用于认知无线电的鲁棒协作频谱感测的制作方法

专利名称：用于认知无线电的鲁棒协作频谱感测的制作方法
用于认知无线电的鲁棒协作频谱感测
技术领 域本主题公开的各实施例总地涉及无线电系统、设备、方法或其组合，更具体地涉及 与确定和/或使用频谱带宽相关联的、促进改进所述频谱带宽的利用的可通信地耦接的认 知无线电(cognitive radio)系统、设备、方法或其组合。
背景技术：
数量日益增加的人们正在无线地访问诸如因特网和蜂窝电话系统之类的系统。这 可能导致为这些无线通信系统指派的受限频谱区中的拥塞。作为该拥塞的结果，可能拒绝 对这些系统的访问或者可能减少在这些拥挤的带宽上的吞吐量。有效地，在无线电频谱的 这些部分中仅存在有限量的空间。随着更多的设备变为无线，例如不仅膝上型计算机或蜂 窝电话、而且传感器网络、射频ID标签以及其它设备，所有这些设备也必须共享有限的且 日益拥挤的频谱。增加受限频谱的效用的一种解决方案是增加这些受限的频谱窗的频谱效 率。这样的尝试已经是有效的，但是具有有限点(finite point)，其中效率上的进一步提高 变得极难实施。问题不是总频谱的缺少，而是由于分配和使用总频谱的方式。其中将总的可用频 谱的所选部分的使用分开许可给不同的主(primary)用户(例如，电视广播区、商业无线电 广播区、应急频道区等)，次要(secondary)用户可以受限地访问这些附加的频谱区，在大 量用户可用的受限的频谱区(例如，在其它无线通信系统中的Wi-Fi频谱区、无线电话频谱 区、蜂窝电话频谱区)中产生拥挤。因此，另一解决方案是通过与次要用户共享被许可给主 用户的频谱的未用部分以进行无线通信来使用更宽的频谱区。美国的联邦通信委员会(FCC)(以及在世界上其它部分的类似机构，例如英国的 Ofcom)许可或分配各个频带(band)中的频谱，例如AM无线电、VHF电视、蜂窝电话、城市频 带无线电、寻呼机、Wi-Fi、蓝牙、以及步话机等等。然而，在这些频带未被充分利用的情况 下，可以移动(shift)来自更拥塞的频谱区的业务以便更有效地利用这些频带。FCC已经确 定多达70%的所分配的频谱在给位置和时间可能是空闲的，即使该部分频谱已经被分配供 主用户使用；例如，蜂窝网络频带可能超载而业余爱好者无线电和寻呼频率可能远远未被 充分利用。在特定频谱区的使用随着时间和位置改变的情况下，需要在每个位置和在每个 时间在允许次要用户访问该同一频谱区之前确定主用户对该频率的使用，以便避免干扰主 用户使用该特定频谱区。允许次要用户利用分配给主用户的频带的系统在其不引起任何明显干扰时被称 为认知无线电(CR)系统。通过诸如FCC做出特殊许可以使得新型无线网络可以在未用的 电视频道上测试CR系统、以及电气和电子工程师协会(IEEE)开始CR协议的标准化之类的 努力来开始开发和部署CR系统。大的电子设备制造商(诸如Intel)也已经开始对生产可 重新配置的无线电硬件以促进CR系统部署进行讨论和R&D努力。认知无线电系统通常可以被划分为两种类型1)全认知无线电(也叫做“Mitola 无线电”或“软件无线电”)，其中考虑无线节点或网络可观测的每个可能参数；以及2)频谱感测认知无线电，其中典型地仅考虑射频频谱。这两种类型可以根据它们使用许可的(非 公开分配的)频谱还是未经许可的(公开分配的)频率而分别被进一步划分为许可频带 (IEEE 802.22)和未经许可频带(IEEE 802. 15)认知无线电。—种确定可用频谱的方法是通过采用能量检测器。可用频谱的检测可以促进由次 要用户对该可用频谱的潜在使用。可以采用协作频谱感测来通过跨多个能量检测器位置而 协作地检测可用频谱并汇集该结果以便利与协作能量检测器的网络所覆盖的区域有关的 确定，来在较大的区域上确定可用频谱。通常，通过两个连续阶段进行协作频谱感测频谱 感测(例如，在多个CR的每一个处检测从主用户发送的信号)以及决定报告(例如，将决 定从多个CR发送到公共接收机)。公共接收机然后可以指示在被多个能量检测器(例如， 包括能量检测器的CR)覆盖的区域中的无线电(radio)可以采用没有正被主用户占用的频 谱区。在协作频谱感测系统在经历干扰的信道上进行通信的情况下，传统的协作频谱感 测系统可能经历频谱占用的遗漏检测和/或虚假报告。本主题公开的各实施例可以提供用 于改进“真实世界”通信信道上的报告的途径，以便提供更鲁棒的协作频谱感测环境。与传 统系统相反，通过在通信信道上采用空间_时间和/或空间_频率编码，虚拟天线可以实现 发送分集。进一步与不可靠的报告信道(channel)可能造成丢失来自一个或多个节点的感 测信息的传统系统相反，通过其它报告组件中继感测信息可以通过中继分集来维持协作频 谱感测。此外，通过采用代数编码可以进一步使中继分集更鲁棒。

发明内容
以下呈现本主题公开的各实施例的简化概述，以便提供这里描述的一些方面的基 本理解。该概述不是所公开的主题的广泛总述(extensive overview)。意图不是识别所公 开的主题的关键或重要元素，也不是勾画出本主题公开的各主题实施例的范围。其唯一的 目的是作为对后面呈现的更详细的描述的前序而以简化的形式呈现所公开的主题的一些 构思。本主题公开的各主题实施例涉及用于促进将未使用的无线电频谱用于无线通信 的协作频谱感测。在一个非限制性实施例中，提供一种促进协作频谱感测的系统，该系统包 括传感器，该传感器可以评估一个或多个主用户对频谱频带的占用，使得该设备可以报告 与所评估的频谱频带占用有关的信息，然后至少部分地基于所报告的协作频谱感测信息， 做出占用所述频谱频带相对于频谱频带的主要用途(usage)是否适当的确定。下面描述其 它实施例。以下描述和附图详细阐述了所公开的主题的某些例示性方面。然而，这些方面仅 指示可以采用本主题公开的各实施例的原理的各方式中的一些方式，所公开的主题意图包 括所有这样的方面和它们的等效物。在结合附图考虑时，根据对本主题公开的各实施例的 以下详细描述，所公开的主题的其它优点和区别特征将变得明显。


图1是根据这里所公开的主题的一方面的、可以促进确定频谱频带占用率以便帮 助确定该频谱频带的可用性的系统的图。
图2是根据所公开的主题的一方面的认知无线电网络的示意图。图3是根据这里所公开的主题的一方面的、可以促进确定频谱频带占用率以便帮 助确定该频谱频带的可用性的系统的图。图4是根据这里所公开的主题的一方面的、在具有SNRf = io逝的瑞利(Rayleigh) 衰落信道上对于不同数量的用户(例如，感测组件)的协作频谱感测的性能结果的曲线图。图5图示根据这里所公开的主题的一方面的、在具有完美报告信道的协作频谱感 测(a)和具有非完美报告信道的采用编码和恢复的协作频谱感测(b)之间的比较。图6-8图示根据所公开的主题的一方面的、协作频谱感测错误(error)概率Qm和 Qf的曲线图。图9图示根据所公开的主题的一方面的、用于不同的感测组件间通信信道的发送 分集的报告错误率性能的曲线图。图10图示根据所公开的主题的一方面的、k = 2个认知无线电相对于不同的感测 组件间通信信道的性能比较的曲线图。图11图示根据所公开的主题的一方面的、对于K = 2个认知无线电在中继分集和 代数编码的情况下协作频谱感测的性能。图12图示根据所公开的主题的一方面的、促进确定占用频谱频带的适当性的方法。图13图示根据所公开的主题的一方面的、促进确定占用频谱频带的适当性的方法。图14图示根据所公开的主题的一方面的、促进确定占用频谱频带的适当性的方法。图15图示根据所公开的主题的一方面的、促进确定占用频谱频带的适当性的方法。图16图示根据所公开的主题的一方面的、促进确定占用频谱频带的适当性的示 例电子设备的框图。
具体实施例方式总述射频频谱通常被主管团体分配给主用户。这些主用户可能未充分利用所分配的频 谱(例如，未使用的VHF电视广播频谱、在应急情况之外分配给应急响应系统的频谱、以及 其它示例)。联邦通信委员会(FCC)频谱政策工作组(SPTF)进行的最近研究已经证明在大 多数时间实际许可的频谱大量地未被占用。关于频谱占用测量的另一最近研究示出在六个 城市从30MHz到3GHz的平均频谱占用率为5. 2%，在纽约市最大总频谱占用率是13. 1%。 通过采用所分配的频谱区的未充分利用的带宽，可以降低频谱的其它频带上的拥塞。次要用户(SU)对于主用户(PU)的未充分利用的带宽的利用不应干扰PU对于分 配给主用户的频谱的使用。通常，仅当PU不使用分配给该PU的频谱区时，才可以允许SU 使用该频谱区。为此，可以检测并分析PU频谱的使用，以便确定允许SU使用的可行性。通 常确定未充分利用的频谱的可用性的无线电系统被称为认知无线电(CR)。通过感测并适应 于环境，CR能够填充频谱空洞并服务其用户(例如，SU)，而不造成对PU的有害干扰。发现频谱空洞的最有效方式是检测正在接收数据的主接收机。然而，这是不现实的，因为对于CR 而言测量主发射机和主接收机之间的信道非常困难。因此，CR通常通过集中于在时间和频 率窗上检测PU发送机信号来执行频谱感测。为了促进PU发送机信号的检测，CR可以包括感测组件，例如能量传感器。本领域 技术人员将理解可以将感测组件集成到CR中，或者感测组件可以是CR内部或外部的分离 组件，并且仍然提供如这里描述的并且被认为在所公开的主题的范围之内的功能。示例能 量检测器可以在预定带宽上在预定时间段中测量PU发送并且在感测组件处接收的信号的 能量。诸如发送频率、距发送机的距离、干扰信号、和/或物理干扰之类的因素可能影响感 测组件处的PU发送检测。协作频谱感测可以通过聚合来自多个分布的感测组件的分离的确定来改进频谱 窗的PU占用的确定。例如，第一感测组件由于其例如被建筑物遮挡而不能感测PU发送，而 未被遮挡的第二感测组件可以确定PU正在使用所分配的频谱区。通过融合来自感测组件 的这两个信息，可以确定由于PU此时正在使用带宽而不应允许SU使用该带宽。如果不融 合所述数据，第一感测组件的确定可能导致PU没有正在占用频谱的确定，并且SU发送可能 不期望地干扰PU的发送。另一方面，协作频谱感测通常通过报告组件将与频谱使用相关的本地(local)感 测结果传送给其它组件，以便促进供SU使用的可用频谱的确定。通过协作频谱感测进行的 可用频谱的分析检测通常受到在报告发送信道中出现干扰的限制。报告信道可能经历与报 告错误概率(Pe)相关联的干扰和衰落。一种克服该限制的方法是采用基于发送分集的协作 频谱感测方法，其中将多个能量检测器(例如，CR中的能量检测器)作为虚拟天线阵列。因 此，通过采用发送分集可以降低Ρε。发送分集可以包括平坦衰落信道上的空间-时间(ST) 编码和频率选择性衰落信道上的空间-频率(SF)编码。为了促进ST编码的实施，簇(cluster)中的每个感测组件可以与该簇中的其它 感测组件通信以便形成近似空间分集天线的虚拟天线。通过在相邻感测组件确定所发送 的报告数据的适当解码，置信度可以与这样的数据向接收组件的ST编码的发送相关联。 在该置信度(degree of confidence)足够高时，可以采用ST编码，而在没有足够信用 (confidence)时，可以采用可替代的发送形式，例如使用TDMA协议。可以实施SF编码以便在频率选择性衰落信道上实现发送分集增益。簇中的感测 组件每个可以通过在多个正交频分复用(OFDM)子信道上进行SF编码发送而发送报告信 息。因此，在多个OFDM子信道上同时发送多个报告信息，从而在单个子信道OFDM发送上允 许对应的分集增益。在SF编码不可行时，可以采用可替代的发送形式，例如使用FDMA协议。协作频谱感测中的附加限制可以与报告信道的遮挡(shadowing)或消除 (obliteration)有关。例如，在大建筑物位于报告感测组件和公共接收机之间时，报告感 测组件可能不能向公共接收机进行报告。为了克服该限制，当一些感测组件经历至公共接 收机的有问题的报告信道时，可以采用基于中继分集的协作频谱感测方法来增加检测分集 (diversity)。中继分集可以通过经由具有较好报告信道的不同感测组件中继报告信息，来 允许具有差报告信道的感测组件进行报告。通过采用代数编码、信号星座旋转技术、结合 基于中继分集的协作频谱感测方法来促进提高的协作频谱感测性能，可以实现进一步的改 进。
参考附图描述所公开的主题，在附图中类似参考标号自始至终被用来指代类似的 元件。在以下描述中，为了解释的目的，提出了大量特定细节以便提供本主题公开的各实施 例的透彻理解。然而，可能明显的是在没有这些特定细节的情况下可以实践所公开的主 题。在其他实例中，以框图形式例示公知结构和设备，以便便利于描述本主题公开的各实施 例。用于认知无线电的鲁棒协作频谱感测如所提及的，传统上通过频谱感测(例如在每个感测组件处检测从主用户发送到 信号)和决定报告(例如将与频谱感测有关的报告信息发送给公共接收机)进行协作频谱 感测。感测组件可以检测主用户(PU)发送在一时间段内在一频谱范围中的出现。频谱感 测可以确定频谱窗的哪些部分被占用并且因此不能用于次要用户(SU)占用。在频谱中存 在可用空间时，可以便利于SU发送。通过使用PU频谱频带上的可用频带，可以减少更拥塞 的频谱上的业务(traffic)。在感测组件已经收集了与频谱频带的占用有关的信息时，可以将该信息报告给中 央接收机。中央接收机可以部分基于所聚合的来自一个或多个感测组件的报告信息形成关 于频谱频带的次要使用的确定。决定报告信道可能经历错误，例如干扰、阴影(shadowing)、 平坦衰落、和/或频率选择性衰落、以及其他劣化影响。根据经验，协作频谱感测受到由不 完美的报告信道导致的报告错误的概率(Pe)限制。在报告信道不完美时，在感测组件和中 央接收机之间进行报告可能存在失败，以及/或者可能存在由中央接收机接收的错误的报 告(例如，“虚假警报”)。提供可能促进Pe的减小的系统、设备和/或方法。可以在协作频谱感测中采用发 送分集以便减小Py并且发送分集可以改进与可用频谱的更有效使用有关的协作频谱感测 的应用。可以在形成向中央接收机进行报告的簇的多个感测组件上采用空间-时间(ST) 编码和/或空间-频率(SF)编码。此外，当一个或多个报告信道被充分劣化从而显著干扰 该信道上的报告时，可以采用中继分集来促进保持协作频谱感测的益处。通过采用代数编 码可以进一步改进中继分集。感测组件的网络可以包括K个感测组件、以及公共接收机。通常，公共接收机管理 感测组件的网络。这样的网络的一个可能示例是认知无线电(CR)的网络，每个CR包括感测 组件和报告组件。在该示例中，CR网络中的一个CR可以充当中央接收机并且可以管理CR 网络中的其他CR。因此，在偏远的CR中的感测组件感测到PU频谱频带正在使用并且该信 息被报告给中央接收机时，中央接收机可以指示该网络中的CR不在PU频谱频带中发送，由 此可以防止CR网络干扰PU的所分配的频谱。类似地，如果偏远的CR没有感测到PU正在占 用该频谱频带，则中央接收机可以指示CR网络利用未使用的频谱。该示例与IEEE 802.22 工作组模型一致。通常可以将频谱感测划分为感测信号或不感测信号，如对于时不变信道的第i感 测组件处所表示的
权利要求
1.一种促进协作频谱感测的系统，包括至少一个感测组件，其中感测组件评价频谱频带的占用；至少一个报告组件，其中所述至少一个报告组件可通信地耦接到所述至少一个感测组 件，并且报告与所评价的频谱频带的占用有关的编码后的协作频谱感测信息；以及确定组件，其至少部分基于解码并分析所报告的协作频谱感测信息来确定占用所述频 谱频带的适当性。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个感测组件是在频带和时间窗上感测能 量的能量检测器。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个感测组件还包括决定组件，其中决定 组件在本地决定频谱频带占用的状态，并将频谱频带占用的状态转化为频谱频带占用的量 化符号表示。
4.如权利要求3所述的系统，其中在二元表示体系下体现频谱频带占用的量化符号表 示，所述二元表示体系至少表示所评价的频谱频带的占用状态和未占用状态。
5.如权利要求1所述的系统，其中报告组件以空间-时间编码、空间-频率编码或其组 合来至少部分地将与所评价的频谱频带占用的至少一部分有关的信息编码，以便增加发送 分集。
6.如权利要求5所述的系统，其中要编码的所评价的占用信息的所述部分的确定至少 部分地基于至少在第一感测组件和相应的可通信地耦接的报告组件与第二感测组件和相 应的可通信地耦接的报告组件之间的预定报告置信水平。
7.如权利要求1所述的系统，其中确定组件还包括融合组件，其至少部分促进融合来 自多个报告组件的所报告的信息，以便促进与占用所述频谱频带的适当性有关的确定。
8.如权利要求1所述的系统，其中确定组件还包括分析组件，其至少部分基于所报告 的信息、融合后的所报告的信息、关于所述频谱频带的占用所形成的推断或其组合来确定 占用所述频谱频带的适当性。
9.如权利要求1所述的系统，其中将来自至少第一感测组件的与所评价的频谱频带的 占用的至少一部分有关的信息中继到至少第二报告组件以及相应的可通信地耦接的第二 感测组件，并且第二报告组件至少部分地报告与至少第一和第二感测组件的所评价的频谱 频带的占用的至少一部分有关的信息，以便增加中继分集。
10.如权利要求9所述的系统，其中要报告的信息组包括至少第一和第二感测组件的 所评价的频谱频带的占用的至少一部分，并且通过至少部分地将旋转矩阵用于代数编码来 变换所述信息组。
11.如权利要求1所述的系统，还包括多个设备，每个设备包括至少一个感测组件和至少一个相关的可通信地耦接的报告组 件；以及协作频谱感测设备的网络的至少一部分，其中至少所述多个设备的子集通过空间-时 间编码后的发送分集、空间-频率编码后的发送分集、中继分集或代数编码后的中继分集 将与频谱频带的占用有关的信息报告给确定组件，以便确定占用所述频谱频带的适当性。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述多个设备中的至少一个设备是包括至少一个 感测组件和至少一个相关的可通信地耦接的报告组件的认知无线电设备。
13.如权利要求11所述的系统，其中确定组件包括认知无线电设备的至少一部分。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述多个设备中的任何设备、确定组件、或其组合 形成移动设备的一部分。
15.一种促进协作频谱感测的方法，包括在一个或多个位置接收与频谱频带的占用有关的信息；部分基于预定阈值，在所述位置的对应子集处编码与至少所接收的信息的子集有关的 fn息；报告与编码后的信息有关的信息；以及 至少部分基于所报告的信息，确定占用所述频谱频带的适当性。
16.如权利要求15所述的方法，其中通过空间-时间编码、空间-频率编码或其组合来 进行信息的编码，以便增加发送分集。
17.如权利要求15所述的系统，其中确定所接收的信息的子集、相关的位置或其组合 包括至少部分基于预定阈值确定所述子集。
18.如权利要求15所述的方法，其中确定预定阈值包括至少部分基于与将正确报告信 息的置信水平有关的推断来进行确定。
19.一种促进协作频谱感测的方法，包括在第一位置接收与一个或多个位置处的频谱频带的占用有关的第一信息；在第二位置接收与一个或多个位置处的频谱频带的占用有关的第二信息；将与第一信息的至少一部分有关的第三信息中继到至少第二位置；从第二位置报告以下信息以便增加中继分集与从第一位置向第二位置中继的第三信息有关的第四信息；和与涉及第二位置的关于频谱频带的占用的第二信息的至少一部分有关的第五信息；以及至少部分基于第四和第五信息确定占用所述频谱频带的适当性。
20.如权利要求19所述的方法，其中报告第四和第五信息包括报告在报告之前采用 旋转矩阵代数编码后的信息，以便增加代数编码后的中继分集。
全文摘要
所公开的主题涉及促进次要用户利用主用户未使用的频谱频带部分的、可通信地耦接的认知无线电系统、设备和方法。可以通过采用ST编码和/或SF编码以进行发送分集的协作频谱感测来实现该利用。此外，可以采用带有或不带有代数编码的中继分集来改进协作频谱感测。通过应用具有空间时间编码和/或空间频率编码的发送分集，可以降低虚假警报的阈值概率。此外，如果协作频谱感测系统中的一些节点不能直接报告，则可以采用中继分集来补偿降低的感测分集阶数。可以将代数编码与中继分集组合，以便降低中继分集中的虚假警报的阈值概率，同时保持高水平的感测分集阶数。
文档编号H04W16/14GK102090097SQ200980113176
公开日2011年6月8日 申请日期2009年2月12日 优先权日2008年2月14日
发明者卡莱德·本莱泰夫, 张伟 申请人:香港科技集团有限公司