专利名称：确定认知无线电(cr)系统的多分辨率频谱感知(mrss)技术的感知阈值的系统与方法
技术领域：
本发明的示例性实施例大体涉及i人知无线电，并且更具体地， 涉及确定多分辨率频i普感4口 (MRSS)才支术的感4口阈1直。发明内容根据本发明的示例性实施例，诸如多分辨率频i普感知(MRSS ) 的频i普感知方法可以应用于检测动态频i普中的占用情况 (occupancy )。 MRSS可以是在调整分辨率带宽的过程中可以不需 要显式滤波器组(explicit filter banks )的能量4企测方法。根据本发 明的实施例，可以提供用于确定供MRSS使用的感知阈值的系统和 方法。这些阈值可以基于可接受的虚警率和MRSS参数(例如，窗 口 (window)的类型及持续时间以及平均数的数量)。才艮据本发明的一个示例性实施例，4是供了 一种用于频i普感知的 阈值确定方法。该方法可以包括接收虚警率，其中，该虚警率与频"i普,殳(spectrum segment)的虚占用情况识别相关联；确定作为^桑 声指数和多分辨率频i普感知(MRSS)窗口特性的函数的噪声本底； 以及至少部分基于虚警率和噪声本底来计算感知阈值。根据本发明的另 一个示例性实施例，提供了 一种用于频谱感知 的系统。该系统可以包括用于接收射频(RF)频谱的一部分的天 线，以及频:潜感知才莫块。该频i普感知才莫块可以可才喿作地4妄收虚警率， 其中，该虚警率与频i普,史的虚占用情况识别相关联，该频-谱感知才莫 块还可以确定作为噪声指凝:和多分辨率频i普感知(MRSS)窗口特 性的函数的噪声本底，以及至少部分基于虚警率和噪声本底来计算 感知阈值。
已如此概括地描述了本发明，下面将对附图进行参照，附图不 需按比例绘制，且其中图1示出了根据本发明的示例性实施例的示例性认知无线电系 统的功能性框图。图2示出了根据本发明的示例性实施例的图1的认知无线电系 统的示例性流程图。图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于cosW力窗口的 多个示例性人，值。时间和平均凄欠的凄t量所才企测到的"^喿声功率的示例性直方图。图5以cos4(;r/力窗口 、人100kHz和A^^1、 10、 100、及1000 示出了根据本发明的示例性实施例的说明性的虚警率。图6以cos4(兀/力窗口 、 y;-100kHz和尸^^0.1示出了才艮据本发明比较'图7A以具有一皮调制到600 MHz的/w = 100 kHz的cos4(;r/力窗口 以及带有作为600MHz处的CW信号的输入信号的不同的A^^1、 10、 100、及1000，示出了根据本发明的示例性实施例的示例性的 i吴才企观'J ( misdetection )冲既率。图7B以具有4皮调制到600 MHz的/w=100kHz的cos4(;r/力窗口 以及带有作为600 MHz处的ATSC信号的l叙入信号的不同的 A^e=l、 10、 100、及1000，示出了才艮据本发明的示例性实施例的 示例性的误4企测概率。
具体实施方式
下面将参考附图更加详细地说明本发明的实施例，其中示出了 本发明的一些但非全部的实施例。实际上，这些发明可以以多种不 同方式来实施，而不应被解释成限于本文中提出的实施例；相反， 提供这些实施例是为了使本公开文件满足适用的法律要求。通篇中 相同的数字标号指的是相同的元件。根据本发明的实施例，可以提供用于确定供由示例性认知无线 电应用的多分辨率频i普感知(MRSS) -使用的一个或多个适当的感 知阈值等级的系统和方法，其中，认知无线电用于确定一个或多个 频谱信道中的占用情况(如，空闲或占用)。将在已提出的用于确 定该感知阈4直的示例'性系统和方法之前介绍应用MRSS和相关感知阈值的示例性认知无线电系统。根据本发明的示例性实施例，在示例性认知无线电系统中，该MRSS感知阈值可应用于诸如粗感知 模块的感知模块中。A.示例性系乡克相克述图1示出了根据本发明实施例的示例性认知无线电系统的框 图。如所示，图1示出了认知无线电100，其可包括天线116、发 送"妻收切换器114、无线电前端108、 一莫拟宽带频i普感知，莫块102、 模拟数字转换器118、信号处理模块126、以及介质访问控制(MAC) 模块124。在图1 (将连同图2的流程图一起进行讨论)的认知无线电系 统运行期间，射频(RF)输入信号可由天线116接收。在本发明的 示例性实施例中，天线116是可在较宽的频率范围(可能是从几兆 赫(MHz)到几千兆赫(GHz)的范围)中工作的宽带天线。由天 线1164妄收的豸叙入信号可以经由发送/4妄收切:換器114纟皮传递或者以 其他方式被提供到模拟宽带频谱感知一莫块102 (方框202 )。频谱感 知才莫块102可包含4且感知才莫块104和细感知才莫块106中的一个或两 个，或者也可包含用于^^于本文中所描述的频i普感知方法和计算的 其他示例性频谱感知一莫块。粗感知，莫块104可4企测可疑频谱4殳 (suspicious spectrum segment) ( ^口， 5昝在可用的步贞i普革殳)的存在或 出现。根据本发明的示例性实施例，粗感知模块可应用一个或多个 如本文所述的阈值/VH来检测可疑频谱,殳。细感知才莫块106会仔细 才企查或以其他方式分析所;险测到的可疑频谱^殳以确定其^f吏用的特 定信号类型和/或调制方案。返回参照图2， 4且感知才莫块104最初会4吏用本文所述的一个或 多个阈值Pjw确定所接收的输入信号的频谱占用情况(方框204 )。 频谱占用情况信息会通过模拟数字(A/D)转换器118从^f莫拟形式8转换为数字模式，在本发明的示例性实施例中，该转换器可以是低速A/D转换器(ADC )。由A/D转换器118提供的数字频谱占用情 况信息可一皮介质访问控制(MAC )才莫块124中的频镨识别模块120 接收。频谱识别模块120可执行关于数字频谱占用情况信息的一个 或多个计算以识别出 一个或多个频i普l殳在当前是否在4吏用中或#皮 其他信号占用。该频i普识别才莫块120可以以石更件、软件、或其组合 的形式来实现。在一些实例中，基于识别出的频i普革殳，MAC才莫块124会要求 更为精细的频语占用情况检查(方框206)。在这种情况下，细感知 才莫块106会可^乘作i也识别在至少一部分频i普占用情况中所-使用的特 定信号类型和/或调制方案(方框208)。然后，识别信号类型和/或 调制方案的信息会被A/D转换器118数字化，并被提供到频谱识别 才莫块120。关于信号类型和/或调制方案的信息对于确定4企测到的可 疑频谱段中的干扰的影响是十分必要的。根据本发明的实施例，频语识别模块120可将来自粗感知才莫块 104和/或细感知模块106的信息与频谱使用数据库进行比较(方框 210),以确定可用的(即，未被占用的或安全的)频谱间隙(方框 212)。该频谱使用数据库可包括关于已知的信号类型、调制方案、 以及相关频率的信息。同样地，该频i普使用翁:据库可包括用于确定 来自粗感知沖莫块104和/或细感知才莫块106的卩言息是否表示一个或多 个被占用的频语的一个或多个阈值。根据本发明的示例性实施例， 频谱使用数据库可基于接收到的来自外部源的信息来进行更新，该 外部源包括来自基站或其他远程站的定期广播、可移动信息存储器 (即，可移动芯片、存储器等)、因特网储存库。作为选择地，频 谱使用数据库可根据内部的(可能根据)自适应学习技术进行更新， 自适应学习纟支术可包括试4晉法、测试配置、统计计算等。由频谱识别模块120确定的感知结果会被报告给MAC模块 124的控制器(如，频镨分配模块)，并可请求对于特定频傳使用的 许可(方框214)。 一旦接收到来自控制器的许可，MAC模块124 的重新配置才莫块会经由信号处理模块126向无线电前端108提供重 新配置^f言息(方冲医218)。在本发明的示例性实施例中，无线电前端 108可以被重新配置以不同频率("频率捷变，，)工作，其中，特定 的一个频率或多个频率可耳又决于由i人知无线电100所选则的应用于 通信的频i普,殳。信号处理才莫块126 (在示例性实施例中可为物理层 信号处理才莫块)连同频率4走变前端108—起，可以以自适应调制和 干扰抑制纟支术来增强认知无线电100的性能。B.示例性MRSS仿真才艮据本发明的示例性实施例，如图2的方框204中说明性示出 的，诸如在粗感知模块104中实现的MRSS的频谱感知可包括确定 一个或多个频谱信道是否被多个主要用户占用。根据本发明的示例 性实施例，粗感知模块可通过检测如下(1 )所提供的两个假定(Ho 或HJ，并提供如下(2)提供的两个频谱占用情况确定(Dq或DO 中的一个，来确定频语占用情况。信道空闲:'信道被占用 (1 )'"。^言道空闲>1:信道被占用 (2)根据本发明的示例性实施例，由粗感知模块进行的频谱感知可 包括三个概率(i)虚警的概率(& ), (ii)误检测的概率(PMD )， (iii)以及检测的概率()。根据本发明的示例性实施例，如下(3 )10所示的虚警的概率()可以是在信道实际空闲时粗感知模块将其确定为#:占用的相无率。另一方面，如下(4)所示的i吴4企测的相克率 (尸，)可以是在信道实际被占用时粗感知模块将其确定为空闲的概 率。如下(5)所示的4企测的相无率(& )可以是期望的4企测相克率。如(5)所示，才艮据本发明的示例性实施例，才企测的才既率(PD)可 定义为1减去误;险测的概率(PMD )。&=，|//。) (3)(4)尸湖 (5)冲艮据本发明的实施例，可通过粗感知才莫块将MRSS结果与预先 定义的阈值等级&相比较来进行占用情况的确定。例如，该MRSS 结果可以是表示4妄收到的时变信号和用作窗口的已调制基本波形 (例如，小波脉沖)之间的相关性的相关值。如果阈值等级i^一皮设 置得太高，则虚警率()会以更低的检测率(^ )为代价而变低。 因此，才艮据本发明的示例性实施例，可根据可4妄受的虚警率() 来设置阈值等级^。例如，如果可接受的虚警率()是O.IO(即， 10%),则可将阈值等级设置为使虚警率()不超过0.10。如(3 ) 所示，当所涉及的信道中没有信号时，虚警率()可基于MRSS 结果。因此，阈值等级&的确定会受到关于噪声功率测量结果的 MRSS结果分布的影响。C.关于噪声功率的示例性MRSS统计分布才艮据本发明的示例性实施例，可以分析关于-乘声功率测量结果 的MRSS结果分布，以确定适当的MRSS阈值等级。根据本发明的 示例性实施例，噪声功率测量结果可以作为白高斯噪声进行建才莫。白高期-p喿声的包全各电压(envelope voltage ) v可具有瑞利分布，该 分布具有如下(6)所示的功率密度函数/々)(pdf)。<formula>formula see original document page 12</formula>(6)如果在对数域中表达包络电压v (可能以dB为度量)，则新的 变量;c二201og(力具有分别如(7)、 (8)、和(9)所示的pdf ,(x)、平 均值^、以及标准偏差 。才艮据本发明的示例性实施例，对数域中 的这种表达式有时可称作对数压缩的瑞利分布。<formula>formula see original document page 12</formula>(必)，y 0.5772 ::欧拉-马歇罗尼常数(8)V6(9)才艮据本发明的示例性实施例，减小所测得的噪声功率的偏差 (或标准偏差)的一种方法可以是将所测量到的各个噪声功率进行 平均。如果在对凄O或内进行平均，则通过对A^。个独立的测量结果进行平均而得到的pdf A,都0c)、平均值^荡、和标准偏差J,g可分 别如(10)、 ( 11 )、和(12)所示。V^," …….(、/w10 logO)lOlog(e)jc —ln(2cr ) —exp101og(e)(10)//荡=101og(exp(,)(11)10;rlogO) 5.57 ,是 cr, = ~, = , (^外6iV(12)D.示例性的阈^直等纟及确定才艮据本发明的示例性实施例，阈值等级确定可从噪声本底估计开始。根据本发明的示例性实施例，MRSS接收器路径的涉及输入 的噪声指数在dB度量中可以是NF。持续时间为的窗口可具有等效噪声带宽Aw 。等效噪声带宽人，可以是累积来自具有相同的峰增益的白噪声的相同噪声功率的理想方波滤波器的带宽，从而表明 滤波器的带宽。图3 4是供了用于cos"(;r/力(其中"=1、 2、 3、或4) 窗口的一些等效噪声带宽人，的值。等效噪声带宽A,可以与窗口频 率厶和特定窗口因数成比例。即使具有相同的窗口频率，等效噪声 带宽X也会才艮据窗口类型或形状而不同。如图3所示，不同的窗口 类型可以导致不同的等效噪声带宽厶。噪声本底的实际平均功率ju可以如(13)中所示。在(13)中，-174 (dBm/Hz)可以是热p喿声 功率，而NF可以是来自接收器的附加噪声基值(contribution )。因 此，-174+NF可以是1 Hz内的噪声功率，而101og(fNBw)可以是能量 ;f企测的检测带宽中的噪声功率。〃 =-174 + A^ + 101og(/匿)一). (13 )根据本发明的示例性实施例，与实际噪声功率相比，对数域中 的白高斯噪声的包络电压v的信号处理会导至丈2.51 dB的响应不佳 (under-response )。例如，具有偏差cr2的瑞利分布电压的实际功率 是戶，如下(14)所示。(14)在(14)中，代表平均功率巧，的对数压缩的瑞利分布可以由5丄=2tT提供。实际功率？和平均功率^之间的差可以为如一i5=_^^ = _2.507必所提供的画2.51 dB, 必 ln(10)基于前面所述，如果在对数域中处理MRSS结果，则检测噪声 功率可具有_2.51 dB的不佳响应。因此，在4十乂仁2.51 dB的响应不 佳进4亍调整之后，冲企测到的噪声本底^可以如(15)所示。<formula>formula see original document page 14</formula> ( 15 )如(15)所示，检测到的噪声本底/^可以是系统噪声指数NF 以及窗口的持续时间和形状的函数。减小窗口的持续时间会增加 MRSS的4企测时间，^f旦这是以增加的^桑声本底/^和减小的分辨率为代价的。在具有相同的窗口持续时间的情况下，窗口的形状也会影 响检测到的p喿声本底，^f旦是由于窗口的围裙-特性(skirt characteristic ), 4言号的选择'1"生也会而受影响。j企测的噪声功率/,馬(x)的平均结果可以具有如(10)中所示的概率密度函数(pdf)。因此，可以通过计算(10)的累积密度函数 以及定位累积密度函数达到(1-^)的点来得到具有虚警率^的阈值 等级尸^。例如，如果可接受的虚警率()是O.IO，则如(16) 中所示可计算阈值等级Pr//。特别地，可以通过找到(10)的累积 密度函数的积分具有(1-=0.9的值的点来获得(15)。<formula>formula see original document page 14</formula>(16)图4示出了对于不同的窗口持续时间和平均数的凄t量所4企测到 的"^喿声功率的直方图。布i定系统，喿声指凄t为10 dB，则可以用 -164dBm/Hz的功率产生宽带白高斯噪声。如图4所示，存在用于 具有cos4(;r/力窗口的噪声功率测量结果的MRSS结果的直方图。对 于情况l，窗口频率厶可i殳置为100 kHz,而平均凄t的凄t量7V，可i殳 置为1。在这种情况下，才艮据本发明的示例性实施例，计算出的平 均值 可以是-113.62dBm,而标准偏差 可以是5.55 dB。对于情况2，窗口频率厶可i殳置为100kHz,而平均凄史的婆丈量AVc;可i殳置为 10。在这种情况下，根据本发明的示例性实施例，平均值 可以是 -113.62 dBm,而标准偏差 可以是1.74 dB。对于情况3，窗口频 率可i殳置为lMHz，而平均数的数量iV皿可"i殳置为10。在这种情况 下，根据本发明的示例性实施例，平均值^可以是-103.63dBm，而 标准偏差 可以是1.76dB。应理解，图4中的y轴示出了每0.3-dB 功率范围内出现的凄t量。对于每种情况，图4的仿真都可以基于 200,000个独立的MRSS结果。因此，7V， =1的十青况具有总共200,000 个点，而AV。 =10的情况具有总共20,000个点。仍参照图4, ^r测到的p桑声功率的分布可以遵照对tt压缩的瑞 利分布。为检测(12)和(15)的正确性，计算每个结果的平均值 和标准偏差。应理解，对于情况1和2，由于平均数的数量的增加， 标准偏差的减小很好的符合(12)。根据本发明的示例性实施例， 在情况2和3之间将噪声本底变换10 dB可以造成人，的10倍的增加。图5示出了当cos、;r/力窗口具有频率X^100 kHz和平均数的邀: 量为iV,。-l、 10、 100、及1000时的示例性虚警率仿真结果。为得 到虚警率，可以采集200,000个独立MRSS结果，并根据平均数的 数量iV,进行平均。在每个阈值等级P77/(dBm)处，对大于阈值等级的平均结果的总数进行计数并用其除结果总数以得到在该阈值处的虚警率i^。根据(16),应理解，平均数的数量iV,c越大，满足 确定的虚警率尸M的阈值等级尸m越小。如图5所示，对于0.10的 虚警率尸m,可以利用约为-113 dBm的阈值等级Pzw,其中，平均 数的数量A^^1000。另一方面，对于相同的虚警率i^ 0.10,阈值 等级尸ra可以约为-107 dBm，其中，平均数的数量AU^1。图6提 供了比4交关于噪声功率分布和阈值等级确定的理-论结果与仿真结 果的示例性表才各。根据本发明的示例性实施例，发现i吴差是可以忽 略的，所以可以确定理i仑才莫型的正确性。E.示例性的i吴;险测;f既率一旦确定了阈值等级，就可以如图7A和7B所示来仿真i吴才企 测概率。在图7A和图7B中，对于每个平均数的数量iV,，都可以将图6中的仿真阈值等级用作感知阈值等级尸77/。根据本发明的示例性实施例，调制窗口可以-故固定为具有频率人=100 kHz的 cos4 O/力窗口 ，并#皮调制为义=600 MHz 。根据本发明的示例性实施例，图7A示出了输入为以600 MHz 为中心的连续波(CW)信号的示例性情况。如图7A所示，信号功 率(dBm)从-120dBm变化到-101 dBm。在每个信号功率处，采集 了 10000个独立的MRSS结果并用每个AUj进行平均。根据本发明 的示例性实施例，随着平均数的lt量iV，增加，；险测到的信号功率 的偏差也减小，所以也减小了误检测概率。由于CW信号在频域内 是5 (delta)函数，所以检测到的功率不随窗口的等效噪声带宽而 改变，而检测到的功率本身是CW信号的信号功率。图7B示出了根据ATSC标准以8-VSB将输入信号调制为以 600MHz为中心的示例性情况。图7B的x轴中示出的4言号功率是165.38 MHz带宽上的全部信号功率(dBm)。根据中心极限定理，带 有具有比窗口的分辨率带宽更快的符号率的随机数据的数字调制 信号可以近似地具有高斯分布。因此，冲企测到的ATSC信号也受到 对凄t处理的-2.51 dB的响应不佳的影响。因此，在足够快的凄t字调 制信号情况下，；险测到的具有等效噪声带宽A^的信号功率可以如 下<formula>formula see original document page 17</formula>(17)其中，^是检测到的功率，《是最初的信号功率，而/w是信号带宽。 才艮据本发明的示例性实施例，在带有具有厶=100 kHz的cos、 r/力窗 口的ATSC信号的情况中，<formula>formula see original document page 17</formula>(18)如所期望的，检测到的ATSC信号功率平均值与从(18)计算得到 的^L之间有l-dB的误差。对于本领域的技术人员会想到本文中描述的本发明的很多修 改和其他实施例，对于本领域的4支术人员来"i兌，这些发明具有前面 的描述和相关的附图呈现的教导的优点。因此，应理解，本发明不 限于公开的具体实施例，并且这些修改以及其他实施例都包括在所 附权利要求的范围内。虽然本文使用了特定术语，但这是为了Y更于 理解而非出于限制的目的。
权利要求
1.一种用于频谱感知的阈值确定的方法，包括接收虚警率，其中，所述虚警率与频谱段的虚占用情况识别相关联；确定作为噪声指数和多分辨率频谱感知(MRSS)窗口特性的函数的噪声本底；以及至少部分地基于所述虚警率和所述噪声本底来计算感知阈值。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述MRSS窗口接收与射频(RF)频语的一部分的 分析相关耳关的MRSS结果。
3. 才艮据权利要求2所述的方法，还包括通过将所述MRSS结果与计算得到的所述感知阔值进行 比较，来确定所述RF频谱的一部分是否被占用。
4. 4艮据斥又利要求3所述的方法，其中，所述MRSS结果超过计 算得到的所述感知阈值造成将所述RF频谱的所述部分确定为 净皮占用。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述MRSS结果是表示 所述RF频i普的所述部分和所述MRSS窗口之间的相关'I"生的相 关值。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述MRSS窗口的特性 包括所述MRSS窗口的持续时间或形状中的 一个或两个。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述MRSS窗口的所述 持续时间是频谱感知的速度或分辨率中的因数。
8. 才艮据斥又利要求7所述的方法，其中，所述MRSS窗口的所述 持续时间是所述噪声指数中的因数。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，减少所述MRSS窗口的所述持续时间增加所述频谱感知 的速度，以及增加所述MRSS窗口的所述持续时间4是高所述频i普感知 的分辨率。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述MRSS窗口是具有 特定窗口频率/w的窗口函凄史。
11. 才艮据4又利要求10所述的方法，其中，所述窗口函凄丈为 cosa(7rfwt)，其中，a是整数值。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述噪声本底是测量到的 噪声功率的平均数的数量的函数。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，增加所述平均数的数量 减小所述噪声本底的偏差。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中，增加所述平均数的数量 减小计算得到的满足所述虚警率的所述感知阈值。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中，由于所述系统噪声基值而 使所述噪声指数与噪声功率相关联。
16. —种用于频i普感知的系统，包4舌天线，用于接收射频(RF)频谱的一部分；以及频语感知一莫块，其中，所述频谱感知^莫块可纟喿作地接收虚警率，其中，所述虚警率与频谱段的虚占用 情况识别相关联；确定作为噪声指凄t和多分辨率频:潜感知(MRSS)窗 口特性的函数的噪声本底；以及至少部分地基于所述虚警率和所述噪声本底来计算 感知阈<直。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中，所述频语感知模块还可 操作地接收与所述RF频语的至少一部分的分析相关联的MRSS 结果；以及通过将所述MRSS结果与计算得到的所述感知阈值相比 專交，来确定所述RF频i普的所述至少一部分是否净皮占用。
18. 根据权利要求17所述的系统，其中，所述MRSS结果是表示 所述RF频i普的所述至少一部分和所述MRSS窗口之间的相关 性的相关值。
19. 根据权利要求16所述的系统，其中，所述噪声功率是测量得 到的噪声功率的平均数的数量的函数。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中，增加所述平均数的数量 减小满足所述虚警率的所述感知阈值。
全文摘要
本发明提供了用于频谱感知的阈值确定的系统和方法。这些系统和方法可以包括接收虚警率，其中虚警率与频谱段的虚占用情况识别相关联；确定作为噪声指数和多分辨率频谱感知(MRSS)窗口特性的函数的噪声本底；以及至少部分基于虚警率和噪声本底来计算感知阈值。这些系统和方法还可包括至少部分基于计算得到的感知阈值来确定RF频谱的一部分是否被占用。
文档编号H04W16/22GK101262288SQ20081008311
公开日2008年9月10日 申请日期2008年3月3日 优先权日2007年3月1日
发明者乔伊·拉斯卡尔, 朴钟珉, 李彰浩, 林奎汰, 金学善 申请人:三星电机株式会社