CN104798319A - 无线通信系统 - Google Patents

Abstract

利用白色空间的无线通信系统中，大力研究了对一次利用者的系统的相干涉，但另一方面，对被干涉环境的对策并不充分。在本发明中，无线通信终端具备：阵列天线(101)；MAC处理部(104)，以检测1次系统为目的设置，对从所述基站事先通知的静寂期间的信息进行解释，生成静寂期间信号；合成部(303)，通过权重系数对所述阵列天线的各天线的接收信号进行加权合成；以及阵列天线控制部(304)，在有所述静寂期间信号的期间，将权重系数最佳化，以抑制由阵列天线接收的干扰信号。被最佳化的权重系数适用于至少接收来自基站(11)的下行信号的期间，不适用于对一次利用系统进行感知的期间。在最佳化中能够使用使信号对干扰比最大化的周知的算法。

Description

无线通信系统

技术领域

本发明涉及利用白色空间的无线通信系统以及无线通信装置，特别涉及无线通信装置所利用的干扰抑制技术。

背景技术

近年来的信息化社会的发展着实令人惊奇，作为很多信息通信设备或服务中的通信方法，除了有线通信以外，利用无线通信的情况也变多。随之，作为有限资源的无线频率的需求也日趋增加，可分配频率的枯竭在世界各国中成为较大的问题。通常，国家对频率进行许可管理，只有被分配了许可才能够在特定的场所及时间、而且在严格的管理下利用该频率。但是，为了应对今后也会持续增加的频率需求，要求不局限于目前为止的利用方法的新的频率利用方法。

因此，近年来作为用于解决频率的枯竭问题的新的频率利用方法，研究了利用尽管已被分配、但在空间上、时间上并未使用的频带(白色空间，white space)的方法。例如，进行了认知无线通信(cognitive wirelesscommunications)系统等的研究开发，该认知无线通信是充分避免对已经受许可的利用者(以下称为“一次利用者”)的已有系统的频率使用的影响、并且尚未受许可的利用者(以下称为“二次利用者”)灵活利用白色空间的无线通信系统(例如，非专利文献1)。

例如，在通过IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.22进行标准化的利用白色空间的无线通信系统(WRAN：WirelessRegional Area Network)中，各无线站通过访问IP网络上的数据库(DB：Data Base)，取得基于本站的位置信息的可发送信道列表(频率列表)和最大可发送功率。可发送信道列表由基站(BS：Base Station)内的频谱管理器(SM：Spectrum Manager)随时更新并总括管理。并且，BS基于该可发送信道列表，将可利用于通信的信道决定为运行信道，并与BS的服务范围(小区)内的按户设置的子站或便携式电话等终端(CPE：Customer PremisesEquipment)进行通信。

SM进行频谱感知信息的管理。还有BS以及CPE等各无线站具备频谱感知功能的情况。各无线站若通过频谱感知检测到所决定的运行信道被已有系统(一次利用者的系统)使用，则将该信息通知给SM。于是，SM在向DB通知检测信息之后，从可发送信道列表中删除该信道。利用白色空间的无线通信系统基于这样时时刻刻被更新的信息进行动态的频谱访问，从而避免对一次利用者的信道使用的影响的同时，还实现二次利用者的通信。

然而，IEEE802.22中，利用白色空间的无线通信系统使用与一次利用者的系统(例如数字电视(DTV：Digital TeleVision))相同的频带。此外，利用白色空间的无线通信系统的利用前提是避免对一次利用者的系统的影响。作为避免对一次利用者的系统的影响的方法，例如IEEE802.22中，有以下发送功率限制：在利用白色空间的无线通信系统为固定无线站的情况下，最大可利用发送功率为4W，在便携式无线站的情况下，最大可利用发送功率为100mW。白色空间利用无线站的运行课题是由于发送功率限制而从DTV系统接受相对强的干扰。

以往，有如下无线系统(例如，参照专利文献1)：为了容易地防止在多个无线基站间的通信中发生的干扰，具有多个相互进行无线通信的无线基站，各无线基站具备由多个天线元件构成的自适应阵列天线，将与通信对象无线基站的通信的直线传播路径所特有的链路识别用数据和在与通信对象无线基站的通信时成为干扰源的无线基站建立关联来存储，若从通信对象无线基站接收到链路识别用数据，则接收到该链路识别用数据的无线基站基于链路识别用数据，进行使零点朝向在与该无线基站的无线通信中成为干扰源的无线基站的方向的无效控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004－147079号公报

专利文献2：日本特开2008－306662号公报

专利文献3：日本特许第4806660号公报

非专利文献

非专利文献1：藤井宏治、“コグニティブ無線：電波利用のムダなくす、ホワイトスペース活用のコア技術”、[online]、リックテレコム、[平成23年(2011年)6月9日检索]、因特网＜URL:http://businessnetwork.jp/tabid/65/artid/110/page/1/Default.aspx＞

非专利文献2：菊間信良、“アレーアンテナの基礎”、因特网＜URL：http://apmc-mwe.org/MicrowaveExhibition2010/program/tutorial2009/TL03-01.pdf＞

非专利文献3：美国电气电子学会(IEEE)Computer Society编、“IEEEStd 802.22-2011Part 22:Cognitive Wireless RAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications:Policies and Procedures forOperation in the TV Bands”(美国)、IEEE标准化协会、2011年7月27日

发明内容

发明要解决的问题

无线通信系统中，目前为止进行了很多与对一次利用者的系统的影响相关的讨论和对策，但即使避免对一次利用者的系统的影响，也有可能从一次利用者的系统受到影响。由于来自一次利用者的系统的干扰，利用白色空间的无线通信系统的服务区域减少。

本发明的目的是在利用白色空间的无线通信系统中抑制来自一次利用者的系统的干扰。

用于解决问题的手段

本发明的无线通信系统是在基站与无线通信终端之间进行通信的无线通信系统，其特征在于，无线通信终端具有阵列天线、干扰波信号检测单元以及干扰波到来方向推测单元，干扰波信号检测单元在与基站的无通信状态时接收干扰波，干扰波到来方向推测单元从由干扰波信号检测单元接收到的干扰波信号检测转向矢量。

此外，本发明的无线通信系统的特征在于，在上述的无线通信系统中，无线通信终端具有干扰波抑制单元。

进而，本发明的无线通信系统的特征在于，在上述的无线通信系统中，干扰波抑制单元针对阵列天线使用转向矢量。

发明效果

根据本发明，在利用白色空间的无线通信系统中，即使二次利用者的系统(例如利用白色空间的无线通信系统)的服务区域因从一次利用者的系统(例如DTV)受到的干扰而减少，也能够抑制从本发明的一次利用者系统受到的干扰，将利用白色空间的无线通信系统的服务区域的缩小抑制为最小限度。

附图说明

图1是本发明的实施方式的无线通信系统的结构图。

图2是说明本发明的实施方式的无线通信系统中的干扰波信号的抑制的波形图。

图3是本发明的实施例1的无线通信终端21的功能框图。

图4是实施例1的无线通信终端21的自适应阵列接收部的框图。

具体实施方式

以下，利用附图对本发明的详细内容进行说明。

图1是表示本发明的实施方式的无线通信系统的整体结构的一例的图。本实施方式的无线通信系统1是利用白色空间的无线通信系统。

如图1所示，无线通信系统1构成为，包括作为按户设置的无线通信终端的CPE21以及CPE22、作为这些无线通信终端所连接的基站的BS10、BS10的回程线路30、网络40、以及白色空间数据库(以下，称为“数据库”)50。

BS10通过回程线路30与网络40连接，向存在于网络上的数据库50进行访问。

此外，从国家接受频率使用的许可的一次利用者的通信系统(以下，称为“已有系统”)2构成为包括发送站70和接收站80，已有系统2的一次利用者为从国家接受频率f1的许可的利用者。以下的说明中，设没有从国家接受频率f1的使用许可的二次利用者为将频率f1作为白色空间来利用的利用者。

在此，如图1所示，即使在已有系统2使用频率f1进行通信时，若从已有系统2的服务区域隔开充分的隔离距离3而配置无线通信系统1的服务区域、并且使构成无线通信系统1的无线站的发送功率足够小，则即使无线通信系统1使用频率f1进行发送，也能够不对已有系统2造成干扰地进行通信。隔离距离3是用于使来自无线通信系统1的放射电波不对已有系统2的服务区域内的接收电场强度造成影响的保护基准。关于隔离距离3的保护基准，设为由各规制机构规定。像这样，白色空间无线系统能够有效利用地理上可使用的频率资源。

可是，作为例如IEEE802.22中设想的已有系统2而考虑DTV广播的情况下，由于在DTV广播中使用高阶调制方式，因此所需电场强度变高、或已有系统2的广播区域的半径比无线通信系统1的服务区域半径大的情况较多，所以即使在已有系统2的广播区域外，在无线通信系统1的服务区域内存在足够使无线通信系统1的信号干扰功率比(Signal to Interferencepower Ratio:SIR)恶化的强度的DTV广播信号的可能性也较高。因而，无线通信系统1即使隔开充分的隔离距离3而避免对已有系统2的影响，也有无线通信系统1的服务区域因受到来自已有系统2的干扰而减少的问题。因此，无线通信系统1的无线通信终端中，需要对从已有系统2受到的干扰进行抑制的技术。

在此，作为干扰抑制技术的方式，例如能够利用非专利文献2的最大SNR法(MSN)阵列天线来抑制从已有系统2受到的干扰。基于MSN算法，自适应阵列的最佳权重的导出如下所述。

MSN算法正如文字，是对权重系数进行调整以使输出SNR最大的算法。因此，首先求出作为评价函数的输出SNR。

如数式1所示，输入矢量x(t)由期望波成分s(t)、干扰波成分u(t)以及噪声成分n(t)构成。

[公式1]

x(t)＝s(t)+u(t)+n(t)   (数式1）

此时，自适应阵列的输出中的期望波成分ys(t)、干扰波成分yu(t)以及噪声成分yn(t)如数式2、数式3、数式4所示。

[公式2]

y_s(t)=w^Hs(t)＝s^T(t)w^*   (数式2)

[公式3]

y_u(t)＝w^Hu(t)＝u^T(t)w^*   (数式3)

[公式4]

y_n(t)＝w^Hn(t)＝n^T(t)w^*   (数式4)

在此，上标H、T、＊分别表示共轭转置、转置、复共轭。

各个输出功率如数式5、数式6、数式7表示。

[公式5]

$P_{\mathrm{S\; out}}=\frac{1}{2}E\left[{\left|y_s\left(t\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{2}{w}^H{R}_{\mathrm{ss}}w$   (数式5)

[公式6]

$P_{\mathrm{U\; out}}=\frac{1}{2}E\left[{\left|y_u\left(t\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{2}{w}^H{R}_{\mathrm{uu}}w$ (数式6)

[公式7]

$P_{\mathrm{N\; out}}=\frac{1}{2}E\left[{\left|y_n\left(t\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{2}{P}_n{w}^{H}w$ (数式7)

其中，E[ ]为期望值，Rss以及Ruu分别为期望波、干扰波的相关矩阵，Pn为每个要素的噪声功率。

另一方面，若假设期望波的带宽足够窄，则期望波成分s(t)用以下数式8表示。

[公式8]

s(t)＝s(t)v_s＝s(t)a(θ_s)   (数式8)

第二项s(t)表示相位基准点上的期望波的复振幅(不是矢量)，νs表示期望波方向的阵列响应矢量，θs表示期望波的到来角。此时，Rss如数式9所示。

[公式9]

R_ss＝E[s(t)s^H(t)]＝Pv_sv_s ^H   (数式9)

其中，Ps为期望波的每个要素的输入功率。这样，输出SNR可用数式10表示。

[公式10]

$\mathrm{SNR}=\frac{P_{\mathrm{S\; out}}}{P_{\mathrm{U\; out}}+P_{\mathrm{N\; out}}}=\frac{w^H{R}_{\mathrm{dd}}w}{w^H{R}_{\mathrm{nn}}w}$   (数式10)

在此，Rnn为无用波成分(干扰波以及噪声)的相关矩阵，通过数式11定义。

[公式11]

R_nn＝R_uu-P_nI   (数式11)

其中，I为单位矩阵。

使输出SNR为最大的权重矢量W的值(最佳权重)能够通过将与数式10的权重矢量相关的梯度置零、即通过数式12来求出。

[公式12]

Δ_w[SNR]＝0   (数式12)

最终，若使用数式9以及数式13的关系，则可从数式14得到最佳权重Wopt。

[公式13]

$R_{\mathrm{xx}}=P_s{v}_s{v}_s^H+R_{\mathrm{nn}}$    (数式13)

[公式14]

$w_{\mathrm{opt}}=R_{\mathrm{xx}}^{-1}{v}_s$    (数式14)

数式14为MSN自适应阵列的最佳权重。

最佳权重Wopt使用数式15的Vs(MSN中称为转向矢量)，因此需要期望波的到来方向信息。已知无线通信系统1的CPE的期望波从相对于基站方向0度的方向到来，但需要推测干扰波的到来方向。关于干扰波的推测方法，能够通过在为了感知已有系统2而设置的无通信区间(QP：QuietPeriod)即QP期间中对干扰波成分进行接收并解析，来检测干扰波的转向矢量。

[公式15]

V_s＝a(θ_s)   (数式15)

图2是用于说明本发明的实施方式的无线通信系统中的干扰波信号的抑制的波形图。

如图2所示，在QP期间中，作为无线通信系统1的基站的BS10、作为无线通信终端的CPE21以及CPE22为无通信状态。在该QP期间中，通过仅接收干扰波，能够检测干扰波的转向矢量。

通过使用MSN阵列天线，能够抑制从DTV受到的干扰，能够改善白色空间无线通信系统的服务区域，能够实现系统整体的服务效率提高。

实施例1

本实施例1中，说明图1所示的无线通信终端(CPE21、22)的结构的一例。本例中也假设CPE21等依据IEEE802.22。

图3是本实施例1的CPE21、22等的功能框图。CPE21具备：阵列天线101；RF102，进行从基带(BB)向无线频带(RF)的频率变换、从无线频带向基带的频率变换、信号放大等；收发信号处理部103，进行纠错编码/解码处理、调制解调处理；MAC(Medium Access Control；媒体访问控制)处理部104，进行要使用的信道及收发定时的控制、用于识别无线机的ID向数据包的附加、发送源无线机的识别等；I/F部105，作为与个人计算机、WiFi路由器等的接口；感知部106，为了判断是否存在利用信道的无线系统，进行频谱感知的信号处理；频率管理部(SM)107，对能够作为白色空间来利用的信道进行存储并管理；以及主控制部，对无线机整体进行管理控制。

阵列天线101由能够单独接收的多个天线构成。各天线能够使用组装用的倒F天线、水平无指向的偶极天线，高增益八木天线等各种天线，这些天线也可以是用手改变朝向的天线。另外，在白色空间中放射电波的天线的增益(指向性)应得到充分的管理。满足该要求的简单的方法是在发送中仅使用多个天线之中的一个天线而固定增益。也可以使各天线的动作频率(驻波比为规定值以下的频率)例如UHF-Low、Mid、High那样相互不同，根据使用频率来选择最佳的一个。

MAC处理部104对从BS11发送的MAC层的管理消息进行解释，向应执行管理消息的内容的各部传递该信号。管理消息中TDD定时(上行子帧的开始位置)、QP期间的日程等被通知给CPE21。另外，在如IEEE802.22那样的TDD系统中，TDD定时对RF部102等的动作而言是必须的。MAC处理部104除了TDD定时以外，将基于被通知的QP期间的日程而生成的QP期间信号提供给RF部102及收发信号处理部103。

频率管理部107基本上通过从BS11接收到的管理消息，获知可利用的信道。频率管理部107可以包含进行以下动作的自共存功能的一部分，该动作为：基于从相同无线方式的近邻小区接收到的共存信标等，对干扰的风险进行检测并向BS通报。

主控制部108例如能够由处理器、在存储器上定义的数据存储区域以及软件构成，收发信号处理部103、MAC处理部104、感知部106、频率管理部107也能够替换为主控制部108所执行的程序。

图4是本实施例1的CPE21的自适应阵列接收部300的框图。图4所示的自适应阵列接收部300是摘取了图3的RF部102、收发信号处理部103的结构的一部分的结构。

从阵列天线101的各天线301－1～301－3的供电线向加权部302－1～302－3分别引导适当通过TDD开关、循环器、双工器等而取出的接收信号。

加权部302－1～302－3将通过数式14得到的最佳权重适用于各个接收信号。最佳权重以某种规则被正规化，例如各最佳权重的绝对和(自乘和)始终为1。

加法部303将由加权部302－1～302－3分别加权后的接收信号相加而合成为一个信号并输出。该合成接收信号能够当作在收发信号处理部103中通过一个天线接收到的信号来处理。另外，也可以提供给感知部106，在1次系统的检测为目的时，提供以下合成信号较为安全，该合成信号是基于使阵列天线101看起来像无指向性天线的权重的合成信号。

控制部304在被输入的QP期间信号(QP标识)表示在QP期间内的期间，基于合成接收信号和当前的最佳权重，更新最佳权重，将更新后的最佳权重提供给加权部302。在期间外，不进行更新，继续提供当前的最佳权重。在直接求出互相关矩阵的情况下，也可以输入由加法部303合成前的个别的接收信号。

如上所述，根据本实施例，在不进行本系统的发送和接收的静寂期间、即接收信号全部为干扰波时，使MSN的算法进行动作，因此即使没有干扰波的知识(即通过遮光窗)也能够实现最佳转向，即使有多个干扰源也不成问题。另外，QP在基站侧进行使相邻的基站彼此同步的控制，若成为QP期间，则同种系统一齐停止发送而能够进行感知。

根据本发明，在利用白色空间的无线通信系统中，即使二次利用者的系统(例如利用白色空间的无线通信系统)的服务区域因从一次利用者的系统(例如DTV)受到的干扰而减少，也能够抑制从本发明的一次利用者系统受到的干扰，将利用白色空间的无线通信系统的服务区域的缩小抑制为最小限度。

此外，本实施方式的无线通信系统尤其适用于由IEEE802.22规定的无线通信系统，但不限定于此。

另外，本发明的范围不限定于图示及记载的例示性的实施方式，也包括实现与本发明的目的均等的效果的全部的实施方式。进而，本发明的范围由全部的所公开的各个特征之中的特定特征的一切期望组合决定。

工业实用性

本发明能够适用于从与其他系统共用的频带选择频率来使用的无线通信装置及方法，适于IEEE802.22、IEEE802.11af、IEEE802.15.4m、IEEE1900.7(Dyspan)或ECMA-392等的使用电视白色空间的各种无线访问系统。

附图标记说明

1：无线通信系统，10：BS，21、22：CPE，3：隔离距离，70：发送站，2：已有系统，80：接收站，30：回程线路，40：网络，50：DB，

101：阵列天线101，102：RF部，103：收发信号处理部，104：MAC(Medium Access Control；媒体访问控制)处理部，105：I/F部，106：感知部，107：频率管理部(SM)，108：主控制部，

300：MSN自适应阵列，301－1～301－N：天线，302－1～302－N：加权部，303：加法部，304：控制部。

Claims (3)

1.一种无线通信终端，利用白色空间的频率与基站进行通信，其特征在于，具备：

阵列天线；

MAC处理部，以检测1次系统为目的而设置，对从所述基站事先通知的静寂期间的信息进行解释，生成静寂期间信号；

合成部，通过权重系数对所述阵列天线的各天线的接收信号进行加权合成；以及

阵列天线控制部，在有所述静寂期间信号的期间，将权重系数最佳化，以抑制由阵列天线接收的干扰信号。

2.如权利要求1所述的无线通信终端，其特征在于，

所述阵列天线控制部以使信号干扰比最大化的方式进行所述最佳化。

3.如权利要求2所述的无线通信终端，其特征在于，

所述阵列天线的各天线的动作频率相互不同，将与发送频率最对应的一个天线用于发送，

将由所述合成部合成后的信号当作通过一个天线接收到的接收信号来处理。