用于具有定向传输的二级通信的系统和方法

专利名称：用于具有定向传输的二级通信的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于无线通信的系统和方法，更具体而言，涉及用于利用无线 资源的时间/频谱/位置中的空间频谱孔(SSH)的系统和方法。
背景技术：
通过动态和机会频谱接入的使用，认知无线电(CR)使得能够实现高频谱效率。 在20世纪九十年代后期首先提出了术语认知无线电(参见J. Mitola和G. Q. Maquire 的"Cognitive radio :making software radios more personal，，，IEEE Personal Communications, 1999 年 8 月)，并且在 S. Haykin 的"Cognitive radio :Brain_empowered communications", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005 ^ 2 MM 23卷No. 2，201 220页中提供了全面的综述。CR的基本概念是允许也称为二级用户的未许可CR用户使用许可谱带(也称为许 可频带)，只要其不对也称为一级用户的许可用户造成干扰即可。因此，CR用户必须识别 并使用未被一级用户使用的谱带。实际上，用于CR用户的可用谱带可以随着时间和位置而 变。可用于CR用户的时间/频谱/位置的区域称为频谱孔(SH)。一般而言，CR系统可以 通过经由SH进行发送/接收而与许可系统共存。SH是用于CR用户的基本资源。在来自联帮通信委员会(FCC)的报告中，已经以非 常大的概率显示在某些位置或时间上始终存在未被一级用户使用的某些许可频谱带(参 见联帮通信委员会，Spectrum Policy Task Force 1/8，Interleaver Report，ET Docket No. 02-155，2002年11月2日)。到目前为止，已经进行了相当大的努力以通过允许CR用户 利用这些未使用频带来提高频谱效率(参见例如D. Cabric.S. M. MishraJP R. W. Brodersen 的“Implementation issues in spectrum sensing for cognitive radios，，，Proc· 38th· AsilomarConference on Signals，Systems，and Computers，2004年 11 月第 1 卷 772 776 页；F. F. Dighamλ Μ. S. AlouiniJfI Μ· K. Simon 的 “On the Energy Detection of Unknown Signals Over Fading Channels，，，IEEE Transactions on Communications, 2007 年 1 月第 55 卷 No. 1，21 24 页；J.Ma 和 Y. (G.)Li 的“Soft Combination and detection for cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks，，，Proceedings of IEEE GL0BEC0M，2007 年 11 月第 3139-3143 页；G. Ganesan and Y. (G.) Li 的“Cooperative spectrum sensing in cognitive radio-part I :two user networks，，，IEEE Transactions on Communications, 2007 年 6 月第 6 卷 No. 6，2204 2213 页；“Cooperative spectrumsensing in cognitive radio-part II:multiuser networks", IEEE Transactions on Communications, 2007 年 6 月第 6 卷，No. 6,2214 2222 页)。频谱感测探寻SH的存在，以便CR用户可以利用它们。虽然对频谱感测的大部分 现有工作都集中于在时间和位置上检测SH，但CR系统在相同的位置、时间、和频率处与许 可系统共存的可能性尚未得到很好的研究。

发明内容
通过用于利用无线资源的时间/频谱/位置中的空间频谱孔(SSH)的系统和方法 的实施例，大体上解决或规避这些及其它问题，并且大体上实现技术优点。依照实施例，提供了用于由发送机向接收机发送信息的方法，所述发送机具有定 向天线。该方法包括(1)将定向天线设置为第一传输方向，(2)确定沿第一传输方向的谱 带的状态，(3)响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机位于所述发送机的覆盖区 域内沿第一传输方向向所述接收机发送信息，以及(4)响应于确定所述谱带状态是空闲的 且所述接收机在所述发送机的覆盖区域之外沿第一传输方向向第一中继器发送信息。依照另一实施例，提供了一种用于通过具有定向天线的通信中继器来对传输进行 中继的方法。该方法包括根据所述传输来确定接收机，并响应于确定所述通信中继器能够 将该传输中继到接收机，将所述定向天线设置为第一传输方向，确定沿该第一传输方向的 谱带可用性，响应于确定所述谱带是空闲的且所述接收机在所述通信中继器的覆盖区域内 将相应的传输直接中继到接收机，并响应于确定所述谱带是空闲的且在所述通信中继器的 覆盖区域之外将所述相应的传输中继到第二通信中继器。所述方法还包括响应于确定所述 通信中继器不能将所述传输中继到所述接收机而丢弃所述传输。依照另一实施例，提供了一种通信节点。所述通信节点包括耦合到天线的接收机、 耦合到定向天线的发送机、以及耦合到所述接收机和所述发送机的处理器。所述接收机接 收所述天线所检测的信号，所述发送机使用所述定向天线定向地发送信号，并且所述处理 器感测在其上面发送和接收信号的谱带的状态，将接收到的传输中继到接收到的传输的预 定接收机或能够将接收到的传输中继到该预定接收机的中继节点，并生成包含传输中继信 息的数据库。 实施例的优点是可以提高频谱效率。实施例的另一优点是可以减少CR系统的CR用户与许可系统的一级用户之间的干 扰。实施例的另一优点是CCR用户可以在逻辑上被划分成具有针对干扰避免的不同 优先权水平的等级。前述内容已相当广泛地概括了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以 下实施例的详细说明。下面将描述实施例的附加特征和优点，其形成本发明的权利要求的 标的物。本领域的技术人员应认识到所公开的概念和特定实施例可以很容易地用作用于修 改或设计其它结构或过程以便执行本发明的相同目的的基础。本领域的技术人员还应认识 到此类等效构造不脱离如随附权利要求所阐述的本发明的精神和范围。


为了更全面地理解实施例及其优点，现在对结合附图进行的以下说明进行参考， 在附图中图Ia至Ic是示出非常接近地操作的许可系统和CR系统的图；图2a是示出促进通信的空间频谱孔(SSH)的使用的图；图2b是示出传输的中继的图；图3a是示出非常接近地操作的许可系统和CR系统；图3b是示出CR用户的图；图3c是示出处理器和存储器的详细视图的图；图4是示出在CR发送机处发送信息的事件序列的流程图；图5是示出在CR中继器处的中继信息的事件序列的流程图；图6a是示出中继数据库的生成中的事件序列的流程图；图6b是示出中继数据库的生成中的事件序列的流程图；图7是示出对于N的不同值而言CR系统的SCP、Q2对比归一化天线孔径Y的数据图；图8是示出对比L的不同值而言的SCP对比归一化天线孔径Y的数据图；图9是示出对于M的不同值而言的SCP对比归一化天线孔径Y的数据图；图10是示出对于谱带空闲概率的不同值而言的SCP对比时隙数目的数据图；以及图11是示出对于不同的CR传输链路等级而言的SCP对比归一化天线孔径Y的 数据图。
具体实施例方式下面详细讨论实施例的完成和使用。然而，应认识到本发明提供可以在多种特定 背景下体现的许多可适用发明构思。所讨论的特定实施例仅仅说明完成和使用本发明的特 定方式，而并不限制本发明的范围。将在特定的背景下、S卩非常接近于许可系统进行操作的CR系统的背景下描述实 施例，其中，CR系统使用具有波束形成的定向天线和/或天线阵列。然而，本发明还可以应 用于其它系统，其中，CR系统和许可系统二者使用具有波束形成的定向天线和/或天线阵 列。此外，本发明可以一般应用于使用定向天线和/或天线阵列的期望提高频谱效率、减少 相互之间不在通信的设备之间的干扰的通信系统，或用于在逻辑上划分传输的优先系统。一般而言，可以根据观察到的信号(由CR用户执行的频谱感测操作的结果)将在 某个时间和位置处是否存在频谱孔描述为一级信号(一级用户的传输)的存在或不存在。其中，s(t)是一级信号，h表示许可用户(也称为一级发送机(PT))与CR用户之 间的信道系数，并且n(t)表示加性高斯白噪声(AWGN)。假设HO和Hl分别表示一级信号的 不存在和存在。通常，在CR通信中可能涉及两种方案。第一种是当CR用户可以在一级用户暂时 不使用频带时接入该谱带时，这意味着可以在相同谱带和区域中但使用不同时隙部署CR 用户和一级用户两者。时隙可以是其中一级用户或CR用户可以进行发送的时间的划分。在这种方案中，等式(1)中的HO和Hl分别表示一级用户正在发送(开)和不在发送(关 闭)，并且可以通过利用未被一级用户使用的静寂时隙来实现CR用户的传输(也称为二级 传输)。还可以将该静寂时隙称为时间频谱孔(TSH)。用于CR通信的第二种方案是CR用户可以在CR用户和一级用户不在具有将CR用 户与一级用户分离的无线信道的路径损耗和阴影的不同地理区域中时接入谱带，使得两者 可以在不相互干扰的情况下同时进行发送。在这种情况下，等式(1)中的HO和Hl分别表 示CR用户和一级用户识别可以被路径损耗分离。从第二种方案产生的传输机会可以称为 地理频谱孔(GSH)，因为可以在不同的位置重新使用谱带。图Ia是示出非常接近地操作的许可系统和CR系统的图。许可系统包括第一一级 用户105、第二一级用户106、和第三一级用户107，而CR系统包括第一 CR用户110、第二 CR 用户111、第三CR用户112、第四CR用户113、和第五CR用户114。许可系统和/或CR系 统两者都可以包括附加用户。然而，出于说明性原因，图Ia所示的用户的数目是有限的。如果一级用户(例如，第一一级用户105、第二一级用户105、和第三一级用户107) 使用全向天线进行发送，则在发生许可传输的同时，不可能在不对一级用户的传输造成干 扰的情况下发生任何形式的CR传输。然而，如果CR用户(例如第一 CR用户110、第二 CR用户111、第三CR用户112、第 四CR用户113、和第五CR用户114)使用具有波束形成的定向天线和/或天线阵列进行发 送以提供定向信号发送和接收，则具有波束形成的定向天线和/或天线阵列的使用可以帮 助限制传输的传播，这可以帮助减少由于CR用户的传输而对许可用户造成的干扰。此外， 如果许可用户还使用具有波束形成的定向天线和/或天线阵列进行发送，则还可以进一步 减少由许可用户向CR用户进行的传输的传播。先前已经介绍了 CR系统中的波束形成(参见例如S. Huang、Ζ. Ding、和X. Liu的 “Non-intrusive cognitive radio networks based on smart antenna technology，，， Proceedings of IEEE GL0BEC0M，2007 年 11 月，4862 4867 页和 L. Zhang、Y. Liang、和 Yan Xin 的"Joint Beamforming and Power Allocation for Multiple Access Channels in Cognitive Radio Networks，，，IEEE Journal on Selected Areas of Communications, 2008年2月第26卷第1版，38 51页)。然而，不是仅仅考虑点到点CR链路，优选实施例 整体地考虑CR系统。如图Ia所示，一级用户可以相互进行发送，例如，第一一级用户105可以向第二一 级用户106或第三一级用户107进行发送，第二一级用户106可以向第一一级用户105或 第三一级用户107进行发送，并且第三一级用户106可以向第二一级用户106或第一一级 用户105进行发送。一级用户之间的传输在图Ia中被示为实线。同样地，CR用户可以相 互进行发送，例如，第一 CR用户110可以向第四CR用户113或第五CR用户114进行发送， 第二 CR用户111可以向第四CR用户113或第五CR用户114进行发送等等。CR用户之间 的某些可能传输在图Ia中被示为虚线。在CR系统中，检测到一级用户的主动传输的CR用户可以不进行发送。然而，具有 波束形成的定向天线和/或天线阵列的使用可以限制传输对不直接参与发送或接收该传 输的设备的影响。具有波束形成的定向天线和/或天线阵列的使用可以为设备提供指引其 传输的能力。CR用户中的定向传输能力可以允许它们利用空间频谱孔(SSH)。CR用户通过使用具有波束形成的定向天线和/或天线阵列和传输中继器来指引其传输的能力，优选实 施例可以使得许可系统和CR系统能够在没有干扰的情况下更好地共存。在一级用户不在进行发送的同时，SSH可以变得可用于CR用户。图Ib是示出由 一级用户不进行发送得到的可用SSH的图。例如，在第一一级用户105不在向第三一级用 户107 (被示为虚线120)进行发送且第二一级用户106不在向第三一级用户107 (被示为 虚线121)进行发送的同时，如果第三CR用户112未检测到第一一级用户105与第二一级 用户106之间的传输(被示为实线130)，则SSH可以变得可用于第三CR用户112、第四CR 用户113、和第五CR用户114 (包括第三CR用户112与第四CR用户113之间的点划线125 和第三CR用户112与第五CR用户114之间的点划线126)。然而，由于第一一级用户105 不在向第二一级用户106进行发送，所以SSH可能不可用于第一 CR用户110或第二 CR用 户 111。同样地，图Ic是示出由不同的一级用户不进行发送得到的可用SSH的图。如图Ic 所示，第一一级用户105不在向第二一级用户106或第三一级用户107进行发送。然而，第 二一级用户106正在向第三一级用户107进行发送。因此，在SSH可能不可用于第三CR用 户112的同时，如果CR用户未检测到在第二许可用户106与第三许可用户107之间进行的 传输(可能的传输被示为点划线)，则SSH可以变得可用于第一 CR用户110、第二 CR用户 111、第四CR用户113、和第五CR用户114。图2a是示出促进许可系统的一部分和CR系统中的通信的SSH的使用的图。如图 2a所示，两个一级用户(第一一级用户205和第二一级用户206)可以相互通信。同样在相 同的总区域和谱带中操作的可以是多个CR用户。CR用户可以采用定向发送(经由具有波 束形成的定向天线和/或天线阵列)和全向接收。为简单起见，假设用于每个CR用户的传 输方向是随机的。然而，本实施例还可以应用于其中用于每个CR用户的传输方向不是随机 的情况，因此，不应将随机传输方向的讨论理解为限制本发明的范围或精神。此外，如果一 级用户采用定向传输，可以应用本实施例。如图2a所示，多个CR用户包括CR发送机‘CR TX，210、诸如CRR 215、CRR 216、 CRR 217、和CRR 218的许多CR中继器‘CRR，，、一级CR接收机‘CR RX，220。一般而言，CR 用户可以根据通信过程的要求以不同方式进行操作。CR用户可以作为CR发送机、CR中继 器、或CR接收机进行操作。例如，可以使CR用户在一个通信过程中充当CR发送机，但随后 在不同的通信过程中，该CR用户可以充当CR中继器或CR接收机。另外，CR用户可以同时 充当CR发送机、CR中继器、和/或CR接收机。CR TX 210可以具有意图用于CR RX 220的传输。然而，CR TX 210的传输方向可 以不允许从CR TX 210到CR RX 220的直接传输。因此，不是不能与CR RX 220通信，而是 CR TX 210可以使用CR中继器来充当中介并将对CR中继器进行的传输中继到CR RX220。 例如，CR TX 210可以将目的地是CR RX 220的消息发送到诸如CRR 215、CRR 216、和CRR 217的CR中继器。由于CR中继器的传输方向是随机的，并且CR中继器中的一个(例如，CR 217)可以取向使得其传输方向提供CR RX 220上的覆盖。然后，CRR 217可以将该消息中 继到 CR RX 220。为了使用CR用户作为CR中继器，CR用户可能需要满足多个要求。第一实施例是 沿CR用户的传输方向的谱带必须是空闲的，并且第二要求是CR接收机必须在CR用户的覆盖区内。如果允许中继进行多次，则意图在传输中继中使用的CR中继器必须在CR用户的
覆盖区内。CR中继器在检测到来自CR TX 210的传输时将能够解码到该传输意图用于CR RX220。CR中继器可以通过使用中继器数据库来知道哪些CR用户能够接收其传输，所述中 继器数据库提供关于哪些CR用户能够从哪些CR用户接收传输的信息。因此，CRR 217将 能够确定CR RX 220能够接收其传输。然后，CRR 217可以将来自CR TX 210的传输中继 (或转送到)CR RX 220。CRR 218在CR TX 210的覆盖区的外面，因此其不能接收来自CR TX 210的传输，虽然其能够向CR RX 220进行发送。如上所述，来自诸如CR TX 210的CR发送机的传输可以直接从CR发送机或在其 一至少在诸如CRR 217的CR中继器上被中继之后到达诸如CR RX 220的CR接收机。虽然 传输的数据内容可能对于被直接发送或被中继的传输而言是相同的，但传输的控制信息可 以是不同的。例如，对于直接发送的传输而言，控制数据可以包括被列为传输发起者的CR 发送机，而对于中继的传输而言，控制数据可以包括被列为传输发起者的CR中继器。如图2a所示，从CR TX 210到CR RX 220的传输被单个CR中继器中继。可以使多 个CR中继器将来自CR发送机的传输中继到CR接收机。图2b是示出促进许可系统的一部 分和CR系统中的通信的SSH的使用的图，其中，可以在多个CR中继器上对通信进行中继。 可以由多于一个的CR中继器来中继从CR发送机到CR接收机、诸如从CR TX 210到CR RX 220的传输。例如，如果来自CR TX 210的意图用于CR RX 220的传输被许多CR中继器检 测到，但没有一个CR中继器能够将该传输直接中继到CR RX 220，则诸如CRR 225的CR中 继器可以确定其可以将该传输中继到诸如CR 226的另一 CR中继器，这可以导致传输变得 离CR RX 220更近。CRR 225将能够通过访问中继数据库来确定将该传输中继到哪里。由于CRR 226还可能不能将该传输直接中继到CR RX 220，则CRR 226也可以访问 中继数据库以确定可以使该传输离CR RX 220更近的另一 CR中继器。最后，该传输被中继 到CRR 227，其可能够将该传输直接中继到CR RX 220。传输中继的以上讨论集中于充当CR发送机的单个CR用户向充当CR接收机的另 一单个CR用户进行发送。然而，多个CR用户可以共享可用SSH，复用其传输。为了促进多 个CR用户共享可用SSH，可以基于优先级将CR传输链路划分成不同的等级。例如，被分类 为第一级(I)的传输可以具有高于被分类为第二级(II)的优先级且可以只需避免与许可 传输相干扰。而被分类为第二级(II)的传输可能需要避免与许可传输和第一级(I)传输 两者相干扰。一般而言，与用于第一级(I)相比，可能存在用于第二级(II)传输的较少可 用SSH，因为对于第二级(II)传输而言，存在更多要避免的传输。等级的数目可以扩展至三 个(III)、四个(III)等等。等级和优先级的使用可以允许多个CR传输链路的同时使用，这 可以帮助进一步提高频谱效率。图3a是示出非常接近地操作的许可系统和CR系统的图。许可系统包括第一一级 用户305和第二一级用户306，而CR系统包括多个CR用户，诸如CR用户310 317。根据 通信过程，每个CR用户可以充当CR发送机、CR接收机、或CR中继器。CR用户可以利用定 向传输来帮助提高频谱效率。或者，一级用户和CR用户两者可以利用定向传输来帮助提高 效率。图3b是示出诸如CR用户310的CR用户的图。CR用户310包括供在接收信号和发送信号时使用的接收机315和发送机317。根据配置，发送机/接收机(TX/RX)开关319 可以允许接收机315和发送机317共享天线。或者，接收机315和发送机317可以具有专 用接收和发送天线。CR用户310还包括可以用于处理接收信号的接收机处理硬件321，所述处理包括 滤波、解码、检错和纠错、放大、数字化、混合等等。CR用户310还包括可用于处理要发送的 信号的发送机处理硬件323，包括滤波、编码、混合、放大等等。可以将诸如数据的接收机处 理硬件321的输出提供给处理器325。处理器325可以用来使用接收机处理硬件321的输 出执行计算。可以使用存储器327来存储数据、应用程序、程序、配置信息等等。图3c是示出处理器325和存储器327的详图的图。处理器325包括频谱感测单元 340。频谱感测单元340可以用来感测指定谱带内的接收能量。然后，根据该接收能量，可 以确定是否正在进行传输。频谱感测单元340可以通过对接收信号进行滤波来感测接收能 量以帮助消除或减少在指定谱带外面的信号，测量在指定谱带内的接收能量，累积接收能 量达指定的时间量，并随后基于该累积接收能量来判定在指定谱带中是否正在进行传输。处理器325还包括消息中继单元342。消息中继单元342可以检测接收到的传输 以确定接收到的传输的预定目的地。消息中继单元342可以访问存储在存储器327中的中 继数据库348以确定接收到的传输的预定目的地是否是由CR用户310进行的传输可到达 的。如果所述预定目的地是不可到达的，则消息中继单元342可能丢弃接收到的传输。如 果所述预定目的地是可到达的，则消息中继单元342可以将接收到的传输提供给发送机处 理硬件323，以便可以中继接收到的传输。处理器325还包括中继数据库发送器344。中继数据库发送器344可以用来生成 中继数据348。例如，中继数据发送器344可以周期性地促使CR用户310发送特殊消息， 该特殊消息请求该特殊消息(诸如响应请求消息)的所有接收机进行响应。然后，中继数 据库发送器344可以将用于每个应答者的识别信息保存在中继数据库348中。如果将使用 多个传输中继步骤，则中继数据库发送器344可以向应答者发送请求它们CR 310提供其中 继数据库的另一消息(诸如中继数据库请求消息)。中继数据库发送器344可以对与在CR 系统中许可的一样多的水平的传输中继重复发送中继数据库请求消息。中继数据库发送器344可以被配置为周期性地生成中继数据库348。或者，中继数 据库发送器344可以在性能度量达到指定阈值时生成中继数据库348。例如，如果测量未送 出传输的度量达到指定阈值、传输等待时间、传输失败等，则中继数据库发生器344可以发 起中继数据库348的生成。处理器325还包括传输分类单元346。传输分类单元346可以用来基于传输的分 类来控制传输。例如，如果谱带已被具有表示较高优先级的等级的传输使用，则可以不允许 传输发生。然而，如果谱带正在被具有表示较低优先级的等级的传输识别，则可以允许该传 输发生。许可传输具有最高优先级，而由CR用户进行的传输可以具有一定范围的优先级， 全部低于许可传输的优先级。对传输赋予等级可以允许更好地利用谱带，提供较高的频谱 效率。图4是示出在CR发送机处发送信息的事件序列400的流程图。事件序列400可 以描述每当CR发送机具有要发送的信息时在CR发送机处发生的事件。CR发送机处的信息 的发送可以从诸如CR TX 210的CR发送机确定用于其传输的诸如CR 220的CR接收机开始(方框405)。在确定CR接收机之后，CR发送机可以确定谱带的可用性(方框410)。CR 发送机可以通过检验所建立的谱带使用限制(例如，可容许传输次数、容许传输等级、容许 CR用户等等)来确定谱带可用性，或者，CR发送机可以感测用于传输的谱带。如果谱带是空闲的，即谱带未被用于传输(方框415)，则CR发送机可以检查CR接 收机是否在CR发送机的覆盖区内(方框420)。如果CR接收机在CR发送机的覆盖区内，则 CR发送机可以直接向CR接收机进行发送(方框425)。如果CR接收机不在CR发送机的覆 盖区内，则CR发送机仍将能够向CR接收机进行发送，然而，CR发送机可能需要向CR中继 器进行发送，该CR中继器可以随后将该传输中继到CR接收机(方框430)。在CR发送机向 CR接收机(方框425)或CR中继器(方框430)进行发送之后，CR发送机处的信息的发送 可以终止。如果谱带不是空闲的(方框415)，则CR发送机可以改变其传输方向。如果CR发 送机能够改变传输方向(方框435)，则可以调整CR发送机的传输方向(方框440)。例如， 可以通过变成不同的定向天线来调整传输方向，或者天线阵列可以使用不同组的波束形成 系数。在已经调整CR发送机的传输方向之后，可以通过返回到方框410以确定频谱可用性 来重试信息的发送。如果使用传输等级来允许多个CR用户共享可用SSH，则谱带可以不是空闲的(方 框415)，但是如果谱带上的传输具有比CR发送机试图发送的传输低的传输等级，则已在该 谱带上的传输可能被CR发送机预先占有。如果情况是这样，则CR发送机可以进行检查以 确定CR接收机是否在CR发送机的覆盖区内(方框420)。如果CR接收机在CR发送机的覆 盖区内，则CR发送机可以直接向CR接收机进行发送(方框425)。如果CR接收机不在CR 发送机的覆盖区内，则CR发送机仍将能够向CR接收机进行发送，然而，CR发送机可能需要 向CR中继器进行发送，该CR中继器可以随后将该传输中继到CR接收机(方框430)。如果 CR发送机正在向CR中继器而不是CR接收机进行发送，则使用中继器的传输的控制信息可 以不同于直接发送的传输的控制信息，但是数据内容可以保持不变。在CR发送机向CR接 收机(方框425)或CR中继器(方框430)进行发送之后，CR发送机处的信息的发送可以 终止。如果可以不调整CR发送机的传输方向，或者如果已经尝试了所有可能的传输方 向，则传输可能是不可能的(方框445)。谱带的忙碌状态可以是暂时的且可以使传输排队， 以便可以在稍后再次尝试该传输。或者，如果传输是时间紧急的，则传输可能不能等待稍后 的时间，因此可以丢弃传输并通知CR发送机。在任一种情况下，信息的发送可以终止。图5是示出在CR中继器处的中继信息的事件序列500的流程图。事件序列500 可以描述每当CR中继器感测到传输时在CR中继器处发生的事件。CR中继器处的信息的 中继可以从诸如CRR 217的CR中继器感测到用于传输的诸如CR RX 220的CR接收机开始 (方框505)。在感测到CR接收机之后，CR中继器可以确定是否能够将信息中继到CR接收 机(方框507)。CR中继器可以通过访问中继数据库来确定是否能够将信息中继到CR接收 机。如果CR接收机在中继数据库中，或者可以将传输中继到CR接收机的另一 CR中继器在 中继数据库中，则CR中继器将能够将信息中继到CR接收机。如果CR中继器不能将信息中 继到CR接收机，则CR中继器处的信息的中继可以终止。如果CR中继器能够将信息中继到CR接收机，则CR中继器可以确定谱带的可用性(方框510)。CR中继器可以通过检验所建立的谱带使用限制来确定谱带可用性，或者CR中 继器可以感测用于传输的谱带。如果谱带是空闲的，即谱带未被用于传输(方框515)，则CR中继器可以检查CR 接收机是否在CR中继器的覆盖区内(方框520)。CR中继器可以通过访问其中继数据库来 这样做。如果CR接收机在CR中继器的覆盖区内，则CR中继器可以直接向CR接收机进行 发送(方框525)。如果CR接收机不在CR发送机的覆盖区内，则CR中继器仍将能够向CR 接收机进行发送，然而，CR中继器可能需要向中间CR中继器进行发送，该CR中继器可以随 后将该传输中继到CR接收机(方框530)。如果CR中继器正在向中间CR中继器而不是CR 接收机进行发送，则到中间CR中继器的传输的控制信息可以不同于直接发送的传输的控 制信息，但是数据内容可以保持不变。在CR中继器向CR接收机(方框525)或CR中继器 (方框530)进行发送之后，CR中继器处的信息的中继可以终止。如果谱带不是空闲的(方框515)，则CR中继器可以改变其传输方向。如果CR中 继器能够改变传输方向(方框535)，则可以调整CR中继器的传输方向(方框540)。例如， 可以通过变成不同的定向天线来调整传输方向，或者天线阵列可以使用不同组的波束形成 系数。在已经调整CR中继器的传输方向之后，可以通过返回到方框510以确定频谱可用性 来重试信息的中继。如前所述，如果使用传输等级来允许多个CR用户共享可用SSH，则谱带可以不是 空闲的(方框415)，但是如果谱带上的传输具有比CR中继器试图中继的传输低的传输等 级，则已在谱带上的传输可以被CR中继器预先占有。如果可以不调整CR中继器的传输方向，或者如果已经尝试了所有可能的传输方 向，则传输可能是不可能的(方框545)。谱带的忙碌状态可以是暂时的且可以使传输排队， 以便可以在稍后再一次尝试该传输。或者，如果传输是时间紧急的，则传输可能不能等待稍 后的时间，因此可以丢弃该传输且可以通知发起该传输的CR中继器和CR发送机。在任一 种情况下，信息的中继可以终止。图6a是示出中继数据库的生成中的事件序列600的流程图。中继数据库的生成 可以在CR用户中进行且可以周期性地发生或者在诸如度量满足或超过指定值等指定事件 时发生。中继数据库的生成可以从消息的传输开始，诸如由CR用户生成中继数据库的响应 请求消息(方框605)。然后，CR用户可以等待对该消息的响应。当CR用户接收到响应时 (方框607)，CR用户可以将关于响应的发起者的识别信息添加到中继数据库(方框609)。 在CR用户已用关于应答者的信息更新中继数据库之后，CR用户可以检查以确定用于响应 的指定等待时间是否已截止(方框611)。如果指定的等待时间未截止，则CR用户可以返回 到方框607以获得附加响应。如果指定的等待时间已截止，则中继数据库的生成可以终止。图6b示出中继数据库的生成中的事件序列650的流程图，其中，传输可以被中继 到目的地多次。中继数据库的生成可以在CR用户中进行且可以周期性地发生或者在诸如 度量满足或超过指定值等指定事件时发生。中继数据库的生成可以从将计数器初始化为等 于可以对传输进行中继的最大许可次数开始(方框655)。中继数据库的生成可以继续消 息的传输，诸如由CR用户生成中继数据库的响应请求消息(方框657)。然后，CR用户可以 等待对该消息的响应。当CR用户接收到响应时(方框659)，CR用户可以将关于响应的发 起者的识别信息添加到中继数据库(方框661)。在CR用户已用关于应答者的信息更新中继数据库之后，CR用户可以检查以确定用于响应的指定等待时间是否已截止(方框663)。 如果指定的等待时间未截止，则CR用户可以返回到方框659以获得附加响应。如果指定等待时间已截止，则CR用户可以向中继数据库中所列的CR用户发送第 二消息(方框665)。第二消息可以是请求CR用户将其中继数据库发送到第二消息的源。 然后，CR用户可以等待对第二消息的响应。当CR用户接收到响应时(方框667)，CR用户 可以将接收到的中继数据库的内容添加到其自己的中继数据库(方框669)。在CR用户已 用关于接收到的中继数据库的信息更新中继数据库之后，CR用户可以检查以确定用于响应 的指定等待时间是否已截止(方框671)。如果指定的等待时间未截止，则CR用户可以返回 到方框659以获得附加响应。如果指定等待时间已截止，则CR用户可以进行检查以确定计数器是否等于零(方 框673)。如果计数器等于零，则CR用户已远离其本身穿过与可以对传输进行中继的许可次 数一样多的传输跳跃。如果计数器不等于零(方框673)，则可以使计数器递减且中继数据 库的生成可以返回到方框665并重复第二消息到中继数据库的成员的传输。如果计数器等 于零，则中继数据库已被更新且中继数据库的生成可以终止。在替换实施例中，CR用户可以发送请求来自所有接收者的响应的消息。当接收CR 用户接收到该消息时，接收CR用户可以向该CR用户返回响应。另外，接收CR用户可以发送 请求来自所有接收者的其自己的消息。然后，当接收CR用户接收到来自其消息的响应时， 接收CR用户可以将该响应提供给CR用户。该消息可以包括计算距离CR用户的跳跃数目 的计数器。当计数器等于可以对传输进行中继的许可次数时，消息的传输可以停止。在以下段落中，将分析从CR发送机到CR接收机的瞬时成功通信概率(SCP)。然 后，将研究多个连续时隙内的SCP。并且，将考虑由CR系统中的多个CR发送机进行的复用 传输。为简单起见，在本节中自始至终采取理想的频谱感测和数据传输。在这里，将讨论的焦点放在具有定向天线的CR发送机。然而，该讨论可以很容易 地应用于具有带有波束形成的天线阵列的CR发送机。因此，不应将定向天线的讨论理解为 限制实施例的范围或精神。使定向天线的孔径以度为单位表示为θ，并且归一化天线孔径表示为7 = ^^假
设在某个区域中存在L个一级用户和N个CR用户，其位置是在该给定区域中具有均勻分布 的独立随机变量。对于直接传输而言(没有传输中继的直接从CR发送机到CR接收机的传输)对 于CR发送机而言频谱感测结果是空闲的概率可表示为 Pcr transfflitter, idle = (1-λ)L·(2)同时，CR接收机落在CR发送机的覆盖区中的概率是Y。因此，CR发送机与CR接 收机之间的一跳传输(直接传输)的概率可表示为P1 = Y (l-y)L. (3)对于两跳传输而言(具有单个中间CR中继器的从CR发送机到CR接收机的传输) 当考虑CR发送机与CR接收机之间的两跳通信时，需要选择CR中继器来对传输进行中继。 假设在CR发送机的覆盖区中存在η个CR用户。由于η是具有二项式分布的随机变量，所 以其概率质量函数(PMF)可表示为
权利要求
1.一种用于由发送机向接收机发送信息的方法，所述发送机具有定向天线，该方法包括(1)将所述定向天线设置为第一传输方向；(2)确定沿所述第一传输方向的谱带的状态；(3)响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述发送机的覆盖区内沿所述 第一传输方向向所述接收机发送所述信息；以及(4)响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述发送机的所述覆盖区之外 沿所述第一传输方向向第一中继器发送所述信息。
2.如权利要求1所述的方法，还包括，响应于确定所述谱带状态是忙碌的(5)响应于确定所述定向天线的一组未测试传输方向不是空闲的，(6)从所述一组未测试传输方向中选择未测试传输方向，(7)确定沿所述未测试传输方向的所述谱带的所述状态，(8)响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述发送机的覆盖区内沿所述 未测试传输方向向所述接收机发送所述信息；以及(9)响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述发送机的所述覆盖区之外 沿所述未测试传输方向向第二中继器发送所述信息；以及(10)响应于确定所述一组未测试传输方向是空闲的，(11)将所述信息缓存。
3.如权利要求1所述的方法，还包括响应于确定沿所述未测试传输方向的所述谱带状 态是忙碌的，(12)重复所述元素(5)和(10)。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述定向天线是天线阵列，并且其中，所述设置所 述定向天线包括指定一组天线系数。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述设置所述定向天线包括选择多个定向天线中 的一个。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述接收机在覆盖区内包括确定所述接 收机在数据库中被列为在所述覆盖区内。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一中继器在数据库中被列为能够向所述接 收机中继所述信息。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一中继器在所述数据库中被列为能够向第 三中继器中继所述信息，所述第三中继器能够向所述接收机中继所述信息。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述谱带的所述状态包括检验谱带使用 限制。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述谱带的所述状态包括 对接收到的信号进行滤波以使在所述谱带外面的信号衰减；测量在所述谱带内的所述已滤波接收信号的接收能量；累积所述测量的接收能量达一定的时间间隔；以及基于所述累积的接收能量与阈值的比较来判定所述谱带的所述状态。
11.如权利要求1所述的方法，其中，包含所述信息的传输被分配优先等级k，并且其中，所述确定所述谱带的所述状态包括响应于确定不在进行主动传输而确定所述谱带的所述状态是空闲的； 响应于确定正在进行主动传输而确定所述谱带的所述状态是空闲的，所述主动传输具 有优先等级j，其中，优先等级j在优先级方面低于优先等级k ；以及响应于确定正在进行主动传输而确定所述谱带的所述状态是忙碌的，所述主动传输具 有优先等级i，其中，优先等级i在优先级方面大于或等于优先等级k。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述沿所述第一传输方向向所述第一中继器发送 所述信息包括使用多跳传输来向所述接收机发送所述信息。
13.一种用于用具有定向天线的通信中继器来对传输进行中继的方法，该方法包括 根据所述传输来确定接收机；响应于确定所述通信中继器能够将所述传输中继到所述接收机， 将所述定向天线设置为第一传输方向， 确定沿所述第一传输方向的谱带可用性，响应于确定所述谱带是空闲的且所述接收机位于所述通信中继器的覆盖区内将相应 的传输直接中继到所述接收机，以及响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述通信中继器的所述覆盖区之 外将所述相应的传输发送到第二通信中继器；以及响应于确定所述通信中继器不能将所述传输中继到所述接收机而丢弃所述传输。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述相应的传输包括本质上与所述传输中所包 含的信息相同但具有不同的控制信息的信息。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述确定接收机包括对所述传输进行解码。
16.权利要求13的方法，还包括，响应于确定所述谱带状态是忙碌的 响应于确定所述定向天线的一组未测试传输方向不是空闲的，从所述一组未测试传输方向中选择未测试传输方向， 确定沿所述未测试传输方向的谱带可用性，响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述通信中继器的覆盖区内沿所 述未测试传输方向将所述相应的传输中继到所述接收机，以及响应于确定所述谱带状态是空闲的且所述接收机在所述通信中继器的所述覆盖区之 外沿所述未测试传输方向将所述相应的传输中继到第三通信中继器；响应于确定所述一组未测试传输方向是空闲的，将所述传输缓存；以及 响应于确定沿所述未测试传输方向的所述谱带是忙碌的，重复所述对确定所述定向天 线的一组未测试方向不是空闲的响应和所述对确定所述一组未测试传输方向是空闲的响 应。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述确定所述通信中继器不能将所述传输中继 到所述接收机包括确定所述接收机未被列在所述中继器能够向其进行传输的接收机的数 据库中。
18.权利要求13的方法，其中，所述确定所述通信中继器不能将所述传输中继到所述 接收机还包括确定第四通信中继器未被列在所述数据库中，其中，所述第四通信中继器能 够将所述传输中继到所述接收机。
19. 一种通信节点，包括耦合到天线的接收机，所述接收机被配置为接收所述天线所检测的信号；耦合到定向天线的发送机，所述发送机被配置为使用所述定向天线来定向地发送信 号；以及耦合到所述接收机和所述发送机的处理器，所述处理器被配置为感测在其上面发送 和接收信号的谱带的状态，将接收到的传输中继到所述接收到的传输的预定接收机或能够 将所述接收到的传输中继到所述预定接收机的中继节点，并生成包含传输中继信息的数据库。
20.如权利要求19所述的通信节点，其中，所述处理器包括频谱感测单元，其被配置为感测所述谱带的状态；耦合到所述谱带感测单元的消息中继单元，所述消息中继单元被配置为通过访问所述 数据库来确定所述预定接收机是否在所述发送机的定向传输的覆盖区内，并通过访问所述 数据库在所述预定接收机在所述覆盖区之外的情况下选择中继节点；以及耦合到所述消息中继单元的数据库发生器，所述数据库发生器被配置为基于对由所述 通信节点发送的消息的响应来生成所述数据库，所述数据库是基于所述发送机的定向传输 布置的。
21.如权利要求19所述的通信节点，还包括耦合到所述消息中继单元的传输分类单 元，所述传输分类单元被配置为向由所述发送机进行的传输分配等级，并基于分配给所述 传输的所述等级来确定所述谱带的所述状态。
22.如权利要求19所述的通信节点，其中，所述通信节点接近于针对由所述通信节点 进行的传输具有传输优先级的通信系统进行操作，所述通信节点还被配置为定向地向接收 机发送信息以减少对所述通信系统的传输造成的干扰。
23.如权利要求19所述的通信节点，其中，所述通信系统是许可通信系统，并且所述通 信节点是认知无线电节点。
全文摘要
一种用于利用无线资源的时间/频谱/位置中的空间频谱孔(SSH)的系统和方法。一种方法包括将定向天线设置为第一传输方向，确定沿该第一传输方向的谱带状态，响应于确定该谱带状态是空闲的且所述接收机在所述发送机的覆盖区内沿第一传输方向向所述接收机发送信息，并响应于确定该谱带状态是空闲的且所述接收机在所述发送机的覆盖区之外沿第一传输方向向第一中继器发送信息。
文档编号H04B7/10GK102007709SQ200980120457
公开日2011年4月6日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年6月30日
发明者周向炜, 安东尼·宋, 杨宏·孔 申请人:华为技术有限公司