CN103222293A - 动态频谱管理、分配和共享的技术 - Google Patents

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Abstract

经由认知无线电系统和动态频谱共享来管理可用频谱的检测、动态分配和共享的技术。在一些情况下，RF载波（例如，副载波或副小区）未永久地指派给基站、用户终端或网络。基站可以使用预订请求来请求分配副载波。被指派的副载波可以被释放并且可用于指派给另一个基站或无线电接入网络。

Description

动态频谱管理、分配和共享的技术
相关技术
本申请涉及于2010年10月1日提交的美国专利申请序列号61/389,080（代理机构案号P36288Z）并且从中要求优先权。
技术领域
本文公开的主旨大体上涉及无线网络中频谱的动态共享和分配的技术。
背景技术
在无线通信的领域中，国际电信联盟（ITU）已经规定了国际移动电信（IMT）先进系统，其对低移动性装置提供大约1Gbps的峰值数据传输速率并且对高移动性装置提供大约100Mbps的峰值数据传输速率。为了实现在该范围内的空中数据速率，IEEE 802.16m和3GPP LTE先进系统使用先进的多天线技术和载波聚合方案，其中属于单频带或不同频带的两个或以上的分量载波可以聚合来创建实际上更宽的带宽。峰值数据速率以及系统容量由于更宽带宽操作而增加。蜂窝系统通常使用罕见且非常昂贵的授权频谱。频谱利用中的主要挑战之一是通过动态调度和频谱分配方法来高效使用与指派的频带关联的无线电资源。它可以被视为与现有的通信系统中通用介质访问控制分配问题相似。从而，从提供的无线通信装置的质量和数量的移动客户满意度方面来看，高效使用频谱对于网络运营方短期和长期盈利和持续经营是关键性的。
附图说明
本发明的实施例通过示例而不是通过限制的方式在图中图示，其中类似的标号指代相似的元件。
图1描绘使用无线网络连接的装置的示例。
图2示出分成永久指派频带和按需指派频带的可用频谱带的示例。
图3描绘支持频谱共享的网络架构的示例。
图4描绘用于对启用多载波的基站或网络动态请求、指派和释放RF载波的示例过程。
图5描绘可以使用本发明的实施例的示例系统。
具体实施方式
在该整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指连同实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而，短语“一个实施例”或“实施例”在该整个说明书中各个地方的出现不一定都指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可结合在一个或多个实施例中。
本发明的实施例可在多种应用中使用。本发明的一些实施例可结合各种装置和系统使用，例如，发送器、接收器、收发器、发送器-接收器、无线通信站、无线通信装置、无线接入点（AP）、调制解调器、无线调制解调器、个人计算机（PC）、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本式计算机、平板电脑、服务器计算机、手持计算机、手持装置、个人数字助理（PDA）装置、手持PDA装置、网络、无线网络、局域网（LAN）、无线LAN、城域网（MAN）、无线MAN（WMAN）、广域网（WAN）、无线WAN（WWAN）、根据现有的IEEE 802.11、802.11a、802.11b、802.11e、802.11g、802.11h、802.11i、802.11n、802.16、802.16d、802.16e、802.16m、3GPP标准、3GPP LTE高级36211版本10的物理层描述和/或上面的标准的未来版本和/或衍生和/或长期演进（LTE）而操作的装置和/或网络、个人区域网（PAN）、无线PAN（WPAN）、作为上面的WLAN和/或PAN和/或WPAN网络的一部分的单元和/或装置、单向和/或双向无线电通信系统、蜂窝式无线电-电话通信系统、蜂窝电话、无线电话、个人通信系统（PCS）装置、包含无线通信装置的PDA装置、多输入多输出（MIMO）收发器或装置、单输入多输出（SIMO）收发器或装置、多输入单输出（MISO）收发器或装置、多接收器链（MRC）收发器或装置、具有“智能天线”技术或多天线技术的收发器或装置，或类似物。
本发明的一些实施例可结合无线通信信号和/或系统中的一个或多个类型来使用，例如，射频（RF）、红外线（IR）、频分复用（FDM）、正交FDM（OFDM）、正交频分多址（OFDMA）、时分复用（TDM）、时分多址（TDMA）、扩展TDMA（E-TDMA）、通用分组无线电业务（GPRS）、扩展GPRS、码分多址（CDMA）、宽带CDMA（WCDMA），CDMA 2000、多载波调制（MDM）、离散多音调（DMT）、蓝牙（RTM）、ZigBee（TM）或类似物。本发明的实施例可在各种其他设备、装置、系统和/或网络中使用。
图1描绘使用无线网络连接的装置的示例。该网络可以与任何种类的IEEE 802.16或3GPP LTE及其变化形式和修改形式兼容。在3GPP LTE 版本9（2009）规格及其变化形式中描述3GPP LTE。在下游或下行链路情况下，上文的通用命名的发送器102和/202可能互换地称为基站（BS）、节点B（NB）、增强型节点B（eNB）或接入点（AP）。在各种实施例中，对于下行链路，发送器还可以能互换地称为网络实体，例如移动交换中心（MSC）、GPRS服务支持节点（SGSN）或移动性管理实体（MME）。在下行链路情况下，上文的接收器104和/或204可能互换地称为移动台（MS）、订户台（SS）、用户设备（UE）、台（STA）、机器型通信（MTC）装置或机器对机器（M2M）装置（本文位于系统级）。此外，术语BS、NB、eNB、AP、MSC、SGSN和MME可在概念上互换，这取决于使用哪个无线协议，因此在本文对BS的引用还可视为对NB、eNB、AP、MSC、SGSN和MME中任一个的引用。相似地，在本文对MS或SS的引用还可视为对UE、STA、MTC装置或M2M装置中任一个的引用。
现有的多载波方案将一个RF载波指定为主RF载波（或备选地，主小区）并且将零或以上的RF载波指定为副RF载波（或备选地，副小区）。副RF载波可以是全部或部分配置并且指派给用户设备（UE），这取决于UE能力和其他操作考虑。在现有的多载波操作中，RF载波在eNB（或网络运营方）处永久可用来用作或指派为对不同移动台或用户终端的活动载波。相比之下，各种实施例提供RF载波（例如，副载波），其对于基站、eNB、用户终端或网络不是永久可用，或基于来自网络的预订请求而变得可用。可用频谱可以由频谱管理实体指派给基站或eNB。
各种实施例提供经由认知无线电系统的可用频谱的检测和管理。认知无线电系统可捕获最佳可用频谱来满足用户通信要求以及信道或移动性条件。可以对IMT先进系统和其他系统实现频谱的更高效利用以及更高的数据速率和用户吞吐量。
图2示出分成永久指派频带和按需指派频带的可用频谱带的示例。永久指派频带可以用于部署相同或不同的无线电接入技术，例如IEEE 802.16或3GPP LTE或这些标准的版本、修改形式和/或演进版本中的任一个。在图2中，指派给不同网络的频带称为系统A、系统B和系统C。例如，系统A和C可以与IEEE 802.16兼容而系统B可以与3GPP LTE兼容。与指派给上述系统的频带的中心关联的RF载波可以是全配置的主RF载波，其用于系统（即，基站和移动台通信）的正常操作。正常操作可以包括移动台的网络登录/重新登录、下行链路或上行链路中的用户数据和控制传输、同步和系统配置信息的传输等。如果一个永久RF载波被指派给系统，则该RF载波可以被指定为主载波并且可以是全配置的。任何额外的永久RF载波可指派为副RF载波并且可以是全部或部分配置的。副RF载波可以使用时分双工（TDD）或频分双工（FDD）双工方案。临时RF载波可以被指定为副RF载波并且可以被全部或部分指派。主和副RF载波通过eNB或基站到UE或移动台的分配和解除分配在例如IEEE 802.16和3GPP LTE等相关无线电接入技术中限定。
图3描绘支持频谱共享的示例网络架构。特别地，图3描绘基于3GPP LTE无线电接入和核心网络的示例修改网络架构。在该示例中，演进分组核心（EPC）的修改版本（示出为EPC+）包括频谱管理实体（SME）302。eNB+指支持提议功能性的eNB的修改版本。每个eNB+向SME 302发出预订请求来请求可用频谱。每个eNB+可以将由SME 302指派的频谱分配给组成UE（未示出）。基于预订请求的载波分配在接口S1和X2的修改版本（示出为S1+和X2+）上使用新的控制信号和消息。接口S1和X2在3GPP LTE系统中分别用于提供EPC与eNB之间的通信以及多个eNB之间的通信。修改的实体和接口示出为EPC+和eNB+以及S1+和X2+来将修改的无线电接入和核心网络元件和接口与它们的遗留对等物区分开。在该实施例中，3GPP LTE标准用作示例实施例网络。然而，提议的方案可以在IEEE 802.16m无线电接入网络和移动WiMAX（IEEE 802.16e）核心网络以及其他无线电接入技术中使用。
在各种实施例中，eNB+和UE（未示出）都没有SME 302可指派给eNB+或UE的副载波RF带的先验知识。在各种实施例中，eNB+和UE都能使用软件定义无线电（SDR）和可重配置RF和/或基带处理以在临时副RF载波被分配或解除分配后自动配置它们的无线电。SDR可以是采用允许RF和基带属性（其包括但不限于，RF中心频率、RF基带、调制类型或要由软件设置或更改的输出功率）并且可不包括改变操作参数（根据系统规格或标准在无线电的正常预安装和预定操作期间发生）的技术的无线电发送器和/或接收器。
SME 302可以将可用副载波指派给eNB+以供它的组成UE使用。SME 302可以进行下列操作：（1）经由对区域或国家白色空间数据库的访问或经由认知无线电技术来检测容许的未使用频谱来搜寻可用或未充分利用的频谱；（2）可用频谱到eNB+的动态指派，该eNB+请求新频带预订以便平衡eNB+之间的负荷、从eNB+的角度使数据速率和吞吐量增加和/或使活动用户或UE的数量增加；以及（3）维持并且更新本地数据库来保持跟踪指派和释放的频带。白色空间频谱可以是未使用的频谱而灰色空间频谱可以是部分或临时使用的频谱。白色和灰色空间可以处于相同或不同的时间或载波频率。可用频谱可以是授权或未授权的频谱。在一些情况中，SME 302可以区分授权和未授权的RF频带并且将它们预备和指派给无线电接入系统，从而将该属性纳入考虑。例如，授权频谱可分配给宏eNB并且未授权频谱可分配给毫微微eNB（家庭eNB）用于增强局部或室内覆盖。宏eNB可以比毫微微eNB覆盖更大的区域。
eNB+与处于网络登录的UE协商服务质量（QoS）参数。eNB+确保在变化的情况下，可以维持对于UE的QoS参数。QoS的一个因数可以是最小数据速率。该最小数据速率可通过添加副载波来供UE使用而实现。eNB+可以请求来自SME的副载波以满足它的UE的数据速率。SME 302可利用认知无线电系统（CRS）技术来进行频谱管理，即，捕获最佳可用频谱来满足用户通信需要以及信道或移动性条件。如果未使用可用频谱的数据库，可以使用CRS技术。可以使用CRS技术来感测可用频谱或欠利用的频谱。SME 302可利用CRS技术来决定可用频谱带以满足eNB+或UE的QoS需求。使用CRS技术，SME 302可以获得操作和地理环境和参数以及建立的策略和它的内部状态的知识以便根据获得的知识动态且自动调整其操作参数和协议。作为示例，可获得与感兴趣频带关联的带外发射参数、中心频率、带宽、双工方案（TDD/FDD）以及频谱掩蔽（spectral mask）。
SME可以支持频谱移动性来尝试确保移动终端的最佳连通性。频谱移动性可以是过程，由此启用认知无线电的系统（即，无线电接入网络）当用户终端从一个地理区域移到另一个或从一个小区的覆盖区域移到另一个时改变它的操作频率。各种实施例允许无线电终端在最佳可用频带操作，从而在变换到其他（潜在地，更好的）频谱期间维持无缝通信要求。例如，尽管存在地理上的移动，可以维持UE的QoS或优先级。
另外，SME 302可利用CRS技术来检查临时指派频谱带的使用以及请求释放未被高效或有效利用的频谱带。CRS可以使用信道感测技术来监测频谱带内的活动性并且检测未被高效或有效利用的频谱带。释放副RF载波的决定可以基于频谱占用和利用，即，在该频带内分配给用户的充分利用的无线电资源的量。如果在载波上每总量资源的资源利用比率持续一定时段地低于阈值，则该载波被视为欠利用的载波。假定负荷平衡能接受并且释放欠使用的载波，在欠利用的载波内分配的资源可以移到主载波或其他副载波。SME可以决定是否释放之前指派的副载波。副载波的释放过程可以由来自SME到eNB+的释放请求消息来触发。
eNB+可以决定如何使用在3GPP LTE中描述的技术来分配由其UE使用的副载波和对其UE使用的副载波解除分配。相似地，基站可以决定如何使用在IEEE 802.16中描述的技术来将副载波分配给移动台和对到移动台的副载波解除分配。
图4描绘用于向启用多载波的基站或网络动态请求、指派和释放RF载波的示例过程。当eNB需要额外的频谱时，eNB可以将预订新RF载波的频谱预订请求消息402发送给SME。频谱预订请求消息可包含RF载波的数量、优选双工方案（TDD/FDD）以及中心频率、带宽、FDD系统中下行链路和上行链路的频率分离和对特定频带的其他RF要求。在一些情况下，单个频谱带或在频率上未充分隔开的两个频谱带可不支持FDD操作。
SME决定是接受、拒绝预订请求还是将预订请求列入等候列表。如果没有额外的频谱带可用，SME可以决定拒绝请求。如果额外的频带可不久变成可用或eNB+的优先级足够高使得SME将尝试尊重该请求，则SME可以决定将请求列入等候列表。如果请求频谱计划供其他eNB+使用或不能指派给eNB+，频谱预订请求将被拒绝或被列入等候列表并且将发送信号404来将该决定通知请求eNB+。在一个情形中，可以在先到先服务的基础上将副载波指派给eNB+。可以将请求列队。在请求一定的请求队列长度或一定数量的副载波后，来自eNB+的请求将接收到拒绝。在另一个情形中，某eNB+与其他相比可以基于更高的负荷、预期使用和/或支持的QoS而被给予更高的优先级。来自较高优先级eNB+的请求可以在先前从较低优先级eNB+接收的请求之前被接受。
如果请求被拒绝，如果eNB+仍需要额外的频谱（或副RF载波）的话，eNB+可以发送另一个预订请求。如果以前的请求被列入等候列表，请求eNB+可以等待直到频谱变成可用。如果eNB+正在等待并且频谱对于eNB+变成可用，SME可以使用关于消息406描述的预订确认消息来将可用频谱通知请求eNB+。
如果SME可以将一个或多个RF载波指派给请求eNB+，SME将确认消息406发送给请求eNB+，该消息包含指派的RF载波的参数，其包括但不限于，频谱类型（TDD/FDD）、在FDD情况下下行链路和上行链路频带的频率分离、每个频带的链路方向（下行链路或上行链路）、需要的保护频带、带外（OOB）发射极限和容许的相邻信道抑制比（ACLR）。
在eNB+接收预订请求确认后，eNB+发送消息408来将新的副RF载波的可用性通知启用多载波的UE。消息408可以是单播或多播。新的RF载波通过SME的指派可以是暂时的并且该RF载波RF在其不再被使用后可由eNB+释放。SME可以决定请求释放指派的频谱。
在新RF载波的单播或多播广告后，eNB+可以对选择的具有多载波能力的UE发起副RF载波设置过程410，并且采用使用永久主和副RF载波所采用的相同的方式在新的副载波上进行控制和业务分配。例如，IEEE 802.16和3GPP LTE描述用于在新的副载波上的控制和业务分配的适合的过程。额外的RF载波通过eNB+的动态预订和释放对于UE可以是透明的。也就是说，UE只接收配置副载波的请求或释放副载波的请求。
当不再使用或高效地加载副RF载波时，eNB+可通过对配置成使用那些副RF载波的所有UE先进行副RF载波的解除分配过程412并且然后将频谱释放消息414发送给管理被释放的RF载波的身份的SME来释放副RF载波。eNB+或SME可以发起任何之前指派的副载波的释放。
SME可以将确认RF载波的释放和它们的身份的确认消息416发送到eNB+。释放的RF载波不再被已经释放它们的eNB+所使用，除非后来使用RF载波指派过程而重新指派它们。
上文的技术提供动态频谱共享能力。这些技术可以应用于除3GPP LTE以外的各种无线电接入技术并且SME的位点和实现可根据方案所应用的无线电接入技术而改变。在各种实施例中，可以在eNB或UE中利用SME 302。
各种实施例提供在支持例如3GPP LTE和IEEE 802.16等不同无线电接入技术的一定数量的基站之间通过SME的动态频谱共享。例如，SME可以对例如3GPP和IEEE 802.16等不同无线电接入技术分配和释放频谱。当将不同的频带指派给不同的无线电接入技术时可以考虑共存问题。
图5描绘可以使用本发明的实施例的示例系统。计算机系统400可包括主机系统402和显示器422。计算机系统400可以在手持式个人计算机、移动电话、机顶盒或任何计算装置中实现。主机系统402可包括芯片集405、处理器410、主机存储器412、存储414、图形子系统415和无线电设备420。芯片集405可在处理器410、主机存储器412、存储414、图形子系统415和无线电设备420之间提供互通信。例如，芯片集405可包括能够提供与存储414互通信的存储适配器（未描绘）。
处理器410可实现为复杂指令集计算机（CISC）或精简指令集计算机（RISC）处理器、x86指令集兼容处理器、多核或任何其他微处理器或中央处理单元。在各种实施例中，处理器410或无线电设备420基于本文描述的技术配置并且释放副载波。副载波可以分配给eNB+或BS并且然后被指派以供无线电设备420使用。无线电设备420可以采用本文限定的SDR技术。
主机存储器412可实现为易失性存储器装置，例如但不限于随机存取存储器（RAM）、动态随机存取存储器（DRAM）或静态RAM（SRAM）。存储414可实现为非易失性存储装置，例如但不限于磁盘驱动器、光盘驱动器、带式驱动器、内部存储装置、附连存储装置、闪速存储器、电池备份SDRAM（同步DRAM）和/或可访问网络的存储装置。
图形子系统415可进行图像的处理，例如用于显示的静物或视频。模拟或数字接口可用于通信地耦合图形子系统415和显示器422。例如，接口可以是高清晰度多媒体接口、显示端口、无线HDMI和/无线HD兼容技术中的任一个。图形子系统415可以集成到处理器410或芯片集405内。图形子系统415可以是通信地耦合于芯片集405的独立卡。
无线电设备420可包括能够根据能适用的无线标准（例如但不限于IEEE 802.11和IEEE 802.16的任何版本）传送和接收信号的一个或多个无线电设备。例如，无线电设备420可包括至少物理层接口和媒体访问控制器。
本发明的实施例可实现为以下中的任一个或组合：使用母板而互连的一个或多个微芯片或集成电路、硬接线逻辑、由存储器装置存储并且由微处理器执行的软件、固件、专用集成电路（ASIC）和/或现场可编程门阵列（FPGA）。通过示例，术语“逻辑”可包括软件或硬件和/或软件和硬件的组合。
本发明的实施例可提供例如作为计算机程序产品，其可包括具有存储在其上的机器可执行指令的一个或多个机器可读介质，这些机器可执行指令在由例如计算机、计算机的网络或其他电子装置等一个或多个机器执行时可产生根据本发明的实施例实行操作的一个或多个机器。机器可读介质可包括，但不限于，软盘、光盘、CD-ROM（压缩盘-只读存储器）和磁光盘、ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）、EPROM（可擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、磁或光卡、闪速存储器或适合于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。
附图和前面的描述给出本发明的示例。尽管描绘为许多全异功能项，本领域内技术人员将意识到这样的元件中的一个或多个可很好地组合到单个功能元件内。备选地，某些元件可分成多个功能元件。来自一个实施例的元件可添加到另一个实施例。例如，本文描述的过程的顺序可改变并且不限于本文描述的方式。此外，任何流程图的动作不必按示出的顺序实现；也不必进行动作中的全部。而且，不依赖于其他动作的那些动作可与其他动作并行进行。然而，本发明的范围绝不由这些特定示例限制。例如结构、尺寸和材料使用中的差异等许多改动，无论是否在说明书中明确给出，都是可能的。本发明的范围至少与由下面的权利要求给出的范围一样广。

Claims (19)

1.一种在基站进行的方法，所述方法包括：
请求传送频谱分配请求给频谱管理实体；
识别接收到批准所述请求、将所述请求列入等候列表还是拒绝所述请求的指示；
响应于批准所述请求的指示：
请求将副载波配置信息传送到用户元件，以及
请求副载波设置过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中请求传送分配频谱请求响应于在由所述基站服务的一个或多个移动台处的当前数据速率和吞吐量的增加而发生，以便以一定的与所述一个或多个移动台协定的服务质量水平来维持服务的连续性或连通性。
3.如权利要求1所述的方法，其中请求传送频谱分配请求响应于由所述基站服务的活动移动台的数量的增加而发生。
4.如权利要求1所述的方法，其中批准所述请求的指示包括指派一个或多个副载波。
5.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
请求通过移动台的副载波解除分配过程，以及
请求传送副载波释放的指示到所述频谱管理实体。
6.如权利要求5所述的方法，其中请求副载波解除分配过程是对所述副载波由其指派的移动台的欠利用所作出的响应。
7.如权利要求5所述的方法，其中请求副载波解除分配过程是对移动台从一个小区到另一个小区的覆盖区域的移动性所作出的响应。
8.一种由频谱管理实体进行的方法，所述方法包括：
接收频谱分配的请求；
确定可用频谱；
确定是批准所述频谱分配请求、将所述频谱分配请求列入等候列表还是拒绝所述频谱分配请求；以及
响应于批准所述频谱分配请求，传送频谱预订接受。
9.如权利要求8所述的方法，其中确定可用频谱包括：
通过访问可用频谱的数据库来检测未使用的频谱。
10.如权利要求8所述的方法，其中确定可用频谱包括：
使用认知无线电技术来搜寻可用频谱或欠利用的频谱。
11.如权利要求8所述的方法，其中确定是否批准所述频谱预订请求是基于以下中的一个或多个：基站之间的负荷平衡、来自一个或多个基站的增加的数据速率和吞吐量，以及增加活动用户数量。
12.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：
更新数据库来保持跟踪指派的和可用的频带。
13.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：
响应于载波上每总量资源的资源利用的比率持续一段时间地低于阈值而确定请求释放指派的频谱，以及
发出释放指派频谱的请求给基站。
14.如权利要求8所述的方法，其中演进分组核心包括所述频谱管理实体。
15.如权利要求8所述的方法，其中增强型节点B包括所述频谱管理实体。
16.一种移动台，包括：
显示装置；
一个或多个天线；
无线电设备；以及
处理器，其配置成：
接收一个或多个副载波的配置信息；
对所述一个或多个副载波与基站进行副载波配置设置过程；以及
基于所述副载波配置来配置RF中心频率、RF带宽、调制类型和所述无线电设备的输出功率以用于传送和/或接收。
17.如权利要求16所述的移动台，其中所述处理器还配置成：
响应于载波释放请求进行载波释放过程。
18.如权利要求16所述的移动台，其中所述一个或多个副载波基于所述移动台的质量服务（QoS）要求而分配给所述移动台。
19.如权利要求16所述的移动台，其中所述处理器还配置成：
响应于载波上每总量资源的资源利用的比率持续一段时间地低于阈值而确定请求释放指派的频谱，以及
发出释放指派频谱的请求给基站。
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