專利名稱：無線異步轉移模式城域網的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電信網和分組交換領域、特別涉及對信元交換網提供基于無線的點對多點連接。
背景發(fā)送和交換多媒體信息的異步轉移模式(ATM)方法正在取代老的電路和分組交換技術，能夠靈活、迅速和成本有效地提供新的電信業(yè)務。在這些業(yè)務中有因特網訪問、基本速率ISDN、蜂窩PCN網的零碎的T1/E1支持和LAN業(yè)務路由。
這些業(yè)務要求昂貴的傳輸基礎設施，例如銅線、光纖、有線TV、或光纖/同軸電纜混用(HFC)。在一些新的電信業(yè)務公司擁有一些上述設施或不擁有上述設施的競爭環(huán)境下，無線是及時和成本有效地部署傳輸網的另一種方法。兩個在先專利申請(1995年2月13日提交的08/388,110號申請、和1995年10月3日提交的08/538,327號申請，兩者都轉讓給同一受讓人，并且全部包含于此作為參考)公開了基于點對點無線電鏈路的可靠網絡的結構。這些鏈路能夠以最小的鏈路差錯和ATM信元誤插(misinsertion)來可靠地傳輸ATM業(yè)務。這些鏈路對于高帶寬和連續(xù)傳輸的應用是成本有效的。然而，對于間歇性的應用、例如通過無線電鏈路進行的電話呼叫，這些系統則不能充分利用設備和頻譜。當電話掛機時，頻譜應該釋放給其他潛在的用戶，服務該電話的市話局的收發(fā)信機也應該釋放給其他潛在的用戶。數據業(yè)務的行為不總是與話音呼叫的行為相同。數據可能慢速流動，要求低的傳輸波特率，然后突然出現突發(fā)的高速業(yè)務。為了有效地利用頻譜，需要迅速和有效地按需分配帶寬，以處理這種突發(fā)性信息。
這些要求可以如下來實現即，使用ATM信元來模擬各種業(yè)務的多址接入網，并且使用媒體接入控制(MAC)協議來仲裁數據的無線傳送。
ATM業(yè)務包括恒定比特率(Constant Bit Rate,CBR)，適用于電話和視頻；可變比特率(VBR)，適用于可變壓縮的視頻應用；可用比特率(ABR)，適用于數據事務處理；以及未定比特率(UBR)，適用于電子函件(e-mail)或其他對延遲不敏感的應用。MAC層必須有效支持所有這些業(yè)務。
由于服務許多要求可變比特率的客戶所需的高帶寬，這種鏈路要求高的總帶寬。該帶寬只有在高微波頻率上才能得到，該頻率通常在10-40GHz的范圍內。
點對多點系統的經濟性有利于將盡量多的功能委托給服務用戶終端(“多點”)的基站(“點”)，從而節(jié)省了在所有終端重復同一功能的成本。
因此，需要一種MAC層的點對多點無線城域網，適用于各種ATM業(yè)務，工作在微波頻率上，并且允許成本有效的用戶無線終端。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種有效的點對多點微波ATM網(有時稱為“系統”)?；?BS)用扇區(qū)天線廣播連續(xù)的傳輸。該系統對下游傳輸(從基站至用戶)使用時分復用(TDM)，并且對上游傳輸使用時分多址。現有的TDMA協議，如HFC應用中使用的那些協議，使用周期性的幀，并且用時隙號指示誰可以發(fā)送。該技術適用于電話應用，其中每個通話占據固定帶寬，即固定數目的時隙。該技術的主要缺點是用于ATM應用時。一些ATM CBR速率具有與其他CBR業(yè)務不同的周期，這不適合于TDM幀。對不同的周期，可能沒有共同的幀周期來適應所有周期。結果，要么當它們的定時重合時，必須丟棄ATM信元，要么ATM網將不接納具有這種沖突的連接，導致低的帶寬利用率。根據本發(fā)明，一個信元一個信元地對上游方向的ATM信元傳輸進行授權。如果兩個上游信元重合，則將一個在時間上略微偏移，導致小的信元延遲變化(CDV)，與丟失該信元相比，這是更可取的。下游傳輸由封裝在用于前向糾錯(FEC)和同步的MAC協議數據單元(PDU)和其他開銷比特中的ATM信元組成。小的用戶終端(ST)包括用戶無線電單元(SRU)，接收該廣播，并且將其傳遞到用戶接入系統(SAS)，該用戶接入系統引入僅發(fā)給它們的ATM信元。BS發(fā)送的每個MAC PDU可以包括對特定ST的授權。該授權指定哪個ST被允許發(fā)送，而不指定哪個時隙。傳輸時隙是隱含的，因為該時隙就是從授權接收事件起的固定數目的多個時隙。
上游傳輸包括多個具有其MAC和物理層開銷的單ATM信元。為了能夠進行強的FEC保護，并且保持與下游傳輸相同的符號率而不犧牲帶寬，使用修改的格碼調制技術。格碼調制包括傳輸用于糾錯的冗余碼比特。根據本發(fā)明，增加格碼速率，使其抗噪聲性能變弱，即，從格碼開銷中排除多個比特。例如，將碼率從2/3增加到5/6，意味著6個比特中有5個是數據，而6個比特中只有1個是格碼開銷。然而，通過將多余比特用于ReedSolomon(里德-索羅門)編碼，不僅可以補償該變弱，還能取得更好的效果。組合的連接碼比僅用TCM碼具有更好的抗噪聲性能(在較低的碼率時)，而它們都使用相同的符號率和相同的凈荷。
通過使用戶無線電單元(SRU)鎖相到基站載波，簡化了其設計。根據本發(fā)明，發(fā)送信號頻率被以頻率偏移鎖相到原始信號，這樣，相位噪聲與昂貴的基站微波合成器幾乎一樣低。
為了提供高天線增益和低成本，在SRU中使用一體化的透鏡喇叭天線。基站使用喇叭天線，根據本發(fā)明，通過使用吸收板，該天線包括可調諧的波束寬度，而通過使用透鏡或具有有意的相位平面偏差的幾何尺寸，該天線在垂直方向上具有擴展的主輻射波瓣。
從ST接收的ATM業(yè)務任選地由信元抖動衰減器進行整形，以減少鏈路上發(fā)生的信元延遲變化(CDV)。基站控制器(BSC)包括主MAC控制器和與應用有關的處理電路和軟件。在支持基本速率ISDN業(yè)務的情況下，BSC包括互通功能，用于將來自每個ST的各個電路仿真ATM信元轉換為具有符合V5.1或V5.2協議的嵌入信令的組合仿真T1或E1線路。然后，如果外部ATM交換機需要，該信號可以與來自其他BSC的類似信號進行組合。組合信號穿過ATM骨干網，直至它們到達具有ISDN市話局交換機的位置。然后，這些信號被該位置上的ATM交換機轉移到可以連接到ISDN交換機或其他設備的物理T1/E1線路。
通過下面結合附圖的詳細描述，將可以更加全面地理解本發(fā)明。
附圖的簡要描述

圖1示出適用于城市的無線點對多點(P-MP)網；圖2示出P-MP蜂窩站址(cell site)的基本組建模塊；圖3示出一個扇區(qū)中的傳輸頻譜的頻率分割的一個例子；圖4示出用戶無線電單元的橫截面，該用戶無線電單元具有內置的透鏡-喇叭天線、和用于外部天線連接的波導擴展選件；
圖5示出用戶終端的方框圖，重點示出頻率控制；圖6示出基本速率ISDN應用的用戶接入系統的數字部分的方框圖；圖7示出上游傳輸的調制解調器格碼調制編碼器；圖8是表示8-PSK調制的星座(congstellation)的相量圖；圖9是速率5/6的調制解調器TCM網格圖；圖10示出無線接口MAC協議和其他協議層的參考模型；圖11示出下游ds.block(下游塊)MAC原語；圖12示出具有浮動凈荷結構的ds.block原語的另一個實施例；圖13示出上游原語us.atm cell結構；圖14示出下游和上游時隙的定時關系以及從基站看到的指針關系；圖15示出位圖預約的定時概念；圖16示出接納請求原語；圖17示出與CellMAC開銷結構關聯的每個下游時隙的結構；圖18示出上游原語MAC開銷結構；圖19示出MAC SAP的概念；圖20示出用戶端的MAC層和ATM層之間的信號交換；圖21示出如果位圖預約可用時、從用戶終端的ATM層始發(fā)的ATM信元傳輸；圖22示出適用爭用預約的與圖21相同的傳輸；圖23示出能夠在4個信道中發(fā)送的ST進行的ATM信元的傳送；圖24示出基站的方框圖；圖25示出該基站的MAC層控制器的方框圖；圖26示出基站控制器的方框圖；圖27示出遠地基站對用戶的干擾模型；圖28示出不合適的天線的垂直輻射圖案；圖29示出合適的基站天線；圖30示出具有非對稱扇區(qū)但具有一對頻率的蜂窩覆蓋圖；及圖31示出具有三個頻率的蜂窩圖。
首字母縮略詞定義注意Netro專用的術語使用黑斜體字符。AAL ATM適配層ABR 可用比特率，一種ATM業(yè)務，其中源速率可以在信元延遲變化未定的連接的過程中改變。AGC 自動增益控制ARM 自適應無線電資源管理ARQ 自動重發(fā)請求ATM 異步轉移模式BPSK 雙極移相鍵控BRU 基站無線電單元BS 基站BSC 基站扇區(qū)控制器CBR 恒定比特率-一種運輸速率和信元延遲變化有保證的ATM業(yè)務。CDV 信元(ATM)延遲變化DC 直流DRO 介質諧振振蕩器DVB 數字視頻廣播El 2.048Mbs的歐洲數字線路接口E2 8.448Mbs的歐洲數字線路接口E3 34.368Mbps的歐洲數字線路接口EPROM可擦除可編程只讀存儲器EEPROM 電可擦除可編程只讀存儲器FDD 頻分雙工FPGA 現場可編程門陣列FEC 前向糾錯HEC 信頭差錯控制HFC 光纖/同軸電纜混用ID 標識IP 因特網協議ISDN 綜合業(yè)務數字網LAN 局域網LED 發(fā)光二極管LNA 低噪聲放大器MAC 媒體接入控制Mbps 兆比特/每秒MMIC 單片微波集成電路NMS 網絡管理系統P-MP 點對多點PBX 用戶交換機，語音交換機的通用術語。PCN 個人通信網絡-一種移動電話業(yè)務類型。PCS 個人通信業(yè)務-一種移動電話業(yè)務。PDU 協議數據單元-協議分組中的凈荷字段PN 偽噪聲PSK 移相鍵控PROM 可編程只讀存儲器PTT 郵政、電話和電報，國家郵電部門的通稱QPSK 相移相鍵控RISC 精簡指令集計算機RS Reed Solomon(一種分組糾錯碼)RU 無線電單元SAP 業(yè)務接入點SAPI 業(yè)務接入點標識符SAS 用戶接入系統-用戶終端的室內部分SRU 用戶無線電單元ST 用戶終端(SRU+SAS)STI 用戶終端標識符STM 同步轉移模式TBD (以后)待定義TCM 格碼調制-一種基于對調制符號的過渡進行編碼的糾錯方法。TDD 時分雙工-以同一頻率在時間上交替發(fā)送和接收TDM 時分復用
TDMA 時分多址Terminal 由SAS、SRU和互連組成的系統。
UBR 未定比特率-一種速率、信元損耗率或延遲無保證的ATM業(yè)務。
VBR 可變比特率-一種ATM業(yè)務VC 虛電路。在ATM信元中由VPI/VCI構成。
VPI/VCI 虛信道標識符/虛信道標識符-一種ATM地址XOR “異或”詳細描述圖1示出P-MP無線傳輸的一個扇區(qū)。基站天線100向30至90度的扇區(qū)101進行發(fā)送。希望獲得電信業(yè)務的用戶具有安裝在他們家里或辦公室里的用戶終端(ST)。附近的用戶可以安裝小的室外無線電單元(SRU)102。居住得遠的用戶可以安裝附于SRU的拋物面天線103。這種城域網的典型范圍是5km。每個扇區(qū)的角度為15至360度。
圖2示出P-MP網的主要組建模塊。每個扇區(qū)天線200被連接到發(fā)送和接收射頻信號的基站無線電單元(BRU)201。用戶具有用戶無線電單元(SRU)202，通過同軸電纜203連接到用戶接入系統(SAS)204，它通常位于室內，并附于用戶的設備，例如電話、計算機、ATM交換機或微蜂窩電話基站?；景ɑ旧葏^(qū)控制器(BSC)，每個扇區(qū)一個?；臼菢I(yè)務提供商的骨干網即ATM網或ISDN網、和用戶終端之間的中介。
每個扇區(qū)的頻譜分配可以由多個信道組成，如圖3所示。例如，基站載波可以以25GHz發(fā)送，占據28MHz的信道寬度。然而，該信道可以再分為4個7MHz的子信道，以便廉價的ST無需高速發(fā)送和接收。該實施例中的發(fā)送-接收配置是基于頻分雙工(FDD)的。例如，基站可以以25GHz向各ST發(fā)送，并以26GHz從各ST接收。其他扇區(qū)可反過來以26GHz來發(fā)送。接下來在時域中分割每個子信道。下游傳輸是時分復用(TDM)信道，基本上向調諧到該頻率的所有ST進行廣播，而上游傳輸是時分多址(TDMA)，具有由BSC授權的ST發(fā)送。
圖4中所示的SRU為內置喇叭天線的鞋盒大小的小外殼結構。喇叭401為錐形或角錐形。介質透鏡402提供相位校正。在母板403上以各種所附模塊404來安裝電路。同軸連接器405可與SAS進行電纜連接。喇叭401直接從天線共用器406或經同軸/波導連接線進行饋接。如果需要更大的天線，則可將SRU安裝在具有作為反饋的喇叭天線的拋物面反射器的前端，另外可安裝波導適配器407以與該更大的天線直接相連。采用類似于探照燈指示機構的安裝硬件來向基站天線對準。
為了降低成本，SRU不具有微波頻率合成器。它代之以采用穩(wěn)定的BRU頻率作為參考。如圖5所示，自激DRO振蕩器提供粗略的微波參考。通過使用雙變頻，低頻合成器501可產生所需偏移頻率并精調接收頻率。圖5中示出振蕩器頻率的例子。采用頻率復用器502、503來將所有信號組合到常規(guī)SAS至SRU連接的單同軸電纜。調制解調器恢復用于跟蹤主要由DRO500引起的接收信號相位噪聲漂移的70MHz的精確載波，并使用該頻率來進行傳輸。如圖5中所選節(jié)點上的公式所示，最終發(fā)送頻率與DRO無關；因此消除了其相位噪聲。本發(fā)明的另一實施例僅包括一個轉換，即省去混頻器505、506和507。盡管在本例中失去了相位噪聲抵消特性，但是其好處是減少了寄生噪聲、即混頻的副產品，從而降低了濾波的要求。
SRU結構與應用無關。在許多應用中，只有數字部508隨應用的改變而改變。用于有限數目的ISDN基本速率接口的數字部的例子如圖6所示。具有內置ATM格式化能力的微處理器600用于傳信和控制整個終端。ISDN接口由現成的集成電路601提供。用于將凈荷轉換為ATM信元的ATM接入層可以使用現場可編程門陣列(FPGA)602來實現。稱為AAL1的方法適用于ISDN凈荷。媒體接入控制(MAC)裝置603將ATM信元發(fā)送到調制解調部504，如圖5所示。也可以使用前向糾錯裝置604和加密/解密裝置。MAC裝置可以用門陣列來實現。如果信元緩沖超過裝置的容量，則可以添加外部存儲器裝置(圖中未示出)。
調制解調器504的上游傳輸和下游傳輸的操作不同。上游傳輸要求發(fā)送ATM信元的突發(fā)，而下游傳輸是連續(xù)的。假設在下游方向發(fā)出4-PSK(QPSK)調制，則希望在上游方向也保持相同的符號率。然而，為了獲得好的差錯控制，應該嚴格保護短的上游突發(fā)(大約64字節(jié)，包括ATM信元及其開銷)，這意味著大的前向糾錯開銷，從而導致上游凈荷吞吐量減少。有時可以通過使用格碼調制(TCM)來減輕這種困境。在TCM中，使用較高的調制格式，例如用8-PSK取代4-PSK。根據相繼的符號傳輸之間的間隔長度(“相量”)，對8-PSK調制器中的有些多余比特仔細地分配一個線性卷積碼。這些距離如圖8所示。例如，相量0和4之間的平方距離是4(相對于半徑的平方)。這種技術具有一些編碼增益，但是不如Reed Solomon或其他類似的分組碼有效。根據本發(fā)明，對TCM處理進行修改。首先，對代碼進行穿孔(puncture)，即，有些代碼比特被數據比特取代。由此產生的較高的比特率被用于Reed Solomon(RS)編碼。對于ATM所需的比特差錯范圍、即好于10-9的比特差錯率，整個連接碼(穿孔的TCM+RS)比單獨的TCM具有更好的編碼增益。調制解調編碼器如圖7所示。轉換器700按3-3-2-2-3-3-2-21/4比特每符號的模式將用戶串行比特轉換為兩個或三個比特的符號。由多個單符號延遲元素組成的狀態(tài)機701和XOR門703a和703b在2比特符號傳輸過程中進行比特Y1的卷積編碼。在3比特傳輸的過程中，狀態(tài)機切換到開關702a、702b和702c的下方位置。由此產生的前4個符號的狀態(tài)網格圖如圖9所示。每一分支表示一個符號傳輸。同一分支上的多個數字表示同一狀態(tài)轉移的多個平行選擇。該圖在始于同一節(jié)點并匯于另一節(jié)點的任何兩個路徑之間的自由距離大于等于2。該距離類似于QPSK，因此格碼的進行與QPSK大致相同。至此，從4-PSK至8-PSK的調制增益的多余50％比特的一半被用于TCM。通過重用可用的多余50％比特的另一半，可以提高整個編碼增益，這在64字節(jié)的傳輸中，允許14RS校驗字節(jié)用于檢錯和糾錯，而一些多余字節(jié)用于開銷?；局械恼{制解調裝置接收該編碼的消息，并且使用熟知的Viterbi(維特比)算法來解碼該傳輸。適用于本發(fā)明的更好的代碼性能是使用多維格碼調制，其中，在格碼的每一步聚合多個符號、例如兩個符號的多個組，將碼率保持在5/6。一般說來，M比特每符號的星座被以高于(M-1)/M的速率編碼，在對電纜調制解調器提出的一些調制方案中，該速率對8-PSK為2/3。
TCM的另一種選擇是使用4-PSK，其符號率提高大致10-30％，并且將多余比特作為RS校驗字節(jié)。這種選擇的優(yōu)點是更頑健的調制方案，并避免了復雜的TCM格碼解碼器。
接收該傳輸的基站解調器進行同步和解碼。如果在傳播路徑上存在多徑反射，則可以使用自適應均衡器。由于在ATM傳輸中信元長度短，所以包括長的訓練報頭(preamble)是不實際的，因此通過多遍處理來進行均衡。首先，A/D轉換器對稱為I和Q信號的接收信號進行數字編碼。然后，存儲數字樣本，并估計均衡器參數。然后，均衡器回到消息的開始處，并且使用估計的參數來進行均衡。一旦完成該操作，使用上述的Viterbi解碼對信號進行解碼和解調。根據存儲均衡器參數的時間變化的不同，它們可以被存儲用于下一次從同一源進行接收。
MAC的參考模型和相關的協議層如圖10所示。從底部開始，物理媒體依賴層(physical medium dependent layer)1010用于無線電傳輸和調制解調功能。MAC層1020(這里稱為“CellMAC”)包括FEC(如上所述)、加擾和成幀1030。加擾用于使傳輸隨機化。成幀將后述。主要的MAC接入屬性是同步1040-對基站延遲的定時調整。ATM信元凈荷的加密1050由現成的DES裝置和公開密鑰發(fā)配過程提供。有三種帶寬請求方法爭用預約1060、位圖預約1070和隱含預約。每一種方法將后述。上游數據傳輸的唯一類型是通過授權信元轉移(granted cell transfer)1080，即沒有未經授權的信元從基站轉移。數據鏈路控制1090(“CellDLC”)層用于任選信元重傳。在大多應用中，該層被跳過，因為物理層已提供了良好的差錯控制和檢錯，如上所述。
ATM層1005維護不同業(yè)務級的信元的隊列。分離的控制隊列維護基站和ST之間的管理型消息。再上面的各層對任何ATM應用是類似的。
下面討論MAC原語和規(guī)則。應該理解，盡管MAC層是通過抽象的原語來描述的，但是每個原語對應于適于通過數字門陣列實現的硬件功能。實際上，下面討論的第一個原語，即圖11所示的ds.block1110，是典型的FEC分組碼(“ds”表示下游)。每個時隙1101表示一個具有其MAC開銷1100的ATM信元1102。該碼組以RS碼的16FEC字節(jié)1120結束。圖12示出微小的修改，其中時隙相對于碼組定時是“浮動的”。這種安排使得時隙長度不依賴于碼組長度，以便可以使用市售的為衛(wèi)星電視接收機開發(fā)的廉價DVB標準FEC解碼器。該標準使用1個同步字節(jié)1200和187個凈荷字節(jié)，使得59個字節(jié)的時隙被隨機截斷，其中丟失的部分被在下一個碼組中發(fā)送。根據信元信頭差錯控制(HEC)八位組(octet)(未圖示)，仍可以通過稱為ATM信元劃界的處理來進行時隙定時恢復。
上游原語us.atm_cell僅由一個信元組成，因為每個時隙可以被另一個ST使用。如圖13所示，上游原語ATM信元由1個八位組間隙1300、4個八位組報頭1310來構成，它使用8-PSK調制器作為相量“0”和“4”的偽隨機序列(實質上是BPSK)，以便解調器能夠對輸入信號的定時和相位進行同步。該碼組還包括MAC開銷1320、ATM信元1330、RS校驗字節(jié)1340和用于TCM解碼器狀態(tài)轉換的尾標1350。
MAC層在每個下游時隙和每個上游時隙之間保持固定的定時關系。這使得它能夠無需指定確認的時間即可引用過去傳輸的確認和將來傳輸的授權。圖14所示的RS使用被統稱為基站定時的上游延遲Nup和下游延遲Ndown的固定系統參數。例如，Nup=20個時隙偏移，而Ndown=25個時隙偏移。所有ST都將它們的延遲調節(jié)得與基站同步。
帶寬預約是通過三種方法之一來進行的。恒定比特率業(yè)務接收周期性的授權而無需請求。基站管理程序提供這種授權，并配置BSC MAC裝置以發(fā)出周期性的授權。在由此進行的上游傳輸中，MAC開銷報告隊列狀態(tài)。結果，下游MAC控制器可以在確定授權的優(yōu)先級時考慮該隊列狀態(tài)報告。請求授權的第二種方法是進行短碼組us.request的未經請求的傳輸，該短碼組包括1個間隙八位組、4個報頭八位組、2個地址八位組、2個隊列狀態(tài)八位組、2個CRC(差錯校驗)八位組和4個FEC(RS)八位組。大約5或6個這些原語可以放入一個時隙時間，這樣，時隙被分為5或6個“小時隙”，增加了請求帶寬的機會?；静粫r地發(fā)出指示爭用時隙的全局授權，允許傳輸這些請求。爭用算法被用于解決沖突。這是用文獻中熟知的穩(wěn)定的時隙aloha或START-3協議來進行的。例如，ST保持一個定時器，在它每次發(fā)送信元后對該定時器進行清除(用表示更多信元等待的隊列狀態(tài))。如果定時器到時，則ST隨機地選擇一個小時隙，并且在未來的傳輸中從該小時隙的位置起執(zhí)行START3協議。在接收到授權后，ST停止爭用，直至下一次定時器到時。
請求帶寬的第三種方法是位圖方法。有限組(例如110個)的每個ST在作為“位圖”類型授權的特定上游時隙中被提供單個符號位置，如圖15所示。該組中的每個ST在定時器到時時發(fā)送一個信號，該信號等價于斷言一個符號。該方法沒有沖突，因此非常迅速和有效。由于檢測單個比特傳輸是不實際的，所以比特原語實際上是短PN序列，例如長度為15個字符。接收調制解調器通過該序列對接收信號進行相關，并記錄峰值作為各個符號位置。盡管位圖序列相互重疊，但是相關峰值在單個符號時間出現，因此是可分離的。
us.admit原語如圖16所示。該原語僅在時隙被授權為接納時隙時才發(fā)送。接納是AT被允許接收用于ATM信元(us.atm_cell)傳輸的授權之后調節(jié)ST定時和功率的過程。有兩種類型的接納消息，冷的和熱的。冷接納是新設的ST發(fā)送的第一次請求。us.admit包括8個八位組的報頭1600，承載PN序列或僅使用相量“0”和“4”承載一小部分32個符號的PN序列。然后發(fā)送用戶終端標識符(STI)1601。冷ST使用特殊的臨時STI值0001/401。6個字節(jié)的IEEE地址1602唯一地確定了該ST，它類似于因特網地址，是在制造時安裝的。使用2個八位組循環(huán)冗余碼(CRC)1603、4個八位組的RS FEC校驗1604、以及2個八位組的尾標1605?；究刂破魇跈鄮讉€連續(xù)的時隙用于接納請求。這些授權每秒重復幾次。時隙的數目(例如4個)使得新的ST的延遲不確定性不會導致它步入其他時隙。如果無誤地接收到us.admit原語，則用STI0001/401和將在下面結合圖17討論管理業(yè)務接入點標識符將下游消息廣播到所有ST。該消息將重復IEEE地址，并且還將包括新的STI分配、延遲值和功率調整值。如果接納失敗，則放置沖突指示，并且ST必須在下一個授權的接納時隙組中重試。START-3或時隙aloha協議也可以被用于實現該功能。
熱接納用于已經具有STI、但是由于某種原因丟失同步的的ST。如果熱接納不成功，則重新開始冷接納。
下游MAC開銷的內容如圖17所示。前兩個八位組1700一般表示對Nup個時隙時段之前發(fā)生的事件的響應。有4種類型的時隙ATM、接納(4個時隙為一組)、爭用(分為6個小時隙)和位圖。所有這些時隙類型都已在上面通過它們承載的原語定義過了。該響應包括因時隙類型而不同的特定比特含義。該響應包括3個幀比特1710，用于幀(例如每126個)時隙(第一比特被翻轉(toggle)，否則為0，第二比特慢8倍，第三比特比第二比特又慢8倍)的全局同步。這些比特能夠在許多ST之間協調事件，例如新連接提前開始。下一個是定時調節(jié)1720和功率調節(jié)1730比特。這些比特僅在響應為ATM時隙類型時才有效。下一個八位組是響應向量。對于ATM時隙，該下一個八位組確認接收(0)或出錯(1)。對于連接時隙，該八位組指示沖突，這樣，該八位組的特定數目的比特對應于小時隙，而其余比特未定義。對于接納，該八位組表示4個接納時隙中的任一個中的沖突，并且該八位組值將在相鄰的接納時隙中重復。
下2個八位組1770包括STI1740和業(yè)務接入點標識符1750(SAPI)，該業(yè)務接入點標識符1750是MAC子地址，這將結合圖19進一步討論。這些字段指示當前下游ATM信元的目的ST地址。一些STI值被保留為組地址，允許多點廣播。ST MAC控制器可以包括幾個STI寄存器，以便地址解碼與所有寄存器進行邏輯“或”，以從ds.block原語輸入信元。最后兩個八位組1760是對上游時隙提前Ndown的授權。該授權包括時隙類型1780(要求的2比特，另2個保留比特)和STI1790。該STI僅在時隙類型為ATM時才有意義。
上述字段的更正式的定義如表1所示。
表1ds.CellMAC {3比特 FRAME /*幀定時/*下3個半字節(jié)(nibbles)與Nup個時隙之 /*前發(fā)送的上游信息有關2比特 TIMlNG_ADJUST /*微調ST時鐘延遲2比特 POWER_ADJUST /*調節(jié)ST發(fā)送功率字節(jié)RESPONSE /*對于us.atm_slot為每用COLLISION/*向量(1比特每小時隙)或COLLISION/*下兩個八位組與附于此CellMAC的/*ATM信元有關112比特 PAYLOAD_STI/*ST標識符(地址)半字節(jié) SAPI /*ST子地址/*下2個八位組與當前時隙起Ndown時/*隙之后的上游時隙有關半字節(jié) TYPE /*時隙類型，下面中的某一個/*us.atm_slot/*爭用時隙
/*位圖時隙/*接納時隙12比特 GRANT_STI /*對于us.atm_slot為STI}上游MAC開銷如圖1 8所示。它包括發(fā)送者的STI/SAP1800、12比特緩沖器狀態(tài)1810和四比特時間戳1820。緩沖器狀態(tài)是在該ST中等待傳輸的所有ATM信元的指示。如果沒有任何信元，則發(fā)送全零狀態(tài)。否則定義映射功能，以將每個隊列狀態(tài)映射到該短消息。映射的例子是每4個比特表示3個業(yè)務優(yōu)先級中的一個。對于每一級，該4個比特指示隊列使用的優(yōu)先級，即，0000為空，0001為1/16滿，而1111為15/16滿或全滿。隊列容量可以由再上面的各層發(fā)送一次，因為它不隨時間變化。時間戳以時隙為單位指示相對于其理想傳輸時間的信元延遲變化(CDV)。如果ST期望在時隙x被授權傳輸對時間敏感的信號，但是在時隙x+t接收到授權，t的最大值為T，則將t發(fā)送為時間戳。該時間戳使BSC能夠通過將所有信元延遲T-t個時隙，來減少CDV。
業(yè)務接入點SAP的概念如圖19所示。ATM SAP1900承載用戶的數據，而管理SAP1900承載BS至ST管理信息。SAP1910和1920被保留以供將來使用。一種可能的使用是將SAP分為各個ATM業(yè)務范疇，如恒定比特率(CBR)、可變比特率(VBR)、可用比特率(ABR)和未定比特率(UBR)。
為了支持所有這些業(yè)務，由SAP標識符(SAPI)標識的分離的SAP允許直接連接到每種類型的隊列，例如，MAC電路對每個SAP具有一個端口。這些隊列的實現與應用有關。隊列控制硬件和軟件可從ATM交換部件和LAN接口廠家廣泛獲得。
MAC層的操作可以由梯形圖來描述。圖20示出命令ATM層2010發(fā)送信元的ST MAC層2000的簡單信號交換。ATM層2010返回指向存儲器中的數據(信元)和隊列狀態(tài)的指針2020。cm.send原語2030可以由MAC門陣列的指定管腳上的信號來實現，數據/狀態(tài)可以由該IC上的總線來實現。實現數據總線本身的方便方法是ATM論壇定義的烏托邦總線(UtopiaBus)。圖20中的信號交換說明，發(fā)送命令來自MAC，而不是由ATM層啟動。因此，ATM層將僅在接收到授權時才進行發(fā)送。然而，ATM層可以不直接請求轉移，如圖21-22所示。圖21示出atm.have_data原語(這也只是接口管腳或電信號)，經與狀態(tài)組合的位圖機理通過請求帶寬來啟動轉移。當下游指示授權類型位圖時，MAC2110設置適當的比特(即，它發(fā)送位圖PN序列)。然后該位圖被置位(us.have_data2120標識設置該比特)，并且最終授權到達，允許轉移。圖22示出類似的方案，但是沒有位圖，它使用經小時隙的爭用。位圖較快，因此是優(yōu)選的；然而如果它沒有被實現，則使用圖22的爭用機理。
至此，針對頻率雙工的對稱單信道傳輸、例如單7MHz信道描述了MAC協議。然而，該協議可以通過小的修改進行擴展以適合其他情況。一種這樣的情況是當下游信號的速率是上游信號的N倍時。每組ST接收到快信號，而在N個分離的信道中的一個上進行響應。在這種安排中，只需在下游中以下列順序復用這些時隙SLOT_CHAN1、SLOT1_CHAN21/4、SLOT1_CHANN、SLOT2_CHAN11/4，其中ST可以通過如上結合圖17所述觀察幀比特中的變化來識別它們的時隙的流。第一幀比特對應于信道1翻轉。另一擴展是ST，它需要在所有4個信道上進行發(fā)送。這可能在一些較高容量的應用中發(fā)生。如圖23所示，對于N=4,N個信道可以在時間上偏移，使得信道i在信道i-1之后1/N時隙時開始。結果，交織的信元以它們被發(fā)送的順序到達。圖23示出以1、2、31/4的順序跳過忙的時隙從單個ST發(fā)送的信元。時隙中的每個傳輸的發(fā)生是因為該ST被授權。
盡管上述MAC協議是頻分雙工(FDD)結構，它也可以以小的修改被應用于時分雙工(TDD)。主要的修改是下游時隙和上游時隙用于響應和授權的對應關系相對于同一頻率信道上的上游時隙來定義。如果上游和下游方向具有非對稱的帶寬分配，下游的寬度是上游的N倍，則N個下游ATM信元中只有一個承載MAC開銷，而其他N-1個ATM信元被發(fā)送時沒有任何MAC開銷。
根據本發(fā)明，授權不是定向的，即，當ST接收到授權以發(fā)送us.atm_slot原語時，ST選擇發(fā)送當前可用的ATM信元中的哪一個。這種自由通過避免傳輸信元的虛電路數(在ATM術語中為VPI/VCI)而節(jié)約了鏈路帶寬。然而，在下述情況時可能發(fā)生潛在的問題，即，如果期望用于恒定比特率(CBR)業(yè)務的授權到達得過早，并且被用于另一個業(yè)務(例如ABR)，則以后會發(fā)現不再有其他授權給該ST。該問題可通過下述算法來解決。BSC維護一個所有CBR連接及其周期和該連接的上游中使用的最后時隙的列表。BSC計算新的期望的授權時間，并且BSC通常將該時隙授權給具有該電路的ST。然而，如果由于兩個或多個不同速率的CBR電路的沖突，它們的期望時隙不時重合，則只有它們中的一個將被授權，而其他的則被在10個時隙的時間窗口W1內延遲。ST中的每個CBR電路處理器(例如圖6的AAL裝置602)保持一個從該期望時隙開始的時段為W2個時隙的窗口(例如W2=10，但是不必等于W1)。只有該窗口內的時隙的授權才可以被授權給該連接。如果多個連接具有重疊的窗口，則開始最早的窗口、即最老的窗口將得到授權，只要它沒有到時就可以得到授權。該處理在電路不能在窗口的開始處得到授權時就會造成信元延遲變化。使用上述的時間戳機理可以消除CDV。
MAC協議可以以多種方式實現。一種方法是讓附有存儲器裝置、加密/解密裝置和前向差錯編碼/解碼裝置的現場可編程門陣列(FPGA)來實現所有對時間要求嚴格的功能。用戶終端的FPGA的方框圖如圖24所示。ds.block原語在外部被解碼，而恢復的數據、時鐘、檢錯和定時信號2400被輸入FPGA。如果需要，解調器2410被具體通知當前時隙時間期望哪個ST。這使得解調器2410可以存儲和檢索該ST的最新知道的功率電平的內容，從而降低差錯概率或功率電平和頻率偏移的采集時間。首先由定時和信元劃界電路2401在信元信頭差錯控制校驗器2402的幫助下恢復時隙定時。接著，地址解碼器2403檢查MAC開銷中的地址字段STI，以檢查當前接收到的信元是否應該引入歸本地使用。比較多個STI-一個是本地STI(如果接納處理未完成則其為0)。也可以檢查多組地址。引入的信元被通過RxData總線2404傳遞到該應用，該總線可以是Utopia總線。接著，地址譯碼器2403檢查授權類型和授權STI，并且如果授權為本地有效，則它進入授權緩沖器2405，并由延遲發(fā)生器2412延遲Ndown個時隙，以補償從基站到ST的特定距離，該特定延遲值已由外部微控器在接納處理的過程中設置。授權類型和定時通過授權總線被發(fā)送到各種上游原語發(fā)生器。它控制位圖請求2406、小時隙請求2407(us.request)、us.atm 2408和us.admit2409的產生。除了從應用直接傳遞的狀態(tài)和數據之外，這些原語中的每一個都通過從外部微控器加載的比特序列來產生。具有適當定時指示的發(fā)送信號被發(fā)送到調制器2411，該調制器2411也進行編碼和加擾。
基站MAC控制部如圖25所示。該部可以在印刷電路板一級實現，包括可能需要的多個存儲器和FPGA裝置。MAC控制器從突發(fā)解調器通過總線2500接收MAC原語。該總線指示數據、定時、估計接收功率和出錯消息。定時發(fā)生器2501控制MAC原語的接收和傳輸。它通過外部定時參考裝置和控制信號2502來同步，使得時隙定時被頻率鎖定到全局同步、如電話網基本時鐘或全球定位系統。如果如果接收時隙是接納時隙，則根據調制解調器輸入2515由估計電路2502來估計接納參數。如果檢測到接納請求，則通過指示總線2507將它傳遞到基站扇區(qū)控制器。在us.request接收中，小時隙處理器2505對該請求進行解碼，并且將來自該請求的隊列狀態(tài)存放到稱為隊列表2508的寄存器體(register bank)。類似地，如果接收到位圖時隙，則由位圖處理器(解碼器)2506將所有置位比特寫入隊列表2508。狀態(tài)閱讀器2504對其他接收、如正常us.atm_cell信元接收和數據丟失狀況進行解碼。該狀態(tài)被寫入隊列表2508，接收成功或失敗的指示被指示給響應發(fā)生器2503。該響應發(fā)生器通過復用器2509更新ds.block原語中的響應字段。授權處理器2510掃描該隊列表，并且選擇接收授權的ST。該ST的地址(STI)被寫入復用器2509的地址字段。授權處理器2510不僅根據隊列內容2508、還根據對所有恒定比特率虛電路(VC)進行列表的連接表2511來作出其授權決定。這樣，對每個這種VC，它檢查是否下一個要授權的上游時隙應該得到與該VC有關的授權。只有在沒有哪一個CBR VC具有未到時的傳輸窗口時，才選擇基于隊列表2508的授權。一旦作出授權，則從連接表2511讀取有關的STI和SAPI并發(fā)送到復用器2509。授權處理器2510可以由FPGA和RISC處理器的組合來實現。FPGA進行下一個ST的優(yōu)先級編碼(決定)，而RISC處理器進行維護隊列表的后臺任務。例如，如果授權處理器2510選擇了特定的ST，則根據下述算法來修改該ST的隊列狀態(tài)項1、修改該ST的隊列狀態(tài)，因為它將在從最高優(yōu)先級隊列中減去一個信元后出現。2、如果(通過us.request或us.atm_cell)從該ST接收到新的狀態(tài)，則該新的狀態(tài)將取代修改的狀態(tài)。3、如果沒有在授權的時隙從該ST接收到有效的信元(很可能由于鏈路出錯)，并且沒有進行步驟2的新狀態(tài)更新，則恢復原始隊列狀態(tài)。
要發(fā)送到信元的下游來自應用層，該應用層可以是連接到ATM網的接口電路。這些信元以信元輸入電路2512接收到它們的順序傳遞，并且由ST映射器2513根據連接表2511向其中加入信元目的地址(ST和SAPI)。根據特定ATM應用中的ATM地址空間的選擇的不同，有兩種方式來實現STI映射器。如果所有ST共享相同的地址空間(VPI/VCI)，則連接表2511將STI/SAPI分配給每個VPI/VCI。在其他應用中，地址空間可能只有本地語境(context)(兩個ST可以將它們的ATM信元的同一VPI/VCI重用于完全無關的連接)，則ATM應用必須為要發(fā)送的每個信元提供STI/SAPI。這種情況的應用很可能是ATM交換機或ATM統計復用器，可以將每個ST作為邏輯上分離的端口。
復用的下游傳輸通過發(fā)送總線2514被傳遞給調制器、擾碼器和FEC編碼器。如果需要，信元輸入電路2512可以對ATM信元的凈荷字段(48字節(jié))進行加密。
圖26所示的基站控制器由一個或多個單信道控制器2600、和線性頻分復用器2601構成。每個單信道控制器2600包括IF電路2602(所需的放大器、濾波器、AGC電路)；調制解調器2603，具有用RS FEC對下游傳輸進行的QPSK連續(xù)調制、如上結合ds.block所述的加擾和同步、以及具有TCM和RS解碼和檢測上述各種上游原語的能力的突發(fā)調制解調器；MAC控制器2604，如上結合圖25所述；以及控制單元2605，基于微處理器電路，并且通過數據或I/O總線連接到所有其他子系統(圖26中未示出連接)?；ネ?interworking)功能2606將發(fā)往或來自MAC控制器2604的ATM信元轉換為電信公司的公用通信網所需的任何格式，例如ATM、幀中繼或窄帶ISDN。因此，該功能與應用有關，并且，在大多數情況下，可以在現有的ATM交換機和復用器中找到。線路接口2607將互通功能2606的業(yè)務轉換為網絡格式、例如T3/E3接口。作為通過盡量減少來自地理上相鄰的小區(qū)的干擾來改善蜂窩網覆蓋率的一種方法，可以包括自適應無線電資源管理器(ARM)控制器2608。ARM控制器是微處理器應用，它響應來自網絡管理系統應用的命令，該網絡管理系統應用在多個扇區(qū)和小區(qū)之間協調頻率/時間活動。例如，如果網絡管理系統發(fā)現特定ST干擾其他基站，則網絡管理系統可以讓該基站跳過這些受影響的小區(qū)時隙，或將該ST完全轉移到另一個頻率。ARM控制器2608使得基站控制器能夠從外部控制器接收這種命令。ARM操作的關鍵部分是所有扇區(qū)和小區(qū)的全局同步，如上所述。通過使所有基站保持MAC幀/復幀比特與全局時間參考之間的固定關系，可以設計算法將來自一個扇區(qū)的ST的傳輸映射到另一個扇區(qū)或小區(qū)中的干擾。這樣，圖25所示的定時發(fā)生器2501被鎖定到全局時間，并且實際上用作實時時鐘。應該理解，在每個小區(qū)中，所有實時時鐘不必處于同一相位，只要它們彼此在長時間內保持相同的差值即可。通過根據需要的倍數復制相同的信道結構，可以處理多個信道。這些信道控制器可能需要互相共享或交換數據，這可以通過總線2610來實現。最后，所有控制器可以共享同一外殼或設備機架以形成基站。每個基站扇區(qū)控制器具有同軸電纜連接到基站無線電單元(BRU)2611。BRU包括IF電路、變頻器、頻率合成器、放大器和天線共用器，通過波導驅動扇區(qū)天線。這種BRU有市售。例如，美國加利佛尼亞圣克拉拉的Netro公司具有38GHz的BRU，按比例縮放后可以重新設計為其他頻率。
扇區(qū)天線是具有長方形孔徑的金字塔形的喇叭天線，并且具有下述的任選修改。為了盡量減少干擾和盡量提高頻率重用，必須特別注意基站天線。如圖27所示，一種潛在的干擾模式是，用戶終端2700從具有輻射圖1的基站A進行接收，它還從具有輻射圖2的基站B進行接收。如果輻射圖2的頻率與輻射圖1的頻率不同，則干擾可忽略。這里假設位于更遠處的基站、例如比B還遠一個小區(qū)半徑的基站太遠，不會造成很大的干擾。在這種簡單的方案中，兩個頻率足以避免干擾。實際上，當多個小區(qū)放在一起時，如圖30所示，兩個頻率足以避免圖27中的輻射圖2對1的干擾模式。圖30是基于四小區(qū)結構3000的網格圖。該結構具有一個缺點其一些扇區(qū)比另一些寬。如果這不可接受，則還有三頻對稱解決方案，如圖31所示。
天線需要在水平方向上具有寬的輻射圖，如30、60或90度。在垂直方向上，它可以較窄，例如波束寬度為12度，使其可以提高增益。然而，附近的ST在輻射圖中可能為零，如圖28所示。這可以通過允許喇叭孔徑有小的相位偏差來避免。1/4波長是主瓣波束擴展和旁瓣變平之間的好的折衷。通過喇叭幾何形狀的選擇、和介質透鏡的有意的偏差，可以實現該減少。完整的天線如圖29所示。其尺寸在最長方向上為大約10至20cm，因此它非常小。金字塔形喇叭2900可以包括近似圓柱形的透鏡2901和吸收壁2902，用于調節(jié)波束寬度，并且允許所述輻射圖在水平方向上滾降，以避免圖27中輻射圖3對ST2700的干擾。
權利要求
1.一種無線城域網，包括至少一個基站，具有多個扇區(qū)天線和MAC控制器，所述基站通過所述扇區(qū)天線進行發(fā)送和接收；多個用戶終端(ST)，位于扇區(qū)區(qū)域內，每個ST包括方向性天線，MAC處理器，以及用于通過多個爭用時隙來請求帶寬的電路，所述電路從所述MAC控制器接收傳輸授權，并且將包括MAC開銷的ATM信元發(fā)送到所述基站。
2.如權利要求1所述的網絡，其中，所述MAC控制器包括對至少三種類型授權的支持。
3.如權利要求1所述的網絡，其中，所述MAC控制器包括對ATM信元時隙、爭用時隙和接納時隙授權的支持。
4.如權利要求2所述的網絡，還包括位圖時隙。
5.如權利要求1所述的網絡，其中，所述ST在每個時隙僅接收一個授權，并且在接收到所述授權后，在所述多個時隙的一個上發(fā)送固定時間間隔。
6.一種碼組的糾錯編碼方法，每個碼組由具有MAC開銷和至少一個符號的單個ATM信元組成，該方法包括下述步驟(a)用包括多于所述碼組尺度10％的糾錯比特對所述碼組進行編碼；以及(b)用基于所述碼組的每個符號為M個比特的星座的格碼對所述多個碼組中的每一個進行格碼調制，使得產生的碼率高于(M-1)/M。
7.一種用于城域網的用戶終端，包括具有外殼和所附透鏡喇叭天線的無線電單元。
8.如權利要求7所述的結構，其中，所述喇叭結構是所述外殼的整體的一部分。
9.如權利要求8所述的結構，還包括具有內置ATM格式化能力的微處理器。
10.一種用于通過點對多點網發(fā)送恒定比特率ATM信元的方法，包括下述步驟(a)在虛電路的理想傳輸時間的第一固定時間窗口內向用戶終端發(fā)送授權；以及(b)所述虛電路還維護第二時間窗口，僅在所述時間窗口未到時時，使所述虛電路使用所述授權。
11.如權利要求10所述的方法，其中，在步驟(b)中，如果在用戶終端上存在多于一個虛電路，則具有最老的未到時窗口的虛電路使用該授權。
12.如權利要求11所述的方法，還包括下述步驟與使用所述授權的所述ATM信元中的每一個一起發(fā)送時間戳，其中，通過在所述信元到達所述網絡的接收端時對所述信元加入補償延遲來減少信元延遲變化。
全文摘要
本發(fā)明提供有效的點對多點微波ATM網,包括用扇區(qū)天線(200)廣播連續(xù)傳輸的基站(BS205)。該系統對下游傳輸使用時分復用(TDM),并且對上游傳輸使用時分多址(TDMA)。下游傳輸由封裝在用于前向糾錯(FEC)和同步的MAC協議數據單元(PDU)中的ATM信元組成。小的用戶終端(ST)包括用戶無線電單元(SRU202),用于接收廣播并將其傳遞到用戶接入系統(SAS204),該用戶接入系統引入僅發(fā)給它們的 ATM信元。為了允許強的 FEC保護并保持與下游傳輸相同的符號率而不犧牲帶寬,在上游傳輸中使用修改的結合Reed Solomon編碼的格碼調制技術。
文檔編號H04L12/56GK1233366SQ97198854
公開日1999年10月27日 申請日期1997年9月4日 優(yōu)先權日1996年9月5日
發(fā)明者埃利澤·佩斯特納克, 斯圖爾特·M·菲尼, 吉迪恩·本－埃弗萊姆 申請人:內特羅公司