CN101707776A - 中心控制时分复用无线通信微基站网络 - Google Patents

Abstract

一种中心控制时分复用无线通信微基站网络，传统无线技术受到带宽和品质限制，只能提供窄带服务。提升无线带宽只有三种方法，即增加使用频段、提高频谱效率和提高频谱复用率。增加频段和提高效率两种手段都存在不可逾越的理论极限，只有频谱复用率具备局部提升万倍以上的潜力，因此，成为满足未来无线宽带应用的最佳途径。本发明在于解决高密度微基站网络架构及其引发的一系列问题，主要性能都大幅度超越现有的移动通信技术，将无线网络品质和容量首次提升到接近有线的水平。

Description

中心控制时分复用无线通信微基站网络

技术领域

本发明涉及无线通信网络领域。特别是一种中心控制时分复用无线通信微基站网络，网络结构包括高密度的热点和家庭网络、局域网、广域网和高速车载通信网，网络业务包括高品质实时视频通信、语音和多媒体服务。

背景技术

无线通信领域面临的最基本问题是许多用户如何共享公共的频谱资源。其中，向多用户发送混合数据，称为“复用(multiplexing)”；占用公共资源发布个人数据，称为“多址(multiple access)”。迄今为止，无线复用和多址技术只有频分、时分和码分三大类。

关于无线通信和相关固网领域的各项技术，前人已经作了大量的工作，并取得巨大成就。这些技术已经广泛地见诸于各类文献。对此作了概括介绍的有：

Matthew S.Gast所著802.11 Wireless Networks：The Definitive Guide，second edition(O’Reilly Media 2005)，中译本书名为《802.11无线网络权威指南》。

沈嘉、索士强等所著《3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计》(人民邮电出版社2008)，本书列入“十一五”国家重点图书出版规划项目。

Klein S.Gilhousen et al.美国专利5056109：Methodand Apparatus forControlling Transmission Power in a CDMA Cellular Mobile TelephoneSystem，1991-10-8.

高汉中，中国专利ZL02821413.7《一种多媒体通信的方法和系统》，授权公告日：2009-2-25。

让我们回顾无线通信发展历史，并展望未来：

第一代模拟无线通信开创了蜂窝网络结构。主要采用频分复用和频分多址(FDM/FDMA)，即不同用户使用不同无线频率，同时收发信号。蜂窝网络结构的核心优势是隔开一定距离，相同的频率段可以重复使用，因此，大大增强了系统带宽能力。为了防止信号干扰，频分技术的相邻频道必须保持足够的频率间隔，导致频谱浪费。

第二代数字无线通信主要采用时分复用和时分多址(TDM/TDMA)，即小区内不同用户使用相同频率，不同时间收发信号。由于时隙分配不灵活，导致资源利用率不高。

第三代无线通信主要采用码分复用和码分多址(CDM/CDMA)，不同用户用相同频率，同时收发信号，但使用不同的编码。为了形象化解释码分技术，可以用鸡尾酒晚会模型，即许多人同时在一个大厅中交流，如果使用不同语言，别人的谈话可以当着背景噪音。从理论分析，码分技术的效率高于传统的频分和时分技术。

第三代以后，即第四代(B3G，Beyond 3G)，随着数字处理技术进步，人们发现只要严格控制信号相位，可以大幅度缩小传统频分技术的频道间隔。这项改进后的密集频分技术，即所谓的正交频分复用和正交频分多址(OFDM/OFDMA)。由于分解多个子频道，有效降低了无线信号的码间干扰，同时具备很高的频谱效率。尤其与多天线技术(MIMO)结合，更加适合大带宽和复杂反射波的环境。

上述历史显示，无线通信从第一代发展到第四代，都沿用了所谓的蜂窝结构。具体表现在蜂窝内部，即一个无线基站的覆盖小区内，采用一种复用和多址技术。但是，在蜂窝之间，采用另外一层独立的技术，或者说，存在着明显的蜂窝边界。

另外，上述技术的核心原理全部依赖提高频谱效率。站在未来更高需求的角度，由于受信道容量理论限制，上述所有提高频谱效率的技术都不足以在现有蜂窝网络架构上，将无线通信技术推进到高品质视频所需的带宽能力。也就是说，不足以将网络业务主体从语音推进到视频，引发下一波有商业价值的应用。

我们知道，高品质视频需要大带宽。实际上，提升无线带宽只有三种方法，即增加使用频段、提高频谱效率和提高频谱复用率。受到电磁波本质限制，适合无线通信的频谱只有一小段，频谱是极为宝贵的公共资源，因此，新增使用频段非常有限。从3G到B3G和4G，通过复杂技术提升10倍频谱效率耗尽了无线通信领域技术人员20年的努力。也就是说，在频段使用和频谱效率上存在着不可逾越的理论瓶颈。但是，只要减小覆盖半径，例如32倍，即采用微基站网络架构，就可以扩大频谱复用1000倍，两者差距达到惊人的100倍以上。很明显，大幅度提升无线网络带宽的主要手段不在于过分强调提高频谱效率，而是在于缩小无线覆盖半径，相同的空间频率资源可以无数次重复使用，即采用微基站网络架构。

我们还知道，高品质视频除了需要大带宽，而且需要流畅的品质保证的带宽。在外部干扰基本恒定情况下，无线通信品质下降主要发生在距离基站天线较远的边缘区域，那里的信号强度相对较弱。很明显，实现无线传输品质保证的有效途径是基站信号深度覆盖，避免使用信号强度弱的边缘区域。

但是，采用深度交叉覆盖的高密度微基站网络架构必然引发其他问题，尤其是面对极端环境，如用户稠密的居民区，无线信号完全重叠，难以有效避免信号干扰，难以杜绝非法占用他人网络资源。或者，当无线终端以数百公里时速穿越无数个微基站时，难以实现基站间的无损切换，难以避免丢包造成的双向实时高清视频流品质下降。

发明内容

提高基站密度能够提升系统带宽，这是无线行业的基本常识。但是，高密度基站必然带来许多其他问题，本发明的目的在于提供一种中心控制时分复用无线通信微基站网络，通过提高基站密度以解决提升系统带宽的问题，超越当前无线网络所局限的窄带应用。解决了由于高密度基站必然带来的一系列的其他问题，实现包括高品质实时视频通信在内的全部网络业务，并适应高密度热点、居民小区和高速车载移动等网络环境。

本发明的技术解决方案如下：

一种中心控制时分复用无线通信微基站网络，特征在于其构成包括光纤固网、无线网络、多个同质基站的基站群和众多无线终端，所述的基站和众多无线终端使用单一频率、单一编码和单一收发机制；所述基站群中有一个或一个以上主基站，无线终端与基站之间由无线网络联系，所有基站用高性能光纤固网连接，所述的无线终端和基站通过所述的主基站连接外部网络环境；所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络实行主基站中心控制的时分复用和时分多址的通信，所述的主基站包含网络管理服务器；该网络管理服务器指令控制所属的每个基站和每个无线终端的数据发送功率和发送时间。

所述的基站群由均匀分布或非均匀分布的基站构成，所述的主基站网络管理服务器指令控制所属每个基站所覆盖的小区边界随网络流量分布的动态变化，达到既关联又不干扰.

所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络还有多个中继站，所述的基站用同质无线网络连接所属的中继站，以增加无线网络的覆盖范围。

所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络还包括用高性能光纤固网连接多个无线局部网络；连通固网用户、固网内容和服务供应商；整合固网构成一个规模更大、功能更全的无线网络。

所述的主基站被授予一个固网地址，所述的无线终端在入网期间的固网终端地址TA是固定的，被授予一个固网地址和一个临时分机地址；每个无线终端与多个基站保持连续通信能力，称关联，并从不同基站获得基站频道号，基站号与基站频道号合起来称为逻辑通道号；主基站根据每个无线终端的多个逻辑通道号，选择最佳连接作为该无线终端在无线网络中的服务通道；主基站将无线无线终端的服务通道映射到该无线终端的临时分机地址，无线终端就具备在固网的定位能力，能够使用固网提供的各种服务，并且精确计费。

所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络中，当一个无线终端与基站的相对位置发生变化时，该无线终端与多个基站的关联状态相应改变，主基站立即改变该无线终端的服务通道映射关系，而该无线终端在固网的地址不改变；所述的无线终端高速跨越基站群的过程中实现无损切换。

多个基站和无线终端利用不同时隙发送数据包，必须实施全网数据帧同步；所述网络采用了全网准同步方法，即允许基站设备的发射时间有少量抖动，但不允许积累误差；所述网络采用多级同步机制，即多个局部无线网络主基站间同步、局部无线网络内基站间同步和时分多址帧内数据包间同步；所述网络的准同步方法通过发送定时信标、测量双程传输时间、通过软件协议纠正单程传输延迟来实现。

所述主基站收集网络覆盖范围内所有基站和无线终端收听到的其他基站和其他无线终端的信号强度信息；主基站根据这些信息，发送指令至每个基站和无线终端，调节基站和无线终端的发射功率，或者发射功率和天线波束，使得基站和无线终端在局部区域达到最佳动态信噪比；该功率控制精确到基站和无线终端的每一个数据包。

所述的主基站根据每个无线网络用户的资源需求和每个基站拥有的无线终端服务通道，动态地分配网络带宽资源；每个基站根据主基站配给的网络带宽资源和无线终端服务通道，组织本基站局部区域的时分复用和时分多址帧；多个局部帧在数据发射时间上互相错开，合成一个完整的无线网络数据帧；在一个多基站组成的无线网络中，根据无线终端动态的位置和流量分布，多个基站共同组织一个完整的无线网络数据帧，达到单个基站来说没有明确的覆盖边界；经过主基站的发射功率调整，或者功率和天线波束调整，基站间信号互不干扰，多个数据帧同时发送。

由多个基站和多个无线终端共同组帧，所述无线网络的数据帧中每一段都留有可变的帧复用时隙，允许多个局部帧叠加组成一个完整的结构，一个数据帧的有效数据部分必定落在其他数据帧的复用时隙中。

所述无线网络的数据帧由同步段、帧头段、竞争段、下行段和上行段五部分组成，由于主基站管理中心至各个基站的信标传递都通过光纤网络，不占用无线资源，因此，所述的同步段不属于帧内结构，只是借用了上一帧时间；所述的帧头段标定本帧结构在局部区域的起始时间，还包括本无线网络的基本信息和上行段、下行段每个时隙所对应的无线终端逻辑通道号；所述的竞争段用于尚未取得关联的无线终端经由指定基站执行网络公共端口查询指令；所述的下行段用于发送多个基站至多个无线终端的指令和数据包；所述的上行段用于发送多个无线终端至多个基站的指令和数据包.

所述的无线终端获得基站关联后，该无线终端的所有信令包和数据包都严格按照所述的帧头段信息中规定的功率和时隙进行发送。

所述主基站和基站通过执行端口查询和状态查询两组协议指令，实现基站设备即插即用的能力；端口查询是主基站网络管理服务器不定目标地向可能连接的基站设备的端口发送网络地址和当前配置信息，任一基站设备回答端口查询并告诉网络管理服务器的自身信息，实现双方的信息交流，完成基站设备或无线终端或中继站的自动入网流程；所述的状态查询是主基站网络管理服务器针对每个已入网的基站设备发送查询指令，基站设备向网络管理服务器报告自身状态和周边环境状况，以随时了解当前网络的运行细节。

用户通过无线终端使用所述无线网络服务无需另行认证，无线接入服务费按次精确计算，计入用户注册地服务器的账单，同时计入服务提供地无线局域网的服务清单，根据这些信息实现用户付费、无线局域网和固网收益分成的商业模式。

本发明超越传统无线蜂窝网络结构限制，基站不均匀分布，并且取消小区或蜂窝边界。通过高密度基站群覆盖无线热点区域，通过高性能固网连接无数个无线热点、固网用户、内容和服务供应商，全面整合桌面、客厅和移动三大网络平台。

任何技术手段都有得有失，本发明的核心思路是四项创新的资源配置：

第一，大幅度增加基站数量，牺牲空间覆盖范围，换取大幅度增加全系统的带宽容量，即大幅度提高频谱复用率。由于空间面积与基站覆盖半径之间，存在平方关系，从宏蜂窝到微基站，系统局部带宽提升潜力可达万倍以上。

第二，既然带宽资源潜力充分，那么，只需使用天线附近的优质带宽，配合防止信号干扰的措施，就能够满足系统高品质的传输要求。或者说，采用多基站深度交叉覆盖，放弃使用弱信号的小区边缘区域，牺牲带宽利用率换取实时无线传输高品质。

第三，如果单个基站的覆盖范围很小，必然引发许多其他问题，例如，无线信号干扰，无线终端在不同小区之间频繁切换，以及大量基站的管理和成本。本发明认为，所有这些问题都必须从全局角度谋求解决方案，也就是说，用宏观的高性能固网优越性，解决微观的无线网络难题。

第四，既然使用大量微型基站，或者说，基站密切贴近用户，那么，采用不均匀的基站安装位置和动态基站边界调整手段，就能使资源配置更加符合需求分布。实际上，本发明用精确的动态管理方法，突破传统蜂窝网络的系统架构，提高无线资源配置的合理性。

综上所述，本发明是用工程上的复杂度，即大幅度增加基站数量，换取理论上的不可能，即在频段使用和频谱效率上不可逾越的瓶颈，实现传统技术不可比拟的无线网络环境。令人惊奇的是，根据本发明提出的优化方法，在成熟技术基础上，本发明在工程上并不复杂。

在新的网络条件下，重新审视“复用和多址”技术，本发明发现，传统时分技术的最大优点是只需单个无线收发机就能满足带宽和低价的基本要求.因此，本发明在时分技术的基础上，增加了多基站统一资源协调和统计复用技术，突破蜂窝结构，取消蜂窝边界.本发明称为中心控制的时分复用和时分多址(CTDM/CTDMA)，是改进后的密集时分技术，简称为中控时分技术.实际上，本发明的实验网络是在OFDM/MIMO无线局域网技术基础上，实现宏观上的CTDMA.

假定人类居住地普遍具备电力、自来水、燃气和排污管道，当然，很自然包括通信光缆。也就是说，现代人类居住结构具备了建设高密度无线基站的固网基础。如果单个无线基站能够提供的带宽远大于单个用户的需求(10倍以上)，那么，不论用户密度有多高，只要适当调整发射功率或者天线波束，总是能够部署足够多的无线基站，将用户从信号干扰中区隔开来。或者说，不论带宽需求多大，不论传输品质要求多高，本发明的中控时分技术在理论上一定能够满足人类日常活动范围内无线通信的全部需求。当然，如果要集中控制无限多个微基站，技术和经济上均不可行。因此，本发明的无线网络实际上是无线局域网概念，将网络管理的复杂度限制在一个局部可控的范围。其实，所谓的局域网只是网络拓扑概念，本发明可以是单基站家庭网络，也可以是数千基站的大网。在空旷区域，采用定向天线和高品质收发器，本发明的覆盖半径可以从几米，扩大至数公里。

为了形象化解释本发明的中控时分技术，本发明比喻为一把绿豆和一把红豆撒在盘子里，绿豆表示自由移动的无线终端，红豆表示固网光纤连接的基站，其中有一个提供中心控制的主基站。主基站通过光纤通知所有基站逐个发布查询指令，所有无线终端和基站回答查询指令，并集中到主基站统一分析。主基站即刻知道每个基站能够与那些无线终端关联(association)，每个无线终端能够与那些基站关联，以及哪些基站与无线终端之间存在信号干扰(interference)。也就是说，主基站知道基站与无线终端的关联、不关联和干扰关系。主基站通过多向闭环发射功率以及天线波束调整，增加或减少基站与无线终端的关联度，实现全网最佳信噪比分布。

一般情况下，每个无线终端可能从多个关联基站中分配到多个逻辑通道号码(logic channel number)，主基站根据这些逻辑通道的信噪比，选择每个无线终端的服务通道(service channel)。并且根据需要，为局域网中所有基站/无线终端连接预留带宽。在每个中控时分多址帧(CTDMA frame)，主基站向所有基站发出时隙分配、功率和天线控制指令，确保基站和无线终端在各自规定的时隙内，按规定的发射功率和天线波束，互不干扰地收发数据。当无线终端和基站的相对位置发生变化，主基站只需改变无线终端的服务通道，即无线终端地址与逻辑通道号码的映射，就可以保证高速车载移动通信过程中的基站间无损切换。

本发明的技术有益效果

1、本发明在传统时分基础上，增加了多基站统一资源协调和统计复用技术，突破蜂窝结构，取消蜂窝小区边界，用有线固网统一解决大量无线基站的协调和管理难题。本发明称为中心控制的时分复用和时分多址(CTDM/CTDMA)，是改进后的密集时分技术。这项技术解决了现有无线通信的带宽资源限制、传输品质限制和基站间高速无损切换三大难题。实际上，上述主要性能指标都大幅度超越现有的移动通信技术，将无线网络的品质和容量首次提升到接近有线固网的水平。

2、无线网络带来的便利性是未来消费者服务的必然趋势，但是，大规模贴近消费者的无线网络服务必须依赖高性能有线固网的支撑，而且，大量的网上内容都在有线固网上传递.当前，移动通信和传统电信分离的网络架构实际上建立了两张重叠的网络，仅在少数点上通过网关互联，各自具有难以弥补的局限性，造成网络服务长期萧条和网络资源巨大浪费.本发明整合固网和无线网络，整合以后的统一网络能够大大超越传统无线和固网服务的总和，极大地提升了社会资源配置的合理性，有效推动人类社会进步.

3、本发明的有益效果还具体表现在不同情况下的CTDMA宽带网络应用。

在城市人流密集的热点区域，如：校园、咖啡茶室、商场、展会、运动会、车站、候机楼等。这些区域移动无线终端密度大，一旦普及宽带业务，带宽需求将远远超过传统基站的能力。本发明通过集中管理的高度密集基站群，在空间上分割人群，相对降低每个微基站服务区内的无线终端数量，如果基站间距缩小到10米以下，系统带宽增益可达100倍以上。

在高密度居民区，无线信号完全重叠，本发明从结构上确保无线频谱管理能力。本发明所描述的动态时隙和发帧权中心控制机制，能够彻底消除信号间互相干扰，同时，严格防止侵占他人的网络资源。

在乡村地区，采用微基站与宏基站重叠结构，能够兼顾用户大量集中和少量分散的位置分布状态。如果发现某一区域带宽不够，只需在那里适当加装基站即可。本发明所描述的多向闭环发射功率和天线波束控制、以及基站即插即用机制，能够自动缩小周边基站的覆盖范围，在该局部区域内，自动提升系统的带宽能力。

在铁路和隧道沿线，微基站单方向排列，本发明能够实现高速车载移动通信。当无线终端以数百公里时速穿越无数个微基站时，可能每个基站只收发几个数据包，甚至一个数据包都来不及发送。本发明所描述的高速无损切换机制，能够确保多向实时高清视频流的丢包率控制在万分之一以下(0.01％)。

附图说明

图1表示本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络的系统架构

图2是本发明基站的硬件结构

图3是本发明基站硬件地址映射局部结构

图4是本发明基站硬件数据交换局部结构

图5是本发明基站软件结构

图6表示本发明单个基站和相关联的无线终端组成的CTDMA局部帧结构

图7是本发明单个基站和相关联的无线终端组成的CTDMA组合帧结构

图8是本发明主基站中心控制流程之一——主基站向被管设备发送网管状态查询指令

图9是本发明主基站中心控制流程之二——主基站接收被管设备发回的状态应答指令

图10是本发明主基站中心控制流程之三——主基站具体执行中心控制算法

图11是主基站中心控制数据结构——基站信息表数据结构

图12是主基站中心控制数据结构——终端信息表数据结构

图13是网络管理中心控制流程

图14是用户服务中心控制流程

图15是发射功率中心控制流程

图16是流量分布中心控制流程

图17是信标同步中心控制流程

图18以机场候机厅为例，表示本发明在高密度热点区域的实际应用。

图19表示本发明无线网络应用于高密度居民社区的案例。

图20表示本发明无线网络应用于乡村地区的案例。

图21表示本发明无线网络应用于道路沿线区域的案例。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

为了明确地公开本发明的技术方案，需要从多个角度来描述本发明。首先，清楚定义本发明与众不同的技术术语。其次，从系统角度说明主要算法原理，得出本系统在理论上的可行结论。然后，实施方式从功能角度说明本发明的主要技术原理。最后，附图说明进一步从结构和实际应用角度解释本发明的实施细节。需要指出的是，功能和结构不一定一一对应，有时一个功能需要多个结构来实现，有时一个结构能够同时实现多个功能。

一、术术语和解释

为了正确描述本发明的技术方案，有必要对下列技术术语作专门定义：

CTDM(Centralized Time-Division Multiplexing)：中心控制时分复用。

CTDMA(Centralized Time-Division Multiple Access)：中心控制时分多址。

中控时分多址帧(CTDMA Frame)：由覆盖区内上下行通道共同组成数据结构，包括：帧头、下行段、竞争段和上行段。每段都采用中控时分复用和时分多址(CTDM/CTDMA)，并由基站负责分配帧内带宽资源，详见帧结构图6和图7。

MP互联网(MP Internet)：能够提供高品质实时视频通信，包括其他任意服务，具备严格管理、安全和品质保证，整合桌面、客厅和移动应用环境的新一代互联网。

MP无线局域网(MP Wireless LAN)：MP互联网的无线接入手段。

服务节点(Service Node)：在无线网络之上提供网络服务，例如，网络管理、用户帐户管理、用户间数据交换、网络存储内容服务、网络运算力服务、与其他网络的互联互通等。每个服务节点管理有限多个用户(如一万户)，多个服务节点通过固网连接成MP互联网。

4ESS(Class 4 Electronic Switch System)：美国AT&T公司生产的长途电话交换机。

5ESS(Class 5 Electronic Switch System)：美国AT&T公司生产的本地电话交换机。

无线终端(Wireless Terminal)：连接无线收发机(Transceiver)的用户端设备。

基站(Base Station)：通过带宽和品质保证的高性能有线连接MP服务节点，带管理功能的无线收发机，提供无线终端接入。本发明的基站结构详见图2、图3、图4和图5。

主基站(Master Base Station)：在CTDMA无线网络，连通外部服务和高层管理的第一个基站，并管理本局域网。在MP互联网中主基站被看作一个用户，有许多临时分机。

中继站(Relay Station)：通过无线网络连接的基站，提供无线终端接入。中继站用于扩大基站的覆盖范围，由于多一层无线接力，中继站多消耗一倍用户带宽。

次级中继站(Secondary Relay Station)：一个无线基站通过近距离有线连接到另一个射频阻挡的无线基站，实现数据透明传输。通常这两个基站间无线信号有很大衰减，例如：封闭的车厢内外。

下行通道(Down Link)：从基站/中继站到无线终端的数据通路。发送方可能有多个基站/中继站时分组合，接收方是覆盖区内所有无线终端。

上行通道(Up Link)：从无线终端到基站/中继站的数据通路。发送方是覆盖区内多个无线终端，接收方是多个基站/中继站。

逻辑通道号码(Logical Channel Number，简称为LCN)：在一个CTDMA无线局域网中，无线终端在入网期间的固网终端地址TA是固定的，但是，无线终端的位置可以移动，在局域网内用临时分配的逻辑通道号码表示。LCN包括基站和基站内关联无线终端的相关信息。一个无线终端可能被分配多个LCN。

服务通道(Service Channel)：由于每个无线终端可以关联多个基站，主基站在多个关联基站中挑选一个逻辑通道号码LCN作为“服务通道”。主基站了解本局域网的整体环境，选择服务通道的依据是一个加权值：信号强度，基站优先于中继站，带宽富裕优先于拥挤。无线终端必须回答所有关联基站的指令，并且只能通过服务通道申请和执行服务内容。

无线终端地址(Terminal Address，简称为TA)：代表MP互联网无线终端的当前地址，显然，固网家庭注册地址通常不会变。如果用户进入另一地区的固网，就会被授予一个新的终端地址，即漫游地址。如果用户在另一地区进入固网其他用户的局域网，则除了局域网地址外，还会被分配一个新的分机地址。如果用户在另一地区进入MP无线网络，则无线主基站地址对应于漫游地址，终端分机地址对应于主基站选定的服务通道逻辑号LCN。

用户号码(User Number)：代表MP互联网用户的永久性账户号码，用户呼叫时使用本号码，不会随用户所处的地理位置而改变。

复合基站(Compound Base Station)：一个基站和多个相邻的中继站组成一个复合基站。通过中继站，用无线带宽资源换取更大的覆盖范围。

局部复合基站(Partial Compound Base Station)：在复合基站中，基站和部分中继站构成一个临时组合，激活并共享同一个MP时分复用帧，称为局部复合基站。一个复合基站可以定义多个局部复合基站。

激活基站(Active Base Station)：当前正在发送数据的基站或复合基站。由主基站分配局域网内所有基站的发帧权，即激活该基站。

覆盖范围(Covered Range)：一个基站/复合基站/局部复合基站的信号覆盖范围必须通过人工实际测量，得到确切的信号分布强度和边界，此覆盖范围确定交叉与非交叉。

交叉覆盖组(Cross Covered Group)：多个基站/局部复合基站，信号互相交叉覆盖，因此，必须通过时分方法隔离干扰，称为交叉覆盖组。

非交叉覆盖组(Non-cross Covered Group)：两个基站/局部复合基站，信号不互相交叉覆盖范围，同时信号不互相干扰，称为非交叉覆盖组。

深度交叉覆盖(Deep Cross Coverage)：多个基站/局部复合基站互相紧密交叉覆盖，因此，无线终端在此区域内的任意位置都能得到足够高的信噪比，保证传输品质。采用深度覆盖方法一般会导致系统带宽利用率下降。

端口查询(Port Inquiry)：主基站的网络管理服务器试探性地向可能连接的网络设备的端口发送网络地址和当前配置信息，该可能连接的网络设备回答端口查询并向网络管理服务器告诉自身信息，实现双方的信息交流，即可完成自动入网流程.

状态查询(State Inquiry)：主基站的网络管理服务器定时针对每个已入网的设备发送状态查询指令，该网络设备向网络管理服务器报告自身状态和周边环境，因此，主基站的网络管理服务器能够随时了解当前网络的运行细节。

即插即用(Plug & Play)：无需复杂网络规划和参数配置，基站自适应入网，详见图13及其说明。新增基站自动入网后，周围其他基站自动缩小覆盖范围，在该局部区域内，自动提升系统的带宽能力。

同质通信(Homogeneous Communication)：网络设备采用相同频率、编码方式和协议流程，只要满足一定的信噪比，就能建立可靠的通信连接。具体说，网络收发机的差别只是发射功率、天线波束和发送时间。

关联(Association)：具备足够信号强度，确保传输品质。无线终端回答基站发出的无线帧指令，得到确认，并分配逻辑通道号码(LCN)，此时称为“关联”。单个无线终端可能与多个基站保持动态的关联。

干扰(Interference)：能够接收到基站和无线终端的无线信号，但信号强度不足以建立关联，可能降低本身数据连接的可靠性。

带宽富裕度(Degree of Bandwidth Sufficiency)：CTDMA无线网络中所有基站带宽总和与设计用户带宽需求总和之比。

关联度(Degree of Association)：表示与单个无线终端关联的基站总数，或者，与单个基站关联的无线终端总数，包括每个关联设备的加权信号强度。

干扰度(Degree of Interference)：表示与单个无线终端关联或干扰的基站总数，或者，与单个基站关联或干扰的无线终端总数，包括每个关联或干扰设备的加权信号强度。

布局(Layout)：这是一个建立CTDMA网络的过程，由自动和人工操作联合组成。

认证(Authentication)：主基站将确定服务通道的无线终端报告给固网节点服务器，如同用户固网无线终端上电。同样，无线终端与局域网失去连接，相当于固网无线终端下电。只不过主基站代替无线终端完成所有网络管理端口和状态查询协议。

切换(Handover)：主基站改变无线终端的服务通道称为“切换”，主基站在状态查询过程中获得无线终端的所有关联参数，并作为切换的依据。修改无线终端连接信息表即完成切换，不必通知无线终端本身。其实，移动无线终端本身一直在监测所有基站的帧头指令，获得多个基站的LCN号码，并直接响应合乎自己逻辑号的数据包。如果切换发生在无线终端执行用户服务过程中，主基站同时改变用户数据的流向。

无损切换(Lossless Handover)：在任何情况下，不会因为切换导致丢包的切换。

漫游(Roaming)：不论固网还是无线，无线终端异地入网都称为漫游。如果固网或无线终端异地漫游，当地节点服务器根据无线终端号码，必须向用户注册地节点服务器确认身份和权限。同样，漫游无线终端的服务帐单必须寄回注册地。

精确计费(Accurate Billing)：网络服务按次计费，并且，细分为网络交换、内容服务和无线接入三部分，分别产生用户账单、网络运营商服务清单、内容供应商服务清单和无线接入服务清单。

二、算法原理

算法原理用于阐述本发明无线网络的可行性。

传统TDM/TDMA无线时分技术每个基站规定了一个覆盖小区，区内无线终端在不同时段使用基站的带宽资源，相邻小区之间通过其他方法，如频分技术隔离，避免信号干扰。

本发明在网络架构上突破传统无线蜂窝结构，对多基站实行统一的宏观时隙分配，同化所有基站。根据无线终端分布密度和通信流量，动态地调整小区分界。

举例来说，在限定区域内，本发明采用高密度基站分布，通过指定的主基站集中管理和严格控制所属的基站和无线终端的发射功率、天线波束和发射时间。假设N台带宽为B的基站组成CTDMA局域网，通过调整关联度和干扰度，能够得到系统总带宽W＝KNB。其中，K称为交叉覆盖系数，或者CTDMA系统效率(0＜K＜1)，K＝1表示无交叉覆盖，K数值小表示深度交叉覆盖。显然，深度交叉覆盖降低了系统效率，但是，能够换取更高的传输品质。

如果：N＝1000，K＝30％，系统总带宽得以提升300倍。

通过工程设计我们可以得到：

假设无线终端平均带宽需求为A，

基站最大带宽能力为B(实际采用廉价WLAN芯片)，

工程设计保证：B＞A，(例如50倍以上)。

在一个区域内：

假设无线终端密集度可以预测，即无线终端总数不超过M，

假设基站安装允许任意密集，即基站总数为N，

通过安装足够基站，总能保证：BN＞AM，

并有足够带宽富裕度：F＝BN/AM＞1，(例如10倍以上)。

由于基站安装密度高，一个无线终端可能与多个基站关联，并受多个基站和无线终端干扰，

假设关联度为：G，假设干扰度为：H，

显然：H＞G，(例如H＝4G)。

直观分析得知：增加无线终端和基站的发射功率，必然导致周围局部G和H增加，相应地，减少无线终端和基站的发射功率，必然导致周围局部G和H减少。因此，动态调节无线终端与基站发射功率，总可以将关联度和干扰度控制在适当范围，

例如：G＝3，H＝10。

通过对区域内无线终端和基站宏观错时发射控制：

能够选择多组关联的无线终端和基站同时提供通信业务，并保证足够的通信带宽，并且，同时关闭可能引起干扰的无线终端和基站，保证足够通信品质(信噪比)。

通过对区域内无线终端地址与位置(逻辑通道号LCN)的动态映射：

能够在无线终端高速移动情况下，实现基站间无损切换(保证不丢包)。

直观分析得知：

在带宽富裕度大于干扰度的前提下，即F＞H：

如果关联度G＞1：就能保证静止或低速无线终端通信，

如果关联度G＞2：就能实现高速移动无线终端通信。

我们知道，在传统宏蜂窝架构的无线通信系统中，通信带宽需求主要发生少数热点区域。由于热点区的无线终端相对集中，一个基站要服务大量无线终端，导致通信带宽严重不足，成为制约无线通信能力的主要瓶颈。本发明通过大幅度增加局部区域的基站密度(基站间距甚至可在10米以下)，相对而言，无线终端密度大幅度下降，每个基站只需服务少量无线终端，因此，系统带宽能力大大增加。实际上，本发明就在于解决高密度基站群带来的一系列问题。

三、具体实施例

1)无线微基站网络系统架构

本发明所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络的系统架构是由高性能固网连接多个无线基站，或者复合基站。

本发明所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络有两种组网方式，第一种是独立成网，提供一个封闭区域内的无线通信服务。第二种是无线局域网，或者说，作为MP互联网的接入手段。MP互联网与传统电话网络类似，有两层结构，即由服务节点(类似5ESS)连接有限多个用户(如一万户)，然后由骨干网交换机(类似4ESS)连接任意多个服务节点扩展成全球网络。

如果是独立的无线网络，则所有网络数据交换都在主基站实现。

如果是MP无线局域网，则主基站成为高性能广域网(MP互联网)的服务连接点。MP无线局域网中的所有数据交换，包括内部通信和外部服务，都在MP互联网的服务节点实现。根据MP互联网结构，每个用户都可建立一个家庭局域网，并有数万个分机地址。因此，MP无线局域网实际上可以看成MP互联网的一个用户内部网络。移动无线终端可以看成无线终端异地漫游，在当地获得一个临时分机地址。

每个MP无线局域网都有一个主基站，通过高性能固网连接其他基站。主基站执行中心控制，全网同频同质无线收发、时分复用和时分多址、网络同步和无损切换。

本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络架构具备如下全新特性：

第一，微基站结构(基站距离可以小到10米以下)，大幅度增加频谱资源的空间复用率，满足大规模视频应用所需的带宽能力。

第二，基站间信号深度交叉覆盖，避免了低信噪比的边缘区域。主基站中心控制的时分多址，严格杜绝信号干扰，确保全部通信品质满足实时视音频通信的需求。

第三，采用高速无损切换方法，严格杜绝小区间信号切换造成的丢包现象，确保数百公里时速车载无线终端通信流畅，几乎为零的丢包率。

第四，在一个区域内，根据潜在用户分布，不均匀选择基站位置。另外，本发明突破传统的蜂窝基站小区界线，主基站中心控制的无线终端服务通道，能够随当前无线终端分布密度和通信流量，动态地改变基站的小区边界。

2)无线微基站网络的物理层结构

由于本发明通过安装高密度微基站，局部带宽增长潜力达万倍以上，因此，微基站设计不再强调频谱效率和申请更多使用频段，降低设备成本和简化安装管理流程成为最重要考量.本发明所描述的无线微基站使用单一物理层技术，在相同的频段，实现同质通信.显然，借用现有廉价的无线局域网技术是最佳选择.但是，现有无线局域网的接入点(AP)不具备CTDMA所需的管理能力，因此，本发明保留现有无线局域网的物理层，实际上，就是在现有无线局域网(如IEEE802.11n)物理层技术的基础上，重新设计符合CTDMA帧格式，并能够执行CTDMA中心控制的媒体接入层(MAC).详见图6图和图7、及其说明.本发明所描述的廉价微基站只有一包香烟大小，通过光纤连接成网.

3)网络无线终端定位

网络无线终端定位指的是如何在茫茫网络中找到用户指定的无线终端。

为了说明本发明的无线终端定位原理，先从固网引出无线，并且，分四种情况论述：

第一，固网家庭局域网：

在当前的IP互联网中，网络地址(IP地址)同时代表了用户身份和无线终端。如果用户带着无线终端到一个新地方入网，IP互联网必须通过路由器才能搜索到无线终端的IP地址。另外，如果用户拥有多个无线终端，必需申请多个独立的IP地址。也就是说，在IP互联网看来，多个无线终端意味着多个独立管理的用户。在MP互联网中，用户号码只代表用户的身份和账号，网络地址代表无线终端在网络中的具体位置，或者说，网络地址好比是街道地址，是网络固有的，无线终端在不同地理位置获得不同的网络地址。用户注册时，只要在网络管理服务器建立用户号码和地址的映射关系，网络交换机只需根据地址就能找到无线终端，省去了路由器。另外，如果用户拥有多个无线终端，只需一个用户号码附带许多分机号，这样大大简化了用户账号管理。在当前条件下，大部分用户家庭都有多个无线终端，因此，可以建立用户家庭局域网。这个家庭局域网使用网络地址代表在MP互联网中具体的地理位置，再用多个分机号代表该家庭多个无线终端设备。当然，为了便于记忆，IP网络地址可以映射到用户域名；同理，MP用户号码和分机号也可以映射到用户名称。

第二，固网异地漫游：

MP无线终端进入异地网络，即被授予新的网络地址。在入网过程中，当地节点服务器看到外地用户号码，向该用户注册地节点服务器查询用户信息。如果查询无误，允许向该无线终端提供服务，并将账单计入该用户注册地的账号中。若当地节点服务器收到无效号码，查询信息有误，或该无线终端不具备漫游许可，当地网络拒绝向可能失窃的无线终端提供服务。由此可见，MP网络用户漫游好像进入异地的百货公司，接受异地服务和价格，只是将账单寄回家而已。

第三，无线家庭局域网：

在阐述了固网无线终端定位以后，再来看无线终端的特殊情况。

如前所述，本发明可以看作无线局域网。因此，能够与MP互联网的家庭局域网直接对应。用户网络地址就是无线基站的地址，如果家庭局域网有多个无线基站，网络地址就是无线主基站地址。如果用户有多个无线终端，每个无线终端都获得一个分机号：如果是无线终端，这个分机号直接映射到无线基站的逻辑通道号LCN。

第四，无线异地漫游和车载通信：

经过前面层层铺垫，就容易理解本发明所描述的无线终端定位问题。

本发明所描述的无线网络，其实就是将家庭无线局域网的定义扩展为向公众开放，并且，规模有所放大而已.任意一个无线局域网感知到新的用户无线终端进入其覆盖区，根据无线终端的用户号码，向该用户注册地服务器确认用户身份.如果审核无误，立即授予该无线终端一个临时网络地址，不论该用户是否申请网络服务，该无线终端将与多个无线基站保持关联，即保持多个小流量通信联系.实际上，无线局域网的主基站根据多个基站对该无线终端的关联度(如信噪比)，选择其中一个逻辑通道号LCN作为服务通道.因此，本发明解决无线异地漫游和车载通信的方法，分为三部分组成：首先将用户身份账号与无线终端物理位置分离，即永久的用户号码和临时的无线终端网络地址，并在节点服务器建立映射关系；其次在全局范围，完全服从固网的定位方式，即使用无线终端地址和分机号；最后在局部范围，遵循无线局域网结构，将临时无线终端地址映射到主基站网络地址，无线终端分机号映射到某个基站的逻辑通道号.根据这样的安排，无线终端可以加入任意地点的网络服务，无需另行认证.用户服务账单自动寄回用户注册地服务器，另外，用户使用了某个无线局域网的接入服务也会留下记录，以便该无线局域网的经营者分享收益.

4)网络服务申请和商业模式

本发明的网络只需提供单一服务类型，即带宽按需随点。消费者申请服务无非是根据该服务的要求向网络管理申请资源，其中包括带宽和通信路径(起始终点地址)。对于某些智能化网络应用，无线终端可能同时从服务菜单获得一个软插件，用于指导无线终端的行为。

本发明的网络只需提供单一传输类型，即安全、即时、品质保证、和可管理的最高等级，也就是说，在本发明的网络中，没有传统意义上中等或低等的传输品质。显然，宽带业务以视频为主，对于那些传输品质要求不高的业务来说(如邮件)，无非是一个免费升舱而已。

本发明的网络只需提供单一用户类型，即用户除了申请使用网络内容和服务供应商提供的应用外，还能够向其他用户提供服务。也就是说，在本发明的网络中，消费者和供应商都属于用户，只不过供应商通常是大一点的用户而已。

本发明的网络只需提供单一按次精确计费，并细分为网络交换、内容服务和无线接入三部分，分别产生用户账单、网络运营商服务清单、内容供应商服务清单和无线接入服务清单。当然，所谓免费服务，无非是收费为零而已。在这些完整数据的基础上，能够发展出丰富多彩的商业模式。其中包括允许普通用户成为无数个“兼职无线运营商”的推广模式。

综上所述，本发明看上去只是一个单纯的实时通信网络，实际上，只有简单才能具备最大的包容能力。本发明的网络能够实现带宽按需预留、全面实时高品质、和严格资源管理。未来网络应用难以预料，不难看出，本发明的网络实际上能够向任意类型的用户、覆盖任意传输品质、执行任意商业模式、并提供任意服务项目，也就是说，充分满足未来网络业务。

5)主基站中心控制

传统无线网络以基站和小区为中心独立管理，最多增加一些基站间的协调。

本发明通过一个主基站统一管理整个基站群和所属区域内的无线终端。

基站与无线终端通过同质无线连接，收集各个无线终端的状态信息，发布指令，并提供服务。

主基站与其他基站通过高性能固网连接，收集各个基站和无线终端的状态信息，分析计算，发出指令，传递用户服务数据。

由于本发明采用全网同质通信方法，区隔不同无线终端和基站之间的传输通道只能依赖每台设备发射功率和发送时间的差异。就发射功率来说，增加信号强度有利于提高传输品质，但同时也增加了对其他设备的干扰。因此，本发明无线网络中每台无线终端和基站的发射功率都必须随时调整到恰到好处的水平。要在数毫秒时间内，分析计算数千台无线收发设备的信号关联和干扰，找出可能互不干扰地同时通信的无线终端和基站，其运算工作量大大超过低成本微型设备的能力。本发明采用模板近似算法，极大地简化了基站运算工作量。首先通过人工设计初始模板，包含全网每个基站的缺省工作参数，在实际运行中不断调整优化模板，逐步逼近最佳值。

根据网络宏观状态，统一动态协调，本发明主要包括四项调节机制：

第一，多向闭环发射功率和天线波束控制：

在全网同质无线连接的前提下，每个无线终端都可能收到其他无线终端和基站发送的信号，同样，每个基站也都可能收到其他基站和无线终端发送的信号。这些信号强度信息全部定时收集汇总到主基站，储存在信息表中，主基站可以计算出所有基站和无线终端间的关联度和干扰度。主基站向每个基站和无线终端独立发送指令：增加或减少发射功率，调整天线波束，实现本发明技术方案第2)算法原理中所述的闭环调节，将基站与无线终端的关联度和干扰度调整到最佳状态。详见图15及其说明。为了简化计算，上述过程可分两步，先调整基站间的关联度，然后扩及到无线终端。

第二，时隙和发帧权的动态分配：

本发明采用5ms定时CTDMA帧结构，每个CTDMA帧数据可能由多个基站和多个无线终端共同组成，也就是说，每个基站可能只执行局部帧操作。由于无线终端数据分布变化不定，必须由主基站统一协调所有基站，才能实现灵活的动态组帧。本发明采用了全网带宽资源预留和流量均衡，所有用户服务的流量需求信息全部汇集在主基站。因此，除了新无线终端入网和漫游，主基站能够明确通知每个基站，在任何时间段与其他基站的协同关系，即在指定时间，向指定无线终端收发数据包。根据这些信息，单个基站就能够针对特定无线终端群，接收和发送一个局部CTDMA帧的所有相关数据包，将用户数据引导到主基站执行交换功能。详见图16及其说明。

第三，基站边界的动态调整：

当主基站感知到某个基站通信流量接近饱和，同时周边基站尚有空余的带宽能力，主基站中心控制自动发送指令，降低该基站的发射功率，并将部分关联无线终端的服务通道分配到周边基站。也就是说，这项调整机制能够动态改变基站边界，适应用户流量密度的变化。实际上，在网络规划时，根据潜在的用户密度和流量分布，不均匀地选择基站位置。在网络运行时，进一步根据当时情况，动态改变基站的小区边界。随时调整基站状态，适应和满足无线终端的流量需求。详见图15、图16及其说明。

第四，跨越基站的无损切换：

当某个基站感知到一个新的无线终端，向主基站报告，因此，主基站就知道该无线终端的位置信息，包括基站号码和该基站内的逻辑通道号码(LCN).同时，主基站自动向上级网络申请分配一个临时网络地址(TA)，包括主基站的地址和无线终端地址，相当于MP互联网用户地址和用户分机地址.移动无线终端本身一直在监测所有基站的帧头指令，可能与多个基站关联，获得多个LCN号码，并直接响应合乎自己逻辑号的信令.本发明在主基站设立地址与逻辑号的映射表，详见图2、图3、图4、图5、图11和图12及其说明，即每个TA对应于多个逻辑通道号码LCN.为了动态维护该映射表，每台无线终端必须与多个关联基站建立双向查询通道，也就是说，必须消耗一定的带宽资源.这项带宽消耗与该无线终端的移动性有关，如果无线终端高速移动，查询次数就要密一点，反之，查询次数可少一点.主基站根据无线终端与基站的信号品质，以及网络宏观状态，动态地指定一对TA和LCN作为该无线终端的服务通道.不论改无线终端是否申请服务，只要进入无线覆盖区，就会建立多条查询通道.并且，通过闭环功率控制，时刻保持最佳的信噪比分布，即服务通道最佳状态.由于无线网络的数据交换总是发生在主基站，或者，主基站以上的MP互联网服务节点.也就是说，在无线网络之外，用户数据通过地址TA交换，在无线网络内部，用户数据通过高品质固网和逻辑号LCN引导到指定的基站，并由该基站提供用户服务.只要改变TA和LCN的映射关系，就可改变无线网络内部的数据流向.由于TA和LCN映射关系的更新远快于无线终端与基站的相对运动，因此，当无线终端跨越相邻基站，或者，跨越多个不相邻基站，都不可能导致用户数据包丢失.

先请参阅图1，图1表示本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络的系统架构。由图可见，本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络，其构成包括光纤固网、无线网络、非均匀分布的多个同质基站的基站群和众多无线终端，所述的基站和众多无线终端使用单一频率、单一编码和单一收发机制；所述基站群中有一个或一个以上主基站，无线终端与基站之间由无线网络联系，所有基站用高性能光纤固网连接，所述的无线终端和基站通过所述的主基站连接外部网络环境；所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络实行主基站中心控制的时分复用和时分多址的通信，所述的主基站包含网络管理服务器；主基站网络管理服务器指令控制所属的每个基站的数据发送功率和发送时间；主基站网络管理服务器指令控制所属每个无线终端的数据发送功率和发送时间；主基站网络管理服务器指令控制所属每个基站所覆盖的小区边界的变化，达到既关联又不干扰。

如图1所示，主基站2002通过高性能固网2030连接上级网络2000。在本发明中上级网络可以是一台服务器或者广域的MP互联网，或者说，上级网络不在本发明的范围内。因此，本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络的管理中心是主基站2002。

假设主基站2002在上级网络中被授予地址A，假设主基站2002和其他基站只有4个固网连接端口，如图1所示解释系统的入网过程。首先，必须了解一对管理方设备和被管方设备的管理机制，详见图13以及相关描述。其中，入网成功后的基站被授予基站地址，基站地址等于上级基站地址加上上级基站的端口号。整个入网过程实现了基站设备即插即用的目标。

如图1所示，假设主基站2002已经进入正常工作状态，并向3个固网端口发送端口查询指令.基站2001、2005和2003分别进入入网流程，如果入网正常，基站2001被授予地址A1，基站2005被授予地址A2，基站2003被授予地址A3.当这3个基站正常工作后，主基站进一步向下一层未连接的端口发送端口查询指令，其中包括A11、A12、A13、A21、A22、A23、A31、A32、A33.根据图1所示的连接状态，基站2004将经由连接2035，回答A11的查询，并被授予地址A11.同理，基站2008被授予地址A23，基站2006被授予地址A32，基站2009被授予地址A31.当上述4个基站正常工作后，主基站再进一步向下一层未连接的端口发送端口查询指令，此时，只有基站2007经由连接2038，回答A112的查询，并被授予地址A112.因为不知道何时会有新的基站加入，主基站将不停地向那些已入网基站的空闲端口发送端口查询指令.另一方面，任何已入网的基站将不停地受到主基站的状态查询，一旦发生故障或停电，只要状态查询连接中断，立即导致局部退网、告警、自动修复或等待人工修复.

如图1所示，主基站除了通过固网自动指令所有基站入网，还通过开放的无线空间接口发送端口查询指令。与有线固网不同，任何无线设备(基站、中继站和无线终端)都可能应答端口查询指令，甚至在应答过程中产生信号冲突。本发明采用业界常用的等待随机时间后重发的方式避免信号冲突。同时，为所有应答成功的无线设备分配逻辑号，使得该设备以后的信令连接保证在资源预留的状态下进行。也就是说，主基站允许任意无线设备在任意基站入网，并且分配逻辑信道号LCN(即基站号加上在该基站的逻辑号)。

由此可见，一台无线设备可能被授予多个逻辑信道号，主基站记录了所有无线设备的全部逻辑信道号。在状态查询过程中，主基站还发送指令调节每个无线基站的发射功率和天线波束，并记录所有逻辑信道号附加的信号强度信息，实现全网信噪比优化流程，详见图13以及相关描述。由于中继站的位置基本固定，基站2006收到中继站2015和2016的信号最强，主基站根据信号状态，确定组成复合基站，并分别授予中继站2015和2016地址A324和A325。

另外，无线终端入网时向主基站递交该无线终端的用户信息，每当主基站感知到新的无线终端，就会授予一个独立的无线终端地址，或者说，该无线终端在本网络的分机地址。如图1所示，无线终端2021被授予地址AX1，无线终端2022被授予地址AX2。如前所述，无线终端可能在多个基站入网，并被授予多个逻辑信道号LCN。如图1所示，无线终端2021获得4个LCN分别来自基站2004、2005、2007和2008，无线终端2022获得2个LCN分别来自中继站2016和基站2009。主基站根据信号分布状态，为每个无线终端多个LCN中指定一个服务通道，并与该无线终端地址绑定。由于无线终端随用户移动，LCN会有增减，LCN信号连接状态也会改变，主基站随时调整服务通道与LCN的对应关系。在本发明的网络中，用户服务和广域网交换都依据无线终端地址和分机地址，但是用户服务在无线网络中的连接依据主基站指定的服务通道。具体说，主基站根据用户位置的改变，将无线终端地址映射到不同的逻辑信道号LCN，对于上层网络服务来说，这项映射关系的改变是完全透明的。由于主基站更新映射关系的速度远高于无线终端与基站群的相对运动速度，本发明无线网络就能实现高速车载无线终端在不同基站间的无损切换。

请参阅图2、图3、图4和图5。图2是本发明基站的硬件结构，图3是本发明基站硬件地址映射局部结构，图4是本发明基站硬件数据交换局部结构，图5是本发明基站软件结构

如图2所示，主基站和基站的硬件结构一致。其中，1001代表无线收发机的物理层，本发明假设采用但不限于IEEE802.11n无线局域网的廉价芯片，具备发射功率和MIMO天线波束的数字控制，可提供300-1000Mbps带宽。如果基站覆盖半径较大，如空旷地区基站覆盖半径可能达到1公里以上，此时需要高性能无线收发机，包括定向增益天线、大功率发射器和低噪音接收器，其他部分不变。1002代表空间接口的媒体接入层，即满足图6和图7所示的CTDMA组帧要求硬件设计。1003代表执行本基站所有软件流程的处理机，一般采用但不限于高速DSP芯片。

1004代表主基站地址映射模块见图3，这部分的详细结构包括根据主基站网络管理模块1011流程，建立的无线终端地址10042至逻辑通道号码10043的映射关系表。来自上级固网的下行数据包10046经过逻辑通道插入模块10044，查询映射表10041，将对应的逻辑通道号插入数据包10048，转发至本地无线局域网。另外，来自本地无线局域网的上行数据包10049，经过逻辑通道剥离模块10045，恢复到上级固网的上行数据包格式10047。

1005代表基站数据交换模块，参见图4，这部分的详细结构包括下行数据导向模块10051。来自主基站的下行数据包10052，根据所携带的基站地址信息，由模块10051引导到无线发送端10053，或者经过固网端口送达其他基站10054。另外，来自本地无线端口的上行数据包10057，以及经由固网的上行数据包10058，通过上行数据导向模块10055全部向主基站发送。基站数据交换模块1005全部使用带有逻辑通道号的数据包格式。1006代表与CPU和数据交换匹配的储存器，用于存放软件和临时数据。1007代表固网接口的媒体接入层，采用但不限于以太网技术。1008代表固网收发模块，采用铜线或者光纤。每个基站具备1个以上固网端口，用于连接其他基站，这些端口之间具备数据交换功能。中继站不需要连接固网的1007和1008部件，用户数据通过无线端口1001和存储器1006转发，增加传递距离，其他与基站一致。

如图5所示，本发明基站采用模块化组合软件。其中，主基站的软件功能最全，基站和中继站只是使用部分软件模块。为了简化管理和操作，基站和中继站下载软件与主基站一致，只是有些功能不开而已。本发明基站软件在实际应用中可能有增减，但不改变本发明的要旨。基站软件包括但不限于：

1010代表上级网络连接协议，任何基站只要直接收到上级网络连接协议，即被任命为主基站。执行来自固网的即插即用流程，详见图13及其说明。

1011代表网络管理中心控制，执行全网设备入网和监控流程，实现基站设备即插即用。其中状态查询机制还为主基站其他控制提供了操作平台。详见图13、图1及其说明。

1012代表用户服务中心控制，根据网络结构分两种情况，如果本无线网络是一个独立网络，服务器执行用户服务申请、审核、送达、结束和记账流程，详见图14及其说明。如果本无线网络是上级固网的接入部分，服务器仅起到用户信令的传达功能，即收到用户信令转发给上级网络服务器，收到上级信令转发给指定用户。

1013代表发射功率与天线波束中心控制，执行全网设备发射功率和天线波束角度调整，优化网络整体信噪比。详见图15及其说明。

1014代表流量分布中心控制，执行全网基站发帧权和用户数据流量分配，优化网络整体带宽能力。详见图16及其说明。

1015代表基站信标同步中心控制，执行全网基站发帧时间同步。详见图17及其说明。

1020代表CTDMA组帧流程，本发明多个系统流程综合影响到基站最终的CTDMA组帧。其中要不要发帧以及帧结构取决于流量分布中心控制1014发出的相位指令，发帧起始时间取决于基站信标中心控制1015产生的信标，CTDMA帧格式详见图6和图及其说明，最后CTDMA帧内容取决于用户服务中心控制1012批准的用户流量以及基站临时存储器1006中缓存的用户数据包。

1021为网络管理应答流程，本发明中作为被管理方设备始终处于被动应答状态，整个网络全部由主基站的网络管理服务器中心控制统一指挥，详见图13及其说明.

1022为无线发射功率调整，执行主基站发出的功率控制指令，每次增减0dB、0.1dB或1dB，发射功率调整机制属于无线收发机产品的一部分，本发明并无特殊要求。

1023为天线波束调整，如果无线收发机物理层采用MIMO技术，则执行主基站发出的天线波束控制指令，在180°范围内调整天线波束角度。这项调整机制属于无线收发机产品的一部分，本发明并无特殊要求。

1024为无线接收信号强度检测，本发明网络中所有分布在各个角落的无线设备，包括基站和无线终端，随时将能够接收到的数据，不论是针对自身还是面向其他设备，全部收集起来报告给主基站。因此，主基站随时掌握全网状态，并以此实现无线资源中心控制。信号强度检测本身属于无线收发机产品的一部分，本发明并无特殊要求。

1025为基站信标应答流程，根据主基站发来的信标，执行CTDMA帧同步。详见图17及其说明。

图6表示本发明无线网络中单个基站和相关联的无线终端组成的CTDMA局部帧结构。本发明CTDMA帧结构，与当前移动通信和无线局域网技术显著不同，具体表现为：

第一，除了极少数竞争指令(不足1％)，所有用户指令和数据发送都必须严格按照帧头信息中规定的时间段，也就是说，严格的通信资源预留。

第二，CTDMA帧中每一段都留有可变的帧复用时隙，允许多个局部CTDMA叠加组成一个完整的结构，也就是说，由多个基站共同组帧。

本发明采用5ms统一时分多址CTDMA帧，由同步段、帧头段、下行指定信令和数据段、上行竞争信令段、上行指定信令和数据段等五部分组成。如图3A所示，帧结构仅表示单个基站或中继站，因此，一个完整的CTDMA帧可能由多个类似的局部结构叠加而成。当然，在叠加过程中，激活的基站不允许发生信号冲突，也就是说，一个局部帧结构的数据包位置一定落在其他局部结构的空闲时隙中。每个帧都根据局域网的工作状态自适应可调。

如图6所示，301代表同步段，全网无数个无线基站，保证CTDMA帧同步收发。

其中，3011为网管中心至服务节点的信标传递和时间基准纠正机制。3012为服务节点至无线主基站的信标传递和时间基准纠正机制。3013为主基站至该局部区域内其他基站的信标传递和时间基准纠正机制。网管中心至各个基站的信标传递都通过光纤网络，不占用无线资源。因此，同步段不属于5ms帧内结构，只是借用了前一帧时间。同步段确保全网帧头段的起始时间误差在可接受的范围。详见图17及其说明。

如图6所示，302代表帧头段，严格定义了本局部帧的结构。

一个CTDMA帧可能由多个基站和中继站发出的局部帧共同组成，其中，每个基站或中继站都会发送一个帧头，帧头标定了本帧结构的起始时间。一个完整CTDMA帧头段可能包含多个局部帧头，并在起始时间上错开，但是，结束时间一致。也就是说，局部帧结构的时长可能不相等。如图6所示，3021为帧序号，每小时归零，因此，在全球范围内，帧序号与当地时区无关。3022为基站信息，包括基站类型和地址等。3023为管理信息，包括帧格式、加密和计费方式等。3024为时隙信息，包括每类时隙宽度等。3025为PDU数量信息，包括每类PDU(数据包)的个数。3026为PDU逻辑号排列，根据每类PDU个数，列出每个PDU的逻辑号，对应于特定的无线终端。3027为噪音检测时隙，此时所有基站和无线终端都不发送数据，测试网络环境的背景噪音，并将测试结果报告给主基站。

如图6所示，303代表下行段，严格分配从基站到无线终端的每个信令和数据包(简称PDU)。其中，3031为帧复用时隙，实际上，本发明CTDMA帧结构中每段都可能有前后两个可变的帧复用时隙。这些时隙预留给其他基站发送CTDMA帧，因此，一个完整的帧结构可能由多个类似的局部结构叠加而成。3032和3033分别为下行信令和数据PDU，这里包含多个PDU，各自对应帧头信息中的逻辑号3026。无线终端从帧头信息中得知针对自己的逻辑号，并从下行段的指定位置接收信令和数据PDU。当局部系统带宽资源有多余时，主基站可能指令某个基站发送广播测试数据3034，填满多余的帧空间。无线终端收到事先约定的测试数据后，向主基站报告误码率。

如图6所示，304代表竞争段，专门为尚未关联的无线终端预留应答信令PDU。其中，3041为无线终端公共查询应答信令，无线终端上电或新进入某个基站覆盖区，如果收听到该基站的公共端口查询指令，即在此时隙发送应答信令。并在下一帧收听基站关联和针对性查询。由于可能有多个无线终端同时发送应答信令，导致信号冲突，无线终端如果收不到基站的关联信令，则需要等待一个随机帧数后，再次应答帧头信令，直至收到基站关联信令。无线终端一旦收到基站关联信令，以后的进一步入网和服务流程均在指定的资源预留时隙中实现。显然，无线终端进入一个新的覆盖区，有一段不确定的入网时间。主基站根据局域网的不同状态，调整竞争信令段的开放宽度，例如当局域网启动时，安排较多的竞争指令位置。

如图6所示，305代表上行段，严格分配从无线终端到基站的每个信令和数据PDU。其中，3051为干扰源定位PDU，主基站轮流指定某个基站或终端以高于正常的功率发送干扰定位信号，其他无线设备收到后报告主基站。在执行流量分布中心控制时关闭这些干扰源，详见图16及其说明。3052和3053分别为上行信令和数据PDU，这里可能包含多个PDU，各自对应帧头信息中的逻辑号3026。无线终端从帧头信息中得知针对自已的逻辑号，并在上行段的指定位置发送信令和数据PDU。与下行段不同，由于每个PDU来自不同的无线终端，可能存在同步误差，因此，上行PDU之间留有一个小时隙3054，避免信号冲突。

图7表示本发明无线网络中多个基站局部帧组成完整的CTDMA帧结构。完整的CTDMA帧结构3100分别由A、B和C基站的局部帧3101、3102和3103叠加而成。

图8、图9和图10表示本发明无线网络主基站中心控制的程序流程。

主基站中心控制主要包括3个软件程序流程，其中401为主基站向被管设备发送网管状态查询指令(见图8)。402为接收被管设备发回的状态应答指令(见图9)。401和402实际上是网络管理状态机的一部分，在维持正常工作状态6A03的过程中，网络管理指令融入主基站的中心控制机制。403具体执行中心控制算法(见图10)。

主基站定时启动程序流程401，根据应用环境不同，定时周期设定在0.01秒至10秒之间.对应于每个基站和无线终端，主基站执行子程序4011，其中包括读取信息表数据，设定发射功率，然后向指定设备发送状态查询指令.主基站重复执行子程序401，直至遍访4012所有所属基站和无线终端.主基站发出的状态查询指令401经由固网传递到指定基站，再由基站在规定的时隙无线转发，所有无线终端收到后都会在规定的时隙发回状态应答指令.基站收到无线终端的应答指令，经由固网转发至主基站.主基站每次收到应答指令均执行子程序402，其中包括操作4021，根据收到指令中的地址，将收集到的局部信息分别记录到对应的信息表.显然，主基站中的基站信息表和无线终端信息表记录了本网络的全局性动态环境信息，主基站中心控制程序403定时分析这些数据.如子程序4031，其中包括但不限于执行平滑滤波消除数据的偶发波动，执行规范化消除不同无线物理层结构造成的差异.经过预处理的数据与系统设定参数4033共同执行智能算法4032实现中心控制.其中系统设定参数与网络应用场景相关，例如高密度热点区域、高密度居民社区、乡村区域、道路沿线和铁路隧道沿线等.关于中心控制的各种算法，包括但不限于发射功率和发送时隙分配，详见图15、图16以及本发明实施方式.经过中心控制后的数据，执行子程序4034，根据发射源地址存入对应的信息表，以备下一次状态查询指令所用.主基站重复执行子程序403，直至遍访4035所有所属基站和无线终端.

主基站中心控制的数据结构主要包括501基站信息表(见图11)和502无线终端信息表(见图12)。假设主基站管辖512个基站和4096个无线终端，如果管辖范围更大，只需使用更大的信息表，或者，分裂成多个主基站管辖区，再由上级服务节点统一管理。

如图11，基站信息表501中，5011为基站自身信息。其中50111为基站地址，只是在本局部网络内有效，与外部服务无关。50112为基站状态，状态0代表基站不存在，状态1-3分别代表网络管理状态机的3种状态6A01、6A02、和6A03，状态4代表该基站故障。50113为基站组合格式，即多基站共同组帧结构。50114为中继站管理通道，表示该中继站从属基站的逻辑信道号。50115为基站发送功率，由于不同种类的无线收发机有不同的发射指标，这里使用规范化的发射功率0-255，单位是0.1dB，缺省值为100。50116为基站网管总流量，上下行分别0-49999，单位是20Kbps。50117为基站服务总流量，计量方式与50116相同。50118为管理数据用于系统参数设定以及程序执行过程中的各种临时变量。50119为基站设备信息，包括基站型号、配置、规格等。5012代表与本基站相关联的其他基站信息。本基站可能收到其他基站的信号，其中50121为该相关基站的地址。50122为该相关基站在本基站的逻辑号。50123为该相关基站的干扰强度。由于不同种类的无线收发机有不同的接收指标，这里使用规范化的信号强度0-255，满足基本通信的强度为100，充分保证高性能传输的强度为200，如果某个发射机提高发射功率后还测到强度大于50，该发射机定义为干扰源。本系统假设每个基站可能与8个其他基站关联。5013代表与本基站相关联的无线终端信息。其中，50131为该无线终端在本基站的逻辑号。50132为该无线终端在本局部网络的分机地址。50133为该无线终端有效流量，上下行分别0-49999，单位是1Kbps。50134为该无线终端的信号强度，定义与基站信号相同。50135为基站发送功率偏移，为了更精确控制系统信噪比，基站至每个无线终端数据包的发射功率可以独立调整。50136为基站天线波束角度，如果本系统的无线物理层采用MIMO天线技术，天线定向功能可以大大改善通信通道的信噪比。本系统假设每个基站可能与1024个无线终端关联。5014代表由本基站提供服务的无线终端信息，具体参数与5013相同。本系统假设每个基站可能为512个无线终端提供服务。

如图12，无线终端信息表502中，5021为无线终端自身信息.其中50211为无线终端在本局部网络内的分机地址，无线终端根据本地址与外界联络.50212为无线终端状态，状态0代表无线终端不存在，状态1-3分别代表无线终端管理状态机的3种状态6A01、6A02、和6A03，状态4代表该无线终端故障.50213为无线终端服务通道，即由主基站指定的LCN用于提供用户服务.50214为无线终端发送功率，由于不同种类的无线收发机有不同的发射指标，这里使用规范化的发射功率0-255，单位是0.1dB，缺省值为100.50215为无线终端天线波束角度，如果本系统的无线物理层采用MIMO天线技术，天线定向功能可以大大改善通信通道的信噪比.50216为无线终端服务流量，上下行分别0-49999，单位是1Kbps.50217为管理数据用于系统参数设定以及程序执行过程中的各种临时变量.50218为无线终端设备信息，包括无线终端型号、配置、规格等.50219为无线终端用户信息，包括用户号码、账户状态等.5022代表与本无线终端相关联的本局部网络的基站信息.每个无线终端可能收到多个基站的信号，其中50221为该相关基站的地址.50222为该相关基站的逻辑信道号.50223为该相关基站的信号强度，由于不同种类的无线收发机有不同的接收指标，这里使用规范化的信号强度0-255，满足基本通信的强度为100，充分保证高性能传输的强度为200，如果某个发射机提高发射功率后还测到强度大于50，该发射机定义为干扰源.本系统假设每个无线终端可能与8个基站关联.5023代表与本无线终端相关联的跨境基站信息，具体参数与5022相同.5024代表与本无线终端相互干扰的其他无线终端信息.其中，50241为干扰无线终端地址.50242为无线终端的干扰强度，定义与基站信号相同.本系统假设每个无线终端可能与周围256个其他无线终端相互干扰.

本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络中的多层网管机制，其中，第1层，固网服务节点是管理方，主基站是被管方。第2层，主基站是管理方，其他基站、中继站和无线终端是被管方。本发明中心控制时分复用无线通信微基站网络中不论哪一层，不论管理方还是被管方都执行相同的状态机。其中，每个状态机有3个稳定状态，当满足特定的触发条件时，转移到另一个稳定状态，同时可能执行某个特定的操作。被管方运行这个状态机代表自身状态，管理方维护所有被管设备状态机的副本，具体表现为主基站设备信息表中的一个变量位置，见图11中50112和50212，因此，主基站掌握全部被管设备的状态。这组状态机管理机制能够实现全网设备即插即用。具体说，除了事先记录在设备内部的信息外，在现场安装过程中无需人工输入任何参数，系统能够自动进入正常工作状态。在正常工作状态中，管理方自动收集各种网络运行参数，实现更高层次的系统管理，如果网络异常，能够自动告警。

图13是本发明网络管理中心控制流程，6A01代表初上电状态，设备开机后即进入此状态，在没有特定外来触发条件6A021时，将长期保持在此状态。6A02代表待入网状态，进入此状态后，立即启动一个超时计数器，如果没有特定外来触发条件6A031，一旦超时条件6A012满足，将迫使设备退回初上电状态。6A03代表正常工作状态，进入此状态后，立即启动一个超时计数器，如果没有特定外来触发条件6A032，一旦超时条件6A013满足，将迫使设备退回初上电状态。

如图13所示，为了进一步描述本发明的管理机制，假设管理方只针对单一被管方.由于管理方不知道被管方在何时何地进入系统或首次开机，又由于任何网络设备只能从正常工作的固网交换机空闲端口或者正常工作的无线基站(包括主基站和中继站)有效覆盖区内进入系统，因此，管理方定时无目标地向所有正常工作的交换机尚未连接的端口以及所有基站的空间接口发送试探性的端口查询指令，这个指令包含固网端口地址或者无线基站号码.首次进入系统的被管设备收到端口查询指令，满足条件6A021，即可得知现在所处的网络位置(固网地址或者无线基站号码)，被管设备在端口应答指令中包含网络位置以及设备自身信息.同时，被管设备内置状态机从初上电状态6A01进入待入网状态6A02.另一方面，管理方收到被管方的应答指令，从该指令中得知被管方的设备信息和网络位置，满足条件6A021，将该被管方的状态设置为待入网6A02.根据网络现状和被管方信息，管理方进一步发出入网指令，告诉被管方更详细的网络信息和操作指令.如果是无线设备(中继站或无线终端)，入网指令中包括分配一个新的逻辑号码.回到被管方，在尚未超时的前提下，被管方收到入网指令，满足条件6A031，并执行入网指令中规定的操作，发回入网应答指令，然后转入正常工作状态6A03.再看管理方，如果在超时前收到被管方的入网应答指令，满足条件6A031，将该被管方的状态设置为正常工作6A03.需要特别指出，一个无线设备可能在多个基站入网，也就是说，分配到多个逻辑信道号LCN(基站号+逻辑号).

如图13所示，当被管方进入正常工作状态后，管理方定时(小于条件6A013)向被管方发送状态查询指令，其中包括但不限于调整被管方的工作参数，如发射功率和天线波束等。被管方收到状态查询指令，除了按要求调整工作参数，还重新启动超时计数器，然后发回状态查询应答指令，其中包括但不限于被管方和周边环境状态，如收到基站和其他无线终端的信号强度、背景噪音、干扰源和温度等。在管理方一侧，收到被管方的状态应答指令，重新启动超时计数器，记录收集到的各种网络参数。管理方从全部被管方发回的状态参数中得知全面和即时的网络运行状态信息，为实现更高层次的宏观控制作好准备。

图14表示本发明无线网络用户服务中心控制流程。无线终端只要在开机状态下进入无线网络覆盖区，就会经由图13所示的网络管理流程自动入网6B01。入网成功后，不论用户是否申请服务，主基站立即授予无线终端一个临时地址，并在无线终端信息表502中登记备案。主基站根据无线终端类别和用户偏好选择首页菜单6B02，显然，手机、便携电脑、大屏幕电视使用不同的服务导航菜单，另外不同人群、不同风格、不同语言也会选择不同的首页菜单，甚至无线终端自带菜单。首页菜单经由无线发送6B03，在无线终端屏幕显示6B05。用户根据菜单提示，经由无线终端提出服务申请指令6B06。主基站分析用户指令6B07，无非是两种情况，要求进一步选择6B041，发送下一页菜单6B04。或者，用户指定某项服务，主基站根据该项服务类别，审核用户账户状态和网络资源状态6B08，有些服务可能免除审核。如果审核不通过6B042，发送下一页菜单6B04。如果审核通过，主基站在无线终端信息表502中记录服务开始，并登记服务流量50215，有些服务使用流量缺省值。主基站调集各种网络资源执行用户业务送达6B09，业务完成后6B10，进入业务记账6B11。主基站在无线终端信息表中撤销用户服务状态和服务流量。用户服务完成后6B043，程序流程进入下一页菜单6B04，等待用户下一个指令。

图15表示本发明无线网络发射功率中心控制流程。首先定义功率模板格式6C20。其中6C201为基站地址，功率模板包括本局部网络内所有基站，并按基站地址排列。6C202为该基站的假设流量。6C203为该基站的标称发射功率。实际上，在标称功率基础上，每个基站根据每个无线终端的具体位置，还有附加的功率偏移和双向天线波束角度调整，优化全系统的信噪比。假设主基站模板库中已经有多个预先手工设定的库存模板6C05。

如图15所示，主基站在运行过程中维护基站信息表6C01(即图11中的501)和无线终端信息表6C02(即图12中的502)，从中提取出每个基站当前的流量50116和50117，组成本局部网络当前的资源需求表6C03.主基站将当前的资源需求与模板库中的预存模板6C05逐一搜索比较6C04，找出最接近的模板6C06作为本局部网络全部基站的发射功率分布值6C07，并写入基站信息表6C01的相关位置.本局部网络中所有基站按此设定发射功率，无线终端收到基站指令，发回应答指令.每个基站将收集到的其他基站和无线终端信息报告主基站，并存入无线终端信息表6C02.每个基站根据不同无线终端报告的基站信号强度，判断该无线终端与本基站的距离，并发送指令调整该无线终端的发射功率6C08.主基站通过本局部网络内所有基站和无线终端现场采集这些设备的信号强度6C09，对照当前的资源需求，重新计算本局部网络内每个无线收发设备的边界条件6C10，并得出最佳配置的建议，或者新模板设计6C11，存入模板库6C05以备未来使用.

实际上，根据资源需求和现场采集信号，求解最佳功率模板的算法可能有许多种。各种算法针对不同应用环境，不同复杂程度，得到不同的优化效果。本发明只是提供了一个结构平台，不可能对具体算法一一列举，因此，这项优化算法不属于本发明的范围之内。

图16表示本发明无线网络流量分布中心控制流程。

根据图1所示的网络系统架构，用户所有服务(不论局域网还是独立模式)都必须经由主基站2002交换，也就是说，用户上行数据由无线终端无线发送至基站，再由基站固网传递至主基站。用户下行数据由主基站固网传递至基站，再由基站无线发送至无线终端。

根据图13所示的网络管理流程，图11和图12所示的主基站数据结构，每个无线终端可能关联到多个基站，并获得不同基站授予的LCN，主基站选择其中一个LCN作为该无线终端的服务通道50213，并登记到用户信息表502中。

根据图14所示的用户服务申请流程，用户可以从菜单中申请服务，包括流数据和突发数据两类。或者，用户入网后自动授予突发数据服务。用户服务批准后，在主基站用户信息表502中登记，其中包括服务流量50216。主基站根据无线终端服务通道50213，将该用户需求从用户信息表复制到基站信息表501，同时通知基站，因此，每个基站都获得经由该基站的全部无线终端服务信息。主基站根据基站信息表501中每个基站的总流量50133，宏观控制基站发帧权，即配给流量，并且控制经由该基站的用户流量总和不超过该基站的配给流量。主基站将基站信息配置到用户数据包地址映射器1004。该硬件映射器根据无线终端分地址，在每个上级固网的用户下行数据包头插入LCN(基站号+该基站内部逻辑号)，还将基站发射功率和无线终端发射功率等信息与网管指令汇流。然后，直接引导至指定基站的缓存器1006。另外，主基站收到基站转发的上行指令和数据包，除了网管指令进入主基站外，其它用户上行数据包通过地址映射模块1004将逻辑信道号剥离，然后，直接发送至上级固网。基站根据网管指令流量、缓存器中的下行数据包、以及上行流量需求，组建每一个CTDMA帧结构。并且，将收到的上行指令和数据包直接转发至主基站，其中，包头中含有逻辑信道号。基站根据主基站的指令，对每个无线终端的数据包独立设置发射功率和天线波束。同时，经由网管指令通知无线终端也独立设定发射功率和天线波束。对于上行流数据，如果用户流略小于主基站的分配流，可能导致少量上行时隙空闲。如果用户流略大于分配流，可能导致无线终端数据堆积，无线终端程序检测到此种情况，在包头信息中通知基站增加带宽。当然，这种小范围调整不能违反用户服务申请时的约定。对于用户突发数据类型，主基站分配给每个基站一个相对固定的流量，由基站根据缓存器中的数据分布，自行决定无线终端间的流量分配。

如图16所示，首先定义组帧模板格式6D20.其中6D201为基站地址，组帧模板包括本局部网络内所有基站，并按基站地址排列.6D202为该基站的假设流量.6D203为全帧代码，如果基站储存的全帧代码与主基站信标中的全帧代码一致，表示该基站取得本帧的发帧权.6D204为局部帧代码，在基站具备发帧权的前提下，如果基站储存的局部帧代码与主基站信标中的局部帧代码一致，表示该基站按此局部帧格式发帧.6D205为禁止帧代码，如果基站储存的禁止帧代码与主基站信标中的禁止帧代码一致，不论其他代码如何设置，表示该基站在本帧内禁止发帧.假设主基站模板库中已经有多个预先手工设定的库存模板6D08.

如图16所示，用户服务申请6D01批准后，报主基站无线终端信息表6D02(即图12中的502)，主基站在运行过程中维护基站信息表6D03(即图11中的501)，并从中提取出每个基站当前的流量50116和50117，组成本局部网络当前的资源需求表6D04。主基站将当前的资源需求与模板库中的预存模板6D08逐一搜索比较6D05，找出最接近的模板6D09作为本局部网络全部基站的组帧结构6D10，并通过主基站信标发送至全部网络范围。如前所述，主基站信标中的组帧结构包括全帧代码、局部帧代码和禁止帧代码组成。另外，主基站根据当前的资源需求，重新计算本局部网络内每个基站组帧的边界条件6D06，得出最佳配置的建议，或者新模板设计6D07，存入模板库以备未来使用。

为了应付多变的网络环境，基站可以预先储存多种不同的帧代码，例如8个全帧代码、4个局部帧代码、以及4个禁止帧代码，每个帧代码的长度为16bit。在网络运行过程中，当主基站创建一个新的组帧模板，可能定义新的帧代码，主基站通过网管指令将帧代码定义下载到指定的基站。实际上，根据资源需求，求解最佳组帧模板的算法可能有许多种。各种算法针对不同应用环境，不同复杂程度，得到不同的优化效果。本发明只是提供了一个结构平台，不可能对具体算法一一列举，因此，这项优化算法不属于本发明的范围之内。

图17表示本发明无线网络基站信标同步中心控制流程，执行全网基站发帧时间同步。

任何时分多址技术都必须严格控制网络设备的发射时间，为了防止信号碰撞导致的数据丢失，必须实现全网同步。CTDMA全网管理中心有一个时间基准，通过网络信标将此时间基准发送到无数个基站和无线终端设备。显然，信标以接近光速沿网络传输，由于基站和无线终端大面积分布，信标到达时间随管理中心距离而不同，导致同步误差。本发明的特点是密集分布的微基站，为了减低基站成本，传统的高精度网络同步技术难以使用。因此，本发明提出一种低成本的全网准同步技术方案，也就是说，允许网络设备的发射时间有少量抖动，但不允许积累误差。本发明采用反馈纠正的方法，即目标设备收到信标后立即发回。管理中心收到返回的信标，可以计算出该信标的往返时间，然后通知该设备纠正单程时差。实际上，经过信标反馈纠正以后，总会残留一些时间误差，一般在两台设备的发射间隔保留一段空闲时间。显然，空闲时间将导致网络带宽利用率下降。当网络规模很大时，如全球网络，必然会建立多个网络管理中心，并且跨域多个时区。为了简化系统结构，每个网络管理中心配置独立的时间基准，本发明要求网管中心之间每小时对时一次，因此，不必关心网管中心的时区差别。对于5ms的CTDMA帧来说，每小时发送72万帧。为了消除网管中心时间基准的积累误差，每小时停发最后一帧，精确等待下一小时的第一帧开始。

如图17所示，服务节点定时发送信标6E01，主基站通过固网连接，在时间点6E02收到上级网络服务节点发来的信标，并立即发回信标应答.上级服务节点发出信标6E01后，于时间点6E03收到主基站的应答，并测出时间差为Tms.服务节点通过协议指令通知主基站下一次时间调整值为T/2ms.主基站在收到上级信标后(2-T/2)ms时，通过固网连接向本局部网络内所有基站发送信标6E04.由于主基站至各个基站间距离不同，基站1和基站2分别在时间点6E05和6E08收到主基站信标，并立即发回信标应答.主基站发出信标6E04后，分别于时间点6E06和6E09收到基站1和基站2的应答，并测出基站1时间差为t1 ms，基站2时间差为t2 ms。主基站通过协议指令分别通知基站1和基站2下一次时间调整值为t1/2ms和t2/2ms。基站1和基站2分别在收到上级信标后(2-t1/2)ms和(2-t2/2)ms时，作为本基站CTDMA帧的起始点6E07和6E10。很明显，只要上述时间控制足够精准，不同基站的发帧起始时间6E07和6E10均重合在一起，即上级服务节点信标6E01后4ms的时间点上。如果由于极其偶然的原因，基站没有收到主基站的信标，则按自己内部时钟决定时间基准。上述信标同步方法可以推广到多个主基站，甚至多个服务节点，也就是说，能够将全球网络无线基站的发帧时间，低成本地控制在很小的抖动范围。

图18以机场候机厅为例，表示本发明在高密度热点区域的实际应用。

通过高品质固网连接微基站，覆盖城市人流密集的热点区域，如：校园、咖啡茶室、商场、展会、运动会、车站、候机楼等。这些区域移动无线终端密度大，一旦普及宽带业务，带宽需求将远远超过传统基站的能力。本发明通过集中管理的密集基站群，在空间上分割人群，降低每个微基站服务区内的无线终端数量，满足大带宽移动业务的需求。通过精确控制基站和无线终端的发射功率，大幅度缩小基站间距，大幅度提升系统带宽。

如图18所示，假设在一个60米X60米的候机大厅，密集安装36个微基站，每个基站的有效覆盖区用一个圆圈表示，基站间距10米。如图18所示，7A01、7A02、7A03和7A04分别代表四个不同的时间段，即CTDMA帧相位1、2、3、4。其中，带阴影的圆圈表示激活的基站(正在收发数据)如7A021，不带阴影的圆圈表示正在休眠的基站如7A022。不难看出，在任意时间总有9个激活基站(带阴影的圆圈)，其余27个基站处于不激活状态。经过四个帧相位，完成一个周期，所有基站被平均激活25％时间。与单基站相比，本案例保证9个基站同时收发数据，即获得9倍带宽增益。

图19表示本发明无线网络应用于高密度居民社区的案例。

消费者在家中安装无线基站，省去室内布线，提供多路高清电视流(HDTV)无线连接。当然，低带宽的语音电话具备流畅和无延迟的品质，与传统电话没有差别。在高密度居民区，无线信号完全重叠，本发明从结构上确保无线频谱管理能力。根据本发明图6D所描述的动态时隙和发帧权中心控制机制，能够彻底消除信号干扰，并严格防止侵占他人的网络资源。根据本发明图6B所描述的用户服务中心控制机制，社区物业管理能够在公共区域安装微基站，物业管理不必处理用户账单，任何无线终端不必另行身份认证，网络服务向社区居民和来客全面开放，所有网络服务费用自动精确记录到用户各自的账号。

如图19所示，实际信号覆盖和干扰范围是个不规则的立体结构，房屋墙面阻挡会造成信号衰减。为了简化图面，本图使用圆柱体表示。为了看清楚基站分布情况，本图缩小了基站的覆盖范围。其中，7B01代表缩小覆盖范围的基站，7B02代表基站的实际覆盖范围。本发明无线网络社区基站群的实际信号覆盖区域深度交叉，能够为每户居民提供双向高清电视服务。另外，根据本发明图6A所描述的基站即插即用(Plug & Play)功能，随时按需增加基站，提升局部带宽能力。

图20表示本发明无线网络应用于乡村地区的案例。

在乡村地区，采用微基站与宏基站重叠结构，本发明自动优先分配使用微基站通信资源，能够兼顾用户大量集中和少量分散的位置分布状态.由于本发明采用全网同频同构基站，只要增加同质兼容的基站密度，就能增加全网带宽容量，并且，确保无线终端结构简单.根据本发明图6A所描述的基站即插即用功能，无需复杂网络规划，本发明具备自适应建网能力.调整网络拓扑的方便程度就像在不够亮的地方加装一盏路灯，增加局部照明度.如果发现某一区域带宽不够，只要在那里加装一台基站.根据本发明图6C所描述的多向闭环发射功率控制机制，自动缩小周围基站的覆盖范围，在局部区域自动提升系统的带宽能力.

如图20所示，7C01代表居住较密的室内覆盖区，例如采用100米基站间距。7C02和7C03代表空旷区域，例如采用1000米基站间距。图中，带阴影的圆圈表示激活的基站如7C02，不带阴影的圆圈表示正在休眠的基站如7C03。不难看出，经过两个帧相位，完成一个周期，所有基站被平均激活50％时间。

图21表示本发明无线网络应用于道路沿线区域的案例。

如图21所示一个二维坐标体系，其中，垂直坐标7D01代表基站发射信号强度，水平坐标7D02代表道路沿线距离。7D03代表基站位置，可以看到沿道路有许多基站，每个基站在不同时段收发数据。图中7D04、7D05和7D06代表3个基站，分别占用时间段A、B和C。沿基站向两边展开的斜线代表该基站沿道路的信号强度，其中，较大的斜线覆盖范围7D07代表基站7D05的干扰区间，为了保证信号品质，在干扰区间内不允许其他基站同时发送数据。较小的斜线覆盖范围7D08代表基站7D05的关联区间，在关联区间内能够保证无线终端与基站7D05的通信品质。另外，在两个基站关联区交叉处7D09能够与基站7D05和7D06同时具备可靠通信能力，称为交叉覆盖区。如图21所示，在基站通道时段B，可能收到相邻时段A和C的干扰，但不会受其他不相邻时段B干扰。同理，只要同时段发送的基站间距大于干扰区间，可以得到不受干扰的通道时段A和C。移动无线终端在任意位置，都能与一个或两个基站关联，如：A、AB、B、BC、C、CA、A。由此可见，采用相同设计，工作在单一频段的微型基站，只要不同组列车间距大于3个微基站，每组高速移动中列车乘客的无线终端可共享单一基站的全部带宽能力。

Claims (14)

1.一种中心控制时分复用无线通信微基站网络，特征在于其构成包括光纤固网、无线网络、多个同质基站的基站群和众多无线终端，所述的基站和众多无线终端使用单一频率、单一编码和单一收发机制；所述基站群中有一个或一个以上主基站，无线终端与基站之间由无线网络联系，所有基站用高性能光纤固网连接，所述的无线终端和基站通过所述的主基站连接外部网络环境；所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络实行主基站中心控制的时分复用和时分多址的通信，所述的主基站包含网络管理服务器；该网络管理服务器指令控制所属的每个基站和每个无线终端的数据发送功率和发送时间。

2.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于所述的基站群由均匀分布或非均匀分布的基站构成，所述的主基站网络管理服务器指令控制所属每个基站所覆盖的小区边界随网络流量分布的动态变化，达到既关联又不干扰。

3.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于还有多个中继站，所述的基站用同质无线网络连接所属的中继站，以增加无线网络的覆盖范围。

4.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于还包括用高性能光纤固网连接多个无线局部网络；连通固网用户、固网内容和服务供应商；整合固网构成一个规模更大、功能更全的无线网络。

5.根据权利要求4所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，所述的主基站被授予一个固网地址，所述的无线终端在入网期间的固网终端地址TA是固定的，被授予一个固网地址和一个临时分机地址；每个无线终端与多个基站保持连续通信能力，称关联，并从不同基站获得基站频道号，基站号与基站频道号合起来称为逻辑通道号；主基站根据每个无线终端的多个逻辑通道号，选择最佳连接作为该无线终端在无线网络中的服务通道；主基站将无线无线终端的服务通道映射到该无线终端的临时分机地址，无线终端就具备在固网的定位能力，能够使用固网提供的各种服务，并且精确计费。

6.根据权利要求4所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，当一个无线终端与基站的相对位置发生变化时，该无线终端与多个基站的关联状态相应改变，主基站立即改变该无线终端的服务通道映射关系，而该无线终端在固网的地址不改变；所述的无线终端高速跨越基站群的过程中实现无损切换。

7.根据权利要求4所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，多个基站和无线终端利用不同时隙发送数据包，必须实施全网数据帧同步；所述网络采用了全网准同步方法，即允许基站设备的发射时间有少量抖动，但不允许积累误差；所述网络采用多级同步机制，即多个局部无线网络主基站间同步、局部无线网络内基站间同步和时分多址帧内数据包间同步；所述网络的准同步方法通过发送定时信标、测量双程传输时间、通过软件协议纠正单程传输延迟来实现。

8.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，所述主基站收集网络覆盖范围内所有基站和无线终端收听到的其他基站和其他无线终端的信号强度信息；主基站根据这些信息，发送指令至每个基站和无线终端，调节基站和无线终端的发射功率，或者发射功率和天线波束，使得基站和无线终端在局部区域达到最佳动态信噪比；该功率控制精确到基站和无线终端的每一个数据包。

9.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，所述的主基站根据每个无线网络用户的资源需求和每个基站拥有的无线终端服务通道，动态地分配网络带宽资源；每个基站根据主基站配给的网络带宽资源和无线终端服务通道，组织本基站局部区域的时分复用和时分多址帧；多个局部帧在数据发射时间上互相错开，合成一个完整的无线网络数据帧；在一个多基站组成的无线网络中，根据无线终端动态的位置和流量分布，多个基站共同组织一个完整的无线网络数据帧，达到单个基站来说没有明确的覆盖边界；经过主基站的发射功率调整，或者功率和天线波束调整，基站间信号互不干扰，多个数据帧同时发送.

10.根据权利要求9所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，由多个基站和多个无线终端共同组帧，所述无线网络的数据帧中每一段都留有可变的帧复用时隙，允许多个局部帧叠加组成一个完整的结构，一个数据帧的有效数据部分必定落在其他数据帧的复用时隙中。

11.根据权利要求9或10所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，所述无线网络的数据帧由同步段、帧头段、竞争段、下行段和上行段五部分组成，由于主基站管理中心至各个基站的信标传递都通过光纤网络，不占用无线资源，因此，所述的同步段不属于帧内结构，只是借用了上一帧时间；所述的帧头段标定本帧结构在局部区域的起始时间，还包括本无线网络的基本信息和上行段、下行段每个时隙所对应的无线终端逻辑通道号；所述的竞争段用于尚未取得关联的无线终端经由指定基站执行网络公共端口查询指令；所述的下行段用于发送多个基站至多个无线终端的指令和数据包；所述的上行段用于发送多个无线终端至多个基站的指令和数据包。

12.根据权利要求11所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，所述的无线终端获得基站关联后，该无线终端的所有信令包和数据包都严格按照所述的帧头段信息中规定的功率和时隙进行发送。

13.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，所述主基站和基站通过执行端口查询和状态查询两组协议指令，实现基站设备即插即用的能力；端口查询是主基站网络管理服务器不定目标地向可能连接的基站设备的端口发送网络地址和当前配置信息，任一基站设备回答端口查询并告诉网络管理服务器的自身信息，实现双方的信息交流，完成基站设备或无线终端或中继站的自动入网流程；所述的状态查询是主基站网络管理服务器针对每个已入网的基站设备发送查询指令，基站设备向网络管理服务器报告自身状态和周边环境状况，以随时了解当前网络的运行细节。

14.根据权利要求1所述的中心控制时分复用无线通信微基站网络，其特征在于，用户通过无线终端使用所述无线网络服务无需另行认证，无线接入服务费按次精确计算，计入用户注册地服务器的账单，同时计入服务提供地无线局域网的服务清单，根据这些信息实现用户付费、无线局域网和固网收益分成的商业模式。

Images