Настоящее изобретение относится к сотовым системам связи. Более конкретно, оно относится к виртуальной сотовой сети (ВВС) с виртуальной архитектурой ячейки, определенной как зона заранее заданного размера и образования виртуально вокруг подвижного терминала в течение периода времени, в который подвижный терминал передает один пакет, а также к способу связи, используемому в этой виртуальной сотовой сети.
Метод распределения ресурсов радиосвязи является одним из наиболее важных аспектов в подвижных системах радиосвязи, таких как внутренняя или внешняя радиопередача данных, телефония с самоходных транспортных средств и подвижная телефония и ожидаемые сети персональной связи.
Способ распределения ресурсов радиосвязи включает в себя следующие две ступени.
Во-первых, частотные ресурсы выделены на каждую зону и затем данным частотным диапазоном используется протокол множественного доступа. С недавних пор сотовая система связи используется широко. В этой сотовой системе связи зоны, которые будут обслуживаться, заранее поделены на ячейки, и каждая ячейка использует данный частотный диапазон, а смежные ячейки используют отличающиеся один от другого частотные диапазоны, чтобы уменьшить взаимные помехи между сигналами. Использованный в ячейке частотный диапазон вновь используется на полном удалении (в общем случае в зоне за смежной ячейкой), чтобы обеспечить обслуживание больших зон определенным полным диапазоном частот.
Фиг.1 представляет обычную сотовую систему связи, использующую семь участков с повторным использованием частот. Каждая ячейка C1-C7 имеет соответствующие базовые станции BS1-BS7, которым поручена связь со всеми подвижными терминалами MT1-MT8. Все базовые станции BS1-BS7 подключены к подвижному коммутационному узлу (ПКУ) 2 по проводной сети LI, а ПКУ подключен к коммутируемой телефонной сети 1 общего пользования (КТСОП) магистральной сети.
Такая обычная сотовая система связи применяет уменьшение размера ячеек для того, чтобы увеличить пользовательскую пропускную способность, и встает вопрос о введении микросотовой или пикосотовой системы, в которой размер ячейки составляет от нескольких сотен до нескольких десятков метров.
Однако такой способ увеличения пользовательской пропускной способности путем уменьшения размера ячеек должен решить следующие проблемы.
Первое, если размер ячейки уменьшен, часто генерируется сигнал подтверждения связи и управляющий сигнал для контроля подтверждения связи вырабатывается многократно.
Второе, в обычных подвижных телефонных сетях связи, поскольку размеры ячеек велики - от нескольких километров до нескольких десятков километров, определение местоположения базовых станций не является сложным.
Если размер ячеек уменьшается, становится сложным определить подходящее местоположение базовых станций согласно форме уменьшенных ячеек, и дополнительная установка базовых станций также затруднена из-за усложненного взаимодействия близких базовых станций.
Протокол множественного доступа идеально выполняется в ячейке обычных сотовых систем связи, и даже если скорость обработки становится равной 1, скорость обработки на единичную зону для полного диапазоне частот не может быть свыше 1/7 = 0,143 (если число участков с повторным использованием частот равно семи).
Как отмечено выше, в обычной системе связи с повторным использованием частот нет возможности фундаментально разрешить ограничение на максимальную величину скорости обработки.
Более того, в сетях персональной связи или сетях подвижной телефонии пользователи могут быть распределены, концентрируясь в некоторых зонах, а не будучи равномерно распределены по зонам.
Для обычной системы связи, даже если размер и границы ячеек определены средним значением интенсивности загрузки, остается проблема недостаточной скорости обработки вследствие временного изменения в распределении пользователей.
Изучение и исследования на проводных сетях связи выполнялись вне методов подвижной радиосвязи и их общие соотношения не изучены еще удовлетворительно. Это происходит вследствие существования точки зрения о том, что проблемы каждой сети связи разрешаются посредством соответствующей сети связи. Согласно этой точке зрения соединитель для стыковки этих двух сетей разработан на основе протокола проводной сети, и от радиопередающей сети к проводной сети передаются идеальные пакеты.
Хотя проводная сеть может осуществлять высокоскоростную передачу на нескольких сотнях Мбит/с благодаря высокоскоростной системе локальной сети (ЛС) и системе с асинхронным режимом передачи (АРП) и имеет малую ошибку передачи, сеть радиопередачи имеет преимущества в ограниченных частотных диапазонах, нерегулярных канальных характеристиках и большой скорости передачи с ошибками.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить новую сетевую архитектуру, в которой проводные и радиопередающие сети эффективно объединены одна с другой, и протокол связи, которой может решить проблемы обычных приемов в дaнной области.
Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить виртуальную сотовую сеть (ВСС), которая гарантирует простоту архитектуры и протокола общеэфирного интерфейса (ОЭИ).
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение виртуальной сотовой сети (ВСС), которая может увеличивать пользовательскую пропускную способность путем увеличения скорости обработки на единичную зону относительно полного диапазона частот.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение виртуальной сотовой сети (ВСС), которая может просто управлять подтверждениями связи и облегчает определение местоположений базовых станций.
Виртуальная сотовая сеть согласно настоящему изобретению использует преимущества проводной сети, чтобы скомпенсировать ими недостатки радиопередающей сети.
То есть основной идеей ВСС является то, что протокол связи радиопередающих каналов упрощен для улучшения коэффициента использования канала и приспособления увеличенной в связи с этим рабочей нагрузки в проводной сети, соединенной с базовыми станциями. Иными словами, она состоит в упрощении протокола интерфейса общего доступа (ИОД) посредством использования соответственно широкого диапазона проводной сети, применяя высокоскоростную ЛС или общегосударственную сеть (ОС) в качестве базовой сети в радиопередающей сети связи.
ВСС согласно изобретению имеет два основных различия с обычной системой сотовой связи. ВСС согласно изобретению использует весь частотный диапазон для канала линии "вверх", тогда как обычная сотовая сеть связи использует семь или девять участков с повторным использованием частот.
Эта система требует допущения, что при одновременном приеме приемным портом более чем двух сигналов, приемный порт может принять сильнейший сигнал без ошибки только в том случае, если этот сигнал в несколько раз сильнее всех вместе других мешающих сигналов. В этом случае каждый терминал может использовать весь системный диапазон, который укорачивает длительность пакета по сравнению с обычным методом и, следовательно, уменьшает рабочую нагрузку каналов.
Вместо того чтобы каждый терминал передавал пакет на высокой скорости, используя весь частотный диапазон, предпочтительно разделить диапазон Bu линии "вверх" на несколько, скажем, на K параллельных каналов со случайным доступом, каждый с полосой B=Bu/K. Каждый терминал затем случайно выбирает частоту линии "вверх" для каждой передачи.
Это особенно эффективно, если B << Bc << Bu, где Bc - полоса когерентности канала, потому что приемные порты не выполняют выравнивания каналов (так как B << Bc). Более того, случайный медленный перескок частоты (МПЧ) гарантирует, что замирания канала становятся независимыми от передачи к передаче. Это увеличивает равнодоступность сети и повышает стабильность, так как терминал в "плохом" месте не даст слишком много повторных передач.
Кроме того, в ВВС согласно изобретению отсутствуют расположенные в центрах ячеек обычные базовые станции, каналы управления и подтверждения связи, а использованы более простые в работе по сравнению с обычными базовыми станциями приемные порты, например, антенные установки. Каждый порт в ВСС принимает сигналы, которые передают некоторые терминалы, и посылает все принятые без ошибок пакеты на портовый узел обслуживания по проводной сети. Группа портов в виртуальной ячейке обеспечивает пространственное разнесение, которое помогает бороться с замираниями из-за многолучевого распространения.
ВСС согласно изобретению имеет много преимуществ благодаря приему пакета определенным портом внутри виртуальной ячейки, временно образованной вокруг находящегося в ее центре подвижного терминала, однако в конечный пункт назначения может прибыть более чем два пакета. Это проблема может быть решена с помощью портового узла обслуживания, который собирает пакеты от терминалов внутри сетевой зоны. Виртуальная ячейка определяется как зона, в которой принятый сигнал имеет достаточную мощность, чтобы занять порт, когда никакой другой терминал не передает никакого пакета в пределах достаточно большой зоны. Размер виртуальной ячейки определяется мощностью передачи, затуханием в распространении радиоволн и канальным шумом.
Поставленные цели достигаются тем, что виртуальная сотовая сеть согласно изобретению содержит группу портов, соединенных между собой портовой сетью для приема пакетов линии "вверх", переданных с подвижных терминалов, и портовый узел обслуживания для выбора любого пакета из одного или более продублированных пакетов, переданных с одного или более портов в пределах виртуальной ячейки, временно образованной вокруг находящегося в ее центре подвижного терминала, когда подвижный терминал передает один пакет, причем портовый узел обслуживания передает пакет в пункт назначения по коммутируемой телефонной сети общего пользования и передает пакеты линии "вниз" к подвижным терминалам.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ связи, используемый в вышеуказанной виртуальной сотовой сети, включающей в себя группу портов, соединенных между собой портовой сетью, и портовый узел обслуживания, подключенный к одному концу портовой сети. В этом способе процесс передачи пакета линии "вверх" в направлении порта с подвижных терминалов заключается в передаче одного пакета с подвижного терминала на соответствующие порты с помощью протокола многостанционного доступа радиопередачи, приеме пакета по меньшей мере одним портом в пределах виртуальной ячейки, образованной вокруг находящегося в ее центре подвижного терминала, когда подвижный терминал передает один пакет, и отборе наилучшего пакета из одного или более продублированных пакетов, переданных на портовый узел обслуживания по портовой сети, а процесс передачи пакета линии "вниз" в направлении к подвижному терминалу с портового узла обслуживания заключается в назначении по меньшей мере одного порта для передачи пакета линии "вниз" портовым узлом обслуживания, и передаче пакета к подвижному терминалу через назначенный порт.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - блок-схема обычной сотовой сети связи;
фиг. 2 - блок-схема виртуальной сотовой сети в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.3 - алгоритм протокола передачи пакета линии "вверх" с терминалов;
фиг. 4 - алгоритм протокола обработки пакета с портового узла обслуживания;
фиг.5 - алгоритм протокола передачи пакета линии "вниз" с портового узла обслуживания.
Виртуальная сотовая сеть согласно настоящему изобретению содержит группу портов PA-PN, как показано на фиг.2, для приема пакетов, переданных с группы подвижных терминалов Ma-Me, которые соединены между собой портовой сетью PN, а также портовый узел PS обслуживания для управления группой портов PA-PN, который подключен к одному концу портовой сети PN1. Портовый узел PS обслуживания подключен к коммутируемой телефонной сети общего пользования PSTN базовой сети.
Фиг.2 показывает терминалы Ma-Me одновременно передающими пакеты в течение интервала времени, когда передается один пакет.
Портовая сеть PN1 может иметь шинную топологию и, к примеру, может иметь звездную или кольцевую топологию. Она должна иметь достаточный диапазон, чтобы воспринимать поток сообщений, генерируемый в сетевой зоне.
Порты PA-PN согласно изобретению могут быть образованы, например, антеннами, для выполнения более простых функций, нежели в обычных базовых станциях.
Обозначенные на фиг. 2 пятью кружками виртуальные ячейки VC1-VC5 образованы вокруг находящихся в их центре подвижных терминалов Ma-Me и включают в себя четырнадцать портов PA-PN.
Размер этих виртуальных ячеек VC1-VC5 определяется мощностью передачи, затуханием в распространении радиоволн и канальным шумом, и они определены как зоны, в которых принятый сигнал имеет достаточную мощность, чтобы занять порт, когда никакой другой терминал не передает никакого пакета в пределах достаточно большой зоны.
PS выполняет также протокол различения копий (ПРК) для того, чтобы выбрать только один пакет из возможных продублированных пакетов для выведения его в коммутируемую телефонную сеть общего пользования, так как тот же самый пакет могут принять более чем один из портов.
Выполнение ПРК на PS, а не на портах PA-PN, и простота подтверждения связи могут упростить протокол связи при радиопередаче для терминалов Ma-Me, что выливается в малую потребляемую мощность.
Между тем каждый терминал может использовать весь системный диапазон, выделенный для канала линии "вверх", и при разделении диапазона Bu линии "вверх" на несколько параллельных каналов диапазона B со случайным доступом, каждый терминал может выбрать случайным образом один из параллельных каналов со случайным доступом диапазона B=Bu/K.
В последнем случае, если полоса Bc когерентности канала удовлетворяет условию B << Bc << Bu, порты PA-PN не должны выполнять выравнивания каналов, так как B << Bc. Случайный медленный перескок частоты гарантирует, что замирания канала становятся независимыми от передачи к передаче.
Протокол связи.
Протокол связи ВСС включает в себя протокол управления многостанционным доступом радиопередачи, необходимый для выбора портов с терминалов, протокол пакетной обработки линии "вверх" с портового узла обслуживания, протокол пакетной обработки "вниз" с портового узла обслуживания и протокол многостанционного доступа в портовой сети.
A. Протокол пакетной передачи линии "вверх" с терминалов.
Канал линии "вверх" ВСС (в направлении к порту от терминалов) основан на существующем или усовершенствованном протоколе многостанционного доступа, особенно на протоколе случайного доступа, сегментированном протоколе ALOHA. Основным преимуществом протокола случайного доступа является его простота и гибкость, а поскольку протокол случайного доступа не является схемой, управляемой централизованно, его преимущество проявляется в таких распределенных сетях, как ВСС.
Как показано на фиг. 3, если подлежащие передаче пакеты сформированы (S31), каждый терминал Ma-Me передает пакеты случайно согласно сегментированному протоколу ALOHA.
Если весь системный диапазон велик, весь диапазон разделяется на группу параллельных каналов диапазона и каждый терминал выбирает случайным образом любой из параллельных каналов и передает пакеты (S32). Все пакеты, принятые на порты PA-PN вокруг терминалов Ma-Me, немедленно передаются на портовый узел PS обслуживания (S33), а PS передает извещение (ACK) на соответствующий один из терминалов Ma-Me по каналу линии "вниз".
В это время каждый терминал находится в режиме ожидания (S34) и ретранслирует его (S32), если извещение приходит в заранее заданном периоде времени (S35).
На фиг. 2, если терминалы Mb и Mc передают пакеты одновременно, сигналы портов PG и PH будут испытывать сильное взаимовлияние и поэтому пакеты от терминалов Mb и Mc будут по возможности посланы на RS через порты PE и PI соответственно.
Когда пакет с терминала не может занять какой-либо порт, о нем не будет извещено, и он будет ретранслирован после задержки.
B. Протокол пакетной передачи линии "вверх" с портового узла обслуживания.
Как показано на фиг.4, если PS принимает новый пакет с терминала (S41), PS удерживается на заданный период времени, если имеются продублированные пакеты, которые передаются по нескольким путям (S42).
Эти продублированные пакеты могут включать в себя пакеты без каких-либо ошибок и пакеты, частично неисправные из-за ошибки во время передачи.
PS выбирает один из продублированных пакетов или объединяет дефектные пакеты, чтобы использовать пространственное разнесение (S43).
Всякий раз, когда PS принимает неискаженный пакет, PS передает извещение ACK на терминал (S44) и создает и обновляет таблицу активного порта, включающую в себя опознавательный номер пользователя, номер сигнального входного порта, качество сигнала и время приема (S45).
На фиг.2, например, пакет, который передавался с терминала Ma, может быть продублирован в портах PA и PD и передан на PS. PS выбирает только одну копию пакетов (S46) и передает ее на пункт конечного назначения (S47). Это определяет протокол различения копий ПРК.
Для ПРК могут иметь место две схемы. Во-первых, все продублированные пакеты, которые приходят после правильного пакета, отбрасываются. Этот простой алгоритм минимизирует задержку обработки в PS.
Во-вторых, PS принимает все продублированные пакеты для заданного периода времени, но выбирает копию с небольшой ошибкой, то есть копию с наименьшим хэмминговым расстоянием до разрешенного кодового слова.
PS также хранит след номера порта, с которого принят наилучший сигнал для каждого пользователя, в таблице активного порта. Эта канальная информация может использоваться для линии "вниз", чтобы выбрать наилучший (набор) порт(ов) для передачи пакета на терминал.
C. Протокол пакетной передачи линии "вниз".
Протокол линии "вниз" передачи пакетов в BCC с PS на терминалы Ma-Me также может использовать концепцию виртуальной ячейки, как и в протоколе линии "вверх".
Как показано на фиг.5, если пакеты, которые посланы на терминалы, приходят в PS (S51), PS проверяет, зафиксировано ли посредством таблицы действующего порта расположение терминала, который примет пакет первым (S52).
Если после проверки расположение соответствующего терминала окажется не зафиксированным, выполняется "пролистывание" по всем портам всей сети, управляемой с помощью PS (S53).
Если в случае "пролистывания" всей сети расположение соответствующего терминала не зафиксировано при таком "пролистывании" (S54), PS сообщает передающему порту, что терминала в сети нет (S55).
В том случае если PS зафиксирует расположение терминала на операции S52 или S54, в идеальном случае PS указывает порт, который принял наилучший сигнал потока "вверх" (S56), и посылает через него данные потока "вниз" (S57). Предпочтительно, однако, пакеты потока "вниз" передаются стереовещательно через порт, который имел наилучшие характеристики во время передачи по линии "вверх" вместо операций S56 и S57 и через несколько соседних портов для увеличения производительности.
D. Протокол портовой сети.
PN1 соединяет между собой PS и все порты PA-PN в сетевой зоне, покрытой PS, и переносит данные как потока "вверх", так и потока "вниз". Поскольку между портами нет прямого обмена пользовательскими данными, для портовой сети с точки зрения пакетной задержки и стабильности наиболее подходящей будет звездная топология. Учитывая практическое оборудование, подходящей для портовой сети будет шинная сеть и может быть использована кольцевая топология. Если используется протокол IEEE 820.6 двойной шины с распределенной очередью или его модификация, то одна шина может быть использована исключительно узлом PS для передачи потока "вниз", а другая шина - для передачи линии "вверх" от портов на PS.
Портовая сеть образована высокоскоростной сетью связи на короткие расстояния и принимает протокол многостанционного доступа, пригодный для нагрузочных характеристик между портами и портовым узлом обслуживания. В то же время, поскольку между портами нет обмена данными, предпочтительно выбирать подходящий протокол с учетом этого обстоятельства.
Настоящее изобретение позволяет:
1. Увеличить пользовательскую пропускную способность.
Протокол управления многостанционным доступом идеально выполняется в одной ячейке, соответствующей обычной сотовой системе связи, и даже если скорость обработки каждой ячейки становится равной 1, скорость обработки на одну зону как для всего частотного диапазона системы не может быть больше, чем 1/7=0,143, в случае 7 участков с повторным использованием частот.
Чтобы разрешить функциональное ограничение на максимальное значение скорости обработки, число участков с повторным использованием частоты, должно быть меньше, чем 7, а их минимальное значение становится равным 1, то есть все терминалы будут использовать тот же частотный диапазон.
В виртуальной сотовой системе согласно изобретению должны быть тщательно учтены помеховые сигналы с других терминалов, которые могут быть скомпенсированы функцией адаптивного занятия с приемного устройства, уменьшением времени передачи в 1/7 раза путем использования большого частотного диапазона, а также использованием разнесенного приема.
Пользовательская пропускная способность увеличивается в том случае, если используется также много базовых станций (портов), как и в обычной сотовой системе связи.
2. Согласовать временную концентрацию пользователей.
Если в сетях персональной связи или подвижных телефонных сетях пользователи временно или в среднем распределены, концентрируясь в некоторой зоне, обычная сотовая архитектура не может эффективно справиться с такой концентрацией, и даже если размер и граница ячейки определена средней интенсивностью нагрузки, скорость обработки при временных измерениях становится хуже. В BCC согласно изобретению все терминалы используют весь частотный диапазон (то есть использование частотного диапазона заранее не ограничено), чтобы иметь лучшую скорость обработки для динамического изменения распределения пользователей.
Данные ресурсы радиопередачи в BCC максимально доступны при использовании Гц •с • м2, а не Гц • с.
3. Облегчить определение местоположения базовой станции.
В отличие от обычной сотовой сети связи в BCC граница ячеек заранее не определена. Границы ячеек определены вокруг терминалов, а не вокруг базовых станций, и терминалы могут связываться с определенным портом внутри виртуальной ячейки. Соответственно BCC исходно обеспечивает пространственно разнесение и борьбу с замираниями из-за многолучевого распространения.
При использовании системы местоположение портов может быть определено свободно в BCC, а взаимодействие между портами проще, чем взаимодействие базовых станций в обычной сотовой технике, когда для увеличения пользовательской пропускной способности устраиваются дополнительные порты.
4. Просто управлять подтверждением связи.
В BCC порт в области вокруг терминала принимает пакет и пакет, верно принятый в порте, передается на портовый узел обслуживания по портовой сети. Поскольку в BCC отсутствует та концепция, что подвижный терминал проходит заранее заданную границу ячейки, нет и сложного подтверждения связи, как в обычной системе связи, и образуется род мягкого подтверждения связи. Таким образом, порты в BCC не нуждаются в усложненных функциях для управления подтверждением связи, и подтверждением связи управляет портовый узел обслуживания.
5. Обеспечить простоту терминального протокола связи.
BCC сводит к минимуму функции, необходимые для терминалов, чтобы управлять подтверждением связи. Протокол многостанционного доступа частично использует архитектуру портовой сети для упрощения протокола связи терминалов и снижения потребления мощности.
Хотя это изобретение описано в связи с тем, что желательно в настоящее время для наиболее практичных и предпочтительных выполнений, следует понять, что изобретение не ограничено описанными выполнениями, но, напротив, оно открыто для различных модификаций и эквивалентов, относящихся к духу и объему приложенной формулы изобретения.
Виртуальная сотовая сеть с архитектурой виртуальной ячейки, определенной как зона заранее заданного размера и образованной виртуально вокруг подвижного терминала в течение периода времени, когда этот подвижный терминал передает один пакет. Виртуальная сотовая сеть содержит группу портов, соединенных между собой портовой сетью приема пакетов линии "вверх", переданных с подвижного терминала, и портовый узел обслуживания для отбора любого из одного или более продублированных пакетов от одного или более портов в пределах виртуальной ячейки, причем портовый узел обслуживания передает пакет к пункту назначения и передает пакеты линии "вниз" на подвижные терминалы. Достигаемый технический результат состоит в том, чтобы обеспечить новую сетевую архитектуру, в которой проводные и радиопередающие сети эффективно объединены одна с другой, и протокол связи, который может решить проблемы обычных приемов в данной области. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.
| US, 4771448 A, 13.09.88 | |||
| US, 5117501 A, 26.05.92 | |||
| RU, 1626412 A1, 07.02.91. |
