专利名称：频谱分配方法
技术领域：
本发明涉及认知无线电领域，尤其涉及一种频谱分配方法。
背景技术：
截至2009年7月，全球移动用户达44亿。中国移动用户已经达到7. 1亿。到2015 年，中国可为公众移动通信规划约1000MHz带宽频谱资源，但距离工信部电信研究院估算 的1360MHz总带宽需求还有300MHz左右的缺口，频谱资源紧张。4G移动通信系统的带宽 是3G的10倍，意味着更大的带宽需求，无线宽带移动通信技术的快速发展受到频谱资源紧 缺的挑战。尤其是在移动通信系统使用的高峰期频率资源更加紧张。在最新颁布的物权法 中，无线电频谱资源已经与土地、矿山、森林等共同被列为最重要的国家战略性资源。如何 最有效地利用有限的资源，同时开发新的资源，成为无线电频谱领域的重要课题。认知无线电技术的提出是为了解决现有频谱资源利用不足的情况。认知无线电技 术允许非授权用户/从用户(Secondary User, SU)伺机的接入授权用户/主用户(Primary User, PU)的授权频段进行SU的通信。主、从用户之间的频谱共享的前提是从用户对主用 户的干扰小于主用户的干扰温度限。但是，从用户大多使用的频谱检测技术为发射机检测， 例如匹配滤波器检测、能量检测、静态循环特征检测等。但是从用户的发射机和接收机处于 不同的干扰地位，需要根据不同的干扰地位实施不同的检测方案。在主系统和从系统共存的环境中，从系统一方面要避免对主系统产生干扰，另一 方面也要避免受到主系统的干扰。图1给出了主从系统共存时的干扰情况。其中实线圈代 表从发射机的干扰范围；虚线圈代表从接收机的受干扰范围。当主接收机C处于A的干扰 范围内并且A和C使用了相同的频率时，从系统将造成对主系统的干扰；当D处于从接收机 B的受干扰范围内并且B和D使用相同的频率时，主系统将造成对从系统的干扰。对于从发射机A来说，为了不对主系统接收机产生干扰，应该使用其干扰范围内 主接收机未使用的频率作为发射频率；对于从接收机B来说，为了不受到主系统发射机的 干扰，应该使用其受干扰范围内主发射机未使用的频率作为信号接收频率。因此对于从发 射机来说频谱空洞是其干扰范围内主接收机未使用的频率，而从接收机的频谱空洞是其受 干扰范围内主发射机未使用的频率。从发射机和从接收机的频谱空洞是不同的，从发射机 的频谱空洞只与主接收机相关，而从接收机的频谱空洞只与主发射机相关。通过图1对这种频谱空洞进行进一步说明假设频率全集为F= {fl,f2,-,fn}, 从发射机A干扰范围内的主接收机使用了频率H、f3、f4，那么可以用于A发射的频谱空洞 集合为Ft= {f2，f5，…，fn}。从接收机B受干扰范围内的主发射机使用了频率fl、f2， 那么可用于B接收的频谱空洞集合为Fr = {f3，f4，…，fn}。可用于A向B通信的频率集 合为:F' = {f5, f6,…，fn}。图2给出了隐蔽站问题的示意图，其中实线圈代表主用户PUl和从用户SUl的通 信范围，虚线圈代表SUl的频谱感知范围。在隐蔽站问题产生的场景中，由于SUl在频谱感 知过程中不能检测到PUl的工作频率fl，因此，当SUl使用fl与SU2通信时会对PUl对应的主接收 机PU2产生意外的干扰。可以看出SUl将PU2所使用的频率看成了频谱空洞，这是 因为从用户通过检测发射机的频率来估计主接收机的频率，造成了频谱感知的误检，产生 了隐蔽站问题。实际上频率fl是否属于频谱空洞用于SUl的发射，取决于PU2而不是PUl。 由于PU2处于SUl的干扰范围内，所以fl不是SUl的频谱空洞。认知无线电中的暴露站问题发生在主接收机处于从系统干扰范围外，而主发射机 处于其检测范围内时，如图3所示。由于SUl检测到PUl在使用f2进行通信，因此便会认 为f2不属于频谱空洞。然而f2是可以用于SUl向SU2通信的，而不会对主系统PU2产生 干扰。暴露站问题的产生与隐蔽站问题的产生类似，也是因为通过检测主发射机的频率来 代替主接收机的频率，造成了频谱感知过程的失败。实际上SUl的频谱空洞仅与其干扰范 围内的主接收机相关，与PUl是否使用f2无关，只与其干扰范围内主接收机的频率相关，因 此f2是SUl的频谱空洞。可以看出，仅仅通过检测主发射机的频谱感知方式，不能避免主从系统间的干扰， 并且会降低频谱资源的利用率，造成了隐蔽站和暴露站问题的产生。在认知无线电技术应 用到移动通信系统的过程中，由于移动通信系统的网络拓扑结构的特殊性，系统内部的干 扰问题对移动通信系统对频谱资源的有效利用造成不良影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种频谱分配方法，能够避免隐蔽站和暴露站问题的发生， 降低从用户对主用户的干扰的概率。本发明的另一目的是提出一种认知移动通信系统中的频谱分配方法，能够实现认 知移动通信系统内的干扰协调，减少干扰的产生概率。为实现上述目的，本发明提供了一种频谱分配方法，包括以下步骤从发射机进行接收机检测，确定发射频谱空洞，且从接收机进行发射机检测，确定 接收频谱空洞；通过对所述发射频谱空洞与所述接收频谱空洞取交集，获得从系统的频率集，并 根据该频率集对所述从发射机和从接收机进行频谱分配。为实现上述目的，本发明提供了一种认知移动通信系统中的频谱分配方法，所述 认知移动通信系统为频分双工模式(FrequencyDivision Duplexing，简称FDD)系统，所述 频谱分配方法包括以下步骤从基站(Base Station，简称BS)和从移动台(Mobile Station，简称MS)进行发 射机检测，确定接收频谱空洞，并进行接收机检测，确定发射频谱空洞；所述从基站通过小区的公共控制信道汇总当前小区内所有的从移动台的发射频 谱空洞和接收频谱空洞，将每个从移动台的发射频谱空洞与所述从基站的接收频谱空洞取 交集，以及将每个从移动台的接收频谱空洞与所述从基站的发射频谱空洞取交集，获得当 前小区的所有从移动台的上下行频率集；所述从基站根据当前小区的所有从移动台的上下行频率集进行频谱分配。为实现上述目的，本发明提供了一种认知移动通信系统中的频谱分配方法，所述 认知移动通信系统为时分双工模式(Time DivisionDuplexing，简称TDD)系统，所述频谱 分配方法包括以下步骤
从基站和从移动台进行发射机检测，确定接收频谱空洞，并进行接收机检测，确定 发射频谱空洞；所述从基站通过小区的公共控制信道汇总当前小区内所有的从移动台的发射频 谱空洞和接收频谱空洞，将每个从移动台的发射频谱空洞和接收频谱空洞以及所述从基站 的接收频谱空洞和发射频谱空洞共取交集，获得当前小区的所有从移动台的时分双工频率 集；所述从基站根据当前小区的所有从移动台的时分双工频率集进行频谱分配。基于上述技术方案，本发明分析主从用户之间的干扰问题，发现隐蔽站暴露站问 题的产生原因是由于从系统没有区分发射机和接收机在干扰中的不同地位。因此本发明将 从发射机能够使用的频谱空洞作为发射频谱空洞。发射频谱空洞是周围主接收机没有使用 的频率，因此从发射机使用发射频谱空洞发射时不会对主接收机造成干扰。本发明将从接 收机能够使用的频谱空洞作为接收频谱空洞。接收频谱空洞是周围主发射机没有使用的频 率，从接收机使用接收频谱空洞进行接收不会受到主发射机的干扰。这种分类方式能够有 效避免从用户对主用户的干扰，同时从用户也不会受到主用户的干扰。本发明根据频谱空 洞的分类提出移动通信系统下的频谱空洞分配策略，能够根据本小区和相邻小区的频谱空 洞占用信息实现小区从用户频谱空洞的有效分配。因此，本发明能够有效的解决主从系统 之间的 干扰，也能够协调使用频谱空洞，解决从系统内部的干扰问题。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1为主系统和从系统共存的环境中主从系统之间的干扰情况示意图。图2为认知无线电中的隐蔽站问题的示意图。图3为认知无线电中的暴露站问题的示意图。图4为本发明频谱分配方法的一实施例的流程示意图。图5为本发明认知移动通信系统为FDD系统的上下行频率集的确定流程示意图。图6为本发明认知移动通信系统为TDD系统的TDD频率集的确定流程示意图。图7为本发明认知移动通信系统的频谱分配方法的一实施例的流程示意图。图8为本发明认知移动通信系统的频谱分配方法实施例的小区间频谱空洞分配 的应用场景示意图。图9为本发明认知移动通信系统的频谱分配方法实施例的一种帧结构设计示意 图。图10为本发明认知移动通信系统的频谱分配方法的另一实施例的流程示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。从用户对主用户的一种干扰是由于从用户单纯的对主发射机进行检测造成的，这 类干扰的典型代表就是隐蔽站问题。而与隐蔽站问题相对应的暴露站问题造成的是从用户 可用频谱空洞的减少，暴露站问题的产生原因也是从用户没有对主接收机检测，根据主接收机的频谱使用情况确定发射使用的频谱空洞。因此本发明在分析暴露站隐蔽站问题的基 础上将频谱空洞分为发射频谱空洞和接收频谱空洞，分别用于从用户的发射和接收。其中 发射频谱空洞是对主接收机进行检测得到的主接收机没有使用的授权频谱，接收频谱空洞 是对主发射机进行检测得到的主发射机没有使用的授权频谱。在将频谱空洞分类的基础 上，由于从用户使用的频谱空间空洞不同于以前的不分类的方式，因此本发明提出了一种 基于频谱空洞分类的新的频谱分配的方法，以及以移动通信系统作为从系统的频谱分配的 方式。 从上述分析可以看出，从发射机的可用频谱和从接收机的可用频谱之间是有所区 别的，从发射机的频谱空洞只与主接收机相关，从接收机的频谱空洞只与主发射机相关。为 了对两种类型的频谱空洞进行区分，我们称用于从发射机的频谱空洞为发射频谱空洞，而 用于从接收机的频谱空洞为接收频谱空洞。发射频谱空洞和接收频谱空洞的定义明确的区分了从发射机和从接收机的频谱 空洞，这对于频谱感知以及频谱分配都是非常重要的。发射频谱空洞和接收频谱空洞分别 隶属于从发射机和从接收机，具有双向通信能力的从设备应该同时具有发射频谱空洞和接 收频谱空洞。例如，图1中从发射机A的发射频谱空洞为Ft = F-{fl，f3，f4}，从接收机B 的接收频谱空洞为Fr = F-{fl，f2}。发射频谱空洞只与主接收机相关，而接收频谱空洞只与主发射机相关，因此两种 频谱空洞的检测方式也是不同的。接收频谱空洞的检测可以通过现有的匹配滤波器检测、 能量检测、静态循环特征检测等发射机检测技术实现。发射频谱空洞的检测要求从发射机 检测到主接收机的工作情况，可以通过本振泄漏功率检测技术来实现。但是这种接收机检 测技术还需要解决检测范围小，检测时间长的问题。发射频谱空洞和接收频谱空洞具有以下特点 发射频谱空洞只与主接收机频率相关，隶属于从发射机；接收频谱空洞只与主 发射机频率相关，隶属于从接收机。 从系统通信的建立过程中，不仅要考虑从发射机的发射频谱空洞，而且要考虑 从接收机的接收频谱空洞。通信频率需要从发射频谱空洞和接收频谱空洞的交集中选择。 两种频谱空洞的检测技术有所不同一方面，接收频谱空洞的检测需要从接收 机能够检测到其受干扰范围内的主发射机，可以采用发射机检测技术。另一方面，发射频 谱空洞的检测要求从发射机能够检测到其干扰范围内的主接收机，可以采用接收机检测技 术。由于主接收机的干扰忍受程度不同，所以在检测的过程中不同的接收机有不同的检测 标准。通过发射频谱空洞和接收频谱空洞的分类方式，使得从系统可以用于发射和接收 的频谱空洞的定义更加明确，可以避免隐蔽站和暴露站问题的发生，这一点可以通过图2 和图3分别进行说明图2中，SUl作为从发射机将检测其干扰范围内的主接收机，PU2所使用的频率Π 将通过接收机检测技术被检测出来。也就是说，π不属于SUl的发射频谱空洞，不会用于 SUl和SU2之间的通信，从而避免了隐蔽站。图3中SUl通过接收机检测技术检测其接收频 谱空洞，而不会检测主发射机PUl的发射频率f2，所以f2属于SUl的发射频谱空洞。并且 SU2通过发射机检测技术也不会检测到PU1，所以f2也是SU2的接收频谱空洞。因此f2可以用于SUl和SU2的通信，从而避免了暴露站问题。总之，根据从发射机和从接收机的可用频谱空洞的不同特点，将频谱空洞分类为 发射频谱空洞和接收频谱空洞，明确了两种频谱空洞的不同用途，能够解决频谱感知过程 中的隐蔽站和暴露站问题。基于上述分析，下面给出本发明的一种频谱分配方法的实施例，如图4所示，为本 发明频谱分配方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，频谱分配流程包括以下步 骤步骤101、从发射机进行接收机检测，确定发射频谱空洞，且从接收机进行发射机 检测，确定接收频谱空洞；步骤102、通过对所述发射频谱空洞与所述接收频谱空洞取交集，获得从系统的频
率集；步骤103、根据该频率集对所述从发射机和从接收机进行频谱分配。在本实施例中，在从发射机与从接收机之间通信的建立过程中，需要分别考虑从 发射机的发射频谱空洞和从接收机的接收频谱空洞，因此待分配的通信频率需要从该发射 频谱空洞和接收频谱空洞的交集中选择。通过对频率空洞的分类，可以避免隐蔽站和暴露 站问题的发生，降低从用户对主用户的干扰的概率。基于频谱空洞分类的思想，本发明提出频谱空洞分类下的认知移动通信系统的双 工链路频率选择方案。认知移动通信系统是一个双工系统，移动台与基站的上下行链路的 频率之间存在着一定的联系，不同的双工方式对于频谱空洞的选择会带来不同的影响。对于FDD系统来说，为了保证收发信机上下行链路的干扰隔离，上下行频率之间 需要一定的频率间隔。通信从系统的BS和MS通过频谱检测获得各自的发射频谱空洞和接 收频谱空洞Ft_BS为BS的发射频谱空洞；Fr_BS为BS的接收频谱空洞；Ft_MS为MS的发 射频谱空洞；Fr_MS为MS的接收频谱空洞。如图5所示，为了满足MS发射和BS接收的频率要求，上行链路频率fu需要从Ft_ MS和Fr_BS的交集即上行频率候选集F_ul中选择；同样的，下行链路频率fd需要从Ft_BS 和Fr_MS的交集即下行频率候选集F_dl中选择。由于上下行频率之间需要保证一定的频率间隔f；，所以在某一方向的链路的频率 确定之后，另一方向的链路的频率需要与之保持至少fo的频率间隔以保证上下行链路之间 不会相互干扰。而对于TDD系统来说，上下行采用相同频率，所以该频率既要满足从系统BS发射 和接收的要求，也要满足从系统MS发射和接收要求。如图6所示，TDD系统通信频率应该 从BS和MS所有的频谱空洞的交集，即TDD频率候选集F中选择。如图7所示，为本发明认知移动通信系统的频谱分配方法的一实施例的流程示意 图。在本实施例中，认知移动通信系统为FDD系统，该频谱分配过程包括步骤201、从用户包括从BS和从MS。频谱空洞包括发射频谱空洞和接收频谱空 洞。因此，从BS和从MS都要进行发射机检测来确定接收频谱空洞，又要进行接收机检测来 确定发射频谱空洞。发射机检测可以采用能量检测、匹配滤波器检测和循环平稳特性检测 等。接收机检测使用本振泄漏检测和基于干扰温度的检测等方法。步骤202、从BS通过小区的公共控制信道汇总当前小区内所有的从MS的发射频谱空洞和接收频谱空洞，将每个从MS的发射频谱空洞与从BS的接收频谱空洞取交集，以及将 每个从MS的接收频谱空洞与从BS的发射频谱空洞取交集，获得当前小区的所有从MS的上 下行频率集。每个从MS通过各自的频谱感知过程分别获得各自的发射频谱空洞Ft_MS和接收 频谱空洞Fr_MS，并通过公共控制信道与从BS建立联系，并将自身的频谱空洞信息发给基 站。需要注意的是该公共控制信道为该认知移动通信系统的授权频谱，以保证从MS和从BS 能够建立最初的通信连接。
从BS将所有η个从MS的频谱空洞信息写入频谱空洞信息表，如表1所示。进一步， 从BS的发射频谱空洞Ft_BS与从MS的接收频谱空洞Fr_MS⑴、Fr_MS⑵、…、Fr_MS (η) 分别取交集得到从BS与每个从MS的下行频率集F_dl(l)、F_dl(2)、…？-们⑷；类似的可 以得到从BS和从MS的上行频率集F_ul (1)、F_ul⑵、(η)，如表2所示。表2反映 了每个用户的上下行备选频率信息，以实现小区内的频谱分配。其中下行频率集F_dl(i) = Ft_BS Π Fr_MS(i)上行频率集F_ul(i) = Fr_BS Π Ft_MS(i)
发射频谱空洞 接收频谱空洞 MS(I)Ft—MS(l)Fr—MS(l)
MS (2)Ft—MS (2)Fr—MS (2)
MS (η)Ft—MS (η)Fr—MS (η)表1频谱空洞信息表
下行频率集上行频率集
MS(I) FTdT(T)Fr—ul(l)
MS (2)Ft—dl (2)Fr—ul(2)
MS (η)Ft—dl(η)Fr—ul(η)表2上下行频率集信息表步骤203、从BS根据当前小区的所有从MS的上下行频率集进行频谱分配。由于在FDD系统中，相邻小区包括本小区周围一圈内的小区(6个)，相邻小区之间 会相互干扰，而更远距离的小区这里认为其干扰可以被忍受。为了避免小区间的干扰，当一个频谱空洞被某小区所使用后，应该将该信息通知周边小区，防止该频率被再次使用。然而，一些情况下频谱空洞可以被邻近的小区同时使 用。例如，当小区A的用户距离BS较近时，其通信功率较小，不会影响邻近小区使用该频率。 这样就需要属于某一小区的BS将自身的频谱空洞信息共享给其他小区。为了实现小区间 的频谱空洞共享，BS作为每个小区的控制单元应该建立相互的连接，实现小区间的频谱信 息共享。在频谱空洞信息的共享方面，BS通过小区的公共控制信道获得MS的频谱空洞信 息，而BS之间通过有线连接交换各自的频谱空洞信息。在完成了小区间的频谱空洞信息的共享后，从BS需要根据当前小区的所有从MS 的上下行频率集以及小区间的频率限制关系进行频谱分配。下面给出一种分区域的频谱分配方案实例，来提高频谱空洞的利用率。在本实例 中，将从系统的小区分为小区中心和小区边缘两部分，如图8所示。在本小区中心区域进行 下行(上行)通信时，不会对相邻小区下行(上行)链路的通信造成影响；在本小区的边缘 区域使用某频率进行下行(上行)通信时，要保证相邻小区的边缘区域未使用该频率，避免 小区间的干扰。对于两个小区的不同链路来说，小区中心和边缘的划分不起作用，当本小区采用 某一频率进行下行通信时，如果相邻小区采用该频率进行上行通信，那么本小区基站会对 邻近小区基站产生干扰。这是因为基站的发射功率较大，且基站间的传播条件一般较好。这 种干扰类似于TDD系统中的交叉时隙干扰。表3给出了 FDD系统中小区间的频率限制关系的一种实例。以第一行为例，如果 频率f用于本小区中心区域的上行链路时，相邻小区只能用该频率进行小区中心的上行通 信，以及边缘区域的上行通信。通过表3，BS便可以知道本小区哪些频率可以使用以及如何 使用，哪 些频率不能使用。表3如下
权利要求
1.一种频谱分配方法，包括以下步骤从发射机进行接收机检测，确定发射频谱空洞，且从接收机进行发射机检测，确定接收 频谱空洞；通过对所述发射频谱空洞与所述接收频谱空洞取交集，获得从系统的频率集，并根据 该频率集对所述从发射机和从接收机进行频谱分配。
2.一种认知移动通信系统的频谱分配方法，所述认知移动通信系统为频分双工模式系 统，所述频谱分配方法包括以下步骤从基站和从移动台进行发射机检测，确定接收频谱空洞，并进行接收机检测，确定发射 频谱空洞；所述从基站通过小区的公共控制信道汇总当前小区内所有的从移动台的发射频谱空 洞和接收频谱空洞，将每个从移动台的发射频谱空洞与所述从基站的接收频谱空洞取交 集，以及将每个从移动台的接收频谱空洞与所述从基站的发射频谱空洞取交集，获得当前 小区的所有从移动台的上下行频率集；所述从基站根据当前小区的所有从移动台的上下行频率集进行频谱分配。
3.根据权利要求2所述的频谱分配方法，其中在频谱分配前还包括所述从基站通过基站间的有线连接与相邻小区的从基站共享发射频谱空洞和接收频 谱空洞；所述从基站根据当前小区的所有从移动台的上下行频率集以及小区间的频率限制关 系进行频谱分配。
4.根据权利要求3所述的频谱分配方法，其中在认知通信过程中的每一帧包括频谱分 配时隙、数据传输时隙、基站信息共享时隙和频谱感知时隙，所述认知移动通信系统中的所 有从基站和从移动台在每一帧的频谱分配时隙内进行频谱分配，在每一帧的基站信息共享 时隙内与相邻小区的基站进行信息共享，在每一帧的频谱感知时隙进行频谱感知，确定发 射频谱空洞和接收频谱空洞。
5.根据权利要求4所述的频谱分配方法，其中在每一帧的频谱分配时隙对上一帧分配 的频谱进行复核。
6.一种认知移动通信系统的频谱分配方法，所述认知移动通信系统为时分双工模式系 统，所述频谱分配方法包括以下步骤从基站和从移动台进行发射机检测，确定接收频谱空洞，并进行接收机检测，确定发射 频谱空洞；所述从基站通过小区的公共控制信道汇总当前小区内所有的从移动台的发射频谱空 洞和接收频谱空洞，将每个从移动台的发射频谱空洞和接收频谱空洞以及所述从基站的接 收频谱空洞和发射频谱空洞共取交集，获得当前小区的所有从移动台的时分双工频率集；所述从基站根据当前小区的所有从移动台的时分双工频率集进行频谱分配。
7.根据权利要求6所述的频谱分配方法，其中在频谱分配之前还包括所述从基站通过基站间的有线连接与相邻小区的从基站共享发射频谱空洞和接收频 谱空洞；所述从基站根据当前小区的所有从移动台的时分双工频率集以及小区间的频率限制 关系进行频谱分配。
8.根据权利要求7所述的频谱分配方法，其中在认知通信过程中的每一帧包括频谱分 配时隙、数据传输时隙、基站信息共享时隙和频谱感知时隙，所述认知移动通信系统中的所 有从基站和从移动台在每一帧的频谱分配时隙内进行频谱分配，在每一帧的基站信息共享 时隙内与相邻小区的基站进行信息共享，在每一帧的频谱感知时隙进行频谱感知，确定发 射频谱空洞和接收频谱空洞。
9.根据权利要求8所述的频谱分配方法，其中在每一帧的频谱分配时隙对上一帧分配 的频谱进行复核。
全文摘要
本发明涉及一种频谱分配方法，包括以下步骤从发射机进行接收机检测，确定发射频谱空洞，且从接收机进行发射机检测，确定接收频谱空洞；通过对所述发射频谱空洞与所述接收频谱空洞取交集，获得从系统的频率集，并根据该频率集对所述从发射机和从接收机进行频谱分配。本发明还涉及一种认知移动通信系统的频谱分配方法。本发明在频谱分配过程中采用频谱空洞分类，可以避免隐蔽站和暴露站问题的发生，降低从用户对主用户的干扰的概率；并进一步的实现了认知移动通信系统内的干扰协调，减少干扰的产生概率。
文档编号H04W72/04GK102137409SQ20101010108
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者张英海, 李凡, 王卫东, 王永涛, 王首峰 申请人:北京邮电大学