鏈路消息分組120，上行鏈路消息分組120包括一個已經(jīng)由計算機12或網(wǎng)絡19產(chǎn)生的連續(xù)字節(jié)流。每個字節(jié)流優(yōu)選包括一個4字節(jié)目的地址122，一個4字節(jié)源地址124，一個2字節(jié)長度/類型字段126，60個數(shù)據(jù)字節(jié)128，和覆蓋地址字段122和124、長度/類型字段126、和數(shù)據(jù)128的32比特的循環(huán)冗余碼(CRC)130。注意，通過上行鏈路發(fā)送，不將消息分組120分成幀，下行鏈路發(fā)送也是一樣，但是，預期有固定數(shù)量的上行鏈路信道時隙102，例如6個?？梢耘渲孟到y(tǒng)10以使每個給定CPE單元14能夠僅在一個給定幀的一個上行鏈路信道時隙102中發(fā)送。但是，也可以替代地配置系統(tǒng)10，使得來自一個單一CPE單元14的多個上行鏈路消息在多達每幀的上行鏈路時隙102數(shù)量中同時處理。因此，受到MAC層的控制，一個單獨的CPE單元14可以通過使用每個幀中的兩個或更多的上行鏈路時隙102，如果希望的話，可以使用該幀中的多達上行鏈路時隙102的總數(shù)的上行鏈路時隙102，來提高它的上行鏈路通過量。
通過圖9中的上層方框圖調(diào)節(jié)字節(jié)流，以便CPE單元14和基站單元18接收。如上所述，CPE單元14或基站單元18經(jīng)過模擬無線電電路接收模擬信號。然后，將模擬信號傳送到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器70。在一個自動增益控制環(huán)路中對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出進行抽樣并且作為反饋輸出，從而使模數(shù)轉(zhuǎn)換器保持在線性操作范圍，見方框72。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出也傳送到“數(shù)字LPF和抽取器”方框74，由此將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)移到優(yōu)選使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)技術的DSP，和低通濾波。現(xiàn)在信號是OFDM碼元形式。
對OFDM碼元進行的操作，在完成接收的下一個步驟是從OFDM碼元除去循環(huán)前綴和后綴，見方框76。然后對接收的OFDM碼元執(zhí)行快速傅立葉變換，見方框78。然后，實現(xiàn)一個符號位去隨機函數(shù)發(fā)生器，見方框80。通過方框82和84分別提供OFDM碼元的粗定時/粗頻率，和精定時/精頻率。
粗定時優(yōu)選通過將一個給定OFDM碼元的循環(huán)前綴與碼元的內(nèi)容相關而完成。更具體地講，作為碼元的一個重復部分的循環(huán)前綴使得接收機能夠執(zhí)行一個自動相關功能，以在數(shù)個抽樣的時間內(nèi)確定一個碼元的開始。一旦通過觀察數(shù)個碼元(不需要這些碼元是固定的數(shù)據(jù)內(nèi)容，訓練碼元)捕獲了粗定時，那么接收機能夠逐碼元檢測。優(yōu)選通過導頻信號相關獲得粗頻率。更具體地講，接收機根據(jù)導頻信號在頻域中執(zhí)行自動相關，以確定接收機載波的頻率。
優(yōu)選通過評估導頻信號的相位來完成OFDM碼元的精定時。導頻信號是以已知的相位發(fā)送的，因而使得接收機能夠利用這種已知的信息精確地確定一個碼元的開始時間，精度好于一個抽樣的分數(shù)。優(yōu)選從循環(huán)前綴獲得0FDM的精頻率。將循環(huán)前綴用于將載波的頻率精確地調(diào)諧到發(fā)射機的載波。一旦接收機獲得了粗定時和精頻率，接下來調(diào)節(jié)每個OFDM碼元，以獲得精定時和粗頻率，使得接收機能夠改進碼元檢測、改進接收靈敏度、和改進誤差性能。
接下來，使OFDM接受解調(diào)，解調(diào)包括經(jīng)過導頻處理的信道均衡化，見方框86。通過現(xiàn)在解調(diào)的OFDM信號，提取導頻、保護、和帶外子碼元，剩下一個信息雙比特的總序列，它們每個調(diào)制成一個四相移相鍵控(QPSK)子碼元，見方框88。然后優(yōu)選將QPSK碼元提交到一個信號去映射器90，信號去映射器90包括將QPSK碼元返回到1/0比特值的方框92，和將比特去交插的方框94。信號去映射器90有效地操作，將比特排列成與發(fā)送的原始信號相同的順序。信號去映射器90的輸出是一個串行比特數(shù)據(jù)流，優(yōu)選將這個串行比特數(shù)據(jù)流提交到一個維特比譯碼器96，在這里將這個串行比特數(shù)據(jù)流的比特率降低一半，以改正錯誤。然后，優(yōu)選將維特比譯碼器96的輸出提交到一個里德/索洛蒙塊譯碼器98，里德/索洛蒙塊譯碼器98操作，以改正提交的數(shù)據(jù)流中的剩余錯誤。
然后，提交上行鏈路數(shù)據(jù)流，以在基站單元18中進行循環(huán)冗余碼(CRC)校驗。CRC校驗是一種數(shù)據(jù)通信中錯誤檢測技術，用它來保證數(shù)據(jù)分組準確地傳送。CRC是對于發(fā)射機，例如，CPE單元14，附加到數(shù)據(jù)分組的發(fā)送比特組的計算的結果，如前面根據(jù)上行鏈路發(fā)送說明的那樣。在接收機，例如，基站單元18，重復進行計算，并且把計算結果與編碼值比較。選擇適當?shù)挠嬎阋詢?yōu)化錯誤檢測。如果CRC校驗良好，那么處理數(shù)據(jù)分組。如果CRC校驗不好，那么拒絕進一步處理數(shù)據(jù)分組，如同基站單元18根本沒有接收到這個分組一樣。
如上所述，可以看到，本發(fā)明的固定無線接入系統(tǒng)10能夠提供每分配頻譜的多信道多點分布式服務(MMDS)操作器最大通過量和使用者容量，并且容易在基站和客戶方進行網(wǎng)絡部署。更具體地講，系統(tǒng)10可以支持比其它現(xiàn)有無線系統(tǒng)更高效率的通過量，通過量可以定義為用戶密度乘以每個用戶的數(shù)據(jù)通過率。對于客戶方，使用者完全可以利用簡單的以太網(wǎng)連接器安裝CPE單元14，并且不需要向FCC登記。此外，基站單元18設計的蜂窩和扇區(qū)化結構為分配的信道組的完全頻率復用提供了基礎，這能夠使網(wǎng)絡規(guī)劃更容易，并且能夠遵照用戶密度改變網(wǎng)孔的大小，即，優(yōu)選用多個相鄰較小的網(wǎng)孔定址高客戶密度，而不是用一個單一的大網(wǎng)孔。
對于固定無線接入系統(tǒng)10的零售實現(xiàn)，產(chǎn)生如下的情況(1)系統(tǒng)10的潛在終端使用者到一個零售電子商店購買CPE單元14；(2)零售商給終端使用者提供在提供固定無線接入系統(tǒng)10的區(qū)域中的服務提供商的合同；(3)終端使用者與服務提供商接觸，并且給服務提供商提供使服務提供商能夠開通終端使用者的專用CPE單元14所需的信息；和(4)如前面所述，終端使用者利用它的內(nèi)部天線安裝CPE單元14，以便與系統(tǒng)10交互作用。服務提供商不需要派遣服務人員到終端使用者的房屋安裝CPE單元14。當然，也可以使用其它零售實現(xiàn)方式，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
固定無線接入系統(tǒng)10的應用包括，但不限于(1)高速數(shù)據(jù)應用，例如，因特網(wǎng)接入(DSL速度)，遠端接入電子郵件主機，WAN/LAN擴展，遠端MIS支持業(yè)務；(2)電話，例如，因特網(wǎng)電話，通過因特網(wǎng)協(xié)議的話音(VoIP)；視頻，例如，視頻會議，視頻流，遠端圖像攝像機監(jiān)視，遠距離學習，遙測治療。
本發(fā)明可以以其它特定形式體現(xiàn)，而不脫離其基本屬性的精神；因此，應當將說明的實施例在所有方面都考慮為說明性的，而不是限制性的，本發(fā)明的范圍是參考附屬的權利要求指出的，而不是參考上述說明書指出的。
權利要求
1.一種操作在低于10GHz的頻率范圍中的固定無線大城市區(qū)通信網(wǎng)(MAN)包括多個基站，每個基站為一個僅屬于該基站的并且具有大于1英里但小于10英里的覆蓋區(qū)提供了在一組定義在該頻率范圍中的信道上的正交頻分多路復用(OFDM)無線數(shù)據(jù)通信；和多個分配給每個基站并且位于一個在對應的基站覆蓋區(qū)內(nèi)的房屋中的客戶房屋設備(CPE)，每個CPE具有一個部署在CPE所在的房屋內(nèi)部的天線。
2.根據(jù)權利要求1所述的固定無線MAN，其特征在于基站和CPE利用一種需要低于10dB的信噪比(SNR)保護以取得10-6比特差錯拒收(BER)率的信號調(diào)制方案。
3.根據(jù)權利要求2所述的固定無線MAN，其特征在于信號調(diào)制方案是四相移相鍵控(QPSK)調(diào)制。
4.根據(jù)權利要求1所述的固定無線MAN，其特征在于第一基站的信道組被具有鄰接于第一基站的覆蓋區(qū)的覆蓋區(qū)的第二基站復用。
5.根據(jù)權利要求1所述的固定無線MAN，其特征在于基站和CPE利用一個ALOHA媒體接入方案作為在信道組上進行數(shù)據(jù)通信的多個請求之間的媒介。
6.根據(jù)權利要求1所述的固定無線MAN，其特征在于每個基站包括10個以下的扇區(qū)定向天線，每個扇區(qū)定向天線向該基站的覆蓋區(qū)的一個預定扇區(qū)提供無線數(shù)據(jù)通信，和其中每個扇區(qū)定向天線使用信道組中一個不同的信道。
7.根據(jù)權利要求1所述的固定無線MAN，其特征在于無線數(shù)據(jù)著通信的效率比至少是0.75。
8.根據(jù)權利要求1所述的固定無線MAN，其特征在于覆蓋區(qū)的半徑的比率乘一個被無線數(shù)據(jù)通信的衰減損耗除的無線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)率至少是5。
9.一種固定無線接入系統(tǒng)，包括一個基站單元，其中所述基站單元包括可以連接到一個網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接口，一個能夠射頻發(fā)射和接收的第一射頻接口，和一個第一轉(zhuǎn)換器，其中所述第一轉(zhuǎn)換器能夠?qū)碜运鼍W(wǎng)絡的信息分組轉(zhuǎn)換到所述基站單元，和從基站單元轉(zhuǎn)換到所述第一射頻接口，以經(jīng)過射頻通過所述基站單元發(fā)送所述信息分組，并且能夠?qū)⒃谒龅谝簧漕l接口接收的信息分組轉(zhuǎn)換到所述基站單元，和從所述基站單元轉(zhuǎn)換到所述網(wǎng)絡；和一個客戶房屋設備(CPE)單元，其中所述CPE單元包括可以連接到一個主機的主機接口，能夠向所述基站單元非視線射頻發(fā)送和從所述基站單元非視線射頻接收的第二射頻接口，和一個第二轉(zhuǎn)換器，其中所述第二轉(zhuǎn)換器能夠?qū)碜运鲋鳈C的信息分組轉(zhuǎn)換到所述CPE單元，和從所述CPE轉(zhuǎn)換到所述射頻接口，以經(jīng)過射頻通過所述CPE單元發(fā)送所述信息分組，并且能夠?qū)⒃谒錾漕l接口接收的信息分組轉(zhuǎn)換到所述CEP單元，和從所述CPE單元轉(zhuǎn)換到所述主機，其中所述第一和第二射頻接口利用正交頻分多路復用(OFDM)發(fā)送和接收所述信息分組。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述主機是從由一個單主計算機和一個多個主計算機的網(wǎng)絡構成的組中選出的。
11.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述射頻接口在2.5-2.686GHz范圍中操作。
12.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述網(wǎng)絡接口和所述主機接口包括以太網(wǎng)接口。
13.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，進一步包括多個基站單元，其中所述基站單元是根據(jù)蜂窩的結構安排的，和其中每個所述基站單元發(fā)射信號并且其中所述CPE單元可以經(jīng)過射頻通信向所述多個基站單元中的至少一個登記，并且其中所述CPE單元根據(jù)來自所述多個基站單元的所述信號的信號質(zhì)量確定它將向所述多個基站單元中的哪一個登記。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于一旦所述CPE單元向所述多個基站單元中的一個進行登記并且一旦所述CPE單元登記的所述基站單元損失了信號質(zhì)量，所述CPE單元根據(jù)信號質(zhì)量搜索所述多個基站單元中的一個新的基站單元，并向其登記。
15.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于一旦所述CPE單元向所述多個基站單元中的所述新基站單元登記，所述CPE單元將連接到所述CPE單元的一個主機的地址發(fā)送到所述一個基站單元。
16.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于一旦所述CPE單元向所述多個基站單元中的一個新基站單元登記，所述多個基站單元中的所述新的一個基站單元引起所述CPE單元以前登記的所述基站單元的更新，從而以前的基站單元知道所述CPE單元的所述新的登記。
17.一種無線接入系統(tǒng)，包括多個基站單元，其中所述基站單元是根據(jù)一種蜂窩結構安排的和其中所述多個基站單元中的每一個可以連接到一個網(wǎng)絡；和一個客戶房屋設備(CPE)單元，其中所述CPE單元經(jīng)過射頻與所述多個基站單元中的所述至少一個基站單元通信，并且可以連接到一個主機，其中一旦所述CPE單元連接到所述主機，所述CPE單元通過觀察所述主機的通信業(yè)務來了解所述主機的一個高層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址和一個低層物理地址。
18.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述高層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址包括一個層3地址，和其中所述低層物理地址包括一個以太網(wǎng)物理層地址。
19.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述通信業(yè)務包括一個從所述主機到一個連接的網(wǎng)絡服務器的地址請求和一個來自所述連接的網(wǎng)絡服務器的回答。
20.根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述請求和所述回答是通過動態(tài)主機控制協(xié)議(DHCP)實現(xiàn)的。
21.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述CPE單元建立和使用一個所述高層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址和所述低層物理地址的表。
22.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于一旦所述CPE連接到一個主機，所述基站單元通過觀察通信業(yè)務來了解所述CPE單元和所述主機的一個高層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址和一個低層物理地址。
23.根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基站單元建立和使用一個所述CPE單元和所述主機的所述高層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址和所述低層物理地址的表。
24.根據(jù)權利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于只有在一個消息的目的地是一個未在所述CPE單元的所述表中列出的主機時，所述CPE單元才向所述基站單元發(fā)送所述消息。
25.根據(jù)權利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于只有在所述CPE單元在所述基站單元的所述表中時，所述基站單元才向所述CPE單元發(fā)送一個消息。
26.根據(jù)權利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基站單元能夠代表所述CPE單元關聯(lián)的所述主機，執(zhí)行地址分辨協(xié)議代理(ARP)。
27.根據(jù)權利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基站單元的所述ARP代理進行操作，以減少射頻業(yè)務。
28.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于所述射頻通信在2.5-2.686GHz范圍。
29.一種無線通信系統(tǒng)，包括接收機和發(fā)射機，其中所述發(fā)射機通過射頻向所述接收機發(fā)送，和其中所述發(fā)射機發(fā)送具有多個OFDM碼元的正交頻分多路復用(OFDM)信號，其中所述接收機以逐個OFDM碼元的方式檢測所述OFDM信號，和其中所述多個OFDM碼元沒有一個訓練碼元。
30.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于所述OFDM信號已經(jīng)由里德/索洛蒙編碼器和1/2卷積編碼器編碼。
31.根據(jù)權利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于由所述接收機對里德/索洛蒙編碼進行解碼并且由所述接收機用于改正突發(fā)錯誤。
32.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個OFDM碼元包括數(shù)據(jù)和由所述接收機用于解調(diào)所述OFDM信號的檢測幫助信息。
33.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于所述OFDM信號包括一個循環(huán)前綴，和其中所述循環(huán)前綴由所述接收機用于確定所述OFDM信號的粗定時。
34.根據(jù)權利要求33所述的系統(tǒng)，其特征在于所述接收機使用所述循環(huán)前綴來確定所述OFDM信號的精頻率。
35.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個OFDM碼元包括導頻子碼元，和其中由所述接收機使用所述導頻子碼元來確定所述OFDM信號的精定時。
36.根據(jù)權利要求35所述的系統(tǒng)，其特征在于由所述接收機使用所述導頻子碼元來確定所述OFDM信號的粗頻率。
37.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于所述OFDM信號是所述發(fā)射機對多個四相移相鍵控(QPSK)子碼元執(zhí)行正交頻分調(diào)制的結果。
38.根據(jù)權利要求37所述的系統(tǒng)，其特征在于所述QPSK子碼元是所述發(fā)射機對一個編碼比特流執(zhí)行QPSK調(diào)制的結果。
39.根據(jù)權利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于所述QPSK調(diào)制利用1∶1頻率重復使用模式進行所述接收機和發(fā)射機的蜂窩部署。
40.根據(jù)權利要求38所述的系統(tǒng)，其特征在于所述編碼比特流包括多個空閑的中央比特。
41.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射機是從由一個基站單元和一個計算機房屋設備(CPE)單元構成的組中選擇的；和其中所述接收機是從由一個基站單元和一個CPE單元構成的組中選擇的。
42.一種無線通信系統(tǒng)，包括一個第一收發(fā)信機和一個第二收發(fā)信機，其中所述第一和第二收發(fā)信機通過一個允許在所述第一和第二收發(fā)信機之間的、利用正交頻分多路復用(OFDM)調(diào)制的、上行鏈路發(fā)送和下行鏈路發(fā)送的射頻空中鏈路進行通信，并且其中所述下行鏈路發(fā)送被分成幀，和所述上行鏈路發(fā)送未被分成幀。
43.根據(jù)權利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于所述空中鏈路是通過媒體接入控制(MAC)協(xié)議建立的。
44.根據(jù)權利要求43所述的系統(tǒng)，其特征在于所述MAC協(xié)議為一個帶有超過一個時隙的有效負載信息的所述發(fā)送提供了一個帶有隱含保留時隙的時隙化ALOHA媒體接入。
45.根據(jù)權利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于所述下行鏈路發(fā)送的幀包括從一個由目的地址字段、幀標題字段、和上行鏈路信號狀態(tài)字段構成的組中選擇的一個字段。
46.根據(jù)權利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于所述上行鏈路發(fā)送是在一個固定數(shù)量的上行鏈路時隙中出現(xiàn)的。
47.根據(jù)權利要求45所述的系統(tǒng)，其特征在于所述上行鏈路信道狀態(tài)字段包括服務質(zhì)量(QoS)。
48.根據(jù)權利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于所述上行鏈路發(fā)送和所述下行鏈路發(fā)送是時分雙工。
49.根據(jù)權利要求48所述的系統(tǒng)，其特征在于所述上行鏈路發(fā)送是在多個上行鏈路時隙中發(fā)送，和所述下行鏈路發(fā)送是在多個下行鏈路時隙中發(fā)送，和其中所述下行鏈路時隙與所述上行鏈路時隙具有可變比率。
50.一種在一個計算機房屋設備(CPE)單元與多個基站單元之間建立通信的方法，包括步驟使用者將所述CPE單元安裝到位于一個房屋內(nèi)的主機，其中所述CPE單元完全包含在所述房屋內(nèi)；一旦所述CPE單元被使用者安裝，自動通過射頻通信向所述多個基站單元中的一個進行登記。
51.根據(jù)權利要求50所述的方法，其特征在于所述登記步驟是根據(jù)所述基站單元發(fā)射的信號質(zhì)量進行的。
52.根據(jù)權利要求50所述的方法，進一步包括所述一個基站單元確定所述CPE單元向所述一個基站單元的登記是否被允許。
53.根據(jù)權利要求52所述的方法，進一步包括所述一個基站單元拒絕或確認所述CPE單元。
54.根據(jù)權利要求50所述的方法，其特征在于所述CPE單元連接到多個主機，和其中一旦所述CPE單元向所述多個基站單元中的一個進行登記，所述CPE單元將連接到所述CPE單元的那些主機的地址發(fā)送到所述一個基站單元。
55.根據(jù)權利要求54所述的方法，其特征在于所述主機是從由一個單個主計算機和一個多個計算機的網(wǎng)絡構成的組中選擇的。
56.根據(jù)權利要求55所述的方法，其特征在于所述CPE單元經(jīng)過一個以太網(wǎng)連接連接到所述多個主機。
57.根據(jù)權利要求50所述的方法，其特征在于所述射頻通信是在10GHz下進行的。
58.一種無線蜂窩系統(tǒng)，包括一個計算機房屋設備(CPE)單元和多個基站單元，其中所述CPE單元通過調(diào)制的射頻信號與所述多個基站單元中的至少一個基站通信，其中所述基站單元是以一種蜂窩配置安排的，和其中所述蜂窩配置的一個網(wǎng)孔的最大半徑與一個信號調(diào)制的級的比率至少是2。
59.一種用于建立一個固定無線系統(tǒng)的方法，包括從一個零售商購買一個計算機房屋設備(CPE)單元；一旦購買了所述CPE單元，獲得一個服務提供商的合同；與所述服務提供商接觸，以提供有關購買的CPE單元的信息；使用者安裝所述CPE單元；和自動地將所述CPE單元向所述固定無線系統(tǒng)中以前建立的多個基站單元中的一個進行登記。
60.一種固定無線系統(tǒng)，包括多個計算機房屋設備(CPE)單元；和多個基站單元，其中所述多個CPE單元中的每一個通過射頻與所述多個基站單元中的至少一個基站通信，和其中所述多個CPE單元和所述多個基站單元是以扇區(qū)化配置排列的，其中每個扇區(qū)具有多達250個CPE單元，和其中每個扇區(qū)具有小于10英里的半徑。
61.根據(jù)權利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述扇區(qū)化配置保持在一個蜂窩配置中。
62.根據(jù)權利要求61所述的系統(tǒng)，其特征在于所述蜂窩配置體現(xiàn)為每網(wǎng)孔六個扇區(qū)。
63.根據(jù)權利要求61所述的系統(tǒng)，其特征在于所述蜂窩配置具有1∶1重復使用模式。
全文摘要
一種固定無線接入系統(tǒng)(10)包括一個通過以太網(wǎng)接口(16)連接到一個個人計算機或局域網(wǎng)(12)的客戶房屋設備(CPE)單元(14)，和一個通過以太網(wǎng)接口連接到一個網(wǎng)絡的基站單元(19)。因而，CPE單元(14)最好是易于使用者安裝的，而基站單元(19)最好是塔式安裝在CEP單元的1－5英里范圍內(nèi)。CPE單元和基站單元最好結合一個能夠在2.5－2.686GHz范圍中操作的射頻空中鏈路的集成數(shù)據(jù)收發(fā)信機/轉(zhuǎn)換器。在CEP單元和基站單元之間的上行鏈路和下行鏈路發(fā)送中使用正交頻分多路復用。
文檔編號H04W99/00GK1413354SQ00817577
公開日2003年4月23日 申請日期2000年10月23日 優(yōu)先權日1999年10月22日
發(fā)明者梅爾烏·格林達爾, 弗拉迪米爾·Z·克爾曼, 斯圖·弗勒利克, 基思·巴恩斯, 埃里克·鄧恩 申請人:耐克斯特奈特無線公司