CN1985532A - 基于自主基础设施的无线网络 - Google Patents

Abstract

本发明是提供了一种部署蜂窝无线通信网络的方案。该方案包括：部署一个或多个微型基站；用户自主的安装这些微型基站并通过网络接入器连接蜂窝通信系统；网络控制器能发出指令对微型基站进行配置。另一个特点是，微型基站可与其他的基站通信并协调工作。用户的单个或多个的终端及工作业务可以与这样的蜂窝网络建立连接。提供给用户终端接入的无线网络可通过高速的接口最终同蜂窝网络相连。整个网络的性能由网络控制器通过接口对微型基站进行管理。最后定义了相关的系统和计算机控制软件。

Description

基于自主基础设施的无线网络

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术，尤其涉及到蜂窝网络系统的构建及部署方法。

背景技术

无线通信网一般由各种类型的收发机(发射机和接收机)构成，以发射电磁波的方式进行通信。这些收发机，也称为无线接入设备，具备不同的尺寸大小和不同的传输/接收能力。这些指标表现为：最高传输功率，信息传输速率，从其他收发机传送或接收信号的能力，以及工作频段。就现有的通信系统来说，此类型的无线接入设备包括小型便携终端，例如多波段手机或具备无线接入能力的个人数字助理(PDA)，多波段收音机，蜂窝基站，无线局域网接入器和安装了无线网卡的笔记本电脑等。

无线接入设备可分为两类：1)多用户共享的接入设备，即与在不同地点的多个用户进行通信的设备；2)专用于单一用户的设备。多用户共享的接入设备构成了通常所说的基础设施网络，这样的基础设施可以部署并服务于某一地理区域。其它进入到这个区域的收发机便可以与部署的基础设施进行连接并通信。

无线网络可以根据它所包括的收发机种类进行划分。可分为：1)只存在网络基础设施，2)网络基础设施与终端并存，3)只存在终端设备。微波点对点的通信网络属于第一类，因为不存在其他的终端参与通信。蜂窝网络系统属于第二类，由于它同时包括基站和终端。自组网络(ad hoc)，如Wi-Fi(IEEE802.11b及802.11a)工作于ad hoc模式，属于第三类。

考虑基础设施的网络系统，基础设备通常事先部署在固定的地点，并与固定的有线网连接。通常的有线网可能是：公共电话交换网络(PSTN)、有线电视网(CATV)、电力线通讯网或一个与Internet互联网相连接的局域网(如Ethernet以太网)。例如在无线蜂窝网络中构成基础设施的基站，又如在无线局域网中扮演同样角色的无线接入器(access point)，这种接入器提供了从无线网络到有线网络的网关。

前面所提到的第一类(多用户共享的接入设备)通常称为网络设备。第二类则被称作终端设备。然而，网络设备不一定是固定不动的，它有可能是未来网络中的可移动基站。例如，移动基站可能被安装在移动的载体上，如火车、公交车、轮船或飞机。网络设备与终端设备相比通常具有较高的成本，较大的体积，并且通常具备与多个终端同时连接的能力。

当前基础设施网络的特点是系统的部署非常复杂，必须由专家或专业工程师负责完成。由此我们可以把网络分为两类：一类是为私人公司、机构或居家等特定用户群设计的网络系统，另一类则是为公共人群使用的的网络系统。每个用户需要跟称作网络服务提供商的公司签订协议并获取服务。前者可被称为专用网络，而后者被称为公共网络。

目前的蜂窝网络是典型的公共无线网络。而局域网，例如WiFi，是典型的私人网络，因为通常它只提供特定的终端用户通信。WiFi也可以提供所谓的热点区域服务，这时它可以被看作是公共无线网络。在这里，同样作为公共的无线网络的蜂窝系统，其与WiFi的区别在于，前者拥有很大的信号覆盖范围，通常大至一个国家；而后者仅提供特定有限区域的信号覆盖，并且整个网络的性能可由某一网络运营商管理。

前面已经提到，网络可分为那些有基础设施的，或那些纯属Ad-hoc的自组网络(终端之间互联)。无线网络基础设施与终端并存的系统来源于电信服务的概念，终端可以在有信号覆盖的区域内以移动的方式进行通信。Ad-hoc的概念则来源于某些军事应用。OSI的网络7层模型很好的描述了一个通信系统的结构。其中，物理层的概念包括了信号调制、信道编码、多用户接入、功率控制和小区切换等问题。

目前有两大类无线网络被广泛采用：1)基于不同物理层设计的蜂窝网络，例如IS-136、PDC、GSM、IS-95(CDMA)、CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA等。2)基于IEEE802.11b，a，g的无线局域网。蜂窝标准已经发展成为不同代的技术，而目前我们正处于第三代。因此第三代可以看作是蜂窝技术演化的到当前的状态。对于无线局域网来说，主要使用的物理层协议为IEEE802.11a和IEEE802.11b，被称作WiFi。

3G和WiFi的物理层差别很大。这种差别的主要原因是：WiFi的物理层的设计主要依据纯粹ad hoc的概念而设计，而所有的3G网络，其前身是基于规则的基础设施(基站)的部署来覆盖某一地理区域。然而，在无线工业的发展中，3G系统提供数据服务的能力一直低于预期。相反地，基于WiFi的无线上网却很成功。而且，当无线接入器与Internet相连接时，WiFi不再是ad hoc的模式，而更像是基础设施的模式。从某种意义上讲，WiFi已经进入了3G所设计的服务范畴。只不过WiFi的信号覆盖范围较3G相比颇为有限。

尽管采取了不同的设计标准，3G和WiFi都在被用来作为基于基础设施的接入技术。需要澄清的是，我们所说的″终端″泛指用户所使用的网络器件，如手机、手持装置、个人电脑、或其他电脑化的无线设备。而两种技术的主要差别在于他们各自的部署方式不同。基础设施的部署已然成为无线网络的重要要素。过去的很多研究都是考虑单个基站的容量和与容量相关的接入技术。至于对容量的描述，一般表现为每个基站单位赫兹所能支持的语音用户的数量；或单个基站，单位赫兹所能支持的总比特率。由此，几乎所有的蜂窝系统的设计目标都是为了最大化频谱的利用率。而且，这些基站通常安装昂贵。这是因为它们通常是要覆盖很大的服务区，需要昂贵的功率放大器。此外，发射天线的安装一般都要租用私人场所，如高层建筑的屋顶等。选择基站的安装位置需要工程师们非常认真的研究射频信号的传播能力和复盖范围。这些工程师通常是运营商公司中最具专业知识的人员，有的也许要接受大学的研究生教育方可胜任。显然，这些都是很昂贵的资源。基础设施的部署需要选定发射机功率级别和天线方向。例如在CDMA系统如IS-95(2G)或CDMA2000(3G)的安装过程中，许多参数需要在安装软件中配置：初始化pilot信道的offset值，pilot侦听窗口大小，小区切换时的pilot门限值等等。对于GSM(全球移动系统)系统，参数配置包括：广播信道的选择、功率水平、确定射频发射频道、及决定跳频算法和跳频传输序列。

如前所述，无线蜂窝通信正处在第三代技术期--即所谓的3G系统。在北美，第三代系统存在两种模式—即所谓的1x模式和3x模式。我们已经看到了1x系统的部署，而3x的最终部署在业界还不清楚。1x系统是基于1.25兆赫兹频带，且与IS-95系统兼容。而3x系统是基于工作在5兆赫兹频带的CDMA技术。它的前向信道采用多载波，而反向信道为3倍于IS-95码率的直接序列扩频。1x系统为用户设定了比特速率的下限，而3G中也有类似的数据速率的规定。由于天线的多样性可以大大提高1x系统的容量，因此可能没有一个令人信服的理由来最终使用3x系统。

其他的主要3G技术是欧洲的基于GSM发展的CDMA系统。它类似CDMA2000的3x系统，其CDMA射频占据5兆赫兹的频带。但相较于CDMA2000，两种标准又存在很多细节上的不同。

同时，全世界正在针对下一代无线蜂窝系统进行研究，通常称为4G，或超越3G。当前对于它的定义仍存在分歧，只是认为这个系统应该在未来提供比3G更强的无线服务。

然而，从3G到4G的进化将与历史到3G的演化有很大不同。以前的旧技术到3G的进化普遍强调基于固定频谱分配上的更高比特率和更大系统容量。大部分系统的概念基本保持相同。例如，我们用规则的小区分布来覆盖某一地理区域，基站位于每个小区的中央。虽然小区的大小不一，可能是宏小区、常规小区、小小区或微小区，但他们的系统部署方式十分类似。移动运营商购买无线频谱，同时承受着近年来越来越昂贵频谱的价格。运营商购买基础设备，并依据其技术实力安装这些设备为公众提供服务。通常，语音服务按时间计费，而数据服务则按照数据流量为用户计费。

当前蜂窝业务的一大特点是它所运行的频谱资源具有极其昂贵的价格。尤其在欧洲的频谱拍卖中，往往能达到数十亿的高价。因此，许多的运营商已无力在基础设备上投入更多资金，这致使新技术的出现产生滞后，并间接引起了对制造商需求的减退。

与此同时，无线局域网的市场却已经相当成功。这些局域网基于IEEE802.11b和IEEE802.11a的标准，运行在2.4和5千兆赫兹的ISM频段。不过无线局域网的设计基于以ad hoc的方式连接多个终端。前面提到，它的接入方式是源于早先关于数据包无线(packet radio)协议的研究，用以互联在军事应用中存在的多个以adhoc方式通信的终端。然而，较前不同的是，由于无线接入器通常与Internet相连，无线局域网已经被用作一种基于基础设施的网络。一个很成功的应用是将无线接入器与有线的路由器结合成一个设备。该无线路由器与互联网、有线电视系统、或电力线通信系统相连，提供家用的无线接入。其价格已经与一般的网卡相当。

由于设计原因，IEEE802.11b不具备很高的频谱使用率，尤其当用于基础设施模式的时候。因此当很多的无线接入器密集的部署在同一地区时，小区间的信号干扰很可能使服务质量发生明显的降低。另外，有些应用程序更可能会要求过高的带宽。尽管有可能建立连接WiFi与蜂窝系统的设备，但毕竟两种系统有很大的差别。现在仍不清楚WiFi的这些不足能否会限制它继续挑战蜂窝无线系统。

显然我们需要一种无线技术，它既能具备ad hoc网络部署方便的特点(基于成功的WiFi技术)，又具备蜂窝系统所具备的广阔复盖范围和较高的频谱效率。

因此我们需要一个通信网，其结构和方法方便于网络的部署和扩展。网络的规模能依照用户所需的容量做有机的改变。另外，网络的部署应直接由私人用户或企业完成，这使得对它的维护快速而便宜。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向″第四代″的蜂窝系统(4G)。

根据本发明，提供了组网方式及网络构建，使得网络基础设施的部署以低成本的自主方式实现。这种部署可以由网络运营商(蜂窝业务运营商)以低廉的方式完成，也可能由客户有机的实行。基础设施通过自主的方式部署，大大降低了每个基站的成本。而且，部署低成本的微型基站使得蜂窝系统成为一个由大量基站构成，服务不同规格小区的有机网络。由此，它更利于满足日益增长的网络容量要求与不断出现的新兴服务。

本发明描述一个网络结构。它能提供类似于蜂窝系统的信号覆盖范围。同时，它能提供类似WiFi热点服务的接入方式，具备更高的网络容量。本发明采用统一的空中接口实现以上的两个目标，即同时兼备无线广域服务和热点服务模式的特点。

本网络设计的一个特点是采用类似于CDMA的通用频率复用，并反向兼容现有的空中接口，修改了的3G接口标准采用睡眠pilot信道，和抗干扰的调制方式，所设计的网络结构同样支持其他的物理层标准，如GSM。

本发明所定义的网络结构是能包括一个或多个微型无线基站(以下称为“小蜂窝接入器”)的通信系统。这些接入器可由用户或顾客进行安装(传输功率、天线阵或睡眠模式等参数)，并由网络控制器管理，以获得最佳的信号覆盖范围，减小小区间的干扰，并优化网络的传输配置。小蜂窝接入器提供面向局域网或广域网的接入，例如：DSL接入网、有线电视接入网、或基于电力线的电信网络。小蜂窝接入器连接了用户终端与通信网络，并由所属运营商的网络控制器进行管理。同时，小蜂窝接入器能建立面向蜂窝网络的接口，但同时又具备WiFi“热点”技术的灵活性。修改了的3G接口技术使其能容纳更多用户。

本发明的另一目的是，小型蜂窝接入器能与其他基站(如网络运营商安装的大型基站，或″大蜂窝接入器″)相互协调，共同提供优化的网络服务。网络控制器能协调基站之间的操作。据此，本发明的特点可以说是利用微型基站作为蜂窝基站，并通过网络控制器自动调整系统的工作参数。

本发明的另一个目的是，网络控制器具备计算机程序和相关的服务器，用以在某一频带上协调基站之间的操作。相关的操作涉及到此专利的更多技术细节。

本发明的另一个目的是，网络控制器的功能同样存在于基站控制器(蜂窝系统的必要设施)的软件组件中。本发明的另一个特点是，pilot信道或广播信道并非连续、周期性的传输。基站的睡眠pilot信道，或睡眠广播信道只有在用户终端发出“唤醒”命令时才传输。

本发明的另一个目的是，基站周期的估计信道质量(即检测信道中的复合信号)，而后将信息传递给网络控制器。网络控制器将处理这些信息并决定是否存在未经许可的无线电信号在信道中传输。

附图说明

下面的图示列举了本发明的一些具体结构：

图1说明了本发明的系统框架。

图2a显示了蜂窝接入器连接局域网或以太网的场景。

图2b显示了蜂窝接入器连接DSL或小型企业网络的场景。

图2c显示了蜂窝接入器连接电话网络的场景。

图3a显示了蜂窝接入器连接社区电视网(CATV)的场景。

图3b显示了蜂窝接入器连接电力线通信网(PLC)的场景。

图3c显示了蜂窝接入器连接无线骨干网络(IEEE802.16/IEEE802.11a)的场景。

上述的图例仅用来列举某些应用的实例，并未能包括本发明所可能应用到的所有场景。

具体实施方式

在蜂窝网络的发展进程中，不但要在基站的部署与网络的优化上花大力气，基站与PSTN网络的连接也需要巨大的投资。然而，随着Internet的出现和局域网的普及，电话网络已经被拓展到高速数据服务的领域，如ADSL技术。因此，我们已有能力用更有效的方式，更为方便的连接无线接入器与有线骨干网络。如图1所示，蜂窝接入器(10)可以通过固定网络接入器(12)与高速的有线网络相连。这些蜂窝接入器的数量比常规蜂窝系统中的基站多很多。而且，他们的部署也未必像传统的蜂窝系统那样规则。因此，蜂窝接入器的接口需要特殊的设计，以适应他们能被灵活部署的特点。下面将详细说明。

如图1所示，整个网络(14)是由一组终端(16)，固定网络的接入器(12)，蜂窝接入器(大小不等)(10)，和广域网连接(18)构成。系统频谱/功率/天线波束方向由网络控制器管理。这里，我们定义连接到同一个网络控制器上的蜂窝接入器处于同一个网络管理域(NCD)。这样，网络管理域实际上与一定的地理区域相对应。不同的网络管理域之间可以通过骨干网连接(22)。

本发明为蜂窝通信网络提供了一种自主的部署方式。传统的蜂窝概念被改变，具备特殊计算机程序的网络控制器被引入对整个网络进行管理。更为重要的是，蜂窝无线通信网络的概念被拓展到更广的范畴。它不仅包含了通常的用户终端和基站设备，而且包括了基站同基站之间的连接网络(固定设施或点对点的无线链接)。

本发明的一个特点是蜂窝接入器(10)可由用户自主的安装。蜂窝接入器(10)可以是非常便宜的，类似WiFi接入器的设备。用户可以到当地的由运营商经营的商店去购买蜂窝接入器(10)。当然，蜂窝接入器的设计基于优化的3G技术。它可以通过局域网、DSL、或数字电缆同骨干网(22)相连。

本发明的另一个特点是试图采用一种类似于扩频的抗干扰调制方式。这样，如同IS-95和3G(CDMA2000或WCDMA)的标准一样，全部的频谱资源能在每一个小区中得到复用，这样的通用频率复用对于自主增加的蜂窝网络接入器(大或小的网络接入器)来说是必须的。

用户终端(16)同蜂窝网络接入器(10)的通信可以是频分双工模式，也可能是未来的上、下行不对称的频谱分配模式。同样，时分双工在自主的蜂窝网络中也是可行的。

本发明的另一个特点是其自主增长的网络结构。这使得两种上述的解决方案成为可能：蜂窝网络接入器的自主配置，与具备通用频率复用的相关调制方式。这意味着频率复用系数为1。CDMA当然是首选的调制技术。然而，当前和未来的其他一些技术也有可能，例如GSM系统采用动态的跳频传输减小干扰，这使得GSM成为可能的备选方案。

可以用于本发明的通信网络接口包括：

●IS-95的CDMA系统(反向兼容已安装的CDMA基站，但无抑制干扰)：

●IS-95的CDMA系统，包括睡眠模式(修改的IS-95)；

●GSM-能动态选择跳频组和跳频序列；

●基于WCDMA的系统(无睡眠模式)；

●CDMA2000的1x或3x系统(有、无睡眠模式)；

●EDGE空中接口，或其他由GSM演化的高速数据网；

●其他宽带CDMA系统；

●1xEV/DO系统；

●新的基于MIMO的空中接口技术，例如由多伦多大学近期开发的扩空间频谱多址(SSSMA)接入技术；

●基于多载波CDMA的接口技术；

●以上的所有这些接口应该能为网络控制器提供识别不同蜂窝接入器的pilot信号。

尽管蜂窝接入器一般是指微型的基站设备，在本发明中，它可以泛指传统的基站或者规格大小不一的蜂窝接入器。

蜂窝接入器的自动配置功能如下：

●蜂窝接入器(10)，以CDMA技术为例，需要设置pilot信道的传输功率。接入器的传输功率直接决定其价格，进而决定其部署方式。低功率的蜂窝接入器较为便宜，因此可由用户购买和安装。高功率的蜂窝接入器(24)，或大蜂窝接入器必须由专业的工程师安装。其过程要考虑到相关的人体健康规范，射频干扰等等因素。

●状态：蜂窝接入器(10)具备“开”、“关”两种状态，相应于pilot或广播信道传输与否。大蜂窝接入器(24)总是处于“开”状态。而小蜂窝接入器可以在无流量的时候进入睡眠状态。

●蜂窝接入器(10)可以将其天线的设置情况汇报给网络控制器，尤其是当天线阵被用于蜂窝接入器时，一般的配置是关于天线波束的指向。在微蜂窝的环境中，由于丰富的多径传输环境，波束的形成并不明显。也就是说，很难形成理想的传输波束。然而，多天线的技术还是可以被采用的，具体的算法与配置方案将由网络控制器决定。

●蜂窝接入器(10)将其传输功率报告给网络控制器(20)，控制器向其发出功率控制的指令。

●蜂窝接入器(10)可将其GPS(全球定位系统)的坐标报告给网络控制器，如果该接入器具备GPS的功能(可选择)。

●蜂窝接入器(10)测量邻近接入器的pilot信号强度，并将其报告给网络控制器(20)。当然，它也可能测量邻近接入器的广播信道强度。报告的坐标矢量可以为「基站号或pilot号，接受到的pilot功率」。

●蜂窝接入器(10)可以有能力给临近的接入器发送唤醒讯息，使其发射pilot信号以使网络控制器(20)接收。据此，控制器能建立干扰矩阵「I_ij 」。其中的每个元素标识了从接入器i到接入器j的干扰。

网络控制器(20)具有重要的功能，专业的人员将通过它实现网络资源的分配。一种典型的考虑是尽可能用最低的接入器pilot发射功率覆盖某一地理区域。

传统蜂窝网络大致有五层的结构：1)移动终端，2)直接与终端通信的基站，3)控制多个基站及小区切换的基站控制器，4)移动交换中心—互联多个基站控制器并连接PSTN，5)互联多个移动交换中心的骨干网。考虑CDMA系统，在无软切换的情况下，这样的系统结构基本上是从用户终端到移动交换中心的树形结构。每个移动终端依据自己的位置与某个基站相连。在有软切换的情况下，移动终端可被看作同时隶属于多个基站。整个地理区域被分成多个小区，而每个小区由于地形或建筑物对信号的阻挡，一般具备不规则的信号边界。

在GSM和CDMA网络系统中，基站与终端都采用功率控制。发射机的功率要足以达到某一信号强度，或满足一定的接收端信噪比(SNR)，但是为了做好功率控制，某一用户终端需要知道它当前所属的小区。也就是说，当用户终端远离基站的时候，功率控制使得从基站到终端的传输功率提高。到达某一临界点时，功率控制停止，小区切换发生。这个临界点由基站的广播信号的强度决定，进而决定了小区的大小。对于GSM系统来说，小区大小由广播信道(BC)的强度决定。而对于CDMA如IS-95或CDMA2000系统来说，由pilot和同步信道的强度决定。我们把这类信道统称为信标(beacon)信道。总的来说，对于CDMA通信系统，小区的大小取决于信标信道，信道环境(如建筑物或山体)，以及所采用的天线发射方式。如果采用全向天线并且处于相对平坦的信道环境，信号以圆形半径辐射，小区的大小由发射功率决定。传统蜂窝系统设计的目标是通过给基站分配不同的传输功率(信标信号功率)，达成以最小的信号重叠(多个小区覆盖同一地点)覆盖某一区域。当前的蜂窝系统通常在每一个小区内分割多个扇区。也就是说，要么小区使用全向天线，要么定向天线技术可将一个小区分为3，4，6个(120，90，60度)不等的扇区。基站的安装需要在小区中定向扇区，在每个扇区中设定发射功率，及设定天线的下倾角度等等。这些参数在同步信道中传输(IS-95系统中第32行walsh码)。未来的通信系统还可能在基站上采用波束切换技术。天线阵能够产生相互重叠的多束波束，同时服务于多个用户。

本发明的自主蜂窝系统与现有蜂窝系统的不同点在于，它能感知周围信道环境的好坏。它能测量自己小区内及临近小区不同天线波束上的信标强度，并将这些信息汇报给网络控制器。控制器与基站的连接可能是基于廉价的IP网络。实际上控制器对于基站的控制类似于传统蜂窝系统中的基站控制器。不同之处在于，前者在传统控制器的基础上引入了自主配置基站的能力。当然，这样的基站要经过特殊的设计、生产和技术人员的安装。

网络控制器可以实现不同的复杂功能。最简单的情况是，控制器基于某种算法为不同的基站发出指令，调整他们的发射功率，天线波束方向等工作参数。较复杂的控制功能包括动态网络优化和系统资源分配。这需要控制器始终对网络流量进行监控，并调整流量的分配。

我们在这里考虑一个具体的算法实现上述功能。首先，我们修改3G的空中接口：每个基站于固定的时隙在前向信道周期的广播它的pilot与同步信号。这个时隙要保证只预留给pilot与同步信道，以提供临近的基站测量干扰的情况。广播的周期可能为几秒，而时隙的长度可以设置为功率控制的最小时间单位(1.25毫秒-CDMA2000，或0.666毫秒-WCDMA)。另外，pilot与同步信道的预留广播时隙序列中，需要有一些时隙为基站用作侦听使用。某种随机算法应该能使当某一基站处于侦听状态时，其余的绝大多数基站处于广播状态。只要侦听的时间足够长，基站就能积累足够的扩频增益来了解周围的干扰情况。这些信息被送到网络控制器，使其决定怎样调整不同基站的pilot信道的强度。假设每个基站的总发射功率相同，某种算法应该使得功率的分配能最大化基站的总覆盖面积，同时将干扰降到最低。

在用户终端的分布不是那么密集的情况下，基站应该有能力进入睡眠模式，以减少相互之间的pilot信号干扰。用户终端可以在有数据需要传输时唤醒基站。当然，被唤醒的基站可能不止一个，这时网络控制器将做出决定由接收到最强唤醒信号的基站提供服务。然而，考虑到小区间的干扰，也可能存在例外的情况使得接收到低功率的基站被最终唤醒。

在已经叙述的网络结构中，蜂窝接入器的部署不像传统的基站部署那样规则。通常大小不一的小区接入器将混合在一起，工作于相同的频带。另外的可能方案是，大、小规模的小区(两个不同的网络管理域)各自工作于不同的频带。

前面曾提到，大型蜂窝接入器的价格可能等同于常规基站，非常昂贵。而小型蜂窝接入器的价格能便宜至与用户网卡不相上下。大型接入器始终广播pilot信道，以界定小区的范围。而小型接入器有能力进入睡眠模式，以减少相互之间的pilot信号干扰。

小型接入器在睡眠状态中时，随时侦听反向信道的公共接入信道。想要通信的终端(16)会给接入器发送试探讯息(如，你好！我需要服务，有人能回应我吗？)。被唤醒的接入器(10)将发出pilot信号建立连接。其余的通信过程与3G系统类似。

蜂窝接入器(10)可以由以下两种方式安装：

1).由运营商以安装常规基站(28)的方式安装。这包括信号覆盖范围，私人场所的租用，射频辐射，与对人体健康影响等的考虑。

2).由用户以自主的方式安装。这能提供某些特殊区域的信号覆盖，其安装过程与WiFi接入器的操作类似。

如果蜂窝接入器(10)由运营商安装，发射器的功率等设置将由专业人员完成，这与传统的蜂窝网络相类似。网络控制器只是对基本已经配置完毕的接入器进行微调。如果用户自主安装蜂窝接入器(10)，网络控制器将基于收到的接入器信息，全权负责对每个接入器的配置工作。

由此可见，本发明的一个特点是允许用户以自主的方式参与网络基础结构的建设。以下为两种主要的应用场景：一是私人居所，通过DSL或CATV连接蜂窝接入器(10)。二是校园或类似的公共场所，通过局域网连接蜂窝接入器(10)。

网络运营商可以将更多的精力放在网络控制器上，而非基础设施的建设，因为用户承担了基础设施的部署。网络的工作频带可能是需要执照的，也可能是ISM免执照的。未来也有可能会使用现在属于广播电视的频带。当使用ISM的免费频段时，物理层须采用非频分双工的模式。3G的TDD模式也需要做修改以实现接入器的睡眠功能。

网络控制器(20)还需要提供信息安全及用户认证的功能。用户登陆系统后通过IP网通信，无线信息必须被加密。而用户费用的收取，可以分为无线接入部分(很可能是免费的)，和运营商所提供的服务费用。另外，蜂窝接入器的私人拥有者可与运营商达成协议，以使接入器可能承载第三方用户的网络流量。这种观点已经被很多商业模型所支持。

一个典型的FDD或PCS系统通常被分配多个工作频段。例如对于IS-95或CDMA2000 1x系统，这些信道都占据1.25兆赫兹带宽。网络控制器需要为接入器选择一个工作频段，而这个选择过程可以参照临近小区已经占用的工作频段情况。极端的情况是，所有的小区都选择相同的频段，例如采用单一的IS-95载波。当允许多载波技术时，网络控制器能够动态的在不同的载波上分配流量，以增加网络容量。

例如，本发明可以被用于1.25兆赫兹带宽的CDMA网络，也可以被用于5兆赫兹(上、下行各5兆赫兹)带宽、三载波的北美CDMA网络(载波之间存在0.5个带宽的保护间隔)。

10兆赫兹带宽的分配能容纳7个载波。本发明的自主网络系统可以将一个独立的载波分配给小蜂窝接入器(26)，而将另一个独立的载波分配给大蜂窝接入器(24)。小蜂窝接入器由用户以自主的方式安装，在市区及郊区范围内的大蜂窝接入器由运营商安装。这样的载波分配方式避免了强pilot与弱pilot信道之间的干扰。

因此，本发明提出的是一个基于自主网络基础结构的系统，即(全部或部分的)网络设施实际由用户以自主的方式部署。这大大减少了开销，并提高了频谱分配效率。由此，较传统的蜂窝系统，该网络能基于相同的频带分配承载更多的网络应用。

自主网络中所包含的基站(蜂窝接入器)可以被看作具备两个接口的黑匣子。其中一个接口面向有线骨干网络(以太网、DSL、或数字电缆等)或点对点的无线骨干网络(WiMax)。另一个接口能够被动态的配置，以提供用户终端的无线接入。

1).蜂窝接入器支持基于自主网络基础结构和能被动态配置的空中接口。修改的CDMA标准(IS-95、CDMA2000和WCDMA)，及非扩频的GSM标准都可作为它的备选技术。

2).蜂窝接入器(10).与骨干网络连接后，即接受网络控制器(20)的管理。网络控制器(20)将会设置蜂窝接入器(10)的工作参数：CDMA的版本号，支持的载波频率，发射功率，支持的总数据传输速率，天线指向，上、下行信道频率、探测信号的发射频率、信标信号的发射频率。对于一个FDD的系统，上、下行的频带并不一定对称，通常下行高于上行。然而，考虑到某一个基站有可能去接收另一个基站的传输，上行的频带分配有可能高于下行。另外，基站有可能具备GPS接收机来决定自己的坐标方位。所有这些信息都应该报告给网络控制器(20)。

3).在知道基站的容量后，控制器(20)将发送一个命令到基站，要求它分析自己的无线电环境。这种分析包含扫描一特定的频段和向控制器(20)报告结果。例如在一个CDMA系统中，基站将扫描所有所谓的CDMA载波，并且向控制器(20)报告在发现的pilot信道中收到的信息。这个信息将包括pilot信号强度和pilot信道PN码偏移，或者pilot信道标识符，或者辅助的pilot信道标识符，或者蜂窝标识符，或者扇区标识符(这里标识符指的是一个识别数字)，和(有这样pilot信道的)CDMA系统相关的系统信息。在其它系统中，报告将包括一套信号强度和基站识别参数。有了这个来自所有基站的信息(和可能包括的地理坐标)，控制器便有足够的信息来确定一张近似的网络图，图上包括激活的基站集，和每一个基站从相邻的基站收到信号强度。例如，在一个特定的基站所监控的大量基站显示有些终端的pilot信道强度可以被减少--从而减少(有时在CDMA网络中被称为)pilot信道污染(或干扰)。

4).在蜂窝接入器向控制器(20)报告其参数，和控制器尽可能地得知蜂窝接入器附近的无线电环境之后，控制器(20)将命令蜂窝接入器进入一些可能的操作方式，使其成为一个可能的连接服务供应者，以便给那些可能进入基站周围的手机终端提供服务。可能的几个方式是：一)连续传输一个指示信号，诸如IS-95CDMA系统中的pilot信号，二)脉冲传输一个指示信号，即传输一个有特定周期的信号，或突发的pilot信号，三)偶而传输一个pilot信号，以便把信号强度告知相邻的基站，四)传输一个睡眠pilot信号，此时基站处于激活的状态，并监控(所有移动终端都知道的)接入信道，和五)非激活状态，此时控制器(20)决定蜂窝接入器在可预见的将来不会被使用，或者控制器(20)决定蜂窝接入器不能正常工作。其它带有类似特性的状态也可能存在。

在一个CDMA系统中，连续的指示灯方式包括发送一个pilot信号和一个同步信号(如IS-9S系统中的Walsh零号函数和32号函数)。同步信号应该包含手机终端(16)能用来接入蜂窝接入器的信息，即从同步信号手机终端能找到蜂窝接入器所监控的接入信道。在IS-95CDMA系统中这个接入信道是反向链接的一个PN屏蔽码。其它参数，如寻呼信道的标识，也包含在同步信号中。方式二类似于方式一，但是方式二预期到未来类似CDMA的蜂窝系统可能包含非连续的pilot信号。方式三使得蜂窝接入器在睡眠状态下也可以发送信号，以便通知邻区蜂窝接入器自己的存在，这样控制器(20)才能建造一张网络干扰图。方式四对有大量的小接入器(26)的系统是需要的，因为大部分小接入器不向任何终端(16)提供接入服务。在方式五中蜂窝接入器能通过收到对终端(16)是已知的一种唤醒信号来唤醒自己。在一个象IS-95一样的CDMA系统中，标准需要被修改，这样在呼叫建立阶段期间，如果一个移动终端(16)找不到任何pilot信号，它就开始发送唤醒信号。终端(16)在没有实现CDMA网络同步的情况下发送唤醒信号。因此，唤醒信号应该是不断重复，有特定时间长度的一个短PN码，并且这个时间长度应该大于带有睡眠pilot信号的基站的监测信道周期。一个带有睡眠pilot信号的基站会周期性地在一段短时间后醒来，以便监控可能存在的唤醒信号。睡眠状态的概念在电子设备中常见，这些设备使用电池，如何节省能量是至关紧要的。在本发明中，睡眠方式的主要目的在于减少网络的干扰，而非节省电池。一个典型的蜂窝网络一般都有一个信道，用来宣布基站的存在。连续地发送这个信道(如在CDMA中的pilot信号)，在小的蜂窝接入器(26)中不是很理想的，因为大多部分并没有任何和终端间的通信，即因为终端密度很低而没被任何终端使用。

本发明对于现存蜂窝网络的一个优势在于，它将基础设施部署的控制部分地交给了客户。这能刺激无线服务的部署。它将把基础设施市场改变成为一个类似于个人计算机的市场。无线服务的增长和使用将变得更有序。用户将自动地部署网络基础设施，来满足他们对热点的需要。同时服务商(蜂窝运营公司)将确保有更宽阔的覆盖范围。客户将自己做费用分析。另一方面，固定网运营公司将会有更多的流量和营利。这是因为，不论客户采用什么价格体系来部署小蜂窝接入器，对于部署大蜂窝接入器的运营商来说，都会有更多的流量。在这个情况下，这种结构对运营商在商业上的暗示将是积极的。运营商将通过一个安全服务器来保证网络是安全的。

本发明的一个关键体现在于，这里所描述的网络是为一(固定)网络运营商所部署的。如果少量的蜂窝接入器(10)为客户所部署，并接到固定网一侧，最终在自主网络里的流量将被固定网运营商所控制。本发明的一个特殊方面在于，从PSTN到客户的DSL链接实际上是在固定网运营商的控制下，而流量的一部分是DSL客户的流量(作为当前的使用)，流量的其它部分则是第三方客户所产生的无线流量。

安全功能

控制器(20)以一种已知的方式在终端(16)和蜂窝接入器(10)之间建立一次会话。这包括加密和鉴权。控制器(20)也将确定是否有未经许可的发送器使用频谱。确定这是否已发生的一种方式，是通过蜂窝接入器向控制器报告网络中是否有不知名的用户。因为网络运营商拥有频谱，它控制着蜂窝接入器(10)的分布。这些蜂窝接入器(10)各有标识。这些标识在pilot信道中被传送。接入器(10)报告标识给控制器(20)，这样控制器便能确定蜂窝接入器(10)是否被授权使用特定的频谱。

将来的通讯商店

电话商店一般被运营公司用来卖设备给最终用户。当前这些商店一般只卖终端设备，如移动和固定终端，手机，寻呼机，卫星接收器等等。未来的通信商店，依据本发明，将携带除终端设备之外的网络基础设施，尤其是具有不同传输功率和速率的蜂窝接入器(10)。对于修改过的3G 1X系统，这将包括功率分级，最大集合速率，RF CDMA载波集合支持，和频带选择能力。

应该被理解的是，依据本发明的一个方面，网络运营商可以要求一名客户根据特殊的网络要求(如特殊的地理位置，或其它因素)安装一个比那些小蜂窝接入器能力更强的接入器。电话商店可以被用来把这些有更强能力的蜂窝接入器(10)设备卖给客户。

未来的电话商店看起来将象如下所列：

●终端设备(电话/pda终端，寻呼机，卫星终端)

○所有带有显示和记忆能力的不同模型

○可能的多模终端(AMPS/IS-95/CDMA2000/GSM/1X-EVDO/Auto蜂窝，或者有自主能力的蜂窝)

●蜂窝接入器(让我们测量相对于终端的功率等级)

○选频能力。参数见频带说明。

○不同的模型：功率等级分类，当前移动终端的天线配置能力

-0dB段：与终端的功率等级分类相同，主要用于家庭应用，单一的RF载波。

-10dB段：有安装上限的客户，小型企业

-50dB段：多RF载波，由RF专家安装，大部分由网络运营商安装。

网络运行方式/频谱规定

当前主要有两种频谱分配与规定：1)为一个载波获得许可，如，蜂窝/PCS系统，2)没有许可，如，ISM带/NII。当前一般有两种类型的网络运行：1)公众，运营商安装基础设施2)私人，基础设施在家中或企业中私下地被安装。本发明提出的新结构可以运行在以下表格所列的一些情景下。

无线的网络运行方式与商业模型
				频谱规定	公共网络	私人网络	本地私人网络上的公共流量
已许可的频带	当前蜂窝系统	当前系统在限制接入方式下(如用于测试的频谱)	租用频谱
				未经许可的频带	公共WiFi网络-热点(如机场)	当前WiFi的主要应用(如家里，企业)	当前背负在私人WiFi上的公共流量，如无锁的WiFi.

无线网络技术的选择
				频谱规定	物理层的标准	交换模式	所提出的无线网络概念
许可的频带	蜂窝技术，电路交换，1G，2G，3G＝>CDNA	电路交换(源于电话网络)	单自主蜂窝：在蜂窝接入器(CAP)部署的Adhoc同有规划的使用专用频谱的部署的混合。
				未经许可的频带	IEEE802.11，其它模式，其它码率(2.4GHz，5GHz)	报文交换(源于计算机网络)	可能的共用频谱的多自主网络。在控制器中使用合作博弈理论。

同当前蜂窝系统的兼容性

物理层：这里所描述的通信网络物理层是基于某种具有抗干扰能力的调制方式。CDMA系统(如CDMA2000)可以被改成适合本发明提出的网络概念--如，给小蜂窝接入器增加睡眠方式。GSM系统比较难改成自主的网络，然而，可以以已知的方式进行改装。可以在控制器的控制下，在蜂窝接入器内使用动态的信道分配来达到这一点。主要的困难在于，如何最大限度地减少由于最初网络部署高度不规则的蜂窝结构所造成的干扰。然而，在不考虑频谱效率的情况下，如果对于系统有足够大的一整块频谱(即，如果具有200KHz带宽的信道数目足够多)，还是可以设计出一种动态的信道分配算法的。带有普遍频率复用并且无须做频率规划的调制方式是一个理想的选择。CDMA2000 1X空中接口的一种修正，或者欧洲ETSI WCDMA标准的一种修正，是这种理想调制方式的主要例子。

蜂窝系统的进化

全世界无数的研究小组正在开发下一代蜂窝技术。然而，当前没有一个共同的目标或标准来决定网络的结构。在某些情况下，研究者提及较高的数据率(10Mbits/s)，不同的调制方式(OFDM)，频谱的不平衡分配，并且注重于能否提供不同的服务。蜂窝系统的各代技术可以被总结如下：

●1G-模拟，800MHz带宽(北美)，FM调制，有些规则的蜂窝部署

●2G-数字，主要为语音，单一速率数据服务，低速率数据，同模拟兼容(北美)，漫游(欧洲)，有些规则的蜂窝部署

●3G-可变的数据速率服务，高峰值数据率(2Mbps和更高)，有些规则的蜂窝部署。

●这里提出的4G--自主的部署，睡眠基站，睡眠pilot信号，有机的蜂窝网络成长，“智能的网络结构”，所有智能的网络包含在一个网络控制器中。物理层的即插自优化基站。

部署的方式

这里所提出的自主蜂窝网络为基站的部署提供了新的可能。为了让基础设施部署对覆盖需求做出响应，或者对新忙点的出现做出响应，允许不同的人或企业以一种有机的方式进行部署是有利的。基站可以使用与终端相同的方式进行部署，这里不同的基站可以被私人拥有。对于上述的模型(私人，非运营公司，蜂窝接入器的拥有者，或至少小的蜂窝接入器)，仍然需要一运营商来操作控制器(20)。这样做是为了高频谱效率的需要，并且也为了操作大基站(24)，这种大基站能在非热点地区提供覆盖，或者给在有机部署小蜂窝接入器下剩下的地区提供覆盖。运营商也将管理它当前获得许可的频谱。这种管理更适合通过运行一种算法，该算法将优化连接到一个单一控制器(20)的不同的蜂窝接入器的功率水平。运营商也会提供许多接入服务，例如在一个移动环境中安全地登录到网络。这可以通过以下实现，无线链路上点到点的加密，或者如虚拟私人网络里的在终端到网络安全服务器之间建立一条通道。

小蜂窝接入器携带的流量可能是小蜂窝接入器所有者或者第三方的流量，而本发明的一个特殊方面在于，基站(大或者小)的安装者被主干网的运营商指定来携带第三方的流量。蜂窝接入器将有一个配置参数来确定其愿意携带第三方流量的程度。

从一个终端(16)的立场和网络接入的计费出发，我们考虑三种主要的运行方式(其他也是可能的)。在方式一中，终端(16)以这样一种方式接入蜂窝运营商安装的大基站(12)，这种方式有如当前的蜂窝系统，我们把它称作宽阔区域方式。这种连接方式是默认方式，它存在在有蜂窝公司覆盖任何地方。这个覆盖只为蜂窝公司能提供的覆盖所限制。在大多数欧洲国家这个覆盖实际上包括整个国家，而只有总面积的一小部分是例外。在方式二中终端(16)属于小蜂窝接入器(26)的所有者。这里主要的例子是在一个家中，小蜂窝接入器(26)被安装来提供无线的语音和数据服务，当同广域网(方式一)结合起来服务以后便似乎是无缝的了。在这种方式中我们将期待空中时间是免费的，但移动终端是主干网运营商的一个用户并使用其服务。在这种方式中小蜂窝接入器将类似于一个当前的安装在家中的WiFi接入器，但是具有小蜂窝接入器(26)同时处理语音和数据的优点，并且终端(16)对全网都是一样的终端(它们带有同样的空中接口)。我们也可把方式二称作家中热点方式。方式三考虑在非家中热点的终端。我们也可把它称作漫游热点。在这种方式中，在切换，功率水平，码率(我们在小蜂窝中期待较高的码率)方面，终端(16)的行为类似于方式二，但是因为用户不是蜂窝接入器的所有者，计费可能是不同的。

本发明因此达到3G的目标，但是以这样一种方式达到的，它使用现有的基础设施来提供一个新的基础设施(在3G中)才有的优点。

在空中接口方面，本发明提供了一个通信系统，一个通信网络基础设施，和一种部署通信网络基础设施的方法，它能够最大化每蜂窝每兆赫的容量，能够处理蜂窝间干扰，能很容易的完成切换。这些为了3G物理层而设计的技术和它们不断沿着高码率方向的发展，为本发明的物理层提供了基础。本发明对它们加以修改，以便系统可以容纳不规则的蜂窝和大量的小蜂窝接入器，而这些接入器在许多情况下负荷不会很重(以用户数衡量的话)。

具有调频功能的自主基础设施GSM网络

GSM蜂窝标准基于GMSK调制(QPSK的一种广义形式)和慢跳频。这种调制方式没有扩频，或者CDMA的抗干扰特点，并且与CDMA相反，它一般要求大于一的频率复用系数。然而，跳频确实提供了一些抗干扰功能(一般被称为干扰分集)。在GSM网络的频率规划中，一般先把一个频段(5MHz或10MHz)分成若干200KHz的信道。然后这些信道被划分成不同组，这些组被分配给蜂窝和扇区。分配到一个具体蜂窝的组被称之为那个蜂窝的分配表(CA)。例如对于一个120度扇区天线，3/9的复用模式意味着3个蜂窝或者9个扇区的复用模式。对于每个扇区的信道组，我们拟定一组跳频模式。如果有N信道(200KHz)，我们能制订N个正交的跳频模式。在旧的GSM网络，频率复用蜂窝簇被安排在一种有规则的模式中，而蜂窝的大小是固定的。然而随着自主部署概念的引入，接入器或基站将被随机部署在一个服务区中，而蜂窝大小也可能变化。在每一扇区的频率分配信道选择并要求基站监控其环境，即监控所有可供使用的RF信道，并且把这些信息传送到控制器。控制器将选择这些信道的一个子集来确定那个特定的蜂窝/扇区的频率分配。然后，控制器将把一套配置参数发送到基站，把该基站配置成(从将进入蜂窝的终端看来)一个典型的基站。这些参数将包括下列的内容：

●在蜂窝里使用的频道集合，和广播信道(BCCH)载波标识号。

●TDMA帧号(FN)

然后基站将被命令进入睡眠方式或者信标(广播信道)传输方式。

根据所选的频率分配，一个跳频序列将被产生，并通过控制器发送到基站。

下面(基于本发明)总结一下GSM的自主基础设施蜂窝系统的操作：

●基站(如上所述)有能力在低频带上收到信号。这是正常的接收频带(在一个FDD系统中终端在低频带中发送)。

●基站附带有在高频带上收到信号的能力。这种能力被用来监控相邻基站的发送。

●基站向控制器报告一个频带。该频带包含它有能力监控的高频带和低频带。

●控制器将拿出它感兴趣的频带的一个子集，为这些频带它运行一种配置算法，并且命令基站监控这些频带和提供干扰(或者收到信号)信息。

●基站扫描所有这些频带并把信息发送到控制器。基站在一个跳频周期中先呆在一个频率里，然后跳到另一个频率。在信号强度方面报告测量结果。

●控制器将使用信道测量结果为新装的接入器决定一个跳频序列。

●对于完全双工系统，下向链接的传输频率(在一种跳跃的模式中)同上向链接频率之间有一个固定的偏移。因此，下向链接的跳频模式自动地决定了上向链接的跳频模式。

●睡眠广播信道：对许多GSM的小接入器，让广播和同步信道不一直处于“开”的状态(象在旧的GSM系统那样)，因为这会给那些零负荷的小接入器造成不必要的干扰。修改后的系统引进了这样一种机制，在检测到信道和没有找到系统之后，将发送一个接入器唤醒信号。这个信号在一个显著的系统信道上被发送。我们把这个信号称作在一个警报信道中被发送。一个特定的系统可能不止含有一个警报信道。如果这样信道超过一个，终端将执行一个发送周期通过所有警报信道来唤醒终端。

网络结构

这里揭示的自主基础设施无线网络要求这样一种网络接入，基站或接入器应能容易地被附加或接入，犹如配属一件家用电器将之接入电网一样方便。同时，为了与通信网络的趋势相一致，这个网络应该是一个基于IP(Internet协议)的网络。有多种网络结构可以被用来达到这个目的。以下我们讨论其中的一些可能性。

(a)以太网局域网

一个基于IP的基站互联网络的主要例子是一个有线以太网局域网。基站将包含一个直接连接到局域网的接口，或者他们使用网络接口卡作为一个增加的模块。每一个基站将为局域网自动地配置一个IP地址，同时发起与控制器间的通信。基站的接入将导致两个阶段的自配置。第一个阶段将对互联网络的通信进行配置，这包括IP地址的自配置和为自主网络控制器获得一个IP地址。在这种通信建立之后，基站将开始第二个阶段的配置-对自主蜂窝空中接口，无线接入和参数的配置。图2a)描述了如何把蜂窝接入器(CAP)连接到网络中。这图不显示作为网络中一个节点的控制器，它被包含在称为“Internet”的图中。

b)公共交换电话网

第二个例子是一公共交换电话网(PSTN)。在这里最简单的例子是家中或者小企业的DSL(数字用户线)联接。这个DSL线可以是一些DSL的进化之一，如ADSL，VDSL，xDSL，或者其它。有了这个选项我们能容易地建立无线的家庭网络，或者小的企业网络，它在无线物理层同常规的蜂窝网络(自主蜂窝的兼容性方面)是兼容的。从安全和在高密度无线设备地方的干扰管理考虑，这些网络将优于现有的WiFi网络。在这种类型的网络中基站可能是客户所有，或是运营商所有-即运营商可以操作自主网络控制器。图2b)展示了如何把蜂窝接入器(CAP)同网络连接起来。

这种网络的另一种选择是将基站(蜂窝接入器(CAP))放置在一个家庭的附近，但可以用来服务几个家庭。连接的方法如图2c)所示。基站将通过光纤连接到PSTN的交换机或路由器。每个基站所服务的家庭数目将依赖于每个家庭的容量要求和可供使用的无线频谱。例如，如果我们计划向家庭提供诸如IP电视的服务，那么每个家庭都有很大的容量要求，并且每一基站离家庭应保持这样一种距离，以便它能根据所有的带宽服务少量的家庭。这种选择具有吸引力，当拿它同当前有线IP电视的最新计划作比较，因为它提供了一种家庭环境中的终端，同时它减少了铺线到每家的线路费用。

c)闭路电视(CATV).

一个CATV网络是对互联基站的另外一个逻辑网络的选择。它具有高容量和在住宅区的高覆盖(部署)。如前所述，作为PSTN的另一个选择，这里有两种可能性。第一种情况是我们可能将基站安装在家中。这种基站将替代现有的电缆调制解调器(当前用于Internet访问)。基站的一个接口将包含一个电缆调制解调器，它有能力调节到闭路的一个信道上(北美为6MHz)。其它接口将是自主无线接口，它能提供在一种家庭环境和其附近之内的无线接入，并且和广域蜂窝网络兼容。这种连接方式如图3a)所示。

第二种方法将是在家之外并且离家有一段距离的地方放置基站。确切的距离将依赖于无线接口的容量要求。使用大的距离要求更大的传输功率并且导致更多的家庭为一基站所服务。基站可在闭路分配网络中替换掉一个现有的机顶盒(一般可以服务8个家庭)，或者可以将它在闭路分配网络中进一步往后放置(把它放在一个可以服务几百户家庭的节点上)。在闭路分配网络里的位置选择依赖于可供使用的RF频谱和被提供给家庭的服务--即最终的每家容量需求。容量需求越大，蜂窝的规模就越小，基站也离家庭越近。

d)电力线通信网络(PLC)

另一个互联基站的选择将是一个电力线通信(PLC)网络，也被称作宽带电力线通信网络(BPL)。总体网络将包括一个主干网(如电话主干网)，而节点将是与电力线相连接的点。每一个这样的节点将连接到服务一个有限区域的电网分支中去。那么，对于每个分支可以有多个基站被连上。连接的方式如图3b所示。每一个基站将有两个接口。一个接口包含一个用于电力线通信的调制解调器，它使用特殊的调制方式(如某种OFDM的形式)。另一个接口将是自主蜂窝网络的无线接入端口。上述电力网每个分支的规模和每个分支允许连接的基站数将依赖于每个基站的容量和每个PLC的容量。一个分支中的所有基站的流量处理容量将不得不小于PLC的容量。如果我们希望违反上述的容量约束，并以这样一种方式来增加一个分支中的基站数，那么一个解决办法是将一个分支分成两个较小的分支(通过在主干网中增加额外的节点)。这种类型的网络的优势在于，那些电力线因为电力分配的需要已经存在了。同时，这样一种网络将在室内环境中，商业区，地下的空间中提供良好的覆盖。

e)固定的无线接入网络

基站可以通过固定的无线接入网络被连接，例如一个基于IEEE802.16空中接口(WiMax)的网状网络，或如图3c)所示的基于IEEE802.11a的无线局域网。网状网络中的每一节点都可以成为自主蜂窝网络中的一个基站。每一个基站将有两个无线接口。一个接口将连接到网状网络。第二个接口将通过自主网络给移动终端提供无线接入。网状无线网络应该按这样一种方式被设计，新的节点应该容易地被部署以便网络可以有机的增长，这样才能体现自主基础设施无线系统的精神。

终端考虑

在一典型的蜂窝网络(传统蜂窝系统)中，基站或是持续不断或是周期性地(如，每帧中的一个时隙)传送一个信号，它的目的在于向刚进入蜂窝的终端“宣告”基站的存在。这些信号(信道)可被称为广播信道，同步信道，信标信道或信号，pilot信道或信号，或者其它。在本发明中揭示的一个十分重要的概念是睡眠的基站。

如果一个蜂窝没有用户，那么我们不想上述的信号一定被传送，因为我们可能有很高密度的基站，而这些基站并没有用户，这样将造成不必要的干扰。这里最经典的例子是CDMA系统中的pilot信号，其导致的干扰有时被称为“pilot污染”。当上述参照信号被关掉，这时基站被称为处在睡眠方式。现在，在一个传统蜂窝系统中，当一个终端在被开机后它立即试图同步到上述的同步信道，pilot信道，或信标信道。如果基站在睡眠状态，终端必须有一种机制来唤醒基站。因此，一个自主蜂窝网络中的终端应该有提高的能力(相对于传统蜂窝系统的终端)，来传送一种我们这里称作警报的信号(与唤醒信号同义)。该终端，在被加电后将首先搜索当地醒着的蜂窝，就如传统蜂窝系统中终端的平常运行模式那样。当没有找到这样的蜂窝后，它将在一定的时间段内发送警报信号。它然后再一次搜索基站的存在。它将重复发送这个警报信号并倾听一段时间，如果在某个时间点仍然没有找到存在的基站，它将假定它不在一个自主网络的服务范围内，并自动关机。

服务

本发明中的自主基础设施蜂窝网络将在第四代无线网络被预见。今天电讯服务的三种主要种类为声音，视频分配，和Internet访问。传统上这些服务被三种不同结构的网络所提供：电话网络，闭路电视网络，和Internet。将来的趋势是所有将这些结构汇聚成一种结构来提供三种服务。对三合一的规定的一个关键要求是在接入网络中必须有足够的容量。工业界中另一个趋势是在网络的接入部分使用无线。无线提供可移植性并降低布线的费用。第三个要求是减少安装的费用。本发明所揭示的自主基础设施无线网络概念是达到这些目标的一种理想的技术。网络可被设计成基于IP和提供VoIP的服务，在IP之上电视的服务(IP电视)，和平常的多媒体Internet访问。在IP电视的情况下，依赖于终端或者显示设备的大小，不同的新标准层出不穷。当前为蜂窝传输所部署的小终端，为它们提供的服务可以(按与移动蜂窝网络计划相同的方式)在自主蜂窝系统中被采纳。然而，因为可能存在的小蜂窝，当采用IP电视的技术，自主蜂窝系统中也可以被用来传送视频信号到家用。

无线频谱

当前人们对以前被分配给电视广播的频谱挖掘新的用法有着巨大的兴趣。这些电视UHF频带在1GHz之下的那部分很少被使用。另一方面政府规定要求，如果根据旧的频谱分配许可，当一个发送器要求使用这些信道时，它们必须是可供使用的。这里所讨论的解决方法是，设计一套无线技术，它可以自动地检测一特定的频谱是否被占用，并能挪离那个频带(如果它被使用的话)。自主基础设施的网络概念是达到这样使用频谱的一个理解办法，并且是未来用于分配频谱的候选结构。

Claims (21)

1.一种部署蜂窝无线通信网络的方法，其特征在于：

(a)向一人或多人或企业提供一个或多个无线微基站；

(b)一人或多人，通过把微基站连接到至少一个(连到固定网的)网络接入器，来自主部署该微基站，进而配置该微基站，使其与网络控制器合作；该网络控制器与蜂窝无线通信网络相连，同时也连接到固定网，该网络控制器可以被操作来向微基站发送一个或多个网络执行命令；

(c)能在微基站上执行网络操作命令，进而在一个微基站定义的蜂窝区域里提供网络连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：微基站与其它基站(这包含微基站和大网络基站)进行合作，从而给一个或多个蜂窝无线通信终端提供网络连接。这些终端是个人或者企业连接到蜂窝无线通信网络中的终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：微基站使用基于扩频和通用频率复用(频率复用率为1)的物理层技术和网络控制器，来自动配置基站的以下一项或多项：

(a)一预定的pilot信道强度；

(b)pilot信号参数；

(c)自适应天线阵列的指向参数；

(d)一个或多个微基站的工作状态，每一工作状态与一组参数相关，这些参数为网络控制器所建立，并包含从一种工作状态转变成另一个状态的要求。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：微基站可携带第三方话务，这些话务是从无线通信终端到其它微基站之间(通过固定网)的话务，提供第三方话务服务的蜂窝无线网络可以从中得到相应经济上的奖励和补偿。

5.一种无线通信网络，其特征在于：所述的无线通信网络包括：

(a)具有以下功能的微基站：

(i)可以被配置，并通过高速传输链路连接到固定网，这样在微基站和固定网之间就可以至少有一个接入点；

(ii)包括一个无线接口；

(iii)在接到网络控制器命令后可被操作，该网络控制器至少与一个蜂窝无线通信网络相连，并且被连到固定网，这样便能配置微基站来支持多个无线终端之间(通过空中接口)的通信。

6.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：至少有一个接入器被连接到高速数据传输网络，这样便可以给一个或多个连接到微基站的计算机提供数据连接。

7.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站能自动配置并连接到固定网和网络控制器。

8.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站基于网络控制器的操作命令，可以与一个或多个其它基站协作，并向一个或多个无线通信终端提供到固定网上的连接(这些连接又为网络控制器所指定)。

9.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：无线接口为一个统一的空中接口，该接口工作在广域模式和高码率(或热点)模式，譬如，网络控制器可以配置无线接口，从而建立微基站的工作参数。

10.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站可以通过以下方式连接到网络控制器：

(a)通过有线接口(并经由固定网)连接到网络控制器；

(b)通过无线接口建立点到点无线链接，先连接到另一个基站，再由该基站连接到网络控制器。

11.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站是可自主操作的：(a)在微基站和固定网之间可以安装一个固定的网络接入器，(b)可以为一个或多个无线通信终端安装一个蜂窝接入点，以便这些终端能接入(网络控制器所决定的)固定网，(c)可以连接到网络控制器。

12.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：网络控制器负责微基站和其它基站之间的协调运行。

13.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：基于含有扩频和抗干扰参数的调制方式，网络控制器可以发出指令，微基站能运行这些指令，来实现该调制方式。

14.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站可以测量一个或多个在其附近的接入点的pilot信号强度，并把测量结果报告给网络控制器。

15.根据权利要求14所述的无线通信网络，其特征在于：微基站可以执行指令，来设置(由网络控制器决定的最优)pilot信号强度。

16.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站可以执行指令，来实现一个或多个工作状态，而每一工作状态又与网络控制器建立的参数相关，这包括从一种状态转换成另一个状态的要求。

17.根据权利要求16所述的无线通信网络，其特征在于：基于网络控制器建立的参数，微基站可以应用“睡眠模式”这种状态来减少pilot信道干扰。

18.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站可被连接到下列的一个或多个高速数据传输网络：(a)局域网，(b)广域网，(c)DSL接入网络，(d)有线电视接入网络，(e)供电线路传输通信网络。

19.根据权利要求5所述的无线通信网络，其特征在于：微基站采用基于扩频和通用频率复用(复用系数为1)的物理层技术，网络控制器使用预定的pilot信号强度，pilot信道参数，和自适应天线阵列指向参数，来自动配置微基站。

20.一种软件产品，它包括可读媒介和逻辑记录，可在服务器上运行并建立与无线网络间的连接，能协作基站间的运行，其特征在于：

(a)含有一个控制模块，用来传送一个或多个微基站可执行的命令，以执行以下操作：

(i)给一个或多个微基站里的无线通信终端提供到固定网的连接，网络控制器决定哪些终端获得服务；

(ii)基于网络控制器定义的参数同其它基站进行合作，这些基站可能为微基站和大网络基站，以便给与该网络相关的无线通信终端提供网络连接；

(iii)用以下参数配置微基站：pilot信号功率，pilot信号参数，自适应天线阵列指向参数，微基站可以处于一个或多个工作状态，每个状态与网络控制器建立的参数相关，这些参数包括从一个状态转换成另一个状态的要求。

21.作为一个用来控制蜂窝无线通信网络的系统，其特征在于：

(a)包括一台运行控制软件的服务器，该服务器和控制软件定义了一个网络控制器；

(b)包括一个连接到无线通信系统的网络控制器，该系统含有多个基站，它定义了一个提供终端连接服务的复蜂窝区域；基站包含一个或多个微基站，它们能自配置并通过高速链路连接到网络控制器，微基站和网络控制器之间至少有一个接入点，网络控制器包含一个控制模块，该模块可传送一个或多个指令，这些指令可用来执行：

(i)给微基站覆盖的蜂窝区域里的终端提供网络连接；

(ii)基于网络控制器定义的参数与其它基站进行协作，这些基站可能是微基站和大网络基站，给与无线通信网络相关的终端用户提供网络连接；

(iii)使用以下参数配置微基站：pilot信号强度，pilot信号参数，自适应天线阵列指向参数，使得微基站运行在一个或多个状态下，每个状态与网络控制器决定的参数相关，这包含从一个状态转换到另一个状态的要求。

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