CN101849374B - 用于管理信道集以进行动态信道分配的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在认知无线电(CR)通信系统中管理信道集的方法和设备。用于动态分配频率或信道的CR通信系统规则地管理空余信道，从而向空余信道的使用设置适当的优先级，使得可以有效地管理信道集。

Description

用于管理信道集以进行动态信道分配的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于在无线通信系统中管理信道集(channel set)的方法，且更具体地，涉及一种用于通过在认知无线电(CR)通信系统中规则地管理空余信道(vacant channel)而对空余信道使用设置适当的优先级、以对频率或信道进行动态分配的方法。 

本发明得到韩国信息和通信部以及信息技术推进学院(IITA)的IT研发计划的支持[2005-S-002-03，Development of Cognitive Radio Technology ForEfficient Spectrum Utilization(用于有效谱利用的认知无线电技术的开发)]。 

本申请要求于2007年12月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0131028号和2007年9月5日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0090060号的权益，在这里通过参考而合并其全部公开。 

背景技术

认知无线电通信系统是通过使用授权用户没有使用的空余信道来改善TV信道频带的谱使用效率的系统。在此情况下，为了改善空余信道使用的效率，应该智能地管理信道。 

为了智能地管理信道，应该定义用于信道管理的功能，并且应该清楚地呈现功能块的配置及其过程。 

谱管理旨在信道分配和资源分配，其是为了有效地使用频率所必需的。在传统的技术中，关于信道占用和表征业务密度的信息的分析被用于信道分配和资源分配。 

发明内容

技术问题 

为了改善空余信道使用的效率，应该智能地管理信道。 

技术解决方案 

本发明提供了一种用于管理认知无线电通信系统的谱的方法，使用该方 法来提供要在用于动态分配信道的系统(诸如，认知无线电系统等)中移动的信道选择所必需的信息范围、和一种用于应用所述信息的方法，使得对应的系统可以选择最优的移动信道。 

有益效果 

根据本发明，通过谱感测和通信协议的结果来获得用于为动态改变频率的系统确定要移动的适当频率的必需信息，并且提供所述必需信息，使得对应的系统可以选择最优的移动信道。 

另外，根据本发明，预测信道状态和质量，并且根据所述预测值的可靠性来向所预测的信道状态和质量给出加权值，以确定可用信道的优先级，由此分配信道，使得可能进行更加可靠的信道选择。 

另外，根据本发明，用于动态分配频率或信道的CR通信系统规则地管理空余信道，从而为空余信道的使用设置适当的优先级，使得可以有效地管理信道集。 

本发明可以用作在需要信道或频率改变的所有领域中的核心元件。 

附图说明

通过参考附图来详细描述本发明的示范实施例，本发明的上面以及其他特征和优点将变得更加明显，其中： 

图1示意性地图示了根据本发明实施例的用于管理信道集的通信系统中的信息流； 

图2是根据本发明实施例的用于管理信道集的系统的结构的示意性框图； 

图3图示了根据本发明实施例的估计空余保持时间的操作； 

图4是图示了根据本发明实施例的用于管理信道集以进行动态信道分配的方法的流程图；以及 

图5图示了根据本发明实施例而实现的仿真器。 

具体实施方式

最佳模式 

根据本发明的一方面，提供了一种用于管理信道集以进行动态信道分配的系统，该系统包括：信道预测器，用于基于通过谱感测和通信协议而获得 的信道信息来预测空余信道上的信道状态和信道质量；可靠性确定单元，用于评估关于预测结果的可靠性；以及信道集管理器，用于基于所评估的可靠性来向该空余信道给出优先级。 

根据本发明的另一方面，提供了一种用于管理信道集以进行动态信道分配的方法，该方法包括：基于通过谱感测和通信协议而获得的信道信息来预测空余信道上的信道状态和信道质量；评估关于预测结果的可靠性；以及基于所评估的可靠性来向该空余信道给出优先级。 

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读记录介质，其中记录了用以执行该用于管理信道集以进行动态信道分配的方法的程序。 

发明模式 

在下文中，将参考其中示出了本发明示范实施例的附图来更全面地描述本发明。应注意，尽管在不同的附图中图示了同样的元件，但是附图中的所述元件表示同样的附图标记。在如下地描述本发明时，当认为相关公知功能或结构的详细描述可能使本发明的关键要点不必要的模糊时，将省略该详细描述。 

另外，当特定部分“包括”特定元件时，这意味着，不排除其他元件，而是该部分可能还包括其他元件，除非存在明确的相反描述。 

本发明涉及一种以下方法，该方法用于管理信道集，从而向用户分配在无线通信系统中(具体地，在认知无线电(CR)通信系统中)使用的最优信道。本发明关注于一种用于智能地管理信道的方法。 

本发明包括基于通过谱感测和通信协议讨论的结果而获得的信息来管理信道集的构思。本发明中作为存储装置的数据库(DB)意指用于存储信息的所有装置，并且信道集不意指特定的信道集，而是意指可以分类的所有可能信道集的范围。 

在本发明中，用于管理信道集的参数类型包括：(1)信道质量的估计值、(2)信道占用的下一状态的估计值、(3)基于有关信道兴趣(interest ofchannel)和使用时间过去记录的统计值的信道空余状态保持时间的估计值、和(4)被授权使用具体信道的现任用户(incumbent user)的出现概率。 

本发明还包括向信道集管理所必需的信息给出加权值的构思。本发明(1)可以通过使用每个估计值的可靠性评估来给出所提出参数的加权值，(2)可以通过将其替换为现任用户的出现概率来使用信道占用状态的估计值，(3) 可以根据信道改变的起因来增加信道质量估计值的加权值，并且可以进一步增加与信道空余状态和信道占用状态相关的估计值的加权值，以及(4)可以当计算空余保持时间的估计值时、随着空余保持时间更接近于当前时间而增加加权值。 

所述信道集可以包括有效集(active set)、候选集、已占用集、和空集(nullset)等。有效集是在认知无线电(CR)系统或授权系统中、或者由授权用户(现任用户，诸如广播频率中的TV或无线麦克风等)当前正在使用的信道的集合。候选集是可以用作有效集的空余信道的集合。已占用集是由授权用户当前占用(使用)的信道的集合。空集是不属于上述集合中任何一个的信道集合，并且当候选集的信道状态不足(deficient)时，候选集可以属于空集。 

本发明聚焦于有效集、候选集、和空集的更新。换言之，当信道情形改变时，可以将属于空集的信道重新分类为候选集，并且可以将属于候选集的信道重新分类为空集或有效集。因而，必须连续地执行这种管理，使得CR系统可以快速且有效地选择要改变的信道。 

为了执行这种信道管理，必须确定关于信道分类的参考，并且必须根据该参考来分类信道集；本发明提出要用作有关信道分类的参考的参数。 

图1示意性地图示了根据本发明实施例的用于管理信道集的通信系统中的信息流。参考图1，根据本发明的用于信道集管理的信息包括通过感测信道而获得的信息和在通信协议过程中获得的信息，并且将每种信息形成为数据库(DB)105，并由信道集管理器使用。 

信道集管理以谱感测而开始。传感器101执行每个信道的感测，获得关于在对应的信道处是否检测到授权用户(现任用户)的出现的信息、和关于授权用户的类型的信息，并且向DB 105传送所获得的信息。可以将传感器101嵌入在将稍后描述的用于管理信道集的系统中，或者可单独地进行安装。 

DB 105记录信道的细节(诸如，根据时间(诸如，感测时间)的信道占用状态、信道是否被占用、和信道占用系统的类型等)，并且存储它们。另外，DB 105接收当通过通信协议103来传送从传感器101获得的信息时所获得的信道质量信息(例如，信号与干扰加噪声比(SINR)信息)，将所接收的信道质量信息与要在进一步信道质量评估中使用的数据(诸如，时间、信道、和SINR等)进行匹配，并且存储它们。 

信道集管理器107基于通过在DB 105上累积的信息所预测的每个信道 的信道质量和信道状态来向每个信道给出优先级，由此管理信道集。 

图2是根据本发明实施例的用于管理信道集的系统的结构的示意性框图。参考图2，根据本发明的本实施例的用于管理信道集的系统包括DB 210、信道预测器230、可靠性确定单元250、信道集管理器270、和谱管理器290。 

DB 210是用于存储关于相应信道的、通过谱感测和通信协议而获得的信道信息的存储装置。DB 210可以保留根据时间和信道的、通过谱感测和通信协议而获得的信道信息。例如，DB 210可以是CR系统中的无线电环境地图(REM)。REM提供当前和过去的无线电环境信息，并且支持用于表征信道使用图案(pattern)、用于基于现有知识来执行谱感测并且用于支持网络的CR功能。REM可以包括地理信息DB、策略和规则DB、服务DB、过去执行的记录DB、和无线电传送/接收DB等。 

信道预测器230包括信道状态预测器231、信道质量评估器233、空余保持时间估计器235、和现任用户(IU)出现概率计算器237。 

信道状态预测器231从DB 210接收通过谱感测而获得的信息，诸如感测时间、信道、占用状态、和占用系统的类型等。信道状态预测器231基于所输入的信息来对每个信道的信道占用图案进行建模。信道状态预测器231通过建模来计算每个信道的下一状态是否为空白(empty)、或者授权用户的出现概率是否为高，并且向信道集管理器270提供所述概率值。 

信道质量评估器233通过使用当前所检验的每个信道的过去记录来评估信道质量。为了评估信道质量，必须在DB 210中包括用于评估信道质量的足够信息。基本上，有用的是，在DB 210中包括用于相同时间和位置处的信道质量评估的信息。当确定了不使用充足信息来执行信道质量评估时，信道集管理器270可以向信道质量评估信息提供低的加权值。 

空余保持时间估计器235基于有关每个过去时间段中从要估计的特定时间到信道占用开始时间的持续时间的统计值，来估计每个信道的空余保持时间。 

图3图示了根据本发明实施例的估计空余保持时间的操作。通过使用等式1来表达该方法的构思。 

$\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}=\frac{1}{\mathrm{Passed}\_\mathrm{period}\#}\·\frac{t_{\mathrm{empty}}}{|\mathrm{Period}-T|}...\left(1\right)$

其中，T是要估计的特定时间，period(P)是一个周期，而Passed_period是 过去的周期，并且N是总周期数目。 

确定了在过去的一个周期期间对应的信道从时间T开始空白了多长时间。然而，信道在相同的持续时间中总是空白的概率很低。因而，在本发明中，计算从过去时间周期内与特定时间T对应的时间(诸如，在该特定时间之前一个周期的时间T-P、在该特定时间之前两个周期的时间T-2P、......、和在该特定时间之前n个周期的时间T-nP)到信道占用开始时间的空白时间t_empty，并且通过使用空白时间的统计值来计算每个信道的空余保持时间。在此情况下，(Passed period#)^-1是用于向更接近于当前时间的周期给出更高加权值的部分，并且乘以t_empty是用于执行归一化。 

现任用户(IU)出现概率计算器237计算并提供授权用户在当前时间(要估计的特定时间)之前多么频繁地出现的概率。IU出现概率计算器237是用于非常简单地计算该概率的部分，并且信道状态预测器231的结果包括该概率。因而，一般地，IU出现概率计算器237不具有大的加权值，或者可以不进行使用。当将关于信道状态预测器231的结果的可靠性评估为低时，IU出现概率计算器237可以被替换并且用于计算IU出现概率。可以通过[IU出现频率/总体时间长度]来计算特定时间处的IU出现概率P_f。 

可以独立地执行信道状态预测器231、信道质量评估器233、空余保持时间估计器235、和IU出现概率计算器237的计算。 

可靠性确定单元250评估有关从构成了信道预测器230的部分的信道状态预测器231、信道质量评估器233、空余保持时间估计器235、和IU出现概率计算器237输出的预测结果的可靠性。如图2所图示的，可以独立地构成可靠性确定单元250，或者将其构成为信道预测器230或信道集管理器270的一个元件。可以将可靠性确定单元250设计为评估仅仅有关信道状态预测器231的预测结果的可靠性。例如，当将隐马尔可夫模型(Hidden MarkovModel)用于信道状态预测时，该算法可以使用对数似然值(Log Likelihoodvalue)来确定预测结果的可靠性。 

信道集管理器270具有对关于由信道预测器230输出的预测结果的信息进行综合并且根据优先级来排列所综合的信息的功能。当综合所述信息时，信道集管理器270通过参考由可靠性确定单元250获得的可靠性信息和信道质量DB的信息的数量，来确定每个预测结果的加权值。信道集管理器270可以根据每个预测结果的重要性来确定加权值。另外，信道集管理器270可 以根据信道改变的起因来向预测信道质量或信道状态的结果给出相对高的加权值，可以基于所述加权值来计算有关每个信道的得分，并且可以根据所计算的得分来给出优先级。当关于信道状态预测器231的预测结果的可靠性低时，信道集管理器270可以使用IU出现概率计算机237的预测结果，而不是信道状态预测器231的预测结果。当向想要改变信道的用户分配具有最高优先级的信道时，信道集管理器270更新信道集。 

谱管理器290从由信道集管理器270给出了优先级的空余信道集的列表之中选择具有最高优先级的信道，由此向想要改变信道的用户分配具有最高优先级的信道。 

图4是图示了根据本发明实施例的用于管理信道集以进行动态信道分配的方法的流程图。将省略与用于管理信道集的系统的描述重复的细节的详细描述。 

参考图4，根据本发明本实施例的用于管理信道集的方法包括：基于通过谱感测和通信协议而获得的信道信息来预测空余信道的信道质量和信道状态；评估关于预测结果的可靠性，并且基于可靠性来向该空余信道给出优先级。 

首先，用于管理信道集的系统通过谱感测来接收关于当前信道的新信息，并且如果请求了信道改变或者确定了信道集的更新是必需的，则作为分析所输入信息的结果，该系统请求空余信道的信息。 

在操作S410中，选择用于信道改变的候选信道，并且输入关于每个候选信道的当前信道信息。 

在操作S420中，根据所输入的信息来确定每个信道是否为空白，并且如果正在使用该信道，则在操作S410中输入关于其他信道的信息。 

如果该信道为空白，则在操作S430中从该DB输入该信道的过去信道信息。该DB保留针对相应时间和信道的通过谱感测和通信协议而获得的信道信息。 

在操作S440至S480中，诸如信道状态预测器231、信道质量评估器233、IU出现概率计算器237、和空余保持时间估计器235等之类的每个模块分别从该DB接收每个必需信息，并且预测信道质量和信道状态。 

在操作S440中，信道状态预测器231对每个信道的占用图案进行建模，并且计算每个信道的IU出现的概率。在操作S450中，信道质量评估器233 基于关于每个信道质量的信息(例如，SINR)来评估信道的质量。在操作S460中，空余保持时间估计器235基于每个过去时间周期内从与估计时间对应的时间到信道占用开始时间的空余保持时间，来估计每个信道的空余保持时间。在操作S470中，IU出现概率计算器237基于IU出现频率来计算每个信道的IU出现的概率。可以在没有预定顺序的情况下独立地执行每个模块的计算。 

在操作S480中，评估关于由每个模块计算的每个值的可靠性。 

在操作S490中，根据可靠性来向每个所计算的值给出加权值，以计算信道得分，并且根据该信道得分来确定每个信道的优先级。当向每个所计算的值给出加权值时，可以根据系统环境和条件来另外地考虑每个模块的所计算值的重要性、存在什么信道质量信息或信道状态信息、和信道改变的起因等。 

作为加权值使用的示例，如等式2所示，当信道状态预测器231的可靠性低时，可以向由IU出现概率计算器237计算的值给出高的加权值，并且可向由信道状态预测器231计算的值给出低的加权值。 

信道得分＝W1a×信道预测+W1b×IU出现概率+W2×信道质量+W3×保持时间(其中，W1a＜W1b)             ...(2) 

作为加权值使用的另一示例，如等式3所示，当信道状态预测器231的可靠性低时，可以仅仅向由IU出现概率计算器237计算的值、而不是由信道状态预测器231的计算值给出加权值，并且如等式4所示，当信道状态预测器231的可靠性高时，可以仅仅向由信道状态预测器231计算的值给出加权值，而不使用由IU出现概率计算器237获得的计算值。 

信道得分＝W1×保持时间+W2×信道质量+W3×IU出现概率          ...(3) 

信道得分＝W1×信道预测+W2×信道质量+W3×保持时间          ...(4) 

可以将本发明使用在用于动态地分配信道的通信系统中。 

例如，假设存在具有6MHz带宽的从1到15总共15个信道、并且用于动态地分配信道的通信系统正在由占用信道9使用。在该通信系统连续地检查信道质量的时候，获得信道质量已突然变得不足的分析结果。在此情况下，信道集管理器270的操作是必需的。该通信系统需要用于信道改变的信道列表。在这点上，用于信道改变的信道必须具有其中IU不频繁出现的良好信道质量。 

因而，信道集管理器搜索当前空白的信道1、2、3、7、11、12、和13，并且检查所述7个信道的过去记录。基于所述过去记录来执行信道质量和关于信道空白了多长时间的估计、或者关于下一状态是否可能为空白状态的估计。通过基于所述估计结果来对所述7个信道给出优先级而向管理通信协议的部分提供信息，使得通信系统移动到具有最高优先级的信道11。 

另外，即使当信道质量突然变得不足并且IU出现在由用户的通信系统占用的信道处时，也使用上述方法，使得可以提供用于信道改变的信道列表。 

图5图示了根据本发明实施例而实现的仿真器。参考图5，块510表示在其上显示了有关15个信道的感测结果的屏幕，其中绿色条形指示想要使用信道的用户的信道占用的状态，而红色条形指示授权用户的信道占用的状态。大的条形指示TV，而小的条形指示无线麦克风。块520表示在其上显示了对应信道的质量的屏幕，并且块540表示在其上显示了信道的历史的屏幕，其中只要执行感测就更新该屏幕并且连续地存储该屏幕。块550基于所存储的记录来提供所计算的IU出现概率。另外，尽管未示出，但是在内部执行信道状态预测和信道质量评估。通过所有的过程，可以将信道集列表制成块530，并且向负责通信协议的部分传送该信道集列表，并且将其用于确定用于该用户的特定信道。 

还可以将本发明实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可以存储其后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储装置、和载波(诸如，通过因特网的数据传送)。还可以在网络耦接的计算机系统上分布计算机可读记录介质，使得以分布式的方式来存储并执行计算机可读代码。同样地，本发明所属领域的技术程序员可以容易地理解用于实现本发明的功能程序、代码、和代码段。 

根据本发明，通过谱感测和通信协议的结果来获得用于为动态改变频率的系统确定要移动的适当频率的必需信息，并且提供所述信息，使得对应的系统可以选择最优的移动信道。 

另外，根据本发明，预测信道状态和质量，并且根据所述预测值的可靠性来向所预测的信道状态和质量给出加权值，以确定可用信道的优先级，从而分配信道，使得可能进行更加可靠的信道选择。 

另外，根据本发明，用于动态分配频率或信道的CR通信系统规则地管理空余信道，从而向空余信道的使用设置适当的优先级，使得可以有效地管理信道集。 

本发明可以用作需要信道或频率改变的所有领域中的核心元件。 

尽管已经参考本发明的优选实施例而具体示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，可以在其中做出形式和细节上的各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。所述优选实施例应该仅仅以描述性意义来考虑，而不应该用于限制目的。因此，本发明的范围并非通过本发明的详细描述、而是通过所附权利要求来限定，并且该范围内的所有差异将被理解为包括在本发明中。 

Claims (15)

1.一种用于管理信道集以进行动态信道分配的系统，该系统包括：

信道预测器，用于基于通过谱感测和通信协议而获得的信道信息来预测有关空余信道的信道状态和信道质量；

可靠性确定单元，用于评估关于预测结果的可靠性；以及

信道集管理器，用于基于所评估的可靠性来向该空余信道给出优先级，

其中该信道预测器包括：

信道状态预测器，用于对空余信道的占用图案进行建模，以计算被授权进行信道使用的现任用户在该信道上出现的概率；

信道质量评估器，用于评估空余信道的质量；以及

空余保持时间估计器，用于基于关于在空余信道的每个过去时间周期内从特定时间到信道占用开始时间的持续时间的统计值，来估计空余保持时间。

2.根据权利要求1的系统，其中该信道预测器还包括：现任用户出现概率计算器，用于基于空余信道的现任用户出现频率来计算现任用户出现的概率。

3.根据权利要求1的系统，其中该空余保持时间估计器通过向更接近于当前时间的时间周期给出高加权值来估计空余保持时间。

4.根据权利要求1的系统，其中如果向想要移动信道的用户分配具有最高优先级的信道，则该信道集管理器更新信道集。

5.根据权利要求1的系统，其中该信道集管理器通过基于该可靠性来给出加权值来计算关于空余信道的得分，并且基于所计算的得分来给出优先级。

6.根据权利要求1的系统，其中该信道集管理器通过根据信道改变的起因而对信道质量或信道状态的预测结果给出相对高的加权值来计算关于空余信道的得分，并且基于所计算的得分来给出优先级。

7.根据权利要求2的系统，其中如果关于该信道状态预测器的预测结果的可靠性低，则该信道集管理器使用该现任用户出现概率计算器的预测结果，而不是该信道状态预测器的预测结果。

8.根据权利要求1的系统，还包括：存储单元，用于存储根据时间和信道的、通过谱感测或通信协议而获得的信道信息。

9.一种用于管理信道集以进行动态信道分配的方法，该方法包括：

基于通过谱感测和通信协议而获得的信道信息来预测有关空余信道的信道状态和信道质量；

评估关于预测结果的可靠性；以及

基于所评估的可靠性来向该空余信道给出优先级，

其中所述预测信道状态和信道质量的步骤包括：

对空余信道的占用图案进行建模，以计算被授权进行信道使用的现任用户在该信道上出现的概率；

评估空余信道的质量；以及

基于关于空余信道的每个过去时间周期内从特定时间到信道占用开始时间的持续时间的统计值，来估计空余保持时间。

10.根据权利要求9的方法，其中所述预测信道状态和信道质量的步骤还包括：基于空余信道的现任用户出现频率来计算现任用户出现的概率。

11.根据权利要求9的方法，其中该估计空余保持时间的步骤包括：通过向更接近于当前时间的时间周期给出高加权值来估计空余保持时间。

12.根据权利要求9的方法，还包括：如果向想要移动信道的用户分配具有最高优先级的信道，则更新信道集。

13.根据权利要求9的方法，其中该给出优先级的步骤包括：通过基于该可靠性来给出加权值来计算关于空余信道的得分，并且基于所计算的得分来给出优先级。

14.根据权利要求9的方法，其中所述给出优先级的步骤包括：通过根据信道改变的起因而对信道质量或信道状态的预测结果给出相对高的加权值来计算关于空余信道的得分，并且基于所计算的得分来给出优先级。

15.根据权利要求10的方法，其中，如果关于通过对占用图案进行建模而得到的现任用户出现概率的可靠性低，则在所述给出优先级的步骤中使用基于现任用户出现频率而计算的现任用户出现概率。