ES2298162T3 - Man inalambrica ofdm fija que utiliza cpe con antena interna. - Google Patents

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.

Campo de la invención

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.

Antecedentes de la invención

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.

Sumario de la invención

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.

Breve descripción de los dibujos

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.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

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).

I. Componentes del sistema, distribución de los componentes y reconocimiento de los componentes

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.

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.

II. Transmisión de datos de sistema

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.

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.

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.

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.

1

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.