CN102246483A - 使用白色空间的对家用网关的系统和规矩 - Google Patents

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Abstract

提供了使用主要服务和其它新兴服务来共享白色空间的方法和系统。使用家用网关来执行在指定的位置例如住宅内的信号分布，该家用网关识别未使用的白色空间，预留这样的白色空间频谱，并使用所预留的频谱将数据传递到在相应的位置处的一个或多个设备。在设备和网关之间的信令在共享信令信道上被执行，共享信令信道使网关能够通知设备在哪里和何时接收数据。网关还使用公共频谱预留OFDM符号来通知邻网关局部频谱预留。

Description

使用白色空间的对家用网关的系统和规矩
技术领域
本发明通常涉及数据信号在白色空间内的分布，尤其是涉及用于根据限定的规矩通过从模拟到数字电视(DTV)系统的转换使用在指定的电视市场内释放的白色空间的系统和方法。
背景技术
在21世纪初期对于固定和移动环境看到用户无线终端的显著发展。例如，现代PC(个人计算机)和笔记本计算机(膝上型计算机)使用无线连接来运作，以允许一些移动性并减少在PC的部件之间的连线。家用LAN聚合快速地合并家用路由器、无线接入点和DSL调制解调器，以将家用计算机连接到签约的互联网服务。响应于对到用户房屋的宽带连接的增长的要求，世界趋势变得明显，即，从模拟移到数字电视(DTV)。DTV具有优于模拟电视的几个优点。因此，DTV比模拟电视更灵活和有效；它实现特殊的服务，例如多路传输(在同一信道上的多于一个程序)、电子节目指南和被讲或加字幕的另外的语言。DTV的另一重要的优点是，数字信道占用较少的带宽并提供较好的性能。这意味着，数字广播公司可提供具有较高质量的图像和声音的高清晰度(HDTV)服务。非电视服务的销售也可提供额外的收入源。
在美国，FCC颁布到数字电视(DTV)的过渡。到DTV的转换导致大的带宽在电视广播公司目前使用的VHF(甚高频)和/或UHF(超高频)频谱的下部分中变得空闲。因为在某个地理区域/区(电视市场)中操作的每个电视台只使用来自电视波段的有限数量的信道，一些数字信道在相应的区域中仍然未被广播公司使用：这个局部可用频谱称为“白色空间”。
例如，在美国有大约210个电视广播市场和1700个电视广播台。目前，每个电视台被分配给用于NTSC广播的大约8个射频(RF)信道，每个信道占用VHF/UHF频谱中的6MHz。联邦通信委员会(FCC)已颁布，所有全功率电视广播将在不迟于2009年2月17日之前使用对数字电视的高级电视制式委员会(ATSC)标准。这些发展对个人/家庭用户开通了提供各种新的专用服务之路。FCC计划将信道2到21分配给数字电视；占用700MHz波段的下半部分的信道52到69已经通过拍卖被再分配给客户的各种高级商业无线服务。当过渡DTV在2009年初期结束时，在美国的210个电视市场的每一个都将有为广播预留的、但不在使用中的15到40个未分配的(空闲的)信道。空闲的电视信道完全适合于其它未经授权的无线互联网服务。对空闲电视信道的访问推动低成本高容量移动无线宽带网络——包括新兴室内网络——的市场。使用这个白色空间，无线宽带行业可按照一些估计以每月少至$10将互联网接入传送到每个家庭。
目前，大部分平板高清晰度电视机仍然使用电缆来连接到机顶盒或其它设备例如DVD、蓝光设备或VCR。电缆要求限制了HETV安装的灵活性以及外观。所以，存在对找到消除或最小化电缆的使用的解决方案的市场要求。一些公司提出在60GHz频谱中的无线HDTV解决方案，由此将原始数据无线地传送到HDMI端口，其是标准HDTV接口。虽然在这个领域有一些进步，该解决方案的性能和成本仍然提出设计和操作挑战。
在2008年10月15日，FCC工程部发行了清楚地说明设备必须满足以便使用白色空间的规则的报告，主要要求是不干扰在相应的区域中运行的主要服务。因此，由在ATSC频谱中操作的任何白色空间设备发射的信号必须遵循FCC法规，以便不被这些新的服务将不降低主要服务例如电视广播、无线麦克风或在该区域中已经被部署或将被部署的其它新兴服务的质量。应设计新的白色空间设备，以便不影响高级电视制式委员会(ATSC)标准所规定的电视调谐器灵敏性和电视接收机性能。该规范对必须在设计和使用白色空间设备时说明的这组法规使用术语“白色空间规矩”。为了符合这些要求，FCC要求固定和便携式设备都包括地理定位能力并使用电视信号的FCC数据库和利用无线麦克风的地点例如体育场和教堂的位置。这些数据库和地理定位能力在理论上将防止对广播电视台和无线麦克风的干扰，并确保与FCC规则的兼容。
移动行业正考虑通过将关于技术聚合的标准发展到舒适、容易使用和价格有吸引力的结构中来使用白色空间。例如，在2004组成的IEEE 802.22工作组接收到发展对无线区域网(WRAN)的标准的命令。对该技术的任务是将农村区域宽带服务提供到单个家庭住所、多个住宅单元、小办公室/家庭办公室、小企业等。该标准将在非干扰基础上在被分配给电视广播服务的频谱中由不需执照的设备使用。802.22草案规定，网络应在点对多点配置中操作，其中室外安装的接入点(AP)将控制对连接到其的所有客户房屋设备的介质接入，同时避免干扰广播服务。WRAN AP的一个关键特征是执行分布频谱感知的能力，其中客户房屋设备将感知频谱，并将周期性的报告发送到服务AP，通知它关于它们所感知的东西。根据所收集的信息，AP将评估在所利用的信道中变化是否是必要的，或如果它应保持在同一信道上发送并接收，则相反。对于在上行链路和下行链路中的传输，OFDMA作为调制方案被提出。对于当需要较高的码率和距离时的情况，也规定信道捆绑。
然而，802.22草案提出只在6MHz的组块(由ATSC标准规定的电视信道的宽度)中的白色空间的使用，且不允许较精细的粒度。此外，它需要在基站和终端中的高功率传输，以便覆盖具有30km半径的区域。这对于当实际上仅需要6MHz信道的一部分时的情况导致带宽的低效使用。例如，当无线麦克风应用占用来自6MHz的频谱段的几百kHz带宽时，6MHz的其余部分可能被浪费。同样，当带宽市场在人多的区域例如家或大型购物中心等中时，带宽资源也可能被低效地利用。
因此，需要提供一种使用无线解决方案来在指定的区域内广播多媒体内容的廉价和有效的方法。还需要设定关于如何使用被预留但没有被某个区域中的主要服务使用的白色空间频谱而不影响现有服务的操作的总规则(规矩)。
发明内容
本发明的目的是提供用于识别并使用在指定的位置上可用的白色空间的方法和系统，该白色空间用于在家庭网络内传送宽带服务。本发明的实施方式提供检测白色空间的有效方法以及还有利用并共享白色空间的有效方法。
本发明的另一目的是提供用于通过家庭网络将宽带服务传送到用户而不降低主要服务例如电视广播、数字麦克风和在相应区域中运行的其它服务的质量的方法和系统。
因此，本发明提供了用于将数据信号重新分配到位于指定的区域内的无线启用设备的系统，其包括：频谱检测器，其用于识别白色空间信道，该白色空间信道包括当前没有在指定的区域中使用的一个或多个频谱段；数据分配单元，其适合于接收、处理在白色空间信道上从各种源接收的信息信号并将其分配到它所服务的设备；以及控制信道处理器，其配置成提供共享信令信道以启用无线启用设备和数据分配单元之间的信令。
信令信道允许数据分配单元将白色空间信息传递到设备，以便允许预定的规矩被执行，其中信息信号被分配在可用的白色空间中，而不干扰在指定的区域中的其它服务。白色空间可以在传递的过程期间动态和自适应地改变，以适应变化的无线条件，或它可以在连接期间是固定的，且必要的信息可在信令信道上传递到设备。
可以具有窄带宽例如300KHz或500KHz的信令信道可被选择成在广播频谱的预定部分中，该广播频谱已知有可用的白色空间例如ATSC信道2、3和4。在这种情况下，为了建立信令信道，频谱检测器只需要扫描频谱的预定部分以便建立信令信道。
本发明还提供了用于将数据信号重新分配给位于指定的区域内的无线启用设备的方法，包括：a)在当前没有在指定的区域中使用的一个频谱段内建立共享信令信道；b)当从设备接收到在共享信令信道上传输的服务请求时，使用当前没有在指定的区域中使用的一个或多个频谱段建立白色空间信道；c)在白色空间信道上将信息信号分配给设备；以及d)通过在共享信令信道上交换控制消息来控制信息信号到设备的传输。
仍然进一步地，本发明的方面目的在于用于将数据信号重新分配给位于网关所服务的指定的区域内的无线启用设备的方法，包括：a)当从一个或多个设备接收到服务请求时，识别在当前没有在指定的区域中使用的频谱内的白色空间信道的相应数量；b)预留被分配到在指定的区域中识别的白色空间信道的白色空间；c)在指定的区域中广播用于向所有邻网关通告当前信道分配的白色空间分配消息；以及d)在白色空间信道上将信息信号分配给相应的设备。
有利地，本发明提供在指定的区域中识别白色空间段并使用用于将次级服务传送到在该区域中存在的用户的这个白色空间的有效方法。通过遵从对白色空间使用的所提出的规矩，扫描和检测操作变得简单，因此变得实际和成本有效。本发明的系统和方法还提供了使用所识别的白色空间以便不干扰已经在相应的区域中运行的服务的方法。
本发明的方法和系统的另一优点是它允许白色空间设备的更简单、成本有效的设计。本发明还提供了用于感知白色空间设备实现的实际方法。
附图说明
现在将仅作为例子参考下面的附图描述本发明，其中相似的参考数字在这几个附图中始终表示相应的部件。
图1A示出了ATSC广播波段；
图1B示出了四个波段，其中白色空间频谱可能变得可用；
图2示出了根据本发明的实施方式的用于将多媒体数据分配给在指定的位置处的用户的系统的方框图；
图3A示出了根据本发明的实施方式的用于识别白色空间的小波的使用；
图3B示出了每个用户的白色空间分配的例子；
图4A示出了根据本发明的实施方式的由信令信道使用的频谱；
图4B示出了可用于信令信道的TDD帧的例子；
图5A示出了由网关使用来将频谱预留状态通知到邻网关的公共频谱预留OFDM符号的实施方式；
图5B示出了在频域中的公共频谱预留OFDM符号；
图5C示出了根据本发明的实施方式的白色空间段可如何使用仓索引来识别的例子；
图6A是根据本发明的实施方式的示出网关所执行的步骤的方法的流程图；以及
图6B是根据本发明的实施方式的示出设备所执行的步骤的方法的流程图。
具体实施方式
在本说明书中，术语“主设备”用于DTV广播、无线麦克风和按照法规被授权来使用频谱的指定部分的任何其它应用。如上所述，在地理区域/区中操作的每个电视台只使用来自被分配给DTV的频谱的有限数量的信道，使得一些频谱段(连续的或不连续的)在相应的区域中保持未使用：这个局部可用的频谱称为“白色空间”。因此，白色空间从一个电视市场到另一电视市场不同；术语“指定的区域”或“位置”用于表示特定的区域，例如位于某个TC市场中的单个或多个住宅单元、小办公室/家庭办公室、小企业、多房客建筑物、公共和私人场地等。术语“家庭网络”指服务于这样的区域的无线网络。
本发明的实施方式提供用于在指定的区域中分配数据信号的方法和系统，尤其是使用任何可用白色空间的系统和规矩。特别是，本描述指在这样的区域内通过模拟到D电视广播的转换释放的白色空间，并用作南美ATSC标准的例子；然而，这里所述的方法和系统也适用于其它管辖范围、标准和/或频谱的部分。例如，在日本的DTV信道占用8MHz，而在欧洲国家的DTV信道是7MHz。本发明不限于识别6MHz宽的未使用的频谱段(ATSC信道的宽度)；应用这里所述的技术，可考虑较窄或较大的未使用的频谱段。例如，如果6MHz白色空间段的一部分由无线麦克风占用，则也可根据本发明使用该6MHz的频谱段的其余部分。仍然进一步地，结合局部无线电视广播描述了本发明，但相同的原理适用于在白色空间中的其它类型的信号分布，且白色空间不需要必须在VHF/UHF波段中。
转到南美例子，ATSC标准要求对每个电视信道的6MHz的带宽、格形编码的8电平残留边带(8-VSB)调制的使用以及里德-所罗门编码。电视接收机对正确地编码ATSC信号并提供良好质量的电视图片有一些基本的要求。这些要求包括不小于15dB的信噪比(SNR)或等效地不差于3x10-6的误码率(BER)、-106.2dBm(dBm是功率比测量单元的缩写)的热噪声基底以及在-81和-84dBm之间的敏感度等。为在某个区域中可用的白色空间竞争的任何次要服务必须遵从某个规矩，以便不干扰主要服务(电视广播、无线麦克风等)。
现在参考附图，图1A说明在2009年2月17日之后的美国数字电视广播频谱，其示出以T1-T5表示的五个波段。由ATSC信道2-4占用的波段T1具有从54MHz延伸到72MHz的18MHz。由ATSC信道5-6占用的波段T2具有在76MHz到88MHz之间的12MHz，由信道7-13占用的波段T3具有在174MHz和214MHz之间的42MHz。此外，携带信道14-36的波段T4具有从470MHz延伸到608MHz的138MHz，而由信道38-51占用的波段T5具有从614MHz到698MHz的84MHz。因此，这组49个ATSC信道覆盖294MHz(18+12+42+138+84)的总频谱。
因为将为一些特定的应用预留信道2、3和4，在该预留之后，商业ATSC电视信道将包括范围从76MHz到698MHz的274MHz，如在图8B中由波段T2-T5所示的。
图2示出根据本发明的实施方式的用于将多媒体数据分配给在指定的位置处的用户的系统的方框图。该系统包括优选地是家用网关的网关10，其将家里的电视信号广播到设备9。设备9是无线启用数据设备；而图2示出计算机，应理解，设备9可同样是设置有机顶盒的数字电视机或使用户能够选择、访问并观看多媒体内容(例如，电视节目、电影、游戏等)的任何其它设备。也应注意，本发明实现常规电视机的使用，而没有调谐器所需的改变。一般地说，网关10包括数据分配单元1、频谱检测器2、控制信道处理器3和回程接口20。本图还示出数据分配单元1的部件，即，基带处理器6和分配器7。
频谱检测器2用于检测在无线通信频谱的一部分上在相应的区域中可用的白色空间(见上面的定义)，并将该信息提供到分配器单元1。白色空间被检测的无线通信频谱的该部分优选地在系统被安装时预设到已知在某个区域中未充分使用的频谱的某个或某些部分。例如，它可包括通过模拟到数字电视的转换释放的频谱或未经授权的频谱(例如，由WiFi使用的2.4GHz和5GHz波段)的部分。作为另一例子，它可包括整个VHF/UHF频谱。频谱检测器2使用天线4检测存在于被扫描的频谱中的无线信号。
控制信道处理器3用于使设备在由图2中的5表示的共享信令信道上与分配单元1进行通信。信令信道5实现网关和它所服务的设备之间的主-从关系的建立。通过使用这个信令信道，网关遵照白色空间规矩控制设备的操作。如本领域技术人员已知，共享信令信道又由分配单元所服务的所有设备使用，用于连接建立(作为交会信道)、用于将诸如接入请求、带宽请求等的信息传递到单元1。天线4用于在信令信道5上将控制信息传输到设备，并用于在信道5上从设备接收服务请求和状态信息。在图2所示的实施方式中，信道处理器3和频谱检测器2共享天线4，但具有用于这些操作的不同天线的实施方式也是可能的。
数据分配单元1从各种源接收用户信号，并在频谱检测器2所识别的白色空间上将这些信号传输到设备9；天线单元13用于将数据传输到设备。如上所述，设计由单元1所传输的信息信号的参数，以便不干扰存在于相应的区域中的主要服务。一般地说，信息信号的功率非常低，信号的载波频率和波段在当前没有由其它服务使用的频谱部分中被选择，且传输与ATSC广播频谱同步。
结合图3A和3B描述频谱检测器2的操作。如上所述，频谱检测器2扫描无线通信频谱的选定部分。作为例子，所关注的部分可以是分配给DTV的波段T2-T5。可以根据具有电视信道的区域分配的表格(可用的)在每个电视市场中进一步限定所搜索的频谱。因为每个电视市场使用最多12个电视信道(即，72MHz)，白色空间的多于200MHz非常可能在任何特定的位置中将是可用的。如果具有局部分配的电视信道的查找表在网关被提供，则网关可不包括由来自扫描的这些信道占用的频谱；如果不，网关10扫描整个电视频谱。
频谱分析操作涉及扫描所关注的频谱，用于检测(探测)占用该频谱的任何信号，分析所检测的信号并识别当前没有被占用的频谱段；换句话说，检测白色空间段。术语“当前频谱占用率”在这里指当前被分配给各种主设备或由任何运行的次要服务使用的频谱。当频谱占用率随着无线设备连接到网关/从网关断开而任意改变时，频谱分析以有规律的时间间隔重复，使得频谱检测器2使网关能够一直知道在相应的位置处的频谱占用率。
频谱检测器2可以是任何类型的频谱分析仪。例如，本发明的优选实施方式使用如在美国专利公开号20090257480中描述的小波频谱分析仪。图3A示出根据本发明的实施方式的用于识别白色空间的小波的使用；图3B示出每个用户的白色空间分配的例子。小波频谱分析仪/检测器使用频率和时间图，其被分成频率-时间单元，如在图3A中31和32处所示的。使用小波信号分析，在每个频率-时间单元内的能量被测量，以便识别具有很少的或没有可检测的信号活动的频率-时间单元。被识别为未使用的频率-时间单元提供由次要服务使用的机会。
小波频谱检测器2的另一特征是，对于时间和频率，可对较细或较粗的粒度调节频谱-时间单元的尺寸。例如，时间-频率单元31、32具有不同的时间和频率尺寸：在图4A中，单元31可在ΔT＝t2-t1的持续时间内提供具有带宽Δf＝fB-f2的自由频谱段；单元32可在ΔT＝t4-t3的持续时间内提供具有带宽Δf＝f2-f1的另一自由频谱段。当频率-时间单元被识别为时间和频率的可用(自由)变化时，通信信道通过网关10的选择是“动态的”。当频率-时间单元也被识别为尺寸的可用(自由)变化时，白色空间的检测和通信信道通过网关的选择也是“自适应的”。通过识别没有可检测的信号活动的“较小”频率-时间单元，家庭网络可利用在通信频谱内的实例，其中某个频谱可在频域和时域中被共享。它在仅仅一个频谱段对相应的服务不够时也实现识别由新设备使用的多于一个的频谱段。
图3B示出每个用户的白色空间分配的例子。例如，为了获得用于将电视信道广播到用户A的6MHz，频谱分析仪2扫描该频谱并识别以A1表示的在T2中的2MHz的白色空间段和以A2表示的在T3中的4MHz的白色空间段(注意，为了更好地说明该例子，所识别的频谱的宽度在图4中被放大)。作为另一例子，如果1MHz在由B1示出的波段T3中是可用的，3MHz在被示为B2的T4中是可用的，以及2MHz在被示为B3示出的T5中是可用的，则用户B将在包括所有三个频谱段B1、B2和B3的白色空间信道上从网关接收电视广播。未示出的又一例子是当由某个接收机的网关识别的频谱段具有6MHz时，在这种情况下白色空间信道仅由一个频谱段组成。
本发明的无线频谱分配方法和系统的动态和自适应属性使它们相当不同于常规无线频谱分配方案。首先，常规无线通信RF信道通常被预先设计，因为传输信道在频率上(FDMA系统)、在时间上(TDMA系统)、在频率和时间上(OFDMA)或在代码上(CDMA系统)被分配。但是，众所周知，无线设备使用一个频谱段，并在通信结束时释放它，使得当分配被预先设计时频谱利用不是理想的，因为一些频谱段在一些时间段期间可能是空闲的，而一些设备不能访问这个空闲的频谱。此外，在常规系统中，为了使多个用户能够共享一个频谱段，带宽和波形需要被预先设计，以便保持信道很好地分离以减少干扰。例如，可以在200kHz信道内同时适应多于8个呼叫的GSM系统使用类高斯的波形。WCDMA系统具有5MHz信道带宽和3.84Mcp的码片速率，并使用具有0.22的滚降系数的无线资源控制器(RRC)，WiFi OFDM系统具有20MHz的带宽并使用矩形脉冲等。
总之，根据本发明的实施方式在网关10和设备9之间建立的信道在时间、频率和尺寸上动态地改变。为了从常规设备建立这些信道，本说明书使用术语“电视信道”作为DTV信道，并使用术语“白色空间信道”作为逻辑信道，其由网关10所识别的一个或多个频谱段形成并被分配给某个设备用于相应的次要服务：它可包括单个连续的白色空间频谱段或联结在一起的多个单独的段。
结合图4A和4B描述了用于实现网关10所服务的设备的正确操作的信令信道。该网关从它被打开的时刻开始传输这个信道；这使设备9能够寻找网关、连接到其、请求并接收服务、以及监控该信道用于进一步的指示。图4A示出根据本发明的实施方式的共享信令信道的选择，而图4B示出可用于共享信令信道的TDD帧的例子。
网关10在白色空间中选择共享信令信道(或信令信道或交会信道)5。如在图4A中看到的，信令信道5在与相应的未占用的DTV信道的左边缘的固定关系中被选择，如图4A中的Δ所示的，并可占用例如300kHz。一旦网关与DTV信道同步，就对传输到它所服务的设备的所有数据维持同步。例如，可从ATSC导频41在500kHz处设置信令信道5(ATSC导频被设计成在309.44kHz处从电视信道的起始处传输)。此处应注意，这仅仅是一个例子，且同样可使用其它布置。因此，信令信道的载波频率可与ATSC规范所定义的频率标记处于预先选择的关系，例如预留的但没有在所关注的频谱部分中使用的ATSC信道的开始部分。还应注意，仅为了说明网关如何与ATSC广播同步的目的而示出图4A中的ATSC信号40；实际上没有ATSC信号存在于控制信道被建立的频谱中。总之，窄(例如300kHz)的低功率信道在网关天线4和设备的天线4’之间的空中建立。信令信道5在白色空间频谱的指定部分中被选择，使得设备不需要扫描频谱的大部分；这将减小设备扫描仪的复杂性。
信令信道5可以是TDD信道，该TDD信道被其上的设备共享。因为该信道所占用的频谱小，共享信令信道可使用在电视信道2、3或4中的频谱的一小部分或不在使用中的任何6Mhz电视信道来传输。可选地，信令信道43可在ATSC信道之间的防护频带内传输，同时维持与ATSC导频41的固定关系。
可根据网关10所服务的设备的数量来设定信令信道的宽度。例如，300kHz宽的信道可由8个设备共享。当以另外的方式被有效的电视信道占用的白色空间大得多(6MHz)时，白色空间的其余部分可由用于其它服务的网关使用。
图4B示出这样的双向共享信令信道的帧43的实施方式的例子。在这个例子中，当信道是300kHz宽时，因而产生的速度对于BPSK或QPSK调制大致是300/600bits/ms。帧43对于10ms的帧时长具有10x1ms个时隙。在10个时隙中，8个时隙被分配给设备，且第一个和最后一个时隙被预留给一般的控制数据。在帧的头部中的信息将此识别为信令信道。如在图4B的下部分中看到的，在两个连续的帧中，帧44由网关10广播到所有设备D1-D8；每个设备接收并处理来自时隙的数据，该数据被呈送到该设备。以45表示的下一帧携带由设备以连续的顺序传输到网关的数据。应注意，这仅仅是信令信道的一个例子，且可同样使用该信道的很多其它实施方式。
当网关10从设备9接收连接请求时，它选择在上面广播到设备9的白色空间信道。白色空间信道根据检测器2所检测的可用频谱被分配，并考虑所请求的服务所必需的带宽。一旦白色空间信道被选择，网关就在信令信道上通知设备9这个信道的参数(频率、时间、尺寸)并开始将数据广播到设备。
现在返回到图2，回程接口20包括从各种源接收用户数据的多个接口21-26。接口包括将各种格式的源信号解码并处理成携带用户数据的基带信号的相应的解调器和误差校正器。例如，接口20可包括正交相移键控/前向误差校正(QPSK/FEC)解码器21、正交频分复用/FEC(OFDM/FEC)解码器22、正交振幅调制/FEC(QAM/FEC)解码器23、数字用户线(xDSL)单元24、光纤到户(FTTH)单元25和数字通用光盘(DVD)单元26。接口21-26对本领域技术人员是已知的，因此不在这里被进一步描述。然而应注意，接口21-26优选地不执行任何MPEG解码以将数据率保持在30Mbps之下并减小成本。
特定的信号源21-26选择性地耦合到基带(BB)处理器6。对于南美型网关的例子，BB处理器6将信号转换成ATSC标准信号，以确保由网关在用户端处使用ATSC设备广播的信号的兼容性。该信号接着被提供到分配器7，其在频谱检测器2所检测的相应白色空间信道上对从处理器6接收的BB信号进行上变频并将该信号传输到设备9。
分配器7被示为具有示出基带滤波器27、混频器28、滤波器29和放大器30的四个分支，每个分支针对在图3的实施方式中的某个载波频率f1-f4。分配器7的部件仅仅是一种可能的结构。分配器7可由适当设计的等效物代替，如将对本领域技术人员明显的。用于将信号分配到设备9的分支的数量也是设计参数；最多四个分支是优选的，但本发明不限于这个数量。
在任何时刻，可能分配器的少于四个的分支用于到设备9的传输。对于图3B的用户B的例子，因为分配给设备9的白色空间信道包括白色空间段B1、B2和B3，分配器7只使用这四个分支中的三个。在这种情况下，假定f1是在B1中的载波频率，f2是在B2中的载波频率。而f3是在B3中的载波频率。基带信号——我们将其称为S——由处理器6根据可用带宽B1、B2和B3分离成三个分量信号s1、s2和s3，且每个分量沿着分支之一传输。分量首先被滤波器27过滤，接着在调制器28中与相应的载波f1、f2和f3混频并进一步由滤波器29成形，以获得相应的RF分量S1、S2和S3。接着，如在30处所示的被放大的S1、S2和S3在优选地被OFDMA调制之后在RF组合器39中组合，用于传输。
对于白色空间由两个频谱段A1和A2提供的图3B所示的例子中，如果A1和A2具有相同的带宽，发射机分集方案可通过经由两个分支传输同一信号来实现，在这种情况下两个天线由天线单元13提供；接收机因此可通过处理两个接收到的信号的振幅、相位和符号模式来获得较高的增益。作为另一例子，当网关识别出在一段中的6MHz的白色空间时，只有分配器7的一个分支用于广播ATSC信道。
如上所述，本发明的实施方式还提供图5A所示的公共频谱预留消息。该消息通知邻网关每个网关10所作出的频谱预留。以这种方式，已经在相应的区域中预留的白色空间频谱对在相应区域中操作的所有网关是一直已知的。每个家用网关使用公共OFDM符号以预先确定的时间间隔传输预留消息。公共频谱预留OFDM符号携带频谱使用信息，并进一步通过检测主导系统和设备来改善可用频谱。
作为例子，公共频谱预留OFDM符号使用子载波间隔Δf，并对于傅立叶变换(DFT)具有尺寸N。在优选实施方式中，Δf＝200kHz，且N＝1370。循环前缀(CP)的长度被选择成补偿在邻网关中间的延迟扩展(以允许多路径在主数据到达之前稳定)。图5B示出如何为Δf＝200kHz、N＝1370的上面的例子设计公共频谱预留OFDM符号，且在考虑中的频谱是在76MHz和698MHz之间的VHF/UHF波段。如所看到的，“零”以波段T2-T3、T3-T4、T4-T5之间的间隔传输；而所传输的零什么也不调整，它升高噪声水平，使得它仍然可被检测到(即，一些解码仍然是可能的)。
图5C示出所关注的频谱如何被分成仓的例子，用于使网关能够识别并使用仓索引来指示任何频谱段。可以使用索引的前2位(对于四个波段)来识别波段T2、T3、T4或T5之一中的仓。例如，T2中的仓可由仓索引00值识别，在T3中的仓由01值识别，在T4中的仓由10值识别，以及在T5中的仓由11值识别。因为波段T2-T5的宽度不同，波段T2到T5的每个将需要使用不同数量的仓。因此，根据Δf＝200kHz(待分配给次要服务的频谱段的粒度)，波段T2需要6位来识别52个仓，波段T3需要8位来识别309个仓，波段T4需要10位来识别689个仓，以及波段T5也需要10位来识别959个仓。为了获得广播电视信道所需要的6MHz，使用Δf＝200kHz的上面的示例性粒度，网关必须识别30个仓，这对于最坏的情况导致2位(用于识别T2-T5)+30×10位(用于识别T2-T5中的最大者中的仓)＝302位的索引。
仓索引方法可用于识别在除了VHF/UHF之外的其它传输波段中的白色空间段。同样，也可设想识别白色空间的其它方法。
在图2中一般被示为具有天线4’的计算机的设备9配备有扫描仪，其在打开时检测共享信令信道并注意它。如上所述，共享信令信道的使用使设备能够从控制信道处理器3接收控制信息，并将服务请求和状态信息发送到控制信道处理器3。设备9还通过在网关天线13和设备的天线4’之间建立的空中接口从网关接收高速率数据信道。当数据以电视频谱和MPEG格式传输时不需要设备调谐器的改变。
图6A是根据本发明的实施方式的示出网关10所执行的步骤的方法的流程图。图6B是根据本发明的实施方式的示出设备9所执行的步骤的方法的流程图，该方法用于在网关10所识别的白色空间中建立与网关的通信。参考图2所示的网关10的方框图描述了图6A和6B。
如图6A所示，在开启时，网关10的频谱检测器2开始扫描无线通信频谱的选定部分(波段)，该无线通信频谱是例如在波段T2-T5中的电视频谱(见图1B)。该操作由步骤61、62和63示出，并涉及检测存在于VHF/UHF频谱中的信号、分析所检测的信号并检测当前没有被占用的频谱段。当频谱占用率随着无线设备连接到网关/从网关断开而任意变化时，扫描、分析和检测操作以有规律的时间间隔重复，使得网关一直知道在相应位置处的频谱占用率。在步骤61，如果具有局部分配的信道的查找表在网关处是可用的，如决策块61的分支″YES″所示的，则网关排除来自扫描的由这些信道占用的频谱，如在步骤62所示的。如果不，如决策块61的分支″NO″所示的，网关10在步骤63扫描整个电视频谱。
接着，网关在网关和设备之间的信令信息来选择控制设备所需的共享信令信道5。这在步骤64中示出。如前所述，信令信道使设备9能够寻找网关，用于连接到它，请求服务并接收指令。
如果网关10从设备9接收连接请求，如步骤65中所示的，它将在步骤66识别并选择在上面广播到设备9的白色空间信道。根据在步骤61-63中检测的可用频谱来分配白色空间信道，且这个操作考虑所请求的服务所必需的带宽(在ATSC信道的示例性情况下，必需的带宽是6MHz，并可以用作单个段或由多个白色空间段组成)。一旦白色空间信道被选择，网关就在步骤67在信令信道上通知设备9这个信道的参数。以这种方式，给设备通知频谱、起始时间、当前带宽分配、持续时间等。该信息优选地以位图的形式，并使网关和设备能够从指定的时间和频谱栅格起而不是任意地传输。
接着，在步骤68，网关使用所识别的频谱-时间栅格开始将数据广播到设备，如所示。如上所述，因为栅格与ATSC广播信道同步，干扰被减少以符合FCC要求。这进一步由网关所传输的信号的功率非常小的事实帮助。
同时，网关10在步骤66预留相应的白色空间信道，并在步骤69给邻网关提供关于它所预留的白色空间的信息。如上所述，这使用公告频谱预留OFDM符号来实现。该预留在整个连接期期间保持有效。应注意，步骤69以有规律的时间间隔重复，以当在网关10所服务的位置处的设备在活动、空闲和不活动之间改变其状态时，以当前白色空间预留信息更新邻网关。
图6B是根据本发明的实施方式的示出设备9所执行的步骤的方法的流程图。在步骤70，被上电的设备为任何网关广播扫描频谱并检测信令信道5。一旦信道5被检测到，设备9就在步骤71在该信道上将对连接的请求和服务发送到网关。一旦连接被建立，设备就在步骤72请求某个服务。如果例如用户希望连接到电视信道7，它将指定电视信道7的连接信号发送到网关。网关具有当前频谱占用率信息，如频谱检测器2所提供的。使用该数据，网关将可用于将信道7广播到设备的白色空间信道分配给设备9，并将如何和在哪里接收所请求的多媒体媒体内容的指令传输到设备。在步骤73，设备从网关10接收这些指令，且在步骤74，它接收信号并处理其以提取多媒体内容。

Claims (46)

1.一种用于将数据信号重新分配到位于指定的区域内的无线启用设备(9)的系统，包括：
频谱检测器(2)，其用于识别白色空间信道，所述白色空间信道包括当前没有在所述指定的区域中使用的一个或多个频谱段；
数据分配单元(1)，其适合于接收、处理在所述白色空间信道上从各种源接收的信息信号并将所述信息信号分配到它所服务的设备；以及
控制信道处理器(3)，其配置成提供共享信令信道(5)以启用所述无线启用设备(9)和所述数据分配单元(1)之间的信令。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制信道处理器(3)配置成在被识别为在指定的位置处可用的白色空间内为所述共享信令信道(5)选择载波。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述控制信道处理器(3)配置成在在指定的位置上的可能可用的频谱的指定部分内的白色空间内为所述共享信令信道(5)选择载波。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述指定部分是为ATSC信道2、3和4之一预留的频谱。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述指定部分在为在所述指定的区域中未使用的ATSC信道之一预留的频谱内。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述共享信令信道(5)的载波频率被选择成与在ATSC信道内的可识别标记有固定关系。
7.如权利要求6所述的系统，其中所指定的标记是所述ATSC信道的起始部分。
8.如权利要求1到7中任一项所述的系统，其中所述控制信号处理器(3)配置成根据所述数据分配单元所服务的设备的数量来确定所述共享信令信道(5)的带宽。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述共享信令信道(5)的带宽是300kHz。
10.如权利要求1到9中任一项所述的系统，其中所述控制信号处理器(3)配置成在所述共享信令信道上每隔一段时间将下行链路消息广播到它当前服务的设备(9)。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述下行链路消息被携带在TDD帧中。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述下行链路消息给相应的设备(9)提供对所述数据分配单元(1)的接入信息。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述下行链路消息给相应的设备(9)提供频率和时间信息，用于使所述设备能够接收所述数据分配单元(1)所分配的信息信号。
14.如权利要求1到13中任一项所述的系统，其中所述设备(9)配置成将上行链路消息发送到所述数据分布单元(1)，数据分布单元(1)共享在所述共享信令信道(5)上传输的上行链路帧。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述上行链路消息被携带在TDD帧中。
16.如权利要求15所述的系统，其中由相应的设备(9)传输的所述上行链路消息包括接入请求数据。
17.如权利要求1到16中任一项所述的系统，其中当建立与设备(9)的连接时，所述数据分配单元(1)配置成在所述连接的持续时间内预留所述白色空间信道(5)。
18.如权利要求1到17中任一项所述的系统，其中所述数据分配单元(1)配置成每隔一段时间将频谱预留符号与关于被预留给与它所服务的设备(9)的通信的白色空间频谱的信息一起广播到邻分配单元(1)。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述频谱预留符号是在所述指定的区域的邻域内操作的所有数据分配单元(1)所共有的频谱预留OFDM符号。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述频谱预留符号使用Δf＝200kHz的子载波间隔和N＝1370的离散傅立叶变换大小。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述数据分配单元(1)配置成传输它所预留的频谱的位图。
22.如权利要求1到21中任一项所述的系统，其中所述数据分配单元(1)配置成使用指定的时间和频率栅格开始所述信息信号到设备(9)的分配。
23.如权利要求18所述的系统，其中由所述数据分配单元预留的所述白色空间频谱使用仓索引方案通过所述频谱预留符号被告知。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述仓索引方案识别在为DTV广播预留的频谱内的白色空间部分。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述仓索引方案使用识别特定波段的索引来识别所述白色空间，以及识别在所述特定波段内的频谱的其余部分。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述仓索引相应于四个频谱段T2-T5之一。
27.如权利要求25所述的系统，其中所述仓索引方案使用30个仓处理为ATSC信道预留的带宽。
28.如权利要求1到27中任一项所述的系统，还包括为所述指定的区域存储在使用中的信道的查找表，且其中所述频谱检测器(2)配置成扫描不包括被存储在所述查找表中的在使用中的信道的频谱。
29.如权利要求1到28中任一项所述的系统，其中分配网关(1)配置成在所述信令信道上建立与所服务的设备(9)的主-从关系，并根据预定的规矩控制所服务的设备(9)的操作。
30.如权利要求1到16中任一项所述的系统，其中所述分配单元(1)配置成根据变化的条件在传输期间动态和自适应地改变所述白色空间信道。
31.一种用于将来自网关的数据信号重新分配给位于指定的区域内的无线启用设备的方法，包括：
a)在启动时在当前没有在所述指定的区域中使用的一个频谱段内建立共享信令信道(5)；
b)当从设备(9)接收到在所述共享信令信道上(5)传输的服务请求时，使用当前没有在所述指定的区域中使用的一个或多个频谱段建立白色空间信道；
c)在所述白色空间信道上将信息信号分配到所述设备(9)；以及
d)通过在所述共享信令信道(5)上交换控制消息来控制所述信息信号到所述设备的传输。
32.如权利要求31所述的方法，其中步骤a)包括：
扫描所述频谱的选定部分以识别所述频谱段；以及
选择与ATSC规范所定义的频率标记处于预先选择的关系的所述共享信令信道(5)的载波频率。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述频率标记是ATSC信道的起始部分。
34.如权利要求31所述的方法，其中步骤d)包括在所述信令信道上将下行链路消息与所述白色空间信道的参数一起发送到所述设备，用于使所述设备能够从指定时间起并在指定频率处接收所述信息信号。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述白色空间信道的所述参数包括载波频率、起始时间和带宽。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述白色空间信道的所述参数以位图的形式被发送到所述设备。
37.如权利要求34所述的方法，其中所述下行链路控制消息与所述白色空间信道的所述参数一起以频率-时间栅格的形式被提供，所述频率-时间栅格指定所述设备为了数据传输而使用的时间间隔和在所述时间间隔期间使用的频带。
38.如权利要求31所述的方法，其中所述共享信令信道的带宽是500kHz。
39.如权利要求31所述的方法，其中所述共享信令信道是TDD信道。
40.一种用于将数据信号重新分配给位于网关所服务的指定的区域内的无线启用设备的方法，包括：
a)当从一个或多个设备接收到服务请求时，识别在当前没有在所述指定的区域中使用的频谱内的白色空间信道的相应数量；
b)预留被分配到在所述指定的区域中识别的所述白色空间信道的白色空间；
c)广播用于将所述指定的区域中的当前信道分配告知给所有邻网关的白色空间分配消息；以及
d)在所述白色空间信道上将所述信息信号分配给相应的设备。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述白色空间分配数据以公共频谱预留OFDM符号的形式被广播。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述公共频谱预留OFDM符号使用Δf＝200kHz的子载波间隔和N＝1370的离散傅立叶变换大小。
43.如权利要求40所述的方法，其中所述白色空间分配消息使用仓索引方案识别所预留的频谱，其中所述索引代表白色空间被识别的特定波段。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述仓索引方案使用识别特定波段的索引来识别所述白色空间。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述仓索引相应于四个频谱段T2-T5中的每个。
46.如权利要求43所述的方法，其中所述仓索引方案使用30个仓来处理为ATSC信道预留的带宽。
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