CN102084695B - 动态频谱接入方案的传输功率控制 - Google Patents

Abstract

提供一种用于传输数据的收发装置和方法。在感应块期间监测诸如被许可频段的频段。基于该频段在感应块期间内的使用情况，计算在后续互感应块内若干时间周期的无干扰概率。该无干扰概率被收发装置用来确定传输功率等级，以此减少与频段上的被许可使用的干扰概率。本发明的实施例可用于提高感知无线电用户的传输率。

Description

动态频谱接入方案的传输功率控制

本发明要求发明名称均为“动态频谱接入方案的传输功率控制”的2008年10月28日递交的第12/259,574号美国专利申请及2008年6月4日递交的第61/058,873号美国临时申请优先权，其全部内容均通过引入结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及动态频谱接入方案的传输功率控制。

背景技术

感知无线电技术近来被作为一个范例来提升无线通信的频谱利用率。当没有被许可行为存在时，感知无线电技术通过允许网络或者无线节点变换传输和/或接收参数来利用被许可的频段，进而允许感知无线电用户有效率地进行通讯且避免被许可用户和未被许可用户的干扰。通常，感知无线电用户会持续地检测被许可频段的动态使用情况并在没有被许可行为存在时使用这些信息。当感知无线电用户确定没有被许可行为存在时，感知无线电用户改变发送和/或接收参数来使用被许可的频段。变换参数的操作基于对内部和外部无线电环境的诸如无线频谱、用户行为和网络状态的若干因素的主动检测。

由于通常采用周期感知框架，感知无线电用户的每一帧包括感知块和互感知块。当感知块内被许可频段被确定为未占用状态，互感知块用于数据传输。

感知无线电用户通常在互感知块内维持稳定的传输功率等级用于数据传输，并一旦调度确定下一感知块即停止传输。然而，维持稳定的传输功率等级直到下一感知块被调度确定可能引起对被许可用户的干扰。举例来说，临近互感周期的数据块的末尾时，被许可用户有更高的可能性再占用频段。如果被许可用户在感知无线电用户结束数据传输之前试图使用被许可频段，这个感知无线电用户的传输就会干扰该被许可用户。

因此，需要一种将无干扰的可行性纳入考虑的功率控制系统和方法，进而提高带宽效率并抑制干扰。

发明内容

通常，本发明的较佳实施例可以提供动态频谱接入的传输功率控制，并以此解决上述及其他问题、实现其有益效果。

本发明一实施例提供一种数据传输方法。该方法包括在感应块期间感应频段是否为空闲或者忙碌。获取互感应块期间的若干周期内的无干扰概率并至少部分地基于该无干扰概率获取一功率等级。

另一实施例提供了另一种数据传输方法。该方法包括获取频段的使用的统计信息和确定在若干时间周期的无干扰概率。基于该无干扰概率确定该若干时间周期的传输功率等级。

另一实施例提供了一种用于数据传输的收发装置。该收发装置包括存储器、处理器、发送器和接收器。处理器基于无干扰概率调整频段上传输的传输功率，该无干扰概率基于接收装置在频段上检测到的行为。

在实施例中，方法将感应无线电用户的传输功率和确定无被许可行为后每个数据采样点的无干扰概率联系起来。该方法包括，例如，获取被许可信道占用情况的统计信息，确定数据传输过程中每个采样点的无干扰概率，和与该概率相应地分配传输功率。

在一实施例中，被许可信道占用情况的统计可以包括被许可行为的平均出现和不出现周期。

在另一个实施例中，该平均出现和不出现周期可以从连续频谱感应中被许可信道的先前测量结果获取。

在另一实施例中，在数据传输过程中每个采样点的无干扰概率可以为当数据传输开始前确定被许可行为不存在、该被许可行为不存在的条件性概率。

在另一实施例中，条件性概率可通过被许可信道的占用情况统计信息和频谱检测单元的检测错误估计得到。

在另一实施例中，检测错误包括将被许可行为出现当作没出现，或者将被许可行为的没出现当作出现。

在另一实施例中，错误概率可通过频率感应结果与反馈或传输确认的历史数据比较得到。

在另一实施例中，平均传输率和干扰功率可以用来表征系统系能。

在另一实施例中，分配每个采样点的传输功率以满足平均传输功率限制。

在另一实施例中，每个采样点的传输功率可以按照与无干扰概率一致地方式分配，这样可以最大化感知无线电用户的预计传输率。

在另一实施例中，传输功率的分配可以减少被许可用户在同一时间被干扰的可能性。

在另一实施例中，传输功率可以性能最佳地按照每个数据采样点无干扰概率分配，或者承受某些性能损失地简单地使用带数据采样索引的平滑减小函数。

在另一实施例中，传输功率控制可通过变换感知无线电用户与每个数据采样点的无干扰概率相应地传输率实现。

在另一实施例中，固定或弹性帧结构的任何周期性频谱感应框架可以提升系统性能。

附图说明

为了更好理解本发明及其有益效果，后续描述将与如下附图相结合进行说明：

图1为本发明实施例的系统示意图；

图2为本发明一实施例中无线收发信机的方框示意图；

图3为本发明一实施例中周期频谱感知帧结构示意图；

图4为本发明一实施例中确定传输功率的流程示意图；

图5为本发明实施例中不同采样点的规格化传输功率分配的图示。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的形成和使用。然而，应意识到本发明提供了很多可以在各种各样具体背景中体现的适用性独创概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明创造和使用本发明的具体方式，并不限于本发明的范围。

图1为本发明一实施例的部分无线通信系统100的示意图。如图1所示，在无线通信系统100中工作的天线105，比如基站110的天线，可以被分割为三个扇区，比如扇区115、扇区116和扇区117。尽管图1所示的天线仅为单天线，天线105可以包括三个独立的天线，每一个独立的天线对应一个扇区。基站110可以在不同扇区传输不同的信号。基站110通常可以与多个移动台(Mobilestation，MS)，比如MS 120和MS121，在各自的扇区进行通信。在实施例中，MS还可以被称为用户、移动终端、用户设备、接入终端等。

图2为本发明实施例中感知无线电收发信机200的方框示意图。需要注意的是，图2中所给出的感知无线电收发信机200仅为示意并说明感知无线电收发信机的200的基本组件，其可以表示为MS120、121和/或基站110。同时需要注意的是，诸如电源、总线、线缆、外部连接及其类似部分并没有在图2中给出。

在一实施例中，感知无线电收发信机200包括处理器210和存储器212。该存储器212可用于存储应用软件、数据和各种运行条件，例如QoS条件。处理器210控制一耦合到接收天线216的接收器214以控制和处理数据和/或控制信号的接收。处理器210还耦合并控制一发送器218，以此控制发送器218的传输功率等级，及通过发送天线220发送数据和控制信号。此外，接收器214和处理器210还连接一频谱感应模块222。如下将进一步详细讨论频谱感应模块222监控被许可频段以确定被许可频段在下一周期内被占用或空闲的可能性。

图3所示为本发明实施例中可能使用到的一种帧结构。处理序列300包括感应块310和互感应块312。通常，收发信机，例如感知无线电收发信机200，确定感应块310中的被许可频段是否占用或空闲。当确定被许可频段空闲时，收发信机在互感应块312时段发送数据和/或控制信息。现有系统中互感应块312时段的传输的传输功率保持固定，不同的是，如下述详述，本发明实施例根据无干扰的可能性变换传输功率。

如本文所描述的一种在周期频谱感应行为之间的每一个数据块中基于可能性的传输功率控制方法可以提高动态频谱接入的带宽效率。通过利用被许可频段的被占用的统计信息，传输功率控制方法可以与数据传输过程中的每一个采样点的无干扰可能性相匹配。这有助于感知无线电用户增加有效传输率并显著地减少与可能出现的回归的被许可通信的干扰等级。值得称道是，这样的系统或方法可以在确保被许可用户的优先级别的同时明显地提升整个带宽效率。

一感知无线电用户对，每一个用户对包括一个发送方和一个接收方，不时运行在被分配给位于同一地理区域被许可用户的单频段上。在诸如频谱感应模块222的频谱感应模块的帮助下，感知无线电用户确定被许可行为在频段内出现或者不出现的情况，并当没有被许可行为出现时使用该频段。

如图3所示，感知无线电用户的活动通常为周期性活动，因此在每一帧中，感知无线电用户首先在感应块310监测被许可频段，根据被许可频段被占用或者空闲的状态不采取动作或者开始在互感应块312中接收/发送数据。较佳地，感应块对被许可频段进行采用间隔为M的监测。根据频段被占用或者空闲的状态，感知无线电用户不采取动作或者开始在互感应块进行采样间隔为L的接收或发送数据(也可能无数据传输)。因为被许可频段也可能在将来被被许可用户重新占用或者释放，较佳地，感知无线电用户可以在前一个互感应块312之后重新启动一个以感应块310开始的帧。感知无线电用户可以采用一个预先设定的感应块长度M以获得特定监测性能和一个最佳的数据块长度L以获得与可能出现的回归的被许可通信的干扰的特定等级下最佳的传输效率。感应块310和/或互感应块312也可以为可变长度块。如下将详细讨论，通过连续的频谱感应，感知无线电用户获取包括平均占用、空闲周期的被许可信道占用情况。

图4为本发明一实施例中变换传输功率的步骤流程。该流程在步骤410开始，其中例如被许可频段忙碌或空闲的概率等统计信息已经获得。被许可频段被模型化为在忙碌和空闲状态之间切换的交替更新源。这里，忙碌或空闲说明被许可频段被被许可用户占用或者没被占用。忙碌和空闲周期被假定为指数分布，其中α是忙碌到空闲状态转换率，β是空闲到忙碌状态转换率。相应地，平均忙碌和空闲周期为1/α和1/β，频段忙碌和空闲的概率相应地为

${\stackrel{\‾}{P}}_B=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

和

${\stackrel{\‾}{P}}_I=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}.---\left(2\right)$

其后，步骤412确定无干扰的概率。该无干扰的概率可通过如下公式表达

$P_{I_l|\hat{I}}=P_{I_l|B}{P}_{B|\hat{I}}+P_{I_l|I}{P}_{I|\hat{I}},---\left(3\right)$

其中

和

分别为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性忙碌和空闲的概率，PIl|B和PIl|I分别为假定频段在感应块结束点忙碌和空闲、其在第l个采样点条件性空闲的概率。如果频段在感应块结束点忙碌，其在下一个数据块的第l个采样点的条件性空闲概率可以计算如下

$P_{I_l|B}=1-e^{-\mathrm{\αl\τ}},---\left(4\right)$

其中τ表示采样间隔。如果频段在感应块结束点空闲，其在下一个数据块的第l个采样点的条件性空闲概率可以计算如下：

$P_{I_l|I}=e^{-\mathrm{\βl\τ}}.---\left(5\right)$

为计算

和

P_D和P_F分别表示通过频率感应结果与反馈或传输确认的历史数据比较得到的平均监测概率和假报警概率。如果频段被检测为空闲，则在感应块结束点该频段条件性忙碌和条件性空闲的概率可通过如下公式计算：

$P_{B|\hat{I}}=\frac{(1-P_D){\stackrel{\‾}{P}}_B}{(1-P_D){\stackrel{\‾}{P}}_B+(1-P_F){\stackrel{\‾}{P}}_I}---\left(6\right)$

和

$P_{I|\hat{I}}=\frac{(1-P_F){\stackrel{\‾}{P}}_I}{(1-P_D){\stackrel{\‾}{P}}_B+(1-P_F){\stackrel{\‾}{P}}_I}.---\left(7\right)$

接下来，步骤414确定传输功率。确定出每一个时间段l的条件性概率

之后，需要最大化感知用户在平均功率约束

的平均传输率。由若干采样周期L组成的整个帧的平均传输率可以根据如下公式确定

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{P}_{I_l|\hat{I}}{R}_l}{M+L},---\left(8\right)$

其中，

为当频段在感应块310被检测为空闲、下一个互感应块312的第l个采样点的条件性空闲概率，Rl是为当频段空闲时感知无线电用户在下一个互感应块312的第l个采样点的传输率。在的第l个采样点，Rl与传输功率S_l的关系为：

$R_l=\log (1+\frac{S_{l}G}{N}),---\left(9\right)$

其中G是从感知无线电发送方到接收方的功率增益，N是感知无线电接收方的噪声变量，这两者在单个数据块中都假定为固定不变。通常，更高的平均传输率表明更高的带宽效率。

相应地，需要最大化

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{P}_{I_l|\hat{I}}\log (1+S_{l}G/N)}{M+L},---\left(10\right)$

其条件为

$\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{S}_l\≤\stackrel{\‾}{S}---\left(11\right)$

其中G是从感知无线电发送方到接收方的功率增益，N是感知无线电接收方的噪声变量，这两者在单个数据块中都假定为固定不变。

对于任意l的最佳功率分配Sl可以通过如下公式确定

$S_l={(\frac{P_{I_l|\hat{I}}}{\mathrm{\λ}}-\frac{N}{G})}^{+}---\left(12\right)$

其中(x)⁺＝max(x，0)和拉格朗日因子λ的选择需要满足下面功率约束条件

$\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{P_{I_l|\hat{I}}}{\mathrm{\λ}}-\frac{N}{G})}^{+}=\stackrel{\‾}{S}.---\left(13\right)$

通过上述公式，可以假设

因此

为已知且λ可以确定。如果检验确认对于任意l的Sl不低于0则方法正确。否则，Sl设为0并重复整个流程。

如果N/G值小，也就是信噪比增益大，则每个采样点的分配传输功率大致为

$S_l=\frac{P_{I_l|\hat{I}}}{{\stackrel{\‾}{P}}_{I_l|\hat{I}}}\stackrel{\‾}{S},---\left(14\right)$

其中

${\stackrel{\‾}{P}}_{I_l|\hat{I}}=\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{I_l|\hat{I}}.---\left(15\right)$

在这种情况下，传输功率Sl在每个采样点与条件空闲概率成正比。如果感知无线电发送方没有信道和噪声信息，只要信噪比增益不低，公式(14)可以简单地用来分配传输功率。

感知无线电用户的传输率也可以与条件空闲概率一起改变。比如，传输率可以按照如下公式方式改变

$R_l=\log (1+\frac{P_{I_l|\hat{I}}}{{\stackrel{\‾}{P}}_{I_l|\hat{I}}}\frac{\stackrel{\‾}{S}G}{N}).---\left(16\right)$

传输功率控制方案不仅增加平均传输率，还显著减少平均干扰功率，这对感知无线电用户和被许可用户都有利。平均干扰功率可以作为被许可接收方被感知无线电通信在整个帧中干扰的预计干扰功率，其可以表达如下

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{P}_{B_l|\hat{I}}{S}_l{G}^{\′}}{M+L},---\left(17\right)$

其中

是当检测到频段在感应块空闲、在下一个互感应块第l个采样点的条件性忙碌概率，G′是从感知无线电发送方到被许可接收方的功率增益，其在数据块过程中被设定为固定值。为提供被许可通信的足够保护，平均干扰功率通常需要限制在可接受的等级。

需要说明的是，上述描述给出了一个实施例的一种传输功率基于回归的许可用户的概率而变化的例子，也可能用到其他实施例。比如，一种带数据采样索引的平滑减小函数也可能被用到，但可能带来性能损失。

图5为可以从上述讨论的系统中获得的数据结果。假定τ＝0.0001sec，M＝50，L＝1600，p_D＝0.95，p_F＝0.1，α＝0.4sec^-1，和β＝0.4sec^-1，图5给出本方案中每个采样点l在不同平均接收信噪比

数值的规格化传输功率

图5也同样给出现有技术中的固定值功率分配方法。可以看到的是，与保持功率等级固定不同，本方案的传输功率等级在每个采样点都能与减小的条件性空闲概率一致。当平均接收信噪比变得越小，相邻采样点之间的功率分配差异变得越明显，性能增益相应地预计更大。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，但这些描述并不构成对发明的限制性描述。所属领域的技术人员能够通过上述描述明白示例性实施例以及本发明其他实施例的各种改变和结合。附加的权利要求范围将包括这些改变或实施例。

Claims (18)

1.一种传输数据的方法，该方法包括

在感应块期间感应频段是否为空闲或者忙碌；

获取互感应块期间的若干周期内的无干扰概率；和

至少部分地基于该无干扰概率获取一功率等级；

其中，无干扰概率通过如下公式计算：

其中，

为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性忙碌的概率；

为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性空闲的概率；

为假定频段在感应块结束点忙碌、其在第l个采样点条件性空闲的概率；

为假定频段在感应块结束点空闲、其在第l个采样点条件性空闲的概率；

其中，所述获取功率等级中，功率等级基于若干采样点的无干扰概率在该若干采样点不同；或者，所述获取功率等级为利用平滑减小函数获取功率等级。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括获取所述频段行为的统计信息。

3.如权利要求2所述的方法，其中该统计信息包括被许可行为的平均出现和不出现周期。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述统计信息通过在连续频谱感应中所述频段之前的测量获得。

5.如权利要求1所述的方法，其中无干扰概率至少部分基于平均检测概率。

6.如权利要求1所述的方法，其中无干扰概率至少部分基于错误报警概率。

7.一种传输数据的方法，该方法包括：

获取频段的使用的统计信息；

确定在若干时间周期的无干扰概率；和

确定所述若干时间周期的每一个周期的传输功率等级，所述传输功率等级至少部分地基于各自时间周期的无干扰概率；

其中，无干扰概率通过如下公式计算：

其中，为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性忙碌的概率；

为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性空闲的概率；

为假定频段在感应块结束点忙碌、其在第l个采样点条件性空闲的概率；为假定频段在感应块结束点空闲、其在第l个采样点条件性空闲的概率；

其中，确定所述若干时间周期的每一个周期的传输功率等级中，所述传输功率等级基于若干采样点的无干扰概率在该若干采样点不同；或者，确定传输功率等级为利用平滑减小函数确定传输功率等级。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述统计信息包括许可行为的平均出现或不出现周期。

9.如权利要求8所述的方法，其中统计信息通过在连续频谱感应中所述频段之前的测量获得。

10.如权利要求7所述的方法，其中无干扰概率至少部分基于平均检测概率。

11.如权利要求7所述的方法，其中无干扰概率至少部分基于错误报警概率。

12.一种用于传输数据的收发装置，该收发装置包括：

存储器；

连接到所述存储器的处理器；

连接到所述处理器的发送器；和

连接到所述处理器的接收器，其中所述处理器基于无干扰概率调整频段上传输的传输功率，该无干扰概率基于接收器在频段上检测到的行为；

其中，无干扰概率通过如下公式计算：

其中，

为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性忙碌的概率；为假定频段在感应块期间被检测为空闲、其在感应块结束点条件性空闲的概率；

为假定频段在感应块结束点忙碌、其在第l个采样点条件性空闲的概率；

为假定频段在感应块结束点空闲、其在第l个采样点条件性空闲的概率；

其中，所述传输功率按照每个数据采样点无干扰概率分配，或者，利用平滑减小函数分配。

13.如权利要求12所述的收发装置，其中所述无干扰概率基于感应块内的测量结果并用于互感应块。

14.如权利要求13所述的收发装置，其中所述无干扰概率被用于互感应块内的若干周期。

15.如权利要求12所述的收发装置，其中该收发装置基于若干采样点的无干扰概率变换该若干采样点的功率等级。

16.如权利要求12所述的收发装置，其中该处理器获取该频段行为的统计信息。

17.如权利要求16所述的收发装置，其中该统计信息包括被许可行为的平均出现和不出现周期。

18.如权利要求16所述的收发装置，其中该统计信息通过连续频谱感应中所述频段的先前测量结果获得。

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