CN101978719B - 用于利用无线通信中的频谱资源的系统和方法 - Google Patents

Abstract

无线通信系统包括小波分析仪和小波信号发生器。小波分析仪可操作以分析在通信频谱的频率和时间映射内的无线信号，由此小波分析仪适应于确定在频率和时间映射内的一个或多个可用的单元。小波信号发生器可操作以基于在频率和时间映射内的分析的无线信号生成一个或多个小波信号，用于在频率和时间映射的确定的一个或多个可用的单元内的传输。

Description

用于利用无线通信中的频谱资源的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及无线通信，并且更特别地涉及用于利用无线通信频谱的传输资源的系统和方法。

背景技术

逐步发展的电信界正不断地提供用于使能数据信息的可靠传输和接收的各种技术进步。当更多的数据的需要随着如视频电话性能、MP3下载、视频下载及其它这样的内容等多媒体数据服务的诱人的吸引力而增加时，对增加的通信带宽、通信链路可靠性及通信链路资源管理的需要也是如此。这些建立的需要特别地应用于无线通信地区，此后在任何支持无线通信的地理区域内，有限的或受限制的通信频谱资源在多个用户之中被共享。

无线通信系统通常使用除其他事项外的数据压缩、数据调制技术、协议及接入技术，用于利用/共享传输带宽。在允许多个用户终端例如手机、TV频道、WiFi设备、蓝牙设备等的无线通信领域中存在很多复用技术，以共享公共传输资源。这些共享的公共资源可包括除其他事项外的传输带宽或者射频频谱的一个或多个部分。

接入技术通过分配传输时间、传输频率或传输时间和传输频率两者，或者通过利用如独特的代码(例如：伪随机二进制序列)的其它技术，给各种用户提供通信信道，试图促进在各种用户之中的无线通信频谱的共享。现有的接入技术的一些例子为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)及正交频分复用(OFDM)。

由采用如FDMA、TDMA、CDMA及OFDM等接入技术的当前无线通信技术使用的RF信道通常被预先设计。也就是，信道或者在频率、时间或频率和时间中或者在频率和代码中被限定。原则上，通常，用户共享一段频谱并且当通信完成时将该频谱释放。例如，GSM在200kHz信道内容纳多于8个同时呼叫(每200kHz被分配8个时隙)，CDMA在所分配的带宽的每1.25MHz(其中64个沃尔什(Walsh)码被分配)容纳大约50个呼叫，而3GPP/UMTS可在5MHz频谱内同时容纳128个呼叫。图1A-1E示出这些已知的接入技术中的一些。

图1A示出在采用FDMA的系统中的频谱资源分配，其中频谱被分成较小的不相交频带(即，b₁-b₆)，其中每个表示通信信道(即，n₁-n₆)。在FDMA中，每个信道在整个时间使用频带。可使用FDMA的系统为例如TV和音乐广播系统。如在图1B中所示，为了避免相邻信道干扰FDMA系统使用防护频带。与FDMA相反，图1B还示出OFDM系统中的频谱的分配。OFDM使用很多副载波/单音以承载信息。与每个用户相关联的数据信息被编码到多个重叠的副载波/单音上。因为这些副载波/单音彼此是正交的，因此没有经历相邻信道干扰。然而，从频率分配的角度，重叠的副载波/单音促进在频谱利用率中的增加。使用OFDM的系统为例如802.11、802.16x、WiMAX、802.20、Wibro(韩国)3GPP LTE、UMB、DVB-T及DVB-H。图1C示出采用TDMA的系统中的频谱资源分配，其中每个信道(即，n₁-n₆)利用用于某一时间量(即，t₁-t₆)的整个频谱。图1D示出采用频率和时间两者复用的系统中的频谱资源分配，其中每个信道(例如，n₁)被分配用于某一时间量(例如，t₁)的某一频带(例如，f₁)。这样的频谱分配方法的采用包括将频率和时间映射(或平面图)分成矩形。GSM系统是利用频率和时间两者复用的那些中之一，如在图1D中所示出的。图1E示出采用CDMA的系统中的频谱资源分配，其中每个信道(即，c₁-c₆)具有独特的代码。如所示出的，所有的信道(例如，c₁-c₆)使用整个频谱(即，F)、整个传输时间(即，T)，并且每个单独的信道被分配功率的某一部分(即，P₁-P₆)。

为了使相邻信道保持很好地分离以避免/减小信道间的干扰，由这些接入技术所使用的承载波形的数据信息(即，载波信号)也被预先设计。例如，GSM使用类高斯波形，W-CDMA使用根升余弦(RRC)，并且OFDM使用矩形脉冲。因此，提供允许有效的频谱利用同时维持信道的完整性的承载波形的数据信息是非常可取的。

根据至少一个方面，用于利用在通信频谱内的传输带宽的新的系统和方法被提供。

发明内容

根据这些和其它方面，小波信号生成和分析被用于促进无线通信频谱的有效使用。无论调整的或未调整的通信频谱，可被分成具有多个频率-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-时间单元构成至少一个可被用于通信目的的信道。使用小波信号分析，在每个频率-时间单元内的信号能量被测量以便识别具有很少信号活动或不具有可检测的信号活动的频率-时间单元。通过识别这样的频率-时间单元，通信系统可利用在通信频谱内的实例，其中由一个或多个指定用户占用的一个或多个频率-时间单元能够由通信频谱的其它用户共享。在频谱-时间单元内的通信休止状态期间，这样的识别的频率-时间单元为信号传输和接收提供机会。这允许其它用户在频谱-时间单元未被一个或多个指定用户利用期间利用频谱资源(即，识别的频谱-时间单元)。

取决于各种与通信有关的要素(例如，中心频率、频率带宽及频率-时间单元的时隙；数据信息带宽；等)，通信设备选择/生成具有合适的波形特征的小波载波信号用于在这些可用的信道内的传输。

一旦可用的信道被检测，在使用载波小波信号的信号传输之前，控制信道(即，集合信道)被用于执行信息交换操作，由此与可用的信道相关联的传输信息(即，时隙持续时间、带宽、传输频率，等)被传送至接受者通信设备(例如，PDA、手机)。然后，每个接受者可经由调制的小波载波波形接收数据信息。相应地，通信频谱资源被不断地感知并利用以便动态地最大化可用的单元的效用，并且从而最大化指定的信道的效用。

根据一个方面，无线通信系统包括小波分析仪和小波信号发生器。小波分析仪可操作以分析在通信频谱的频率和时间映射内的无线信号，由此小波分析仪被配置为识别在频率和时间映射内的一个或多个可用的单元。小波信号发生器可操作以基于在频率和时间映射内分析的无线信号生成一个或多个小波信号用于在频率和时间映射的识别的一个或多个可用的单元内的传输。

根据另一方面，无线通信系统包括接收机部分和发射器部分。接收机部分可操作以接收与在通信频谱内的频率和时间映射相关联的无线信号，由此使用小波分析，接收机部分适应于分析无线信号用于确定在频率和时间映射内的一个或多个可用的单元。发射器部分被耦合到接收机部分并且可操作以用数据调制一个或多个小波信号用于在频率和时间映射的识别的一个或多个可用的单元内的传输。

根据又一个方面，用于无线传输的小波信号生成设备包括模数转换器设备，该模数转换器设备可操作以将接收到的无线信号转换为数字化的信号。小波信号生成设备还包括数字信号处理器设备，该数字信号处理器设备可操作以对数字化的信号执行小波分析用于确定在通信频谱的频率和时间映射内的一个或多个可用的单元。然后，数字信号处理设备生成一个或多个小波信号用于在通信频谱的频率和时间映射内的识别的一个或多个可用的单元内的传输。

根据另一方面，无线通信系统包括小波分析仪和小波信号发生器。小波分析仪可操作以分析在通信频谱的频率和时间映射内的无线信号，其中小波分析仪适应于识别在频率和时间映射内的一个或多个可用的单元。小波信号发生器适应于从所选择的母小波生成子小波，其中小波信号发生器生成一个或多个子小波用于在识别的一个或多个可用的单元内传输数据。该系统还可包括存储器，该存储器可操作以存储与在频率和时间映射内的每个单元相关联的母小波。

根据另一方面，提供利用无线通信频谱的方法。该方法包括接收与在无线通信频谱内的频率和时间映射相关联的无线信号并且使用小波分析确定接收到的无线信号的信号强度。对于在频率和时间映射内的至少一个单元确定信号强度，并且然后至少一个单元基于超出确定的信号强度的阀值被分配用于无线传输。

根据另一方面，提供利用无线通信频谱的方法。该方法包括分配与无线通信频谱相关联的多个频率和时间单元，其中多个频率和时间单元中的每一个在时间和频率上是可缩放的。使用小波分析测量在多个频率和时间单元中的每一个内的无线信号强度。基于测量的无线信号强度识别多个频率和时间单元中的一个或多个。然后，在多个频率和时间单元中的识别的一个或多个内传输一个或多个小波信号。

根据另一方面，提供利用无线通信频谱的另一个方法。该方法包括扫描具有多个单元的频率和时间映射用于检测至少一个无线信号，其中多个单元中的每一个在时间和频率上是可缩放的。如果：(1)至少一个无线信号未在多个的任意一个内被检测到；或者(2)使用小波分析，在多个单元中的任意一个内检测到的至少一个无线信号包括低于阀值的信号强度，那么小波信号被生成用于在多个单元中的任意一个内的无线传输。

附图说明

现在将参照附图更加充分地描述一个或多个示例性的实施方式，其中：

图1A至图1E为被用于分配通信频谱资源的已知的接入技术的例子；

图1F为根据一个方面的频率和时间映射的例子；

图1G为与图1F的频率和时间映射相关联的另一频率和时间映射的例子；

图2示出根据一个方面的小波发生器；

图3为示出可能的无线传输的可用单元资源的频率和时间映射的又一例子；

图4示出在无线通信频谱内的通信资源的占用；

图5为根据一个方面的通信系统的系统方框图；

图6为根据一个方面的通信接收机的系统方框图；

图7为根据另一方面的通信系统的系统方框图；

图8为根据一个方面的小波生成设备的方框图；

图9为根据一个方面的用于利用在无线通信系统内的频谱资源的流程图；以及

图10为与信息交换协议相关联的流程图，该信息交换协议将在无线通信频谱内的一个或多个可用频谱资源通知指定的接收机。

具体实施方式

在下面的描述中，一个或多个方面利用小波分析以建立管理和控制在无线通信频谱内的传输资源的手段。相应地，通信频谱被分析以确定可用的频谱资源(即，频谱范围和/或时隙的分配)。然后，根据这些确定的频谱资源(例如，可用的带宽、可用的时隙等)的特征，生成调制的载波小波波形或信号。尽管在此所描述的各个方面和实施方式涉及各种无线实现，然而将意识到，这些方法和系统也可应用于有线传输。

根据在此所描述的各种实施方式，频谱和信道的普遍公认的限定可分别涉及频率和时间“频谱”以及频率和时间“信道”。

因此，为了使通信系统中可用的“频率-时间”资源最优化，数据信息由被称作小波的特定波形承载。

小波被数学函数表示，该数学函数将给定的函数或连续时间信号分成不同的频率分量。从被称作母小波的单一数学函数(ψ(t))生成小波，其在时间和频率两者上是有限长度或快速衰减的振动波形。母小波还包括一些特定的特征，例如它们的整数转换和二进制扩张，其为能量受限制的信号空间形成正交基。子小波为母小波的缩放(α)和转换(τ)副本。小波变换具有在传统的傅里叶变换之上的优点，用于表示具有不连续且急剧变化(如用户数据中固有的)的函数。此外，小波变换提供用于精确地解构和重构有限的、非周期的和/或非平稳的信号的手段，这是傅里叶变换通常不能实现的。在电信中，用于载波信号的生成的小波的使用提供除其他事项外的良好定位的能量分布，以使大约99％的载波信号能量可被集中在时间和频率域两者中的有限区间内。在传输的载波信号中的这样的能量定位提供用于在共享通信频谱的相邻载波信号之间的同信道干扰的减小的机制。

图1F显示与小波关联使用的频率和时间映射(或平面图)100的例子。频率和时间映射100包括多个频率和时间单元102，由此多个频率和时间单元102中的每一个是可被分配为载波信号传输和/或接收(即，通信)的信道的无线通信频谱的一部分的代表。小波函数的缩放和转换参数使频率和时间映射100能够根据可变的时间-频率分解被划分。例如，通过将缩放参数设置为第一值并且增加转换参数，具有带宽Δf₁和时隙间隔Δt₁的多个单元104被提供。通过将缩放参数设置为第二值并且增加转换参数，具有减小的带宽Δf₂和增加的时隙间隔Δt₂的多个单元106被提供。相应地，将缩放参数设置为第三值并且增加转换参数提供具有进一步减小的带宽Δf₃和进一步增加的时隙间隔Δt₃的多个单元108。

如在图1F中所示出的，小波提供用于在时间和频率两者上对无线通信频谱的可缩放划分的机会，从而促进可用的频谱资源的有效使用。使用小波函数，在频率和时间映射100内的每个单元可根据另一频率和时间映射进一步被分成频率和时间单元。例如，右手侧单元106可基于另一小波函数Y(t)进一步被分成频率和时间单元。右手侧单元106的划分成附加的频率和时间单元110的例子被显示在图1G中。

图1G还显示母小波方程ψ_α，τ(t)112和其相应的频域表达式ψ_α，τ(ω)114。参考小波方程ψ_α，τ(t)112，α表示小波波形的缩放参数，而τ表示小波波形的移动或转换参数。由于能量守恒，缩放参数将影响脉冲形状，由此如果脉冲形状在时域中被扩张，那么它将在频域中收缩。可选择地，如果脉冲形状在时域中被压缩，那么它将在频域中被扩展。

例如，α值的正增加在时域上压缩小波波形。如所描述的，由于能量守恒原理，小波波形在时间上的压缩转换成频域中的增加。相反地，减小α值在时域中扩张小波波形，同时减小频率带宽。这在图1F中被示出，其中减小α(即，缩放参数)的值并且在时域中扩张小波波形具有减小Δf值(例如，Δf₂与Δf₁相比)，同时增加Δt值(例如，Δt₂与Δt₁相比)的效果。

移动参数τ表示小波波形的能量集中中心在时间上的移动。从而，如在图1F中所示的，通过增加值τ，小波在沿着τ轴的正向(即，在t₁的方向上)移动。例如，对于提供带宽Δf₁和时隙间隔Δt₁的给定α值，逐渐增加的τ在单元104上逐步移动小波(即，从T₁到T₁′再到T₁″，等)。基于另一例子，对于提供带宽Δf₂和时隙间隔Δt₂的给定α值，逐渐增加的τ在单元106上逐步移动小波(即，从T₂到T₂′再到T₂″，等)。因此，小波的移动和缩放参数两者提供在时间和频率两者上动态地调节小波波形的分解的能力。相应地，小波波形特征可被控制以适应不同的频率-时间单元并且从而适应在频率和时间映射100内的信道。

母小波波形被选择以包括几个特性，例如∫ψ_α，τ(t)dt＝0。母小波波形还很好地被定位在时间和频率上，以使大约99％的小波能量被集中在时域和频域两者中的有限区间内。此外，母小波波形具有它们的集中中心的整数移动或转换的能力，以使相邻的移动波形(即，ψ(t-τ))可被生成以形成正交基。

参照母小波方程ψ_α，τ(t)112和其相应的频域表达式ψ_α，τ(ω)114，如果我们指定α＝p″和τ＝kp″，其中“p”为正有理数(例如：1.2、2、2.1、3，等)并且“k”和“n”为整数(例如：0、+/-1、+/-2、+/-3，等)，那么：

${\mathrm{\ψ}}_{n,k}\left(t\right)=p^{\frac{-n}{2}}\mathrm{\ψ}(p^{-n}t-k)$ 方程1.1

其中：方程1.1的频域表达式给定为：

${\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{n,k}\left(\mathrm{\ω}\right)=p^{\frac{n}{2}}\exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{kp}}^n\mathrm{\ω})\mathrm{\ψ}\left(p^n\mathrm{\ω}\right)$ 方程1.2

方程1.1和1.2的数学表达式形成母小波信号的基础，母小波信号通过将不同的值应用于缩放(p、n)和移动(k)参数生成不同的子小波信号。从而，每个子小波被生成用于在频率和时间映射的每个单元内的传输。

图2示出根据一个方面的小波发生器200。小波发生器200可包括具有传递函数的处理设备202，该传递函数是由如204所指示的并且关于方程1.1和1.2在上面所描述的小波方程ψ_n，k(t)给出。小波方程ψ_n，k(t)的相应频域表达式是通过由如206所指示的小波方程ψ_n，k(ω)给出的。处理设备202可以数字滤波器或模拟滤波器的形式实现该传递函数。在处理设备202内，小波参数208使定制的子小波波形的生成能够在具有特定带宽和时隙间隔的通信频谱(例如，频率和时间单元)的特定部分内操作。在操作中，输入数据210例如输入数据信号S_n，k被应用于小波处理设备202。然后，小波处理设备202将输入信号210与特定子小波波形结合以生成调制的载波小波212如S(t)。调制的小波S(t)的相应的频域表达式由如214所指示的小波方程S(ω)给出。

调制的小波S(t)基于大量要素被生成，用于在通信频谱(例如，频率和时间单元)的特定部分内的传输，要素例如，但不限于，在通信频谱的一部分内的一个或多个频率和时间单元的可用性、输入数据信号的带宽或数据率需求、输入数据信号的数据包大小、编码/调制粒度考虑及与数据服务类型相关联的需求(例如：基于如实时图像或突发型数据的等待时间关键数据)。设置小波参数的值(即，n、k和p)使这些及其它要素能够在调制的小波S(t)的生成期间被考虑。由204所指示的小波方程ψ_n，k(t)包括用于提供缩放的p和n参数及用于在不同的时间间隔处的波形移动或波形重新配置的k参数。

例如，参照图3，频率和时间映射300包括用于可能的载波信号传输的几个可用的频率和时间单元302-310。基于不同的要素，用户可选择在可用的频率和时间单元302-310的任意一个或多个内传输数据。例如，如果数据包括高数据率和大数据包尺寸，那么高带宽邻近单元302和304或306和308作为传输资源被分配可是慎重的。可选择地，对于具有带低数据率的数据的较低带宽应用，可利用具有较低带宽和较宽时隙间隔的单元，如单元310。如所示出的，小波波形的形状还基于频率和时间单元的特征改变。在单元310处，与单元302-308比较起来，带宽被减小并且时隙间隔被增加。相应地，与分别工作在单元302-308的波形316-322比较起来，工作在单元310中的波形314具有增加的扩张。通过扩张波形314，它的频率成分被减小以便适应单元310的较低带宽需求。

图4示出在无线频谱内的通信资源的可能的可用性。如前所描述的，小波可以被用于生成能够在不同的频率和时间单元内工作的良好限定的载波信号，其在从高带宽/短时间间隔至低带宽/长时间间隔单元的范围内变化。使用小波，单元的时间和频率参数可被改变以适应不同的分解。例如，通过增加频域中的分解，时域中的分解被减小。相反地，减小频域中的分解导致时域中分解的增加。考虑到该适应性，小波载波信号可以在无线频谱的任何可用的部分内被生成，由此基于大量要素确定可用性。

如图4中所示出的，多路径传播效应可促使无线信号在能量水平上下降。例如，当由于传播效应如多路径衰落，在频谱的一部分内工作的信号404降低至某一阈值406以下时，如由402限定的无线频谱的该部分可可能成为可用的。同样地，当由于多路径衰落，信号412也降低至阈值414以下时，如由410限定的无线频谱的另一部分也可可能成为可用的。在所提供的例子中，使用母小波，可基于由于衰落产生的可用的时隙和带宽生成用于传输的合适的载波信号。除了使用由于衰落成为可用的无线频谱的占用区域之外，使用生成的小波波形，由除其他事项外的低水平的利用(例如，电话交谈静默)引起的闲置频谱资源416也可用于信号传输。通常，通过使能在无线频谱的占用和未占用部分两者内的信号传输，小波信号生成和分析促进无线通信频谱的增加的利用。

通信频谱的一个或多个部分的可用性取决于在无线通信频谱的特定部分处的可检测的无线信号的不存在或者特定频谱部分处的可检测的无线信号的能量低于某一预先确定的阈值水平。该阈值水平可根据与工作中的通信系统有关的不同标准被设置。例如，微波通信链路可传输与蜂窝无线系统不同的能量水平处的无线信号。从而，每个系统的阈值能量水平可相应地不同。通常，在无线通信频谱的一部分内，阈值能量(或功率)水平可被设置在这样的水平处，其中检测到的无线信号已经退化在接收机的能力之外以成功地解调并恢复来自无线信号的数据信息。

无线通信频谱的一个或多个部分可包括任何分配的频谱资源，该频谱资源被用于充分利用用于信息传送的无线通信频谱。这些分配的频谱资源可包括频率间隔、时隙、在空间上可用的区域(例如，视线通信)，并且通常可包括促进将数据信息发送至接受者的通信频谱的任何特性。例如，无线通信频谱的一个或多个部分可包括，而不限制于，与无线通信频谱相关联的整个频率范围、在无线通信频谱内的频率范围、在无线通信频谱内的频率信道、在无线通信频谱内的频率信道的任何部分、与在无线通信频谱内的频率信道相关联的时隙、与在无线通信频谱内的频率信道的一部分相关联的时隙、与无线通信频谱的频率和时间映射相关联的频率和时间单元以及与无线通信频谱相关联的频率和时间单元的一部分。

图5为根据一个方面的通信系统500的系统方框图。通信系统500包括接收机部分502和发射器部分504，由此发射器部分504和接收机部分504两者都经由天线开关508被耦合到天线单元506。

接收机部分502监控或扫描通信频谱以便确定占用无线通信频谱的不同部分(例如，频率信道)的无线信号能量的量。通过检测无线信号能量(或功率)的活动性，接收机部分502识别可用于无线信号传输的通信频谱的一个或多个部分。一旦接收机部分502识别通信频谱的可用的一个或多个部分，发射器部分相应地生成数据调制的小波波形，用于在通信频谱的这些确定的一个或多个部分中的传输。

接收机部分502包括可选的带通滤波器510、低噪声放大器512、小波频谱分析仪514及波形选择器单元516。带通滤波器510经由开关508被耦合到天线单元506，由此天线单元将接收到的无线信号耦合到带通滤波器510，用于可选的滤波。低噪声放大器512被耦合到带通滤波器510和小波频谱分析仪514两者。在被过滤的信号被发送至小波频谱分析仪514之前，来自带通滤波器510的被过滤的信号被低噪声放大器512接收并放大。小波频谱分析仪514被耦合到低噪声放大器512和波形选择器单元516。使用小波分析，从低噪声放大器512处接收到的被放大的信号被小波频谱分析仪514处理以便确定它们各自的信号能量或功率水平。

在波形选择器单元516处，由小波频谱分析仪514确定的信号能量或功率水平中的每一个与阈值能量或功率水平进行比较。包括小于阈值或在阈值处的计算的能量或功率水平的信号被选择以便识别在无线通信频谱内的它们的位置(即，频率定位)和带宽。这些位置和相应的带宽限定可用于利用的无线通信频谱的区域。

在发射器部分504内的小波波形发生器524接收以p、n和k参数形式的、与来自波形选择器单元516的所选择的信号相关联的每个识别的位置和带宽。然后，小波波形发生器524基于所选择的信号的识别的位置和带宽生成小波波形(即，子小波)，用于在无线频谱的可用区域内的传输。

发射器部分504包括纠错单元520、调制器单元522、小波波形发生器524、数模转换器526、功率放大器528及可选的带通滤波器530。被指定用于传输的数据信息可由纠错单元520编码。在纠错单元520处，信息数据用冗余位编码以便识别并校正可能由于传输介质(即，空气)出现的误码。很多不同的纠错技术可被采用。例如，可以使用简单的误差检测方法，如校验位的包括。可选择地，可利用更加复杂的误差检测和校正技术，如Reed-Solomon编码器或turbo编码器。纠错单元520被耦合到调制器单元522。在调制器单元522处，使用不同的调制技术，编码的数据信息可被直接调制到由小波发生器524生成的波形上。可选择地，调制器单元522将编码的数据信息调制到副载波信号上。然后，副载波被调制的信号被应用于由小波发生器524生成的载波波形。例如，调制器522可提供二进制相移键控(BPSK)调制、相移键控(PSK)调制、正交相移键控(QPSK)调制、频移键控(FSK)调制、正交幅度(QAM)调制、QAM-16调制或任何其它调制原理。当与纠错编码一起时，调制技术基于几个要素被选择，要素例如，系统复杂度、所需的信噪比、误差概率接受，等。调制器单元522被耦合到小波波形发生器524，由此基于波形选择器单元516的输出，小波发生器524将调制的数据信息与所选择的波形结合。根据一个实施方式，小波发生器524可包括例如在图2中所示出并在此所描述的小波发生器。然后，从小波发生器524输出的调制的小波波形可被应用于数模(DAC)526。当小波发生器524生成数字化的输出时，DAC 526可被包含在发射器部分506内。这可发生在当小波发生器524使用如数字滤波器的数字设备被实现时。在小波发生器524使用如基于模拟的滤波器的模拟设备被实现的时候，DAC 526可被省略。DAC 526被耦合到功率放大器528，由此从DAC 526输出的模拟调制的小波波形由功率放大器528接收，用于放大。一旦被放大，在经由开关508被耦合到天线单元506之前，波形被调制的小波由可选的带通滤波器530过滤。在天线单元506处，被放大的和调制的小波波形(或小波信号)在可用于利用的无线通信频谱的识别的区域中的一个内被传输。

图6为根据一个方面的通信接收机600的系统方框图。接收机600可操作以接收由通信系统，如但不限于系统500(图5)，生成的无线信号。接收机600包括天线单元602、可选的带通滤波器604、低噪声放大器606、模数转换器(ADC)608、RAKE接收机610、解调器单元612及纠错单元614。当天线602接收到由带通滤波器604可选地被过滤的无线信号时，无线信号被低噪声放大器606放大。低噪声放大器606被耦合到RAKE接收机610的输入。由于无线信号通过多个路径到达接收机600，可发生接收到的无线信号的信号衰落。在解调之前，RAKE接收机610以最大化接收到的信号能量的方式结合接收到的多路径无线信号。RAKE接收机610的输出被耦合到解调器单元612用于解调。例如，解调器612可提供二进制相移键控(BPSK)解调、相移键控(PSK)解调、正交相移键控(QPSK)解调、频移键控(FSK)解调、正交幅度(QAM)解调、QAM-16解调或任何其它用于恢复来自无线信号的信息数据(即，数据位或数据符号)的解调或解映射技术。一旦解调器恢复数据信息，纠错单元614解码数据信息以便检测并校正误码，误码可在通过传输路径(即，空气)的数据信息中发生。纠错单元614可包括简单的误差检测能力或误差检测和纠错能力。尽管接收机600包括RAKE接收机610，但是任何其它接收机配置可基于特定的无线应用被利用。RAKE接收机的一个应用是码分多址(CDMA)蜂窝系统，或者一般地，更易受多路径信号衰落影响的系统。

图7为根据另一方面的通信系统700的系统方框图。系统700的组件和操作与通信系统500(图5)相关联的所示出和所描述的系统是相同的。然而，系统700示出5GHz WiFi系统应用，其适合于在无线频谱的未经许可的60GHz部分内工作。与系统500(图5)相比，系统700包括附加的上变频单元702和下变频单元704。

在下变频单元704处，使用转换器708如混频器，从滤波器510和放大器512接收的可选地被过滤并被放大的信号从频谱的60GHz区域被下变频至在5GHz区域中的中频。如上所描述的，在将接收到的WiFi信号耦合到小波频谱分析仪514和波形选择器516用于接下来的信号能量确定和小波波形选择之前，5GHz WiFi接收机设备710接收并处理下变频的信号。

在上变频单元702处，使用5GHz WiFi发射器设备712，从DAC 526接收的数据被调制的小波波形被上变频为中频。使用转换器714如混频器，生成的5GHz WiFi信号被进一步上变频至频谱的60GHz区域。一旦调制的小波波形被转换为5GHz WiFi信号并且被上变频至60GHz区域，小波信号分别经由放大器528、滤波器530及天线单元506被放大、可选地被过滤并无线地传输。

系统700(图7)或系统500(图5)可与接收机600(图6)相关联被使用。系统700或500可操作以识别无线频谱的可用部分并且将早无线频谱的这些识别的部分内的数据被调制的小波波形传输至如接收机600的接收机。因为接收机还需要被通知成为可用于无线信号传输的无线频谱的识别的部分，因此系统700或系统500和接收机600之间的信息交换操作可在固定频率控制信道上发生。相应地，控制信道包括除其他事项外的与无线频谱的识别的部分的频率和时隙相应的信息。与图10关联更加详细地描述该信息交换。

系统500(图5)和系统700(图7)都包括小波分析和小波发生组件。在这些例子(即，图5&图7)中，与接收机关联小波分析被执行，其中无线通信频谱被监控或扫描以便检测无线信号。基于接收并分析接收到的无线信号，与发射器关联生成相应的小波信号，其中数据信息经由由于小波分析被定位的确定的频谱资源被传输至指定的接受者。

图8为根据一个方面的小波生成设备800的方框图。小波生成设备800是提供小波分析和小波信号生成的集成设备。因此，小波生成设备800可以被集成在任何现有的通信系统(例如，收发机、中继器，等)内或耦合到任何现有的通信系统(例如，收发机、中继器，等)，用于通过利用小波特征利用通信频谱资源。小波生成设备800包括小波分析仪802和小波发生器804。小波分析仪802确定在指定的无线通信频谱内的所有可检测的无线信号的信号能量。例如，在蜂窝系统中，指定的无线频谱可相当于蜂窝系统工作所通过的频带。对于微波通信系统，指定的无线频谱可相当于微波通信系统工作所通过的微波频带。如果分析仪802检测具有低信号能量或不具有信号能量的指定的通信频谱的一个或多个区域，那么分析仪802相应地识别低信号能量区域或指示无可检测的信号能量的区域的频率位置和带宽。小波发生器804基于由分析仪802的低信号能量的检测或可检测的信号的不存在产生调制的小波波形用于在这些区域中传输。

小波分析仪802包括模数转换器(ADC)806、小波系数计算器808及波形选择器810。ADC 806的输入可被耦合到可操作以检测无线信号的任何接收机设备。在ADC 806处，在由小波系数计算器808和选择器810处理之前，接收到的信号被转换为数字形式。数字化的信号从ADC 806被耦合到小波系数计算器808，其中接收到的数字化的信号的小波系数(即，w_n，k)使用以下方程被计算：

w_n，k＝∫r(t)ψ_n，k(t)                方程1.3

其中r(t)为接收到的信号，而ψ_n，k(t)为小波函数。

然后，通过计算对于每个给出的信号的计算的小波系数的模平方(即，|w_n，k|²)，计算的小波系数(即，w_n，k)被用于确定信号能量。在波形选择器810处，与每个检测到的信号相应的确定的信号能量与阈值能量(即，σ)比较，其中：

|w_n，k|²≤η                          方程1.4

其中η为预先确定的正数。

如果与每个检测到的信号相应的确定的信号能量等于或低于阈值η，那么相应的小波波形被选择或生成。基于低于或近似于阈值η的信号的小波系数(即，w_n，k)生成或选择每个小波波形。

波形选择器810可将所选择的小波波形(即，合适的子小波)耦合到小波发生器804，用于数据调制和无线传输。可选择地，波形选择器810可将合适的n、k、p的值耦合到小波发生器804。当接收到n、k、p的值时，小波发生器804然后可从母小波生成子小波波形。小波发生器804接收调制的信息数据并且将该调制的数据与子小波波形结合。然后，小波发生器804将承载调制的数据信息的子小波波形耦合到可操作以将无线信号传输至一个或多个指定的接受者的任何发射器设备。设备800已经被示出并描述为具有几个模块，例如，模数转换器(ADC)806、小波系数计算器808、波形选择器810和小波发生器804。然而，这些模块中的一个或多个可以被集成到单个模块中并且可在通信设备的单个芯片或一部分内被实现。可选择地，这些模块可被实现为软件或固件。在这样的实施方式中，软件或固件代码可被编译并载入通信系统的相关硬件(即，芯片、电路板，等)中。

如前所描述，小波分析仪802可被实现为数字滤波器(未示出)，其可被利用以便确定接收到的信号的小波系数。数字滤波器技术还可在合适的子小波信号的生成中被采用。因此，数字滤波器电路(未示出)可被用在小波发生器804内。在这样的实现中，调制的数据被应用于数字滤波器以便生成用于在通信频谱的可用区域(即，识别的资源)内传输的调制的载波小波信号。可选择地，不同的子小波波形可被预先载入在选择器810或小波发生器804内的存储器或存储设备中。在该实现中，基于计算的小波系数和接下来确定的在通信频谱内的可用区域，一个或多个存储的小子波信号被接入。

图9为用于利用在无线通信系统内的频谱资源的总体流程图900。在步骤902处，为了检测无线信号，通信频谱的一个或多个部分被扫描或监控。通信频谱扩展所通过的带宽取决于无线通信系统的应用。例如，根据各种应用，无线通信系统可包括蜂窝系统(例如，GSM、CDMA，等)、WiFi系统、微波系统、毫米波无线电系统、卫星通信系统，等。这些例子中的每一个具有不同的信道和频谱占用需求。因此，由接收机检测的频率范围将取决于系统应用。

如果无线信号被检测(步骤904)，那么使用小波分析技术，检测到的无线信号的信号能量被确定(步骤906)。如前所描述的，通过计算与检测到的无线信号相关联的小波系数，信号能量可被确定。如果信号能量低于预先确定的阈值(步骤908)，那么与检测到的无线信号的频率和占用的带宽相关联的频谱部分被分配用于信号传输(步骤910)。可选择地，如果未检测到无线信号(步骤904)，那么与未占用的频率及其相应的带宽相关联的频谱部分被分配用于信号传输(步骤910)。

在分配频谱的一部分中，分配两个或多个相邻分配的频谱部分用于信号传输可是可取的。是否分配频谱的一个或多个部分取决于无线系统的应用。例如，对于需要更多带宽的宽带系统，频谱的两个或多个相邻分配的部分可被分配以适应宽带传输的信号的带宽需求。

在步912处，小波信号或波形被生成或选择用于在分配的频谱部分内的传输(步910)。在步914处，调制的数据(即，QAM-16)与生成的小波结合以形成调制的载波小波波形。然后，调制的载波小波在通信频谱的分配的部分内被传输(916)。

如前所描述的，载波小波基于检测到的频谱资源的带宽和时隙可用性被生成。小波信号的能量集中和缩放(即，时间&频率)特征促进在资源可用性上的不同。例如，频谱资源可包括可用的带宽和时隙间隔的范围。如在图1F中所示出的。

一旦在步910处频谱部分被分配用于信号传输，信息交换操作在发射器和指定的接收机设备之间发生。该信息交换操作在图10的流程图1000中被显示。例如，在发射器处，一旦与频谱的分配的部分相关联的频率、带宽、时隙及小波信息已经被确定，为了恢复数据信息的目的，指定的接收机设备也需要(例如，经由固定的频率控制信道)被通知该信息。相应地，在步1002处，用于在发射器和接收机设备之间控制信息的交换的无线控制信道在步910处的频谱分配(图9)之后被建立。在步1004处，发射器经由无线控制信道将载频、带宽、时隙、小波特征及与分配的频谱部分相关联的其它控制信息发送至接收机。在步1006处，接收机经由建立的控制信道接收载频、带宽、时隙、小波特征及其它控制信息。然后，接收机利用该接收到的控制信息(即，频率、带宽、时隙、小波特征)以检测在分配的频谱部分内传输的无线信号(步1008)。

如在此所描述的，小波分析和小波信号生成的使用提供用于检测并利用通信频谱的可用部分的手段。小波的缩放性和其它特征已被采用以生成各种系统和方法，系统和方法促进除其他事项外的通信频谱的增加的利用率。

尽管实施方式已经被描述，但是本领域的那些技术人员将意识到，可作出改变和修改，而没有偏离由附加权利要求限定的它的精神和范围。

Claims (14)

1.一种无线通信系统，包括：

小波分析仪，其可操作以分析在通信频谱的频率和时间映射内的无线信号，所述小波分析仪被配置为识别在所述频率和时间映射内的一个或多个可用的单元；

小波信号发生器，其可操作以基于所分析的无线信号生成一个或多个小波信号，用于在所述频率和时间映射的识别的一个或多个可用的单元内的传输；

发射器，其包括：

调制器，所述调制器可操作以用数据调制所述一个或多个小波信号；

数模转换器，所述数模转换器可操作以将调制的一个或多个小波信号从数字格式转换为模拟格式；

放大器，所述放大器可操作以放大模拟格式的所述一个或多个小波信号；以及

天线，所述天线可操作以辐射模拟格式的所述一个或多个小波信号；以及

纠错单元，其可操作以在所述一个或多个小波信号的调制之前编码所述数据。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括带通滤波器，其可操作以过滤以模拟格式的所述一个或多个小波信号。

3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括上变频器，其可操作以在通过功率放大器的放大之前，将以模拟格式的所述一个或多个小波信号从中级微波频率移动至毫米波载频。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述数据包括二进制相移键控BPSK数据、相移键控PSK数据、正交相移键控QPSK数据和/或正交幅度调制QAM数据。

5.根据权利要求1或2所述的系统，还包括接收机，包括：

天线，其可操作以接收所述无线信号；以及

放大器，其可操作以放大接收到的无线信号。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括带通滤波器，其可操作以过滤接收到的无线信号。

7.根据权利要求5所述的系统，还包括下变频器，其可操作以将被放大的无线信号从毫米波载频移动至中级微波频率。

8.一种无线通信系统，包括：

接收机部分，其可操作以接收与在通信频谱内的频率和时间映射相关联的无线信号，其中使用小波分析，所述接收机部分被配置为分析所述无线信号以识别在所述频率和时间映射内的一个或多个可用的单元；

发射器部分，其被耦合到所述接收机并且被配置为用数据调制一个或多个小波信号，用于在所述频率和时间映射的识别的一个或多个可用的单元内的传输，所述发射器部分包括：调制器、数模转换器、放大器、以及天线，所述调制器可操作以用数据调制所述一个或多个小波信号；所述数模转换器可操作以将调制的一个或多个小波信号从数字格式转换为模拟格式；所述放大器可操作以放大模拟格式的所述一个或多个小波信号；所述天线可操作以辐射模拟格式的所述一个或多个小波信号；以及

纠错单元，其可操作以在所述一个或多个小波信号的调制之前编码所述数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述接收机部分包括小波分析仪，其可操作以分析所述无线信号。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述发射器部分包括小波发生器，其可操作以基于分析的无线信号生成一个或多个调制的小波信号。

11.一种用于无线传输的小波信号生成设备，包括：

模数转换器设备，其可操作以将接收到的无线信号转换为数字化的信号；以及

数字信号处理器设备，其可操作以对所述数字化的信号执行小波分析，用于识别在通信频谱的频率和时间映射内的一个或多个可用的单元，其中所述数字信号处理器设备生成一个或多个小波信号，用于在所述通信频谱的所述频率和时间映射内的识别的一个或多个可用的单元内的传输；所述数字信号处理器包括：

第一装置，其用于计算每个数字化的信号的小波系数；

第二装置，其用于基于所述小波系数计算每个数字化的信号的量值，其中每个数字化的信号的量值与阈值比较，用于确定所述通信频谱的一个或多个可用的部分；以及

第三装置，其用于选择所述一个或多个小波信号用于在所述通信频谱的确定的一个或多个可用的部分内的传输，其中依据选择，所述第三装置将数据信息与所述一个或多个小波信号结合。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述数字信号处理器包括可编程设备，其被编制程序以执行所述第一装置、所述第二装置和所述第三装置的功能。

13.一种无线通信系统，包括：

小波分析仪，其可操作以分析在通信频谱的频率和时间映射内的无线信号，所述小波分析仪被配置为确定在所述频率和时间映射内的一个或多个可用的单元；

小波信号发生器，其用于选择母小波并从所选择的母小波生成子小波，其中所述小波信号发生器生成一个或多个子小波用于在确定的一个或多个可用的单元内传输数据信息；

发射器，其包括：调制器、数模转换器、放大器、以及天线，所述调制器可操作以用数据调制所述一个或多个小波信号；所述数模转换器可操作以将调制的一个或多个小波信号从数字格式转换为模拟格式；所述放大器可操作以放大模拟格式的所述一个或多个小波信号；所述天线可操作以辐射模拟格式的所述一个或多个小波信号；以及

纠错单元，其可操作以在所述一个或多个小波信号的调制之前编码所述数据。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括存储器，其可操作以存储与在所述频率和时间映射内的每个单元相关联的母小波。