CN1009891B

CN1009891B - 宽频带通信用无线网络

Info

Publication number: CN1009891B
Application number: CN88101150A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·阿坎波拉; 杰克·哈里曼·温特斯
Original assignee: AT&T Bell Laboratories Inc
Current assignee: Nokia Bell Labs; AT&T Corp
Priority date: 1987-03-05
Filing date: 1988-03-04
Publication date: 1990-10-03
Also published as: KR910002016B1; DE3852772D1; JPS63233631A; CN88101150A; US4789983A; SG30544G; EP0281334A3; KR880012049A; CA1281111C; EP0281334A2; EP0281334B1; DE3852772T2

Abstract

本发明与应用无线电射频传输的宽频带通信网络有关、该网络或独立应用，或作为硬连线网络的补充。本示范性网络包括(a)与网络中的独立用户相连的多个收发机(10-19)；(b)可选用的至少一个集中器(20，21)，该集中器与无线连接的收发机(14-19)以及可能硬连线连接的收发机(10-13)中某些独立分组相关联，用以提供双工操作；以及(c)一个中央节点(30)根据需要，较可取的是该网络也包括分集和资源共享技术，以便针对通道质量障碍进一步提供防护。

Description

本发明涉及一种无线电宽频带通信网络，该网络或独立应用，或在希望办公设施充分轻便可移的场合作为硬连线网络的补充。

局部网络（LAN）已具有许多不同结构，诸如母线式、回线式、环形、星形、树形等。由作者A.Acampora等所写，发表在“IEEE通讯杂志”（IEEE Communication Magazine）1984年8月第22卷第8期第12～21页上的文章“一种应用集中母线的新的局部网络结构”（“A New Local Area Network Architecture Using A Centralized Bus”）公开了这样一种局部网络。如该文的图1-3所示，用一条集中母线与所有用户设备一起硬连线连到一中央节点。

多年来也已发展了室内无线通信网络。由M.Komura等所著，刊登在“日本通讯评论”（Japanese Telecommunications Review）1973年第15卷第4期257～261页上的文章“无塞绳电话系统”中公开了一种无塞绳无线电电话系统，该系统能使电话通过无线电与直接连接至基站的当地天线进行通信。另一种无线室内通信技术由F.Gfeller公开在“IBM技术公开公报”（IBM Technical Disclosure Bulletin）1982年1月第24卷第8期4043～4046页上，其中介绍了一种用于室内数据通信的红外微型广播网络，其中一个主控制器直接与多个空间分离的转发器相连接，用于以红外信号与形成室内系统的各站进行双向传输通信。

最近，在新奥尔良州和路易安那州的Globecom 85，卷1，1985年12月2-5，第15.2.1-15.2.6页上公开了一种办公室信息网络，其中提供了一种开槽环选取协议（Slotted-ring access Protocol）以及一种动态带宽分配方案，为最优先的通信业务提供优先服务。一个在二个相反方向传输的双光纤环路把通信信号沿着该光纤传送至各节点。这些网络节点与当地设施或服务员之间用铜线对连接，或者，如果合适的话，使用无线吊牌连接。

然而，室内无线电通信不是没有问题的。一般来说，建筑物尤其是办公楼，从墙壁、家具等静止物体，以及人等运动物体反射的许多反射波给高速无线电传输造成苛刻的环境。因此，由于所有反射波的随机叠加以及由于无视距通路而造成的屏蔽衰落，产生严重的多路径畸变，使给定一对发射机和接收机之间的通信线路发生故障。在低数据速率时，多路径效应可表征为兰莱（Raleigh）衰落，而在较高速率时，通道还另外在通信频带上呈现频散现象。屏蔽衰落的频谱是平的，并呈现对数正态分布的特征。

当然，当环境慢缓变化时，所有效应都随着时间动态地变化。兰莱衰落使得从不同发射机到达一特定接收机的信号电平产生很大范围的变化，因此，不可能采用无线电通道的多路选取（multiple access）标准技术。通道内的频散产生严重的码间干扰（intersymbol interference），因此限制了通道的最高数据速率，并使一部分用户经受不可容忍的高误码率，遭受这种境况的通信线路被称为中断，并且暂时不能应用。因此，在现有技术中要解决的问题是要提供一种技术或网络，它具有尽可能高的数据速率同时能对抗在变化的情况。

上述现有技术中的问题已由本发明解决，本发明涉及一种采用无线电作为传播媒介的宽频带通信无线网络，该网络或独立应用，或作为硬连线网络的补充。本发明典型的宽频带信息包通信网络包括（1）多个收发机，以及（2）一个中央节点。此外，也可以设置一个或多个与某些分开的无线收发机组和可能的硬连线收发机组相连的集中器。每个收发机与网络的一个独立用户相连，并且，某些或所有的收发机用以无线方式与集中器中或中央节点中的有关接口装置通信。该中央节点包括（a），用以在每一主帧周期的第一分周期期间确定必需的传输要求，并将所必需传输要求通知多个在运行的无线收发机中的每一收发机的装置;（b）用来接收从多个收发机中每一收发机在该主帧周期的第二分周期按上述通知装置指示发来的信息包，并将所说信息包重新发射到指定用户的收发机的装置。更具体地说，中央节点的通知装置用以（ⅰ）当与集中器中或中心节点中有关接口装置通信时，确定该信息包传输要求和每一网络用户的任何传输障碍;以及（ⅱ）使与被确定为具有信息包传输要求的用户相关的收发机以足以克服所确定的传输障碍的长度发送出这些用户的信息包，此外，（1）在集中器以及中央节点可使用分集式天线，每一收发机可使用一副或多副天线;（2）应用改善的轮询方案来实现对由所有无线收发机使用的无线电通道的选取，该轮询方案能使资源共享，从而根据需要提供进一步保护防止通道通信质量的下降。

图1是根据本发明的宽频带通信网络的一种示范性配置的方框图，其中包括各种硬连线用户和无线用户的通信联接;

图2是可用于图1所示的网络中的采用轮询方案的媒介选取技术示意图。

图1说明一种示范性系统布局，它在功能上是一种星形局部网络，它包括一中央节点30、远程集中器20和21、以及多个用户设备10-19。10-19中每一用户设备与网络中的一单独用户相联，并能分别与中央节点30通信，这种通信采取以下二种方式：（1）通过用于在用户设备10-13与集中器20和21之间进行间接连接的硬连线26（如图所示），或（2）通过无线通信线路（如图所示），即（a）包含无线电通信线路27的通道（该线路27存在于用户设备分组18-19和中央节点30之间），或（b）包含通信线路28的间接通道（这些通信线路分别存在于用户分组14-15、16-17与集中器20、21之间）。当然，10-19中的每一用户设备能够耦合至一单独用户终端（图中未示出），诸如与一数据设备、打印机、个人用计算机，主计算机，电话机等相耦合。

20-21中每个远程集中器位于用户终端10-17中相应分组与中央节点30之间，如图所示，它包括（a）用户接口模件（UIM）22和23，每一接口模件与用户设备10-17中有关分组的一单独部分相连，（b）一时钟模件24，以及（c）一中继模件TRK25。当然，为简明起见，每一示范性集中器20和21只包含两个接口模件，另外的用户接口模件可与所示的模件22-23并联安置，并且，通过单独的硬连线线路或者通过单独的无线线路与相应的用户设备（未示出）的其他部分相连。

每一用户接口模件22或23的作用是把从相关用户设备接收到的信号的协议转换成如由中央节点30所使用的标准网络协议，然后在合适的时间按时分多路传输（TDM）方式将该已转换的信号通过集中器母线29a传送到中继模件25，以向中央节点30传输，反之，对于双工通信的另一方向传输，则通过集中器母线29b。当一用户设备已经应用标准网络协议发出并接收了信号，相应的用户接口模件只须根据从时钟模件24接收到的时钟信号在合适的时间发送该接收到的信号。在每个远程集中器20、21中的中继模件25的作用是在合适时间在各接口模件22、23和中央节点30之间发送与该集中器有关的每一信号。时钟模件24为接口模件22和23中每一接口模件以及中继模件25提供定时信号，以便在相关的远程集中器20或21中实现协调的操作。如图所示，中央节点30包括：一个时钟模件31，用以提供在中央节点30中使用的时钟信号;网络接口单元（NIU）32-34，它们中的每一个或与远程集中器20或21中的一个单独的集中器相连，或与具有一个或多个用户设备的单独分组相连;以及一个呼叫处理器35;以及母线36和37。

为了说明本网络的运行操作，先考虑只与硬连线用户设备例如用户设备10-13相关的网络组件，即用户接口模件（UIM）22、和网络接口单元（NIU）32及34。所示的每个硬连线用户设备10-13通过终端接口线26以及一个UIM22与该网络相连接。从用户设备10-11到达集中器20中的UIM22，或从用户设备12-13到达集中器21中的UIM22的连续（话音）或脉冲串（数据）信号被形成固定长度信息包，通过中继模件25向中央节点30作高速时分多路传输，在每个信息包中设有一逻辑通道编号，该编号使中央节点30能将该信息包重新选定路线发送到连接有间接指定目标用户设备的合适的集中器20或21。中央节点30具有按每条高速无线电通信线路的速度工作的争用母线36、37，用以完成此重新选定路线工作。所有信息，包括在一特定集中器20或21处产生的信息以及指派给同一集中器的信息，都通过中央节点30选定传输路线。

正在接收的集中器将来自中央节点30的所有到达的信息包多路分离，以通过母线29b分配至合适的UIM并传输到指定的用户设备。最好在预定的通信时期的开头就由中央节点30中的呼叫处理器35为整个网络指定逻辑通道编号。在Acampora等发表在IEEE Communication Magazine1984年8月第22卷第8期第12-21页上的文章“一种应用集中母线的新局部网络结构”（A New Local.Network Architecture Using A Centralized Bus”）中叙述了另外的设备结构及操作详情。

如图1所示，可以引入无线电通信电路，可通过至任一集中器20或21中的UIM23的无线通信线路28，或者通过直接至中央节点30中的一个NIU33的无线通信线路27来引入无线电通信线路。对于无线电通信线路27而言，由于在中央节点30中包括一个NIU33，增添了从集中器20和21中的中继模件25到中央节点30的高速通信线路，而中央节点30成了提供一条高速通道的无线电基站，用以从所有设在大楼中的无线电用户设备18-19的分组收集信息。以后，通道一词意指全双工操作，具有向NIU33发送和从NIU33接收的单独的频带。该无线电通道的工作速率低于或等于中央节点的争用母线36和37上的，以及在中继模件25与NIU32和34之间每条高速通信线路上的工作速率。利用一种合适的选取协议，该无线电通道可在所有无线电用户18-19之间共用，并且，对中央节点30而言似乎是一种虚拟集中器。经过通信路线27而传输过来的固定长度信息包与从中继模件25经高速母线到达NIU32和34的信息包争用节点的母线36。根据包含在每一信息包中的指定地址，从有线通信线路26来的信息包可以由中央节点30改线送入无线通信线路27，反之亦然。

无线通信线路28建立了一条从用户分组14-15或16-17中每一用户到远程集中器20或21之一中一个相关UIM23的通信路径。虽然在与一个UIM23或NIU33相联的一个用户分组内建立了多条路径，但这些路径时分一条无线电通道。更具体地说在任何时刻，一用户分组中只有一个无线电用户可以选取该无线电通道。应当注意，没有必要在所有无线通信线路27或28上提供一个超过中央节点30的传输速率的聚合数据率，因为所有信息包必须通过中央节点30选定线路。所以，在用户分组之间复用该无线电通道是没有意义的，因为这种增加的能力不可能被应用。这样，在所有无线电用户之间合用一条通道，以中央节点30的速率操作，每个用户有可能选取整个系统带宽，避免了因不同群中的用户同时使用该通道所造成的诸群之间的干扰。从中央节点30的角度出发，从每个集中器20或21到其每个无线用户分组之间建立起的无线通信线路28就好象该集中器上的另一个有线端口（UIM22）。

单就无线通信线路而言，最好为每个UIM23或NIU33配备多副天线用以分集接收以防止多途行径衰落，而每个用户设备14-19最好只配备一副天线，虽然，也可以应用多副天线。采取在集中器20和21以及中央节点30处的有限分集的组合与资源分享，能提供任意高的可用性。在用户之间不能直接通信，因为所有用户只能与集中器20或21或中央节点30通信。应当明白，普通的媒介选取技术，如载波检测多路存取（Carrier Sense Multiple Access或CSMA）在以无线电的情况下是不适用的，因为自由空间途径损失以及多路径衰落导致信号强度变化太大，不能保证检测到所有通道使用的情况。为了使无线用户设备14-19费用低，应避免复杂的定时要求。最后，因为延迟分布（delay Spread）的问题，希望媒介选取（medium access）技术不会显著减少系统的信息流通量，并且必须配备独立的接收和发射通道以保证全双工操作。

图1所示的网络，应用了一种示范性的改进轮询技术，并具有控制发射标记（token）的中央节点30。轮询由中央节点30中的呼叫处理器35执行;通过使位于集中器20和21中的无线UIM23以及位于中央节点30中的NIU33受控于处理器35使得在任一时刻只有一个UIM23或NIU33可以向其用户设备集发送该标记。应当明白，所有无线电用户14-19无频率复用地时分一条无线电通道。

图2表示和与无线用户设备14-19相关的无线电通道一起使用的示范性轮询技术。其中把时间划分为称为帧的固定长度时间段序列，如图2上部所示。每帧的开始为轮询段40，接着是连续的（话音）通信信息包41以及脉冲串（数据）通信信息包42传输所用的多个时间段。连续通信段41的长度与连续通信量有关。周期性地发送该连续信息，每一帧周期内至少发送一次，连续信息段之间的时间间隔用以传输脉冲串通信信息。每一连续通信段传输的一个固定长度信息包的传输构成某种标准级业务，例如64kbps（每秒64千比特）。连续通信用户设备可以请求多倍这种基本速率，其方法是在每一连续通信段选取多个时隙。图2下部两行表示该轮询顺序，用于与中央节点30之间往返传输。

下列步骤是该无线电通道的示范性的总传输顺序：

1.中央节点30中的呼叫处理器35通过集中器20和21中的UIM23以及NIU33，用分信息包P1-PN依次轮询与该无线电通道相关的每一用户设备（UD）。

2.在轮询时，用户设备14-19在被轮询后根据该用户设备是否具有连续或脉冲串通信信息而应用R1-RN中有关的一个信息包依次回答，并且，如果是脉冲串通信信息，应用数据组编号;

3.然后处理器35依次向每个连续通信信息用户发送一个信号，即传输标记TS_I-TS_J，使该用户发送一以V_I至V_J表示的固定长度信息包，在每一信息包中含有一预置的数据符编号;

4.然后，处理器35依次向每一脉冲串通信信息用户发送一以TS_K-TS_L表示的信号，即传输标记，使该用户发出其以D_K-D_I信息包表示的第一数据组，然后发出第二数据组，等等;

5.在执行步骤3和4期间，在该用户设备正向集中器20和21传输V_I-V_J和D_K-D_L信息组时，处理器35正通过在这些集中器中的UIM23以相关的信息组44向用户设备14-17传输话音和数据;

6.当到了再传输连续通信信息时，则重新执行步骤3;

7.当再次轮询时，也即须开始另一帧周期时，则重新执行步骤1。

上述轮询技术满足所需的要求，因为（a）该系统优先执行连续通信，即周期性的数据或话音，（b）该系统的每个用户具有相同最大数据速率，也即具有一种合理的资源分布，它与系统负荷量有关，（c）在远程用户设备14-19处无定时要求，（d）主要由于在集中器20、21和远程用户设备14-19之间的传输延迟很短，故轮询的占空因数低，因此用此技术不会显著减少通道上的信息流通量。（e）该系统具有双工操作。

还必须考虑的是在多路径环境中，路径长度的不同在接收机处产生延迟分布。该延迟分布，也即通道中的频散或频率选择性衰落产生符号间的干扰，这限制了在一个给定的大楼里的最大数据速率，并且干扰主要和均方根延迟分布有关而不是与延迟分布函数有关。这样，在复盖范围内有使每个用户设备接收到的信号误码（BER）大于所需值的某种可能性，以后称为中断可能性，如果用户设备14-19中之一在某地点不能工作，该用户可移动其用户设备或是天线。但是，当人和物体在大楼内移动时，延迟分布随时间发生缓慢变化。因此，有希望把由于延迟分布产生的中断可能保持尽可能低，从而使无线系统与系统中任何有线部分几乎同样可靠。

除了上述技术外，可用资源共享来增加最大数据速率和/或降低中断可能性。借助资源共享，用户一般能以某高速率R₁进行传输。当在集中器20或21或中央节点30与一特定用户设备之间的通道情况使得不再能以此高速率工作时，把该速率降到某值，例如R₂，使得能够保持误码率BER指标，这种技术在卫星系统现有技术中是众所周知的，如A.S.Acampora在BSTJ 1979年11月58卷第9期2097-2111页上的文章，以及在IEEE Journal on Selected Areas In Communications，1983年1月，SAC-1卷，133-142页上的文章中所公开的现有技术，那里，应用了一组备用时隙（a pool of time Slot），并且以编码或无编码方式传较每一信息包，以降低中断可能性。虽然以此较低速率传输需要较长时间，但是同时减少的用户数通常是总体的一小部分，因而仍保持高的总信息流通量。尤其是在无衰落情况下，采用具有大的通道信令字符（Channel Signaling alphabet）的卷积码能以高速率传输信息，如上面用于7步骤传输顺序中所述，并且当衰落深度超过内部衰落界限（built in fade margin）时，减少该信令字符，并从资源共享所保留的时隙组合中借用足够的时隙，使得在衰落的场合保持该数据速率。从该现有技术得知，一小组备用时隙能保护一大群用户。在本技术中，因为通道存在频散，所以未虑在衰落情况下应用编码。

用两种传输速率实施资源共享，需要修改上述7步骤媒介选取技术。借助资源共享，在无传输障碍期间，一般以较高速率R₁进行传输。如果应用标准误差检测技术在较高速率时检测出误差，则用户设备14-19中的一个接收机，UIM23，或NIU33能请求呼叫处理器35排定以较低速率R₂再传输上一次的数据组。然后呼叫处理器35使发射机以较低速率，应用例如一个较长信息组Vi、Di或44、或两个或更多个等长信息组，在随后的相应连续信息周期41或脉冲串信息周期42期间再传输上一次信息组。例如在1982年1月5日授予A.Acampora的美国专利4，309，764中，以及前面列举的A.Acampora发表在BSTJ 1979年11月第58卷第9期，2097至2111页上的文章中，描述了实现这种资源共享技术的发射机。该发射机能够周期性地以较高速率重新尝试再传输。再传输的频度取决于通道中延迟分布的动态特性。由于通常该通道随时间的变化很缓慢，要求以较低速率传输以及以较高速率尝试再传输的情况只是偶尔才出现。

Claims

1、一种宽频带信息包通信网络包括：

多个发射机(10-19)，每个发射机与网络的一个独立用户或用户组相连，用以在一个运行的用户或用户组与该网络之间发送信息包；以及

一中央节点(30)，用以通过硬连线或无线通信线路与该多个发射机中每一发射机进行通信，

其特征在于该中央节点包括：

处理器装置(35)，用以(a)在每个主帧周期的第一分周期确定与每一发射机相关的信息包传输要求，该发射机通过一个无线通信线路与该中央节点通信，(b使每个被确定为具有信息包传输要求的无线发射机在每个主帧周期的一个单独第二分周期期间发出其信息包，(c)在每个主帧周期的所说第一和/或第二分周期，检测与每一无线发射机相关的传输障碍，以及(d)使从被确定为有传输障碍的每个发射机发送的信息包以足以减轻该测得的传输障碍的传输速率发送；以及

接收和再发送装置，用于(a)接收从该网络多个发射机发送来的信息包以及(b)通过一适当的硬连线或无线通信线路向与这些信息包的指定的用户相关的接收机再发送这些信息包。

2、根据权利要求1所说的一种宽频带信息包通信网络，其特征在于所述接收和再发射装置包括：

用以按时分多路传输方式传输从所述多个发射机来的信息包的一高速率母线（36，37）;以及

多个网络接口单元NIU（32-34），每一NIU与该多个发射机中一个或一个以上发射机所组成的一个独立分组相关联，并且经一个无线通信线路或独立的硬连线通信线路与该独立分组的发射机相连接，该无线通信线路或独立的硬连接通信线路用于接收来自该相关发射机分组的信息包，并且在一自由时隙期间在高速率母线上将每一信息包发送到与被指定要接收该信息包的用户相关联的NIU。

3、根据权利要求2所说的一种宽频带信息包通信网络，其特征在于该网络还包括：

至少一个集中器（20，21），每一集中器设置在多个发射机中一个独立分组和多个NIU中的一个预定NIU之间，每一集中器包括：

多个用户接口模件UIM（22，23），每一UIM提供了与该集中器相关的发射机分组的一独立部分的双工通信，至少一个分组部分经一独立的无线通信线路与其UIM通信，

一中继模件（25），用以按时分多路传输方式，在该集中器的UIM和中央节点中的多个NIU中一预定的相关的NIU之间提供双工通信，以及

一母线（20a，29b），用以按时分多路传输方式在集中器的多个UIM和该中继模件之间传输信息包。

4、根据权利要求1、2或3所述的一种宽频带信息包通信网络，其特征在于所述处理器装置包括：

响应于一个主帧周期的起始的装置，它用以（a）依次向该多个发射机中的每一发射机发送第一控制信号（Pi），并依次从这些发射机接收表示发射机是否有要在该主帧周期发送的信息包的第二控制信号（Ri），以及（b）响应每一个接收到的表示一个发射机是运行的且有信息包需要发出的第二控制信号，依次向各运行发射机发送第三控制信号（TSi）以便使该发射机发出要被发送的信息包，供该中央节点选定到该指定的信息包用户的路线。

5、根据权利要求4所说的一种宽频带信息包通信网络，其特征在于：

中央节点中的接收和再发送装置包括一用以检测以大于一预定值的误码率从发射机接收到信息包，并用以向所述确定和使发送信息包的装置发出独立的传输障碍控制信号的装置，以及

该确定和使发送信息包的装置响应于来自该接收和再发送装置的传输障碍控制信号，以向该被检测为具有传输障碍的发射机发送一个后继的第二控制信号，以使该发射机利用预定的资源共享技术以较低数据速率再发送该信息包。

6、根据权利要求5所说的一种宽频带信息包通信网络，其特征在于所述的接收和再发送装置包括与无线通信线路相关的分集天线。

7、根据权利要求1、2或3所说的一种宽频带信息包通信网络，其特征在于所述的接收和再发送装置包括与该无线通信线路相关的分集天线。

8、一种在多个发射机和一个中央节点之间传输信息的方法，该中央节点包括一个处理器装置，该信息传输是在一宽频带信息包通信网络中的一个主帧周期期间通过一硬连线或无线通信线路进行的，每一发射机与该网络的一个独立用户或用户组相连，其特征在于该方法包括以下步骤：

（a）在该中心节点中的所述处理器装置在每一主帧周期的第一分周期期间确定与该中央节点通信的每一发射机的信息包传输要求，

（b）使在步骤（a）中被确定具有信息包传输要求的一无线发射机在每一主帧周期期间的一独立的第二分周期发送其信息包;

（c）该处理器装置在每一主帧周期的该第一和/或第二分周期期间检测与各无线发射机相关的传输障碍;以及

（d）该处理器装置使从在步骤（c）中被确定具有传输障碍的各发射机发送的信息包以一足以减轻被确定的传输障碍的传输速率被发送出去。

9、根据权利要求8所说的方法，其特征在于该方法还包括下列步骤：

在执行步骤（a）时执行下列各分步骤：

（a1）该处理器装置依次向多个发射机中每一个发射机发送第一控制信号（Pi），和

（a2）依次从该多个发射机接收表示一发射机在该主帧周期上是否有信息包要传输的第二控制信号（Ri），

在执行步骤（b）时，执行下列各分步骤：

（b1）响应在步骤（a2）中所接收到的表示一个发射机处于运行状态并有一信息包需要传输的第二控制信号，依次向这些运行的发射机发射第三控制信号（TSi），使由该发射机发送该信息包，以由该中央节点选定线路传送到指定的该信息包的用户。

10、按权利要求8或9所说的一种方法，其特征在于在执行步骤（c）时执行以下各分步骤：

（c1）在中央节点处检测以大于一预定值的误码率从一发射机接收到一信息包;

（c2）响应在步骤（c1）中检测到大于一预定值的误码率，向被测定具有传输障碍的发射机发送一后继第二控制信号;

（c3）具有传输障碍的发射机响应在步骤（c2）中发送的后继第二控制信号，以利用预定的资源共享技术以较低的传输速率再发送该信息包，使得以低于预定值的误码率在中央节点接收信息包。