专利名称：适合多系统共存的动态无线频谱共享方法
技术领域：
本发明涉及在非授权频段内，无中心的多系统遵循预设的方法，动态地共享无线频谱，来满足各自进行有效通信的条件。
背景技术：
近年来，随着无线通信业务需求的快速增长，尤其像无线个人域网(WRAN)、无线局域网(WLAN)和无线城域网(WMAN)这些宽带无线通信应用的兴起，使可用频谱资源变得越来越紧张。因此，各种用以提高无线频谱效率的无线通信技术得到了广泛的研究。目前无线电管理机构所采用的频谱分配置度是固定频带分配的原则，将频谱分为两个部分，授权频段与非授权频段。其中授权频段占据了大部分的频谱，如电视广播频段，而非授权频段的可用频谱资源却少之又少。随着工作于非授权频段的新兴无线通信技术的高速发展，非授权频段的频谱已趋于饱和。有若干种方法用于确保无线电频谱内给定频带被有效地共享。一般而言，当两个无线电频率装置同一时刻在同一或有重叠的频带上发射时，发射会相互干扰。例如，如果一个无线电接收器正在试图从一无线装置接收发射，假如在该无线电接收器的天线上感应出的信号电平与减损电平相比足够大的话，接收即是成功的。减损可以是热生成噪声、来自信道的非理想化特征的信号失真、或由在同一频带上或在接近的频带上发送的其他装置生成的干扰。由其他装置引起的减损被称为干扰。一般而言，如果从无线装置接收的信号与所有干扰源之比保持在某一可接受水平或之上，则可以给定的概率来成功接收信号。该比值通常被称为载干比(CIR)。为确保保持可接受的CIR，无线协议和标准通常将无线电频谱划分成若干信道。为确保高的CIR，与给定装置相对临近的发射装置在不同的信道上发射。由于在无线电频谱的任一频带内仅有有限个信道可用，当发射装置超出可用信道数时，信道被重复使用。例如，如果一个信道由无线装置共享，将会对由装置发射时的信号的接受生成某种水平的干扰。无线装置在同一频带上接受的干扰电平可通过对无线电频谱的频带创建信道来很大程度地降低。干扰电平的降低使得整个系统保持较高的CHR和较高的期望信号成功接收概率。在最近的消费者级无线设备的蓬勃发展之前，频率共享很大程度上通过有诸如美国通信委员会(FCC)等管理机构紧密控制无线电发射装置来实现的。这一级别的控制在当发射器在数量上较少并容易检测时能较好地起作用，譬如对于广播电台和电视台发射器的情况。有FCC控制的信道化的一个简单的示例是甚高频(VHF)电视发射。FCC强制推行一种将全国划分成地理区域的发射标准。尽管频谱被划分成信道2-13，然而在给定的地理区域中，仅适用奇数或偶数信道。如果在一个区域中适用了偶数信道，则奇数信道将在相邻区域中使用。由此，确保了最接近给定区域的发射器在不同信道上，并且使用同一频率的最接近的发射器将自然地相隔较远，由此产生更少的干扰。
以上控制方法控制发射装置在当发射器是通过管理机构许可并且在数量上较少时能较好地起作用。然而，无线和非许可消费者设备的大量增长在数量上是巨大的，并且不需要许可。期望无线装置和网络能在非授权频段内利用信道化和及其所产生的干扰降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，能有效解决在非授权频段内，无中心的多系统根据本发明所设定的方法，接入合适的频段，可以增大自身的发射功率，但和潜在干扰信号的功率之和必须小于所述预定方法中规定的阈值。当系统业务量增加时，可以适当地增大所占的频谱带宽，但和相邻频谱之间的保护带宽GBW不能小于预设方法中规定的最小保护带宽。若业务量持续增大，所需带宽不断增加，保护带宽此时已经小于预设方法中规定的迫动性保护带宽MoveGBW，这时各个系统根据预设的方法， 动态地调整自己所占的频带位置，在满足自己所需频带的同时，使得保护带宽GBW尽量大于迫动性保护带宽MoveGBW。如果各个系统调整之后，系统的保护带宽GBW仍小于迫动性保护带宽MoveGBW，但系统仍需扩展带宽，可以容许该系统继续扩展带宽，但保护带宽GBW必须大于等于最小保护带宽MinGBW。当系统带宽扩展至使得保护带宽GBW等于最小保护带宽 MinGBff,系统停止扩展带宽，之后随着各个系统再次调整频谱状况，使得该系统的保护带宽增大，随后该系统才能进行频谱移动和扩展。为了实现上述目的，本发明提供了一种适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，包括如下步骤(1)当一个系统将要进行通信并需要接入频谱时，探测所处区域的频谱使用状况， 根据预设的方法和自身业务量的大小，选择合适的频带接入，同时各个频段之间必须保留足够的保护带宽，以避免有害干扰；(2)接入到频谱之后，各个系统根据信道状况和自身业务量的大小调整自己的发射功率和占用的带宽；(3)由于系统业务量的增大，系统所占带宽扩张，造成保护带宽的减小，各个系统能够自动调整频谱使其朝向空闲频谱的方向移动，来满足各自需要的带宽以及保护带宽。经过验证，本发明提供的动态共享频谱方法能够使多系统很好的共享无线频谱 (详细过程见具体实施过程)。在本发明的一个实施例中，所述步骤(1)具体为(21)根据预设的方法，已接入频谱的各个系统周期性的广播自己的频谱使用信息；(22)根据预设的方法，将要接入频谱的系统发送频谱请求，收集已经接入频谱的各个系统的频谱使用信息；(23)根据预设的方法，不需要接入频谱的系统保持沉默；(24)根据预设的方法，申请接入频谱的系统根据收集到的信息得到一份频谱使用图，根据此图系统以及自身所需的带宽，选择合适的频带接入。(25)根据预设的方法，系统选择接入的频带和相邻系统占用频带之间的保护带宽 (GBff)应该大于迫动性保护带宽(MoveGBW)。在本发明的一个实施例中，所述步骤04)具体为
(31)根据预设的方法，是否在某频段发射信号，需要将收集到的其他系统的发射功率信息(可将其他系统当做潜在的干扰信号)，和预设方法规定的某一阀值进行比较；(32)所述的阈值是预设方法中的一个函数；(33)根据预设的方法，如果所述潜在干扰信号的功率电平低于所述阀值电平，则所述系统在此无线信道上发射信号；(34)根据预设的方法，如果所述潜在干扰信号的功率电平高于所述阀值电平，则所述系统需要切换信道来发射信号；在本发明的一个实施例中，所述步骤(2)具体为(41)系统成功接入到频谱之后，为了提高信噪比SNR，系统会增加发射功率，这时需要将干扰信号的功率和发射功率之和同步骤Gl)中所述的阈值进行比较，增大发射功率直到接近于阈值电平；(42)系统成功接入到频谱之后，当业务数量增加时，系统所占频谱的带宽需随之增加，可能会造成保护带宽的减小，直到预设方法规定的最小保护带宽MinGBW ；在本发明的一个实施例中，所述步骤(3)具体为(51)由于系统业务需求量的增大，所占带宽不断增加，和相邻频谱之间的保护带宽就会减小到协议规定的最小保护带宽；(52)保护带宽过小，对系统的有害干扰会很大，需要调整各个系统的频谱使用情况；(53)由于各个系统是一个无中心的拓扑网络，各个系统就需要根据预设的方法， 动态地调整频谱使用状况，使得各个系统之间留有足够的保护带宽。
图1为多系统共存的动态无线频谱共享方法的流程图；图2为保护带宽，迫动性保护带宽以及最小保护带宽的示意图；图3为系统动态接入频谱并得到所需频带的流程图；图4为系统扩展，减小带宽以及移动频带的示意图；图5为系统调整各自频谱的流程图。
具体实施例方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。图1是本发明一种适合多系统共存的动态无线频谱共享的方法的主要步骤的说明；图2是针对图1的步骤1中的系统接入频谱所需保护带宽的说明，以及图1的步骤2和步骤3中系统调整频带所需的保护带宽的说明；图3是针对图1的步骤1中的系统如何接入频谱，并接入合适频带的说明；图4是针对图1的步骤2和步骤3中的系统可能进行的扩展，减小以及移动频带的各种行为的说明；图5是针对图1步骤3中的系统如何动态调整各自频谱位置的说明。参考图1，本发明一种适合多系统共存的动态无线频谱共享的方法，主要包括如下步骤
步骤1，当一个系统将要进行通信并需要接入频谱时，探测所处区域的频谱使用状况，根据预设的方法和自身业务量的大小，选择合适的频带接入，同时各个频段之间必须保留足够的保护带宽，以避免有害干扰；步骤2，接入到频谱之后，各个系统根据信道状况和自身业务量的大小调整自己的发射功率和占用的带宽；步骤3，由于系统业务量的增大，系统所占带宽扩张，造成保护带宽的减小，各个系统能够自动调整频谱使其朝向空闲频谱的方向移动，来满足各自需要的带宽以及保护带
觅ο图2详细说明了图1中系统所需的保护带宽GBW和迫动性保护带宽MoveGBW以及最小保护带宽MinGBW的关系。图3详细说明了图1的步骤1中的系统如何选择合适的频带接入，包括如下步骤步骤1，已经接入频谱的系统周期性地发射自己频谱使用信息，比如用户ID，频带使用情况，发射功率等等；步骤2，将要接入频谱的系统发射自己接入频谱的信息，包括所需的带宽，所需的保护带宽大小，以及发射功率等等；步骤3，将要接入频谱的系统收集已接入频谱的系统发射的频谱使用信息，将几个空闲的频带作为候选集(1)；步骤4，将要接入频谱的系统根据自己的业务量确定自己所需的带宽以及保护带宽的大小，从步骤3中的频带候选集(1)中选择合适的频带；步骤5，假定将要接入频谱的系统根据业务量确定所需的带宽为W，保护带宽 GBff彡MoveGBff,其中MoveGBW为系统的迫动性保护带宽。根据这些条件，得到一个候选频带集⑵；步骤6，在候选频带集O)中，在各个候选频段计算自己发射功率和干扰信号的功率之和P ；步骤7，将步骤6中的功率之和P同预设方法中规定的阈值PO比较，如果在某个频段内的P >P0，则可以将这个频段从候选频段集O)中删除。步骤8，将经过步骤7删选过的频段称为候选频段集( ，在这个候选频段集(3) 中的频段都是可以使用的。在这些频段中选择那些所占带宽大，保护带宽充足的，以及容许更大的发射功率的频带作为接入的频带。图4详细说明图1的步骤2和步骤3的中系统可能进行的扩展，减小带宽以及移动频带的各种行为。图5详细说明图1的步骤3中的系统如何调整自己的频谱，包括如下步骤步骤1，系统接入到频谱之后，周期性地广播自己的频谱使用信息；步骤2，随着系统业务量的增大，所需的带宽也需增大。这时，系统周期性地广播自己需要增大多少带宽；步骤3，系统业务量减小的时候，所占的带宽也需要相应的减小；步骤4，系统增大带宽，有两种可能的情况(1)单方向的增大带宽(即朝一个方向增大带宽)；( 双方向增大带宽(即两个方向一起增大带宽)；步骤5，系统减小带宽，有两种可能的情况⑴单方向的减小带宽(即朝一个方向减小带宽)；(2)双方向减小带宽(即两个方向一起减小带宽)；步骤6，对于步骤3中的(1)单方向的增大带宽，会造成增大方向的保护带宽减小。步骤7，如果系统扩展带宽之后的保护带宽GBW仍大于等于迫动性保护带宽 MoveGBW，则它和相邻系统的频谱不需要调整。步骤8，若系统扩展带宽之后的保护带宽GBW小于迫动性保护带宽MoveGBW，但大于最小保护带宽MinGBW。和它相邻的系统能够自动地调整各自的频谱位置，使得该系统的 GBff能够大于等于MoveGBW。步骤9，如果各个系统调整频谱位置之后仍无法满足GBW ^ MoveGBW,但系统仍需要增大带宽。此时，可容许系统继续增大带宽，但必须保证GBW彡MinGBW。当GBW = MinGBff 时，禁止系统增大带宽。之后随着各个系统再次调整频谱状态，该系统可以进行频谱移动和扩展。步骤10，对于步骤3中的(2)双方向的增大带宽，可能会造成两个方向上的保护带宽减小。此时可根据单方向增大带宽的步骤6—步骤9，系统可以进行相应的频谱调整。步骤11，对于步骤3中的系统，由于业务量的减小，系统所占用的带宽单方向或双方向地减小，该系统和相邻系统之间的保护带宽会增大，并且GBW ^ MoveGBW。其他的系统随后可以根据频谱状况以及自身的频谱要求调整各自占有的频带。如此这样动态调整，直到各个系统均满足自己的性能要求。以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。
权利要求
1.一种适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一、检测判断系统是否要进行通信并需要接入频谱，如果是，进入步骤二； 步骤二、探测所处区域的频谱使用状况，根据预设的方法和自身业务量的大小，选择合适的频带接入，同时各个频段之间保留足够的保护带宽，以避免有害干扰；步骤三、接入到频谱之后，各个系统根据信道状况和自身业务量的大小调整自己的发射功率和占用的带宽；步骤四、由于系统业务量的增大，系统所占带宽扩张，造成保护带宽的减小，各个系统能够自动调整频谱使其朝向空闲频谱的方向移动，来满足各自需要的带宽以及保护带宽。
2.如权利要求1所述的适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，其特征在于所述步骤二中的预设的方法包括以下步骤521)判断接入频谱情况，已接入频谱的各个系统周期性的广播自己的频谱使用信息； 将要接入频谱的系统发送频谱请求，收集已经接入频谱的各个系统的频谱使用信息；不需要接入频谱的系统保持沉默；522)申请接入频谱的系统根据收集到的信息得到一份频谱使用图，根据此图系统以及自身所需的带宽，选择合适的频带接入；523)系统选择接入的频带和相邻系统占用频带之间的保护带宽应该大于迫动性保护带宽。
3.如权利要求2所述的适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，其特征在于所述S2》包括以下步骤52201)判断是否在某频段发射信号，将其他系统当做潜在的干扰信号，并将收集到的其他系统的发射功率信息和预设方法规定的某一阀值进行比较；其中，阈值是预设方法中的一个函数；52202)如果所述潜在干扰信号的功率电平低于所述阀值电平，则所述系统在此无线信道上发射信号；52203)如果所述潜在干扰信号的功率电平高于所述阀值电平，则所述系统需要切换信道来发射信号。
4.如权利要求1所述的适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，其特征在于所述步骤三具体为531)系统成功接入到频谱之后，为了提高信噪比SNR，系统会增加发射功率，这时需要将干扰信号的功率和发射功率之和同步骤某一阀值进行比较，增大发射功率直到接近于阈值电平；其中，阈值是预设方法中的一个函数；532)系统成功接入到频谱之后，当业务数量增加时，系统所占频谱的带宽需随之增加， 可能会造成保护带宽的减小，直到预设方法规定的最小保护带宽。
5.如权利要求1所述的适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，其特征在于所述步骤四具体为541)由于系统业务需求量的增大，所占带宽不断增加，和相邻频谱之间的保护带宽就会减小到协议规定的最小保护带宽，保护带宽过小，对系统的有害干扰会很大，需要调整各个系统的频谱使用情况；542)由于各个系统是一个无中心的拓扑网络，各个系统就需要根据预设的方法，动态地调整频谱使用状况，使得各个系统之间留有足够的保护带宽。
全文摘要
本发明公开了一种适合多系统共存的动态无线频谱共享方法，包括如下步骤(1)当一个系统将要进行通信并需要接入频谱时，探测所处区域的频谱使用状况，根据预设的方法和自身业务量的大小，选择合适的频带接入，同时各个频段之间必须保留足够的保护带宽，以避免有害干扰；(2)接入到频谱之后，各个系统根据信道状况和自身业务量的大小调整自己的发射功率和占用的带宽；(3)由于系统业务量的增大，系统所占带宽扩张，造成保护带宽的减小，各个系统能够自动调整频谱使其朝向空闲频谱的方向移动，来满足各自需要的带宽以及保护带宽。
文档编号H04W16/14GK102196451SQ20111013989
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者刘建, 王重阳, 郭磊, 钟凯 申请人:华中科技大学