CN101971513A

CN101971513A - 用于级联和分配无线信号的系统和装置

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Publication number: CN101971513A
Application number: CN2009801085818A
Authority: CN
Inventors: S·吴; T·D·克林斯; J·叶
Original assignee: WiLAN Inc
Current assignee: WI-LAN有限公司; Quarterhill Inc
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: KR20100127243A; EP2255449A1; JP2011521491A; US20090235316A1; JP5539305B2; US8665143B2; EP2255449A4; US20120212628A1; WO2009114931A1; CN101971513B; US8155039B2

Abstract

通过识别在VHF/UHF频谱中的一个或多个空白频率空间段、选择用于每段空白频率空间频谱的载频、将信号解析成同样数量的分量并在载频之上调制每个分量，执行在服务区内的多媒体信号或类似物的重新分配。接收设备执行相反操作用于重新形成信号。

Description

用于级联和分配无线信号的系统和装置

技术领域

本发明一般涉及高带宽信息信号的本地分配。

背景技术

存在提供廉价且有效的方式以在指定的小地区内广播多媒体内容的公认的要求。这样的小地区包括单个家庭居住的、多住处的单元、小的/家庭的办公室、小生意、多租客的建筑、及公共和私有校园，全部以带有许多障碍的有限空间为特征，障碍如墙壁、家具、金属器具等。存在向在该市场中的用户提供舒适的、容易使用并且对于消费者有吸引力定价的结构的趋势。

当前硬线解决方案需要电缆硬件，带有伴随的物流开销和美学问题。已知无线方法，但是这种方法在本地分配以前典型地需要有效地压缩，以及广泛的、免干扰的带宽的事先保留。另外，为了出于成本考虑观点而产生吸引人的无线解决方案，当前已知结构使用或打算使用未授权的频谱。更进一步地，例如由于在邻近位置上的信号之间的干扰、与在地区中呈现的其他服务的干扰、及各自地区的地理情况，在该类型环境中的该类型的信号的无线分配不是普通任务。

例如，高带宽信息信号(如高清晰度电视(HDTV)信号)的当前本地地区分配必须符合多种系统约束。作为一个说明性的例子，典型的HDTV家庭系统具有通过光纤、DSL链路或卫星下行链路连接到服务提供商的机顶盒(STB)。STB接收运动图像专家组(MPEG)信号并将其解码成和用户显示器相适合的信号格式。一种普通的信号格式使用高清晰度多媒体接口(HDMI)技术。然后HDMI格式的信号必须被传输到用户的视频显示器。硬线连接是用于该连接的最普遍的选择。然而，经常地，场所没有或不适合高带宽硬线系统。更进一步地，与电缆有关的美学问题可能导致这种连接是不合需要的。

一种可能的无线方法是无线HDTV。在这种结构中，机顶盒解码MPEG数据并且然后经由内置HDMI接口将它在60GHz频带上无线地传输到TV机。虽然该解决方案减少了用于连接设备的电缆的需要，但是它具有严重的缺点。例如，因为在机顶和TV机之间的数据没有被压缩，所以需要非常高的数据链路。同样，其中可以接收具有合格质量的所期望的信号的地区是非常小的(达到半径为16km(10m))。打算处理该问题的一些解决方案涉及波束形成技术的使用，但是这增加了成本并且减少了可用于全面的系统硬件的空间。

另一用于在诸如住处或营业场所的区域内分配接收到的信息信号的已知解决方案是传统的中继器(repeater)。传统的中继器接收信息信号、放大并转发它。然而，传统的中继器具有缺点。一个是，频谱的官方或其他强制分配可能限制这种传统的重传。另一个是，传统的中继器典型地放大并复制的不仅有所关心的信息信号，而且有各种噪声和干扰信号。结果可能是由最终用户接收恶化的信号。

又一种解决方案是用于内部传输的Wi-Fi技术的使用，其工作在未授权的2.4和5GHz频带。然而，传统的Wi-Fi可能不能提供足够连续的数据速率以令人满意地支持HDTV图像质量。更近一步地，由于各种且常常无法控制的干扰，常常危及在Wi-Fi中的链路质量。

发明内容

可以在下述的概要中进行一些简化和省略，其是用来突出并介绍各种示例性实施方式的某些方面，但不是用来限制本发明的范围。能够允许本领域的那些普通技术人员作出并使用本发明的概念的优选的示例性实施方式的详细描述，通过整个公开来提供。同样，下述的含义将应用于以下标识的每个术语的所有实例，用其他方式清楚陈述的实例或在从在其中术语出现不同含义的具体上下文被清楚陈述的具体实例除外。

在一个方面，本发明可以提供用于通过在服务区内的无线连接重新分配信号而没有干扰或影响在该地区内可用的初级服务的递送的系统和方法。在该说明书中，术语“初级服务”用来作数字TV广播和无线麦克风应用。术语“服务区”或“服务位置”用于指明单个或多住处单元、小的办公室/家庭的办公室、小生意、多租客的建筑、及公共和私有校园，等等。强制任何次级服务与初级服务共享频谱以避免任何初级服务的干扰。

在另一方面，本发明可以探测在确定的地区中没有被初级服务使用的空白频率空间(white space)段，并且可以使用这样的空白频率空间段用于次级服务，如室内无线TV广播、或语音、视频和/或数据信号的重新分配。在该说明书中，术语“空白频率空间”指的是没有被用于初级服务的频谱段，即在服务区中可用的。它包括例如在VHF/UHF频带中可用的频谱，其没有被初级服务使用。要强调的是，从TV市场到TV市场的空白频率空间不同，并且在同一TV市场中从地区到地区也可以是不同的，这是由于无线麦克风应用的存在或在各自的地区中工作的次级服务的竞争。

在又一方面，本发明可以提供用于在服务区内通过无线连接分配信号的解决方案，其需要对于现有设备的最小改变。例如，在此描述的结构使能TV信号的重新分配，带有对TV接收器的最小改变。

根据本发明的一方面，这里提供一种用于在服务区内分配指定带宽的信息信号的网关，包括频谱探测器，其用于识别足以包含所述信息信号的带宽的k个空白频率空间段；以及发射器，其用于在k个空白频率空间段上发射数据信号，其中k是整数，k≥1。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在服务区内分配指定带宽的信息信号的方法，包括：a)识别足以包含所述信息信号的所述带宽的k个空白频率空间段；以及b)在k个空白频率空间段上广播数据信号，其中k是整数，k≥1。

根据本发明的更进一步的方面，提供一种用于在服务区内接收所发射的信息信号的设备，包括：天线，其用于捕获在k个频率载波上承载的k个RF信号分量，其中k是整数；k个解调器分支(branch)，每个用于将各自的RF信号分量解调成信息信号分量；以及组合器，其用于将所述信息信号分量组合成所述信息信号。

有利地，本发明提供低设备成本、实现较佳的性能、提高频谱利用率，并且因此提供信号且尤其是电视信号的特别有效的无线重新分配。

本发明的前述的优点对于可以通过各种示例性实施方式被实现的那些是说明性的，并且不意味着穷举或限制可以被实现的可能的优点。从而，这些和其他目的和优点由于在此的描述将是显然的，或者可以根据实践各种示例性实施方式被教导，两者均作为在此包含的或作为鉴于对于本领域那些技术人员可以是显然的任何变化修改的。相应地，本发明在于在此在各种示例性的实施方式中所示的和描述的新颖的方法、配置、组合、以及改进。

附图说明

紧接着关于下述附图描述本发明，其中贯穿几个视图相同的参考数字指明相应的部件。

图1示出根据本发明的实施方式用于对在服务区工作的用户设备重新分配信号的无线网关的实施方式的方框图。

图2示出用于恢复由网关广播的信号的设备的第一变型的方框图。

图3示出用于恢复由网关广播的信号的设备的第二变型的方框图。

图4示出根据本发明的实施方式的小波频谱分析器的方框图。

图5示出被图4的小波频谱分析器使用的时间-频率映射(map)的例子。

图6示出图的时间频率映射可如何被用于探测并选择空闲的频谱段的例子。

图7和8示出根据本发明的实施方式在空白频率空间频谱的不连续的段上重新分配之前解析信号的例子，其中：图7示出如何将信号解析成k个段，以及图8示出来自空白频率空间频谱的不同部分的“最佳”频谱段的选择，目的在于获得信号重新分配所需要的带宽。

图9示出用于HDTV信号分配器的特定例子的控制机构。

具体实施方式

已知在世界各处的各种管理团体分配用于具体使用的频谱，并且在大多数情况下，对部分频谱许可权利。在许多情况下，这些频率分配方案由于技术的原因(举例来说，为了避免干扰)授权频谱的指定部分在所分配的频带之间保持空闲(未被使用)。同样，这些管理团体提供未被使用的频谱，其或者从未被许可，或者由于技术的改变而变成空闲的。该有价值的资源的有效的使用是紧紧贴近于现代数据通信系统的发展的当前研究趋势。

存在由模拟到数字TV(DTV)转变的全球趋势，其被较高质量的数字信号驱动，产生较佳的观看者体验、提供个性化的和交互式的服务的能力、以及频谱的更有效的使用。

例如，在北美洲，TV广播装置当前使用VHF(特高频率)和/或在54MHz和698MHz频带的UHF(超高频率)频谱的较低部分。每个TV台当前被分配在VHF/UHF频谱中占用6MHz的信道，联邦通信委员会(FCC)已授权在不迟于2009年2月17日，全部的全功率电视广播将使用用于数字TV的ATSC标准。转换成DTV导致重要的带宽在频谱的该部分中变成空闲的。这是因为在确定的地理区域/地区(通常所说的TV市场)中广播DTV信号的每个TV台将使用有限数量的信道，以使在那个区域中没有被分配给DTV广播的频谱在转变成数字TV广播之后变成空闲的。

该本地可用频谱被称作“空白频率空间”；要注意的是，从TV市场到TV市场可用在VHF/UHF频谱中的空白频率空间不同。另外，空闲频谱可能还可用在2.4GHz频带中的未授权的频谱，其目前被Wi-Fi、蓝牙设备、业余无线电设备、无绳电话、微波炉等共享；或在5GHz频带主要被Wi-Fi设备使用。

FCC打算通过分配信道2到51给数字TV；占用700MHz频带的下半区的信道52到69已经通过拍卖被重新分配给消费者的各种先进的商业无线服务。当转变成DTV在2009年初期结束时，在美国的210个TV市场的每一个可以具有达到40个未被分配且空白的、保留用于广播的信道，但是没在使用中。空白的TV信道完全地适合于其他未授权的无线互联网服务。接入到空白的TV信道促进市场用于低成本、高容量、移动无线宽带网络，包括显现的内置网络。使用该空白频率空间，无线宽带产业能够递送互联网访问到每个家庭，通过一些估计仅仅$10一个月。

术语“TV信道”这里指的是当前由DTV标准定义的频率信道，例如，为了说明性的例子并且没有限制地，“信道2”或“信道6”由在VHF频带内的北美洲NTSC标准指定。术语“频谱段”用作频率频谱的一部分，并且术语“空白频率空间信道”用作由分配给确定设备用于各自的次级服务的一个或多个小波信道形成的逻辑信道；它可以包括小波信道或小波信道的组合，连续的或不连续的。虽然本发明在已经经历了一级分配的信号的重新分配中是特别有用的，但是将被理解的是，本发明也可应用于在来自初级源的服务区中的信号的初级分配。例如，建筑物可能包括作为信号的源的服务器。

本发明的实施方式提供用于在服务区中的一般被称作“信息信号”的视频、数据和/或语音信号的重新分配的方法和系统，并且更特别地，提供用于使用在设备所位于的地区内可用的空白频率空间级联这样的信号的系统。本发明被描述用于对于DTV的北美洲高级电视业务顾问委员会(ATSC)的特定的例子，其为每个TV信道授权6MHz的带宽。然而，本发明不受限于识别并使用6MHz宽的频谱段；应用这里所描述的技术，较窄或较大的频谱段可以被探测并使用。例如，本发明还可应用于DTV信道宽度如8MHz(日本)和/或7MHz(欧洲)。作为另一例子，如果在6MHz频谱段内没有被在确定市场中的DTV信道占用的一个或多个空白频率空间段被无限麦克风或/和其他服务占用，那么该频谱的剩余部分还可以根据本发明被使用。更进一步地，关联在没有被DTV广播和其他初级服务使用的频谱上的本地无线TV广播描述本发明，但是相同的原理可应用于在频谱的其他部分中的空白频率空间，如在未授权的2.4或5GHz频带。还要注意的是，被重新分配的信号不需要必须是TV信号，而在这样情况下，对于这样的信号所需要的空白频率空间频带可以比DTV信道的宽度或多或少。

为了重申，虽然下面的描述特别指的是北美洲DTV标准的例子和在家庭内部的HDTV信号的重新分配，但是本发明可应用于其他DTV标准，不限于H/DTV信号的重新分配，并且不仅仅指的是通过从模拟到数字TV的转变而释放的空白频率空间。更确切地，它可应用于关心的任何视频、语音和/或数据信号的无线重新分配，其使用在频谱的任何部分中所识别的空白频率空间。

图1示出根据本发明的实施方式的网关100的方框图。网关10与一个或多个设备20以主-从关系通信。术语“设备”指明，在广泛的术语中，在服务区(举例来说，家庭)内使用的无线使能设备的任何部件。例如，设备可以是TV机(具有分离的或内置的机顶盒)、个人计算机、膝上型电脑、笔记本、黑莓(Blackberry^TM)设备或等效设备、PDA等。

网关10包括发射器100、频谱分析器101和控制信道处理器102。图1还示出用户设备20，其与网关10在无线链路上通信，如所示的通过天线12、14。频谱分析器和探测器101通过扫描指定的频谱部分或无线通信频谱的部分来识别在各自的地区可用的空白频率空间，并且提供该信息到发射器100。术语“指定的频谱部分”，在其上空白频率空间被感测，更可取地被预置为已知在确定区域中没有被充分利用的频谱的确定的一部分(或多部分)，如，例如，通过从模拟到数字TV的转变释放的频谱。频谱的所选择的部分还可包括未授权的频谱的部分，并且当安装系统时更可取地被指定。

频谱分析器101使用天线120感测在扫描的频谱部分呈现的无线信号。Rx信号可以是HDTV信号，被无线麦克风应用或被在地区中活动的次级服务所使用的信号。

一般而言，频谱分析器101可以是任何频谱探测器/分析器；更可取地在该发明中使用小波频谱分析器。小波频谱分析器101扫描频谱的所选择的部分；小波频谱分析器可使用预定的扫描序列，或者，作为一个备选方案，可使用动态更新序列。从而，扫描序列可包括完整的VHF/UHF频谱，该频谱没有被在各自的地区中(已知)的DTV广播占用或者该频谱仅仅被已知没有用于TV广播的信道(举例来说，信道2、3、5和7)占用。同样，扫描序列可包括这些信道的一个或多个的仅仅部分。总之，扫描序列可以考虑到在各自的TV市场中可用的已知频谱占用，并且还可以考虑除VHF/UHF频带以外的频谱的其他部分。

继续以图1的说明性的例子，假定搜索到的总带宽是6MHz，以使能HDTV信道的转发，其包括例如视频内容、短标题、以及声音环绕音频。HDTV信号的具体的多媒体内容对于本发明不是特定的。作为从读该公开将被理解的，这种质量阈值的设置可通过应用标准通信系统设计实践和对于在数字通信技术中普通技术人员众所周知的技能进行。

小波频谱分析器101通过产生小波函数来操作，并且关于图4-7更进一步详细地被描述。原则上，通信频谱被设计作为具有多个频率-时间单元的频率和时间映射。在频率和时间映射内的每个频率-时间单元组成至少一个频谱段，其可以被利用于通信目的。使用小波信号分析，对照阈值，测量在每个频率-时间单元内的信号能量，这是为了识别带有很少或没有可探测的信号活动性的频率-时间单元。这样识别的频率-时间单元提供时机用于在这些频率-时间单元内通信不活动周期期间的信号传输和接收。频谱分析器然后提供频率和时间信息到发射器100；该信息在方块101和方块100之间的箭头上示出，{fk，BW}，其中fk是在各自的频谱段内所选择的载频，且BW是可用的带宽。

更可取地，频谱分析器扫描从预先确定的频谱表格开始的TV频谱，频谱表格提供指示被在该区域(TV市场)中的TV广播装置使用的信道的区域性的频谱占用表格。一旦被各自的次级服务的传输所需要的空白频率空间基于信息信号的带宽被识别，收发器将其保留并指示到设备20，其使用举例来说下行链路频谱分配图、在接收信息信号的地方的频率、当接收信息信号时的时间。发射器天线12用于发射信息信号到设备20；设备20使用设备天线14捕获该信号。

控制信道处理器102用于使能设备20以通过控制信道30与网关10通信。例如，这可以是双向控制信道，其中上行链路带宽被由网关10提供服务的全部设备共享，用于连接设置(作为集合信道)，用于将控制消息以接入请求、带宽请求的形式传达到发射器，并且一般地用于使能用于设置、维持以及拆毁连接的信令，如本领域技术人员所已知的。分配到该信道的下行链路带宽被网关10使用以控制设备的操作。可选地，下行链路控制数据可以在带内被发送，并且信道30可以被用作为单向信道，用于使能设备发送上行链路消息到网关。

在图1的例子中，发射器100包括接口单元111、基带处理器109和分配器单元110。发射器适合于处理通过接口单元111从各种源接收到的信息信号，并且通过由单元101识别的空闲空间将信号转发到设备20。

在图1中所示的变型中，接口单元111包括多个所示的接口103-108以说明收发器100适合于接收、处理和/或重新分配信息信号给它提供服务的用户。这些接口包括传统设备，其用于将通过各种媒体(举例来说，电缆、空气、导线)从各种源接收的各种格式的信号转换成基带信号。要注意的是，在图1上图解的接口103-108并非穷举的，并且还要注意的是收发器单元100不需要装备全部这些接口。作为例子，图1示出正交相移键控/前向纠错(QPSK/FEC)解码器103、正交频分复用/前向纠错(OFDM/FEC)解码器104、正交幅度调制/前向纠错(QAM/FEC)解码器105、数字用户线路(xDSL)单元106、光纤到家庭(FTTH)单元107、以及数字通用光盘(DVD)单元108。

如这里所描述的“级联HDTV信号”指的是当没有整体的6MHz频谱段可用时的情况。如上面所表明的，用于级联6MHz信道到设备20的带宽可在VHF/UHF频谱中找到；然而，识别并使用来自其他频率频带的空白频率空间同样是可能的。级联可桥接信号到另一未管理频谱如2.4GHz中，或结合在2.4、5GHz和VHF/UHF频带两者中所识别的空闲频谱。

为了级联信号到设备20，基带处理器109首先格式化从接口103-108中的一个接收到的基带信号，如通过识别的空白频率空间传输所需要的。在用于描述本发明的例子中，基带信号在处理器109中依照ATSC标准被格式化。如本领域技术人员所理解的，该操作需要预先存在的符合ATSC的设备。如果使识别的空白频率空间频谱被分段，基带处理器还解析信号，如稍后将更进一步详细地被描述的。术语“解析”这里用作为选择的操作的功能描述符以将信息信号分离成块，并且关于该功能的实现没有限制。

分配器单元110通过由频谱分析器识别的k个空闲频谱段调制信息信号。作为例子在图1中示出单元110带有4个分支(k＝4)；更多或更少的分支可以被使用。为了通过k个空闲频谱段分配多媒体信号，来自接口111的信息信号被解析(反向多路的)成确定数量比特的k个数据块，并且每个数据块调制载波fk。还将被理解的是，k＝4个段实现仅仅是一个例子，其被选择以描述一种解析方案。然而显然的是，本发明不限于扫描并识别空白频率空间段的这种粒度，以使分配器110的分支的数量可以不同于四个。虽然如此，非常可能的是，用于在家庭中的信息信号的重新分配的必须的带宽可以从等于四个空白频率空间段获得。

分配器110的每个分支处理信息信号的分量中的一个，其使用各自的低通滤波器11、用于调制通过各自的载频fk(这里是f1-f4)从信息信号解析的块的调制器13、用于成形调制信号的RF滤波器15、放大器17以及在通过天线12分配这些到设备20之前用于组合来自所有分支的信息信号的RF分量的组合器40。滤波器、调制器、放大器以及组合器可以是通常已知的设计，并且因此没有更进一步详细地描述。

例如，1由单元101识别的空白频率空间频谱由四个段组成，信息信号由BB处理器109解析成每个M比特的四个块；例如，信息信号可以分开成16-比特块(M＝6)，并且每个16-比特块将调制载波f1-f4中的一个。术语“信号分量”用于识别在分配器110的每个分支上提供的信息信号的部分。如将被理解的，根据数据速率、信号调制方案及其他设计参数选择M；M的选择是在本发明的范围之外的。同样，全部四个空白频率空间段具有相同的大小是可能的，但是具有不同大小也同样可能，其也对M的选择产生影响。例如，调制方案可以是正交幅度调制(QAM)；在该情况下，每个分支单元110具有QAM调制器14。如另一例子，在1920×1080分辨率下，假定每像素十(比特)和60帧每秒(fps)，ATSC信号的原始数据速率是1.244Gbps。在该假定的说明性例子之下，关联的压缩数据速率大致是30Mbps。

还可能的是，识别对来自n个空白频率空间段的确定信号的重新分配所需要的空白频率空间，其中n≤k。例如，仅3MHz的空白频率空间频谱段可以在对于信道5用其他方式所分配的频谱内是可用的(当在该频带中的例如3MHz被其他初级服务如无线麦克风等占用时)。3MHz的第二空白频率空间频谱段能够在信道7中是可用的。在该例子中仅需要两个小波信道以形成6MHz的空白频率空间信道，并且分支的剩余可以被用于重新分配数据信号到其他设备，或用于实现空间分集。如另一例子，如果识别四个6MHz的空白频率空间段，那么每个可以用于重新分配整个TV信道到一个设备20，以使四个设备203可以接收截然不同的多媒体内容。

根据本发明的又一实施方式，在当由频谱分析器识别的空白频率空间由6MHz宽的段组成的情况下，分配器110可以通过在分支上的多个载波调制信号以获得空间分集。在该情况下，在每个分支中的信号是信息信号的拷贝而不是信息信号的分量，并且接收器将选择接收到的最佳质量的拷贝或将拷贝结合。

图2示出与网关10的分配器单元201通信的接收单元202的实施方式。它从分配器201接收信息信号(或信号，根据可能的情况)的分量，并且将这些重新格式化为ATSC信号。接收单元202还具有分支结构，分支中的一个说明当信息信号在单个载波上被调制时的情况，如上部的分支所示出。该上部的分支包括滤波器21和放大器23。剩余的分支的每个具有各自的RF滤波器21、放大器23、解调器25以及低通滤波器27，RF滤波器用于根据载频分离通过天线接收到的分量并且修整各自的分量。当使用两个或多个空白频率空间段重新分配ATSC信号时，各自的分支被调谐到各自的频率f2-f4。在空间分集情况下，所有的分支依赖由这些变型中的每个所经历的通路衰减接收相同的信息信号的不同衰减的拷贝。在该情况下，所有解调器将接收到的信号与一个频率(在图2的实施方式中的f1)混合。为了重申，接收单元202的分支的数量是设计参数，并且它可以不同于四个；同样在这里使用的变量k用于一般情况。

对于当ATSC信号之前已被解析的情况，来自k个分支的信号在组合器50中被组合以重建ATSC信号。在空间分集的实施方式的情况下，组合器50还可以包括选择最佳变型的线路。使用信令，接收关于接收到的信号(已分解或未分解)状态的信息。下行链路信令还提供关于在每个块中比特的数量M以及当块被发射时的频率和时间的信息，如稍后关于图8所见。

图3示出使用与网关10的分配器单元301通信的分离的接收单元302、303的更进一步的实施方式的例子。每个接收单元302、303包括适合于当每个接收截然不同的多媒体信道的情况的独立的接收器。然而，在该实施方式中，空白频率空间频谱段是每个6MHz，用于使不同的TV信道能够重新分配到多个用户。虽然两个接收器302和303被示出，但是接收器的数量可以变化以相应于相等数量的设备304、305，并且允许各自的信号传输到相等数量的设备304、305。例如，可以存在四个接收器302，每个与设备304(在该例子中的HDTV机)耦合。如对于本领域技术人员明显的，图3的多个接收器系统的一个益处是能够发射多个节目到多个用户，每个节目使用一载波f1-fk。

图4、5及6示出图1的小波频谱分析器和探测器101的操作。图4示出根据本发明的实施方式的小波频谱分析器的方块图，这里表示为400。图5示出时间-频率映射的例子，并且图6示出在图5的时间频率映射上的频谱分配的例子。

图4中所示的小波频谱分析器400确定在无线通信频谱的预先选择的部分内的无线信号的信号能量。例如，在蜂窝系统中，无线频谱的预先选择的部分包括蜂窝系统在其上工作的频谱。对于在上面的例子中提供的TV频谱，分析器400识别在VHF/UHF频谱中的空白频率空间段。如果分析器400探测具有低的或没有信号能量的指定的无线通信频谱的一个或多个区域，那么分析器相应地识别这些低信号能量区域或任何没有可探测的信号能量的其他区域的频率位置和带宽。

小波频谱分析器400配备有在扫描的频谱中收集信号的天线401。可调谐RF模块402被调谐，以预置粒度连续扫描关心的频谱。在模块402接收到的信号通过模数转换器(ADO)403被转换成数字信号；ADC 403还包括用于修整信号的滤波器。小波分析器还包括小波系数计算器404和小波信道选择器/分类器405。小波系数计算器404生成各自的小波，用于确定在图5中所示的频率-时间映射的单元中探测到的信号的小波系数，并且然后连同关联的单元坐标(时间和频率)输出小波系数到分类单元405。选择器或分类器405将能量与能量阈值相比较，这是为了选择带有阈值以下的能量的单元，限定空白频率空间段。下面提供在该说明书中使用的小波函数的基本背景。

图5示出用于小波函数Ψ(t)的频率时间映射500。频率和时间映射500包括一般标记为502的多个频率和时间单元，其中每个频率和时间单元表示可以被用在该发明中的无线通信频谱的部分，用于信号的转发。单元502的不同的例子被标记为504、506以及508，如下面更加详细地描述。

小波函数被表示为Ψ_α，τ(t)，并且相应的频域表达式被表示为

其中α表示小波波形的缩放参数，而τ表示小波波形的位移或平移参数。用在该发明中的小波函数Ψ_α，τ(t)被选择成使99％的小波能量被集中在时域和频域二者中的有限区间内。在时域中，小波函数的该特性可以被公式1表示：

∫Ψ_α，τ(t)dt＝0公式1

另外，小波函数Ψ_α，τ(t)被选择以便使能它的集中中心的整体位移(平移)，以使邻近的位移波形Ψ(t-τ)可以被生成，以形成用于能量限制的信号间隔的正交基。公式2表示时域表达式Ψ_α，τ(t)的该特性，并且公式3由

表示频域表达式：

公式2

公式3

缩放参数的变化影响脉冲形状；如果脉冲形状在时域中被扩大，它将自动地在频域中缩小。可选地，如果脉冲形状在时域中被压缩，它将在频域中扩大。例如，缩放参数α的值的正向增加在时域中压缩小波波形；由于能量守恒定律原理，在时间上的小波波形的压缩转变成在频率带宽上的增加。相反地，缩放参数α的值的减小在时域中扩大小波波形，同时减少频率带宽。

位移参数τ代表在时间上的小波波形的能量集中中心的位移。从而，通过增加平移参数τ的值，小波沿着T轴在正向上移动；通过减小τ，小波沿着T轴在负向上移动。显然的是，位移参数和缩放参数二者提供在时间和频率二者上动态地调节小波波形的变化的能力。相应地，小波波形特性可以被处理以扫描不同粒度的频率-时间单元，并且从而识别在频率和时间映射500内的空白频率空间段。

图5示出缩放参数和平移参数如何根据可选择的时间-频率分解来使频率和时间映射500能够被分开的例子。例如，通过设置缩放参数到第一值并且增加平移参数，提供具有带宽Δf₁和时隙间隔Δt₁的多个单元504。通过设置缩放参数到第二值并且增加平移参数，提供具有减少的带宽Δf₂和增加的时隙间隔Δt₂的多个单元506。更进一步地，设置缩放参数到第三值并且增加平移参数提供了具有进一步减少的带宽Δf₃和进一步增加的时隙间隔Δt₃的多个单元508。

返回到图4，小波系数计算器405使用公式4计算数字化信号的小波系数W_n，k：

w_n，k＝∫r(t)Ψα_n，k(t)dt 公式4

其中r(t)是在各自的时间-频率单元中捕获的信号并且Ψ_n，k(t)是小波函数，以特定的方式选择α和τ作为n和k的函数。在小波函数和它们的用于探测空白频率空间的使用上的细节在2008年4月10日提交的SN 12/078979的共同待决美国专利申请“System and Method for Utilizing SpectralResources in Wireless Communications(用于在无线通信中利用频谱资源的系统和方法)”(Wu et al)中被提供，其在此通过引用被并入。

然后计算的小波系数W_n，k被用于确定在各自的单元中的信号能量，单元将每个探测的信号相应的信号能量与能量阈值η比较，并且如果探测的能量在阈值之下，选择各自的空白频率空间段(504、506、508)：

|w_n，k|²≤η 公式5

其中η是表示能量水平的阈值的预先确定的正数。

预定的阈值水平η可以被预置或可以被配置为依赖正被扫描的频谱、可接受的干扰水平、信号功率等变化。用于设置用于探测在关心的频谱中的信号的阈值的一般方法已被通信技术领域的技术人员所公知，并且因此省略更进一步的细节。

图6示出使用小波分析器101探测的空白频率空间的特定例子，在时间-频率映射上类似于图5的那个。在该例子中，单元601、602、603、604以及605已被识别作为适合于在关心的位置上的多媒体信号的重新分配。如上面所表明，由于测量的能量水平低于由分类单元405应用的阈值η，这些单元被选择。

图7示出6MHz频谱700分割成N 64部分701的例子，每个部分具有93.73kHz的宽度(6MHz：64)。

图8示出用于来自频谱的不同部分的“最佳的”频谱段的选择的数值的例子，以形成用于在家庭地区内级联HDTV信号的6MHz信道为目的。也就是，假定6MHz的频谱可以从四个不同的频谱段中获得，其可以在信道2、3、5以及7内被探测，信道2、3、5以及7不是用于在各自的地区中的TV广播；然而这些信道的部分可以被其他当前活动的初级或次级服务普遍地使用。由于已知，基于公共可用的频谱占用表格这些信道不是被在各自的地区中的TV广播使用，因此小波分析器101被设置以仅扫描分配到这些信道上的频谱，其使用为了该空白频率空间而建立的频率-时间映射以及93.75kHz的Δf。这表示分配到这些未使用的信道的每个的频谱被分为十六个频率-时间单元，并且单元的能量被测量，用于识别带有较低能量等级的单元。在所有四个频带中的单元的总数是16×4＝64。

为了在该分段的空白频率空间频谱之上发射信号，信息信号以这样一种方式被解析以使在每个扫描的信道中的最佳的段被用于信号的重新分配。从而，来自信息信号的数据的第一375kHz(6MHz：16＝375kHz)块801被定向在如图1中所见的第一分支(载频f1)上，第二块802在第二分支上，第三块803又在第一分支上，第四块在第四分支(f4)上，等等，并且第63块和第64块815和816被定向到第四分支上。

图9示出上行链路控制机构如何可以被实现用于HDTV收发器的特定例子的例子。如上面所表明的，在控制信道30(见图1)上的上行链路带宽被设备911所共享用于信令。用于控制信道的用户交织可以被设计为独立用户单元909(举例来说，以远程控制器的形式)，其通过信道30与控制信号探测器901通信。可选地，控制信号发送可以重新使用现有的带有附加键/按钮的HDTV远程控制910。在单元909和控制信号探测器901之间的无线链路可以被设计作为RF链路或CDMA链路。单元909涉及毫微微蜂窝基站(femtocell)，其是用于描述带有无线基站的非常小的单元的术语，如可以在家中获得。

虽然各种示例性的实施方式已经特定关于它们的某些示例性的方面被详细地描述，但是应当理解的是，本发明能够有其他的实施方式，并且它的细节能够在各种明显的方面修改。如对于那些本领域的技术人员容易明显的，变化和修改可以在保持在本发明的精神和范围内的同时起作用。相应地，前面提到的公开、描述以及图标仅用于说明性的目的，并且不会以任何方式限制本发明，本发明仅被权利要求限定。

Claims

1.一种用于在服务区内分配指定带宽的信息信号的网关，包括：

频谱探测器，其用于识别足以包含所述信息信号的所述指定带宽的k个空白频率空间段，其中k是整数，k≥1，以及

发射器，其用于在所识别的k个空白频率空间段上发射所述信息信号。

2.如权利要求1所述的网关，其中所述频谱探测器配置为基于对于所述服务区的信道的给定的当前分配扫描频谱。

3.如权利要求1或2中所述的网关，其中所述频谱探测器是小波频谱分析器。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的网关，还包括控制处理器，该处理器用于处理在专用控制信道上至少从远程设备接收的控制消息。

5.如权利要求5所述的网关，其中所述专用控制信道是双向控制信道。

6.如权利要求4所述的网关，其被配置使得上行链路控制消息在所述专用控制信道上被发送，而下行链路控制消息在带内被发送。

7.如权利要求4-6中的任一项所述的网关，其被设置成使得频谱分配图在下行链路控制消息中被发送到远程设备。

8.如权利要求1-7中的任一项所述的网关，其中所述频谱探测器包括可调谐RF模块，该可调谐RF模块用于扫描指定的频谱部分并捕获在所述频谱部分呈现的任何无线信号；模数转换器，该模数转换器用于将捕获的无线信号转换成数字信号；处理单元，该处理单元用于确定在形成在所述指定的频谱部分内的多个频率-时间单元的每个中的所述数字信号的能量；以及分类单元，该分类单元用于从其中所述数字信号的能量低于阈值的所述频率-时间单元中选择所述k个空白频率空间段。

9.如权利要求7所述的网关，其中所述处理单元是小波系数计算器。

10.如权利要求8或9中所述的网关，其中所述频谱探测器基于所述信息信号的带宽和在所述服务区探测的当前无线活动性选择所述频率-时间单元的大小。

11.如权利要求9所述的网关，其中所述小波系数计算器使用小波函数Ψ_α，τ(t)，按照公式∫Ψ_α，τ(t)dt＝0，在有限区间内的时间和频率二者中，提供所述频率-时间单元的能量的集中。

12.如权利要求9所述的网关，其中所述小波系数计算器配置为通过为在各自的频率-时间单元中探测的所述数字信号计算小波系数，确定在每个频率-时间单元中的所述数字信号的能量。

13.如权利要求12所述的网关，其中所述小波系数计算器使用小波函数Ψ_α，τ(t)的位移变型来确定每个单元中的所述数字信号的能量，并且其中所述小波系数计算器通过进行所述小波函数的能量集中中心的整体移动来获得所述位移变型，以使邻近的位移波形{Ψ(t-τ)}形成正交基。

14.如权利要求1-13中任一项所述的网关，其中所述发射器包括基带处理器，该基带处理器用于将所述信息信号转换成基带信号并且将所述基带信号解析成n个信号分量，其中n是整数，n∈[l；k]；以及分配器单元，该分配器单元带有k个分支，用于利用信号分量调制相应于各自的空白频率空间段的每个载频，并且用于在所述各自的空白频率空间段上广播k个RF信号分量。

15.如权利要求14所述的网关，其中当承载所述基带信号的足够宽度的频谱段已经被所述频谱探测器识别时，所述分配器单元的每个分支利用它的所分配的信号分量的调制它的载频。

16.如权利要求14或15中所述的网关，其中对于n＝1，所有载频用相同的基带信号被调制，用于获得空间分集。

17.如权利要求16所述的网关，其中当TV信道的宽度的频谱段已经被识别时，所述载频用相同的基带信号被调制。

18.如权利要求14或15中所述的网关，其中对于n＝1，所有载频用不同的基带信号被调制，用于传输到各自的不同的远程设备。

19.如权利要求15-18中任一项所述的网关，其中所述发射器还包括接口，用于将通过多种媒体从多种信号源接收到的源信号转换成所述信息信号。

20.一种用于在服务区内分配指定带宽的信息信号的方法，包括：

识别足以包含所述信息信号的所述带宽的k个空白频率空间段，其中k是整数，k≥1；以及

在所识别的k个空白频率空间段上发射所述信息信号。

21.如权利要求20所述的方法，还包括在专用控制信道上从远程设备接收控制消息。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述控制信道是双向控制信道。

23.如权利要求20所述的方法，其中上行链路控制消息在所述专用控制信道上被发送，而下行链路控制消息利用所述信息信号在带内被发射。

24.如权利要求20-22中任一项所述的方法，其中频谱分配图在下行链路控制消息中被发射到远程设备。

25.如权利要求20-23中任一项所述的方法，其中通过基于对于在所述服务区的TV广播的信道的给定的当前分配来扫描频谱，识别所述k个段。

26.如权利要求20-25中任一项所述的方法，其中通过以下步骤识别所述k个段：

扫描指定的频谱部分并捕获在所述指定的频谱部分中呈现的任何无线信号(Rx)；

将所捕获的无线信号转换成数字信号；

测量在所述指定的频谱部分内形成的多个频率-时间单元的每个中的所述数字信号的能量；

从其中所述数字信号的能量低于阈值的所述频率-时间单元选择所述k个空白频率空间段。

27.如权利要求26所述的方法，其中通过在所述服务区探测当前无线活动性来识别所述k个空白频率空间段，并且其中基于所述信息信号的带宽和在所述服务区所探测的当前无线活动性，所述频率-时间单元的大小是可选择的。

28.如权利要求26所述的方法，其中通过为在各自的频率-时间单元中探测的所述数字信号计算小波系数，确定在每个频率-时间单元中的所述数字信号的能量。

29.如权利要求28所述的方法，其中使用小波函数Ψ_α，τ(t)来扫描所述指定的频谱部分，所述小波函数Ψ_α，τ(t)选择成根据公式：∫Ψ_α，τ(t)dt＝0，在有限区间内的时间和频率二者中，集中所述频率-时间单元的能量。

30.如权利要求27所述的方法，其中使用所述小波函数的位移变型{Ψ(t-τ)}计算所述小波系数，并且通过进行所述小波函数的能量集中中心的整体移动来获得所述位移变型，以使邻近的位移波形{Ψ(t-τ)}形成正交基。

31.如权利要求20-30中任一项所述的方法，其中所述信息信号通过以下步骤被发射：

将所述信息信号转换成基带信号；

将所述基带信号解析成n个信号分量，其中n是整数，n∈[1；k]；

为所述k个空白频率空间段中的每一个选择载频；

利用信号分量调制k个载频中的每个，以及

在各自的空白频率空间段上发射所述n个信号分量。

32.如权利要求31所述的方法，其中对于n＝k，每个分量信号调制载频。

33.如权利要求31所述的方法，其中对于n＝1，所有载频用相同的基带信号被调制，用于获得空间分集。

34.如权利要求31所述的方法，其中对于n＝1，所述载频用不同的基带信号被调制，用于传输到不同的远程设备。

35.如权利要求31所述的方法，还包括将通过多种媒体从多种信号源接收到的源信号转换成所述信息信号。

36.一种用于接收在服务区内发射的信息信号的设备，包括：

天线，其用于捕获在k个频率载波上承载的k个RF信号分量，其中k是整数；

接收器单元，其具有k个解调器分支，每个分支用于将各自的RF信号分量解调成信息信号分量；以及

组合器，其用于将所述信息信号分量组合成所述信息信号。

37.如权利要求36所述的设备，其中所述接收器单元还包括附加的分支，用于在单个载波上承载所述信息信号的情况下将RF信号解调成所述信息信号。