CN88101150A

CN88101150A - 宽频带室内通信用无线网络

Info

Publication number: CN88101150A
Application number: CN88101150.9A
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
Priority date: 1987-03-05
Filing date: 1988-03-04
Publication date: 1988-11-23
Also published as: EP0281334A2; KR910002016B1; US4789983A; DE3852772D1; EP0281334B1; SG30544G; KR880012049A; JPS63233631A; CA1281111C; EP0281334A3; DE3852772T2; CN1009891B

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(14-19)以及可能硬连线连接的(10-13)收发机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设备复用技术，以便针对通道质量障碍进一步提供防护。

Description

本发明涉及一种射频宽频带通信网络，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（LANS）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，一条集中母线供用硬连线连到一中央节点的所有用户装置使用。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 Telecommuni-cations 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话系统，该系统能使电话通过无线电与直接连接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发表在“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，其中谈到用一种红外微型广播网络进行室内数据通信，那里有一个主控制器直接与多个空间分散的转发器相连，用于以红外信号与形成室内系统的各种站进行双向传输通信。

最近，在Globecom′85，卷1，1985年12月2-5，新奥尔良，路易斯安那州，第15.2.1-15.2.6页上发表了一种办公业务信息网络，其中提供了一种时间片-环形选取协议（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。一个在相反方向传输的对偶光纤环路把通信信号沿着光纤传送至各种节点。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，使用无线吊牌。

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、家俱等静止物体，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，以及由于缺乏直视通路而引起的屏蔽衰落，产生严重的多路径畸变，使一对发射机和接收机之间的通信线路发生故障。于低数据速率时，多路径效应表征为兰莱（Raleigh）衰落，而在较高速率时，该通道在通信波段上还呈现频散现象。屏蔽衰落的频谱是平的，并呈现对数正态分布的特征。

当然，当环境慢变化时，所有效应都随时间不断变化。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大幅度变化，因此，不可能应用标准技术对无线电通道作多重选取（multiple access）。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，并使一部分用户受到不可容忍的高误码率，遭受这种境况的通信线路称为中断，并且暂时不能应用。因此，在先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环境。

上述现有技术中的问题已由本发明解决，本发明涉及一种宽频带室内通信无线网络，以无线电作为传播媒介，该网络或独立应用，或作为硬连线网络的补充。该典型的宽频带室内包通信网络包括（1）多个收发机，以及（2）一个中心节点。此外，也可以设置一个或多个与某些分开的无线收发机组、以及可能的硬连线收发机组相连接的集中器。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）一种装置，用以在每一主周期的第一时间段上断定所需的传输要求，并将所需传输要求发向多个现役无线收发机中的每一收发机;（b）一种装置，用来接收从多个收发机中每一收发机来的信息包，该信息包是受通信装置的指令发出的;还用来在该主周期的第二时间段上将所说信息包重新发往指定用户的收发机。尤其是中心节点的通信装置用以（ⅰ）当与集中器中或中央节点中有关接口装置通信时，断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）使与被断定具有包传输要求的用户相关的收发机发送出这些用户的包信息，这些包信息具有足够长度，以克服所断定的传输障碍。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，该轮询方案能使设备复用，从而根据需要进一步防止通道通信质量的下降。

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

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，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与一单独用户终端（图中未示出）相连，诸如与一数据设备、打印机、个人用计算机，主计算机，电话机等相连。

20和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25。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，另外的接口模件可与所示的模件22-23并联安置，并且，或者是通过单独的硬连线线路，或者是通过单独的无线线路，将那些另外的接口模件与相应用户设备（未示出）的其他部分相连。

每一接口模件22或23的作用是把从相关用户设备来的接收信号的协议转换成如由中央节点30所使用的网络的标准协议。然后在合适的时间按时分多路通信（TDM）制将该已转换的信号通过集中器母线29a送到中继模件25，向中央节点30传输，反之，如作为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，相应的接口模件只须根据接收到的从时钟模件24来的时钟信号在合适的时间发出该接收到的信号。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发出与该集中器有关的每一信号，该集中器位于各接口模件22、23和中央节点30之间，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32-34，它们中的每一个或与远程集中器20或21中的一个相连，或与具有一个或多个用户设备的单独分组相连;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。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）信号被形成定长信息包，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，发到接有指定的目标用户设备的合适的集中器20或21。中央节点30具有按每条高速通路的速度而工作的争用母线36、37，用以完成此重新选路线工作。所有信息，包括在一特定集中器20或21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。

正在接收的集中器把从中央节点30传来供分配的所有信息包通过母线29b对合适的UIM进行多路分配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 Communi-cation 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局部网络结构”（“A New Local Network Architecture Using A Centralized Bus”）中叙述了更多的设备结构以及操作细节。

如图1所示可以引入射频通信电路，或者通过处于任一集中器20或21中的UIM23引入通信线路28，或者通过直接与中央节点30中的一个NIU33相连系的无线线路引入通信线路27。对于通信线路27，由于在中央节点30中引入一个NIU33，就增添了从集中器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中的一个分组收集信息。以后，通道一词意指全双工操作，向NIU33发送和从NIU33接收，是应用不同波段。该射频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，该射频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而传输过来的定长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目的地地址，从有线线路26来的信息包可以被中央节点30改线送入无线通信线路27，反之亦然。

无线通信线路28沟通了一条从用户分组14-15或16-17中每一用户到达远程集中器20或21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有多条路径，但这些路径时分一条射频通道。尤其是在任何时刻，一用户分组中只有一个无线用户可以选取该射频通道。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的传输速率的组合数据率，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射频通道是没有意义的，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，避免了不同群中的用户同时使用该通道所造成的群之间的干扰。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连同设备复用，这样，能提供任意高的有效性。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）在以无线电作媒介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电平变化太大，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，应用了一种示范性改进的轮询技术，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;将位于集中器20和21中的无线UIM23以及位于中央节点30中的NIU33从属于处理器35，使得在任一时刻只有一个UIM23或NIU33能向其用户设备集发送该标记。应当明白，所有无线用户14-19时分一条射频通道，没有频率复用。

图2表示该示范轮询技术和与无线用户设备14-19相关的射频通道相连用情况。把时间划分为称为帧的定长时间段序列，如图2上部所示。每帧的开始为轮询段40，接着是传输连续（话音）通信信息包41以及脉冲串（数据）通信信息包42的多个时间段。连续通信段41的长度与连续通信量有关。周期性地传输该连续信息，每一帧周期内至少传输一次，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定长信息包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次这种基本速率，其方法是在每一连续通信段选取多个时间片。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。

下列步骤是用于该射频通道的示范性总传输顺序：

1.应用分信息包P1-PN，通过集中器20和21中的UIM23以及NIU33，该中央节点30中的呼叫处理器35依次轮询与该射频通道相连的每一用户设备;

2.在被轮询时，用户设备14-19依次回答，在被轮询以后，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，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表示的定长信息包，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_L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，当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，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，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设备分布，它与系统负荷量有关，（c）在远程用户设备14-19处无时标要求，（d）主要由于集中器21、22和远程用户设备14-19之间的传输延迟很短，用此技术不会因为轮询的占空度低而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，这就限制了在一个给定的大楼里的最大数据速率，并且此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，在有效作用区域内有某种可能性使每个用户设备接收到的信号误码率（BER）低于此后称之为运转中断概率的所需值，如果用户设备14-19中之一在某地点不能工作，该用户可移动用户设备或其天线。但是，当人和物体在大楼内移动时，延迟分布随时间发生慢变化。因此，希望把由于延迟分布产生的运转中断概率保持尽可能低，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，采取设备复用可以增加最大数据速率和/或降低运转中断概率。借助设备复用，用户一般能以某高速率R₁进行传输。当在集中器20、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时，把该速率降到某值，例如R₂，使得能够保持BER指标，这种技术在卫星系统现有技术中是众所周知的，例如A.S.Acampora在BSTJ1979年11月58卷第9期2097-2111页上，以及在IEEE Journal On Selected Areas In Communication，1983年1月，SAC-1卷，133-142页上发表的文章中就有叙述，那里，应用了一组备份时间段（time Slot Pool），并且以编码或无编码方式传输每一信息包，以降低运行中断概率。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，并从设备复用所保留的时间段组合中得到足够的时间段，使得在衰落的场合保持该数据速率。从该现有技术得知，一小组备份时间段能保护一大群用户。在本技术中，因为通道存在频散，所以未考虑在衰落情况下应用编码。

为了用两种传输速率实现设备复用，需要修改上述7步骤媒介选取技术。借助设备复用，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测得误差，则用户装置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、或两个等长信息组、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时再传输上一次信息组。在例如于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BSTJ1979年11月，58卷第9期，2097至2111页上的文章中，描述了用一部发射机实现该设备复用的技术。发射机能够周期性地以较高速率试图再传输。再传输的频度决定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试图再传输的情况只是偶尔才出现。

Claims

1、一种宽频带包通信网络包括：

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，用以在一个现役用户或用户组与该网络之间发射或接收信息包以及

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)断定与每一发射机相关的包传输要求，该发射机在每个主帧周期的第一分周期上通过一个无线通信线路与该中央节点通信，(b)使每个被断定具有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上发出其信息包，(c)在每个主帧周期的所说第一和/或第二分周期上，检测与每一无线发射机相关的传输障碍，以及(d)使从被断定遭受传输障碍的每个发射机传来的信息包以一种这样的传输速率发出，从而使足以缓解该测得的传输障碍，以及

装置(32-34)，用于(a)接收从该网络多个发射机传来的信息包，以及(b)通过一适用的硬连线或无线通信线路，向与这些信息包所指定的用户相关的接收机重新传输这些信息包。

2、按权利要求1所说的一种宽频带包通信网络，其特征在于该接收和再发射装置包括：

一高速率母线（36，37），按时分多路通信方式，用以传输从该多个发射机来的信息包;以及

多个网络接口设备（NIU）（32-34），每一NIU与该多个发射机中一个或若干个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，用以接收从该相关发射机分组传来的信息包，并且在一自由时间段上经高速率母线向该NIU发射每一信息包，所说的NIU与被指定要接收该信息包的用户相关联。

3、按权利要求2所说的一种宽频带包通信网络，其特征在于该网络还包括：

至少一个集中器（20，21），每一集中器安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为双工通信提供了与集中器相关的发射机分组的一独立部分，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），用以按时分多路通信方式，在该集中器UIM和中央节点的多个NIU中一预定的相关NIU之间提供双工通信，以及

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

4、按权利要求1、2或3的一种宽带包通信网络，其特征在于该处理器装置包括：

响应于一个主帧周期的起始的装置，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），并依次接收从这些发射机传来的第二控制信号（Ri），该第二控制信号表明在该主帧周期上，发射机是否有信息包需要传输，以及（b）对每一个接收到的表明一个现役发射机有信息包需要发出的第二控制信号起反应，依次向各现役发射机传送第三控制信号（TSi）以便使该发射机发出所说信息包，供该中央节点选定路线而发送到该信息包指定的用户。

5、按权利要求4所说的一种宽频带包通信网络，其特征在于：

中央节点中的接收和再发射装置包括一类装置，该装置用以检测以小于预定误码率接收到从发射机发来的信息包，并用以向断定和诱发装置发出独立的传输障碍控制信号;以及

该断定和诱发装置响应于来自该接收和再发射装置的传输障碍控制信号，从而向该被测定为遭受传输障碍的发射机传送一个后继的第二控制信号，诱发该发射机利用预定的设备复用技术以较低数据速率再发送该信息包。

6、按权利要求5所说的一种宽频带包通信网络，其中的接收和再发射装置包括与无线通信线路相连的分集天线。

7、按权利要求1、2或3所说的一种宽频带包通信网络，其中的接收和再发射装置包括与该无线通信线路相连的分集天线。

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，中央节点包括一个处理器装置，该信息传送是在一个宽频带包通信网络中的一个主帧周期上通过任一硬连线或无线通信线路而进行的，每一发射机与该网络的一个独立用户组相连，其特征在于该方法包括以下步骤：

（a）在该中心节点中的所说处理器装置断定每一发射机的包传输要求，该发射机在每一主帧周期的第一分周期上与该中央节点通信;

（b）使在步骤（a）中被断定具有包传输要求的一无线发射机在每一主帧周期的单独第二分周期上发出其信息包;

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

（d）该处理器装置使从步骤（c）中被断定具有传输障碍的各发射机传来的信息包以某一足以缓解被断定的传输障碍的传输速率而被发射。

9、按权利要求8所说的一种方法，其特征在于该方法还包括下列步骤：

在执行步骤（a）时，需执行下列各分步骤：

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

（a2）依次接收从该多个发射机传来的第二控制信号（Ri），该控制信号指明在该主帧周期上某发射机是否需要传输一信息包;

在执行步骤（b）时，需执行下列各分步骤：

（b1）响应于步骤（a2）中所接收到的能表明一个发射机处于现役状态并有一信息包需要传输的第二控制信号，依次向这些现役发射机发射第三控制信号（TSi），使该发射机发送该信息包，并由该中央节点选定线路传送到该信息包指定的用户。

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，需执行以下各分步骤：

（c1）在中央节点处检测所接收到的来自一个发射机的一信息包具有小于一预定值的误码率;

（c2）响应于步骤（c1）中所测得的低于一预置值的误码率，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于步骤（c2）中发射的后继第二控制信号，利用预定的设备复用技术以较低的传输速率再发射该信息包，使得在中央节点接收到误码率高于预定值的信息包。