CN103179574B

CN103179574B - 基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法

Info

Publication number: CN103179574B
Application number: CN201110430977.3A
Authority: CN
Inventors: 郜伟伟; 易辉跃; 胡宏林
Original assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Current assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN103179574A

Abstract

本发明提供一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，包括：步骤一，对可用信道进行分类，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，省去感知可用信道的阶段，直接接入网络；步骤二，对于位于TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，捕捉空闲频谱给WSD。本发明优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，避免了对所有的可用信道一一进行感知，减少了感知开销；同时对于距离TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，以便快速捕捉频谱信息，减少了可用信道的搜索时间；通过预测WSD的发射功率，避免了根据每个可用信道分别计算WSD的最大发射功率，减少了计算时间，降低了信息反馈开销，提高次级设备的接入速率。

Description

基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及一种认知无线电系统中快速频谱获取方法，具体涉及一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法。

背景技术

近年来，随着无线通信应用的多样化和无线业务的不断增长，频谱资源显得越来越紧缺。另一方面，shared spectrum公司大量的频谱测量工作表明，美国3GHz以下频段，平均频谱利用率仅为5.2％，电视广播频段(54-862MHz)的利用率更低，大量授权频段没有得到充分利用。2003年12月美国联邦通信委员会(FCC)也通过了一项法案，规定：具有感知无线电(Cognitive Radio，CR)功能的无线终端，在不对初级用户造成有害干扰的情况下，可以工作在许可证授权频带。目前，很多国家相继开放原有的电视频段供认知无线电系统使用，从WRC07 1.4议题达成的结论可以看出，我国未来很可能会开放UHF频段中的450～470MHz和698～806MHz频段。为了缓解TD-LTE系统的频谱短缺问题，可利用认知无线电技术使TD-LTE系统与UHF频段(698～806MHz)的广播电视系统共存，从而有效地提高频谱利用率。

在认知无线电系统中，由于初级授权频段分布在一个很宽的频段中，如何确定信道感知次序将直接决定能否快速地搜索到可用的“空闲信道”。通过建立一个完善的认知数据库，利用该数据库可辅助次级系统快速应变动态的信道变换环境，从而可提高频谱利用率。在TD-LTE系统中，利用认知无线电技术获取广播电视频段(698～806MHz)的频谱信息，并且机会式占用“空白”授权频段，以实现异构无线网络的有机共存，最大化系统容量和频谱资源利用效率。为了有效利用“空白”的授权频段，首要任务是有效地感知与检测初级用户信号，即UHF/VHF电视频段的电视信号，需要研究UHF频段各种初级用户信号(包括各种电视信号，麦克风，等)的特征，以便设计相应的检测方法。其中电视信号包括模拟电视信号(PAL，NTSC)，和数字电视信号(如DVB-T、DMB-TH等)。

现有的频谱感知算法主要是针对IEEE802.22标准以及IEEE 802.22系统中频谱感知技术、共存技术、正交频分多址(OFDMA)、信道管理和多信道绑定等关键技术，以实现广播电视网络与IEEE802.22的融合。并非适用于TD-LTE系统。

现有的频谱信息获取技术主要有频谱感知和查询位置数据库。次级设备有两种方法决定信道是否被占用：1)是感知，在大于或等于一定信号强度值时，易于发现本地信号的信道；2)是查寻位置数据库，找到一定区域内信道归属的主用户。

频谱感知需要感知不同类型的信号，而且，为了保护本地业务，同时避免隐藏终端的问题，FCC要求信道必须被感知在一个较低的信号强度，如对无线麦克风，-126dBm，小于噪声强度(-121dBm)。这样一来，当存在强邻信道干扰时，本地业务的感知就很困难，从而使虚警概率升高。但感知也使设备具有认知性，对检测未注册到数据库的信号是非常有用的。而且，频谱感知不需要通过因特网接入数据库业务，这对于因特网不能接入的区域非常适用。相比之下，基于位置的数据库查询需要因特网连接数据库业务，而且不能保护没有注册数据库的本地业务。基于位置的数据库是基于预测模型来决定一定区域内覆盖，即边缘，不是很准确，而且设备需要提供其位置。对数据库来说，得到准确的位置信息是非常困难的，如室内数据库利用全球定位系统(GPS)技术定位，但当GPS信号很弱时，定位就非常困难。信道占用是基于数据库的独立于信道特性，大大降低了虚警概率。随着时间的推移，需要正确的信息来更新数据库，否则数据库中的错误会导致干扰。

现有的频谱信息获取算法仅考虑频谱感知算法、或仅考虑基于位置的数据库的算法，或联合位置数据库和感知的方法。利用位置数据库，不需要对所有的信道进行感知，只需对位置数据库中的可用信道进行感知，这样做，可以优化信道占用，最小化虚警概率。以往的做法是对数据库中的可用信道进行一一感知，以免干扰未注册的低功率电视辅助业务，如无线麦克风，直到找到可用信道。但是，这样做只是一定程度上减少需要感知的信道数，感知开销还是很大，而且位置数据库需要根据每个可用信道来计算WSD的有效辐射功率，明显增加了计算量和信息反馈开销，从而影响了次级设备的接入速率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，用以减少了可用信道的搜索时间，能够快速捕捉频谱信息。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法。

一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，包括：

步骤一，对可用信道进行分类，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，省去感知可用信道的阶段，直接接入网络；

步骤二，对于位于TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，捕捉空闲频谱给WSD。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤一的具体实现过程为：由eNB根据WSD的地理位置和接收信号强度预测WSD的最大发射功率值P_max；eNB发送空白频谱分配请求给中心控制点；所述空白频谱分配请求包括WSD的地理位置信息和预测的发射功率值P_max；认知数据库根据所述空白频谱分配请求包含的信息计算可用信道列表；中心控制点查询认知数据库，查看WSD是否位于TV站的保护范围外，若是则直接分配所述TV站的信道给eNB。

作为本发明的另一种优选方案，所述WSD将自身的地理位置通过GPS传给eNB。

作为本发明的再一种优选方案，所述步骤二的具体实现过程为：若WSD位于TV站的保护范围内，WSD利用能量检测算法依次检测所述可用信道列表中的可用信道是否空闲，若是，则接入，否则感知下一个可用信道，直到WSD找到空闲信道；如果有空闲信道，中心控制点发送空白频谱分配答复；如果没有空闲信道，中心控制点将通知eNB没有可用空白频谱。

作为本发明的再一种优选方案，所述空白频谱分配答复包含分配给eNB的空白频谱信息。

作为本发明的再一种优选方案，如果有空闲信道，eNB发送WSD配置更新信息给中心控制点，中心控制点答复eNB配置更新确认信息。

作为本发明的再一种优选方案，所述信道分类感知方法还包括步骤三，中心控制点发送数据库更新请求信息给认知数据库，认知数据库答复数据库更新确认信息；所述数据库更新请求信息包含更新的配置参数。

如上所述，本发明所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，具有以下有益效果：

本发明所述方法根据WSD的地理位置和定位精度，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，避免了对所有的可用信道一一进行感知，从而减少感知开销；同时对于距离TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，以便快速捕捉频谱信息，减少了可用信道的搜索时间；此外，通过预测WSD的发射功率，避免了根据每个可用信道分别计算WSD的最大发射功率，减少了计算时间，降低了信息反馈开销，提高次级设备的接入速率。

附图说明

图1为实施例一所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法的应用场景示意图。

图2为本发明所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法的流程。

图3为实施例二所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法的应用场景示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明适用于认知无线电(Cognitive Radio，CR)TD-LTE系统中，为了实现TD-LTE系统与广播电视系统共享UHF频段，提出一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，该方法是一种有效且可靠的频谱信息获取方法，可以快速地获得可用的“空白频谱”。该感知方法包括认知数据库的建立和频谱检测。本发明针对TD-LTE系统在UHF频段空白频谱上的应用以及与UHF频段上原有数字电视以及模拟电视系统共存问题的研究，旨在提高UHF频段频谱利用率的同时不影响原有电视系统的正常运行。本发明提出的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法是根据空白频谱设备(WSD)和TV站的地理位置与定位精度，对认知数据库中的可用信道进行分类；优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，无需感知；同时对于距离TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，以便快速捕捉频谱信息，实现快速的网络接入，提高空白频谱的利用效率。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，应用场景如图1所示，该方法的具体实现内容为：

设认知无线电网络能够伺机使用的信道数目记为N，基于WSD的地理位置和接收信号强度(RSSI)预测该WSD所需的最大发射功率为P_max。

RSSI(d)＝P_max-PL(d)+f(μ，σ) (1)

其中，RSSI(d)为距离为d的接收信号强度，PL(d)为距离为d的路径损耗，f(μ，σ)是均值为μ，标准方差为σ的高斯随机变量。

设TV发射机的发射功率为P_tv，为了避免对TV接收机的干扰，需满足下面条件：

P_t/P_d≥β_th (2)

其中，P_t为TV接收机的接收信号功率，P_d为WSD接收信号功率，β_th为保护比。

设WSD的定位精度为Δ_d，TV发射机的定位精度为Δ_t，WSD与TV发射机的距离为d，TV发射机的业务覆盖半径为D，保护距离为D₀。若|d-Δ_d-Δ_t|＞D+D₀，则分配该TV发射机(也可称为TV站)中的频段给WSD。其中d为：

其中，θ为R与r的夹角。若|d-Δ_d-Δ_t|≤D+D₀，则对可用信道一一进行感知。

首先对可用信道进行分类，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，省去感知可用信道的阶段，直接接入网络；同时对于位于TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，以便快速捕捉频谱信息，从而提高频谱利用率。

其次根据WSD的地理位置和接收信号强度，预测WSD最大允许的发射功率值，并把这些参数发送给认知数据库，认知数据库可以根据这些参数计算可用信道。相比于分别计算每个可用信道中WSD的有效辐射功率，预测WSD的发射功率的做法能减少计算时间，降低信息反馈开销，提高次级设备的接入速率。

所述基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法(也可称为频谱信息获取方式)的具体实现步骤如图2所示，包括：

1)由eNB根据空白频谱设备(WSD)的地理位置和接收信号强度(RSSI)预测WSD的最大发射功率值P_max；

2)eNB发送空白频谱分配请求给中心控制点；所述空白频谱分配请求包括WSD的地理位置信息和预测的发射功率值P_max，认知数据库根据空白频谱分配请求包含的信息计算可用信道列表；

3)中心控制点查询认知数据库，查看WSD是否位于TV站的保护范围外，若是，直接分配该TV站的信道给eNB；若否，则查看是否有空闲信道；

4)如果有空闲信道，中心控制点发送空白频谱分配答复，所述空白频谱分配答复包含分配给eNB的空白频谱信息；如果没有空闲信道，中心控制点将通知eNB没有可用空白频谱；

5)eNB周期性广播信标信号，所述信标信号包括可用信道的中心频率和子载波数；WSD利用能量检测算法，依次检测可用信道是否空闲，若是，则接入；否则，感知下一个可用信道K＝K+1；

6)重复步骤5)，直到WSD找到空闲信道，eNB发送WSD配置更新信息给中心控制点，中心控制点答复eNB配置更新确认信息，以确保成功更新确认数据；

7)中心控制点发送数据库更新请求信息给认知数据库，认知数据库答复数据库更新确认信息，以保证成功更新配置数据；所述数据库更新请求信息包含更新的配置参数。

本发明基于认知数据库，对WSD所处位置上的可用信道进行分类，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，使WSD快速获取频谱信息，减少可用信道的搜索时间和感知次数；而且预测次级设备的发射功率，从而避免根据每个可用信道分别计算次级设备的发射功率。

本发明通过给认知数据库中的可用信道分类，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，加快“空白”频谱信息的获取，适用于认知无线电网络中，如运行在广播电视频带上的TD-LTE网络。本发明基于认知数据库，提出了一种信道分类感知方法，该方法根据WSD的地理位置和定位精度，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，这样就不需要对所有的可用信道一一进行感知，从而减少感知开销；同时对于距离TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，以便快速捕捉频谱信息，减少可用信道的搜索时间。同时，通过预测WSD的发射功率，避免了根据每个可用信道分别计算WSD的最大发射功率，从而减少计算时间，降低信息反馈开销，提高次级设备的接入速率。

本发明根据TD-LTE标准中的关键技术，以及我国目前UHF频段中的698～806MHz频段上多种数字电视和模拟电视标准并存的现状，以及700MHz频段上各种模拟(PAL)及数字电视标准(DVB-T、CTTB)的电视信号的特点，提出适用于TD-LTE系统的频谱感知实测方案，通过建立认知数据库，把频谱检测所需要的历史信息融入到感知和决策的过程中，提高了频谱检测的准确度，实现了广播电视网络与TD-LTE系统的共存与融合。

本发明针对次级节点伺机占用TV电视信道的场景，在不对初级用户产生有害干扰的前提下，提出了认知数据库中基于地理位置与定位精度的信道分类感知机制，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，无需感知；同时对于距离TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，以便快速捕捉频谱信息，同时减少感知开销。

实施例三

本实施例将TD-LTE系统作为认知系统，TV系统作为主用户系统，以图3所示的工作场景为例，对基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法的实现过程做进一步详细说明：

设TV的覆盖区域如图3所示，该区域内能够伺机共享的信道总数为N＝20，TV业务覆盖半径D为168km，保护距离D₀为15km，WSD的定位精度Δ_d为100m，TV的定位精度Δ_t为50m，TV站的发射功率为5kw，干扰保护比β_th为23dB。设TV信号为BPSK调整方式，检测阈值为λ＝-126dBm；WSD处在TD-LTE小区内。具体感知过程如下：

首先，WSD将其地理位置通过GPS传给eNB，eNB根据接收到的信号强度(RSSI)，预测WSD的最大发射功率P_max，并将WSD的地理位置、定位精度和预测功率一起发送给认知数据库。

其次，认知数据库根据这些参数(WSD的地理位置、定位精度和预测功率)执行计算，寻找可用信道，避免了根据每个可用信道分别计算WSD的最大发射功率。

若WSD所处位置距离TV站的保护范围外，则将该TV站中的频段作为优选信道，并分配给WSD，供其直接接入，无需感知；

若WSD所处位置距离TV站的保护范围内，则将该TV站中的可用信道分配给eNB，由WSD采用能量检测算法对可用信道列表一一感知，以避免对未注册的低功率电视辅助业务(如无线麦克风)的干扰。

由于现实中很难获取主用户信号的相关信息，以及能量检测器的运算量和复杂度较低，故这里采用能量检测算法。基于能量检测的频谱感知可以表示为二元假设问题为：

H₀：x(t)＝u(t)

(4)

H₁：x(t)＝h*s(t)+u(t)

其中，x(t)为WSD接收到的信号，s(t)为主用户发送的信号，u(t)为加性的高斯白噪声(AWGN)，h为WSD和主用户之间的感知信道增益。H₀表示主用户不存在，H₁表示主用户存在。能量检测判决统计量E服从如下分布：

其中，χ² _2u为自由度为2u的中心卡方分布，χ² _2u(2γ)为自由度为2u的非中心卡方分布，γ为信道的SNR，u为时间带宽乘积。则检测概率P_d和虚警概率P_f分别为：

P_f＝prob(E＞λ|H₀)＝Γ(u，λ/2)/Γ(u) (7)

其中，Q_u(a，x)为普遍马库姆函数，Γ(a，x)和Γ(a)分别表示不完整伽玛函数和完整伽玛函数。

这里，认知数据库用于决定WSD设备是在TV站的保护区域内还是外。λ是感知使用的阈值，对于DVB信号λ＝-126dBm，S(λ)为感知阈值λ的决策，G为认知数据库的决策。

设G＝1为WSD位于TV站的保护区域外；G＝0为WSD位于TV站的保护区域内，信道是空闲的；S(λ)＝0为信号值小于λ，信道是空闲的；S(λ)＝1为信号大于λ，信道是忙的，即：

则频谱信息获取的方法为：

1)若G＝1，则将TV站的信道作为优选信道，直接分配给WSD；

2)若G＝0&S(λ)＝0，则信道是空闲的，WSD接入，传输开始，同时周期性检测主用户；

3)若G＝0&S(λ)＝1，则信道是忙的，继续感知下一个信道。

本发明所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法的优点是充分利用认知数据库，根据WSD与TV站的地理位置和定位精度，对可用信道进行分类，优先分配信道给位于TV站保护范围外的WSD，避免了感知环节，减少了感知开销和信息反馈开销。其次，对于距离TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法，对可用信道一一感知，降低碰撞次数，更好地保护主用户，特别是低功率电视辅助业务(如PMSE)。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于，所述基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法包括：

步骤二，对于位于TV站保护范围内的WSD，采用能量检测算法对可用信道进行感知，捕捉空闲频谱给WSD；

其中，设WSD的定位精度为△_d，TV站的定位精度为△_t，WSD与TV站的距离为d；TV站的业务覆盖半径为D，保护距离为D₀；若|d-△_d-△_t|>D+D₀，则分配该TV站中的频段给WSD；若|d-△_d-△_t|≤D+D₀，则对可用信道一一进行感知。

2.根据权利要求1所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于：所述步骤一的具体实现过程为：

由eNB根据WSD的地理位置和接收信号强度预测WSD的最大发射功率值P_max；

eNB发送空白频谱分配请求给中心控制点；所述空白频谱分配请求包括WSD的地理位置信息和预测的发射功率值P_max；

认知数据库根据所述空白频谱分配请求包含的信息计算可用信道列表；

中心控制点查询认知数据库，查看WSD是否位于TV站的保护范围外，若是则直接分配所述TV站的信道给eNB。

3.根据权利要求2所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于：所述WSD将自身的地理位置通过GPS传给eNB。

4.根据权利要求2所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于：所述步骤二的具体实现过程为：

若WSD位于TV站的保护范围内，WSD利用能量检测算法依次检测所述可用信道列表中的可用信道是否空闲，若是，则接入，否则感知下一个可用信道，直到WSD找到空闲信道；

如果有空闲信道，中心控制点发送空白频谱分配答复；

如果没有空闲信道，中心控制点将通知eNB没有可用空白频谱。

5.根据权利要求4所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于：所述空白频谱分配答复包含分配给eNB的空白频谱信息。

6.根据权利要求4所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于：如果有空闲信道，eNB发送WSD配置更新信息给中心控制点，中心控制点答复eNB配置更新确认信息。

7.根据权利要求4所述的基于地理位置与定位精度的信道分类感知方法，其特征在于：所述信道分类感知方法还包括步骤三，中心控制点发送数据库更新请求信息给认知数据库，认知数据库答复数据库更新确认信息；所述数据库更新请求信息包含更新的配置参数。