CN101902251B - 基于lte的协作频谱检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LTE的协作频谱检测方法和系统，该系统包括：接入网模块和终端模块；所述接入网模块设置于接入网侧，用于向所述终端模块发出频谱检测指令，进行频谱检测，并将终端模块返回的检测结果进行数据融合得到最终的频谱检测结果；所述终端模块设置于终端侧，用于根据接收自接入网模块的频谱检测指令进行频谱检测，并将频谱检测结果返回给接入网模块。应用本发明，利用频谱检测使具有认知功能的TD-LTE/TD-LTE Advanced系统与授权系统有机共存，不仅能够有效地减小对TD-LTE/TD-LTE Advanced系统的改造升级成本，而且能够在保证用户QoS与系统开销最小的前提下提高频谱资源的利用效率。

Description

基于LTE的协作频谱检测方法和系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及一种基于长期演进(LTE)的协作频谱检测方法和系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对于频谱资源的需求愈来愈大，“频谱枯竭”现象日趋明显。造成这一现象源于传统固定式频谱分配政策，其使得比如雷达等授权系统的频谱利用效率不均甚至在部分区域、频段出现“频谱空洞”。认知无线电(Cognitive Radio)技术的出现，极大地提高了频谱利用率，缓解日益增长的无线业务需求与日渐匮乏的频谱资源之间的矛盾，被普遍认为是解决目前无线频谱利用率低问题的最佳方案，而且是未来移动通信网络的一个重要发展方向。

频谱检测被视为认知无线电技术得以实施的首要功能。必须应用该技术快速地发现授权系统的空闲频段以便于认知无线电系统接入。同时，近似实时地观测主用户信号活动以规避对其他系统的干扰，实现系统之间的有机共存。目前，常用频谱检测算法有：匹配滤波法、能量法、循环平稳特征法、小波变换法和多窗谱估计检测法等信号处理方法。不同的方法在检测性能、所需先验知识、算法复杂度等方面都各有优缺点。同时，考虑到在移动环境下，由于无线环境存在路径损耗、阴影效应和多径效应，如果仅仅依靠单个节点的感知结果，并不能保证频谱检测的正确性。因此，在单一节点检测技术的基础上，研究人员提出了基于多个节点之间的协作频谱感知技术，以增加网络开销为代价，通过融合多个认知用户的频谱感知信息来提高频谱检测的正确性，从而降低对单个节点的性能要求。常用的数据融合算法有：AND，OR，K秩等。此外，频谱检测的时序安排对检测性能及可能产生的干扰量有着直接的影响，因此，需要根据授权信道，即需要进行频谱检测信道的占用特征对其进行适当地调整。

时分同步码分多址的长期演进(TD-LTE/TD-LTE Advanced)系统本身已经具备灵活的带宽与多种工作频段的特性，即能够支持工作频率及技术参数的转换从而能够有效提高频谱利用率。因此，如何利用频谱检测使具有认知功能的TD-LTE/TD-LTE Advanced系统与授权系统有机共存，使得TD-LTE/TD-LTE Advanced系统能够充分利用频谱资源是亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何利用频谱检测使具有认知功能的TD-LTE/TD-LTE Advanced系统与授权系统有机共存，使得TD-LTE/TD-LTE Advanced系统能够充分利用频谱资源。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于LTE的协作频谱检测系统，该系统包括：接入网模块和终端模块；

所述接入网模块设置于接入网侧，用于向所述终端模块发出频谱检测指令，进行频谱检测，并将终端模块返回的检测结果与接入网返回的检测结果进进行数据融合得到最终的频谱检测结果；

所述终端模块设置于终端侧，用于根据接收自接入网模块的频谱检测指令进行频谱检测，并将频谱检测结果返回给接入网模块。

优选地，所述接入网模块具体包括：数据融合子模块、接入网频谱检测执行子模块、协作频谱检测策略子模块与接入网检测指令交互子模块；

所述接入网检测指令交互子模块，配置于接入网侧的各个基站中，用于将接收自所述协作频谱检测策略子模块的检测指令下发至各个终端；将接收自各个终端的检测结果中的终端剩余电池电量传至所述协作频谱检测策略子模块，同时将检测结果中的其他信息传至数据融合子模块；

所述接入网频谱检测执行子模块，配置于接入网侧的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块相连接，用于根据接入网检测指令交互子模块下发的控制信息，利用选用的频谱检测算法去检测指定信道，并且将检测结果反馈至接入网检测指令交互子模块；

所述数据融合子模块，配置于接入网侧的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块和协作频谱检测策略子模块分别相连接，用于对接收自接入网检测指令交互子模块的所有终端的检测性能进行排序，并将该排序结果传送至协作频谱检测策略子模块；根据协作频谱检测策略子模块确定的数据融合算法对接收自接入网检测指令交互子模块的所有频谱检测结果进行数据融合处理，得出最终的判决结果；

所述协作频谱检测策略子模块，配置于接入网的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块和数据融合子模块分别相连接，负责生成协作频谱检测策略。

优选地，所述终端模块包括：终端频谱检测执行子模块与终端检测指令交互子模块；

所述终端检测指令交互子模块，配置于各个终端中，用于接收接入网检测指令交互子模块下发的具有本终端ID标识的频谱检测指令，并将所述频谱检测指令发送到终端频谱检测执行子模块；将终端频谱检测执行子模块的检测结果以及剩余电池电量上报给接入网检测指令交互子模块；

所述终端频谱检测执行子模块，配置于各个终端中，与终端检测指令交互子模块相连接，根据终端检测指令交互子模块下发的频谱检测指令，利用选用的频谱检测算法去检测指定信道，并且将检测结果反馈至终端检测指令交互子模块。

优选地，所述协作频谱检测策略子模块进一步包括：基站上下行配置模式选择单元，用于根据检测时长、终端上行通信的吞吐量，以及基站下行通信的吞吐量，选择各个基站上下行配置模式；

参与协作频谱检测的终端选择单元，用于根据终端频谱检测性能和终端的剩余电池电量选择能够参与协作频谱检测的终端集合。

为解决上述技术问题，还提供一种基于LTE的协作频谱检测方法，该方法包括：

步骤A、向接入网和终端发出频谱检测指令；

步骤B、接入网和终端分别使用选定的频谱检测算法进行频谱检测，并分别返回检测结果；

步骤C、使用选定的数据融合算法对接入网返回的检测结果和终端返回的检测结果进行数据融合得到最终的频谱检测结果。

优选地，步骤A之前，所述方法进一步包括：确定基站上下行配置模式以及参与协作频谱检测的终端集合。

优选地，所述频谱检测指令具体包括：基站上下行配置模式、参与频谱检测的终端ID、需要频谱检测的信道列表、频谱检测的开始时刻，以及检测结果的上报时刻；

所述检测结果具体包括：终端ID、需要进行频谱检测的信道ID和终端剩余电池电量。

优选地，所述检测指令进一步包括：终端采用的频谱检测算法、频谱检测的虚警率以及返回检测结果的类型；

所述检测结果进一步包括：频谱检测结果。

优选地，所述频谱检测算法为能量检测法或循环特征检测法。

优选地，所述数据融合算法为硬判决算法或软判决算法。

(三)有益效果

本发明通过提出了一种基于LTE的协作频谱检测系统和方法，利用频谱检测使具有认知功能的TD-LTE/TD-LTE Advanced系统与授权系统有机共存，不仅能够有效地减小对TD-LTE/TD-LTE Advanced系统的改造升级成本，而且能够在保证用户QoS与系统开销最小的前提下提高频谱资源的利用效率。

附图说明

图1是现有技术中TD-LTE/TD-LTE Advanced系统的结构图；

图2是本发明中基于LTE的协作频谱检测系统的结构示意图；

图3是本发明中基于LTE的协作频谱检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

TD-LTE系统与TD-LTE Advanced系统具有同样的系统架构，图1是现有技术中TD-LTE/TD-LTE Advanced系统的结构图；如图1所示，现有TD-LTE/TD-LTE Advanced系统包括演进后的核心网(MME/S-GW)和演进后的接入网。演进后的接入网仅由eNB(evolved Node B)组成，网络架构扁平化。对于TD-LTE/TD-LTEAdvanced系统，无线资源管理(RRM)功能由接入网独立完成。核心网与接入网之间采用S1接口连接，多个eNB之间采用X2接口连接，采用集中式或分布式架构，共同完成RRM功能。

图2是本发明中基于LTE的协作频谱检测系统的结构示意图，如图2所示，所述协作频谱检测系统包括接入网模块和终端模块；所述接入网模块设置于接入网侧，用于向所述终端模块发出频谱检测指令，进行频谱检测，并将终端模块返回的检测结果与接入网返回的检测结果进行数据融合，得到最终的频谱检测结果；所述终端模块设置于终端侧，用于根据接收自接入网模块的频谱检测指令进行频谱检测，并将频谱检测结果返回给接入网模块。

所述接入网模块包括数据融合子模块、接入网频谱检测执行子模块、协作频谱检测策略子模块与接入网检测指令交互子模块；所述终端模块包括终端频谱检测执行子模块与终端检测指令交互子模块。

所述接入网检测指令交互子模块，配置于接入网侧的各个基站中，负责下达频谱检测相关指令，以及接收终端上报的检测结果。

具体为：将接收自所述协作频谱检测策略子模块的检测指令下发至各个终端；将接收自各个终端的检测结果中的终端剩余电池电量传至所述协作频谱检测策略子模块，同时将检测结果中的其他信息传至数据融合子模块。其中，所述频谱检测指令的具体内容如下表1所示：

数据内容	描述	备注
			基站上下行配置模式	决定基站的上下行配置切换到哪种模式
终端ID	参与检测的终端标识
			检测信道列表	该终端需要检测的信道标识
检测开始时刻	该终端开始进行频谱检测的时刻
			检测结果上报时刻	该终端上报检测结果的时刻
检测算法	该终端采用的检测算法代号	可选
			检测虚警率	该终端检测性能的虚警率要求	可选
返回结果的类型	决定该终端上报的检测结果的类型	可选

表1

所述检测结果的具体内容如下表2所示：

表2

所述接入网频谱检测执行子模块，配置于接入网侧的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块相连接，负责对授权信号进行频谱检测。所述频谱检测具体为：根据接入网检测指令交互子模块下发的控制信息，接入网频谱检测执行子模块将在指定时刻利用某种选用的具体频谱检测算法去检测指定信道，并且在另一个指定时刻将检测结果反馈至接入网检测指令交互子模块。频谱检测的算法可以任意选用，如能量检测法，循环特征检测法等等。

所述数据融合子模块，配置于接入网侧的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块和协作频谱检测策略子模块分别相连接，负责利用协作频谱检测策略子模块确定的数据融合算法对接收自接入网检测指令交互子模块的所有频谱检测结果进行数据融合处理，得出最终的判决结果。检测出的频谱资源可以提交接入网的RRM功能模块进行频谱资源分配利用，供本系统使用。也可以将检测到的空闲频谱资源上报核心网，供其它系统使用。数据融合算法也可以采用任意数据融合算法，如硬判决算法，软判决算法等等。此外，该子模块对各个终端的检测性能进行排序，并将该排序结果传送至协作频谱检测策略子模块。

所述协作频谱检测策略子模块，配置于接入网的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块和数据融合子模块分别相连接，负责生成协作频谱检测策略，具体包括：

基站上下行配置模式选择单元，用于根据检测时长、终端上行通信的吞吐量，以及基站下行通信的吞吐量，合理选择各个基站上下行配置模式。

为保证系统兼容性，TD-LTE与TD-LTE Advanced系统的帧结构是相同的。TD-LTE的帧长为10ms，由10个长度为1ms的子帧组成，子帧分为普通子帧和特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的时隙(slot)组成，特殊子帧由UpPTS，GP和DwPTS组成。其中DwPTS用于下行发送，UpPTS用于上行发送，而GP作为下行至上行转换的保护时间间隔。TD-LTE/TD-LTE Advanced标准中支持7种不同的上下行配置模式，在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配置，如下表3所示。

表3

其中，D代表下行子帧，用于基站对终端通信。U代表上行子帧，用于终端向基站通信。S代表特殊子帧。

相对于下行通信的吞吐量，TD-LTE系统的上行通信吞吐量比较小。如果在某个上行子帧中，控制所有移动终端停止上行通信，那么这段时间就可以作为频谱检测时间，用于基站和终端进行频谱检测。这种方法不改变TD-LTE系统的帧结构，而且在检测时间中避免了TD-LTE系统的正常通信对频谱检测信号，即授权信号的检测产生干扰。

参见表3，TD-LTE系统一帧长度为10ms，其中上行子帧数量可配置为1子帧至6子帧，即检测时间的长度可以从1ms到6ms自由配置。基站可以配置一部分上行子帧作为检测时间，而保留一部分上行子帧用于上行通信。这样可以在不中断终端上行通信的情况下，实现对授权信号的频谱检测。

终端模块和接入网模块能够按照性能需求，使用任意频谱检测算法进行频谱检测。由于不同检测算法对于检测时长的要求不同，所述基站上下行配置模式选择单元需要权衡检测时长，终端上行通信的吞吐量，基站下行通信的吞吐量，合理选择各个基站上行下行配置，确定上行子帧的数量，即使用多少上行子帧用于频谱检测，多少上行子帧用于上行数据通信。

下面以I型号雷达信号为授权信号，终端模块和接入网模块使用能量检测法为例，说明选择基站上下行配置模式的具体流程：

I型号雷达参数如下：扫描速度：45度/秒；脉冲宽度：0.4微秒；脉冲重复频率(PRF)：2KHz；3dB波束宽度：1.5度。

步骤1，计算不同上下行配置模式中，检测时间能够检测到的雷达脉冲数。

根据雷达天线的3dB波束宽度和天线扫描速度，能够计算单个认知设备位于雷达天线主瓣的时间量。这个时间就是分析时间，即基于雷达天线方向图和扫描速度的一次扫描中，认知设备位于雷达主瓣之内的时间，用公式表示分析时间为：

T_analysis＝3dB波束宽度/天线扫描速度

通过计算得出，I型号雷达信号的分析时间为33ms。由于单帧长度为10ms，因此能够在一个数据帧中完整地接收到雷达信号。检测时间能够检测到的雷达脉冲个数为：

N＝可用的检测时间×脉冲重复频率

步骤2，根据检测算法的检测概率，计算不同上下行配置中对应的检测概率。

假定基于目前的信道环境，能量检测法对于一个雷达脉冲的检测概率为87％，可以计算得出不同上下行配置中对应的最终检测概率为：

最终检测概率＝1-(1-单个脉冲检测概率)^N

计算结果如下表4所示：

表4

假定对授权信号的检测要求是最终检测概率大于99.9999％，而且不考虑基站上行下行数据传输的影响，那么可选择的上下行配置为模式0、1、3、6。

步骤3，以不干扰授权信号为基本前提，考虑基站上行下行数据吞吐量，确定合适的上下行配置模式。

参与协作频谱检测的终端选择单元，用于确定参与协作频谱检测的终端集合。具体为：根据终端频谱检测性能的差异性，终端的剩余电池电量这两个因素，选择出能够参与协作频谱检测的终端集合。

在协作检测中，参与的终端数量越多，检测概率越高，但是检测信令开销也越大。因此，必须兼顾检测性能与检测信令开销，该单元将确定出最终参与协作检测的终端集合。

具体包括：

步骤1，排除剩余电池电量不足的终端参与频谱检测，形成能够参与频谱检测的终端集合

具体可以预设一个电量阈值，低于所述电量阈值的将被排除，否则将保留并形成能够参与频谱检测的终端集合。

步骤2，按照终端的频谱检测性能对能够参与频谱检测的终端集合中的终端进行排序。

步骤3，从该集合中优先挑选检测性能好的终端，添加到参与指定检测信道的终端集合中。

步骤4，计算多节点协同感知的检测正确率。若数据融合算法采用OR算法，则采用以下公式计算：

$\mathrm{\λ}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-p_i)$

其中n是参与协作频谱检测的节点数目，Pi是第i个节点的检测正确率。λ代表协同频谱检测的最终检测正确率

步骤5，根据终端和接入网交互的信令开销，计算协作频谱检测总的信令资源开销：

$\mathrm{\δ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i$

其中，δ_i代表第i个节点的频谱检测信令开销。

步骤6，权衡授权信号检测正确率和频谱检测信令开销，判断是否需要额外终端参与协同检测。如果需要则重复步骤3，不需要则进行步骤7

采用S作为评价函数，S值越大代表性能越好。评价函数S采用以下公式计算：

S＝aλ+bδ

其中系数a，b可调节，代表判决结果偏重于提高协作检测的正确率，还是减小系统信令开销。

易证，评价函数S是参与频谱检测的终端数目n的凸函数。S值随着n的增大先增大后减小，S函数只有唯一极大值点。因此在本算法中，随着n的增大。当S取得最大值后，所选择的终端集合是最优集合。

步骤7，重复步骤3，为下一个待检测信道选择参与检测的终端集合。

所述终端检测指令交互子模块，配置于各个终端中，负责与接入网检测指令交互子模块的通信。具体为：接收接入网检测指令交互子模块下发的具有本终端ID标识的频谱检测相关指令，并将所述频谱检测相关指令发送给终端频谱检测执行子模块；将终端频谱检测执行子模块的检测结果以及剩余电池电量上报给接入网检测指令交互子模块。

所述终端频谱检测执行子模块，配置于各个终端中，与终端检测指令交互子模块相连接，负责对授权信号进行频谱检测。所述频谱检测具体为：根据终端检测指令交互子模块下发的频谱检测相关指令，终端频谱检测执行子模块将在指定时刻利用某种选用的具体频谱检测算法去检测指定信道，并且在指定时刻将检测结果反馈至终端检测指令交互子模块。频谱检测的算法可以任意选用，如能量检测法，循环特征检测法等等。

本发明还公开了一种基于LTE的协作频谱检测方法，适用于上述TD-LTE/TD-LTE Advanced系统中，该方法包括：

步骤A、向接入网和终端发出频谱检测指令；

具体为，确定基站上下行配置模式以及参与协作频谱检测的终端数目后，向接入网和终端发出频谱检测指令。

步骤B、接入网和终端分别使用选定的频谱检测算法进行频谱检测，并分别在指定时间返回检测结果；

步骤C、使用选定的数据融合算法对接入网返回的检测结果和终端返回的检测结果进行数据融合得到最终的频谱检测结果。

图3是根据本发明实施例的基于TD-LTE/TD-LTE Advanced系统的协作频谱检测方法流程图。参见图3，下面以TD-LTE/TD-LTEAdvanced系统上行下行配置在模式6为例，说明上述协作频谱检测系统基于TD-LTE/TD-LTE Advanced帧结构进行协作频谱检测的具体流程。

步骤1，协作频谱检测策略子模块计算得出基站上下行配置模式以及参与协同检测的终端数目，通过接入网检测指令交互子模块向接入网发出频谱检测指令。

步骤2，接入网设置下一帧基站上行下行配置为模式6。

步骤3，接入网中各个基站在下一帧的第0下行子帧中，对所有终端广播终端检测任务。

步骤4，所有终端在第1特殊子帧的UpPTS应答接入网

步骤5，所有终端在第2、3上行子帧，及第4上行子帧的第1个时隙中停止发送上行通信数据，形成静默期。

步骤6，基站发送频谱检测指令到接入网频谱检测执行子模块，终端发送频谱检测指令到终端频谱检测执行子模块。

步骤7，接入网和终端频谱检测执行子模块，共同对授权信号进行频谱检测。

步骤8，终端频谱检测执行子模块向移动终端返回检测结果。

步骤9，在第4上行子帧的第2个时隙，终端将检测结果上报接入网。

步骤10，接入网将所有终端上报的检测结果反馈给数据融合子模块。

步骤11，所述数据融合子模块对接入网内各个基站，和终端返回的所有检测结果进行数据融合判决，得到最终的授权信号检测结果。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过提出了一种基于LTE的协作频谱检测系统和方法，利用频谱检测使具有认知功能的TD-LTE/TD-LTE Advanced系统与授权系统有机共存，不仅能够有效地减小对TD-LTE/TD-LTE Advanced系统的改造升级成本，而且能够在保证用户QoS与系统开销最小的前提下提高频谱资源的利用效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于LTE的协作频谱检测系统，其特征在于，该系统包括：接入网模块和终端模块；

所述接入网模块设置于接入网侧，用于向所述终端模块发出频谱检测指令，进行频谱检测，并将终端模块返回的检测结果与接入网返回的检测结果进行数据融合，得到最终的频谱检测结果；

所述终端模块设置于终端侧，用于根据接收自接入网模块的频谱检测指令进行频谱检测，并将频谱检测结果返回给接入网模块；

所述接入网模块具体包括：数据融合子模块、接入网频谱检测执行子模块、协作频谱检测策略子模块与接入网检测指令交互子模块；

所述接入网检测指令交互子模块，配置于接入网侧的各个基站中，用于将接收自所述协作频谱检测策略子模块的检测指令下发至各个终端；将接收自各个终端的检测结果中的终端剩余电池电量传至所述协作频谱检测策略子模块，同时将检测结果中的其他信息传至数据融合子模块；

所述接入网频谱检测执行子模块，配置于接入网侧的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块相连接，用于根据接入网检测指令交互子模块下发的控制信息，利用选用的频谱检测算法去检测指定信道，并且将检测结果反馈至接入网检测指令交互子模块；

所述数据融合子模块，配置于接入网侧的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块和协作频谱检测策略子模块分别相连接，用于对接收自接入网检测指令交互子模块的所有终端的检测性能进行排序，并将该排序结果传送至协作频谱检测策略子模块；根据协作频谱检测策略子模块确定的数据融合算法对接收自接入网检测指令交互子模块的所有频谱检测结果进行数据融合处理，得出最终的判决结果；

所述协作频谱检测策略子模块，配置于接入网的各个基站中，与接入网检测指令交互子模块和数据融合子模块分别相连接，负责生成协作频谱检测策略。

2.如权利要求1所述的协作频谱检测系统，其特征在于，所述终端模块包括：终端频谱检测执行子模块与终端检测指令交互子模块；

所述终端检测指令交互子模块，配置于各个终端中，用于接收接入网检测指令交互子模块下发的具有本终端ID标识的频谱检测指令，并将所述频谱检测指令发送到终端频谱检测执行子模块；将终端频谱检测执行子模块的检测结果以及剩余电池电量上报给接入网检测指令交互子模块；

所述终端频谱检测执行子模块，配置于各个终端中，与终端检测指令交互子模块相连接，根据终端检测指令交互子模块下发的频谱检测指令，利用选用的频谱检测算法去检测指定信道，并且将检测结果反馈至终端检测指令交互子模块。

3.如权利要求1所述的协作频谱检测系统，其特征在于，所述协作频谱检测策略子模块进一步包括：

基站上下行配置模式选择单元，用于根据检测时长、终端上行通信的吞吐量，以及基站下行通信的吞吐量，选择各个基站上下行配置模式；

参与协作频谱检测的终端选择单元，用于根据终端频谱检测性能和终端的剩余电池电量选择能够参与协作频谱检测的终端集合。

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