无线异步转移模式城域网 【发明领域】
本发明涉及电信网和分组交换领域、特别涉及对信元交换网提供基于无线的点对多点连接。
背景
发送和交换多媒体信息的异步转移模式(ATM)方法正在取代老的电路和分组交换技术，能够灵活、迅速和成本有效地提供新的电信业务。在这些业务中有因特网访问、基本速率ISDN、蜂窝PCN网的零碎的T1/E1支持和LAN业务路由。
这些业务要求昂贵的传输基础设施，例如铜线、光纤、有线TV、或光纤/同轴电缆混用(HFC)。在一些新的电信业务公司拥有一些上述设施或不拥有上述设施的竞争环境下，无线是及时和成本有效地部署传输网的另一种方法。两个在先专利申请(1995年2月13日提交的08/388,110号申请、和1995年10月3日提交的08/538,327号申请，两者都转让给同一受让人，并且全部包含于此作为参考)公开了基于点对点无线电链路的可靠网络的结构。这些链路能够以最小的链路差错和ATM信元误插(misinsertion)来可靠地传输ATM业务。这些链路对于高带宽和连续传输的应用是成本有效地。然而，对于间歇性的应用、例如通过无线电链路进行的电话呼叫，这些系统则不能充分利用设备和频谱。当电话挂机时，频谱应该释放给其他潜在的用户，服务该电话的市话局的收发信机也应该释放给其他潜在的用户。数据业务的行为不总是与话音呼叫的行为相同。数据可能慢速流动，要求低的传输波特率，然后突然出现突发的高速业务。为了有效地利用频谱，需要迅速和有效地按需分配带宽，以处理这种突发性信息。
这些要求可以如下来实现：即，使用ATM信元来模拟各种业务的多址接入网，并且使用媒体接入控制(MAC)协议来仲裁数据的无线传送。
ATM业务包括：恒定比特率(Constant Bit Rate,CBR)，适用于电话和视频；可变比特率(VBR)，适用于可变压缩的视频应用；可用比特率(ABR)，适用于数据事务处理；以及未定比特率(UBR)，适用于电子函件(e-mail)或其他对延迟不敏感的应用。MAC层必须有效支持所有这些业务。
由于服务许多要求可变比特率的客户所需的高带宽，这种链路要求高的总带宽。该带宽只有在高微波频率上才能得到，该频率通常在10-40GHz的范围内。
点对多点系统的经济性有利于将尽量多的功能委托给服务用户终端(“多点”)的基站(“点”)，从而节省了在所有终端重复同一功能的成本。
因此，需要一种MAC层的点对多点无线城域网，适用于各种ATM业务，工作在微波频率上，并且允许成本有效的用户无线终端。
发明概述
本发明提供一种有效的点对多点微波ATM网(有时称为“系统”)。基站(BS)用扇区天线广播连续的传输。该系统对下游传输(从基站至用户)使用时分复用(TDM)，并且对上游传输使用时分多址。现有的TDMA协议，如HFC应用中使用的那些协议，使用周期性的帧，并且用时隙号指示谁可以发送。该技术适用于电话应用，其中每个通话占据固定带宽，即固定数目的时隙。该技术的主要缺点是用于ATM应用时。一些ATM CBR速率具有与其他CBR业务不同的周期，这不适合于TDM帧。对不同的周期，可能没有共同的帧周期来适应所有周期。结果，要么当它们的定时重合时，必须丢弃ATM信元，要么ATM网将不接纳具有这种冲突的连接，导致低的带宽利用率。根据本发明，一个信元一个信元地对上游方向的ATM信元传输进行授权。如果两个上游信元重合，则将一个在时间上略微偏移，导致小的信元延迟变化(CDV)，与丢失该信元相比，这是更可取的。下游传输由封装在用于前向纠错(FEC)和同步的MAC协议数据单元(PDU)和其他开销比特中的ATM信元组成。小的用户终端(ST)包括用户无线电单元(SRU)，接收该广播，并且将其传递到用户接入系统(SAS)，该用户接入系统引入仅发给它们的ATM信元。BS发送的每个MAC PDU可以包括对特定ST的授权。该授权指定哪个ST被允许发送，而不指定哪个时隙。传输时隙是隐含的，因为该时隙就是从授权接收事件起的固定数目的多个时隙。
上游传输包括多个具有其MAC和物理层开销的单ATM信元。为了能够进行强的FEC保护，并且保持与下游传输相同的符号率而不牺牲带宽，使用修改的格码调制技术。格码调制包括传输用于纠错的冗余码比特。根据本发明，增加格码速率，使其抗噪声性能变弱，即，从格码开销中排除多个比特。例如，将码率从2/3增加到5/6，意味着6个比特中有5个是数据，而6个比特中只有1个是格码开销。然而，通过将多余比特用于ReedSolomon(里德-索罗门)编码，不仅可以补偿该变弱，还能取得更好的效果。组合的连接码比仅用TCM码具有更好的抗噪声性能(在较低的码率时)，而它们都使用相同的符号率和相同的净荷。
通过使用户无线电单元(SRU)锁相到基站载波，简化了其设计。根据本发明，发送信号频率被以频率偏移锁相到原始信号，这样，相位噪声与昂贵的基站微波合成器几乎一样低。
为了提供高天线增益和低成本，在SRU中使用一体化的透镜喇叭天线。基站使用喇叭天线，根据本发明，通过使用吸收板，该天线包括可调谐的波束宽度，而通过使用透镜或具有有意的相位平面偏差的几何尺寸，该天线在垂直方向上具有扩展的主辐射波瓣。
从ST接收的ATM业务任选地由信元抖动衰减器进行整形，以减少链路上发生的信元延迟变化(CDV)。基站控制器(BSC)包括主MAC控制器和与应用有关的处理电路和软件。在支持基本速率ISDN业务的情况下，BSC包括互通功能，用于将来自每个ST的各个电路仿真ATM信元转换为具有符合V5.1或V5.2协议的嵌入信令的组合仿真T1或E1线路。然后，如果外部ATM交换机需要，该信号可以与来自其他BSC的类似信号进行组合。组合信号穿过ATM骨干网，直至它们到达具有ISDN市话局交换机的位置。然后，这些信号被该位置上的ATM交换机转移到可以连接到ISDN交换机或其他设备的物理T1/E1线路。
通过下面结合附图的详细描述，将可以更加全面地理解本发明。
附图的简要描述
图1示出适用于城市的无线点对多点(P-MP)网；
图2示出P-MP蜂窝站址(cell site)的基本组建模块；
图3示出一个扇区中的传输频谱的频率分割的一个例子；
图4示出用户无线电单元的横截面，该用户无线电单元具有内置的透镜-喇叭天线、和用于外部天线连接的波导扩展选件；
图5示出用户终端的方框图，重点示出频率控制；
图6示出基本速率ISDN应用的用户接入系统的数字部分的方框图；
图7示出上游传输的调制解调器格码调制编码器；
图8是表示8-PSK调制的星座(congstellation)的相量图；
图9是速率5/6的调制解调器TCM网格图；
图10示出无线接口MAC协议和其他协议层的参考模型；
图11示出下游ds.block(下游块)MAC原语；
图12示出具有浮动净荷结构的ds.block原语的另一个实施例；
图13示出上游原语us.atm cell结构；
图14示出下游和上游时隙的定时关系以及从基站看到的指针关系；
图15示出位图预约的定时概念；
图16示出接纳请求原语；
图17示出与CellMAC开销结构关联的每个下游时隙的结构；
图18示出上游原语MAC开销结构；
图19示出MAC SAP的概念；
图20示出用户端的MAC层和ATM层之间的信号交换；
图21示出如果位图预约可用时、从用户终端的ATM层始发的ATM信元传输；
图22示出适用争用预约的与图21相同的传输；
图23示出能够在4个信道中发送的ST进行的ATM信元的传送；
图24示出基站的方框图；
图25示出该基站的MAC层控制器的方框图；
图26示出基站控制器的方框图；
图27示出远地基站对用户的干扰模型；
图28示出不合适的天线的垂直辐射图案；
图29示出合适的基站天线；
图30示出具有非对称扇区但具有一对频率的蜂窝覆盖图；及
图31示出具有三个频率的蜂窝图。
首字母缩略词定义
注意：Netro专用的术语使用黑斜体字符。AAL ATM适配层ABR 可用比特率，一种ATM业务，其中源速率可以在信元延
迟变化未定的连接的过程中改变。AGC 自动增益控制ARM 自适应无线电资源管理ARQ 自动重发请求ATM 异步转移模式BPSK 双极移相键控BRU 基站无线电单元BS 基站BSC 基站扇区控制器CBR 恒定比特率-一种运输速率和信元延迟变化有保证的
ATM业务。CDV 信元(ATM)延迟变化DC 直流DRO 介质谐振振荡器DVB 数字视频广播El 2.048Mbs的欧洲数字线路接口E2 8.448Mbs的欧洲数字线路接口E3 34.368Mbps的欧洲数字线路接口EPROM 可擦除可编程只读存储器EEPROM 电可擦除可编程只读存储器FDD 频分双工FPGA 现场可编程门阵列FEC 前向纠错HEC 信头差错控制HFC 光纤/同轴电缆混用ID 标识IP 因特网协议ISDN 综合业务数字网LAN 局域网LED 发光二极管LNA 低噪声放大器MAC 媒体接入控制Mbps 兆比特/每秒MMIC 单片微波集成电路NMS 网络管理系统P-MP 点对多点PBX 用户交换机，语音交换机的通用术语。PCN 个人通信网络-一种移动电话业务类型。PCS 个人通信业务-一种移动电话业务。PDU 协议数据单元-协议分组中的净荷字段PN 伪噪声PSK 移相键控PROM 可编程只读存储器PTT 邮政、电话和电报，国家邮电部门的通称QPSK 相移相键控RISC 精简指令集计算机RS Reed Solomon(一种分组纠错码)RU 无线电单元SAP 业务接入点SAPI 业务接入点标识符SAS 用户接入系统-用户终端的室内部分SRU 用户无线电单元ST 用户终端(SRU+SAS)STI 用户终端标识符STM 同步转移模式TBD (以后)待定义TCM 格码调制-一种基于对调制符号的过渡进行编码的纠错
方法。TDD 时分双工-以同一频率在时间上交替发送和接收TDM 时分复用
TDMA 时分多址
Terminal 由SAS、SRU和互连组成的系统。
UBR 未定比特率-一种速率、信元损耗率或延迟无保证的ATM
业务。
VBR 可变比特率-一种ATM业务
VC 虚电路。在ATM信元中由VPI/VCI构成。
VPI/VCI 虚信道标识符/虚信道标识符-一种ATM地址
XOR “异或”详细描述
图1示出P-MP无线传输的一个扇区。基站天线100向30至90度的扇区101进行发送。希望获得电信业务的用户具有安装在他们家里或办公室里的用户终端(ST)。附近的用户可以安装小的室外无线电单元(SRU)102。居住得远的用户可以安装附于SRU的抛物面天线103。这种城域网的典型范围是5km。每个扇区的角度为15至360度。
图2示出P-MP网的主要组建模块。每个扇区天线200被连接到发送和接收射频信号的基站无线电单元(BRU)201。用户具有用户无线电单元(SRU)202，通过同轴电缆203连接到用户接入系统(SAS)204，它通常位于室内，并附于用户的设备，例如电话、计算机、ATM交换机或微蜂窝电话基站。基站包括基站扇区控制器(BSC)，每个扇区一个。基站是业务提供商的骨干网即ATM网或ISDN网、和用户终端之间的中介。
每个扇区的频谱分配可以由多个信道组成，如图3所示。例如，基站载波可以以25GHz发送，占据28MHz的信道宽度。然而，该信道可以再分为4个7MHz的子信道，以便廉价的ST无需高速发送和接收。该实施例中的发送-接收配置是基于频分双工(FDD)的。例如，基站可以以25GHz向各ST发送，并以26GHz从各ST接收。其他扇区可反过来以26GHz来发送。接下来在时域中分割每个子信道。下游传输是时分复用(TDM)信道，基本上向调谐到该频率的所有ST进行广播，而上游传输是时分多址(TDMA)，具有由BSC授权的ST发送。
图4中所示的SRU为内置喇叭天线的鞋盒大小的小外壳结构。喇叭401为锥形或角锥形。介质透镜402提供相位校正。在母板403上以各种所附模块404来安装电路。同轴连接器405可与SAS进行电缆连接。喇叭401直接从天线共用器406或经同轴/波导连接线进行馈接。如果需要更大的天线，则可将SRU安装在具有作为反馈的喇叭天线的抛物面反射器的前端，另外可安装波导适配器407以与该更大的天线直接相连。采用类似于探照灯指示机构的安装硬件来向基站天线对准。
为了降低成本，SRU不具有微波频率合成器。它代之以采用稳定的BRU频率作为参考。如图5所示，自激DRO振荡器提供粗略的微波参考。通过使用双变频，低频合成器501可产生所需偏移频率并精调接收频率。图5中示出振荡器频率的例子。采用频率复用器502、503来将所有信号组合到常规SAS至SRU连接的单同轴电缆。调制解调器恢复用于跟踪主要由DRO500引起的接收信号相位噪声漂移的70MHz的精确载波，并使用该频率来进行传输。如图5中所选节点上的公式所示，最终发送频率与DRO无关；因此消除了其相位噪声。本发明的另一实施例仅包括一个转换，即省去混频器505、506和507。尽管在本例中失去了相位噪声抵消特性，但是其好处是减少了寄生噪声、即混频的副产品，从而降低了滤波的要求。
SRU结构与应用无关。在许多应用中，只有数字部508随应用的改变而改变。用于有限数目的ISDN基本速率接口的数字部的例子如图6所示。具有内置ATM格式化能力的微处理器600用于传信和控制整个终端。ISDN接口由现成的集成电路601提供。用于将净荷转换为ATM信元的ATM接入层可以使用现场可编程门阵列(FPGA)602来实现。称为AAL1的方法适用于ISDN净荷。媒体接入控制(MAC)装置603将ATM信元发送到调制解调部504，如图5所示。也可以使用前向纠错装置604和加密/解密装置。MAC装置可以用门阵列来实现。如果信元缓冲超过装置的容量，则可以添加外部存储器装置(图中未示出)。
调制解调器504的上游传输和下游传输的操作不同。上游传输要求发送ATM信元的突发，而下游传输是连续的。假设在下游方向发出4-PSK(QPSK)调制，则希望在上游方向也保持相同的符号率。然而，为了获得好的差错控制，应该严格保护短的上游突发(大约64字节，包括ATM信元及其开销)，这意味着大的前向纠错开销，从而导致上游净荷吞吐量减少。有时可以通过使用格码调制(TCM)来减轻这种困境。在TCM中，使用较高的调制格式，例如用8-PSK取代4-PSK。根据相继的符号传输之间的间隔长度(“相量”)，对8-PSK调制器中的有些多余比特仔细地分配一个线性卷积码。这些距离如图8所示。例如，相量0和4之间的平方距离是4(相对于半径的平方)。这种技术具有一些编码增益，但是不如Reed Solomon或其他类似的分组码有效。根据本发明，对TCM处理进行修改。首先，对代码进行穿孔(puncture)，即，有些代码比特被数据比特取代。由此产生的较高的比特率被用于Reed Solomon(RS)编码。对于ATM所需的比特差错范围、即好于10-9的比特差错率，整个连接码(穿孔的TCM+RS)比单独的TCM具有更好的编码增益。调制解调编码器如图7所示。转换器700按3-3-2-2-3-3-2-21/4比特每符号的模式将用户串行比特转换为两个或三个比特的符号。由多个单符号延迟元素组成的状态机701和XOR门703a和703b在2比特符号传输过程中进行比特Y1的卷积编码。在3比特传输的过程中，状态机切换到开关702a、702b和702c的下方位置。由此产生的前4个符号的状态网格图如图9所示。每一分支表示一个符号传输。同一分支上的多个数字表示同一状态转移的多个平行选择。该图在始于同一节点并汇于另一节点的任何两个路径之间的自由距离大于等于2。该距离类似于QPSK，因此格码的进行与QPSK大致相同。至此，从4-PSK至8-PSK的调制增益的多余50％比特的一半被用于TCM。通过重用可用的多余50％比特的另一半，可以提高整个编码增益，这在64字节的传输中，允许14RS校验字节用于检错和纠错，而一些多余字节用于开销。基站中的调制解调装置接收该编码的消息，并且使用熟知的Viterbi(维特比)算法来解码该传输。适用于本发明的更好的代码性能是使用多维格码调制，其中，在格码的每一步聚合多个符号、例如两个符号的多个组，将码率保持在5/6。一般说来，M比特每符号的星座被以高于(M-1)/M的速率编码，在对电缆调制解调器提出的一些调制方案中，该速率对8-PSK为2/3。
TCM的另一种选择是使用4-PSK，其符号率提高大致10-30％，并且将多余比特作为RS校验字节。这种选择的优点是更顽健的调制方案，并避免了复杂的TCM格码解码器。
接收该传输的基站解调器进行同步和解码。如果在传播路径上存在多径反射，则可以使用自适应均衡器。由于在ATM传输中信元长度短，所以包括长的训练报头(preamble)是不实际的，因此通过多遍处理来进行均衡。首先，A/D转换器对称为I和Q信号的接收信号进行数字编码。然后，存储数字样本，并估计均衡器参数。然后，均衡器回到消息的开始处，并且使用估计的参数来进行均衡。一旦完成该操作，使用上述的Viterbi解码对信号进行解码和解调。根据存储均衡器参数的时间变化的不同，它们可以被存储用于下一次从同一源进行接收。
MAC的参考模型和相关的协议层如图10所示。从底部开始，物理媒体依赖层(physical medium dependent layer)1010用于无线电传输和调制解调功能。MAC层1020(这里称为“CellMAC”)包括FEC(如上所述)、加扰和成帧1030。加扰用于使传输随机化。成帧将后述。主要的MAC接入属性是同步1040-对基站延迟的定时调整。ATM信元净荷的加密1050由现成的DES装置和公开密钥发配过程提供。有三种带宽请求方法：争用预约1060、位图预约1070和隐含预约。每一种方法将后述。上游数据传输的唯一类型是通过授权信元转移(granted cell transfer)1080，即没有未经授权的信元从基站转移。数据链路控制1090(“CellDLC”)层用于任选信元重传。在大多应用中，该层被跳过，因为物理层已提供了良好的差错控制和检错，如上所述。
ATM层1005维护不同业务级的信元的队列。分离的控制队列维护基站和ST之间的管理型消息。再上面的各层对任何ATM应用是类似的。
下面讨论MAC原语和规则。应该理解，尽管MAC层是通过抽象的原语来描述的，但是每个原语对应于适于通过数字门阵列实现的硬件功能。实际上，下面讨论的第一个原语，即图11所示的ds.block1110，是典型的FEC分组码(“ds”表示下游)。每个时隙1101表示一个具有其MAC开销1100的ATM信元1102。该码组以RS码的16FEC字节1120结束。图12示出微小的修改，其中时隙相对于码组定时是“浮动的”。这种安排使得时隙长度不依赖于码组长度，以便可以使用市售的为卫星电视接收机开发的廉价DVB标准FEC解码器。该标准使用1个同步字节1200和187个净荷字节，使得59个字节的时隙被随机截断，其中丢失的部分被在下一个码组中发送。根据信元信头差错控制(HEC)八位组(octet)(未图示)，仍可以通过称为ATM信元划界的处理来进行时隙定时恢复。
上游原语us.atm_cell仅由一个信元组成，因为每个时隙可以被另一个ST使用。如图13所示，上游原语ATM信元由1个八位组间隙1300、4个八位组报头1310来构成，它使用8-PSK调制器作为相量“0”和“4”的伪随机序列(实质上是BPSK)，以便解调器能够对输入信号的定时和相位进行同步。该码组还包括MAC开销1320、ATM信元1330、RS校验字节1340和用于TCM解码器状态转换的尾标1350。
MAC层在每个下游时隙和每个上游时隙之间保持固定的定时关系。这使得它能够无需指定确认的时间即可引用过去传输的确认和将来传输的授权。图14所示的RS使用被统称为基站定时的上游延迟Nup和下游延迟Ndown的固定系统参数。例如，Nup=20个时隙偏移，而Ndown=25个时隙偏移。所有ST都将它们的延迟调节得与基站同步。
带宽预约是通过三种方法之一来进行的。恒定比特率业务接收周期性的授权而无需请求。基站管理程序提供这种授权，并配置BSC MAC装置以发出周期性的授权。在由此进行的上游传输中，MAC开销报告队列状态。结果，下游MAC控制器可以在确定授权的优先级时考虑该队列状态报告。请求授权的第二种方法是进行短码组us.request的未经请求的传输，该短码组包括1个间隙八位组、4个报头八位组、2个地址八位组、2个队列状态八位组、2个CRC(差错校验)八位组和4个FEC(RS)八位组。大约5或6个这些原语可以放入一个时隙时间，这样，时隙被分为5或6个“小时隙”，增加了请求带宽的机会。基站不时地发出指示争用时隙的全局授权，允许传输这些请求。争用算法被用于解决冲突。这是用文献中熟知的稳定的时隙aloha或START-3协议来进行的。例如，ST保持一个定时器，在它每次发送信元后对该定时器进行清除(用表示更多信元等待的队列状态)。如果定时器到时，则ST随机地选择一个小时隙，并且在未来的传输中从该小时隙的位置起执行START3协议。在接收到授权后，ST停止争用，直至下一次定时器到时。
请求带宽的第三种方法是位图方法。有限组(例如110个)的每个ST在作为“位图”类型授权的特定上游时隙中被提供单个符号位置，如图15所示。该组中的每个ST在定时器到时时发送一个信号，该信号等价于断言一个符号。该方法没有冲突，因此非常迅速和有效。由于检测单个比特传输是不实际的，所以比特原语实际上是短PN序列，例如长度为15个字符。接收调制解调器通过该序列对接收信号进行相关，并记录峰值作为各个符号位置。尽管位图序列相互重叠，但是相关峰值在单个符号时间出现，因此是可分离的。
us.admit原语如图16所示。该原语仅在时隙被授权为接纳时隙时才发送。接纳是AT被允许接收用于ATM信元(us.atm_cell)传输的授权之后调节ST定时和功率的过程。有两种类型的接纳消息，冷的和热的。冷接纳是新设的ST发送的第一次请求。us.admit包括8个八位组的报头1600，承载PN序列或仅使用相量“0”和“4”承载一小部分32个符号的PN序列。然后发送用户终端标识符(STI)1601。冷ST使用特殊的临时STI值0001/401。6个字节的IEEE地址1602唯一地确定了该ST，它类似于因特网地址，是在制造时安装的。使用2个八位组循环冗余码(CRC)1603、4个八位组的RS FEC校验1604、以及2个八位组的尾标1605。基站控制器授权几个连续的时隙用于接纳请求。这些授权每秒重复几次。时隙的数目(例如4个)使得新的ST的延迟不确定性不会导致它步入其他时隙。如果无误地接收到us.admit原语，则用STI0001/401和将在下面结合图17讨论管理业务接入点标识符将下游消息广播到所有ST。该消息将重复IEEE地址，并且还将包括新的STI分配、延迟值和功率调整值。如果接纳失败，则放置冲突指示，并且ST必须在下一个授权的接纳时隙组中重试。START-3或时隙aloha协议也可以被用于实现该功能。
热接纳用于已经具有STI、但是由于某种原因丢失同步的的ST。如果热接纳不成功，则重新开始冷接纳。
下游MAC开销的内容如图17所示。前两个八位组1700一般表示对Nup个时隙时段之前发生的事件的响应。有4种类型的时隙：ATM、接纳(4个时隙为一组)、争用(分为6个小时隙)和位图。所有这些时隙类型都已在上面通过它们承载的原语定义过了。该响应包括因时隙类型而不同的特定比特含义。该响应包括3个帧比特1710，用于帧(例如每126个)时隙(第一比特被翻转(toggle)，否则为0，第二比特慢8倍，第三比特比第二比特又慢8倍)的全局同步。这些比特能够在许多ST之间协调事件，例如新连接提前开始。下一个是定时调节1720和功率调节1730比特。这些比特仅在响应为ATM时隙类型时才有效。下一个八位组是响应向量。对于ATM时隙，该下一个八位组确认接收(0)或出错(1)。对于连接时隙，该八位组指示冲突，这样，该八位组的特定数目的比特对应于小时隙，而其余比特未定义。对于接纳，该八位组表示4个接纳时隙中的任一个中的冲突，并且该八位组值将在相邻的接纳时隙中重复。
下2个八位组1770包括STI1740和业务接入点标识符1750(SAPI)，该业务接入点标识符1750是MAC子地址，这将结合图19进一步讨论。这些字段指示当前下游ATM信元的目的ST地址。一些STI值被保留为组地址，允许多点广播。ST MAC控制器可以包括几个STI寄存器，以便地址解码与所有寄存器进行逻辑“或”，以从ds.block原语输入信元。最后两个八位组1760是对上游时隙提前Ndown的授权。该授权包括时隙类型1780(要求的2比特，另2个保留比特)和STI1790。该STI仅在时隙类型为ATM时才有意义。
上述字段的更正式的定义如表1所示。
表1ds.CellMAC {3比特 FRAME /*帧定时
/*下3个半字节(nibbles)与Nup个时隙之 /*前发送的上游信息有关2比特 TIMlNG_ADJUST /*微调ST时钟延迟2比特 POWER_ADJUST /*调节ST发送功率字节 RESPONSE /*对于us.atm_slot为每用COLLISION
/*向量(1比特每小时隙)或COLLISION
/*下两个八位组与附于此CellMAC的
/*ATM信元有关112比特 PAYLOAD_STI /*ST标识符(地址)半字节 SAPI /*ST子地址
/*下2个八位组与当前时隙起Ndown时
/*隙之后的上游时隙有关半字节 TYPE /*时隙类型，下面中的某一个：
/*us.atm_slot
/*争用时隙
/*位图时隙
/*接纳时隙12比特 GRANT_STI /*对于us.atm_slot为STI
}
上游MAC开销如图1 8所示。它包括发送者的STI/SAP1800、12比特缓冲器状态1810和四比特时间戳1820。缓冲器状态是在该ST中等待传输的所有ATM信元的指示。如果没有任何信元，则发送全零状态。否则定义映射功能，以将每个队列状态映射到该短消息。映射的例子是：每4个比特表示3个业务优先级中的一个。对于每一级，该4个比特指示队列使用的优先级，即，0000为空，0001为1/16满，而1111为15/16满或全满。队列容量可以由再上面的各层发送一次，因为它不随时间变化。时间戳以时隙为单位指示相对于其理想传输时间的信元延迟变化(CDV)。如果ST期望在时隙x被授权传输对时间敏感的信号，但是在时隙x+t接收到授权，t的最大值为T，则将t发送为时间戳。该时间戳使BSC能够通过将所有信元延迟T-t个时隙，来减少CDV。
业务接入点SAP的概念如图19所示。ATM SAP1900承载用户的数据，而管理SAP1900承载BS至ST管理信息。SAP1910和1920被保留以供将来使用。一种可能的使用是将SAP分为各个ATM业务范畴，如恒定比特率(CBR)、可变比特率(VBR)、可用比特率(ABR)和未定比特率(UBR)。
为了支持所有这些业务，由SAP标识符(SAPI)标识的分离的SAP允许直接连接到每种类型的队列，例如，MAC电路对每个SAP具有一个端口。这些队列的实现与应用有关。队列控制硬件和软件可从ATM交换部件和LAN接口厂家广泛获得。
MAC层的操作可以由梯形图来描述。图20示出命令ATM层2010发送信元的ST MAC层2000的简单信号交换。ATM层2010返回指向存储器中的数据(信元)和队列状态的指针2020。cm.send原语2030可以由MAC门阵列的指定管脚上的信号来实现，数据/状态可以由该IC上的总线来实现。实现数据总线本身的方便方法是ATM论坛定义的乌托邦总线(UtopiaBus)。图20中的信号交换说明，发送命令来自MAC，而不是由ATM层启动。因此，ATM层将仅在接收到授权时才进行发送。然而，ATM层可以不直接请求转移，如图21-22所示。图21示出atm.have_data原语(这也只是接口管脚或电信号)，经与状态组合的位图机理通过请求带宽来启动转移。当下游指示授权类型位图时，MAC2110设置适当的比特(即，它发送位图PN序列)。然后该位图被置位(us.have_data2120标识设置该比特)，并且最终授权到达，允许转移。图22示出类似的方案，但是没有位图，它使用经小时隙的争用。位图较快，因此是优选的；然而如果它没有被实现，则使用图22的争用机理。
至此，针对频率双工的对称单信道传输、例如单7MHz信道描述了MAC协议。然而，该协议可以通过小的修改进行扩展以适合其他情况。一种这样的情况是当下游信号的速率是上游信号的N倍时。每组ST接收到快信号，而在N个分离的信道中的一个上进行响应。在这种安排中，只需在下游中以下列顺序复用这些时隙：SLOT_CHAN1、SLOT1_CHAN21/4、SLOT1_CHANN、SLOT2_CHAN11/4，其中ST可以通过如上结合图17所述观察帧比特中的变化来识别它们的时隙的流。第一帧比特对应于信道1翻转。另一扩展是ST，它需要在所有4个信道上进行发送。这可能在一些较高容量的应用中发生。如图23所示，对于N=4,N个信道可以在时间上偏移，使得信道i在信道i-1之后1/N时隙时开始。结果，交织的信元以它们被发送的顺序到达。图23示出以1、2、31/4的顺序跳过忙的时隙从单个ST发送的信元。时隙中的每个传输的发生是因为该ST被授权。
尽管上述MAC协议是频分双工(FDD)结构，它也可以以小的修改被应用于时分双工(TDD)。主要的修改是下游时隙和上游时隙用于响应和授权的对应关系相对于同一频率信道上的上游时隙来定义。如果上游和下游方向具有非对称的带宽分配，下游的宽度是上游的N倍，则N个下游ATM信元中只有一个承载MAC开销，而其他N-1个ATM信元被发送时没有任何MAC开销。
根据本发明，授权不是定向的，即，当ST接收到授权以发送us.atm_slot原语时，ST选择发送当前可用的ATM信元中的哪一个。这种自由通过避免传输信元的虚电路数(在ATM术语中为VPI/VCI)而节约了链路带宽。然而，在下述情况时可能发生潜在的问题，即，如果期望用于恒定比特率(CBR)业务的授权到达得过早，并且被用于另一个业务(例如ABR)，则以后会发现不再有其他授权给该ST。该问题可通过下述算法来解决。BSC维护一个所有CBR连接及其周期和该连接的上游中使用的最后时隙的列表。BSC计算新的期望的授权时间，并且BSC通常将该时隙授权给具有该电路的ST。然而，如果由于两个或多个不同速率的CBR电路的冲突，它们的期望时隙不时重合，则只有它们中的一个将被授权，而其他的则被在10个时隙的时间窗口W1内延迟。ST中的每个CBR电路处理器(例如图6的AAL装置602)保持一个从该期望时隙开始的时段为W2个时隙的窗口(例如W2=10，但是不必等于W1)。只有该窗口内的时隙的授权才可以被授权给该连接。如果多个连接具有重叠的窗口，则开始最早的窗口、即最老的窗口将得到授权，只要它没有到时就可以得到授权。该处理在电路不能在窗口的开始处得到授权时就会造成信元延迟变化。使用上述的时间戳机理可以消除CDV。
MAC协议可以以多种方式实现。一种方法是让附有存储器装置、加密/解密装置和前向差错编码/解码装置的现场可编程门阵列(FPGA)来实现所有对时间要求严格的功能。用户终端的FPGA的方框图如图24所示。ds.block原语在外部被解码，而恢复的数据、时钟、检错和定时信号2400被输入FPGA。如果需要，解调器2410被具体通知当前时隙时间期望哪个ST。这使得解调器2410可以存储和检索该ST的最新知道的功率电平的内容，从而降低差错概率或功率电平和频率偏移的采集时间。首先由定时和信元划界电路2401在信元信头差错控制校验器2402的帮助下恢复时隙定时。接着，地址解码器2403检查MAC开销中的地址字段STI，以检查当前接收到的信元是否应该引入归本地使用。比较多个STI-一个是本地STI(如果接纳处理未完成则其为0)。也可以检查多组地址。引入的信元被通过RxData总线2404传递到该应用，该总线可以是Utopia总线。接着，地址译码器2403检查授权类型和授权STI，并且如果授权为本地有效，则它进入授权缓冲器2405，并由延迟发生器2412延迟Ndown个时隙，以补偿从基站到ST的特定距离，该特定延迟值已由外部微控器在接纳处理的过程中设置。授权类型和定时通过授权总线被发送到各种上游原语发生器。它控制位图请求2406、小时隙请求2407(us.request)、us.atm 2408和us.admit2409的产生。除了从应用直接传递的状态和数据之外，这些原语中的每一个都通过从外部微控器加载的比特序列来产生。具有适当定时指示的发送信号被发送到调制器2411，该调制器2411也进行编码和加扰。
基站MAC控制部如图25所示。该部可以在印刷电路板一级实现，包括可能需要的多个存储器和FPGA装置。MAC控制器从突发解调器通过总线2500接收MAC原语。该总线指示数据、定时、估计接收功率和出错消息。定时发生器2501控制MAC原语的接收和传输。它通过外部定时参考装置和控制信号2502来同步，使得时隙定时被频率锁定到全局同步、如电话网基本时钟或全球定位系统。如果如果接收时隙是接纳时隙，则根据调制解调器输入2515由估计电路2502来估计接纳参数。如果检测到接纳请求，则通过指示总线2507将它传递到基站扇区控制器。在us.request接收中，小时隙处理器2505对该请求进行解码，并且将来自该请求的队列状态存放到称为队列表2508的寄存器体(register bank)。类似地，如果接收到位图时隙，则由位图处理器(解码器)2506将所有置位比特写入队列表2508。状态阅读器2504对其他接收、如正常us.atm_cell信元接收和数据丢失状况进行解码。该状态被写入队列表2508，接收成功或失败的指示被指示给响应发生器2503。该响应发生器通过复用器2509更新ds.block原语中的响应字段。授权处理器2510扫描该队列表，并且选择接收授权的ST。该ST的地址(STI)被写入复用器2509的地址字段。授权处理器2510不仅根据队列内容2508、还根据对所有恒定比特率虚电路(VC)进行列表的连接表2511来作出其授权决定。这样，对每个这种VC，它检查是否下一个要授权的上游时隙应该得到与该VC有关的授权。只有在没有哪一个CBR VC具有未到时的传输窗口时，才选择基于队列表2508的授权。一旦作出授权，则从连接表2511读取有关的STI和SAPI并发送到复用器2509。授权处理器2510可以由FPGA和RISC处理器的组合来实现。FPGA进行下一个ST的优先级编码(决定)，而RISC处理器进行维护队列表的后台任务。例如，如果授权处理器2510选择了特定的ST，则根据下述算法来修改该ST的队列状态项：1、修改该ST的队列状态，因为它将在从最高优先级队列中减去一个信元 后出现。2、如果(通过us.request或us.atm_cell)从该ST接收到新的状态，则该新的 状态将取代修改的状态。3、如果没有在授权的时隙从该ST接收到有效的信元(很可能由于链路出 错)，并且没有进行步骤2的新状态更新，则恢复原始队列状态。
要发送到信元的下游来自应用层，该应用层可以是连接到ATM网的接口电路。这些信元以信元输入电路2512接收到它们的顺序传递，并且由ST映射器2513根据连接表2511向其中加入信元目的地址(ST和SAPI)。根据特定ATM应用中的ATM地址空间的选择的不同，有两种方式来实现STI映射器。如果所有ST共享相同的地址空间(VPI/VCI)，则连接表2511将STI/SAPI分配给每个VPI/VCI。在其他应用中，地址空间可能只有本地语境(context)(两个ST可以将它们的ATM信元的同一VPI/VCI重用于完全无关的连接)，则ATM应用必须为要发送的每个信元提供STI/SAPI。这种情况的应用很可能是ATM交换机或ATM统计复用器，可以将每个ST作为逻辑上分离的端口。
复用的下游传输通过发送总线2514被传递给调制器、扰码器和FEC编码器。如果需要，信元输入电路2512可以对ATM信元的净荷字段(48字节)进行加密。
图26所示的基站控制器由一个或多个单信道控制器2600、和线性频分复用器2601构成。每个单信道控制器2600包括：IF电路2602(所需的放大器、滤波器、AGC电路)；调制解调器2603，具有用RS FEC对下游传输进行的QPSK连续调制、如上结合ds.block所述的加扰和同步、以及具有TCM和RS解码和检测上述各种上游原语的能力的突发调制解调器；MAC控制器2604，如上结合图25所述；以及控制单元2605，基于微处理器电路，并且通过数据或I/O总线连接到所有其他子系统(图26中未示出连接)。互通(interworking)功能2606将发往或来自MAC控制器2604的ATM信元转换为电信公司的公用通信网所需的任何格式，例如ATM、帧中继或窄带ISDN。因此，该功能与应用有关，并且，在大多数情况下，可以在现有的ATM交换机和复用器中找到。线路接口2607将互通功能2606的业务转换为网络格式、例如T3/E3接口。作为通过尽量减少来自地理上相邻的小区的干扰来改善蜂窝网覆盖率的一种方法，可以包括自适应无线电资源管理器(ARM)控制器2608。ARM控制器是微处理器应用，它响应来自网络管理系统应用的命令，该网络管理系统应用在多个扇区和小区之间协调频率/时间活动。例如，如果网络管理系统发现特定ST干扰其他基站，则网络管理系统可以让该基站跳过这些受影响的小区时隙，或将该ST完全转移到另一个频率。ARM控制器2608使得基站控制器能够从外部控制器接收这种命令。ARM操作的关键部分是所有扇区和小区的全局同步，如上所述。通过使所有基站保持MAC帧/复帧比特与全局时间参考之间的固定关系，可以设计算法将来自一个扇区的ST的传输映射到另一个扇区或小区中的干扰。这样，图25所示的定时发生器2501被锁定到全局时间，并且实际上用作实时时钟。应该理解，在每个小区中，所有实时时钟不必处于同一相位，只要它们彼此在长时间内保持相同的差值即可。通过根据需要的倍数复制相同的信道结构，可以处理多个信道。这些信道控制器可能需要互相共享或交换数据，这可以通过总线2610来实现。最后，所有控制器可以共享同一外壳或设备机架以形成基站。每个基站扇区控制器具有同轴电缆连接到基站无线电单元(BRU)2611。BRU包括IF电路、变频器、频率合成器、放大器和天线共用器，通过波导驱动扇区天线。这种BRU有市售。例如，美国加利佛尼亚圣克拉拉的Netro公司具有38GHz的BRU，按比例缩放后可以重新设计为其他频率。
扇区天线是具有长方形孔径的金字塔形的喇叭天线，并且具有下述的任选修改。为了尽量减少干扰和尽量提高频率重用，必须特别注意基站天线。如图27所示，一种潜在的干扰模式是，用户终端2700从具有辐射图1的基站A进行接收，它还从具有辐射图2的基站B进行接收。如果辐射图2的频率与辐射图1的频率不同，则干扰可忽略。这里假设位于更远处的基站、例如比B还远一个小区半径的基站太远，不会造成很大的干扰。在这种简单的方案中，两个频率足以避免干扰。实际上，当多个小区放在一起时，如图30所示，两个频率足以避免图27中的辐射图2对1的干扰模式。图30是基于四小区结构3000的网格图。该结构具有一个缺点：其一些扇区比另一些宽。如果这不可接受，则还有三频对称解决方案，如图31所示。
天线需要在水平方向上具有宽的辐射图，如30、60或90度。在垂直方向上，它可以较窄，例如波束宽度为12度，使其可以提高增益。然而，附近的ST在辐射图中可能为零，如图28所示。这可以通过允许喇叭孔径有小的相位偏差来避免。1/4波长是主瓣波束扩展和旁瓣变平之间的好的折衷。通过喇叭几何形状的选择、和介质透镜的有意的偏差，可以实现该减少。完整的天线如图29所示。其尺寸在最长方向上为大约10至20cm，因此它非常小。金字塔形喇叭2900可以包括近似圆柱形的透镜2901和吸收壁2902，用于调节波束宽度，并且允许所述辐射图在水平方向上滚降，以避免图27中辐射图3对ST2700的干扰。