CN101213763A

CN101213763A - 频谱捷变无线电（sara）进行机会频谱共享的系统和方法

Info

Publication number: CN101213763A
Application number: CNA2006800235621A
Authority: CN
Inventors: S·曼戈尔德; C·周
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-07-02
Also published as: WO2007000740A1; JP2008547346A; KR20080021699A

Abstract

提供用于在频谱捷变无线电(SARA)装置(301.i)、主要装置(302.i)和次要装置(303.i)两两之间或多个之间对频谱进行机会共享的设备(301.i)、系统(300)和方法。主要装置(302.i)为在经过许可的频带中工作的经过许可的无线电系统。次要装置(303.i)为在未经许可的频带中工作的任何系统/装置。每一SARA装置(301.i)都维护频谱机会图(SOM)(200)，该频谱机会图由使用该频谱的SARA(301.i)以及在SARA(301.i)之间共享SOM(200)组成。SARA装置(301/i)对媒介进行探测来寻找频谱使用的迹象，并且可以从主要装置(302.i)接收关于频谱使用的明确信息，接着该SARA装置(301.i)将它记载在它的SOM(200)中，并且可以与其它SARA装置(301.i)共享其SOM(200)。

Description

频谱捷变无线电（SARA）进行机会频谱共享的系统和方法

本发明涉及具有主要装置、次要装置和其它SARA装置的频谱捷变无线电(SARA)用于机会频谱共享的系统和方法。

近些年来，无线电通信网络、可佩带、手持式计算和通信装置以及消费电子越来越普及，这些都表明，对提供大容量通信的无线电通信网络将会有持续增长的需求。考虑到这种需求的增长，很清楚，由于无线电资源有限，现有无线电频谱将无法满足未来的需求。今天，消费电子的无线电通信系统主要工作于未经许可的频带。通常认为在未经许可频带中的无线电资源得到了有效利用，这是因为未经许可的无线电装置的高穿透性。但是，大部分无线电频谱都被分配给传统的经许可的无线电业务，经常是根本不使用。根据我们现有无线电频谱的传统规则，通常无法有效地利用这些资源。频谱捷变无线电(SARA)考虑了这个问题。

SARA的一个目的是有效地利用频谱而又不影响频谱的现有用户。主要装置(primary)是经许可的无线电系统，在获得许可的频带上工作。次要装置(secondary)是未经许可的无线电系统，工作在ISM或U-NII频带。共存系统的可能类型包括主要装置、另一SARA以及次要装置；依赖于用户的类型，SARA装置需要具有不同的功能并相互作用。例如，对于与主要装置共存，如果SARA装置产生的干扰电平对于主要装置而言无法容忍，SARA装置就必须立即远离占用的频谱。

因此，需要一种方法来使用未使用频谱，这种方法应该有效，并且使用这种方法导致主要装置无法容忍时，它能够漂亮地空出频谱。

本发明的系统和方法以机会方式检测和占用未被其它装置使用的无线电频谱，让SARA装置有效地使用无线电频谱。

为了提高无线电频谱的使用效率，按照本发明改进的SARA装置能够以机会方式利用经许可的无线电频谱。SARA在通信之前寻找机会，也就是未使用的无线电资源。SARA装置利用这些机会进行通信，而干扰经许可的无线电系统的工作。寻找频谱机会的方式由SARA策略来规定。在SARA策略的帮助下，如果无线电规则能够定义框架来产生SARA策略，这种无线电调节器就能够控制SARA装置的工作过程。对于这一框架，SARA策略必须确定怎样以及何时使用无线电资源。SARA策略可以随时间而不断改进。

现有的IEEE 802.11无线电LAN能够支持有限的频谱捷变。在当前信道有噪声的情况下，无线电LAN在被称为动态频率选择的帮助下可以切换到未经许可的无线电频谱中的其它信道。IEEE 802.11无线LAN和SARA网络的主要区别在于，SARA装置在通常由其它无线电系统独占使用的频谱的一部分中工作。这些其它无线电系统通常通过无线电规则得到许可，并且对分配频谱具有独占使用权。只有在SARA装置认为这一无线电频谱的一些部分没有被经许可的无线电系统使用时(它意味着只有在检测到所谓的频谱机会时)，它才使用相应的无线电资源。SARA网络一定不能对这些经许可的无线电系统产生有害干扰。

图1说明在已经被主要装置占用的频谱的一部分上通信的两个SARA装置；

图2说明本发明的频谱机会图(SOM)；

图3说明与主要和次要装置共享频谱的SARA装置的系统；

图4说明本发明改进的SARA装置。

本领域技术人员应该明白，下面提供的描述用于说明目的而不是用于进行限制。本领域技术人员明白在本发明的精神和后面的权利要求范围内存在多种改进。为了清楚和简明的目的，在本说明书中省略了公知功能和操作的不必要细节，以免喧宾夺主。

本发明的系统和方法提供一种方式，用于频谱捷变无线电跟踪频谱使用情况，以机会方式使用频谱，从而能够使用更多的频谱，包括经过许可的和未经许可的。将进行通信的SARA装置称为“SARA台”，将这种SARA台中的补偿实体称为“SARA补偿实体”。将进行通信的一组SARA台称为“SARA网络”。

SARA是常规无线局域网(LAN)技术的延伸。SARA的目的是有效地利用频谱而不干扰现有系统。根据共存系统类型的不同，例如主要装置、另一SARA网络或者SARA装置或次要装置，要求SARA具有不同的功能，并且能够相应地进行交互。对于与主要装置共存，如果SARA装置产生的干扰电平对于主要装置来说不可容忍，那么SARA装置必须立即离开所占用的频谱。这样做会带来如下问题：

(1)SARA装置怎样检测主要装置的存在；

(2)由于频谱被占用，SARA装置怎样估计主要装置感受的干扰电平；

(3)如果干扰太强，在检测到主要装置的存在后，SARA装置应该多快空出。

对于与其它无线电系统共存，根据这些系统能够合作的范围，SARA可能需要也可能不需要空出：

·如果不存在合作，决策将仅仅取决于各个系统(独立决策)：如果SARA装置能够估计它从其它无线电系统收到的干扰电平，以及它给其它无线电系统产生的干扰，那么SARA装置可以根据这些信息做出决定(即：使用这个频带或者选择另一个频带)(独立最佳决策)。如果SARA装置决定使用这个频谱，就有可能给共存系统产生无法接受的干扰；使得共存系统由于发现新的干扰源而离开这个频带，或者，例如，提高发射功率，迫使新用户离开(典型的资源竞争问题)。

·如果在不同无线电系统之间存在某种合作，我们会有更大自由度来处理共存问题。例如，它们可以交换频谱使用信息，比如它们彼此产生的干扰。根据这些信息，能够作出群体最佳决定。

现在来看图2，其中画出了一个优选实施例的频谱机会图或SOM。SOM及其延伸的目的在于提供预定义存储器结构用于频谱使用信息的持久存储。对于每一频带，SOM或其变形由每一SARA装置维护，由SARA装置更新并与其它SARA装置交换。这是SARA对本地频谱使用情况了解程度的表现形式。通常，SOM包括频带201和对应的频带可用度202(其中1＝可用，0＝不可用)、频带干扰电平203、频带分布参数204、频带规则要求205和频带优先级206。频带优先级由SARA决定。可以要求SARA装置估计它对其它无线电系统产生的干扰。即使SARA装置能够估计其对共存系统产生的干扰电平，由于存在一些隐藏的干扰源，也很难估计另一无线电系统感受到的总干扰。

在图1中给出了有三个通信装置的一个例子。在这里，假定P 102能够在B 103试图使用同一频带之前与A 101共存。除非P 102将A101的存在和活动情况通知B 103，B 103可能决定使用同一频带，因为B 103检测到的干扰很弱(假定对于B而言A 101是隐藏的)。因此，P 102会受到A 101和B 103的干扰。如果P 102是主要装置，这种结果在大部分情况下是无法接受的。

在所有优选实施例中都使用自适应跳变序列。即，SARA装置以一种类似于传统跳频的方式进行频谱机会选择/再选。代替为了扩频目的的“跳变”，这是在未被占用或者负载很轻的频带之间跳变。因此，代替使用具有很高跳变速率的随机跳变序列，由SARA装置根据在图2所示频谱机会图(SOM)中收集到的频谱机会信息来产生跳变序列。另外，由SARA装置的SOM中反映的频谱使用条件的任何变化来触发SARA装置的跳变。

A.在第一优选实施例中，SARA装置通过在作出是否使用频带的决定之前获得信息，与主要装置在时间上共享频谱。SARA收集的信息包括：

a.给定频谱可用吗？

b.如果对(a)的回答是“是”，那么当前的干扰电平是什么？

c.给定(a，b)，这会持续多长时间？

在一个优选实施例中，有三种可能的方法获得这个信息。

1.主要装置提供信息：每一主要装置可以提供一些信息来表明频带是否可用。例如，可以使用信标信号通知SARA装置可以使用/占用的即将到来的空闲间隔。这给SARA装置提供了关于主要装置使用模式的确切信息。同时，如果主要装置的行为是可以预测的(例如，周期性地开/关)，SARA装置也可以利用这种可预测性并作出相应的反应。在这种情况下，a.和c.为给定的，b.有两种状态：忙碌/空闲。

2.SARA装置收集信息：假设主要装置不提供任何信息，那么收集需要的信息就是SARA装置的责任。为了收集a.SARA装置需要探测/检测频谱。

如果a.的结果是“否”(信道不可用)，SARA装置就为了将来使用的目的检查频谱的可用性。但是，为了减少检测的系统开销，必须以智能方式进行检测。在一个优选实施例中，SARA装置使用连续探测/检测事件之间间隔的指数随机递增。

·在这种情况下的权衡是在检测系统开销和检测等待时间之间，将其中检测等待时间定义为频带可用时刻和SARA装置检测到它的时刻之间的时间间隔。

·如果a.的结果是“是”(信道是空闲的)，SARA装置可以根据c的信息决定是否使用这一频带。应注意的是，除非主要装置提供信息，否则很难收集c.的完整信息。如果SARA装置决定不使用这一频谱，那么SARA装置按照检测忙碌信道这种情况下的步骤进行。

为改进资源管理，在一个优选实施例中，每一主要装置与所谓的空等待时间相关联。将撤离等待时间定义为允许SARA台发射干扰主要装置发射的最长时间。如果没有这种容忍能力，在时间上与主要装置共享就不那么可行。必须注意的是，空等待时间的概念也与用于(例如)雷达系统的无线电系统相联系。

在频谱看起来可以用的情况下，也就是在a.和c.表明可用的情况下：

I 在一个优选实施例中，SARA装置就空等待时间探测无线媒介。例如，SARA装置以不大于主要装置空等待时间的时间间隔探测无线媒介。此外，将这个时间间隔选择成避免与其它SARA装置探测该媒介同步/相关。每个SARA装置在[0，空等待时间]中随机选择时间间隔。一旦SARA装置检测到主要装置的活动，SARA装置就必须立即离开。

II 即使探测结果表明频谱可用，如果b.和c.的结果清楚地表明主要装置的活动即将到来(例如，主要装置使用的周期性)，SARA装置仍然要腾出频谱。这一点对于SARA装置和主要装置都是有利的：SARA装置可以在被迫离开之前找到另一个可用频谱，不存在SARA装置干扰主要装置的问题。但是，在b.中获得的关于当前干扰电平的信息必须更加详细，而不仅仅是忙碌/空闲指示，例如通过使用SOM中更多的存储器。

III 利用统计学方法和观测到的主要装置对频谱的在先使用情况来估计频谱可用的时间长度。

3.每一个SARA装置向其它SARA装置提供从主要装置得到的关于频谱使用情况的信息。

B.在第二优选实施例中，SARA装置在时间上共享频谱。

对于SARA装置，与主要装置共享和与其它SARA装置共享的区别在于：

1.与主要装置共享频谱资源具有更严格的要求，并且主要装置具有优先权；

2.根据规则允许与另一SARA装置暂时共存，但与主要装置的共存是不允许的；

3.在SARA装置之间主动合作是可能的，例如交换SOM；

4.联合决策/动作：不象与主要装置共享，SARA装置可以在某种程度上协调/合作以实现

a.保护SARA装置的通信免于被另一SARA装置干扰，

b.保护/改进另一SARA装置的通信，和

c.共同保护主要装置的通信。

C.在第三优选实施例中，SARA装置与次要装置在时间上共享，其中次要装置可以是在未经许可频带中工作的任何系统/装置。此外，这种次要装置也可以是频谱捷变的，例如IEEE 802.11k装置和系统。对于SARA装置，与主要装置和其它SARA装置相比，次要装置共享之间的区别在于：

1.在某些规则要求下允许互相干扰；

2.不可能合作；以及

3.只有独立行动是可能的，并且每一系统都可能：

a.保护它自己的发射免于被其它系统干扰，例如，通过提高其发射功率，和

b.保护其它系统的发射，例如，通过降低其发射功率，或者离开共享的频带。

现在来看图3和图4，在所有优选实施例中，SARA装置301.i扫描无线电频谱中的‘n’个频带407，并维护频谱占用信息的频谱机会图200。根据这个频谱机会图200，SARA装置301.i可以决定在主要装置302.i或其它次要装置303.i没有使用的频谱的一些部分中共享频谱，其中的频谱机会图200由SARA装置在本地利用SOM处理模块406a进行维护，作为通过扫描n个频带收集信息同时也从其它无线电装置301-3.i接收信息的结果。在一个优选实施例中，通过频带信息处理模块403分析用于共享机会的频谱机会图200，由包含在SARA装置中的频带信息处理模块403实现这一共享决策。

在第一优选实施例中，本发明的系统、设备和方法按照如下方式工作，使得SARA装置能够与主要装置在时间上共享频谱。首先，SARA装置301.i假设频谱被划分为n个频带407。接着，SARA装置301.i通过由内含的接收机402接收这n个频带中的发射信号，并且在所接收的n个频带407的每一个中进行发射，发射时间长达等于协商好的空等待时间的指定时间长度，来同时监控这n个频带中的每一个。接着，使用内含的SOM信息处理模块406，SARA装置301.i用测量值和接收到的n个频带407的占用信息来更新频谱机会图200。如果SARA装置301.i发现n个频带407的某些部分未被使用。

当SARA装置301.i没有数据要发射时，SARA装置301.i总是探测所有n个频带407。SARA装置301.i更新其本地SOM 200，并且根据探测结果和收自主要装置和其它SARA装置的数据库200更新来做出决定占用还是不占用特定频带。如果SARA装置301.i发现它占用的频带之一有某些新的装置在占用，SARA装置301.i就检测是主要装置302.i还是次要装置303.i在占用。如果是主要装置302.i占用，SARA装置301.i就立即空出频带，并适当地更新其SOM。然后SARA装置301.i就可以与其它SARA装置共享其新的SOM。

根据主要装置波形信号的特征已知，并且能够用SARA装置301.i检测这样一个事实(例如存储在内含的存储器408中)来检测主要装置302.i的占用。作为一个实例，如果检测到的占用是在TV频带中，那么SARA装置就知道了模拟和数字TV的同步脉冲的特征。

如果是次要装置303.i占用，SARA装置301.i就更新它的SOM，并且可以决定也可以不决定空出由次要装置占用的频带。如果SARA装置301.i根据在其SOM中的信息在频谱的其它频带可以发现足够的机会，它就可以决定空出信道。但是如果SARA装置301.i发现没有足够的频谱可以使用，那么SARA装置301.i可以决定与其它次要装置303.i共存。SARA装置301.i可以随后与其它SARA装置共享它的新SOM。

虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应该理解，在本文中描述的管理框架、装置结构和方法仅仅用于进行说明，在不脱离本发明的真实范围的情况下，可以进行各种改变和修改，并且可以对其部件进行等同替换。此外，可以在不脱离本发明中心范围的情况下，可以进行各种修改，使得本发明的启示适合特定条件。因此，这意味着本发明并不局限于所公开的用于实现本发明最佳方式的特定实施例，而是包含落入后面的权利要求的范围的所有实施例。

Claims

1.一种由频谱捷变无线电(SARA)(301.i)机会共享无线电频谱的方法，该方法包括如下步骤：

当至少一个其它装置占用所述无线电频谱的一部分时，获得所述至少一个其它装置的预定组频谱占用信息；

将获得的所述至少一个其它装置的所述频谱占用信息存储在频谱机会图(SOM)(200)中；和

根据存储的所述信息(200)以预定方式与所述至少一个其它装置(301.i 302.i 303.i)在时间上共享所述频谱。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

所述无线电频谱被划分为多个频带(201)(407)；

所述频谱占用信息(SOM)(200)(201～206)与所述多个频带(201)(407)中的每一个相关；并且

所述在时间上共享的步骤进一步包括通过执行下面的步骤在所述多个频带(407)之间应用自适应跳变序列：

-根据所述SOM(200)(201～206)储存的所述信息确定所述多个频带(201)中未被占用或负载轻的频带，

-估计确定的每一频带(201)(407)的可用时间长度；以及

-随机地跳变到所述频带(201)(407)，该频带具有超过预定容忍程度的所估计的可用时间长度；以及

-根据预定占用标准占用随机地跳变过去的所述频带。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述估计步骤进一步包括主要装置(302.i)使用统计学技术和观测到的所述频谱的在先使用的步骤。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个其它装置选自由主要装置(302.i)、至少一个其它SARA装置(301.i)和至少一个次要装置(303.i)构成的组。

5.如权利要求4所述的方法，当所述至少一个其它装置为主要装置(302.i)时，所述获得步骤进一步包括下列步骤之一：

从所述主要装置(302.i)接收所述预定组频谱占用信息(SOM)(201～206)的至少一部分；以及

所述SARA装置(301.i)以随机时间间隔探测所述频谱，以收集所述主要装置(302.i)没有提供的所述预定组的任何占用信息。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述预定时间间隔按照指数方式增大。

7.如权利要求5所述的方法，其中：

所述接收步骤进一步包括从所述主要装置(302.i)接收关于所述主要装置(302.i)的使用模式(204)的确切信息的步骤；以及

所述在时间上共享的步骤进一步包括当所述主要装置(302.i)的所述使用模式(204)为已知和可以预测之一时，由所述SARA装置(302.i)根据所述主要装置(302.i)的所述使用模式(204)定义所述频谱的进一步使用的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，当所述至少一个其它装置为至少一个其它SARA装置(301.i)时，所述获得步骤进一步包括与所述至少一个其它SARA装置(301.i)主动合作的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述合作步骤进一步包括下列步骤：

与所述至少一个其它SARA装置(301.i)交换SOM(200)；

通过执行下列步骤与所述至少一个其它SARA装置(301.i)采取联合行动：

-保护所述SARA装置(301.i)自身的通信以免受到另一个SARA装置(301.i)干扰；

-保护所述至少一个其它SARA(301.i)装置的通信以免受到干扰；

-由所述SARA装置(301.i)和所述至少一个其它SARA装置(301.I)联合保护主要装置(302.i)的通信。

10.如权利要求9所述的方法，当所述至少一个其它装置是次要装置(303.i)时，所述获得步骤进一步包括通过执行下列步骤而由所述至少一个SARA装置(301.i)采取独立行动：

保护自己的发射以免受到其它装置(301.i 302.i 303.i)干扰；以及

保护其它装置(301.i 302.i 303.i)的发射。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述保护自己的发射的步骤包括由所述SARA装置(301.i)提高自己的发射功率的步骤。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述保护其它装置(301.i302.i 303.i)的发射的步骤包括从降低自己的发射功率和离开共享频带组成的组中选择出来的步骤。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述保护自己的发射的步骤包括由所述SARA装置(301.i)提高自己的发射功率的步骤。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述探测步骤进一步包括以从[0，空等待时间]中随机选择的时间间隔来探测所述无线媒介，其中空等待时间为允许SARA装置(301.i)的发射与主要装置(301.i)的发射发生干扰的期间的预定最长时间。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述SOM(200)包括所述无线电频谱的‘n’个预定频带(201)的每一个的信息，所述信息包括：

具有占用所述频带的装置的所述SARA的占用指示符(202)、干扰电平(203)；

至少一个分布参数(204)，描述占用所述频带的所述装置在将来对所述频谱的使用；以及

至少一个规则要求(205)，描述对无线电装置共享所述频带的约束。

16.一种用于由频谱捷变无线电(SARA)机会共享无线电频谱的设备(301.i)，所述设备包括：

天线(401)；

接收机(402)，连接到所述天线(401)以探测无线电频谱占用的媒介并从其它装置(301.i 302.i)接收频谱占用信息；

发射机(404)，连接到所述天线(401)以向其它捷变无线电(301.i)发射无线电频谱占用信息；

频带信息处理模块(403)，其连接到所述接收机(402)和所述发射机(404)，以根据检测到的无线电频谱占用信息分别确定所述无线电频谱的被占用部分，将所述确定的被占用部分的数据与接收的占用信息的数据合并以获得正在使用的所述无线电频谱的频带，用以将所述频带占用信息存储在频谱机会图(SOM)中，以及使用权利要求14所述的根据所述存储的信息的方法与其它无线电装置在时间上对所述频谱进行机会共享，

其中，所述接收机(402)仅当所述SARA(301.i)装置不发射时检测所述媒介，并且所述频带信息处理模块(403)只要在检测到主要装置(302.i)的新占用时，就立即空出已占用的频带。

17.一种无线电系统(300)，其包括多个频谱捷变无线电(SARA)装置(301.i)，所述装置被配置成联合实施权利要求14所述的方法，从而在所述多个装置之间以及至少一个主要装置(302.i)的任意一个和至少一个次要装置(303.i)之间对所述无线电频谱进行机会共享。