CN102113360B - 用于在无线电认知中继系统中的共享频谱使用的感测和通信协议 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法、设备和计算机程序产品，用于在具有共享频谱使用的传输系统中感测和通信，该系统可以包括例如认知中继系统。在发射机和接收机之间的通信经由中继辅助在两个传输阶段中发生。在第二传输阶段期间，在发射机处执行感测，由此克服了对于用于感测的专用时隙的需要。

Description

用于在无线电认知中继系统中的共享频谱使用的感测和通信协议
技术领域
本发明涉及一种设备、系统、方法和计算机程序产品，用于发射和接收至少两个传输系统的信号，该至少两个传输系统至少部分地在相同的频谱中操作。在这种传输系统之中，例如是具有灵活频谱使用（flexible spectrum usage）模型的认知中继系统（cognitive relay system）。
背景技术
新的无线技术和应用的激增要求节俭地使用有限的可用无线电频谱。这已经促使了监管的改变以从当前的固定频谱分配策略转变为灵活频谱使用模型。在美国，负责监管州际和国际间经由无线电、电视、有线、卫星和电缆的通信的联邦通信委员会（FCC），例如正在采取措施以在VHF-UHF频谱中采用许可使用低功率便携设备的策略。监管措施还朝着许可更多次级频谱可用于医疗设备和身体传感网（body sensor networks）的方向进展。在英国和其它欧洲国家，互联网也已经得到发展以采用创新的频谱共享模型，其中分配给主系统的许可频带对于次级使用是开放的。
基于次级频谱操作的一种要求是次级系统传输不会引发任何对主系统有害的干扰。此要求典型地是通过频谱感测和在未发现主系统活动的频谱区域上操作而满足的。频谱感测可以包括检测来自主系统的传输的存在。
在无线系统中协同和中继的益处被广泛地认识到，并且也作为即将到来的标准（例如关于人体区域网的IEEE 802.15 WPAN 工作组）的一部分。已知这些技术将导致更好的系统性能并且用于例如范围扩展、改善错误率等。因此在这样的将来的无线标准中基于协同中继的认知无线系统将自然是受关注的。
认知网络中有两个源-目的地链路：主链路和次级链路，它们共享相同的频谱资源，最近，在IEEE Trans. Inform. Theory，第52卷，第5期，第1813-1827页，2006年5月，N.Devroye, P.Mitran和 V.Tarokh的“认知无线电中的可达速率（Achievable rates in cognitive radio）”，和A.Jovicic和P.Viswanath的“认知无线电：信息理论前景(Cognitive radio: an information-theoretic perspective)”所呈现的信息理论研究中，该认知网络已经被研究。在这些参考文献中，认知发射机被假设具有关于主发射机发射的信号的完整的先验信息（还参见IEEE Trans. Inform. Theory，第52卷，第4期，第1745-1755页，2006年4月，P.Mitran,N.Devroye和V.Tarokh的“发射机处具有边信息的复合信道(On compound channels with side information at the transmitter)”，其全部内容通过引用被结合于此）。然而，在认知发射机（或节点）处关于无线电环境（例如关于主系统的活动）的不完整信息被预期是实施认知原理的主要障碍，如在Proc. Allerton Conference on Communication, Control and Computing，2004年10月中A.Sahai, N.Hoven 和 R.Tandra的“关于认知无线电的一些基本限制(Some fundamental limits on cognitive radio)”中更详细描述的。而且，在定义认知无线电的性能时，主系统处的流量动态是非常重要的，但是随机的分组到达不能被简单地结合到纯粹的信息理论分析中。
图1示出了认知无线中继系统拓扑的示意性架构，其中认知系统发射机（CTx）10在认知系统中继（CR）30的辅助下发射数据至认知系统接收机（CRx）20。此认知系统在特定频谱部分上基于次级共享而操作，该特定频谱部分被许可给包括主系统发射机40的特定主系统。
图2示出了可以在根据图1的系统中使用的初级感测和通信协议的示意性时序安排。
在步骤100、200等等中，由CTx 10周期性地执行感测。如果不存在主系统传输，则在相应的连续传输周期TP1、TP2等等的两个阶段中完成传输。在第一阶段（步骤110、210……）中，CTx 10发射数据至CRx 20，该数据还在CR 30处被接收。CR 30对于接收到的数据执行一些信号处理（例如放大、解码等）并且在第二阶段（步骤120、220……）将它转发或广播至CRx 10。
然而，周期性的感测需要监视主信号传输的存在/再现。如从图2中能够看出的，在步骤100、200……中的此周期性感测是一种开销并且显著地减少了信息吞吐量。其还具有关于时延要求的暗示并且在对延迟敏感的应用中可能是关键的问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种更有效的干扰管理方案，通过该干扰管理方案能够增加信息吞吐量。
这个目的是通过权利要求1所述的设备，权利要求6所述的方法，权利要求10所述的系统和权利要求11所述的计算机程序产品而实现的。
因此，发射机侧的感测能够在第二传输阶段期间被执行，因此克服了对于用于感测的专用时隙的需要。因此只在初始的传输建立期间需要专用感测时隙，从而减少了周期性的感测时隙所带来的附加开销。
所提出的设备可以实施为网络节点或站点中所提供的处理器设备、模块、芯片、芯片组或电路。处理器可以由计算机程序产品控制，该计算机程序产品包括代码装置，用于在计算机或处理器设备上运行时执行所要求保护的方法的步骤。
根据第一方面，第一和第二传输系统可以是分别具有灵活频谱利用的主系统和次级系统。
根据可以与第一方面结合的第二方面，该第二传输系统可以是认知中继系统。
根据可以与上述第一和第二方面中的任意一个相结合的第三方面，发射机和干扰处理器可以适于以周期性方式执行传输和感测。
根据可以与上述第一至第三方面中的任意一个相结合的第四方面，设备可以是医疗设备，中继的版本可以从医疗中心接收到。
在从属权利要求中限定了进一步的有利的发展。
附图说明
现在将参照附图基于多种实施例而描述本发明，图中：
图1示出了认知中继系统的示意性网络拓扑；
图2示出了传统的感测和通信过程；
图3示出了根据一个实施例的感测和通信过程；
图4示出了根据该实施例的感测和通信过程的时序图；
图5示出了根据一个实施例的发射机侧感测和通信处理的示意性流程图；以及
图6示出了根据一个实施例的中继侧感测和通信处理的示意性流程图。
具体实施方式
下面，在图1中所示出的示例性认知中继系统的基础上描述本发明的实施例。
该实施例能够例如被实施在图1中所示出的认知无线中继系统拓扑中，其中认知系统发射机（CTx）10在认知系统中继（CR）30的辅助下发射数据至认知系统接收机（CRx）20，其中中继系统根据次级共享频谱的特定部分而操作，该频谱的特定部分被许可给特定主系统。这种认知中继系统的例子是其中CTx 10可以是医疗设备、CR 30可以是医疗中心、CRx 30可以是另一个医疗中心或者中心医疗处理器的认知中继系统。
在多种实施例中，提供了用于认知中继系统或其它频谱共享系统的感测和通信协议，其中在两个阶段中运送传输，其中在第一阶段中CTx 10发射数据，该数据在CRx 30和CR 20处被接收。在CR 20处执行中间处理，其中数据被处理并且然后在第二阶段中被广播。然后，在第二阶段中，CTx 10在消除由来自CR 20的传输所引起的干扰后执行感测。
图3示出了根据一个实施例所提出的协议的感测和通信过程。在第一步骤100中，在链路建立期间在CTx 10处执行初始的感测。如果例如在CTx 10处提供的干扰处理器或者中央多用途处理器没有检测到主系统传输，则建立两阶段传输。在第一阶段中（图3中的步骤110，210，……），CTx 10发射数据至CRx 30，该数据还在CR 20处被接收。然后，CR 20对于接收到的数据执行一些信号处理（例如放大或解码等等）。在第二阶段中（步骤122，222，……），处理后的数据被广播并且因此被转发至CRx 30。在CTx 10处也接收到此数据，CTx 10现在能够在第二阶段期间执行感测以确定是否已经出现主系统传输。在CTx 10处接收到的信号是主信号（如果这样的信号存在）、从CR 20广播的信号和噪声的组合。由于CTx 10先验地知道从CR 20发射的信号，因此其能够在执行主要信号检测之前或同时消除或至少抑制这个信号分量。
因此，仅在初始的传输建立（步骤100）期间需要专用的感测时隙，从而减少了由周期性的感测时隙所带来的附加开销。
在下面，描述了带有在CR 20处进行基于放大的处理的协议的特定实施方式。
传输链路CTx                                                
Figure 2009801296823100002DEST_PATH_IMAGE001
CRx，CTx
Figure 769268DEST_PATH_IMAGE001
CR，CR
Figure 645957DEST_PATH_IMAGE001
CRx和CR
Figure 468420DEST_PATH_IMAGE001
CTx的信道系数分别被表示为h1，h2 ，h3  和h4。这些系数表示无线衰落系数并且可以典型地建模为瑞利衰落。另外地，在CTx 10、CRx 30和CR 20处各自的加性高斯白噪声（AWGN）分别被表示为n1，n2和n3，方差为
Figure 735453DEST_PATH_IMAGE002
。进一步假设在CTx 10和CR 20处的发射功率是相同的并且等于P。进行这些假设的目的在于简化解释，但是不意味着限制实施例的范围。在第i个传输阶段中，在CTx 10，CRx 30和CR 20处接收到的主系统的信号分量（如果主系统在发射的话）分别被表示为Xsi，Xdi和Xri，其中i
Figure 2009801296823100002DEST_PATH_IMAGE003
{1，2}。
图4示出了根据该实施例的感测和通信过程的时序图，其中在上面的依据时间的图与CTx 10的操作相关，在下面的时间图与CR 20的操作相关。CTx 10首先执行初始的感测，其只在初始的链路建立时需要。如果没有检测到主系统的信号，则建立两个阶段的认知传输。在第一传输阶段P1，由CTx 10发射次级信号xc。在CRx 30处接收到的信号给出为
                    （1）
在第一传输阶段中在CR 20处接收到的信号给出为
Figure 2009801296823100002DEST_PATH_IMAGE005
                     （2）
此处假设主系统传输没有迅速变化，即在第一传输阶段没有主发射机（例如图1的主发射机40）发射，从而Xd1=0，Xr1=0。这种假设同样不是意图影响实施例的范围。如果主系统是活动的，那么它们在小的时间间隔上可能受到一定量的干扰，该时间间隔相应于第一传输阶段P1的长度。在第一传输阶段P1中的接收之后，如果没有检测到包含次级信号组分xc的信号分量，则CR 20简单地保持静默直到它接收到来自CTx 10的新的传输。次级信号分量可以基于诸如导频和/或前同步码(preamble)之类的已知信号或者数据部分而被检测到。否则，CR 20使接收到的信号归一化并且然后将其转发至CRx 10。于是，在第二传输阶段P2中在CRx30处接收到的信号给出为
Figure 727866DEST_PATH_IMAGE006
                   （3）
其中
Figure 2009801296823100002DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 115090DEST_PATH_IMAGE008
在第二传输阶段P2中的接收之后，CRx 30能够将yd1和yd2结合以解码xc。
在第二传输阶段P2中在CTx 10处接收到的信号给出为
Figure 2009801296823100002DEST_PATH_IMAGE009
                （4）
由于CTx 10对于相应的信道状态信息具有完整（或者接近完整）的知识（例如使用认知系统的已知信号分量（例如导频/前同步码）和/或来自CR 20的反馈通过基于训练的信道估计而获得），因此自干扰分量能够被消除以获得
Figure 2009801296823100002DEST_PATH_IMAGE011
                       （5）
从而，CTx 10使用ys ’执行Xs2的检测。如果没有检测到Xs2，则下一个两阶段传输继续进行。否则，CTx 10可以保持静默并且可以周期性地扫描信道直到确定信道不存在主系统的信号为止，然后能够建立新的认知传输。
图5示出了对于CTx 10的干扰控制机制或过程的示意性流程图。
在步骤S310中，在CTx10处执行初始的感测。然后，在步骤S320检查感测操作是否指示已经检测到主信号或者存在主信号。如果存在主信号，则过程分支至步骤S325并且等待给定的延迟周期，该给定的延迟周期可以通过启动计数器或计时器或者相应的操作而确定。否则，如果已经确定存在主信号，则过程前进至步骤S330并且开始传输周期的第一传输阶段，并且CTx 10发射次级信号xc。此后，在步骤S340开始传输周期的第二传输阶段，其中CTx 10基于在步骤S330已知的传输信号参数执行自干扰消除并且附加地执行主信号检测。然后，在步骤S350检查是否已经接收到主信号或者是否存在主信号。如果存在主信号，则过程分支并跳回至步骤S330以开始新的传输周期的新的第一阶段。否则，如果已经确定存在主信号，则过程前进至步骤S360并且CTx 10停止次级传输并且等待给定的延迟周期，该给定的延迟周期可以通过启动计数器或计时器或相应的操作而确定。
图6示出了对于CR 20的中继机制或过程的示意性流程图，其在时间上链接至图5的步骤S330的结束。即，当第一传输阶段结束时，在步骤S410，CR 20发起接收操作。在随后的步骤S420中，在步骤S420检查是否已经接收到或者存在次级信号分量xc。如果确定不存在次级信号，则过程分支至步骤S425并且等待给定延迟周期，该给定延迟周期可以通过启动计数器或者计时器或者相应的操作而确定。否则，如果在步骤S420已经确定存在次级信号，则过程前进到步骤S430并且开始传输周期的第二传输阶段，CR 20放大并转发或广播所接收到的次级信号。
CTx 10和CR 20的上述实施例能够在相应的无线电节点（例如网格点，网格接入点，网格入口或者任何其它类型的无线电节点）中或者其他无线类型的网络节点中提供。该实施例能够基于分立的硬件电路或者电路系统、芯片、芯片组、模块或者软件控制的处理器或者计算机设备（其中图5和6的功能可以被提供作为软件程序或者例程）来实施。
总之，已经描述了一种方法、设备和计算机程序产品，用于在具有共享频谱使用的传输系统中感测和通信，该系统可以包括例如认知中继系统。经由中继的辅助，在发射机和接收机之间的通信发生在两个传输阶段中。在第二传输阶段期间，在发射机处执行感测，由此克服了对于用于感测的专用时隙的需要。
应当认识到本发明不限于上述实施例，并且能够被用于允许由至少两个传输系统进行的共享频谱使用的任何网络环境。虽然已经针对在已许可的频谱中基于次级频谱共享操作的认知中继系统描述了系统和相关的协议，但是为了任何类型的干扰管理的目的，能够扩展该系统和协议。本发明利用由第一传输系统代替认知中继系统和由第二传输系统代替主系统而适用，其中第一传输系统试图避免来自第二传输系统的干扰，并且在相同的频谱中操作。例如在未许可的频带中出现这种情况，其中干扰管理是关键的问题。所提出的发明应用于例如在已许可的频谱中基于次级而操作的无线系统的设备（例如便携设备、医疗设备、身体传感器等）。
此外，本发明可以应用在例如基于将要到来的关于无线区域网络的IEEE 802.22标准的增强。未来的标准化预期目标在于UHF（超高频）频带和/或空白电视信号频段（television white space）中的连通性应用（例如便携设备），其中所提出的方法将是非常受关注的。所提出的干扰管理能够更一般地应用在符合未来的标准化的广泛种类的认知无线系统。一种可能性是医疗设备和身体传感网，如在关于人体区域网的IEEE 802.15 WPAN任务组中所描述的，其可以基于根据次级共享的部分分配的频谱。
根据研究附图、公开和所附权利要求，对于所公开的实施例的变化能够被本领域技术人员理解并且实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。仅仅某些措施在彼此不同的从属权利要求中记载这个事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。用于控制处理器以执行图5和6的步骤的计算机程序和由此所要求保护的特征可以被存储/分布在合适的介质中，诸如与其它硬件一起或作为其它硬件的一部分而提供的光存储介质或者固态介质，但是还可以其它形式分布，诸如经由互联网或其它有线或无线电信系统。在权利要求中的任何参考标记不应解释为对其范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于在由第一和第二传输系统共享的频谱中发射和接收信号的设备，所述设备（10）包括：
a)发射机，用于如果所述设备的感测操作指示没有接收到所述第一传输系统的信号，则在信号传输周期的第一阶段中发射所述第二传输系统的信号；和
b)干扰处理器，用于在所述信号传输周期的第二阶段中执行所述感测操作，同时消除由在所述信号传输周期的所述第一阶段中发射的所述信号的中继版本的接收而引起的干扰。
2.根据权利要求1的设备，其中，所述第一和第二传输系统分别是具有灵活频谱使用的主系统和次级系统。
3.根据权利要求2的设备，其中，所述第二传输系统是认知中继系统。
4.根据权利要求1的设备，其中，所述发射机和所述干扰处理器适用于以周期性的方式执行所述发射和所述感测。
5.根据权利要求1的设备，其中，所述设备是医疗设备，所述中继版本是从医疗中心接收到的。
6.一种用于在由第一和第二传输系统共享的频谱中发射和接收信号的方法，所述方法包括：
a)如果感测操作指示没有接收到所述第一传输系统的信号，则在信号传输周期的第一阶段发射所述第二传输系统的信号；和
b)在所述信号传输周期的第二阶段中执行所述感测操作，同时消除由在所述信号传输周期的所述第一阶段中传输的所述信号的中继版本的接收而引起的干扰。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述第一和第二传输系统分别是具有灵活频谱使用的主系统和次级系统。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述第二传输系统是认知中继系统。
9.根据权利要求6的方法，其中，以周期性的方式执行传输和感测。
10.一种用于在由第一和第二传输系统共享的频谱中发射和接收信号的系统，所述系统包括至少一个网络节点，该网络节点具有根据权利要求1的设备、以及至少一个中继节点，所述至少一个中继节点用于在所述第一阶段中接收所述发射的信号并且用于在所述第二阶段中广播所述信号的所述中继版本。
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