CN1709002A - 多形的峰窝网络体系结构 - Google Patents

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L·德阿加蒂
D·查菲
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Abstract

公开了一种纳诺小区基站，该纳诺小区基站用于在一个或多个移动站、一个或多个基地收发信台或者一个或多个其它纳诺小区基站之间提供无线电连通性。本发明的纳诺小区基站包含一个或多个收发器。收发器中的一个提供基站功能，并且收发器中的一个提供基站功能，并且收发器中的一个提供移动站功能。存在一个控制器，该控制器用于管理收发器，并确定在基站和移动站功能之间的通信连通性路径。

Description

多形的蜂窝网络体系结构
技术领域
本发明涉及在无线通信领域中的改良，更具体地，通过采用和促进改良的多层面的动态的可重新配置的网络拓扑，来使用纳诺小区(nanoCell)基站以提高无线网络的容量。
本发明还包含在网络的所有节点之间相互通信以便有效地传送多种通信信道的方法。
背景技术
由于可用带宽数量的限制、建立基础结构的经济上和政治上的成本以及其它原因，传统蜂窝通信网络使用多种几何拓扑来将覆盖区域分割成促进有效频率再用的小区。每个小区典型地包含一个中央天线，并且与相邻小区轻微重叠。多数的公共蜂窝覆盖模型使用六边形或圆形的脚印、伸长的定向覆盖区、从中央点发散的扇形区域以及它们的组合。几何覆盖区的拼凑物被结合在一起，以便为订户基地(base)提供足够的覆盖，并通过移动网络完成端到端的通信。
从端到端通信路径是由来自聚集的各个点的扇出(fan-out)支持的方面来看，这些网络是在本质上分层的。携带通信的物理信道的趋势是被固定但可被配置的。多数移动网络拓扑(例如GSMMAP或ANSI-41)包含基站子***和网络子***。在GSM的情况中，基地收发信台(BTS)硬件被布置成与每个天线相连接，以便在任何给定时间与那个小区内的多个移动站(MS)进行通信。基站控制器(BSC)设备以这样一种方式布置：一个BSC将控制多个BTS，并与它们进行通信。同样，移动交换中心(MSC)将控制许多BSC，并与它们进行通信。使用这种方法，从固定网络到多个移动用户的通信路径被简单地定义和控制。移动分组数据网络以相似的方式进行配置。典型地，BSC通过接口连接到分组数据网络支持节点，该分组数据网络支持节点向公共数据网络提供接入。在GSM的情况中，服务GPRS支持节点(SGSN)在基站子***(BSS)和网关GPRS支持节点(GGSN)之间提供此连通性，所述网关GPRS支持节点(GGSN)又通过接口连接到公共数据网络(PDN)。相同的情况存在于ANSI-41移动网络体系结构中。
发射功率和通信协议概括地定义每个小区的大小以及每个小区可以支持多少用户。可能影响蜂窝设计和布置的硬件数量的其它因素包含将在给定区域内接受服务的移动站数、移动站和基站的操作功率电平以及损伤(例如地形、建筑物和无线电干扰等)的存在或不存在。其它因素包含通信数据速率和为了获得这些速率的必需的链路性能。当规划蜂窝网络时，在典型地包含BTS、BSC和MSC设备的给定地区内布置的硬件数量一般是这样设计的：使得有足够的容量来在峰值业务负载期间提供充足的覆盖和可用性。因为业务密度将在一整天之内以及在横跨覆盖地区时发生变化，所以在蜂窝网络中有固有的未使用容量以便在任何给定时间使用。本发明使用蜂窝网络中的多余容量来重新分布业务到未充分使用的聚集点，以便增加整体网络容量，而不用因为建设新的基础结构而引出成本和政治上的问题。
为了获得地理区域的充足无线电覆盖，一般需要多个基站。每个小区可以由自己拥有的基站进行服务，或可以与许多其它小区共享一个基站。每个小区包含一个相关的控制信道，控制(非语音)信息通过该控制信道在那个小区中的移动站和基地收发信台之间进行通信。通常，控制信道包含：一个在已知频率上的专用信道，特定信息通过该专用信道从基地收发信台发送到移动站；一个寻呼信道，用于将信息从基站单向发送到移动站；以及一个接入信道，用于在移动站和基站之间进行双向通信。这些不同的信道可共享相同频率，或者它们在各自不同的频率上运行。
除了控制信道，每个小区还可被指定预定数目的业务信道，以便在订户之间发送通信的内容。该内容可以是模拟或数字化的语音信号或数字数据信号。根据蜂窝***的接入模式，每个语音信道可以对应于频分多址(FDMA)中的一个单独频率、时分多址(TDMA)中的一个单独频率和一个时隙或多个时隙，或码分多址(CDMA)中的一个单独码。本发明可以使用这些多址技术中的任何一种或与将来可能被开发的象这样的其它技术来实施。
在频分多址(FDMA)***中，通信信道包含指定的频率和带宽(载波)。如果载波在给定小区内使用，则它只能在距离该给定小区足够远的其它小区内再用，以使得其它小区信号不会与给定小区内的载波产生明显干扰。对于再用小区必须是多远和什么构成明显干扰的确定是具体到执行的细节，这是本领域技术人员可以轻松查明的。
在时分多址(TDMA)***中，时间被分为特定持续时间的时隙。时隙被分组成帧，每帧中同类时隙被指定到相同的信道。通常习惯是将所有帧中的同类时隙的组称为时隙。典型地，每个逻辑信道被指定公共载带上的一个时隙或一些时隙。在每个逻辑信道上携带通信的无线电传输因此在时间上是不连续的。
TDMA***的一个例子是GSM***。在GSM***中，除了业务信道，还有四类不同的控制信道，即广播信道、公共控制信道、专用控制信道和相关的控制信道，这些信道与接入处理和用户登记结合使用。
在码分多址(CDMA)***中，RF传输是利用独特扩展码扩展在一个宽频谱(扩展频谱)上的反向信道通信和正向信道通信。通过在仔细的时间一致中处理整个占用的频谱，这种***中的RF接收将特定发射机的发射从相同频谱中的很多其它发射机的发射中区分出来。在接收相关器中使用扩展码的拷贝对发射中的希望的信号进行解扩而所有的其它信号保持完全扩展并且不接受解调，从而恢复所述希望的信号。
从一个小区地点中的基站发送的CDMA正向物理信道是包含各个逻辑信道的正向波形，其中所述逻辑信道通过它们的扩展码而相互区分开来(并且不像GSM情况中一样在频率上或时间上分开)。正向波形包含一个导频信道、一个同步信道和业务信道。定时对于CDMA信号的正确解扩和解调来说是关键的，且移动用户使用导频信道来与基站同步，以使用户能够识别其它信道的任一个。同步信道包含CDMA***中的移动用户需要的信息，其中包含***标识号(SID)、接入过程和准确的日历信息。
在前几年，无线通信已经得到了指数形式地增长。蜂窝电话已经变得无处不在，而且它们的应用已经普及到这样的程度，以至于很多司法人员打算对它们在移动车辆、饭店和其它位置中的应用进行某些限制。尽管近些年在无线技术中的多数增长都与蜂窝电话的使用相关，但通过无线通信接入互联网才是当前的现实。在无线通信***可能需要仅仅八千赫带宽来进行语音传输的地方，多媒体通信典型地需要大得多的带宽。对于互联网应用的数字化分组数据传输所需的典型带宽持续增长，在那里的标准曾经典型为28.8千比特每秒(KBPS)，它很快增长到33.3KBPS，并且现在是在对于标准电话调制解调器接入的56KBPS带宽的带宽限制上。迄今为止，这样的带宽只能通过在有线通信***中使用有线连接来获得。工作于28.8到56KBPS之间的有线调制解调器通常为多数互联网用户提供足够的带宽。作为替换，与综合业务数字网(ISDN)调制解调器结合使用的ISDN线路为用户提供更大的带宽。然而，这样的带宽也是只能在有线通信***中获得。直到最近，无线通信中的带宽也不够允许比仅仅是较短的电子邮件消息或其它短消息业务更多的内容通过无线发送或接收。在无线数据行业中，正在努力采用为能够启用无线接入协议(WAP)的移动单元提供简化的万维网接入的WAP。尽管这是提供更佳的无线万维网接入的一个努力，但需要对于要被提供到更高速的有线接入设备的内容进行网页编程。由于公众逐渐习惯了由硬接线的***(例如电缆和高速DSL线路)提供的高速，在一些情况中为1.5百万比特每秒(MBPS)或更大，所以出现了一种兴趣，即在离家或办公室很远的地方拥有相同类型的服务。作为结果，已经产生了一种兴趣，即提供更大带宽到无线社区，以便允许通过无线技术实现互联网接入和其它数据业务。今天的无线数据标准支持从114KBPS到至少2MBPS的数据速率。与对于语音传送的需要相比，对于多媒体信息的传输的需要是巨大的，而这给无线数据基础结构的开发加上了沉重的负担。
蜂窝电话和其它无线设备的迅速扩张以及计划的无线数据速率的进一步增长已经引起了对于支持无线技术的使用的基础结构的严重关注。在公众欣然获得新型无线技术的同时，这些相同的公众将不允许基础结构的操作者将必需的天线和其它所需设备放到许多居民区中。作为结果，公司面临这样一种进退两难的局面：要通过正在变得过载的***来提供公众希望的业务，而且很难以添加额外基站的传统方式来扩充***。增加基站数目同时解决一些基础结构的问题不能完全补救上述难题。除了公众安全和添加额外基站的美感关注，很多提供者还在寻找其它解决方案来解决网络使用过度的问题。基站建设不是解决问题的万能药，因为在站的建设和维护中需要巨大的成本。作为结果，即使在有添加基站的空间并且反对意见不强烈的地区里，成本也会妨碍快速的扩充。需要业务增长的国家的很多部分包含很多人口稀少的地区，与较为拥挤的地区相比，在这些人口稀少地区中的每个用户的成本维持在较高的水平。作为结果，行业不愿在这些区域中扩充，直到那里有更多的人口。不幸的是，使得额外基站更为必要的人口的增加使得减少了其中基站是更可接受的地点。当前发明的思路是小的、易于安装的并且相对不易看清的，这样就减轻了由这些居民社区提出的很多关注。
当前在无线行业中为成长中的订户基地增加容量、数据速率和业务的努力包含增加频谱分配、提供更有效的数据调制方案和执行更佳频率再用方案。这些方法的每一个使该问题改良到不同的程度。仅仅增加频谱分配将提供容量的一到一的增加，也就是说，在1MHz带宽支持40个音频级信道的情况中，添加另外1MHz频谱将使总容量增加40个额外的音频级信道。相同地，通过更高阶的调制技术来提高频率效率能够以一到“n”的系数增加容量。例如，如果使用频率调制使30kHz频谱支持1个单独音频级信道，而通过使用数字调制可使相同的30kHz信道支持3个音频级信道，那么效率以系数3增长，即“n”＝3。
通常，提高的调制效率必须相对于对于更高信噪比(SNR)或载波-干扰比(C/I)的需求进行权衡。这意味着更高的功率必须在预定接收机的方向内通过放大或定向天线进行发送，而且与同信道或相邻信道信号的干扰必须更小。在动态移动环境中获得这些SNR或C/I性能的改良是代价很高的任务。
用于指数提高频谱效率进而提高容量的技术是改良频率再用。使用几种技术来达到这一目的，这些技术包含使用定向天线阵列的小区分区、小区半径降低技术、为了在统计上将同信道引入的误差分布到所有信道上的跳频等。在文献中显示出小区半径的降低将使频率再用以二次幂增加，即，用多个较小的小区(其中每个的小区包含以因子“r”降低的半径)替换一个较大的小区将会增加原来由较大的小区覆盖的区域内的容量，增加的系数为r2，其中假设所有频率在每个较小的小区内被再用。建议了多个方法来降低小区半径以便实现容量的指数增加。这些技术的缺点是：支持基础结构的成本趋势是高到无法接受的地步。
最后，蜂窝网络中的容量通常以被阻塞的呼叫的统计概率来定义。通常接受的统计可被用于使网络中的信道总数与那个网络中被支持的订户基地相关。例如，具有2％阻塞概率(B)和30信道(N)每小区的容量的0.03厄兰每订户的提供的负载(A0)转换为对于那个小区的21.9厄兰的最大负载(A’)，其中假设了一个厄兰B模型。对于这个例子，30信道小区可容纳21.9/0.03(A’/A0)＝730(M)订户。从在N中的增长大于增长A的方面来看，从A’到N的关系是指数的。添加设备来增加信道(N)数趋于昂贵，结果带来这样的净效应：为了在任何给定时间支持任何给定小区内的峰值负载，所有小区必须增加信道(N)的数目，这将造成整个网络中的明显的更未充分使用的容量。当前发明在未充分使用的基站之间重新分布了负载，虚拟地增加了“N”，而非物理地增加“N”，因此，订户总数在给定区域内增加，结果额外基础结构的成本最小。
为了使蜂窝基站的网络能通过使用上述技术来获得容量的明显增加，需假设每个小区提供一个从该小区到中央交换点的专用通信路径，在此例中，是从BTS到BSC。当多小区网络被建立时，每个小区将包含支持其覆盖区域内的预期忙时负载所必需的硬件。在其它时间或其它区域，每个小区内的多余容量是待用的。
解决一些上述问题的努力本身可以产生超出当今蜂窝***能力的需要。例如，一个增加***业务容量的方法是包含更高程度的无线电频率再用。(无线电频率再用指的是这一事实：无线电频率被指定由特定小区使用，使得避免与相邻小区中的通信的干扰。然而，由于可指定的频率数可能在已经对***中每个小区进行完指定之前用尽，所以指定给一个小区的频率经常还被指定给另一个不太可能在第一个小区中造成干扰或从第一个小区经受干扰的更远的小区)。为了实现更大的无线电频率再用，小区的物理尺寸被(通过降低在BTS和MS之间的无线电信号的信号强度)减小，以便创建所谓的微小区和皮小区。当然，如果相同的整个地理区域接受蜂窝***的服务，那么使用微-和微微-小区意味着需要更多的BTS，从而需要在BTS和***的其余部分之间的数据和信令传输容量的相应增加。作为这些问题的结果，需要提供更大带宽来满足对于以成本有效的、公众可接受的方式增加无线网络的整体数据容量的需求。
发明目的
本发明的一个目的是提供低等级蜂窝网络中的无线网络的数据容量的增加，而不需要增加网络基站数。
本发明的一个目的是提供一种用于增加无线网络的数据容量、同时使资本支出和每个订户的运行费用最小化的方法、***和设备。
本发明的另一个目的是提供一种使频率再用最大化以便增加蜂窝网络中的容量的体系结构。
本发明的另一个目的是提供一种使用“带内”信道以便与其它基站互连来使基础结构成本最小化的方法、***和设备。
本发明的再一个目的是提供一种改良的方法、***和设备来使频率分配、调制技术和蜂窝网络中的多个接入方法最大化。
本发明的另一个目的是提供一种不必始终被置于小区塔上的基站。
本发明的另一个目的是提供一种通过带内回程来互连的基站***。
本发明的另一个目的是在网络中使用软件设计的无线电技术，以避免由于无线标准中的变化而产生的问题。
本发明的另一个目的是使用可以简单地配置的硬件来支持增加的频谱分配。本发明的又一个目的是使用频率再用的非传统方式在频分双工网络中操作以增加容量。即，可以使用上行链路频率来传送通信业务，就好像它是下行链路信道一样，反之亦然。
本发明的一个目的是实现小区半径的降低，同时使额外基础结构成本最小化。
发明内容
本发明的纳诺小区体系结构使用从纳诺小区到更少使用的网络入口点的动态分配的通信路径，即，从给定纳诺小区到BSC的通信路径通过多个BTS动态地改变，以获得增加的整体网络容量。这是通过一种使总资本和运营费用最小化的方式完成的。
本发明包含一种蜂窝网络单元，这里称其为纳诺小区基站，还包含由这些纳诺小区基站中的一个或多个构成的通信***。每个纳诺小区基站在多个移动站、基地收发信台和其它纳诺小区之间提供无线电连通性，以便提供给定蜂窝网络中的明显增加的容量。每个纳诺小区包含多个收发器，每个收发器提供基站功能、移动站功能或者提供基站和移动站这两种功能。另外，纳诺小区提供管理收发器并确定基站和移动站功能之间的通信连通性路径的控制功能。
纳诺小区之间的连通性的主要方式是通过无线电链路，这些无线电链路利用通常为蜂窝网络中的基站到移动站的通信保留的无线电频率，因此这被称为“带内”回程。使用“带内”回程的目的是明显降低费用和传统通信回程(即微波、光缆、导线或其它方式)的复杂性。这种方法与现有技术不同，因为“带内”回程频率是根据链路性能需要和业务负载需要来动态指定的，而且给定的纳诺小区可直接与一个或多个基地收发信台或者一个或多个额外纳诺小区进行通信。“带内”回程连通性可被动态地重新配置以便有效地利用可用频率，以便提供更高或更低的数据速率来支持数据吞吐量的需要，或以更高或更低的功率进行发射来增强干扰特征，以使网络可以更有效地工作。
可以使用被称为软件定义的无线电的概念和技术来简单地对给定纳诺小区中的收发器进行重新配置。给定收发器的再配置性是这样的：它可被编程来支持多个同时的蜂窝通信标准、调制方案和数据速率，以便在蜂窝网络中有效地传递通信。收发器还支持多种通信标准，包含但不限于那些频段、调制技术和与北美蜂窝相关的多路复用方法，GSM、DCS、PCS、UMTS和MMDS。另外，纳诺小区提供一种可以与其它更高等级的有线或无线通信分布***结合使用的更低等级的无线分布能力，其中所述的更高等级的有线或无线通信分布***包含但不限于综合业务分布网(ISDN)、以太网、电缆调制解调器、数字用户环路(DSL)、多信道、多点分布***(MMDS)、本地多点分布***(LMDS)、基于卫星的通信***等，其中用上述更高等级***的节点替换了先前讨论中的BTS。
被提供了灵活性的纳诺小区导致多种配置，其结果是一种多形的蜂窝网络体系结构。在其最简单的实施例中，纳诺小区可被用作无线电转发器来延伸小区的地区或覆盖区域。提供更大容量的一种配置是在纳诺小区支持基站和移动站功能性时。以这种方式，纳诺小区执行小区间通信的完整的解调和消息解码，以便检测并纠正由通信信道引入的误差，将多个独立信道的聚集提供为一个更有效的单独信道，并执行动态信道分配和在纳诺小区的网格内的消息路由。在整体体系结构中的给定纳诺小区的组成功能包含：
中继站-纳诺小区功能，其中单独信道以最少的等待时间转向至一个替换信道。子-模式包含直接频率转换和放大，以及基带处理，以便减轻信道损伤。
收集器-纳诺小区聚集点，其中多个信道被收集到一个公共小区中，并在不进行转换的情况下转发至另一个节点。这是一种透明操作模式，其特征在于稳定的吞吐量、固定的转接迟延和可变的误差率。
集中器-纳诺小区聚集点，其中一个或多个信道被集中到一个公共的小区中并且为了传输效率而转换到更高数据速率的信道。这是一种非透明操作模式，其特征在于改良的误差率，并具有可变的转接迟延和吞吐量。
延迟-纳诺小区功能，其中分组被接收并临时地保持在暂停状态，直到有一个合适的通信信道可被用于对该分组进行重传。
一个给定的纳诺小区可以在任何时间支持这些功能中的一个或多个的任何组合。而且，多个纳诺小区基站可被连接以形成一系列相互通信的小区，这些小区延伸了蜂窝网络的操作距离。另外，多个纳诺小区基站可被配置成一个特别的矩阵，以便在多个网络基站和多个移动站之间形成冗余的并行通信路径。同样，被连接的纳诺小区和纳诺小区矩阵的任何组合可被配置以便提供无所不在的、多形的、无线的覆盖。
特别可以通过使用纳诺小区基站和网络基站的***(即一个或多个纳诺小区基站和可用的网络基站，其中不同的基站通过带内回程相互连接起来)来达到本发明的目的。带内回程的使用允许在不过度增加***成本的条件下使当前基础结构的容量明显增加。带内回程的使用允许纳诺小区基站在任何给定时刻及时地使用未被充分使用的网络基站资源，以便增加***的整体容量。通过使用带内回程技术可以降低(如果不是消除的话)对微波、光纤或电缆回程设备的依赖。
本发明的另一个优点是简化后勤支持的固有冗余。由于带内回程允许网络的自动配置，所以存在一种固有容错性，它通过使待命的技术支持最小化来降低支持成本。本发明的***还可由技术水平较低的劳动力来维护，从而降低了用于网络的工资预算。
本发明的另外的优点是：实现非常小的小区，以便使对于高发射功率的需要最小化。随着纳诺小区基站中的发射功率的降低，对于额外基地收发信台的需要和伴随着它们的放置出现的问题明显减小。另外，随着发射功率的降低，设备设计和网络计划也被减少。本发明的非常小的基站使***操作者可以方便地为其找到合适的位置，并且在很多种情况中不需要将它们置于小区塔上。
纳诺小区基站超越现有技术基站的主要改良的一个方面体现在经济上。资本费用可被降低，因为针对传统的高功率基站的本地反对意见不会成为一个要素。因此，由于较长计划周期造成的成本被降低，而且分区和管理需求可被消除。通过购买或租赁的土地获取成本可被降低。同样，与微波回程有关的协调问题和频率管理被减少。还将有降低的安装成本，以及降低的设备维护和获取成本。由于本发明不像传统***那样复杂，所以劳力和设备的安装成本被降低。成本上的好处不会随着本发明的安装而结束。通过减少租赁线路和小区塔的不动产，每月的运营费用也会更低。
因为本发明使用基于标准的体系结构，所以获得了两个额外的好处：由于设备获取成本更低，所以用于恢复的成本更低；由于基本通信原理易于理解，所以开发风险更低。
附图说明
图1是包含多个纳诺小区基站、基地收发信台(BTS)和伴随的基站控制器(BSC)的多形蜂窝网络。
图2显示了其中纳诺小区基站起中继站、收集器、集中器或延迟节点作用的多形蜂窝网络体系结构。
图3是纳诺小区基站的多个收发器体系结构的表示。
图4是由纳诺小区收发器执行的收集器功能的表示。
图5是由纳诺小区收发器执行的集中器功能的表示。
图6是由纳诺小区收发器执行的中继站功能的表示。
图7是由纳诺小区收发器执行的延迟功能的表示。
图8是一种替换频率使用计划，其中在通常被用于上行链路信道的频率上携带下行链路信道。
图9表示一个网络路由选择的例子。
图10表示初始节点同步的分层性质。
图11表示一种通用节点连通性模式。
图12表示一种分层回程结构。
图13是在纳诺小区体系结构中的软件定义的无线电的框图。
图14是在纳诺小区体系结构中的软件定义的无线电的替换实施例。
图15表示软件定义的无线电的单元。
图16是RF收发器的框图。
图17是基带处理器的操作图。
图18是基带处理器实现的例子。
图19表示将多个纳诺小区连接到宏小区的方向性可控天线配置。
具体实施方式
图1显示了一种多形蜂窝网络，该多形蜂窝网络包含多个纳诺小区基站21、22、24、24、基地收发信台(BTS)25、26和伴随的基站控制器(BSC)20。从图中可见，纳诺小区基站21可与一个或多个其它纳诺小区基站22、23、24通信，与一个或多个主要基站25、26(即宏小区BTS)通信和与一个或多个移动站27、28通信。可以使从移动站到BTS的通信路径穿过一个或多个相互通信的纳诺小区基站。如图1所示，给定地理位置中的许多纳诺小区基站的存在降低并可消除对于额外宏小区站的需要。另外，从图1中可见，纳诺小区基站的存在使给定区域内的覆盖更为均匀，从而减少了盲点和其它覆盖效果弱或质量不一的区域的数目。
如图2所示的纳诺小区基站21起中继站29、收集器30、集中器或延迟节点31的作用，如图2所示，以便提供移动站和基地收发信台之间的有效连通性。移动站可以是任何无线通信设备，包含但不限于蜂窝电话、计算机、PDA等。两个或更多个纳诺小区基站的每一个在它们各自的工作区域内相互连成网络。如果业务的集中的状态是：纳诺小区基站21和宏小区BTS25之间容量不足，则使用与具有低业务集中的任何其它纳诺小区基站22进行通信的带内回程克服了在纳诺小区基站21和宏小区BTS25之间的带宽缺乏。
图3，一个单独纳诺小区基站21包含一个或多个通信收发器32和33，所述的每一个通信收发器共享一个公共的控制功能。优选实施例包含两个到四个收发器。实施为七个或更多个收发器也是合理的。通信收发器可以起BTS、MS或中继站的作用。当起BTS33的作用时，通信收发器像基站一样在下行链路信道34上发射并在上行链路信道35上接收。当起MS32的作用时，通信收发器像MS一样在上行链路信道36上发射并在下行链路信道37上接收。当起中继站的作用时，通信收发器在独立的信道上发射和接收，所述独立信道中的任一个可以是上行链路或下行链路信道。在起中继站作用的情况中，信道可被配置为上行链路接收机和上行链路发射机，或相反地配置为下行链路接收机和下行链路发射机。
当纳诺小区起图4中的收集器的作用时，该纳诺小区重新路由多个个体信道，其中不对输入/输出信道的数据流进行修改。对于由中心频率(f)、信道标识符(c)、数据速率(r)和功率电平(p)定义的给定信道，在不修改数据流的情况下将这个信道转换到第二频率和与其它个体信道多路复用的信道号。然后使用第二信道的功率管理来改良所有个体信道的整体性能。
如图4中所示，为了清楚地解释，在TDMA***中，收集器功能获得与个体信道相关的脉冲串，并将它们重新多路复用到一个可能在不同载波频率上的新信道中，其中不对脉冲串的结构进行修改。以这种方式，“f”和“c”改变，而“r”不改变。这其中固有的是容易地控制这些多路复用的信道的功率电平以便更有效地传递信息的能力。同样在CDMA***中，个体码信道被重新多路复用到一个具有相同好处的新信道上。
当纳诺小区起图5中的集中器的作用时，该纳诺小区允许转换数据速率并将多个独立信道集中到一个新的、更高速率的信道中。这意味着：多个较低速率的信道可被组合到一个较高速率的信道中，从而提供频谱的更有效的使用。这个处理是双向的，因为它还会将集中的高速率信道分解到它的组成的较低速率的独立信道中。
当纳诺小区起图6中的中继站的作用时，该纳诺小区在不修改数据流或多路复用结构的情况下，在输入和输出信道之间转换个体信道。以这种方式，网络中的整体等待时间被最小化。对于连接的中继的数目有一个限制，这可能在给定的时间上存在，它归因于双向时间延迟和每个信道中的额外噪音的积累效应。为此，必须散置中继站、集中器和收集器来优化通信性能。
当纳诺小区起图7中的延迟的作用时，该纳诺小区接收并保留数据，直到有合适的输出信道可用的时候。以这种方式，较高优先级的通信将接收对于纳诺小区收发器资源的使用的优先权，而较低优先级的通信被暂时延迟。迟延可以是固定的或可变的，也可以包含在任何水平上的转换，这取决于后来选择的输出信道。具有多个收发器信道的纳诺小区可能同时具备这些功能中的每一个功能，这是合理的。
此外，主要打算从BTS向移动站(即通过下行链路信道)或相反地从移动站向固定地点(即通过上行链路信道)横穿FDD网络的通信信道可以通过两个或更多个纳诺小区40和41以非标准的方式转换，从而使未充分利用的频谱得到最有效的使用，如图8所示。如果FDD类型的网络的上行链路部分未被充分利用(由于上行链路数据的速率的趋势是远远低于下行链路数据的速率的这一事实)，就可能出现这种情况。以这种方式，固有平衡的(每个方向具有相同频谱量的)上行链路和下行链路频谱可以被更好地利用，以便传送非对称加载的数据业务。
本发明的无线电网络通过在大部分相互通信纳诺小区基站之间的频率再用来提供容量扩充。通信和控制信道能够从一组允许的上行链路和下行链路频率、时隙以及码信道中被动态地分配。根据业务负载、服务质量需要和相互通信的基站连通性限制，将通信路径动态地指定给合适的基站。
纳诺小区的控制实现了多个纳诺小区和基站之间的相互通信。该相互通信允许在相邻纳诺小区之间的连接，而不需要包含主要基站。通过这样做，将在自主网络管理功能中使用的信息在纳诺小区之间得到有效的分布。该自主网络路由选择是独特的，因为它允许纳诺小区作出自主的路由决定，而不是由基站控制器或移动交换中心或相似的网络控制功能作出决定。
纳诺小区基站的相互通信网络根据服务优先化、网络负载和节点可用性来动态地确定有效的通信路径，如图9中的附图标记51和53所示。之后的通信可以通过不同的路径进行路由选择，以便分布业务负载，如图9中的附图标记52a和52b所示。纳诺小区网络中的通信可被远离或朝向一个特定的BTS地进行重新分布，从而更有效地容纳具有不同服务质量需要的移动站。在图9所示的情况中，移动站可能获得BTS1(ACQ)，并在之后，在基础结构网络中执行一个切换(HO)，以便重新分布业务负载。
本发明的自动网络配置特征允许网络中的自发现，从而简化了布置。新节点的初始化与新网络中的MS登记相似。
图10显示了利用本发明的带内回程的操作。节点1同步于信标信道，并建立其本地频率和定时基准。节点1向BTS登记作为一个移动站(MS)。节点1之后在替换的信标信道上广播作为一个BTS。节点2同步于节点1信标信道，并建立频率和定时基准。节点2向节点1登记作为一个MS。节点2之后在替换的信标信道上广播作为一个BTS。用户MS同步于节点2信标信道，并建立其本地频率和定时基准。用户MS向节点2登记。一旦用户向节点2登记，用户就请求服务并建立一个与节点2的电路或分组连接。节点2、节点1和BTS建立合适的连接。为了记帐的目的，BTS与MSC建立连接。
延伸这个同步和信道分配的过程，可以得到一个网络拓扑，如图11所示。在此图中，通过MS到BTS同步过程得到分层拓扑。纳诺小区n1分别从BTS b1和b2接收信标信道f1和f2，并单独地同步于每一个。纳诺小区n1然后选择要发射的信标信道f3。顺序地，纳诺小区n11和n12接收频率f1、f2和f3，并单独地同步于每一个。之后，n11和n12分别选择要发射的信标信道f4和f5。有这样一种机制：如果同步在两个节点之间建立，则额外的同步被消除。在图11的情况中，n1将不通过f4同步于n11，而且n12也不通过f5同步于n1。如果通过某种方式，使n12在它通过f3同步于n1之前通过f2同步于b2，那么n1将通过f5同步于n12就是合理的。同样，在n11和n12之间通过f4或f5的同步将取决于同步发生的顺序。如果在任何两个节点之间丢失任何链路，则发生新信标信道的重新选择，并使用重新同步来建立网络中的新连通性。以这种方式，在网络结构中的节点之间的连通性可能被自主地建立和维护。
同步功能的一个重要方面是：它允许纳诺小区根据相邻纳诺小区的发***确度来建立其内部频率基准中的必要精确度。传统方法将使用贵重的设备，例如铷或铯标准、GPS接收机或其它更精细的方案(对于BTS控制信道，典型的精确度需要是小于百万分之零点零五-0.05ppm，而典型移动站将同步于BTS，并将它们的内部基准调谐到0.10ppm之内。纳诺小区将使用多个接收的控制信道信号来计算最佳调谐控制，以便在统计上维持0.05ppm的精确度。
图12显示了本发明的分层基础结构的一个例子。在此图中显示了一个BTS 60和多个纳诺基站61、62、63、64和65。纳诺小区基站又与多个移动站或其它无线装置66、67、68、69、70和71通信。在此例中，通信信道可以是通用分组无线业务(GPRS)、EDGE或其它最近被定义的通信***，例如宽带CDMA(WCDMA)和cdma2000。在此例中，在BTS和个体纳诺小区基站之间的回程速度在最高到2Mbps的数量级上。两个纳诺小区基站之间的本地回程在最高到384kbps或更高的数量级上。对于无线设备和纳诺小区基站之间的回程，该回程在约为14.4kbps或更高的数量级上。当使用GPRS或EDGE时，回程范围为114到大约384kbps。
实施纳诺小区基站的优选方法是使用软件定义的无线电方法。软件定义的无线电实现了在传统无线电上的几个改良：短开发周期，这归因于对无线电进行重新编程以满足不同协议的能力，使用最新修订版的标准来升级无线电而无需物理接入单元的能力，随负载需要而动态地重新配置无线电以支持不同协议的能力，例如高数据速率集中器集线器运行384kbps EDGE协议以便为不同的用户回程多个56kbpsGPRS信道。
考虑到纳诺小区基站执行的不同类操作，在纳诺小区基站的建造中典型地对它进行划分。如图13所示，纳诺小区基站的部分81的操作与传统移动站相似。移动站部分81分配频率、时隙和码信道的方式与移动站执行这些功能的方式相似。控制信道的选择是基于由下行链路接收功能进行的一个调查，以便检测和识别最佳的可用下行链路信道，而且信道选择是通过配置和控制链路授权的。同步、定时和频率稳定化是通过在此接口上进行的测量来获得的。纳诺小区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链路信道上接收，并被提供到控制功能82用于进一步的安排。纳诺小区基站还被提供了基站部分83，所述基站部分83在功能上与基地收发信台相似。基站部分以相似于基地收发信台的方式分配频率、时隙和码信道。该接口起到通往移动站或其它下游纳诺小区基站的无线电接口的作用。控制信道的分配是基于由移动站部分81进行的调查，就像通过内部选择列表来区分优先权和通过配置及控制链路进行授权一样。下游纳诺小区基站的配置和控制是通过向它们发射命令和控制消息来获得的。为了使通过纳诺小区基站的直接传送的等待时间最小化，可以使上行链路接收路径84与上行链路发射路径85直接连接，并使下行链路接收路径86与下行链路发射路径87直接连接—只要合适的频率、时隙或码信道转换被提供。
在纳诺小区的另一个实施例中，一个代表性的主要基站90在图14中示出。主要基站子***91提供基站控制器和无线电网络之间的主(principle)接口。同步、定时和频率基准92在此子***中被建立。来自基站控制器接口的命令被用于配置和控制主要基站，以便建立控制信道频率分配和码信道。控制信道选择是基于从下游纳诺小区基站报告的结果，并通过基站控制器接口授权。来自此接口的数据被调制以便在下行链路无线电接口上传输。在上行链路无线电接口上接收的信号被解调并被提供到基站控制的接口。这是通往移动站和其它下游纳诺小区基站的主要基站无线电接口。频率、时隙和码信道分配是基于通过基站控制器接口接收的命令。下游纳诺小区基站的配置和控制是通过向它们发射命令和控制消息来完成的。
软件定义的无线电模块在图15中表示。模块是可以利用无线电进行编程并支持多波形的。模块优选地可被配置作为用户节点或作为服务回程，并运行作为移动站或BTS。方向性可控天线阵列被模块使用。天线优选地在相邻节点的方向内具有高增益，并实现了干扰避免。一种优选天线是波束形成天线。控制处理器控制网络管理和控制管理，以及协议栈和互通功能。另外，控制处理器还控制分组路由选择、设备控制和天线指向，并监视***的健康/状态。
控制处理器控制设备，管理网络，并执行频率稳定性管理。控制处理器还执行层3协议处理，并包含一个相互通信功能。纳诺小区基站的控制处理器典型地包含控制用户与网络间交互所需的信息。此***中的控制处理器支配控制以及排队、路由选择和用户与BTS之间的数据链路。
图16是显示纳诺小区中的接收机和发射机到基带处理器的关系的纳诺小区RF收发器框图。从图中可见，纳诺小区基站的特性优选地包含在824到3600MHz范围内的无线电频率，以及同时的Tx/Rx。在此基站中的转换器优选地可以在整个频率范围上进行调整，并控制选择性滤波、信号隔离和输出功率放大器(PA)。RF模块提供向上和向下转换以及RF信号的滤波，以便支持纳诺小区基站的BTS和MS功能。
图17显示了图15的基带处理器的操作实施例。基带处理器的用途是提供纳诺小区基站内的数字调制和解调功能。图18显示了基带处理器的结构的优选细节。基带处理器控制收发器，执行数字滤波和均衡执行层1处理控制和层2控制。基带处理器可通过IF或基带采样进行操作。
方向性可控天线阵列的用途是增加在基地收发信台或相邻纳诺小区的方向内的方向性或增益，如图19所示。通过增加增益，载波-干扰比(C/I)被增加，从而改善链路性能。更大的C/I直接转换到增加的数据速率和频率再用距离。因为纳诺小区是静止的，所以方向性可控天线阵列的复杂性明显降低，这使得建造整个单元较不昂贵。这是与动态控制的阵列相比来说的，所述的动态控制的阵列争取维持波束指向一个移动站。所述需求的技术复杂性和算术复杂性使成本有效阵列的成本对于纳诺小区来说高到无法接受的地步。在静止纳诺小区环境中使用的复杂程度较低的阵列的成本明显更为有效。
如图19所示，自适应波束操纵追踪相邻节点的信标频率，因此增益对于高数据速率被优化。相邻节点的定向波束连接被用于改善C/I，并从而提供用于回程的更高数据速率。全向模式被呈现给本地最终用户，以便提供合适的覆盖和服务质量(QoS)。本发明的一个优点是：它减少了频率计划和拓扑分析。另外，它自动补偿干扰和阻塞。相控阵天线对于回程是优选的，因为它们可包含一种简单的信标上操纵(steer-on-beacon)算法，该算法将支持更高的数据速率。

Claims (52)

1.一种用于在一个或多个移动站、一个或多个基地收发信台或者一个或多个其它纳诺小区基站之间提供无线电连通性的纳诺小区基站，该纳诺小区基站包含一个或多个收发器，所述收发器中的一个提供基站功能，收发器中的一个提供移动站功能，还包含一个用于管理收发器并确定在基站和移动站功能之间的通信连通性路径的控制器。
2.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中一个收发器提供基站和移动站功能。
3.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中所述收发器中的一个提供基站功能，并且所述收发器中的另一个提供移动站功能。
4.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中纳诺小区基站起中继站的作用。
5.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中纳诺小区基站起收集器的作用。
6.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中纳诺小区基站起集中器的作用。
7.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中纳诺小区基站起延迟节点的作用。
8.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中纳诺小区基站适合于起中继站、收集器、集中器或延迟节点的作用，以便在移动站和基地收发信台之间提供有效的连通性。
9.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，该纳诺小区基站适合于：当业务的集中使得在纳诺小区基站与宏小区BTS之间容量不足时，该纳诺小区基站使用带内回程来与包含低业务集中的一个或多个其它纳诺小区基站进行通信。
10.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中该纳诺小区基站包含一个适合于起BTS、MS或中继站作用的通信收发器。
11.根据权利要求10所述的纳诺小区基站，其中在起BTS作用时，所述收发器像基站一样在下行链路信道上发射并在上行链路信道上接收。
12.根据权利要求10所述的纳诺小区基站，其中在起MS作用时，所述收发器像MS一样在上行链路信道上发射并在下行链路信道上接收。
13.根据权利要求10所述的纳诺小区基站，其中在起中继站作用时，所述收发器在独立的信道上发射和接收，所述独立信道中的任一个可以是上行链路或下行链路信道。
14.根据权利要求13所述的纳诺小区基站，其中在起中继站作用时，所述收发器包含一个被配置作为上行链路接收机和上行链路发射机的信道。
15.根据权利要求13所述的纳诺小区基站，其中在起中继站作用时，所述收发器包含下行链路接收机和下行链路发射机。
16.根据权利要求13所述的纳诺小区基站，其中在起中继站作用时，所述收发器被配置作为上行链路接收机和下行链路发射机。
17.根据权利要求13所述的纳诺小区基站，其中在起中继站作用时，所述收发器被配置作为下行链路接收机和上行链路发射机。
18.根据权利要求5所述的纳诺小区基站，其中所述基站适合于在不修改输入/输出信道中的数据流的情况下重新路由多个个体信道。
19.根据权利要求16所述的纳诺小区基站，其中对于由中心频率(f)、信道标识符(c)、数据速率(r)和功率电平(p)定义的给定信道，在不修改数据流的情况下将所述信道转换到第二频率和与其它个体信道多路复用的信道号。
20.根据权利要求19所述的纳诺小区基站，其中在起收集器作用时，所述基站获得由中心频率(f)、信道标识符(c)、数据速率(r)和功率电平(p)定义的给定信道，并在不修改信道结构的情况下将其重新多路复用到一个新信道中，以便使“f”和“c”改变，而“r”不改变。
21.根据权利要求6所述的纳诺小区基站，其中在起集中器作用时，所述基站导致数据速率转换并将多个独立信道集中到一个新的、更高速率的信道中。
22.根据权利要求6所述的纳诺小区基站，其中在起集中器作用时，所述基站导致将集中的高速率信道分成其组成的较低速率的独立信道。
23.根据权利要求6所述的纳诺小区基站，其中在起集中器作用时，所述基站导致单独信道转换成更高速率的信道。
24.根据权利要求6所述的纳诺小区基站，其中在起集中器作用时，所述基站导致更高速率的信道转换成单独信道。
25.根据权利要求4所述的纳诺小区基站，其中在起中继站作用时，所述基站在不修改数据流或多路复用结构的情况下，在输入和输出信道之间转换个体信道。
26.根据权利要求7所述的纳诺小区基站，其中在起延迟作用时，所述基站接收并保留数据，直到有合适的输出信道可用的时候。
27.根据权利要求7所述的纳诺小区基站，其中在起延迟作用时，所述基站给更高优先级通信一个使用纳诺小区收发器资源的优先权，而较低优先级的通信被暂时延迟。
28.根据权利要求27所述的纳诺小区基站，其中延迟是固定的。
29.根据权利要求27所述的纳诺小区基站，其中延迟是可变的。
30.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中主要打算通过下行链路信道从BTS向移动站横穿FDD网络的通信信道被通过两个或更多个纳诺小区以非标准的方式转换，以便使未充分利用的频谱得到最有效的使用。
31.根据权利要求1所述的纳诺小区基站，其中主要打算通过上行链路信道从移动站向固定地点横穿的通信信道被通过两个或更多个纳诺小区以非标准的方式转换，以便使未充分利用的频谱得到最有效的使用。
32.根据权利要求1所述的纳诺小区基站的相互通信网络，其中该相互通信网络适合于根据服务优先化、网络负载和节点可用性来动态地确定有效通信路径。
33.根据权利要求32所述的纳诺小区基站，其中后来的通信能够通过不同路径进行路由选择，以便分布业务负载。
34.根据权利要求33所述的纳诺小区基站，其中纳诺小区网络中的通信可被远离或朝向一个特定的BTS来进行重新分布，从而更有效地容纳具有不同服务质量需要的移动站。
35.一种配置网络中的业务负载的方法，该方法包含：
使第一纳诺小区同步于信标信道，并建立其本地频率和定时基准；
向BTS登记所述第一纳诺小区作为一个移动站(MS)；
在替换的信标信道上广播所述第一纳诺小区作为一个BTS；
使第二纳诺小区同步于所述第一节点的信标信道，并建立频率和定时基准；
向所述第一节点登记所述第二纳诺小区作为一个MS；
在替换的信标信道上广播所述第二纳诺小区作为一个BTS；
使用户MS同步于所述第二纳诺小区的信标信道，并建立其本地频率和定时基准；
向所述第二纳诺小区登记用户MS；
一旦用户向所述第二纳诺小区登记并且用户请求服务，就建立一个与所述第二纳诺小区的电路或分组连接；
在所述第二纳诺小区、所述第一纳诺小区和所述BTS之间建立合适的连接；
为了记帐的目的，在所述BTS与MSC之间建立连接。
36.一种在通信网络中同步和信道分配的方法，该方法包含：
第一纳诺小区分别从BTS b1和b2接收信标信道f1和f2，并单独地同步于每一个；
所述第一纳诺小区选择要发射的信标信道f3；
至少一个第二纳诺小区接收频率f1、f2和f3，并单独地同步于每一个；
所述额外的纳诺小区分别选择要发射的信标信道f4和f5。
37.根据权利要求35所述的配置网络中的业务负载的方法，其中以任意数目的纳诺小区的连接系列来配置网络连通性。
38.根据权利要求35所述的配置网络中的业务负载的方法，其中以任意数目的纳诺小区的矩阵方式来配置网络连通性。
39.根据权利要求35所述的配置网络中的业务负载的方法，其中关于连接的纳诺小区和纳诺小区矩阵的组合来配置网络连通性。
40.根据权利要求36所述的在通信网络中同步和信道分配的方法，其中以任意数目的纳诺小区的连接系列来配置网络连通性。
41.根据权利要求36所述的在通信网络中同步和信道分配的方法，其中以任意数目的纳诺小区的矩阵方式来配置网络连通性。
42.根据权利要求36所述的在通信网络中同步和信道分配的方法，其中关于连接的纳诺小区和纳诺小区矩阵的组合来配置网络连通性。
43.根据权利要求36所述的方法，其中如果在两个纳诺小区之间建立同步，则额外同步被消除。
44.根据权利要求43所述的方法，其中如果在任何纳诺小区之间丢失任何链路，则发生新信标信道的重新选择，并使用重新同步来建立网络中的新连通性。
45.根据权利要求44所述的方法，其中纳诺小区根据相邻基站或相邻纳诺小区的发射的精确度来建立其内部频率基准中的必要精确度。
46.根据权利要求9所述的纳诺小区基站的相互通信网络，其中在BTS和个体纳诺小区基站之间的回程速度在最高到大约2Mbps的数量级上。
47根据权利要求9所述的纳诺小区基站的相互通信网络，其中两个纳诺小区基站之间的回程速度在最高到大约384kbps或更高的数量级上。
48.根据权利要求9所述的纳诺小区基站的相互通信网络，其中回程速度在大约4.8kbps或更高的数量级上。
49.根据权利要求9所述的纳诺小区基站的相互通信网络，其中当使用GPRS时，回程速度最高到大约114kbps。
50.根据权利要求9所述的纳诺小区基站的相互通信网络，其中当使用EDGE时，回程速度最高到大约384kbps。
51.一种纳诺小区基站的网络，该网络包含两个或更多个根据权利要求1所述的纳诺小区基站。
52.一种纳诺小区基站，该纳诺小区基站包含：
一个适合于与一个或多个移动站或者与一个或多个其它纳诺小区基站进行通信的基站部分；和
一个适合于与一个或多个其它纳诺小区基站、与一个或多个基地收发信台、或者与一个或多个主要基站进行通信的移动站部分。
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