专利名称：用于对无线信道中的信号特征作频谱感测的方法和装置的制作方法
用于对无线信道中的信号特征作频谱感测的方法和装置优先权要求本专利申请要求于2009年7月22日提交且已转让给本申请受让人并由此通过援弓 I 明确纳入于此的题为“Methods and Apparatus for Spectrum Sensing of Signal Features in a Wireless Channel (用于对无线信道中的信号特征作频谱感测的方法和装置)，，的临时申请No. 61/227，700的优先权。对共同待审的专利申请的参引本专利申请涉及以下共同待审的美国专利申请于2007年11月6日提交、已转让给本申请受让人并通过援引明确纳入于此的具有美国申请号 S/N. 11/935，911 的 “Systems and Methods for Detecting the Presence of a Transmission Signal in a Wireless Channel (用于检测无线信道中传输信号的存在性的系统和方法)”。于2008年8月5日提交、已转让给本申请受让人并通过援引明确纳入于此的具有美国申请号 S/N. 12/186，500 的"Methods and Apparatus for Sensing the Presence of a Transmission Signal in a Wireless Channel (用于感测无线信道中传输信号的存在性的方法和装置)”。背景领域本公开一般涉及用于对无线信道中的信号特征作频谱感测的方法和装置，且更具体而言，涉及使用空间分集对窄带信号特征作频谱感测。背景诸如IEEE 802. 22无线区域网(WRAN)中采用的那样的认知无线电技术提供利用被许可给主用户的频谱的机会。这种未使用的频谱通常被称为“空白空间(white space)” 频谱。标识空白空间频谱的主要方法之一是使用频谱感测技术。频谱感测观察该频谱一段时间并随后确定该频谱是被主用户占用还是可供认知无线电网络使用。频谱感测器必须感测比噪声功率电平弱的信号。由于信号功率如此之低，通常不能解码该信号，并且因而必须感测信号特征。在其中认知无线电技术很可能首先被准许的电视频带中，有三种需要感测的主信号类型数字TV、模拟TV和无线话筒。在美国，DTV标准是ATSC，而模拟TV标准是NTSC。 对ATSC、NTSC和无线话筒的感测往往归结于感测窄带信号特征。在ATSC中，最佳信号特征之一是正弦导频频调。在NTSC中，最佳特征中有两个特征是音频和视频导频。因此对于皆为6MHz宽的ATSC和NTSC而言，感测时使用的特征往往是相当窄带的。无线话筒具有小于 IOOkHz的典型带宽，因此其是相对窄带的信号。然而，对窄带信号特征的感测容易受瑞利衰落影响。瑞利衰落导致窄带信号衰落多达20dB或以上，这使得难以感测这些窄带信号。另外，在瑞利衰落信道中，感测性能随信噪比(SNR)增大的提高很缓慢，这不同于其中感测性能随SNR增大的提高快得多的非衰落信道中的情景。
此外，先前的感测技术仅利用了单个感测天线，诸如用单个感测天线来感测ATSC 或无线话筒。这些已知感测技术要求对信道带宽的一部分上的功率谱进行估计，并且因此遭受瑞利衰落效应的不利影响。因此，以较不易受瑞利衰落影响的方式执行对无线信道中的窄带特征的频谱感测以提高感测性能将是合意的。概述根据一方面，公开了一种用于感测无线通信系统中的信号的特征的方法。该方法包括确定多个谱密度估计，其中这多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中各自相应的天线对该信号的接收来推导出的。该方法进一步包括组合这多个谱密度估计，以及基于这多个谱密度估计的组合来感测这些信号特征。根据另一方面，公开了一种能作用于感测无线通信系统中的信号的特征的装置。 该装置包括存储器，存储能由处理器执行的指令；以及至少一个处理器，配置成执行存储在该存储器中的指令。这些指令使该处理器确定多个谱密度估计，其中这多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中各自相应的天线对该信号的接收来推导出的。此外，这些指令使该处理器组合这多个谱密度估计；以及基于这多个谱密度估计的组合来感测这些信号特征。在又一方面，教导了一种能作用于感测无线通信系统中的信号的特征的设备。该设备包括用于确定多个谱密度估计的装置，这多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中的相应各个天线对该信号的接收来推导出的。此外，该设备包括用于组合这多个谱密度估计的装置；以及用于基于这多个谱密度估计的组合来感测这些信号特征的装置。根据再一个其他方面，公开了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品。该介质包括用于使计算机在无线设备中确定多个谱密度估计的代码，其中这多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中各自相应的天线对该信号的接收来推导出的。该介质还包括用于使计算机组合该多个谱密度估计的代码；以及用于使计算机基于这多个谱密度估计的组合来感测这些信号特征的代码。附图简述
图1是其中可采用本文公开的方法和装置的通信网络。图2是采用多天线技术的通信系统的示例的框图。图3解说了用于感测无线通信系统中的信号特征的方法的流程图。图4解说了用于感测无线通信系统中的信号特征的另一方法的流程图。图5解说了例如可在图1的系统中使用的示例性无线设备。图6解说了例如可在图1的系统中使用的另一示例性无线设备。详细描述根据本公开，公开了用于使用多个天线(即，空间分集)以较不易受瑞利衰落和其他时间分集衰落影响的方式来检测无线信道中特定传输信号的存在性的方法和装置，其利用该传输信号中的特定频谱特性来提高检测准确度。此举是有用的，因为不同天线上的衰落趋于不同，从而当一个天线上有深度衰落时，不大可能另一天线上也将有深度衰落。具体而言，所公开的方法和装置涉及组合来自多个感测天线的信号以获得对功率谱的估计，以供用于感测窄带信号特征。注意，使用多个天线来接收单个信号被称为“空间分集”。本文中所描述的技术可用于各种无线通信网络，诸如IEEE 802. 22无线区域网(WRAN)、IEEE 802. 11无线局域网(WLAN)或其他认知无线电技术。此外，构想了本文公开的方法和装置将可适用于其他无线电技术——倘若其需要感测窄带信号特征，其他无线电技术包括诸如码分多址(CDMA)网络、时分多址(TDMA)网络、频分多址(FDMA)网络、正交 FDMA (OFDMA)网络、单载波FDMA (SC-FDMA)网络等技术。术语“网络”和“系统”常被可互换地使用。CDMA网络可实现诸如通用地面无线电接入(UTRA)、cdma2000等无线电技术。UTRA 包括宽带 CDMA (W-CDMA)和低码片率(LCR)。cdma2000 涵盖 IS-2000、IS-95 和 IS-856 标准。 TDMA网络可实现诸如全球移动通信系统(GSM)等无线电技术。OFDMA网络可实现诸如超移动宽带(UMB)、演进 UTRA (E-UTRA)、IEEE 802. 11、IEEE 802. 16、IEEE 802. 20、Flash-OFDM 等无线电技术。UTRA、E-UTRA和GSM是通用移动电信系统(UMTS)的部分。长期演进(LTE) 是即将发布的使用E-UTRA的UMTS版本。UTRA、E-UTRA、GSM,UMTS和LTE在来自名为“第三代伙伴项目”(3GPP)的组织的文献中描述。cdma2000在来自名为“第三代伙伴项目2”(3GPP2) 的组织的文档中描述。这些各色无线电技术和标准是本领域公知的。图1解说了其中可采用本文公开的方法和装置的通信网络100。网络100包括多个基站102,104,106和多个用户设备108、110、112、114。用户设备108、110、112、114可以是认知无线电设备、无线设备、移动站或其他类似设备。网络100还包括多个服务区116、 118、120，它们可分别由基站102、104、106实现。第一服务区116包括第一基站102和多个用户设备108、110。第一服务区116可与一个或更多个其他服务区交迭，举例而言诸如所解说的第二服务区118和第三服务区120。如图所示，一些用户设备可位于与不同服务区交迭的服务区中。这多个基站110、112、114、116、118可向位于其各自相应的服务区中的用户设备提供服务。例如，第一基站102可向位于第一服务区116中的用户设备(例如，108、110、 112,114)提供服务并执行与这些用户设备的通信。这多个用户设备108、110、112、114中的每一个用户设备可扫描被一个或更多个基站102、104、106利用的频带以及被其他用户设备使用的频率。位于两个服务区之间的交迭区中的用户设备可扫描被在该交迭区中提供服务的每个基站所利用的频带。这些用户设备中的每一个还可被配置成感测信道是否被有执照传输所占用。例如，每个用户设备可感测RF频谱当前是否正被有执照ATSC数字电视传输、NTSC模拟电视传输、或无线话筒传输所占用。如以上所讨论的，未被占用的信道可被用户设备(例如，用户设备108、110、112和114)用于无执照无线网络操作。具体而言，这些用户设备可包括诸如认知无线电设备之类的设备。图2是采用多天线技术的通信系统200的示例的框图。具体而言，图2示出了具有发射机系统210和接收机系统250以提供空间分集的多输入多输出(MIMO)系统。在一方面，每个数据流在各自相应的发射天线2M上被发射。TX(发射)数据处理器214基于为每个数据流选择的特定编码方案来格式化、编码、和交织该数据流的话务数据以提供经编码数据。可使用已知技术将每个数据流的经编码数据与导频数据进行复用。导频数据通常是以已知方式处理的已知数据码型，并且可在接收机系统处被用来估计信道响应。每一数据流的经复用的导频和经编码数据随后基于为该数据流选择的特定调制方案(例如， BPSK、QPSK、M-PSK或M-QAM)被调制(即，码元映射)以提供调制码元。每个数据流的数据率、编码、和调制可由处理器230执行的指令来决定。
所有数据流的调制码元随后被提供给TX MIMO处理器220，后者可进一步处理这些调制码元(例如，针对OFDM)。TX ΜΙΜΟ处理器220随后向NT个发射机(TMTR) 222a到 222t提供NT个调制码元流。每个发射机222接收并处理各自相应的码元流以提供一个或更多个模拟信号，并进一步调理(例如，放大、滤波、以及上变频)这些模拟信号以提供适合在MIMO信道上传输的经调制信号。来自发射机22 到222t的NT个经调制信号随后分别从NT个天线22 到224t被发射。在接收机系统250处，所发射的经调制信号被NR个天线25 到252r所接收，并且从每个天线252接收到的信号被提供给各自相应的接收机0 0^)25如到2541·。每个接收机邪4调理(例如，滤波、放大、以及下变频)各自相应的收到信号，将经调理的信号数字化以提供采样，并进一步处理这些采样以提供相应的“收到”码元流。至少一个RX (接收)数据处理器260随后从NR个接收机2M接收这NR个收到码元流并基于特定接收机处理技术对其进行处理以提供NT个“检出”码元流。RX数据处理器 260然后解调、解交织、以及解码每个检出码元流以恢复该数据流的话务数据。RX数据处理器260所执行的处理与发射机系统210处由TX MIMO处理器220和TX数据处理器214所执行的处理互补。本装置和方法还可利用如图2中所示的MIMO类型的布局进行窄带特征感测，其可利用诸如2M或260之类的处理用空间分集来仅感测特定窄带特征。在另一方面，可采用类单输入多输出(SIMO)布局(例如，仅有一个发射天线224)进行窄带特征感测，其中由单个天线从设备(例如，基站)发射单个信号而在用户设备或感测设备处多个感测天线被用来实现空间分集以便感测该单个信号的窄带特征。此处要注意，传统空间分集组合技术典型情况下涉及在时域中组合来自多个天线的信号。这些传统分集组合技术包括最大比组合以及等功率组合。这两种技术都是要求信号同步的时域组合技术。对于这些技术，来自多个天线的信号必须被同步，从而这些信号才能被同相地组合。这可以在接收机正在解码信号时进行，因为解码信号是在能对信号执行同步的信噪比(SNR)水平进行的。然而，在频谱感测中，SNR可能低至-20dB或以下。在这种情形中，不可能同步到信号。许多频谱感测技术利用对包含窄带信号特征的频谱区域中的功率谱密度的估计。 此类感测技术的示例在以上提及的申请中公开并通过援引纳入于此。本文公开的装置和方法也利用功率谱密度(PSD)估计，诸如在所引述的申请中公开的那些PSD估计。例如，根据 072156，周期图生成器可被使用并被配置成确定或演算平均功率谱估计或周期图(例如，
ι M-I2
Pper( ) = TT Σexp(-7^))的离散版本，其中？哪是功率谱密度估计或周期图，M是 M m=o
所演算的区间或FFT的数目，且x(m)是针对每个相应的第m区间确定的功率谱密度估计。 演算Ppek涉及取数目M个FFT，每第m个区间一个FFT，并随后确定FFT结果的绝对值并在所有M个区间上对这些绝对值取平均。注意，第m个感测区间的基带信号可由关于第η个采样的知^]给定，其中η = 0， 1，... N-I。因此，对第m个感测区间的基带信号的离散FFT由Xm[k]给出，k = 0，1，... N-I。因而，M个感测区间上的平均功率谱估计的离散版本X[k]由等式
权利要求
1.一种用于感测无线通信系统中的信号的特征的方法，所述方法包括确定多个谱密度估计，所述多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中的相应各个天线对所述信号的接收来推导出的； 组合所述多个谱密度估计；以及基于所述多个谱密度估计的所述组合来感测所述信号特征。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，组合所述多个谱密度估计包括以下之一对所述多个谱密度估计取平均，以及针对每个索引选择所述多个谱密度估计的逐点最大值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述多个谱密度估计进一步包括 数字地采样在每个各自相应的天线上接收的信号；以及为从每个各自相应的天线采样的所述信号中的每个信号演算各自相应的功率谱密度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，感测所述信号特征进一步包括确定测试统计以及将所述测试统计与预定阈值作比较以确定感测到所述信号特征。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述测试统计包括以下之一确定所述组合谱密度估计的最大值，以及确定所述组合谱密度估计的最强值的归一化值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括检查频率误差，以及在所述频率误差高于阈值时确定所述信号特征不存在。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号特征包括高级电视系统委员会 (ATSC)信号和NTSC信号中的至少一者的导频。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号特征包括无线话筒信号。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，感测所述信号特征的存在性是在认知无线电系统中实现的。
10.一种能作用于感测无线通信系统中的信号的特征的装置，所述装置包括 存储器，存储能由处理器执行的指令；以及至少一个处理器，配置成执行存储在所述存储器中的所述指令以 确定多个谱密度估计，所述多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中各自相应的天线对所述信号的接收来推导出的； 组合所述多个谱密度估计；以及基于所述多个谱密度估计的所述组合来感测所述信号特征。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，组合所述多个谱密度估计包括以下之一 对所述多个谱密度估计取平均，以及针对每个索引选择所述多个谱密度估计的逐点最大值。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，在确定所述多个谱密度估计时，所述至少一个处理器进一步配置成执行存储在所述存储器中的所述指令以数字地采样在每个各自相应的天线上接收的信号；以及为从每个各自相应的天线采样的所述信号中的每个信号演算各自相应的功率谱密度。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，在感测所述信号特征时，所述至少一个处理器进一步配置成执行存储在所述存储器中的所述指令以确定测试统计以及将所述测试统计与预定阈值作比较以确定检测到所述信号特征。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，在确定所述测试统计时，所述至少一个处理器进一步配置成执行存储在所述存储器中的所述指令以进行以下之一确定所述组合谱密度估计的最大值，以及确定所述组合谱密度估计的最强值的归一化值。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述至少一个处理器进一步配置成执行存储在所述存储器中的所述指令以检查频率误差，以及在所述频率误差高于阈值时确定所述信号特征不存在。
16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述信号特征包括高级电视系统委员会 (ATSC)信号和NTSC信号中的至少一者的导频。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述信号特征包括无线话筒信号。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置能在认知无线电系统中工作。
19.一种能作用于感测无线通信系统中的信号的特征的设备，所述设备包括用于确定多个谱密度估计的装置，所述多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中各自相应的天线对所述信号的接收来推导出的； 用于组合所述多个谱密度估计的装置；以及用于基于所述多个谱密度估计的所述组合来感测所述信号特征的装置。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述用于组合所述多个谱密度估计的装置进一步配置成进行以下之一对所述多个谱密度估计取平均，以及针对每个索引选择所述多个谱密度估计的逐点最大值。
21.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述用于确定所述多个谱密度估计的装置进一步包括用于数字地采样在每个各自相应的天线上接收的信号的装置；以及用于为从每个各自相应的天线采样的所述信号中的每个信号演算各自相应的功率谱密度的装置。
22.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述用于感测所述信号特征的装置进一步包括用于确定测试统计的装置以及用于将所述测试统计与预定阈值作比较以确定感测到所述信号特征的装置。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述用于确定所述测试统计的装置包括以下之一用于确定所述组合谱密度估计的最大值的装置、以及用于确定所述组合谱密度估计的最强值的归一化值的装置。
24.如权利要求19所述的设备，其特征在于，进一步包括 用于检查频率误差的装置，以及用于在所述频率误差高于阈值时确定所述信号特征不存在的装置。
25.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述信号特征包括高级电视系统委员会 (ATSC)信号和NTSC信号中的至少一者的导频。
26.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述信号特征包括无线话筒信号。
27.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述设备能在认知无线电系统中工作。
28.一种计算机程序产品，包括 计算机可读介质，包括用于使计算机在无线设备中确定多个谱密度估计的代码，所述多个谱密度估计中的每个估计是基于由多个天线中各自相应的天线对信号的接收来推导出的； 用于使计算机组合所述多个谱密度估计的代码；以及用于使计算机基于所述多个谱密度估计的所述组合来感测信号特征的代码。
29.如权利要求洲所述的计算机程序产品，其特征在于，所述用于使计算机组合所述多个谱密度估计的代码进一步包括以下之一用于使计算机对所述多个谱密度估计取平均的代码；以及用于使计算机针对每个索引选择所述多个谱密度估计的逐点最大值的代码。
30.如权利要求观所述的计算机程序产品，其特征在于，所述用于使计算机确定所述多个谱密度估计的代码进一步包括用于使计算机数字地采样在每个各自相应的天线上接收的信号的代码；以及用于使计算机为从每个各自相应的天线采样的所述信号中的每个信号演算各自相应的功率谱密度的代码。
31.如权利要求观所述的计算机程序产品，其特征在于，所述用于使计算机感测所述信号特征的代码进一步包括用于使计算机确定测试统计的代码；以及用于使计算机将所述测试统计与预定阈值作比较以确定感测到所述信号特征的代码。
32.如权利要求31所述的计算机程序产品，其特征在于，所述用于使计算机确定所述测试统计的代码包括以下之一用于使计算机确定所述组合谱密度估计的最大值的代码；以及用于使计算机确定所述组合谱密度估计的最强值的归一化值的代码。
33.如权利要求观所述的计算机程序产品，其特征在于，进一步包括 用于使计算机检查频率误差的代码，以及用于使计算机在所述频率误差高于阈值时确定所述信号特征不存在的代码。
34.如权利要求观所述的计算机程序产品，其特征在于，所述信号特征包括高级电视系统委员会(ATSC)信号和NTSC信号中的至少一者的导频。
35.如权利要求观所述的计算机程序产品，其特征在于，所述信号特征包括无线话筒信号。
36.如权利要求观所述的计算机程序产品，其特征在于，所述无线设备能在认知无线电系统中工作。
全文摘要
公开了用于感测无线通信系统中的信号的特征的方法和装置。所公开的方法和装置通过确定数个谱密度估计来感测信号特征，其中每个估计是基于具有多个感测天线的系统中各自相应的天线对信号的接收来推导出的。随后组合这些谱密度估计，并基于这些谱密度估计的组合来感测信号特征。
文档编号H04B17/00GK102474361SQ201080033870
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年7月22日
发明者S·J·谢尔汉姆 申请人:高通股份有限公司