CN1072430C - 虚拟蜂窝网络及其通信方法 - Google Patents

Abstract

一种虚拟蜂窝网络具有一种虚拟网孔结构，该结构限定了一个预定尺寸的区域并在一移动终端发射信息组时，在该移动终端周围虚构而成。该虚拟蜂窝网络包括由端口网络相互连接的多个端口，用于接收从移动终端发射的上行信息组，一个端口服务器用于从来自包括在该虚拟网孔内一或多个端口的一或多个双重信息组中选择任何一个信息组，把该信息组传输给终点，并向移动终端发射下行信息组。

Description

虚拟蜂窝网络及其通信方法

本发明涉及蜂窝通信(cellular communication)系统，特别涉及一种具有虚拟网孔构造的虚拟蜂窝网络(VCN)及其通信方法，其中的虚拟网孔构造被限定为一种预定大小的区域，并且在移动终端发射一个信息组的时间周期内在该移动终端周围形成这种虚拟网孔。

在诸如室内或室外无线数据通信、车载自动电话、移动电话以及未来的个人通信网络等等移动无线通信系统中，最重要的技术之一就是分享无线资源。

分享无线资源的方法包括以下两个步骤：

首先按各个区域分解频率资源，然后在给定的带宽频率范围应用多址协议(multiple access protocol)。近年来，蜂窝通信系统得到了广泛应用。在蜂窝通信系统中，服务区域被预先分解成网孔单元，并且每一网孔(each cell)使用一给定的带宽频率范围而相邻的网孔使用相互不同的带宽频率范围以减少信号间的干扰。在一个网孔中，使用的带宽在一足够长的距离(通常是在跳过一个相邻网孔的区域内)处可以复用，从而用有限的整个带宽内的频率来提供大范围的服务。

图1说明了一种惯用的蜂窝通信网络，它使用了七个频率复用模型。每个网孔C1至C7具有各自的基地台BS1至BS7负责与所有的移动终端MT1至MT8通信。所有的基地台BS1至BS7都经有线网络L1被连接到移动通信交换中心(MSC)2，而MSC则被连接到作为干线网络的公共电话交换网(PSTN)1。

为了增加用户容量，这种惯用的蜂窝通信系统采用校小的网孔，并且正在考虑采用网孔尺寸为数百至数十米的微型蜂窝或超微型蜂窝系统。

然而，这种通过缩小网孔尺寸来增加用户容量的方法必须要解决以下几个问题。

第一，如果网孔尺寸减小，就会频繁地产生过区切换(handov-er)，并且要大量产生用于管理这种过区切换的控制信号。

第二，在惯用的移动电话通信网络中，由于网孔的尺寸很大，可达到几公里甚至几十公里，因此不难选定基地台(Base station)的台址(site)。

如果网孔尺寸缩小，就很难按照缩小的网孔形状来确定基地台的合适台址，并且会由于邻近基地台之间复杂的干扰给基地台的安装带来困难。

在惯用的蜂窝通信系统的一个网孔中，多址协议若按理想情况执行，也就是说，在处理率达到1时，每个单位区域中关于整个频带的处理率也不会超过1/7=0.143(例如在频率复用模型(freque-ncy reuse pattern)的数量为7的情况下)。

如上所述，在惯用的频率复用通信(frequency communicationreues)系统中无法从根本上解决处理率最大值的限制。

另外，在个人通信网或移动电话网中，分散的用户有可能临时聚集在某一特定的区域，而不是均匀地分布在各个区域中。

按照惯用的蜂窝系统，即使采用业务密度的平均值来确定网孔的尺寸和边界，仍会因用户分布的瞬时变化造成处理率变劣的问题。

对除无线移动通信技术之外的有线通信网已经进行过研究和探索，但是对二者之间的相互关系尚未进行充分地研究。这是因为现有的方案是各通信网中的问题由相应的通信网解决。按照这种方案，用于耦合两种网络的连接器是在有线网协议的基础上设计的，并且理想的信息组(packets)是由无线网传送到有线网的。

得益于高速本地区域网(LAN)系统和异步传递方式(ATM)系统的发展，有线网可以实现数百Mbps的高速传输，并且传输误差很小，而无线网则具有有限频带的特征，随机信道(irregular channel)特性，以及大的传输误差率。

本发明目的之一是提供一种新的网络结构，其中把有线和无线网有效地互相结合，以及具有能够解决现有技术中问题的通信协议。

本发明的另一目的是提供一种虚拟蜂窝网络VCN，它能使公共空间接口(common air interface)CAI的结构和协议简化。

本发明的再一目的是提供一种虚拟蜂窝网络VCN，它可以通过对每个单位区域中关于整个频带的处理率进行改进来增加用户容量。

本发明还有一个目的是提供一种虚拟蜂窝网络VCN，能够简化过区切换(handover)的管理，并可以较容易地确定基地台的台址。

本发明的虚拟蜂窝网络用有线网的优点弥补了无线网所带来的缺点。

也就是说，VCN的一个基本概念就是简化无线信道(wirelesschannel)的通信协议，以便改善频带利用率，并且能适应在连接基地台的有线网中增加的业务量。换言之，就是分别利用高速本地区网LAN的有线网的宽频带(broad band)或是都市网(MAN)的宽频带作为无线通信网的干线网，来简化公共空间接口(common air inter-face)协议。

本发明的VCN与惯用蜂窝通信系统相比的基本区别有两个。本发明的VCN把整个频带用于上行信道，而惯用的蜂窝通信网络则是采用七或九个频率复用模型。

这一系统要求有一个前提，那就是当接收端口(receivingport)同时收到两个以上信号时，倘若有一个信号数倍超过其它干扰信号总和的强度，接收端口就能无误差地接收这一最强的信号。在这种情况下，每个终端都可以使用整个系统带宽，与惯用技术相比，它可以缩短信息组(packet)间隔，并由此减少信道上的话务负荷(traffic load)。

最好是把上行带宽Bu分解(split)成几个，例如K个并行的带宽为B=Bu/K的随机接入(access)信道，而不是由每个终端使用整个带宽来高速地传输信息组。每个终端则可以为每次传输随机地选择一个上行频率。

因为接收端口不必执行信道均衡(因为B＜＜Bc)。这种方式在B＜＜Bc＜＜Bu的条件下特别有效，其中Bc是信道的相干带宽。另外，随机的慢跳频(random slow frequency hopping)SFH确保了传输与传输之间的信道衰减波此独立。由此就增强了网络的公平性(fair-ness)，并且在终端处于不良点时提高了可靠性，以免发生过多的重复传输。

此外，在本发明的VCN中没有那种位于网孔中心并且用于管理信道分配和过区切换的惯用基地台BS，并且使用了在功能上比惯用的基地台更简单的接收端口，例如天线的设置。VCN中的每个端口接收某一终端发射的信号，并经有线网把接收到的全部信息组无误差地传送到端口服务器(server)。处于一个虚拟网孔内的端口组提供了台址分集(site diversity)，这有助于防止多路衰减。

本发明的VCN有许多优点，它在以移动终端为中心临时构成的虚拟网孔之内的某一端口处接收一个信息组，但是有两个以上的信息组可以到达终点。这一问题可由端口服务器(server)来解决，它从网络区域内的各终端收集信息组。虚拟网孔被限定为一个区域，如果在足够大的区域内没有另一个终端正在发射任何信息组，在该区域中的接收信号具有足够强的功率被一个端口俘获。虚拟网孔的尺寸是由发射功率、传播衰减以及信道噪声所确定的。

为实现上述目的，本发明提供一种虚拟蜂窝网络，其中包括多个由端口网络相互连接的端口，用于接收由移动终端发射的上行信息组；以及

一端口服务器(server)用于在以移动终端为中心临时构成的虚拟网孔内的一或多个端口发射出的一或多个双重信息组中选择任一信息组，当移动终端发射一个信息组时，该信息组经由公共电话交换网传输到终点，并且向移动终端发射下行信息组。

根据本发明的另一目的，提供了一种虚拟蜂窝网络通信方法，该网络包括多个由端口网络相互连接的端口及一个端口服务器(server)被连接到端口网络的一端。在此方法中，从移动终端向端口方向的上行信息组传输过程包括以下步骤：

利用无线多址协议(wireless multiple access protocol)从移动终端向各个端口发射一个信息组；

在该移动终端发射该信息组时，由处于以所述移动终端为中心虚构的一个虚拟网孔内的至少一个端口接收该信息组；以及

从经由端口网络被传输到端口服务器的至少一个或多个双重信息组中间选出一最佳信息组；而从端口服务器朝移动终端方向的下行信息组传输的过程包括了以下步骤：

由端口服务器指定至少一个端口用于发射下行信息组；以及

经由指定的端口向移动终端发射信息组。

为进一步详细说明本发明的特征，利用实施例结合附图描述如下：

附图简要说明

图1是惯用蜂窝通信网络的示意框图；

图2是本发明一个最佳实施例的虚拟蜂窝网络的示意框图；

图3是从各终端发出的上行信息组传输协议的流程图；

图4是从端口服务器出发的信息组处理协议的流程图；

图5是从端口服务器传输下行信息组的协议流程图。

图2是按照本发明一个最佳实施例的虚拟蜂窝网络的示意性框图。

本发明的虚拟蜂窝网络包括多个端口P_A至P_N，用于接收多个移动终端M_a至M_e发射的信息组，上述端口由端口网络PN将它们彼此连接，以及连接到该端口网络PN一端的用于管理多个端口P_A至P_N的端口服务器(server)PS。端口服务器PS被连接到作为干线网的公共电话交换网。

图2示出了终端M_a至M_e在发射信息组的时隙期间同时发射信息组的情况。

端口网络PN具有一个总线拓朴图(topology)例如可具有一个星形(star)拓朴或环形(ring)拓朴图。它应具有足够的带宽以适应该网络区域内所产生的业务量。

本发明的端口P_A至P_N可以由比惯用基地台功能简单的天线构成。

在图2中用五个圆表示的虚拟网孔VC1至VC5是以移动终端M_a至M_e为中心构成的，并且其中包括14个端口P_A至P_N。

这些虚拟网孔VC1至VC5的尺寸是由发射功率、传播衰减及信道噪声来决定的，并且被限定为一个区域，如果在足够大的区域内没有另一个终端正在发射任何信息组，被接收的信号在该区域内就具有足够的功率被一个端口俘获。

PS还执行双重分辨协议(duplication resolution protocal)(DRP)，以便在一个以上的端口可能接收到同一信息组时从可能的双重信息组中间仅选择一个信息组将其输出到公共电话交换网。

由PS执行DRP，而不是在端口P_A至端口P_N执行DRP，并且过区切换(handover)的简化可以使终端M_a至M_e的无线通信协议得到简化，由此可减少功率消耗。

同时，每个终端可使用分配给上行信道的整个系统带宽，并且通过把上行带宽Bu分解(split)成几个并行的随机接入信道带宽B，使得每个终端可从带宽为B=Bu/K的并行随机接入信道中间随机地选用其中的一个信道。

在后一情况下，如果信道的相干带宽Bc满足B＜＜Bc＜＜Bu，由于B＜＜Bc，端口P_A至P_N不必执行信道均衡(equalization)功能。随机的慢跳频能确保传输与传输之间的信道衰减彼此独立。

VCN的通信协议包括从终端接入端口所需的无线多址控制协议(wireless Multiple access control protocol)，端口服务器的上行信息组处理协议，端口服务器的下行信息组处理协议，以及端口网络中的多址协议。

A．各终端的上行信息组发射协议

VCN的上行信道(从各终端朝向一个端口的方向)是以现有的或改进的多址协议为基础的，特别是在随机接入协议的基础上即时隙(slotted)的ALOHA协议。随机接入协议的基本优点在于其简单并且灵活，并且由于这种随机接入协议不是一种集中控制的方案，在诸如VCN这样的分布网络中可以显示出其优点。

参见图3，如果出现待发射的信息组时(S31)，各个终端M_a至M_e按照时隙的ALOHA协议随机地发射信息组。

如果整个系统带宽很宽，就把整个带宽分解成多个并行信道的带宽，并且由各个终端随机地选择任一并行信道发射信息组(S32)。由终端M_a至M_e周围的端口P_A至P_N接收到的所有信息组被立即发射给端口服务器PS(S33)，而PS经由下行信道向一个相应的终端发射确认(acknowledgement)信号ACK。

同时，每个终端静止地等待(S34)，如果在一预定时间期间未收到确认信号，则重新发射信息组(S35)。

在图2中，如果终端M_B和M_C同时发射信息组，端口P_G和P_H的信号将会遭受很强的干扰，因此可以把来自终端M_B和M_C的信息组分别经由端口P_E和P_I传送到PS。

如果发自一个终端的信息组不能被任何一个端口俘获，就不会有确认信号，并且可以在补偿(backoff)延迟之后重新发射。

B．端口服务器的上行信息组发射协议

参见图4，如果PS从一终端接收到一个新的信息组(S41)，在一预定时间期间如果有经由几个途径发射的双重信息组(duplicatedpackets)(S42)时，PS要予以确认。

在这些双重信息组中可能包括没有任何误差的信息组以及由于传输期间的误差而出现局部错误的信息组。

PS从双重信息组中选择其一，或是对不良的信息组进行组合，完成台址分集(site diversity)(S43)。

如果PS收到了一个完美的信息组，PS就向该终端发射确认信号ACK(S44)，并且编制和更新一个有效端口表，该表中包括用户识别号码、信号输入端口号码、信号质量，以及接收时间(S45)。

例如在图2中由终端M_a发射的一信息组可能经由端口P_A至P_D发生重复并被发射到PS。PS仅选择一个信息组的副本(S46)并将其传送到终点(S47)。这样就确定了一个双重分辨协议DRP。

DRP可以有两种方案。第一，在一个准确的信息组到达之后放弃其它所有的双重信息组。这种简单的算法可以使PS中的处理延迟被减至最小。

第二，由PS在预定时间内接收所有的双重信息组，但是选择出具有最小误差的信息组副本，例如，把具有最小汉明间距(hammingdistance)的副本选为有用字码。

PS还为有效端口表中的每个用户接收到最佳信号的端口号码进行跟踪。这种信道信息可被用于在下行传输中选择最佳的一个(或一组)端口用于向终端发射信息组。

C．端口服务器的下行信息组发射协议

VCN从PS向终端M_a至M_e发射信息组的下行协议也可以采用上行协议的虚拟蜂窝网原理。

参见图5，如果被传送给终端的信息组到达PS时(S51),PS利用实际端口表检查，看首先会收到信息组的终端(terminal location)是否已被占有(S52)。

经检查之后，如果相应的终端未被占有，就对该PS管理的整个网络中的所有端口群呼(paging overall)(S53)。

如果在群呼情况下，相应的终端没有被占有(S54),PS向传输端口报告该终端没有在网络中(S55)。

在PS通过步骤S52和S54占有了终端的情况下，在理想情况下，PS就指定一接收到最佳上游信号的端口(S56)并通过其传送下游数据(S57)。然而，最好是不采用步骤S56和S57，而是通过在上行传输期间具有最佳特性的那个端口和几个与其相邻的端口多点(mul-ticase)发送下游信息组，以便增强其性能。

D．端口网络协议

PN把PS所覆盖的网络区域的所有端口P_A至P_N和PS互连在一起，并且承载上游和下游数据。由于在端口之间没有直接的用户数据交换，从信息组延迟和稳定性的角度来看，星形拓朴图最适合用于这种端口网络。考虑到实际的安装问题，该端口网络适合采用总线(bus)网络，并可以使用环形拓朴图。如果采用IEEE 820.6分布式排队双总线协议或是其修改协议，PS可以把一条总线只用于下游(down stram)传输，而另一条总线被用于从端口到PS的上行传输。

这种端口网络构成了高速的短距离通信网络，并且采用了适应于端口与端口服务器之间的业务特点的多址协议。同时，由于在各端口之间没有直接的数据交换，最好是选择一种能适应这种条件的合适协议。

优点及效果

1、增加用户容量

根据惯用蜂窝通信系统的一个网孔中可以理想地执行的多址控制协议，即使是每个网孔的处理率达到1，相对于整个系统频率带宽的每单位区域的处理率在七个频率复用模型的条件下也不会超过1/7=0.143。

为了从根本上解决处理率最大值的限制问题，频率复用(reuse)模型的数量应小于7，其最小值为1。也就是说所有终端将使用相同的频带(frequency bandwith)。

在本发明的虚拟蜂窝系统中必须认真对待来自其它终端的干扰信号，这一问题可从以下几方面进行补偿，即合适的接收设备的俘获功能，及通过采用大的频率带宽把信息组传输时间缩短到1/7，以及实现台址分集。

如果基地台(端口)的数量与惯用蜂窝通信系统中的数量一样多，就可以进一步增加用户容量。

2、适应用户临时聚集的情况

在个人通信网或移动电话网中，如果用户们临时或在一段时间内聚集在一个特定区域内，惯用的蜂窝结构不能有效地对付这种聚集条件，即使是采用平均业务量程度来确定网孔的尺寸和边界，处理率在临时变化的情况下也会变差。在本发明VCN中所有的终端都使用整个频率带宽(即采用的频率带宽预先不受限制)，因此对于用户分布动态变化的情况下也能具有较好处理率。

与采用Hz·秒的情况不同，在采用Hz·秒·m²时可以最大限度地利用VCN中提供的无线资源。

3、便于确定基地台的位置

不同于惯用的蜂窝通信网，VCN中网孔的边界不预先限定。网孔的边界被限定在终端周围，而不是在基地台周围，并且各终端可以与虚拟网孔中的某一端口相联系。因此，VCN从本质上实现了台址(site)分集和防止多路衰减(combat multipath fading)。

利用这一系统，在VCN中可以自由地确定端口位置，并且在需要安装附加的基地台以便增加用户容量时，端口之间的相互影响比惯用的蜂窝系统中基地台之间的相互影响要少。

4、简化过区切换的管理

在VCN中，在一终端周围的一个端口接收信息组，由该端口准确接收的信息组经由端口网络被发射到端口服务器。由于在VCN中不会出现移动终端越过预定的网孔边界的现象，就不会发生象惯用蜂窝系统中的那种复杂的过区切换问题，由此形成一种软过区切换方式。这样，VCN的端口就不需要复杂的过区切换管理功能，而是由端口服务器(server)来管理过区切换。

5、简化终端通信协议

VCN可使终端所需的过区切换(handover)管理功能减至最少。局部地在端口网络结构中使用多址协议可以简化终端的通信协议，并且减少功率消耗。

尽管本发明是结合着目前的实际情况和最佳实施例来描述的，但是本发明决不仅局限于所述的实施例，与此相反，其目的在于要覆盖住包括在权利要求中的思想和范围内的各种变形和等效的布置方式。

Claims (30)

1、一种虚拟蜂窝网络，包括：

端口网络；

多个由端口网络相互连接的端口，用于接收由移动终端发射的上行信息组；以及

一个端口服务器(server)用于在以所述移动终端为中心临时构成的虚拟网孔内的一或多个所述端口发射出的一或多个双重信息组中选择任一信息组，当所述移动终端发射一个信息组时，把所述信息组经由公共电话交换网传输到终点，并且向所述移动终端发射下行信息组。

2、按照权利要求1的网络，其中，所述的移动终端在从终端朝向端口的方向利用分配给上行信道的整个频带带宽发射所述信息组。

3、按照权利要求1的网络，其中，所述移动终端在从终端到端口的方向利用从分配给上行信道的整个频带带宽中分解成的几个并行信道之中的一个信道发射所述信息组。

4、按照权利要求3的网络，其中，所述的上行信道的整个频带带宽、所述并行信道的带宽以及信道的相干带宽分别由Bu、B和Bc表示，它们满足B＜＜Bc＜＜Bu的关系式。

5、按照权利要求3的网络，其中，每个所述移动终端随机地选用一个并行信道。

6、按照权利要求1的网络，其中，所述端口网络为一个星形拓朴或总线网络。

7、按照权利要求1的网络，其中，所述端口服务器从上述一或多个双重信息组中间选择首先收到的一个准确的信息组，并且放弃那些在该准确的信息组之后到达的所有信息组。

8、按照权利要求1的网络，其中，所述端口服务器从在一预定时间期间收到的所述一或多个双重信息组中间选择具有最小误差的一个信息组。

9、按照权利要求8的网络，其中，所述具有最小误差的信息组是根据一个信息组具有的最小汉明间距的条件来确定的。

10、按照权利要求8的网络，其中，在所述端口服务器中设有一有效端口表，该表中包括从各个终端接收到最小误差信息组的所述端口的信息。

11、按照权利要求10的网络，其中，所述的有效端口表中至少包括用户识别号码、信息组输入端口号码、信号质量以及接收时间。

12、按照权利要求1的网络，其中，用于从所述移动终端中将上述相应虚拟网孔内的所述任意端口接入的通信协议是由无线多址控制协议构成的，并且所述端口网络的通信协议是由多址协议所构成的。

13、按照权利要求12的网络，其中，所述的多址协议是一种随机接入协议。

14、按照权利要求1的网络，其中，所述的端口服务器通过接收到最佳信息组的那个端口向所述移动终端发射下行信息组。

15、按照权利要求1的网络，其中，所述端口服务器通过接收到最佳信息组的那个端口及其周围的几个端口以多点发送的方式向所述移动终端发射最佳的信息组。

16、按照权利要求1的网络，其中，所述端口服务器以台址分集的方式从几个端口接收到的所述双重信息组中选择所述一个信息组。

17、按照权利要求6的网络，其中，所述总线包括第一总线用于从所述端口服务器到所述端口的下行传输信息组，以及第二总线用于从所述端口到所述端口服务器的上行传输信息组。

18、按照权利要求1的网络，每个所述端口包括一个天线。

19、一种虚拟蜂窝网络的通信方法，该方法是在一个包括多个由端口网络相互连接的端口和连接到该端口网络一端的一个端口服务器中，从移动终端到端口方向上行信息组传输以及从所述端口服务器向所述移动终端方向的下行信息组传输过程：的过程，其中，包括以下步骤：

利用无线多址协议从所述移动终端向各个端口发射上行信息组；

当所述移动终端发射所述信息组时利用以所述移动终端为中心虚构而成的一个虚拟网孔内的至少一个端口接收信息组；以及

从所述端口网络发射到所述端口服务器的至少一个或多个双重信息组中选择一个最佳信息组；以及

由所述端口服务器指定至少一个端口用于发射下行信息组；以及

从所述指定端口向所述移动终端发射下行信息组。

20、按照权利要求19的方法，其中，当执行上行信息组传输时所述移动终端使用分配给上行信道的整个频率带宽发射所述信息组。

21、按照权利要求19的方法，其中，当执行上行信息组传输时所述移动终端使用多个并行信道中的任一信道发射所述信息组，该并行信道的带宽是由整个频率带宽分割而成的。

22、按照权利要求21的方法，其中，多个并行信道中的任一信道是通过多址协议来选择的。

23、按照权利要求22的方法，其中，所述多址协议是一种随机接入协议。

24、按照权利要求19的方法，其中，在所述双重信息组中的最佳信息组是在预定时间期间接收到的多个双重信息组中具有最小误差率的那个信息组。

25、按照权利要求19的方法，其中，在指定所述信息组传输端口的步骤中指定一个端口，该端口在所述上行信息组传输期间收到了最佳的信息组。

26、按照权利要求19的方法，其中，在指定所述信息组传输端口的步骤中指定在上行信息组传输期间收到了最佳信息组的那个端口，以及指定一个处于所述端口周围的预定端口。

27、按照权利要求19的方法，其中，采用多点(multicase)发送方式执行从所述指定端口到所述移动终端的信息组传输。

28、按照权利要求19的方法，其中，从所述端口到所述端口服务器的信息组传输是按照时隙ALOHA协议来执行的。

29、按照权利要求19的方法，其中，端口服务器从所述一或多个双重信息组中间选择首先接收到的一个准确信息组，并且在从双重信息组中选择最佳信息组的步骤中放弃所有的在准确信息组之后到达的所有双重信息组。

30、按照权利要求19的方法，其中，进一步包括以下步骤：

占有一个终端，向该终端发射所述下行信息组；以及

在该终端未被占用的情况下对所有的端口进行群呼。

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