专利名称：具有备用基站和卫星站的蜂窝网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过有选择地在其中引入空间冗余度来改善蜂窝网络的性能与可靠性。
蜂窝电话系统的每个小区包括利用所需的射频(RF)信号强度给基站周围小区内的所有移动站提供服务的基站，每个小区内的基站具有一个固定数量的无线通信信道，它能将这些信道分配给正在那个小区内进行的呼叫。移动站通常与位于小区中的基站通信，其中移动站定位于这些无线通信信道之一。
各个小区覆盖整个地理服务区域，但覆盖不完全并且相邻小区重叠而形成越区切换区域。根据常规实践，当移动站在发送信息的同时越过当前小区的边界并移入另一小区时，必须建立与位于新小区内的新基站的通信路径。如果无线通信信道在新小区中不能获得而且移动站在它越过边界和完全移入新小区之前不能获得在新小区中的新信道并放弃其旧小区中的信道，则出现越区切换故障并且中断正在进行的呼叫。越区切换故障的概率，即正在进行的移动呼叫由于在新小区中不能给它分配无线通信信道而在越区切换期间被强迫中断的概率是评价蜂窝网络系统质量的主要标准。因此，使越区切换故障概率最小化是任何蜂窝网络系统中所希望的。
为了使越区切换故障概率最小，有效的移动蜂窝网络应连续决定如何最佳地分配小区中有限的可用无线通信信道组给此小区中始发的新呼叫和从相邻小区移入此小区的越区切换。这个任务受位于小区中的基站不能处理此小区内始发的所有新呼叫以及从相邻小区移入此小区的越区切换的阻碍。如果有更好的方法来处理与移动站过度通信的基站的过载和如果将移动站不久将进入新小区的较好的告警发送给位于此新小区并与此新小区有关的基站，则将改进蜂窝网络状态，并且基本上能使越区切换故障和传输差错的概率最小。
通过根据本发明原理在移动蜂窝网络中采用空间冗余度，基本上使传输差错和越区切换故障最小。与蜂窝网络中每个小区中心区域上的主基站一起采用冗余布署的备用基站。冗余布署的备用基站在有关的主基站过载时处理新呼叫、参与由于恶化的信道条件和网络中的拥塞而丢失的数据的重发并辅助越区切换。
卫星站布署在某些以山丘或山谷为特征的区域以补偿由于衰落而丢失的信号强度和扩大主基站与备用基站的通信能力。这样的区域能跨越网络的几个小区。卫星站在移动站绕过山丘或通过山谷时阻止基站与移动站之间“视线”中断，这减少通信“中断”的可能性。
在本发明所示实施例中，蜂窝网络包括控制站和一个或多个移动站能穿越的小区网络。控制站控制蜂窝网络的操作并提供小区网络与公共交换电话网之间的通信路径。位于小区网络中每个小区内并与每个小区有关的主基站通过许多无线通信信道与控制站和有关小区内的移动站通信。与每个小区中主基站一起布署的备用基站监视它自己的小区和相邻小区并能与在小区网络中漫游的一个或多个移动站通信。主卫星站和预留用于主卫星站故障或过载的备用卫星站布署在跨越许多小区的以由于山丘、高层建筑等而导致的崎岖地域为特征的区域中，以增加蜂窝网络的通信能力并使蜂窝网络更坚固。主卫星站和备用卫星站均专用于监视其覆盖区域内的小区。当一个或多个移动站穿越小区网络时，所布署的基站和卫星站生成报告，控制站根据这些报告确定在小区网络中漫游的移动站的位置和速度。控制站能确定正进行与那个特定移动站有关的呼叫的特定移动站将要跨过第一小区与第二小区之间的边界，而如果确定位于第二小区中的主基站由于故障、过载等原因将变得过载，呼叫的分配能改变给布置在第二小区中的备用基站，而不分配给主基站。呼叫的分配随后能从备用基站改变为以后的另一站。基站和卫星站继续监视小区活动、将它们的结果报告给控制站并发出即将发生的越区切换告警。
当另一移动站进入以崎岖地域为特征的区域时，这个事件能利用信号强度和其他数据表示，控制站将与另一移动站有关的呼叫从主基站越区切换到布署在此区域中的主卫星站。利用布署在此区域中的备用卫星站作为主卫星站的备份使蜂窝网络更加坚固耐用。
图1表示包括控制站和小区网络的蜂窝网络，每个小区具有布署在其中心区域上的主基站和备用基站；图2表示包括控制站和小区网络的蜂窝网络，其中小区具有监视小区活动并将它们的结果报告给控制站的基站和卫星站；图3表示在第一级的小区活动之后图2所示的控制站中的存储器；图4是在图2所示的控制站中运行的控制程序的流程图；图5表示在第二级的小区活动之后图2所示的存储器；图6表示在第三级的小区活动之后图2所示的存储器；和图7表示在第四级的小区活动之后图2所示的存储器。
为了更好地理解本发明及其他与另外的目的、优点和能力，参阅下面的公开和附图。为简化说明，本发明的示意实施例表示为包括各个功能块。这些块表示的功能可以利用包括但不限于能执行软件的硬件的或共用的或专用的硬件来提供。示意实施例可包括数字信号处理器(DSP)硬件、用于存储执行下面所讨论的操作的软件的只读存储器(ROM)和用于存储DSP结果的随机存取存储器(RAM)。也可以提供超大规模集成(VLSI)硬件实施例以及与通用DSP电路组合的常规VLSI电路。
通过冗余地在蜂窝网络中的每个小区中心区域上将备用基站与主基站配对并通过在整个蜂窝网络的战略位置上布署与备用卫星站配对的主卫星站基本上使传输差错和越区切换故障最小。在图1所示的示例小区网络中，每个小区10包括位于小区中心区域上的主基站12和备用基站14。每个主基站与备用基站装备有全向天线以提供那个小区与相邻小区中小区活动的覆盖。将备用基站与主基站放置在小区中心减少另外的主控制站的地面布线的需求。
备用基站在主基站已经或有可能将变为过载时处理新呼叫、参与由于恶化的信道条件与网络拥塞而丢失的数据的重发并以或被动或主动方式辅助越区切换。每个备用基站能“倾听”和安静地监视相邻小区中的活动。当由于移动站移入新小区而出现越区切换差错时，当前主基站不传送信令给新的主基站，而备用基站提供不间断的信息传送服务；并随后，以后在移动站完全在新小区内时，此备用基站能将控制转换给与新小区有关的主基站。
当备用基站操作在被动方式中时，它利用其全局天线“倾听”、安静地监视在其覆盖区域中所有小区中的活动并将相邻小区的当前负载通知控制站。一旦需要帮助，备用站就投入使用，从而提供容错和改善的性能。
参见图1，控制站16监视网络中的呼叫、确定和预测业务模式与小区边界越过的概率并发送有关预期的资源需求的警告。如果在主基站中出现故障、或如果主基站的越区切换缓冲器超过预定门限，则备用基站将用作附加基站以支持新呼叫。
由于山丘18或高大建筑物引起的传输阻碍而导致的小区覆盖中的任一个洞(hole)利用在整个蜂窝网络拓扑内有选择地引入的卫星站来填充。参见图1，卫星站以主卫星站20与备用卫星站22成对方式布署在易出故障的区域中。本发明原理可应用于话音与数据的模拟、数字和PCS蜂窝网络。
参见图2，根据本发明具体实施例的示例性移动蜂窝网络包括小区网络26和控制站28。此示例性实施例中的小区网络26包括第一小区C1、第二小区C2、第三小区C3、第四小区C4、第五小区C5、第六小区C6和第七小区C7，第一小区C1包括第一主基站BS1和第一备用基站SS1，第二小区C2包括第二主基站BS2和第二备用基站SS2，第三小区C3包括第三主基站BS3和第三备用基站SS3，第四小区C4包括第四主基站BS4和第四备用基站SS4，第五小区C5包括第五主基站BS5和第五备用基站SS5，第六小区C6包括第六主基站BS6和第六备用基站SS6，第七小区C7包括第七主基站BS7和第七备用基站SS7。
虽然在本发明优选实施例中每个小区布署一个备用基站，但在蜂窝网络中采用的空间冗余度能根据本发明进行调整。每个小区能布署小于1个的备用基站，即在包含多个小区网络的区域中能布署一个备用基站。例如，蜂窝网络能包括布署在7小区的六角形结构中间的诸如布置在图2所示的第五小区C5中的单个备用基站。这个较低的冗余度节省费用，但较不可靠。如果给七个小区布署一个备用基站(例如，于是此备用基站布署在六角形结构中间)，则每个备用基站应具有较高的发射功率和更灵敏的接收机以便“监视”较大覆盖范围。
在具有多山丘和山谷的特别崎岖地带，移动站与基站之间的通信时常被阻碍和恶化，导致中断和停止。本发明另一方面布署冗余配对的卫星站，有助于阻止这样的通信中断。有选择地在整个蜂窝网络拓扑中引入卫星站以填充由于山丘30或高大建筑物引起的传输阻碍而导致的小区覆盖中的任何洞，在同一位置以主卫星站与备用卫星站成对形式布署卫星站以避免过度的布线要求。在这样的配对中，主卫星站P-SAT扩大主基站与备用基站的通信能力并通常进行布署以覆盖几个小区。备用卫星站S-SAT作为主卫星站P-SAT的备份布署在此区域中。
控制站28包括输入/输出(I/O)适配器32、处理器34、存储器36和总线38。输入/输出(I/O)适配器32通过主干形式的陆线与公共交换电话网(PSTN)40、小区网络26的每个小区的主基站和备用基站以及此对卫星站通信。处理器34通过总线38耦合到I/O适配器32和存储器36，存储器36通过总线38与I/O适配器32通信，存储器36存储在控制站28中运行的控制程序42，存储器36包括分配缓冲器44，并且对于由控制站监视的小区网络中每个小区和对于此对卫星站的每个卫星，存储器36具有越区切换缓冲器46。
通过示例并且不是限制性的示例，图3示意地描述存储器36中的BS1越区切换缓冲部分、SS1越区切换缓冲部分、BS2越区切换缓冲部分、SS2越区切换缓冲部分、P-SAT越区切换缓冲部分和S-SAT越区切换缓冲部分以便描述本发明的这个示意实施例。分配缓冲器44表示根据这个本发明特定实施例所述的特定移动站当前分配给特定主或备用基站，或分配给任一个卫星站。图3所示的每个越区切换缓冲部分(用于BS1、SS1、BS2、SS2、P-SAT和S-SAT)表示多少移动站分配给特定基站或卫星站的当前记录。图3所示的每个越区切换缓冲部分根据控制程序42存储和更新数据，存储器36中的每个缓冲器用于监视和存储有关一个或多个移动站的数据。每个缓冲器存储它与之通信的一个或多个移动站的标号(例如，M1,M2,…等)，并存储一个或多个移动站中每一个移动站的信号电平和误比特率，如图3所示。
参见图2，在基站与卫星站监视小区活动并将其结果报告给控制站28时，由控制站28控制蜂窝网络。根据图2所示的示例，三个移动站正在7小区网络26中移动。这三个移动站包括第一移动站M1、第二移动站M2和第三移动站M3。移动站M1和移动站M2表示在第一小区C1中，第三移动站M3表示在第二小区C2中。
如图3所示，移动站M1与第一主基站BS1、第一备用基站SS1、第二主基站BS2和第二备用基站SS2通信。移动站M2与第一主基站BS1、第一备用基站SS1和第二备用基站SS2通信，移动站M3与第二主基站BS2和第二备用基站SS2通信。
图3所示的分配缓冲器44表示移动站M1分配给主基站BS1。移动站M2分配给主基站BS1，如分配缓冲器44所示。移动站M3分配给主基站BS2。
在图3中，缓冲部分BS1表示主基站BS1“OK”(即，它没有故障或过载)。缓冲部分BS1也表示两个移动站目前分配给主基站BS1。缓冲部分SS1在图3中表示备用基站SS1是OK(它没有故障或过载)并且零个移动站目前分配给备用基站SS1。缓冲部分BS2在图3中表示主基站BS2 OK并且一个移动站目前分配给主基站BS2。缓冲部分SS2表示备用基站SS2目前OK并且零个移动站目前分配给备用基站SS2。缓冲部分P-SAT表示主卫星站P-SAT OK并且零个移动站目前分配给主卫星站P-SAT。缓冲部分S-SAT表示备用卫星站S-SAT OK并且零个移动站目前分配给备用卫星站S-SAT。
参见图2，控制站28中的处理器34运行存储在存储器36中的控制程序42。处理器34在通信线路48和通信线路50上通过I/O适配器32控制进出控制站28的数据。图4是在控制站28中运行的控制程序42的流程图。
参见图4，控制程序42包括一组指令，当由处理器34执行这组指令时，使控制站28连续执行下面一系列步骤并在根据控制程序42操作期间重复那些步骤。在基站和卫星站监视小区网络26中的小区活动并通过耦合到I/O适配器32的通信线路48发送报告给控制站28的同时，控制站28在步骤54中监视蜂窝网络中的呼叫。控制站28在步骤56中接收有关业务负载的报告。控制站28在步骤58中接收正常移动越区切换的报告。在步骤60中根据信号电平和误比特率计算移动站的位置和速度。在步骤62中计算小区边界越过的概率。在步骤64中计划未来呼叫业务模式。如果主基站有故障，则在步骤66中将呼叫分配给备用基站。如果主基站越区切换缓冲器已经或有可能过载，在步骤68中将呼叫分配给备用基站。如果移动站进入由主卫星站服务的崎岖地域，在步骤70中将移动站分配给主卫星站。如果主卫星站有故障或将变为过载，在步骤72中将移动站分配给备用卫星站。基站和卫星站继续报告给控制站28，而控制站继续在步骤74中监视蜂窝网络中的呼叫，从而根据控制程序42重复步骤顺序。
参见图3，主基站BS1的缓冲部分表示主基站BS1正与移动站M1和移动站M2通信。备用基站SS1的缓冲部分表示备用基站SS1正与移动站M1和移动站M2通信。主基站BS2的缓冲部分表示主基站BS2正与移动站M1和移动站M3通信。备用基站SS2的缓冲部分表示备用基站SS2正与移动站M1、移动站M2和移动站M3通信。主卫星站P-SAT的缓冲部分表示主卫星站P-SAT不与任何一个移动站通信，备用卫星站S-SAT的缓冲部分表示备用卫星站S-SAT不与任何一个移动站通信。分配缓冲器44表示移动站M1分配给主基站BS1，移动站M2分配给主基站BS1并且移动站M3分配给主基站BS2。
由本发明提供的空间冗余的一个好处是在移动站越过小区间的边界时，备用基站能处理越区切换。而且，在主基站有故障时，备用基站能接管与移动站所进行的主要通信。例如，如果主基站BS1在处理移动站M2的同时变为过载，控制站28能分配移动站M2给备用基站SS1。如果主基站BS2在第一移动站M1越过第一小区C1与第二小区C2之间边界时出现故障，控制站28例如能分配第一移动站M1给替代主基站BS2的备用基站SS2。
参见图5，移动站M2与主基站BS1、备用基站SS1和备用基站SS2通信。备用基站SS1的缓冲部分表示备用基站SS1正与移动站M2通信。备用基站SS2的缓冲部分表示备用基站SS2正与移动站M2通信。主基站BS1的缓冲部分表示主基站BS1变为过载。根据备用基站SS1和备用基站SS2与移动站M2通信的相对信号强度和误比特率，控制站28分配移动站M2给备用基站SS1。
参见图5，分配缓冲器44表示控制站28由于主基站BS1变为过载而已分配移动站M2给备用基站SS1。备用基站SS1的缓冲部分表示(与图3相比较)当前分配数量上从零至1的增加以响应现在已分配给备用基站SS1的移动站M2。而主基站BS1的缓冲部分表示(与图3相比较)主基站BS1当前分配的移动站数量从2减少至1。
参见图6，主基站BS2的缓冲部分表示主基站BS2有故障。由于主基站BS2有故障，所以在移动站M1如图2所示越过第一小区C1与第二小区C2之间边界并进入第二小区C2时，控制站28分配第一移动站M1给备用基站SS2而不分配给主基站BS2。在主基站BS2有故障时，控制站28将移动站M3从主基站BS2分配给备用基站SS2。
参见图6，分配缓冲器44表示控制站28由于主基站BS2的故障已将移动站M1分配给备用基站SS2并将移动站M3分配给备用基站SS2。备用基站SS2的缓冲部分表示(与图5相比较)当前分配数量上从1至3的增加以响应现在已分配给备用基站SS2的移动站M1和移动站M3。主基站BS2的缓冲部分表示(与图5相比较)主基站BS2当前分配数量上从1减少至0。
遍布小区网络26的备用基站的布署有助于保证与移动站恒定的通信。一旦主基站有故障，备用基站能拾起间隙，以使移动站仍能与PSTN40通信。在主基站由于与移动站过度通信而变得过载或有可能变为过载时，冗余布署的备用基站能承担与一个或多个移动站通信的控制以阻止主基站的过载。控制站28执行连续监视处理以检测即将来临的越区切换、主基站的故障和主基站的过载，以便根据本发明原理管理蜂窝网络。
当移动站M3移到图2的小区C2中所示的山丘30的后面，移动站M3与备用基站SS2之间的通信被山丘30阻碍和阻止，控制站28通过诸如信号电平比较和/或误比特率并根据移动站M3的位置与速度感觉到这种情况。参见图7，为响应这种情况，将移动站M3的分配从备用基站SS2改变到专用于覆盖至少部分由小区C2、小区C4与小区C5所定义的区域的主卫星站P-SAT。
参见图7，移动站M3与主卫星站P-SAT和备用卫星站S-SAT通信，P-SAT与S-SAT一起成对布署以覆盖以崎岖地形为特征的区域。主卫星站P-SAT的缓冲部分表示主卫星站P-SAT与移动站M3通信。备用卫星站S-SAT的缓冲部分表示备用卫星站S-SAT与移动站M3通信。分配缓冲器44表示移动站M3由于它移到山丘后面并且超出备用基站SS2的“视线”而已分配给主卫星站P-SAT。本发明提供的一个优点是如果主卫星站P-SAT有故障，则控制站28能将移动站M3的分配改变为冗余布署的备用卫星站S-SAT，以保持与PSTN 40的通信。
从前述将意识到恰当地在蜂窝网络引入备用基站能重发由于网络拥塞或高误码率而丢失的数据包、在主基站过载时处理新呼叫和辅助越区切换，并且本发明原理也可应用于模拟、数字和PCS蜂窝网络。
虽然已示意和描述本发明几种特定形式，但能进行各种修改而不脱离本发明精神和范畴，这一点是显而易见的。
权利要求
1.一种蜂窝网络，包括小区网络，一个或多个移动站能在此小区网络中移动；控制站，通信地耦合到此小区网络；主基站，布署在小区网络的每个小区中能与一个或多个移动站通信；备用基站，布署在小区网络的每个小区中能与一个或多个移动站通信；主卫星站，布署以覆盖小区网络内的区域，扩大主基站和备用基站；和备用卫星站，布署在所述区域中扩大主卫星站。
2.根据权利要求1的蜂窝网络，还包括此控制站内的可编程处理器，编程所述处理器以执行以下步骤将涉及移动站的呼叫从一个主基站分配给一个备用基站。
3.根据权利要求1的蜂窝网络，还包括控制站内的存储器；和存储在存储器中的控制程序。
4.根据权利要求3的蜂窝网络，其中此存储器包括分配缓冲器、用于每个布署的主基站的主基站越区切换缓冲器和用于每个布署的备用基站的备用基站越区切换缓冲器。
5.根据权利要求3的蜂窝网络，其中所述控制程序包括一组指令，这组指令在由处理器执行时使处理器执行包括下面的一系列步骤将涉及移动站的呼叫从一个主基站分配给一个备用基站。
6.根据权利要求1的蜂窝网络，其中主基站和备用基站布署在小区网络的每个小区的中心区域中。
7.一种在包括具有布署在小区网络的每个小区中的主基站的小区网络的蜂窝网络中使用的呼叫路由的方法，此方法包括以下步骤与每个主基站一起在小区网络的每个小区中心区域中布署备用基站；监视分配给特定一个主基站的并与移动站有关的呼叫；发出移动站将越过网络小区之间边界的告警；和根据此告警将所述呼叫的分配从所述特定一个主基站改变给特定备用基站。
8.根据权利要求7的方法，还包括步骤确定移动站的位置和速度。
9.根据权利要求7的方法，还包括步骤根据信号电平和误比特率确定呼叫的分配。
10.根据权利要求7的方法，还包括步骤从布署在一个网络小区中的备用基站接收报告。
11.根据权利要求7的方法，还包括步骤将呼叫分配从所述特定备用基站改变给第二主基站。
12.根据权利要求7的方法，还包括步骤布署主卫星站以覆盖小区网络内的区域，所述主卫星站扩大布署在小区网络中的主基站和备用基站。
13.根据权利要求12的方法，还包括步骤在所述区域中布署备用卫星站，所述备用卫星站扩大所述主卫星站。
全文摘要
蜂窝网络包括控制站和一个基站网络,每个小区安装一个基站,一个或多个移动站能在它们漫游通过小区时与基站通信。冗余布署的备用基站与主基站一起引入每个小区的中心区域,冗余布署的备用基站在有关的主基站过载时处理新呼叫、参与由于恶化的信道条件与网络中的拥塞而丢失的数据的重发并辅助越区切换。主卫星站和备用卫星站布署在以山丘或山谷为特征的区域中以扩大主基站与备用基站的通信能力。
文档编号H04W84/02GK1224318SQ9812455
公开日1999年7月28日 申请日期1998年10月13日 优先权日1998年10月13日
发明者普拉思马·阿格拉瓦尔, 阿寿克·N·鲁德拉帕纳 申请人:美国电报电话公司