ES2298162T3 - Man inalambrica ofdm fija que utiliza cpe con antena interna. - Google Patents
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Abstract
Red (10) de área metropolitana inalámbrica fija que comprende una pluralidad de estaciones (18) base, estando dispuesta cada estación (18) base para proporcionar comunicaciones de datos inalámbricas multiplexadas por división de frecuencia ortogonal en un conjunto de canales definidos en el rango de frecuencia para un área de cobertura única para esa estación base y para operar en un rango de frecuencia inferior a 10 GHz con el área de cobertura de la estación base teniendo un radio superior a 1, 6 kilómetros (1 milla) e inferior a 16 kilómetros (10 millas); y caracterizada por: una pluralidad de equipos (14) de instalación de cliente asignados a cada estación (18) base y ubicados en una instalación dentro de la correspondiente área de cobertura de esa estación base, teniendo cada equipo de instalación de cliente una antena (14) desplegada internamente dentro de la instalación en la que están ubicados los equipos de instalación de cliente para permitir la recepción de comunicaciones inalámbricas multiplexadas por división de frecuencia ortogonal desde esa estación base y para permitir la transmisión de comunicaciones inalámbricas multiplexadas por división de frecuencia ortogonal a esa estación base.
Description
MAN inalámbrica OFDM fija que utiliza CPE con
antena interna.
La presente invención se refiere en general al
campo de los sistemas de comunicación de datos inalámbrica. Más
específicamente, la presente invención se refiere a una red de área
metropolitana (MAN, metropolitan area network) inalámbrica
fija que utiliza modulación de acceso a la portadora de
multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM,
orthogonal frequency division multiplexing) configurada para
permitir que los equipos de instalación de cliente (CPE,
consumer premise equipment) utilicen una antena desplegada
internamente dentro de la instalación del cliente, en lugar de
requerir una antena accesible externamente que tenga una
trayectoria de transmisión en la línea de visión hacia una estación
base.
Los sistemas de comunicación de datos
inalámbrica que utilizan señales de radiofrecuencia (RF, radio
frequency) para transmitir y recibir datos se conocen
ampliamente por ejemplo por el documento WO 98/26520A que da a
conocer un sistema para acceso por radio de banda ancha que integra
sistemas de longitudes de onda micro y milimétricas. Esta solicitud
da a conocer las características expuestas en la parte
precaracterizadora de la reivindicación independiente. El documento
US-A-5 867485 da a conocer un
sistema síncrono coherente de multiplexación por división de
frecuencia ortogonal con transmisores y receptores
SC-OF DM. El documento
WO-A-96/27962 da a conocer las
características expuestas en la parte precaracterizadora de la
reivindicación 1. En general, la tecnología de comunicación de
datos inalámbrica se ha aplicado a sistemas de comunicación de larga
distancia de alto rendimiento tales como comunicaciones por
satélite o telecomunicaciones por torre de microondas, o a sistemas
de comunicación de red de área local (LAN, local area
network) de larga distancia, tales como una LAN inalámbrica
dentro de un entorno doméstico o de oficinas. En el caso de sistemas
de comunicación de larga distancia, se requiere un sistema de
antena punto a punto y debe haber una trayectoria de transmisión en
la línea de visión hacia el transmisor y el receptor. En el caso de
comunicación LAN inalámbrica de corta distancia, puede utilizarse
un sistema de antena omnidireccional y no se requiere una
trayectoria de transmisión en la línea de visión porque las
distancias son en general inferiores a una milla. El motivo de esta
diferencia se debe al hecho de que las señales RF pierden potencia
rápidamente a lo largo de grandes distancias o cuando se transmiten
a través de obstáculos tales como edificios o muros.
Una red de área metropolitana (MAN) es una red
que puede comunicar a lo largo de distancias de rango medio de
entre aproximadamente 1 a 40 millas como lo que normalmente se
encontraría al proporcionar cobertura en un área metropolitana
completa. Los servicios de bucles de abonado digitales (DSL,
digital suscriber loops) son un buen ejemplo de un sistema
MAN por cable que utiliza cables telefónicos como el medio de
comunicación. Los sistemas de módem por cable son otro ejemplo de
un sistema MAN por cable que utiliza el cable coaxial como el medio
de comunicación. Una de las principales ventajas de un sistema MAN
es que permite comunicaciones de datos de velocidad superior en
comparación con las velocidades de los módem telefónicos
convencionales. El principal problema con tales sistemas MAN por
cable es el coste de instalar y mantener el medio de comunicación
de cable coaxial o telefónico de alta calidad. Un sistema MAN
inalámbrico fijo tiene la ventaja evidente de eliminar los costes
asociados con la instalación y el mantenimiento de un medio de
comunicación por cable.
Otra ventaja de un sistema MAN inalámbrico fijo
es que el medio de comunicación inalámbrica puede diseñarse para
proporcionar velocidades de comunicaciones de datos superiores a los
sistemas MAN por cable convencionales. Esta ventaja ha hecho que
los sistemas MAN inalámbricos fijos que se han desplegado hasta la
fecha estén diseñados para redes dedicadas de rendimiento
extraordinariamente alto y relativamente caras. El mercado para
estos sistemas MAN inalámbricos fijos era un pequeño número de
clientes con necesidades de comunicación de datos a alta velocidad
que pueden justificar el gasto y la complicada instalación de tales
sistemas a nivel individual. Como consecuencia de la limitada base
de clientes y la necesidad de un rendimiento extraordinariamente
alto, los diseños de los sistemas MAN inalámbricos fijos existentes
se han desarrollado más bien en la línea de los sistemas de
comunicación inalámbrica de larga distancia de alto rendimiento.
Aunque hay numerosos factores a tener en cuenta
cuando se diseñan sistemas de comunicación RF, algunos de los
factores más importantes que deben tenerse en cuenta a la hora de
diseñar un sistema MAN inalámbrico fijo son la frecuencia asignada,
la modulación de señal y modulación de acceso a la portadora.
Frecuencia asignada se refiere al rango de frecuencias u
oscilaciones de la señal de radio que están disponibles para usarse
por el sistema. Un ejemplo es la banda asignada para señales de
radio AM que opera entre 500 KHz y 1600 KHz. Modulación de señal se
refiere al modo en que se codifica la información o datos en la
señal RF. Un ejemplo es la diferencia entre señales de radio de
modulación de amplitud (AM, amplitud modulation) y señales de
radio de modulación de frecuencia (FM, frequency
modulation). Modulación de acceso a la portadora se refiere al
modo en que se utilizan las frecuencias portadoras asignadas para
transportar la señal RF. Un ejemplo es la diferencia entre usar un
único canal ancho o múltiples canales estrechos sobre el mismo ancho
de banda de frecuencia asignado.
A los efectos de esta invención, el diseño de un
sistema MAN inalámbrico fijo se centra en el rango de frecuencias
inferior a 10GHz. Se han desarrollado otros sistemas de comunicación
inalámbricos de media distancia, tales como el sistema de
distribución local multipunto (LMDS, local multipoint
distribución system) que opera en rangos de frecuencias mucho
mayores, tal como de 28GHz a 31 GHz. Estas frecuencias superiores
están sujetas a diferentes problemas técnicos y requieren sistemas
de antena externa más grandes que proporcionen trayectorias de
transmisión en la línea de visión desde lo alto de un edificio a
otro.
Debido al deseo de velocidades de datos
superiores, todos los sistemas MAN inalámbricos fijos existentes han
utilizado esquemas más complicados para la modulación de señal.
Para soportar transmisiones descendentes de mayor velocidad, estos
sistemas utilizan normalmente una modulación de amplitud en
cuadratura (QAM, cuadrature amplitude modulation) de 16 bits
o QAM de 64 bits para transmitir en sentido descendente desde la
estación base hacia los CPE a una tasa de datos de al menos 10
Mbps.
A diferencia de los numerosos sistemas LAN
inalámbricos fijos que se han desarrollado para comunicaciones de
corta distancia y que utilizan una forma de espectro ensanchado de
modulación de acceso a la portadora que ensancha una señal a través
del ancho de banda de frecuencia asignado, los relativamente pocos
sistemas MAN inalámbricos fijos que se han desarrollado hasta la
fecha han utilizado modulación multiportadora como su modulación de
acceso a la portadora. En la modulación multiportadora, la señal se
divide en varios flujos de datos paralelos y estos flujos de datos
paralelos se envían simultáneamente a lo largo de diferentes canales
de menor velocidad y entonces se vuelven a unir en el receptor para
producir una tasa de transmisión eficaz superior. El esquema de
modulación multiportadora que se ha diseñado por el comité normativo
IEEE para su uso como la extensión de la norma 802.11 LAN
inalámbrica para comunicaciones de datos inalámbricas de alta
velocidad se conoce como multiplexación por división de frecuencia
ortogonal (OFDM). El esquema de modulación OFDM hace un uso más
eficaz del ancho de banda asignado y mejora la capacidad de recibir
transmisiones a mayor velocidad.
Todos estos esquemas de modulación más
complicados para los sistemas MAN inalámbricos fijos existentes
generalmente requieren equipos más caros y más potencia de
transmisión en cada estación base. Para rentabilizar la mayor
inversión asociada con cada estación base, los sistemas MAN
inalámbricos fijos existentes se han diseñado para minimizar el
número de estaciones base requeridas para proporcionar cobertura
para un área dada. El radio de un área de cobertura típica para los
sistemas MAN inalámbricos existentes varía entre 10 y 30 millas.
También se utilizan áreas de cobertura más
grandes para minimizar la necesidad de reutilizar los mismos canales
de frecuencia en áreas de cobertura adyacentes. Dado que se usan
potencias de transmisión superiores para transmitir a tasas de
datos superiores en todos los sistemas MAN inalámbricos fijos
existentes, las señales de mayor potencia impiden la reutilización
de los mismos canales de frecuencia en áreas de cobertura adyacentes
y pueden descartar incluso la reutilización de los mismos canales
de frecuencia a distancias de hasta tres a cinco veces el radio del
área de cobertura. Por consiguiente, áreas de cobertura más grandes
reducen el impacto de problemas provocados por la incapacidad de
reutilizar frecuencias en áreas de cobertura adyacentes.
La desventaja más importante de tamaños más
grandes para el área de cobertura para cada estación base es el
mayor potencial de pérdida o atenuación de señal entre la estación
base y los CPE. Para contrarrestar esta pérdida de señal potencial
en las distancias más grandes y mejorar la recepción a la potencia
superior, velocidades de transmisión superiores, todos los sistemas
MAN inalámbricos fijos existentes utilizan un sistema de antena
punto a punto que requiere una trayectoria de transmisión en la
línea de visión entre la estación base y una antena accesible
externamente que está conectada a los CPE. Por ejemplo, véase la
configuración del sistema MAN inalámbrico fijo de la técnica
anterior de la figura 1 en la que los CPE dentro de entorno de
usuario único, por ejemplo, un hogar, están conectados a una antena
que está en el exterior del entorno de usuario único y en la que
dentro de un entorno multiusuario, por ejemplo, una pequeña oficina,
cada CPE está conectado a su propia antena que está ubicada en el
exterior del entorno multiusuario.
Dada la base de clientes relativamente limitada
y la necesidad de un rendimiento extraordinariamente alto que viene
dictado por el desarrollo de los sistemas MAN inalámbricos fijos
existentes, el uso de una antena accesible externamente que
proporcione una trayectoria de transmisión en la línea de visión es
necesario y comprensible. Sin embargo, será deseable proporcionar
un sistema MAN inalámbrico fijo que no requiera el uso de una
antena accesible externamente y que pudiera desplegarse más
ampliamente para proporcionar velocidades de datos superiores de
manera más eficaz a un mayor número de clientes.
Las necesidades descritas anteriormente se
consiguen en gran medida por un sistema MAN inalámbrico OFDM fijo
de la presente invención. El sistema de acceso inalámbrico fijo
comprende generalmente una unidad de equipos de instalación de
cliente (CPE) que está conectada a través de una interfaz Ethernet a
un ordenador personal de pequeña oficina/oficina en casa o a una
red de área local, y una unidad de estación base que está conectada
a través de una interfaz Ethernet a una red. La unidad de CPE está
ubicada en una instalación para la pequeña oficina o en casa, tiene
una antena que está desplegada internamente dentro de esa
instalación y puede instalarla fácilmente el usuario. La unidad de
estación base está preferiblemente montada en torre a una distancia
de 1 a 5 millas de la unidad de CPE. La unidad de CPE
preferiblemente incorpora un transceptor/conmutador de datos
interno, integrado que le permite recibir una señal digital desde un
ordenador o red, transformar esa señal a un formato analógico, y
transmitir la señal analógica a través de tecnología de
radiofrecuencia, preferiblemente operando en el rango de 2,5 a
2,686 GHz, a una unidad de estación base. La unidad de estación base
preferiblemente incorpora un transceptor/conmutador de datos
integrado. Al recibir la señal, la unidad de estación base
transforma la señal analógica de nuevo en una señal digital y pasa
esa señal a través de la conexión de Ethernet al ordenador
personal, LAN, y/o red. La multiplexación por división de frecuencia
ortogonal se utiliza en las transmisiones de enlace ascendente y
enlace descendente entre las unidades de CPE y las unidades de
estación base.
El sistema de acceso inalámbrico fijo transmite
utilizando señales OFDM que incorporan símbolos OFDM. Los símbolos
OFDM se presentan sin un símbolo de entrenamiento y se detectan
símbolo a símbolo.
El sistema de acceso inalámbrico fijo utiliza
una transmisión de enlace descendente dividida en tramas y una
transmisión de enlace ascendente no dividida en tramas.
La figura 1 proporciona una visión general de un
sistema MAN inalámbrico fijo de la técnica anterior que utiliza
antenas externas.
La figura 2 proporciona una visión general de un
sistema MAN inalámbrico OFDM fijo de la presente invención que
utiliza antenas internas.
La figura 3 ilustra una visión general de una
configuración de un único sector dentro de una célula de un sistema
de acceso inalámbrico fijo de la presente invención.
La figura 4 ilustra un sistema celular de la
presente invención.
La figura 5 ilustra un patrón de reutilización
celular estándar anterior.
La figura 6 ilustra un patrón de reutilización
celular de la técnica anterior que utiliza TDMA.
La figura 7 ilustra el patrón de reutilización
celular preferido de la presente invención.
La figura 8 ilustra la disposición de las
ranuras de transmisión de enlace ascendente y enlace descendente
utilizada con el sistema de la presente invención así como la
disposición de los paquetes de mensaje contenidos dentro de las
ranuras.
La figura 9 ilustra, en un formato de diagrama
de bloques, el procesamiento de un flujo de bits de un paquete de
datos que se transmite o se recibe por radiofrecuencia dentro del
sistema de acceso inalámbrico fijo de la presente invención.
Una visión general de una red de área
metropolitana (MAN) inalámbrica OFDM fija con equipos de instalación
informáticos (CPE) que utilizan antenas internas de la presente
invención se muestra en la figura 2. Tal como se ilustra, el
sistema 10 de acceso inalámbrico fijo de la presente invención puede
configurarse para un entorno de usuario único o un entorno
multiusuario, por ejemplo, una red de área local. El sistema 10
opera para transferir datos desde y hacia usuarios del sistema 10
mediante el uso de tecnología de radio transmisión de alta
fiabilidad. El sistema 10 puede aplicarse especialmente a los
mercados residenciales y de
\hbox{pequeña oficina/oficina en casa (SOHO, small office/home office ).}
En referencia ahora a la figura 3, se muestra
una visión general de una configuración de un único sector dentro
de una célula del sistema 10 de acceso inalámbrico fijo. Tal como se
muestra en la figura 3, el sistema 10 generalmente comprende uno o
más hosts, por ejemplo, uno o más ordenadores 12 centrales
y/o uno o más servidores 13 de red de área local, que están
conectados a una o más unidades 14 de equipos de instalación de
cliente (CPE) a través de una conexión 16 Ethernet. Cada unidad 14
de CPE se comunica con una o más unidades 18 de estación base
dentro del sistema 10 por radiofrecuencia. Cada unidad 18 de
estación base está conectada a través de una interfaz 19 Ethernet
con una o más de diversos tipos de redes 19, o tejidos de
conmutaciones, por ejemplo, modos de transferencia asíncronos (ATM,
asynchronous tranfer modes).
Cada unidad 14 de CPE incorpora hardware
necesario para implementar la comunicación Ethernet con un ordenador
12 personal de usuario o servidor LAN, así como comunicación por
radiofrecuencia con unidades 18 de estación base. Ese hardware está
preferiblemente implementado, al menos en parte, utilizando
tecnología de disposición de puertas de campo programables (FPGA,
field programmable gate array), o tecnología ASIC, y está
diseñado preferiblemente para un consumo de potencia máximo de
aproximadamente 10 vatios. Más específicamente, cada unidad 14 de
CPE preferiblemente incorpora un transceptor/conmutador de datos
integrado y uno o más conectores de Ethernet, por ejemplo, un
conector 10Base-T RJ45 (10BASE-T es
un medio de transmisión especificado por IEEE 802.3 que transporta
información a tasas de hasta 10Mbps en forma de banda base
utilizando conductores de par trenzado, también denominado hilo de
par trenzado no apantallado (UTP, unshielded twisted pair)).
En cuanto al transceptor/conmutador de datos integrado, ha de
observarse que pueden usarse componentes individuales sin alejarse
del espíritu o el alcance de la invención.
Para facilitar la instalación de la unidad 14 de
CPE, el transceptor/conmutador de datos integrado preferiblemente
incorpora una antena integral direccional que permite que la unidad
14 de CPE se instale por un cliente cerca de un ordenador 12
central asociado y dentro de la instalación de cliente. El uso de un
conector 22 de Ethernet estándar mejora adicionalmente la facilidad
de instalación de la unidad 14 de CPE y permite a la unidad 14 de
CPE instalarse fácilmente por el usuario para la comunicación con su
ordenador 12 central o servidor 13 de red de área local. La unidad
14 de CPE tiene preferiblemente un tamaño y forma tales que puede
colocarse y/o montarse sobre un escritorio, lo que de nuevo
facilita adicionalmente la instalación por el usuario.
La unidad 18 de estación base incorpora hardware
necesario para implementar la comunicación Ethernet con uno o más
de varios tipos de redes 19, o tejidos de conmutaciones, por
ejemplo, modos de transferencia asíncronos (ATM), así como
comunicación por radiofrecuencia con unidades 14 de CPE. Ese
hardware está preferiblemente implementado, al menos en parte,
utilizando tecnología FPGA o tecnología ASIC y está preferiblemente
diseñado para un consumo de potencia máximo de aproximadamente 100
vatios. Más específicamente, cada unidad 18 de estación base, de
forma similar a cada unidad 14 de CPE, preferiblemente incorpora un
transceptor/conmutador de datos integrado y uno o más conectores de
Ethernet, por ejemplo, un conector 10Base-T RJ45. En
cuanto al transceptor/conmutador de datos integrado, ha de
observarse que pueden usarse componentes individuales. La unidad 18
de estación base está preferiblemente equipada adicionalmente con
un receptor de sistema de posicionamiento global (GPS, global
positioning system) para proporcionar una referencia de tiempo,
para la resolución y la precisión del sistema. Un pulso de tiempo
de GPS se usa preferiblemente por el sistema 10 para proporcionar
sincronización a las unidades 18 de estación base distribuidas
geográficamente para evitar la interferencia entre unidades 18 de
estación base. En cuanto al transceptor/conmutador de datos
integrado, ha de observarse que pueden utilizarse componentes
individuales.
En cuanto a la figura 3, la unidad 18 de
estación base está preferiblemente montada en torre para facilitar
un radio de comunicación extenso, fuera de la línea de visión. La
alta ganancia del sistema proporcionada por los niveles de
transmisión, ganancias de antena, y la sensibilidad del receptor
permiten un funcionamiento fuera de la línea de visión de la unidad
18 de estación base. Si la unidad 18 de estación base está montada
en la parte inferior de la torre, se requiere una longitud extensa
de cable coaxial entre la unidad 18 de estación base y su antena.
Cuanto más larga sea la extensión del cable coaxial se produce menos
pérdida en la ganancia del sistema y se reducirá la distancia
operativa para un nivel dado de cobertura fuera de la línea de
visión.
Cada unidad 18 de estación base está colocada
por un sistema 30 celular distribuido, véase la figura 4, en el que
cada célula 32 preferiblemente incluye uno o más sectores 34, y cada
sector 34 preferiblemente incluye una unidad 18 de estación base.
La figura 4 es un diagrama de un sistema 30 celular distribuido a
modo de ejemplo en el que cada célula 32 tiene seis sectores 34.
Cada célula 32 preferiblemente tiene un radio de comunicación de
aproximadamente 1 a 5 millas, con un radio típico de 3 millas. Sin
embargo, el uso de un despliegue de unidad 18 de estación base
celular por sectores no restringe el uso de una única unidad 18 de
estación base omnidireccional. Más específicamente, no es necesario
tener una célula con múltiples sensores para operar como una
operación de célula única. En el caso de un área geográfica pequeña,
por ejemplo, inferior a un radio de tres millas, en la que la base
de usuarios potenciales es pequeña y una única unidad 18 de estación
base podría alcanzar la capacidad de tratamiento de datos, una
única estación base podría instalarse con una antena
omnidireccional de alta ganancia.
Una vez instaladas adecuadamente cada unidad 14
de CPE y cada unidad 18 de estación base, cada una puede transmitir
y recibir señales de comunicación hacia y/o desde la otra. Expresado
de la manera más sencilla, el efecto combinado de la comunicación
por radiofrecuencia entre la unidad 14 de CPE y la unidad 18 de
estación base es el de un conmutador de Ethernet estándar, con
ciertas mejoras añadidas. Por ejemplo, la comunicación por
radiofrecuencia se facilita entre las unidades 14 y 18 debido al
hecho de que a cada unidad 14 de CPE y a cada unidad 18 de estación
base se le ha asignado una dirección única, de manera similar a un
sistema de conmutación de Ethernet. Además, la comunicación por
radiofrecuencia entre las unidades 14 y 18 preferiblemente se
produce en forma de un paquete de datos que incluye una dirección
de origen y/o destino que indica de qué unidad 14 de CPE o unidad
18 de estación base procede la señal de comunicación y/o a cuál se
dirige, respectivamente, lo que de nuevo es similar a un sistema de
conmutación de Ethernet. El tráfico de emisión, por ejemplo, el
tráfico enviado a todas las unidades dentro del sistema 10, también
puede comunicarse entre unidades 18 de estación base y unidades 14
de CPE, de manera similar a sistema de conmutación de Ethernet.
Por tanto, al igual que un conmutador de
Ethernet mejora el funcionamiento de un sistema de Ethernet, la
configuración de conmutación proporcionada por la unidad 14 de CPE
y la unidad 18 de estación base opera para aumentar el rendimiento
del sistema 10 permitiendo que sólo se desplace tráfico esencial
entre las unidades 14 de CPE y las unidades 18 de estación base;
los paquetes de datos se filtran o se reenvían basándose en sus
direcciones de origen y/o destino sin intervención de unidades 18
de estación base intermedias, es decir, conmutación distribuida.
Además, al igual que un sistema de Ethernet, la unidad 14 de CPE y
la unidad 18 de estación base preferiblemente implementan un
protocolo de control central dinámico (CDP, dynamic host control
protocol), un protocolo que se observa por la unidad 14 de CPE
y la unidad 18 de estación base para descubrir de manera dinámica
la dirección de hardware de red física de bajo nivel que corresponde
a la dirección de protocolo de Internet (IP, Internet
Protocol) de alto nivel de los ordenadores 12 centrales
asociados a una unidad 14 de CPE.
Más específicamente, cuando una unidad de CPE se
conecta en línea por primera vez, empieza a vigilar las señales de
la unidad 18 de estación base utilizando su transceptor. Cuando la
unidad 14 de CPE detecta una señal de la unidad 18 de estación base
con suficiente calidad, la unidad 14 de CPE se registra con la
unidad 18 de estación base. La unidad 18 de estación base utiliza
un servidor de autenticación dentro de la red 20 para determinar si
la unidad 14 de CPE está autorizada y para determinar cuántos
ordenadores 12 centrales pueden asociarse a la unidad 14 de CPE. La
unidad 18 de estación base entonces o bien deniega o bien reconoce a
la unidad 14 de CPE con el número de ordenadores 12 centrales
permitido. Una vez registrada con una de las unidades 18 de
estación base, la unidad 14 de CPE entra en una fase de aprendizaje
en la que la unidad 14 de CPE opera para aprender la dirección de
nivel 3 y la dirección de capa física de Ethernet observando el
tráfico. El tráfico observado es el de uno de los ordenadores 12
centrales que solicita una dirección de nivel 3 a un servidor en la
red de comunicaciones de datos, es decir, LAN 13, y el de la
respuesta del servidor, que es preferiblemente en DHCP.
Una vez observado el tráfico, la unidad 14 de
CPE crea una tabla de la dirección IP, de nivel 3 del (de los)
ordena-
dor(es) central(es) asociados y la dirección de hardware de red física de bajo nivel de Ethernet asociada. Al crear esta tabla, la unidad 14 de CPE puede garantizar que no transmitirá mensajes por el enlace aéreo a la unidad 18 de estación base que tenga un destino de dirección de nivel 3 que corresponde a un ordenador 12 central que ya está asociado a la unidad 14 de CPE a través de la interfaz 13 LAN. De manera similar a la unidad 14 de CPE, la unidad 18 de estación base opera para observar el tráfico y crea una tabla de dirección IP, de nivel 3 del (de los) ordenador(es) central(es) asociados, la dirección de hardware de red física de bajo nivel de Ethernet asociada, y la dirección de hardware a través del aire asociada de la unidad 14 de CPE. Al crear esta tabla la unidad 18 de estación base puede garantizar que no transmitirá mensajes por el enlace aéreo cuando el mensaje incluya un destino de dirección de nivel 3 que no esté en la tabla de direcciones de la unidad 18 de estación base.
dor(es) central(es) asociados y la dirección de hardware de red física de bajo nivel de Ethernet asociada. Al crear esta tabla, la unidad 14 de CPE puede garantizar que no transmitirá mensajes por el enlace aéreo a la unidad 18 de estación base que tenga un destino de dirección de nivel 3 que corresponde a un ordenador 12 central que ya está asociado a la unidad 14 de CPE a través de la interfaz 13 LAN. De manera similar a la unidad 14 de CPE, la unidad 18 de estación base opera para observar el tráfico y crea una tabla de dirección IP, de nivel 3 del (de los) ordenador(es) central(es) asociados, la dirección de hardware de red física de bajo nivel de Ethernet asociada, y la dirección de hardware a través del aire asociada de la unidad 14 de CPE. Al crear esta tabla la unidad 18 de estación base puede garantizar que no transmitirá mensajes por el enlace aéreo cuando el mensaje incluya un destino de dirección de nivel 3 que no esté en la tabla de direcciones de la unidad 18 de estación base.
Además, al igual que un sistema de Ethernet, la
unidad 14 de CPE y la unidad 18 de estación base preferiblemente
implementan el protocolo de resolución de direcciones (ARP,
address resolution protocol), un protocolo que se utiliza
por dispositivos finales, ordenadores centrales y otros ordenadores
asociados a la red, para descubrir de forma dinámica la dirección
de hardware de red física de nivel bajo de Ethernet de un ordenador
12 central asociado que corresponde a la dirección IP asociada de
dicho ordenador 12 central.
Sin embargo, a diferencia de los sistemas de
Ethernet estándar, el sistema 10 de acceso inalámbrico fijo
proporciona un proxy ARP en el que una de las unidades 18 de
estación base puede responder a peticiones ARP dirigidas a un
ordenador 12 central asociado a una unidad 14 de CPE. Al actuar en
nombre de una unidad 14 de CPE, la unidad 18 de estación base
interceptora acepta la responsabilidad del paquete de datos
encaminado y puede responder al mismo, por ejemplo, la unidad 18 de
estación base puede devolver la dirección MAC de Ethernet real de
la unidad 14 de CPE. Por supuesto, pueden utilizarse protocolos
proxy distintos y/o adicionales sin alejarse del espíritu o alcance
de la invención. Utilizando ARP y proxy ARP, la capacidad del canal
puede mantenerse y aumentarse la eficacia del sistema 10, es decir,
se reduce el tráfico de emisión por el aire. Adicionalmente, la
unidad 14 de CPE observa el tráfico de datos del (de los)
ordenador(es) 12 central(es) que están asociados a la
unidad 14 de CPE. Si el tráfico está dirigido a otro ordenador 12
central que también está asociado a la unidad 14 de CPE, entonces
la unidad 14 de CPE no transmite ese tráfico a la unidad 18 de
estación base, por lo tanto la capacidad del canal puede mantenerse
y aumentarse la eficacia del sistema 10.
La unidad 14 de CPE preferiblemente incorpora
una función de itinerancia que permite a la unidad 14 de CPE
moverse desde una instalación dentro del alcance de una unidad 18 de
estación base a una instalación dentro del alcance de otra, o
conmutar estaciones 18 base si una debe dejar de funcionar a través
del aire. La unidad 14 de CPE vigila la calidad de todas las
señales de la unidad 18 de estación base y se registra con una
unidad 18 de estación base diferente cuando la señal de la actual
unidad 18 de estación base se degrada por debajo de la de otra
unidad 18 de estación base. Como con la unidad 18 de estación base
original, cuando se produce un cambio, la unidad 14 de CPE se
registra con la nueva unidad 18 de estación base y, adicionalmente,
pasa la tabla de dirección de nivel 3 y de dirección de capa física
de Ethernet de aquellos ordenadores 12 centrales conectados a la
unidad 14 de CPE a la nueva unidad 18 de estación base para
habilitar una sincronización apropiada de las tablas entre la
unidad de CPE y la nueva unidad 18 de estación base. La nueva
estación 18 base realiza entonces ARP gratuitos para provocar la
actualización de la tabla de la primera unidad 18 de estación base
con el fin de acelerar el proceso de las unidades 18 de estación
base conmutando adecuadamente el tráfico a la unidad 14 de CPE para
sus ordenadores 12 centrales asociados.
Además, un ordenador 12 central puede
desconectarse de una unidad 14 de CPE y conectarse a una unidad 14
de CPE diferente. La nueva unidad 14 de CPE pueden entonces
observar, a través del tráfico, que otro ordenador 12 central está
activo en su interfaz 13 LAN. La nueva unidad 14 de CPE realiza
entonces un registro con el ordenador 12 central añadido añadiendo
la dirección de nivel 3 y la dirección de capa física de Ethernet
del ordenador 12 central añadido a su tabla. La unidad 18 de
estación base asociada con la nueva unidad 14 de CPE reconoce
entonces que se ha añadido un nuevo ordenador 12 central y opera
para crear una nueva entrada en la tabla de direcciones de la
unidad de estación base para el nuevo ordenador 12 central. La
unidad 18 de estación base adicionalmente realiza un ARP gratuito
para actualizar otras unidades 18 de estación base.
El sistema 10 de acceso inalámbrico fijo opera
preferiblemente en el rango de frecuencia de 2,5 a 2,686 GHz de
servicio fijo de televisión instructiva/servicio de distribución
multipunto (ITFS/MDS, instructional television fixed
service/multipoint distribución service). La FCC (comisión
federal de comunicaciones) da licencias para estas frecuencias en
forma de 31 canales, cada uno con un ancho de banda de 6 MHz para
comunicación digital bidireccional. En una orden reciente, la FCC
determinó que se otorgaría a las licencias de canal una licencia en
blanco eliminando así la necesidad de que cada usuario registre su
unidad 14 de CPE y eliminando la necesidad de que cada unidad 18 de
estación base se registre individualmente.
Tal como se indicó anteriormente, el sistema 10
es preferiblemente un sistema 30 celular en el que cada célula 32
en el sistema está dividida en uno o más sectores 34. Un canal de 6
MHz puede utilizarse para soportar un sistema completo utilizando
una combinación de reutilización de frecuencias celular y un método
de multiplexación por división de tiempo. Alternativamente, puede
utilizarse más de un canal de 6 MHz; añadir más canales aumenta la
capacidad del sistema 10 en cuanto a la capacidad y el rendimiento
de comunicación por radiofrecuencia.
Un sistema 10 preferido, tal como se muestra en
la figura 4, utiliza un sistema 30 celular en el que cada célula 32
está dividida en seis sectores 34 y está dotada de seis canales de
manera que un sector 34 puede usar un canal todo el tiempo. En esta
configuración preferida, el sistema 10 proporciona un patrón de
reutilización de 1:1, una tasa de transmisión de 9 Mbps por sector
(54 Mbps por célula), y una tasa de tratamiento de datos de 3 Mbps
por sector (18 Mbps por célula). El sistema 10 preferido puede
soportar aproximadamente 300 usuarios activos simultáneos por
sector (1800 por célula) y aproximadamente 1000 a 1500 abonados por
sector (6000 a 9000 por célula). Como mínimo, el sistema 10 está
diseñado para soportar al menos 250 usuarios activos simultáneos
por sector.
Los sistemas inalámbricos de la técnica anterior
generalmente requieren al menos un anillo de células de separación
para la reutilización de una frecuencia. Por ejemplo, en referencia
a la figura 5 de la técnica anterior se están utilizando tres
frecuencias dentro de células 32, tal como se indica mediante tres
sombreados diferentes. En la configuración de la figura 5, el
sistema celular opera para separar cada célula que comparte el mismo
conjunto de canales por al menos una célula 32 con el fin de
minimizar la interferencia al tiempo que se permite el uso de las
mismas frecuencias en otra parte del sistema. En otra técnica
anterior, el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, time
division multiple access) de un sistema inalámbrico se usa para
disminuir la interferencia de frecuencias entre células. Por
ejemplo, con referencia a la figura 6 de la técnica anterior cada
célula 32 está dividida en sectores 34, teniendo cada sector 34 su
propio canal de frecuencia, repitiéndose los canales en la
siguiente célula 32 próxima. Para permitir esta reutilización de
frecuencias, se utiliza TDMA para dar a cada usuario una ranura de
tiempo única dentro del canal. Como tal, en la célula 32 inferior,
sector 1, un usuario transmite según la señal de tiempo escalonada
indicada, en la célula 32 adyacente derecha, un usuario transmite
según la señal de tiempo escalonada indicada, es decir, después de
que haya transmitido la célula 32 inferior, y en la célula 32
adyacente superior, un usuario transmite según la señal de tiempo
escalonada indicada, es decir, después de que haya transmitido la
célula 32 adyacente derecha, y así sucesivamente, de modo que cada
sector 1 en cada célula transmite en un tiempo diferente. Sin
embargo, según la presente invención mediante el uso de modulación
por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK, quadrature
phase-shift keying) y el diámetro reducido de
cada célula, descrito adicionalmente más adelante, no es necesaria
ni una separación de células 32 ni TDMA entre células, véase la
figura 7.
En realizaciones alternativas de la presente
invención, cada célula 32 puede estar dotada de tres sectores 34
por lo que el método de multiplexación por división de tiempo
utilizado dentro de esa célula se basa en un patrón de dos células
(seis sectores). Cuando el patrón de dos células está dotado de un
único canal de 6 MHz, la transmisión tiene lugar una sexta parte
del tiempo en cada sector, cuando el patrón de dos células está
dotado de dos canales de 6 MHz, la transmisión tiene lugar una
tercera parte del tiempo en cada sector y, cuando el patrón de dos
células está dotado de tres canales de 6 Mhz, la transmisión tiene
lugar la mitad del tiempo. Cambiar los patrones de células y
sectores tiene, por supuesto, un efecto en las tasas de transmisión,
en las tasas de tratamiento de datos, y en el número de usuarios
que puede soportar el sistema 10. Sin embargo, la capacidad de
compartición del tiempo, por ejemplo, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:6, etc.,
permite el despliegue de un sistema 10 con un bajo número de
frecuencias para un área dada que debe cubrirse. Ha de observarse
que pueden usarse otras configuraciones de célula, sector y canal
dentro del sistema 10 sin alejarse del espíritu o alcance de la
invención. Sin embargo, también ha de observarse que aumentar el
número de sectores aumenta el coste global de la unidad 18 de
estación base aumentando el número de antenas separadas que se
requieren entonces para cada unidad 18 de estación base.
Independientemente de la disposición celular
exacta y el factor de trabajo de multiplexación por división de
tiempo entre células, cada sector 34 preferiblemente utiliza su
canal previsto para transmisiones de paquetes de datos durante
incrementos de tiempo denominados tramas. El sistema 10
preferiblemente utiliza duplexación por división de tiempo (TDD,
time division duplex) para soportar comunicación
bidireccional en cada sector 34. Cada trama está dividida en dos
partes principales, un tiempo de transmisión de enlace descendente y
un tiempo de transmisión de enlace ascendente. El tiempo de
transmisión de enlace descendente preferiblemente permite que la
unidad 18 base transmita en una de una pluralidad de ranuras 100 de
canal de enlace descendente, véase la figura 8. Del mismo modo, el
tiempo de transmisión de enlace ascendente preferiblemente permite
que las unidades 14 de CPE transmitan en una de una pluralidad de
ranuras 102 de canal de enlace ascendente. Hay preferiblemente una
relación variable de ranuras 100 de canal de enlace descendente con
respecto a las ranuras 102 de canal de enlace ascendente para
permitir la adaptación de las tasas de tratamiento de datos del
sistema del tipo dado de tráfico de comunicación. La relación es un
parámetro preferiblemente configurable pero puede cambiarse durante
el funcionamiento.
Cada ranura de canal de enlace descendente y de
enlace ascendente preferiblemente contiene la transmisión de una
única señal OFDM que contiene un paquete de datos (se prefiere OFDM
al espectro ensanchado digital ya que el espectro ensanchado
digital no proporciona suficiente potencia para cada símbolo que se
transmite por toda la frecuencia; aumentar la potencia para
soportar distancias de transmisión más largas tiene como resultado
una dispersión de la potencia de la señal más allá del ancho de
banda asignado). El sincronismo de la duración de trama total puede
configurarse preferiblemente a una longitud de tiempo preferida
estándar. Sin embargo, la duración de cada trama puede variar en
longitud de una trama a la siguiente y puede variar entre células y
sectores. Obsérvese que para proporcionar señalización y una
referencia tiempo/frecuencia para la operación de enlace
ascendente, el enlace descendente de un sector 34 dado transmite
preferiblemente durante la duración del tiempo de transmisión de
enlace descendente, incluso aunque no haya datos que enviar en el
enlace descendente para una trama o parte dada de una
trama.
trama.
En referencia a la figura 8, cada transmisión de
enlace descendente preferiblemente contiene un paquete 104 de
mensaje de enlace descendente, que comprende un flujo de bytes
continuo que se ha generado por el ordenador 12 central o la red
19. Cada flujo de bytes empieza y termina con una etiqueta 106, por
ejemplo, 1 ó 2 bytes, para marcar el inicio y el final del paquete
de mensaje. Entre las etiquetas 106, cada flujo de bytes
preferiblemente incluye una dirección 108 de destino de 4 bytes, un
campo 110 de longitud/tipo de 2 bytes, hasta 2 k de bytes 112 de
datos, y un código 114 de redundancia cíclica (CRC, cyclic
redundancy code) de 4 bytes, que cubre el campo 108 de
dirección, el campo 110 de longitud/tipo, y los datos 112.
Adicionalmente, la parte de transmisión de
enlace descendente está dividida en tramas utilizando un protocolo
MAC de enlace aéreo y preferiblemente contiene un campo 116 de
cabecera de trama (FH, frame header) y una pluralidad de
campos 118 de estado de canal de enlace ascendente (UCS, uplink
channel status), apareciendo los campos 118 UCS a intervalos de
un tiempo de ranura de enlace descendente en la transmisión de
enlace descendente. Además, cada símbolo OFDM de enlace descendente
empieza con una etiqueta 119 de secuencia de símbolos (SSF,
symbol sequence flag) de ocho bits, que indica si un símbolo
de enlace descendente contiene un campo 116 de cabecera de trama.
Como tal, cada símbolo OFDM contiene un paquete de datos e
información de ayuda a la detección suficiente para desmodular el
símbolo; no se utilizan símbolos OFDM distintos que contienen
información conocida, fija para el aprendizaje, es decir, datos que
están insertados en el símbolo para permitir que el receptor
adquiera y capture una transmisión.
El campo 116 de cabecera de trama contiene la
dirección a través del aire de la unidad 18 de estación base y otra
información que es específica para la unidad 18 de estación base
dada para el funcionamiento global de la unidad de estación base y
de la(s) unidad(es) 14 de CPE que está(n) usando la
unidad 18 de estación base dada. La configuración preferida del
campo 116 de cabecera de trama proporciona un total de ocho bytes
que incluyen: (1) diversas etiquetas (de 1 bit cada una) para el
inicio de una supertrama, el final de una supertrama, y símbolo de
inactivo; (2) identificador de sistema, 4 bits; (3) nivel de
potencia de transmisión, 4 bits; (4) dirección de la unidad de
estación base del sector/célula, 4 bytes; (5) un número de
desviación que indica el número de símbolos OFDM en la parte de
enlace descendente de la trama, 4 bits; (6) factor de reutilización
de multiplexación por división de tiempo (por ejemplo, 1:1, 1:2,
1:3, etc.), 4 bits; y (7) código de redundancia cíclica (CRC), 1
byte.
El campo 118 de estado de canal de enlace
ascendente (UCS) contiene información sobre si se está usando una
ranura 102 de canal de enlace ascendente. Como tal, hay un campo 118
UCS en cada uno de los primeros "n" símbolos OFDM de enlace
descendente, donde "n" es el número de ranuras de enlace
ascendente en la trama. Si la ranura 102 está usándose, el UCS 118
contiene: (1) la dirección a través del aire la unidad 14 de CPE que
está usando la ranura 102 de canal de enlace ascendente específica;
(2) si la ranura 102 de canal de enlace ascendente está reservada,
y para qué unidad 14 de CPE; y (3) otra información pertinente para
el control de la ranura 102 de canal de enlace ascendente dada. Una
configuración preferida del campo 118 UCS proporciona un total de
seis bytes que incluyen: (1) dirección móvil, 4 bytes; (2) ranura en
uso, 1 bit; (3) acuse de recibo, 1 bit; (4) preferente, 1 bit; (5)
reservado, 2 bits; (6) calidad de servicio (QoS, quality of
service), 3 bits; y (7) código de redundancia cíclica (CRC), 1
byte.
La dirección móvil del campo 118 UCS
generalmente se refiere a la unidad 14 de CPE que utilizó la ranura
102 dada en la trama anterior. Sin embargo, puede referirse a una
unidad 14 de CPE que utilizará la ranura 102 en la parte de
transmisión de enlace ascendente de la trama actual/siguiente pero
puede no haber utilizado la ranura 102 anteriormente. "Ranura en
uso" se refiere a si la ranura 102 dada estará disponible para un
acceso aleatorio en la parte de transmisión de la unidad 14 CPE de
la trama actual. "Acuse de recibo" se refiere a los resultados
de la transmisión de enlace ascendente en la ranura 102 dada en la
trama anterior. Una unidad 14 de CPE debe retransmitir cualquier
bloque incorrecto antes de transmitir un nuevo bloque.
"Preferente" significa que la ranura 102 está reservada para
una "nueva" unidad 14 de CPE en la parte de transmisión de la
unidad de CPE de la siguiente trama. Los bits de "reserva" no
se utilizan. "Calidad de servicio" (QoS) se refiere a la
prioridad de la ranura 102 en la parte de transmisión de la unidad
de CPE de la trama actual, es decir, sólo se permitirá a los
usuarios de prioridad específica o superior transmitir ráfagas de
acceso aleatorio en la ranura 102 dada en la parte de transmisión
de enlace ascendente de la trama actual. El CRC es el mismo
polinomio que el usado en el campo 116 de cabecera de trama y cubre
todos los demás campos del campo 118 UCS.
El enlace descendente proporciona control de
acceso al medio (MAC, media access control) por la(s)
unidad(es) 14 de CPE para la transmisión en el enlace
ascendente a través del campo 118 UCS. El MAC proporcionado por el
enlace descendente preferiblemente utiliza un protocolo MAC de
enlace aéreo. Este MAC preferiblemente actúa como un acceso al
medio aloha ranurado, proporcionando a los usuarios acceso bajo
demanda al enlace aéreo entre la unidad 14 de CPE y la unidad 18 de
estación base, con reserva de ranuras adicional implícita para la
transmisión de mensajes extensos desde una unidad 14 de CPE. La
calidad de servicio (QoS) se proporciona preferiblemente en campos
118 UCS para controlar los servicios a los que se permite el
acceso.
El flujo de bytes está condicionado para la
transmisión por la unidad 14 de CPE o la unidad 18 de estación base
por el nivel inferior del diagrama de bloques de la figura 9. Tal
como se muestra, el flujo de bytes se somete primero a una
codificación de corrección de errores hacia delante, tal como la
proporcionada por un codificador 40 de bloques Reed/Solomon, y un
codificador 42 convolucional. El codificador 40 de bloques
Reed/Solomon opera para añadir bytes de paridad Reed/Solomon, por
ejemplo, diez bytes de paridad, al flujo de bytes, en el que pueden
corregirse un cierto número de errores de bytes, por ejemplo, cinco
errores de bytes. Después del codificador 40 de bloques
Reed/Solomon, el flujo de bytes se aplica a modo de un flujo de
bits serie al codificador 42 de convolución. El codificador 42
convolucional es preferiblemente un codificador convolucional con
la mitad de la tasa que opera para añadir redundancia al flujo de
bits. Obsérvese que la palabra de código Reed/Solomon se introduce
preferiblemente al codificador 42 convolucional con una longitud de
limitación de 7, una profundidad de 35, y una tasa de código de 0,5.
Por supuesto, pueden utilizarse otras longitudes y tasas de código
de limitación.
En la realización preferida, el flujo de bytes
está codificado con el codificador 40 de bloques Reed/Solomon y el
codificador 42 convolucional con la mitad de la tasa para utilizar
672 portadoras. Más específicamente, estas 672 portadoras, que
transportan información de datos, están moduladas con dos bits que
proporcionan 1344 bits de datos que se transmiten por símbolo.
Estos 1344 bits de datos están codificados de manera convolucional
a la mitad de la tasa para errores aleatorios que dejan 672 bits de
datos cuando se reciben y se descodifican de manera convolucional
por el receptor. Los 672 bits comprenden 84 bytes de datos que están
separados en 74 bytes de datos de carga útil que han de
transferirse y 10 bytes de corrección de errores utilizando
codificación Reed/Solomon. Cuando se reciben los 84 bytes de datos,
se lleva a cabo la corrección de errores por descodificación
Reed/Solomon (tal como se describe más adelante) para corregir hasta
cinco bytes de datos que puedan ser incorrectos, que corrige
errores de ráfaga que se reciben.
El flujo de bits que deja el codificador 42
convolucional se proporciona a un mapeador 44 de señal que está
compuesto preferiblemente por el bloque 46 intercalador y el bloque
48 de "bits para símbolos QPSK ". El mapeador 44 de señal
opera para intercalar los bits de salida del codificador
convolucional con una separación y profundidad específicas, por
ejemplo, 32 y 42, respectivamente. Los valores de bit de 1/0 se
codifican entonces en -1/1 y los dibits no modulados, por ejemplo,
tres dibits (0,0) no modulados, se insertan entonces en el centro
de la secuencia de bits para formar una secuencia total de 675
dibits de información, cada uno de los cuales modula un subsímbolo
de modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK). La
anulación, o no modulación, de las tres portadoras centrales
elimina la necesidad de conservar el contenido de CC y de baja
frecuencia en la señal modulada, lo que facilita las limitaciones
de diseño y la implementación de un transmisor y
receptor.
receptor.
El uso de modulación QPSK en las portadoras de
información permite un sistema celular optimizado. Más
específicamente, el uso de modulación QPSK en las portadoras
proporciona una relación portadora a interferencia óptima para una
tasa de tratamiento de datos dada. Esta relación portadora a
interferencia óptima permite un estilo de despliegue celular que
utiliza un patrón de reutilización de frecuencias de 1:1. Esto
permite que cada célula utilice las mismas seis frecuencias en una
célula de seis sectores. Niveles de modulación superiores requieren
una mayor relación portadora a interferencia por lo que requieren
más frecuencias, es decir, el triple o más, que un sistema con
modulación
QPSK.
QPSK.
Como explicación adicional, se hace referencia a
la figura 10 que es un diagrama que muestra la interferencia para
un patrón de repetición de 1:1 de una célula que tiene seis sectores
de 60º con un desfase de 30º, siendo la referencia para la
distancia de 1 un vértice de un sector, R. En este diagrama, el
punto X es el punto de transmisión principal. Los abonados que se
verían interferidos son A, B, y C. Los puntos que interferirían
serían T y U. Las células por debajo y a la derecha de T y U también
se sumarían a la interferencia pero en mucha menor medida que T y
U. Los niveles de interferencia entonces, son como sigue (el factor
de pérdida de propagación A 1/R^{4} se utiliza para el siguiente
análisis):
- 1.
- "A" se vería interferido por T y U. El nivel de interferencia es aproximadamente - 14,84 dB.
- 2.
- "B" se vería interferido por T y U. El nivel de interferencia es aproximadamente - 14,84 dB.
- 3.
- "C" se vería interferido por T y U. El nivel de interferencia es aproximadamente - 13,9 dB.
Está disponible una protección adicional de 2 a
4 dB cuando se tienen en cuenta los patrones de radiación de las
antenas direccionales.
La señalización de OFDM que utiliza QPSK
requiere sólo 5 dB de protección de SNR (relación señal a ruido)
para lograr una tasa de errores de bits (ver, bit error rate)
de 10^{-6}. La célula de seis sectores proporciona al menos una
protección de interferencia adicional de 8 dB. Modulaciones de mayor
nivel requieren un SNR superior en comparación con QPSK para la
misma tasa de errores de símbolos. La siguiente tabla muestra el
nivel de la modulación y la protección adicional requerida para las
modulaciones de nivel superior en relación con QPSK.
La tasa de transmisión es un ejemplo de una tasa
de transmisión para la comparación entre las modulaciones. La
protección añadida es la cantidad adicional de SNR requerida para
que la modulación superior consiga el mismo error de tasa símbolos
que la QPSK. Esta protección añadida sigue siendo cierta para la
interferencia en puntos del canal propio. Los niveles de protección
añadida que se requieren son próximos a o superan el margen
disponible de un patrón celular 1:1 de seis sectores tal como se
describió anteriormente. El factor de reutilización es el número de
conjuntos de canales que se requieren para crear un patrón de
reutilización que pueda proporcionar la protección requerida. El
quid de la cuestión es que cada vez que se dobla el nivel de la
modulación, hay un aumento de 3dB necesario para la protección
adicional. Este aumento de 3 dB en la potencia se traduce en un
aumento en la distancia de propagación que da como resultado la
incapacidad de lograr una relación de reutilización de frecuencias
de uno a uno entre células adyacentes.
Un factor de eficacia puede calcularse entonces
como bits/s/Hz/área con respecto a la QPSK. La presente invención
maximiza este factor de eficacia para crear un sistema celular
altamente eficaz para una MAN inalámbrica OFDM fija. La presente
invención reconoce que las modulaciones de nivel superior tienen un
factor de eficacia inferior cuando se considera una red celular
completa. Por lo tanto, la QPSK es la modulación óptima para un
sistema dividido en células que utiliza una cantidad mínima de
espectro sobre un área dada en una red celular. Ha de observarse
también que las modulaciones de nivel superior requieren niveles de
señal para márgenes de desvanecimiento superiores debido a las
condiciones de multitrayectoria.
A continuación, continuando con el tema del
acondicionamiento de señal y en referencia de nuevo a la figura 9,
la modulación, preferiblemente modulación 50 por división de
frecuencia ortogonal (OFDM), se lleva a cabo en el mapeador 44 de
señal que sale de subsímbolos QPSK. La OFDM 50, tal como se indica
en la figura 9, preferiblemente incluye las siguientes etapas. En
primer lugar, se insertan subsímbolos piloto con valor de dibit de
modulación (1,1) de manera uniforme entre los dibits de
información, se insertan subsímbolos de guarda no modulados en la
parte superior y en la parte inferior del canal de 6 MHz, y se
añaden subsímbolos fuera de banda para realizar una longitud de
secuencia total deseada de subsímbolos, por ejemplo, 1024
subsímbolos, por símbolo OFDM, véase el bloque 52. A continuación,
se aplica un aleatorizador de bits de señal a los subsímbolos, véase
el bloque 54. Más específicamente, la secuencia de subsímbolos se
multiplica preferiblemente por una secuencia de ruido
pseudoaleatorio (PRN, pseudrandom noise) para eliminar los
picos de amplitud debidos a la naturaleza no aleatoria de los
subsímbolos de datos+piloto+guarda+fuera de banda.
La siguiente etapa en la OFDM preferiblemente
comprende realizar una transformada rápida de Fourier inversa en la
secuencia de subsímbolos ahora aleatorizada, véase el bloque 56. Una
vez completada la transformada, se inserta un prefijo/sufijo
cíclico al inicio del símbolo de enlace descendente, véase el bloque
58. Con la modulación ahora completa, la secuencia digital se envía
preferiblemente a un filtro paso bajo y, en caso necesario, se
interpola a una tasa de frecuencia superior antes de introducirla a
un conversor digital a analógico, véase el bloque 60. Finalmente,
la secuencia se envía a un conversor 62 digital a analógico y se
transmite desde la unidad 14 de CPE o la unidad 18 de estación base
a través de circuitos de radio analógicos.
La OFDM opera, al menos en parte, para combatir
los efectos de, por ejemplo, la interferencia constructiva y
destructiva, y el desplazamiento de fase de la señal, de
multitrayectoria. La multitrayectoria es un fenómeno de propagación
que tiene como resultado que las señales de radio lleguen a una
antena de recepción por dos o más trayectorias.
En referencia de nuevo a la figura 8, cada
transmisión de enlace ascendente preferiblemente contiene un paquete
120 de mensaje de enlace ascendente, que comprende un flujo de
bytes continuo que se ha generado por un ordenador 12 o red 19.
Cada flujo de bytes preferiblemente incluye una dirección 122 de
destino de 4 bytes, una dirección 124 de origen de 4 bytes, un
campo 126 de longitud/tipo de 2 bytes, 60 bytes 128 de datos, y un
código 130 de redundancia cíclica (CRC) de 32 bits, que cubre ambos
campos 122 y 124 de dirección, el campo 126 de longitud/tipo, y los
datos 128. Obsérvese que con una transmisión de enlace ascendente,
el paquete 120 de mensaje no está dividido en tramas, al igual que
con la transmisión de enlace descendente, sin embargo, se espera un
número fijo, por ejemplo, seis, de ranuras 102 de canal de enlace
ascendente. El sistema 10 puede estar configurado para permitir que
cualquier unidad 14 de CPE dada transmita en sólo una ranura 102 de
canal de enlace ascendente de una trama dada. Sin embargo, el
sistema 10 puede estar configurado alternativamente para permitir
que una pluralidad de mensajes de enlace ascendente desde una única
unidad 14 de CPE se procesen simultáneamente, hasta el número de
ranuras 102 de enlace ascendente por trama. Por tanto, con sujeción
al control de la capa MAC, una unidad 14 de CPE individual puede
aumentar su rendimiento de enlace ascendente utilizando dos o más
ranuras 102 de enlace ascendente en cada trama si se desea, hasta el
número total de ranuras 102 de enlace ascendente en la trama.
El flujo de bytes está acondicionado para la
recepción por la unidad 14 de CPE o la unidad 18 de estación base
por el nivel superior del diagrama de bloques de la figura 9. Tal
como se indica, una señal analógica se recibe por la unidad 14 de
CPE o la unidad 18 de estación base a través de circuitos de radio
analógicos. La señal analógica se envía entonces a un conversor 70
analógico a digital. La salida del conversor analógico a digital se
muestrea y se proporciona como retroalimentación a un bucle de
control de ganancia automática de manera que el conversor analógico
a digital se mantiene en un rango de funcionamiento lineal, véase el
bloque 72. La salida del conversor analógico a digital también se
envía al bloque 74 "de filtro paso bajo (LPF, low pass
filter) digital y de diezmador" mediante el que la salida
digital se desplaza al DSP preferiblemente utilizando tecnología de
disposición de puertas de campo programables (FPGA) o de circuitos
integrados de aplicación específica (ASIC, application specific
integrated circuit), y se filtra paso bajo. La señal tiene
ahora la forma de un símbolo OFDM.
Actuando sobre el símbolo OFDM, la siguiente
etapa para completar la recepción es eliminar el prefijo y el
sufijo cíclicos del símbolo OFDM, véase el bloque 76. Se lleva a
cabo entonces una transformada rápida de Fourier sobre el símbolo
OFDM recibido, véase el bloque 78. Se implementa entonces un
desaleatorizador de bits de señal, véase el bloque 80. Se
proporcionan sincronismo aproximado/frecuencia aproximada y
sincronismo preciso/frecuencia precisa del símbolo OFDM por los
bloques 82 y 84, respectivamente.
El sincronismo aproximado se consigue
preferiblemente correlacionando el prefijo cíclico de un símbolo
OFDM dado con el contenido del símbolo. Más específicamente, el
prefijo cíclico, que es una repetición de una parte del símbolo,
permite al receptor realizar una función de autocorrelación para
determinar si el inicio de un símbolo se encuentra en el tiempo
dentro de varias muestras. El receptor puede detectar símbolo a
símbolo una vez que se ha adquirido el sincronismo aproximado
observando diversos símbolos (estos símbolos no tienen que ser
símbolos de entrenamiento, con contenido de datos fijo). La
frecuencia aproximada se adquiere preferiblemente mediante
correlación de pilotos. Más específicamente, el receptor realiza una
autocorrelación en el dominio de la frecuencia basándose en pilotos
para determinar la frecuencia de la portadora del receptor.
El sincronismo preciso del símbolo OFDM se
consigue preferiblemente evaluando la fase de los pilotos. Los
pilotos se transmiten a una fase conocida permitiendo así al
receptor utilizar su información conocida para determinar dónde se
encuentra precisamente el inicio de un símbolo, mejor que una parte
fraccional de una muestra. La frecuencia precisa del símbolo OFDM
se adquiere preferiblemente del prefijo cíclico. El prefijo cíclico
se utiliza para sintonizar la frecuencia de la portadora de manera
precisa con respecto a la portadora del transmisor. Una vez que el
receptor ha adquirido el sincronismo preciso y la frecuencia
precisa, entonces cada símbolo OFDM se ajusta al sincronismo
preciso y a la frecuencia precisa permitiendo una detección mejorada
del símbolo, una recepción con sensibilidad mejorada, y un
rendimiento de errores mejorado por el receptor.
El símbolo OFDM se envía a continuación para la
desmodulación que incluye la ecualización del canal a través de
procesamiento de pilotos, véase el bloque 86. Con la señal OFDM
ahora desmodulada, los subsímbolos piloto, de guarda, y fuera de
banda se extraen dejando una secuencia total de dibits de
información, cada uno de los cuales moduló un subsímbolo de
modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK), véase el
bloque 88. Los símbolos QPSK se envían entonces preferiblemente a
un desmapeador 90 de señal, que comprende el bloque 92, en el que
los símbolos QPSK se devuelven a valores de bits de 1/0, y el bloque
94, en el que los bits se desintercalan. El desmapeador 90 de señal
opera de manera eficaz para disponer los bits en el mismo orden que
la señal original que ha de transmitirse. La salida del desmapeador
90 de señal es un flujo de datos de bits serie que se envía
preferiblemente a un descodificador 96 de Viterbi en el que la tasa
de transmisión de bits del flujo de datos de bits serie se reduce a
la mitad para corregir errores. La salida del descodificador 96 de
Viterbi se envía entonces preferiblemente a un descodificador 98 de
bloques Reed/Solomon 98 que opera para corregir errores residuales
en el flujo de datos enviado.
El flujo de datos de enlace ascendente se envía
entonces a una comprobación de código de redundancia cíclica (CRC)
en la unidad 18 de estación base. La comprobación de CRC es una
técnica para la detección de errores en comunicaciones de datos que
se usa para garantizar que un paquete de datos se ha transferido
fielmente. El CRC es el resultado de un cálculo en el conjunto de
bits transmitidos que el transmisor, por ejemplo, la unidad 14 de
CPE, adjuntó al paquete de datos, tal como se describió
anteriormente con respecto a la transmisión de enlace ascendente.
En el receptor, por ejemplo, la unidad 18 de estación base, se
repite el cálculo y los resultados se comparan con el valor
codificado. Los cálculos se escogen para optimizar la detección de
errores. Si la comprobación de CRC es buena, se procesa el paquete
de datos. Si la comprobación de CRC es mala, entonces el paquete de
datos se rechaza de un procesamiento posterior, como si el paquete
no se hubiese recibido en absoluto por la unidad 18 de estación
base.
A la vista de lo anterior, puede verse que el
sistema 10 de acceso inalámbrico fijo de la presente invención
puede proporcionar un rendimiento máximo de operadores de servicio
de distribución multipunto multicanal (MMDS, multichannel
multipoint distribution service) y capacidad de usuario por
espectro asignado con un despliegue de red sencillo tanto en la
estación base como en los lados del cliente. Más específicamente, el
sistema 10 puede soportar un rendimiento eficaz superior, que se
define como la densidad de clientes multiplicado por la tasa de
tratamiento de datos por cliente, que otros sistemas inalámbricos
existentes. Con respecto al lado del cliente, la unidad 14 de CPE
puede instalarse totalmente por el usuario utilizando un sencillo
conector de Ethernet y no requiere registro con la FCC. Además, la
estructura dividida en células y dividida en sectores del diseño de
la unidad 18 de estación base permite una reutilización de
frecuencias completa del conjunto de canales asignado que permite
una facilidad de planificación de red, y la capacidad de variar los
tamaños de las células de manera coherente con la densidad de
abonados, es decir, una alta densidad de abonados se direcciona
preferiblemente con una pluralidad de células 32 más pequeñas
adyacentes en lugar de una única célula mayor.
Con respecto a una implementación al por menor
del sistema 10 de acceso inalámbrico fijo sucede preferiblemente lo
siguiente: (1) un usuario final potencial del sistema 10 va a una
tienda de electrónica al por menor para comprar una unidad 14 de
CPE; (2) el usuario final recibe del minorista un contrato con el
proveedor de servicio en el área en que está proporcionando el
sistema 10 de acceso inalámbrico fijo; (3) el usuario final se pone
en contacto con el proveedor de servicio y proporciona al proveedor
de servicio la información necesaria para permitir que el proveedor
de servicio habilite la unidad 14 de CPE específica del usuario
final; y (4) el usuario final instala la unidad 14 de CPE que
utiliza su antena interna, tal como se describió anteriormente,
permitiendo la interacción con el sistema 10. El proveedor de
servicio no tiene que enviar personal de servicio a la instalación
del usuario final para instalar la unidad 14 de CPE. Por supuesto,
pueden utilizarse otras formas de implementación al por menor sin
alejarse del espíritu o alcance de la invención.
Aplicaciones del sistema 10 de acceso
inalámbrico fijo incluyen, sin limitarse a las mismas: (1)
aplicaciones de datos a alta velocidad, por ejemplo, acceso a
Internet (velocidades DSL), albergar correo electrónico de acceso
remoto, extensión WAN/LAN, servicios de soporte remoto MIS; (2)
telefonía, por ejemplo, telefonía por Internet, voz sobre protocolo
de Internet (VoIP, voice over IP); y (3) vídeo, por ejemplo
videoconferencias, flujo continuo de vídeo (streaming),
vigilancia por videocámara remota, enseñanza a distancia,
telemedicina.
Claims (22)
1. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija que comprende una pluralidad de estaciones (18) base, estando
dispuesta cada estación (18) base para proporcionar comunicaciones
de datos inalámbricas multiplexadas por división de frecuencia
ortogonal en un conjunto de canales definidos en el rango de
frecuencia para un área de cobertura única para esa estación base
y
para operar en un rango de frecuencia inferior a
10 GHz con el área de cobertura de la estación base teniendo un
radio superior a 1,6 kilómetros (1 milla) e inferior a 16 kilómetros
(10 millas); y caracterizada por:
una pluralidad de equipos (14) de instalación de
cliente asignados a cada estación (18) base y ubicados en una
instalación dentro de la correspondiente área de cobertura de esa
estación base, teniendo cada equipo de instalación de cliente una
antena (14) desplegada internamente dentro de la instalación en la
que están ubicados los equipos de instalación de cliente para
permitir la recepción de comunicaciones inalámbricas multiplexadas
por división de frecuencia ortogonal desde esa estación base y para
permitir la transmisión de comunicaciones inalámbricas
multiplexadas por división de frecuencia ortogonal a esa estación
base.
2. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según la reivindicación 1, en la que las estaciones (18) base
y los equipos (14) de instalación de cliente están configurados para
operar con un esquema de modulación de señales seleccionado de
esquemas de modulación que comprenden: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, y
256QAM.
3. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según la reivindicación 2, en la que el esquema de modulación
de señales es una modulación por desplazamiento de fase en
cuadratura.
4. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 anteriores, en
la que el conjunto de canales para una primera estación (18) base se
reutilizan por una segunda estación base que tiene un área de
cobertura adyacente a un área de cobertura de la primera estación
base.
5. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 anteriores, en
la que las estaciones (18) base y los equipos (14) de instalación de
cliente utilizan un esquema de acceso al medio ALOHA para mediar
entre múltiples peticiones de comunicaciones de datos en el conjunto
de canales.
6. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 anteriores, en
la que cada estación (18) base incluye menos de 10 antenas
orientadas a sectores, proporcionando cada antena orientada a un
sector comunicaciones de datos inalámbricas a un sector
predeterminado del área de cobertura de esa estación base, y en la
que cada antena orientada a un sector utiliza un conjunto diferente
del conjunto de canales.
7. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 anteriores, en
la que una relación del radio del área de cobertura multiplicado por
una tasa de transmisión de datos para las comunicaciones de datos
inalámbricas dividido por una pérdida de atenuación de las
comunicaciones de datos inalámbricas es de al menos 5.
8. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 anteriores, en
la que dicha pluralidad de unidades (14) de equipos de instalación
de cliente y dicha pluralidad de unidades (18) de estación base
están dispuestas en una configuración dividida en sectores, en la
que cada sector tiene hasta 250 unidades de equipos de instalación
de cliente y en la que cada sector tiene un radio inferior a 16
kilómetros (10 millas).
9. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según la reivindicación 8, en la que dicha configuración
dividida en sectores se mantiene en una configuración celular.
10. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según la reivindicación 9, en la que dicha configuración
celular incorpora seis sectores por célula.
11. Red (10) de área metropolitana inalámbrica
fija según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 anteriores, en
la que dicha configuración celular tiene un patrón de reutilización
de 1:1.
12. Método para implementar una red (10) de área
metropolitana inalámbrica fija que comprende una pluralidad de
estaciones (18) base, proporcionando cada estación base
comunicaciones de datos inalámbricas multiplexadas por división de
frecuencia ortogonal en un conjunto de canales definidos en el rango
de frecuencia para un área de cobertura única para esa estación
base, operando en un rango de frecuencia inferior a 10 GHz teniendo
el área de cobertura de la estación base un radio superior a 1,6
kilómetros (1 milla) e inferior a 16 kilómetros (10 millas); el
método caracterizado por:
asignar una pluralidad de equipos (14) de
instalación de cliente a cada estación base, estando ubicado cada
uno de la pluralidad de equipos de instalación de cliente en una
instalación dentro del área de cobertura correspondiente de esa
estación base, teniendo cada equipo de instalación de cliente una
antena desplegada internamente dentro de la instalación en la que
están ubicados los equipos de instalación de cliente para permitir
la recepción de comunicaciones inalámbricas multiplexadas por
división de frecuencia ortogonal desde esa estación base y para
permitir la transmisión de comunicaciones inalámbricas multiplexadas
por división de frecuencia ortogonal a esa estación base.
13. Método según la reivindicación 12, en el que
las estaciones (18) base y los equipos (14) de instalación de
cliente están configurados para usar un esquema de modulación de
señales seleccionado de esquemas de modulación seleccionados de
esquemas de modulación que comprenden BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, y
256QAM.
14. Método según la reivindicación 13, en el que
el esquema de modulación de señales es una modulación por
desplazamiento de fase en cuadratura.
15. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 14 anteriores, en el que el conjunto de
canales para una primera estación (18) base se reutilizan por una
segunda estación base que tiene un área de cobertura adyacente a un
área de cobertura de la primera estación base.
16. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 15 anteriores, en el que las estaciones (18)
base y los equipos (14) de instalación de cliente utilizan un
esquema de acceso al medio ALOHA para mediar entre múltiples
peticiones de comunicaciones de datos en el conjunto de canales.
17. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 16 anteriores, en el que cada estación (18)
base incluye menos de 10 antenas orientadas a sectores,
proporcionando cada antena orientada a un sector comunicaciones de
datos inalámbricas a un sector predeterminado del área de cobertura
de esa estación base, y en el que cada antena orientada a un sector
utiliza un canal diferente del conjunto de canales.
18. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 17 anteriores, en el que una relación del
radio del área de cobertura multiplicado por una tasa de
transmisión de datos para las comunicaciones de datos inalámbricas
dividido por una pérdida de atenuación de las comunicaciones de
datos inalámbricas es de al menos 5.
19. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 18 anteriores, en el que dicha pluralidad de
unidades (14) de equipos de instalación de cliente y dicha
pluralidad de unidades (18) de estación base están dispuestas en
una configuración dividida en sectores, en el que cada sector tiene
hasta 250 unidades de equipos de instalación de cliente y en el que
cada sector tiene un radio inferior a 16 kilómetros (10 millas).
20. Método según la reivindicación 19, en el que
la configuración dividida sectores se mantiene en una configuración
celular.
21. Método según la reivindicación 20, en el que
dicha configuración celular incorpora seis sectores por célula.
22. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 21 anteriores, en el que dicha configuración
celular tiene un patrón de reutilización de 1:1.
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