CN107592976A - 对干扰建模 - Google Patents

Abstract

本公开涉及在存在干扰源的情况下在无线信道上通信。接收机访问信道以执行能量检测序列。干扰源被建模为循环地转换进入不活动状态和从其中出来，并且当从不活动状态出来时，在其中干扰源是活动的并在信道上产生干扰的第一活动状态与其中干扰源是活动的但在信道上产生基本上低水平的干扰的第二活动状态之间循环地转换。基于能量检测序列，确定大和小时间尺度度量。由发送机进行的数据传输是根据估计的度量。

Description

对干扰建模

技术领域

本公开涉及对由干扰源在无线信道、特别地但非独有地在非许可频谱中的无线信道上产生的干扰进行建模。

背景技术

无线通信装置通过在无线信道上相互发送和接收数据来相互通信。A 无线信道可以是电磁频率（通常是射频（RF））或者此类频率的集合或窄范围。在无线信道上发送的信号可能被该信道上的干扰中断。从在无线信道上相互发送和接收信号的给定的一对装置的角度出发，使那些信号中断的任何其它信号组成干扰。干扰可以由在同一或附近信道上相互通信的其它无线通信装置或者由引起此类中断的任何其它电磁辐射源产生。

自无线无线电通信出现以来，干扰始终是要应对以实现可靠通信的重要问题。为此，在许多国家，由有关政府来许可和管制大部分的射频频段。任何用户需要都需要支付额外费用以获得对许可频段的访问。

相反，还存在几个非许可频段，例如工业、科学和医学（ISM）频段或先前在某些国家中被预留用于模拟电视广播的“空白空间”频段，这些非许可频段本质上可以在服从某些区域性管制的情况下而自由地使用。近年来，非许可频段的使用变得越来越普遍。原因中的一个是低成本。另一原因是许多应用（诸如传感器网络、无线照明控制等）不需要在长时间间隔内连续地发送大量数据。

随着非许可频段的日益增加的普遍性和相对较弱的管制，此类频段中的干扰也变成重要问题，这些问题由于非许可频谱的自由访问性质和严格管制的缺乏而加剧。

存在影响无线电通信性能的主要两个类型的干扰。一个是带内干扰，其来自共享同一频段的所有种类的无线电发送机或来自带外发送机的发送机漏泄；另一个是由于接收机前端滤波器实际上是非理想的而引起的由接收机捕捉到的带外信号功率的漏泄（带外干扰）。

为了应对干扰，可以进行检测并表征干扰以使得可以采取适当策略的尝试。用以尝试并应对干扰检测的一个已知类型的方法是使用初始信道扫描操作。执行初始扫描操作以寻找非许可频段中的可用信道。此初始信道扫描时间比典型的分组持续时间长得多。如果此初始信道扫描显示不存在显著干扰，则用户开始将此信道用于期望通信应用。在正常操作中，可以针对信道的短期访问采用先听后讲（LBT）类型的方法。

这种方法存在两个主要缺点。一个是这种方法不能以实时方式捕捉潜在地快速变化的干扰情况。另一个是基本信道扫描遗漏干扰情形的重要特性以及应用相关性。

具体地，期望的应用和干扰源两者常常都不要求信道的恒定占用，并且常常显示出某些占空比行为（behavior）。针对非许可频谱中的许多应用，不要求连续地发送大量数据。替代地，许多此类应用仅要求某些突发传输，该突发传输无论是随机的还是遵循固定调度的。因此，也是由于潜在用户的应用特性，许多情况下的干扰并不是永久性的且具有某些占空比行为。作为另一示例，在诸如RFID（“射频识别”）之类的某些应用中，使用跳频方案而不是LBT。在跳频器当其跳跃到当前用户信道中时看起来是干扰源且当其从当前用户信道跳离时看起来不是干扰源（即使其仍是活动的，并且因此可能仍在其它（多个）信道上产生干扰）的意义上，此类跳频还向用户引入占空比类型的影响。

因此，在许多情况下，用干扰扫描方法不能保证在所选信道中的通信性能，因为其不能捕捉快速变化的干扰情况。此外，这种方法也未提供足以提供详细网络情况诊断的信息。

美国专利申请号2008/146156公开了一种周期性间歇干扰的预测性感测的方法，该方法包括测量信道上的能量以获得周期性间歇干扰的指示。如果信道上的当前能量水平在新阈值以下且先前的能量特性暗示当前能量水平将在预定最小时间段内保持在新阈值以下，则提供空闲信道指示。

发明内容

除上文概述的用于干扰检测的非实时方法之外，存在用于尝试处理高度实时的干扰检测和表征的另一种方法。对于诸如TV空白空间系统及其它认知无线电系统所采用的高度实时的方法而言，辅助通信装置保持检查主要通信装置的存在。一旦主要通信装置开始使用无线电频谱，辅助的辅助通信装置就需要快速地做出反应并避免其自身发送任何无线电信号。

这种实时方法要求无线电频谱的高频率监视，并且本发明人已经认识到其对于许多应用（特别地低成本且低功率的应用，诸如无线照明控制和传感器网络应用）而言过度地且不必要地消耗资源。从应用角度出发，这种方法对于此类应用的要求而言也过头了。

本公开提供了具有信息输出的准实时、应用相关干扰检测和表征方法，该信息输出对于在前一段中提到的种类的应用而言足够丰富（不同于非实时方法），但是其就资源消耗而言实现起来也是低成本的（不同于高度实时方法）。亦即，本公开提供了干扰检测和表征，其在信息丰富性与资源消耗之间取得平衡，并且其特别地但并非独有地适合于这种应用。

根据第一方面，一种用于在存在干扰源的情况下在无线信道上通信的装置包括接口、控制器和建模组件。接口被配置成连接到无线发送机和无线接收机。控制器被配置成控制接收机访问信道以执行能量检测序列，每个能量检测包括在各检测时间处在信道中收集能量。建模组件被配置成将干扰源建模为循环地转换进入不活动状态和从其中出来，并且当在不活动状态之外时在其中干扰源是活动的并在信道上产生干扰的第一活动状态与其中干扰源是活动的但在信道上产生基本上低水平的干扰的第二活动状态之间循环地转换。对干扰源建模包括基于能量检测序列而确定：1）大时间尺度度量，其描述进入不活动状态中和从其出来的转换；以及ii）小时间尺度度量，其描述在第一和第二活动状态之间的转换。控制器被配置成由发送机根据估计的度量实现数据的传输。

本发明人已经认识到某些类型的干扰源（特别是可能被发现实际上正在非许可频谱中产生干扰的那些）展示出双循环行为，例如双周期性行为或者即使对干扰源的实际行为存在随机或伪随机元素也可以被同样相当准确地建模的至少行为。第一类型循环行为是在不活动状态（当干扰源根本不在产生任何显著干扰时）与处于活动之间的较慢、即不那么频繁的转换；第二类型循环行为是当且仅当干扰源活动时发生的在第一和第二活动状态之间的较快、即更频繁的转换，即使得即使当干扰源活动时，其仅仅实际上在某些时间在无线信道上产生显著干扰。

此外，本发明人已经认识到对此双循环行为进行建模提供了两个度量的形式的干扰的表征，该表征对于许多应用而言丰富到足以使得尽管在信道上有干扰，有用的通信仍然发生；有利地，此建模可以使用与上文概述的高度实时方法相比明显更少的资源且以更低的成本来实现。

当存在多个主导干扰者时，占空比仍是可用的，因为在那种情况下，度量将描述干扰者的聚合的大和小时间尺度行为。

请注意，“无线信道上的干扰”意指无线信道上的中断去往或来自无线通信装置的传输的任何信号，该干扰包括上文所述种类的带内和带外干扰两者。

第二状态下的“信道上的基本上较低水平的干扰”意指信道上的可忍受水平的干扰，该干扰并未显著地中断装置的操作（与显著地中断装置的操作的第一状态下的信道上的不可忍受水平的干扰相比）。这可以是因为干扰源在信道上基本上不产生（即，没有或可忽略的）干扰，或者因为水平是非零的，但仍低到足以例如通过纠错、干扰缓解等来补偿。例如，跳频器当处于第一活动状态时可以在所述无线信道上通信以产生从装置角度的不可接受水平的干扰，并且当处于第二活动状态时在（多个）不同信道上通信，该（多个）不同信道具有从装置角度的到所述信道上的、潜在地某些带内/带外的、但处于可忍受水平的漏泄。如将显而易见的，组成可忍受/不可忍受水平的干扰的因素是上下文相关的，并且将特别地取决于装置的应用。例如，当装置构成无线照明控制网络或传感器网络的一部分时，基本上较低水平是低到足以允许与网络中的其它节点的有用通信，从而不使装置的照明控制或传感器功能中断。

在优选实施例中，数据被作为分组发送，该分组被分类为延迟敏感或延迟不敏感；延迟敏感分组是根据小时间尺度度量发送的，而延迟不敏感分组是根据大时间尺度度量发送的。对于延迟不敏感数据分组而言，要紧的是相对长时间尺度内的信道的平均可访问性，因为其在延迟不敏感数据分组相对于彼此到达其目的地时是相对不重要的，只要这些数据分组最终全部这样做的即可（例如在例如1分钟窗口内，这提供许多余地）。相反地，对于延迟敏感数据分组而言，能够保证给定的一组相关延迟敏感分组全部在或多或少相同的时间（例如在相互的几毫秒内）到达是重要的；因此要紧的是信道的短期可访问性。因此，短和长时间尺度度量特别适合于分别地引导延迟敏感和延迟不敏感数据的传输。

可以根据大时间尺度度量和短时间尺度度量两者，来发送延迟不敏感分组。

大和小时间尺度度量可以分别传达进入不活动状态和从其中出来的转换的占空比以及在第一和第二活动状态之间转换的占空比。

建模组件可以被配置成，针对序列中的每个能量检测，确定在各检测时间处收集的能量的量在空闲信道评估阈值以上，并且只有当这样时才存储该能量检测的索引，基于存储的索引而确定度量。

用于在空闲信道评估阈值以上的量的索引可以被输入到具有尺寸M的FIFO结构，由此，只有在空闲信道评估阈值以上的M个最近索引被存储在FIFO结构中；可以基于存储在FIFO结构中的索引来确定度量。

建模组件可以被配置成实现状态机，该状态机包括：对应于干扰源的不活动状态的不活动状态、对应于干扰源的第一活动状态的第一活动状态，以及对应于干扰源的第二活动状态的第二活动状态；状态机可以被配置成如下根据关于所述多个能量测量的条件而在各状态之间转换：

当满足所述条件中的第一个时从不活动状态至第一活动状态，第一条件的满足指示干扰源从其不活动状态出来的转换，

当满足所述条件中的第二个时从第一不活动状态至第二活动状态，第二条件的满足指示干扰源进入其第二活动状态的转换，

当满足所述条件中的第三个时从第二活动状态到第一不活动状态，第三条件的满足指示干扰源进入其第一活动状态的转换，

当满足所述条件中的第四个时从第二活动状态至不活动状态，第四条件的满足指示干扰源进入其不活动状态的转换；可以通过跟踪状态机的转换来估计的度量。

第一条件可以是FIFO结构中的M1个索引在第一窗口内，其中，第二条件是FIFO结构中的至多m1个索引在短于第一窗口的第二窗口内，其中，第三条件是FIFO中的至少m2个索引在第二窗口内，并且第四条件是FIFO结构中的至多M2个索引在长于第一窗口的第三窗口内。

装置可以包括干扰功率估计组件，其被配置成估计平均干扰功率，估计平均干扰功率包括将多个能量检测值求和，每个能量检测值是通过序列中的能量检测获得的，对于该能量检测值而言，a）各检测时间与干扰源处于第一或第二活动状态一致且b）在各检测时间处收集的能量的量在测量阈值以上。测量阈值可以低于空闲信道评估阈值。

能量检测序列可以根据周期性调度来执行，其中：每个检测在其调度时间被执行，使得序列是周期性的；或者每个能量检测在从其调度时间偏移从预定时间间隔中随机地选择的量的时间被执行，使得序列是准周期性的。

信道可以是装置可以在其上通信的N个无线信道中的一个，并且控制器可以被配置成控制接收机访问N个信道中的每一个以基于周期性调度而执行各能量检测序列，周期性调度具有周期T；序列可以在时间上相互交织，并且每个序列在时间上从所述序列中的各其它序列偏移T/N；序列可以用来对N个信道上的干扰进行建模。

装置可以被配置成用于供在无线传感器网络和/或无线照明控制网络中使用。

第二方面提供了一种用于在存在干扰源的情况下在无线信道上通信的方法。本方法包括以下步骤。控制接收机访问信道以执行能量检测序列，每个能量检测包括在各检测时间处收集信道中的能量。干扰源被建模为循环地转换进入不活动状态和从其中出来，并且当在不活动状态之外时在其中干扰源是活动的并在信道上产生干扰的第一活动状态与其中干扰源是活动的但在信道上产生基本上低水平的干扰的第二活动状态之间循环地转换。对干扰源建模包括基于能量检测序列而确定：1）大时间尺度度量，其描述进入不活动状态中和从其出来的转换；以及ii）小时间尺度度量，其描述在第一和第二活动状态之间的转换。由发送机进行的数据传输是根据估计的度量实现的。

根据第三方面，一种计算机程序产品包括代码，该代码被存储在计算机可读存储介质上并且当被执行时被配置成实现第三方面的方法。

附图说明

图1A示出了无线通信装置的示意性框图；

图1B示出了多个无线通信装置的无线网络的示意图；

图2A示意性地图示出用于一个无线信道的周期性能量检测序列；

图2B示意性地图示出用于多个无线信道的周期性能量检测序列；

图2C示意性地图示出用于一个无线信道的准周期性能量检测序列；

图3示意性地图示出由建模组件实现的FIFO结构；

图4示出了用于干扰建模方法的状态机；

图5示出了用于调度能量检测序列的方法的流程图；

图6A示出了用于干扰功率估计技术的模拟的结果；

图6B示出了用于大时间尺度占空比估计技术的模拟的结果的曲线图；

图6C示出了用于小时间尺度占空比估计技术的模拟的结果的曲线图；

图7A—D示出了用于在不同模式下操作的活动RFID干扰源的能量检测测量序列的曲线图；

图8示出了网络性能模拟的结果的曲线图。

具体实施方式

图1A示出了无线通信装置1的框图，其包括控制器6、建模组件8和接口10。控制器6和建模组件8表示可以利用硬件电路、作为在适当处理器上执行的代码或两者的组合来实现的功能。控制器6和建模组件8被经由接口10连接到无线电收发机2，无线电收发机2本身被连接到天线4。收发机2可以被集成在装置1中，在这种情况下接口10在装置内部，或者其可以是非集成的，例如其可以是可连接到装置1的外部调制解调器的一部分，在这种情况下接口10在外部（例如USB或串行端口接口）。

收发机2是无线发送机和无线接收机两者。控制器6向收发机2提供数据（相应地，从其接收数据）以作为RF信号经由天线4发送（相应地，其已被接收）。控制器6可以通过向收发机2供应控制信号来控制收发机2的操作。特别地，控制器2可以控制收发机2在期望的时间执行能量检测（能量测量）。能量检测包括在短持续时间T0内的期望时间处收集信道中的能量。能量检测的结果随着获得能量检测（ED）值（其指示所收集的能量的量）而被从收发机传送到建模组件8。建模组件8具有被分别地连接到控制器6的第一和第二输入端的第一和第二输出端，通过该第一和第二输出端根据随时间推移收集的ED值而估计的干扰相关度量LDC、SDC被供应给控制器6。这下面对此进行详细描述。

装置1可以是传感器装置（即结合传感器功能）和/或照明控制装置（即结合照明控制功能）。

为了实现传感器功能，控制器6被连接到传感器（例如光传感器）并被配置成与其相交互。控制器6从传感器接收传感器数据（例如当前光水平），控制器将该数据传递至收发机2以用于传输；收发机2还可以经由天线4接收控制数据，该控制数据被传递至控制器6，基于该控制数据，控制器6控制传感器的操作。

为了实现照明控制功能，控制器6被连接到照明器并被配置成与其相交互。照明器包括照明元件（例如LED、LED阵列、灯丝灯泡或气体放电灯），该照明器的光输出可被控制器6基于经由天线4接收到的照明控制数据来控制，例如以改变照明元件的发光通量和/或色彩平衡。

可以在N＞1个无线信道CH1、CH2、...、CHN中的一个上发送和接收数据。在本示例中，每个信道是非许可RF频谱（例如ISM或空白空间）中的特定频率下的载波，并且通过使用调频或调幅将数据调制到该载波上而在该信道上发送数据。数据被以离散分组的形式发送和接收。

图1B示出了无线网络，其是包括多个此类无线通信装置1A、...、1F的无线电通信网络10。装置1A、...、1F是网络10的节点。网络10具有网状架构，因为，数据（例如传感器数据和/或照明控制数据等）被充当用于其它节点1的中继器的节点1通过网络而不是通过专用路由器、无线接入点等无线地发送。网络10可以例如根据ZigBee协议操作。

节点1A、...、1F可以例如是传感器装置、照明控制装置或两者的组合。例如，传感器节点可以收集关于其被用来控制由照明控制节点控制的照明器的光输出的当前光水平，以自动地修改总体光输出以补偿整天的环境自然光水平的变化。

从特定无线信道上的网络10中的任何一对通信节点1的角度出发，由网络10中的其它节点1进行中断该信道上的通信的传输组成干扰，如源自于网络10外面（例如来自在相同或类似频谱中操作的其它无线网络）的信号所做的那样。这包括中断该信道上的通信的带内和带外信号。

在下文中提出了一种准实时占空比无线电干扰表征的方法。本方法是由网络10中的每个节点1的建模组件8实现的。

如所指示的，广泛使用的标准的现有干扰扫描方法：

- 遗漏了干扰情形的重要特性以及应用相关性。具体地，许多期望应用和干扰源类型不要求信道的恒定占用，而是常常具有某些占空比行为；

- 也并未以实时方式捕捉潜在地快速变化的干扰情况，或者在提供超过许多实际应用（诸如传感器网络、无线照明控制等）的应用兴趣的高度实时干扰检测的同时而过多消耗资源。

相反，下文中提出的方法基于低成本和低功率应用（诸如照明控制和传感器网络应用）的要求而是平衡的。基于能量检测样本（多个）序列随时间推移而以统计方式表征干扰的行为。使用信道评估（多个）序列的聚合来根据以下各项将干扰情形分类：

i) 大尺度占空比（LDC），捕捉干扰源在活动或不活动的状态；以及

ii) 小尺度占空比（SDC），捕捉活动时的干扰源的中断模式。

此占空比表征是在固定且有限的时间间隔内、即以准实时方式执行。

为了获得信道评估序列，使用实时信道扫描方法，其是基于具有在正常收发机操作之间或者当不执行其它收发机操作时执行的能量测量的规则（周期性、随机化准周期性、自适应周期性）但短的信道评估。

返回至图1A，无线电收发机1具有两个正常活动操作模式：发送模式和接收模式。在接收模式中，收发机2还具有两个子模式：当收发机2等待有效分组时的侦听模式以及在信道中检测到分组报头且正在接收分组时的分组接收模式。在这些正常操作模式之上，也称为“能量检测”（ED）的信道扫描操作涉及到将无线电收发机2切换至接收模式，并且然后在时间T0的短持续时间内在特定信道（CH1、CH2、...、CHN中的一个）中收集信号能量以获得ED值，该ED值指示在持续时间T0内收集的能量的量。在此过程期间，收发机不能发送或接收任何正常分组。

图2A图示出用于单个信道的周期性能量检测调度。以明显大于实际能量检测时间T0的每个间隔T1执行能量检测。在图2中图示出周期性能量检测调度。T0和T1的值的实际示例是T0=320µs且T1 =100ms—将认识到的是这些是用于举例说明的目的的示例性值。由于T1≫T0，所以能量检测对正常收发机操作的影响是最小的。

图2B图示出用于多个信道CH1、CH2、...、CHN的周期性能量检测调度。在存在要使用的多个可能信道的情况下，能量检测调度在多个信道CH1、CH2、...、CHN之间交织，使得能量检测操作在时间上最大限度地分离。具体地，假设总共存在N个信道，两个信道中的能量检测操作之间的时间间隔是T2＝T1/N（因此，对于信道n而言，Tn=(n-1)*T1/N—注意信道的编号是任意的）。

作为周期性能量检测的实际变体，可以采用准周期性能量检测调度（在图2C中图示出），其中针对所示的每个能量检测操作引入随机抖动。具体地在此类准周期性操作中，每个能量检测操作的开始时间是围绕着调度时间在T3间隔内随机选择的。同样地，可以将此类准周期性或抖动方案扩展至多个信道的情况（有效地图2B和2C的方案的组合）。

利用从（准）周期性能量检测操作获得的结果，可以在所述或每个信道中表征干扰情况。如所指示的，考虑对数据通信应用的影响而表征（多个）干扰情况。

在非许可频谱中运行的大多数数据通信应用具有随机或突发类型的数据模式而不是连续模式。此外，可以将数据划分成两个类型：延迟不敏感和延迟敏感。

针对延迟不敏感数据，相对大的延迟对于来自发送机的每个单独分组到达接收机而言是可容忍的。对于此类应用而言重要的是许多数据分组全部在一定时间内被接收到。例如，可能预期在一分钟内成功地接收到10个分组，但是那10个分组是在一分钟间隔内在最初、最后还是随机分布地接收到的可能并不重要。

针对延迟敏感数据，保证每个分组在相对短间隔内被接收到是重要的。例如，对于照明应用而言，重要的是能够在紧急情况下接通所有灯。对于此类应用而言，重要的是在小时间尺度（“小尺度”）内知道信道的平均可访问性。

对于此类延迟不敏感数据传输而言，重要的是在大时间尺度（“大尺度”）内知道信道的平均可访问性，尽管当大尺度占空比高时（在这种情况下限制因素变成小尺度行为），小尺度改变也可以是特别相关的。实际上，针对延迟不敏感应用，可以应用大尺度占空比和小尺度占空比的积（即SDC*LDC），从而在单个度量SDC*LDC内捕捉大尺度和小尺度行为两者。

请注意，“大时间尺度”和“小时间尺度”是相对项，并且精确定义取决于特定应用要求。然而，对于典型情况而言，预期大时间尺度间隔比小时间尺度间隔大几个数量级。

为此，建模组件8实现干扰表征方法以将干扰源建模为i）相对缓慢地循环地转换进入不活动状态和从其中出来，即在活动与不活动之间，以及ii）只有当活动时，在其中干扰源活动并在正在讨论中的信道上产生干扰的第一活动状态与其中干扰源不活动但并未在正在讨论中的信道上产生干扰的第二活动状态之间相对快速地循环地转换。因此干扰源被建模为始终处于三个离散状态中的一个：不活动，第一活动和第二活动。

干扰表征方法具有基于随时间推移收集的ED值而生成的两个输出：估计大尺度占空比（LDC），其是干扰源在活动与不活动之间切换的占空比的估计（即作为总时间的一定比例的其中干扰源活动的平均时间量）和估计小尺度占空比（SDC），其是干扰源当活动时在‘活动并在正在讨论中的信道上产生干扰’与‘活动但并未在正在讨论中的信道上产生干扰’之间切换的占空比的估计（即，作为其中干扰源活动的平均时间的一定比例的其中干扰源是活动的并在正在讨论中的信道上产生干扰的平均时间量）。

延迟不敏感分组是根据大时间尺度度量发送的（其不需要考虑到小时间尺度度量），并且延迟敏感分组是根据小时间尺度度量发送的（其不需要考虑到大时间尺度度量）。

存在使用这些占空比例如作为用于切换整个网络的通信信道的许多不同方式。作为另一特定示例，可以在具有严重网络干扰情况的时间间隔中避免数据丰富（data-extensive）和/或关键的应用业务（诸如灯切换调度的更新）。

干扰源的实际行为可以是（至少近似）周期性的，即以周期P1（近似）周期性地在活动与不活动之间转换以及以周期P2＜P1在第一和第二活动状态之间转换，以使得LDC表示其中干扰源活动的P1的比例，并且SCD表示其中干扰源是活动的并在正在讨论中的信道上产生干扰的P2的比例。然而这不是必需的—例如，在第一和第二活动状态之间的转换可以本质上是随机的或伪随机的，但是尽管如此，使得在给定时间点干扰源是活动的并在正在讨论中的信道上产生干扰的概率保持相当恒定；在这种情况下，SDC仍提供干扰源的平均短时间尺度行为的良好概览。

参考图3和4，将描述一个此类方法，其是低复杂性的，并要求较少的存储器使用和计算功率。

这种方法中的关键元素是能量检测样本被索引（即执行测量序列，并且用与序列中的能量测量的位置相对应的索引，来表示序列中的每个能量测量）而不是存储所有样本。当干扰表征过程开始或被重置时计数器开始，并且在每次能量检测时增加；分配给当前测量的索引是基于计数器的当前值。由于能量检测是以规则方式执行的，从占空比估计角度出发，集中于超过某个阈值值的样本的数目就足够了。此阈值值可以基于通信链路预算分析来选择。链路预算分析是应用于从发送机到接收机的通信信号的各种增益、损耗和衰落的分析。例如，可以基于接收机处的预期接收信号功率和用于成功信号接收的期望信噪比来确定阈值值。

不需要记录所有索引；在这里，仅记录当能量检测值超过所选阈值时的索引。此外，并非具有高能量检测值的所有此类索引都需要存储；仅对最近的此类索引的数目感兴趣，如稍后将从状态机角度而详述的。采用FIFO（“先进先出”）结构来存储相关能量检测值的索引。

图3图示出FIFO结构14，其中保持M个索引16（1）、...、16（M）（一般地作为16提及）。如果ED值超过空闲信道评估（CCA）阈值（例如其可以是基于针对特定通信系统的链路预算分析而手动地设定的），则ED操作的索引被输入到FIFO 14。CCA阈值定义被视为对装置1的正常操作并不明显有害的信道中的可容忍水平的干扰（在阈值以下）与对装置1的正常操作明显有害的信道上的不可接受水平的干扰（在阈值以上）之间的边界。

FIFO因此保持M个（例如M＝10）最近索引，一旦FIFO已满（“最后一个索引”16（M）是最近索引），最旧的索引（“第一索引”16（1））在添加新索引时被丢弃。CCA阈值表示空闲可供使用（在阈值以下）的信道与由于信道上的干扰水平太高而不可使用的信道上的干扰水平太高（在阈值以上）之间的边界。在同时地监视多个信道的情况下（如在图2B中），多个此类FIFO被相互独立地实现并更新—每个信道一个。

请注意，参考标号16（1）、...、16（M）涉及FIFO中的位置；随着FIFO 14被更新，每个索引16（n）改变，即当添加新索引时，此新索引变成最后一个索引16（M），先前的最后一个索引16（M）变成倒数第二最后索引16（M-1）等。作为第一索引的索引被从FIFO丢弃，并且作为第二索引的索引变成第一索引。

图4示出了可用于在相对于干扰检测值运行的当前信道上的干扰表征的状态机20。状态机20具有三个状态：State_NO、State_YES_ON和State_YES_OFF。State_NO对应于干扰源的状态，其中假设干扰源是不存在的，或者其电源被关断（即是不活动的）。此状态从大时间尺度占空比估计角度出发是最有用的。

State_YES_ON对应于干扰源的状态，其中假设干扰源正在操作（即是活动的），并且产生对当前信道的干扰。State_YES_OFF对应于干扰源的状态，其中假设干扰源正在操作（即是活动的），但是此时并未产生对当前信道的干扰。

示例是跳频器形式的潜在干扰源。State_NO意指跳频器被关断。State_YES_ON意指跳频器被接通，并且当前正在向当前信道中进行发送。State_YES_OFF意指跳频器被接通，但是当前已从当前信道跳离。

状态机20针对每个能量检测操作被更新，无论该操作的能量检测结果的索引是否被带入FIFO中（即无论ED值是在CCA阈值以上还是以下）。在下文和图4中，“current_index”意指最近ED操作的索引，其结果可以或者不可以已被添加到FIFO 14。

根据多个状态之间的转换准则，所采用的是能量检测值通过采用存储在FIFO中的索引而超过所选阈值的最近概率。转换准则如下面所阐述的（Tn:X->Y意指从状态X至状态Y的转换；符号“Cn”用来表示转换Tn发生时的条件）。

保持四组记录时间，并且当状态机20以下面阐述的方式经历转换时进行更新。被用来估计占空比SDC和LDC的是这些时间变量，在适当时将对其进行描述。

三个参数τ1、τ2和τ3将状态机20的行为参数化。这些参数的值是以编程方式基于用于FIFO的可用存储器和在这些转换条件下使用的百分比准则而设定的。

T1:State_NO->State_YES_ON:

C1:	如果FIFO 14中的M1索引（例如，M1＝M，即全部的M个索引16）在窗口[current_index- τ1,current_index]内（例如τ1=100）：
		记录新 t1	＝当前在FIFO 14中的第一索引16（1）；
记录新 t2’	＝t1（即也等于第一索引）。

T2: State_YES_ON->State_YES_OFF:

C2:	如果FIFO 14中的至多m1个索引在窗口[current_index- τ2, current_index]内，其中τ2<τ1（例如τ2＝10，m1＝1）；
		记录新 t1’	＝当前在FIFO 14中的最后索引16（M）；

T3: State_YES_OFF->State_YES_ON:

C3:	如果FIFO 14中的至少m2个索引在[current_index- τ2, current_index]内（例如m2＝2）；
		记录新 t2’	＝当前在[current_index- τ2, current_index]内的最早索引。

T4: State_YES_OFF->State_NO:

C4:	如果FIFO 14中最多M2个索引在窗口 [current_index- τ3, current_index] 内，其中 τ3≥τ1 (例如 τ3=1000, M2=M-1,例如 M2=9);
		记录新 t2	＝当前在FIFO 14中的第一索引16（1）。

宽泛地说，上文所阐述的方案如下工作。回想FIFO 14仅保持用于在CCA阈值以上的ED值的索引：因此，所有当前保持的索引在current_index的τ1内（即满足条件C1）意指最近在信道上存在相对持续的高能量水平，其可以被假设为当首先满足了该条件C1时在对应于FIFO 14中的第一索引的时间已开始，因为这表示持续的高能量的周期的开始。

条件C2和C3允许YES_ON与YES_OFF之间的相对快速的切换，以在其中干扰源是活动的（但是仅周期性地在正在讨论的信道上产生干扰）的间隔期间对短占空比行为进行建模。

满足条件C4意指在CCA阈值以上的信道上的最旧记录的活动旧到足以指示干扰源不再是活动的—“足够旧”由参数τ3设定。换言之，满足C4指示即使当干扰源活动时，在预期的该信道上的间歇不活动以上并超过该间歇不活动的正在讨论中的信道上的持续不活动，以及因此的由干扰源到不活动状态的切换。条件C4充分地‘放松’，确实允许某些不活动性以适应在State_YES_ON与State_YES_OFF之间的切换，而不会太容易地恢复成State_NO。由于转换条件和T4是从STATE_YES_OFF转换（没有切换回到STATE_YES_ON）的事实，可以假设转换在对应于当前第一索引的时间发生。

状态转换准则C1、...、C4使得以与大尺度占空比估计最相关的方式提出State_NO，并且STATE_YES_ON和STATE_YES_OFF与小尺度占空比估计最相关。

更具体地，为了使状态机从State_NO进入State_YES_ON，必须已经接收到一定量的高能量检测值，从而避免由于多个原因而引起的零星高能量检测值的容易触发，该原因包括能量检测操作与有效分组报告之间的冲突，从而导致分组报头针对干扰被‘弄错’。

此外，在离开State_NO与进入State_NO之间采用不平衡准则，使得进入State_NO要花费更长时间。原因是将更好地在状态State_YES_OFF和State_NO之间进行区别。进入State_YES_ON和State_YES_OFF之间的准则也是模式不同的，使得其并不相互重叠。

如将显而易见的，m1、m2、M1、M2的上述值是示例性的。实际上，将根据其它参数（诸如观察间隔FIFO尺寸等）来设定适当的值。

大尺度占空比LDC被确定为：

并且小尺度占空比SDC被确定为：

其中，是计划的观察索引的数目，即在其中收集t1和t2值的持续时间中的能量检测的预期数目—例如，如果在一小时的持续时间内每100ms执行一次能量检测操作，则＝36000；被用作总持续时间的指示。运算符“∑”表示随着状态机20改变状态而记录的所有相关时间内的总和（例如∑（t2-t1）意指最近记录t2值减去最近记录t1值，加上下一最近记录t2值减去下一最近记录t1值等）。

当同时地监视多个信道时，多个此类状态机被相互独立地实现并更新—每个信道一个。

返回至图1A，建模组件8被示为包括干扰功率估计组件8a，其估计（多个）无线信道上的平均干扰功率。

为了估计用于给定信道的平均干扰功率，针对用于处于状态State_YES_ON和State_YES_OFF的该信道的能量检测值，执行运行和平均操作，并且仅考虑大于测量阈值（MT）的值，该测量阈值比用于将由FIFO记录的能量检测索引的阈值（即CCA阈值）低几个（一个或多个）dB。亦即，将平均干扰功率估计为

其中，即在MT以上并在状态机20处于State_YES_ON或者State_YES_OFF（不是State_NO）时测量的ED值的集合，并且其中，｜E｜是E中的值的数目。通过每当在State_YES_OFF/State_YES_ON中检测到在MT以上的新ED值（newED）时，通过将“SUM”和“|E|”更新为下式来更新“power”而保持运行和：

- ;

- .

选择此测量阈值MT，从而集中于干扰引入的能量检测值而不是随机噪声引入的，并且由于保守的转换准则是由状态机选择的事实，结果是在STATE_YES_OFF或STATE_YES_ON下不存在瞬时干扰，即在信道中存在的某些非相关零星能量由于状态转换条件而被自动地排除。

估计平均干扰功率对采取用于在存在干扰的情况下发送/接收数据的某些策略有用。例如，如果干扰占空比是相对高的，但平均干扰功率是相对低的，例如刚好在CCA阈值以上，则可以临时地增加传输功率以虑及这一点。

虽然可能不确定地运行先前引入的干扰表征，但实际上常常期望获取固定期限（诸如一个小时）内获取表征。因此，可以基于小时来获得表征结果。以下两个方法中的任一个可以实现这一点。第一个是让状态机不确定地运行，但是在小时边界处记录瞬时状态，并且然后相应地计算占空比和平均干扰功率水平。另一种方法是简单地在每小时开始时将状态机重置成STATE_NO。由第二种方法引入的偏置是最小的，因为计算的性质是基于FIFO中的索引，并且在实践中实现起来比第一种方法更简单。

干扰源的行为可能在（例如）所述小时期间改变。然而，从应用角度出发，在相对长的时间（诸如一小时）之后获得已更新干扰表征就足够了。这是本技术如何不同于上文所讨论的需求资源的实时信道估计方法的方面中的一个。

在ED操作期间，无线电收发机不能发送或接收任何正常分组。为了确保关键数据不会由于实时能量检测操作而被延迟或遗漏，做出能量检测操作的调度。

图5是用于调度的流程图。在用于能量检测操作的调度时间，确定收发机当前是否在忙于发送或接收数据分组（S2）。如果不是，则命令收发机执行短能量检测（S4）；如果是这样，则简单地跳过此调度能量检测操作（S6）。在任一种情况下，收发机等待（S8）下一调度时间以尝试执行下一能量检测操作。可选地，此调度操作在执行方面可以是随机化的。

当执行如上文所阐述的规则实时能量检测操作时，跳过几个能量检测操作不具有显著影响。因此，相比于能量检测使数据传输优先化确保在有利地对干扰表征方法具有最小影响的同时，不会遗漏关键数据。

本发明人已经基于本主题执行了模拟以及现场测量。作为示例，如下提出具有给定干扰源的模拟结果。在下文中可以看到估计在给定适当的参数设置的情况下，给出合理的估计准确度。

模拟条件：

- —ED采样间隔100ms

- 干扰：

　　◦ 大尺度周期＝60s

　　◦ 大尺度占空比＝50%

　　◦ 小尺度周期＝2 s

　　◦ 小尺度占空比＝10%至100%

- 随机干扰幅度＝10至30

- 模拟时间：1小时。

图6A示出了关于作为实际（模拟）小尺度占空比的函数的估计平均功率的模拟结果的曲线图。图6B示出了关于作为实际小尺度占空比的函数的估计大尺度占空比的模拟结果的曲线图。图6C示出了关于作为实际小尺度占空比的函数的估计小尺度占空比的模拟结果的曲线图。

本发明人还已向Phillips Starsense Wireless通信平台上实现所提出的干扰表征方法，并且对实际干扰源执行现场测量：具有跳频调制方案的活动的RFID装置。RFID装置拥有具有不同的行为的多个模式。

精确地知道什么是实际占空比或平均功率实际上是不可能的。但是，根据图7A—D中呈现的结果，其集中于小尺度占空比估计，可以看到利用适当的参数设置可以获得相当准确的估计结果。图7A示出了当RFID装置被配置成活动RFID装置的模式1操作时由收发机随时间推移而收集的ED值的曲线图，图7B是对应模式2，图7C是对应模式3，并且图7D是对应模式4。

表1：

模式：	T1= 100ms	T1 = 50ms
			模式1（图7A）	50.2%	12.8%
模式2（图7B）	62.7%	29.4%
			模式3（图7C）	70.3%	47.5%
模式4（图7D）	81.7%	65.7%

表的条目是针对给定模式和T1所估计的小尺度占空比估计（T1是能量检测操作之间的间隔）。

本发明人还已经执行现场测量以评估规则能量检测采样对网络性能的影响，以证明正常的发送/接收操作未被能量检测操作显著中断。实验是在具有8个节点的小型网络中执行的，在868.3MHz信道处具有假设欧洲设置，其中，通过管制而引入1%占空比限制。在图8中呈现了根据用于每个节点的针对单播消息（竖轴）的成功率所测量的关于网络性能的结果。可以看到在此设置中对网络性能的影响是可忽略的。

如所指示的，本主题发明的一般应用包括无线照明控制网络—例如StarsenseWireless和按需照明系统—以及使用非许可频段的传感器网络通信应用。然而，本主题不限于这些应用。

虽然上文考虑了占空比，但替换的短和长时间尺度度量是可行的，例如每个包括描述相关转换的各（多个）时间的时间度量。

此外，将显而易见的是，规定状态机的行为的上述条件C1—C4是示例性的—可以表征干扰源的双占空比行为的其它适当条件将是显而易见的。

虽然上文提出了基于状态机的占空比估计，但可以采用不同的方法来估计小和大尺度占空比，该方法例如具有不同响应时间的数字滤波技术，或者基于能量检测结果的记录的一个或多个序列的典型信号估计技术。

根据附图、说明书和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实践要求保护的发明时可以理解并实现对公开实施例的其它修改。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中叙述的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被用来获益。可以将计算机程序存储/分布在适当介质上，该介质诸如连同其它硬件一起或者作为其一部分供应的光学存储介质或者固态介质，但是也可以以其它形式分发，该分发诸如是经由因特网或其它有线或无线电信系统。不应将权利要求中的任何参考标号理解为限制其范围。

Claims (15)

1.一种用于在存在干扰源的情况下在无线信道上通信的装置，该装置包括：

接口，其被配置成连接到无线发送机和无线接收机；

控制器，其被配置成控制接收机访问信道以执行能量检测序列，每个能量检测包括在各检测时间收集信道中的能量；以及

建模组件，其被配置成将干扰源建模为循环地转换进入不活动状态和从其中出来，并且当在不活动状态之外时在其中干扰源是活动的并在信道上产生干扰的第一活动状态与其中干扰源是活动的但在信道上产生基本上较低水平的干扰的第二活动状态之间循环地转换；

其中，建模组件被布置成用于基于能量检测序列而确定：

i）大时间尺度度量，其描述进入不活动状态和从其中出来的转换，以及

ii）小时间尺度度量，其描述第一和第二活动状态之间的转换；以及

其中，所述控制器被配置成由发送机根据估计的度量实现数据的传输。

2.根据权利要求1所述的装置

其中，所述数据被作为分组发送，该分组被分类为延迟敏感或延迟不敏感，并且

其中，延迟敏感分组被根据小时间尺度度量发送，而延迟不敏感分组被根据大时间尺度度量发送。

3.根据权利要求2所述的装置

其中，所述延迟不敏感分组被根据大时间尺度度量和短时间尺度度量两者发送。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置

其中，所述大和小时间尺度度量分别地传达进入不活动状态和从其中出来的转换的占空比，以及在第一和第二活动状态之间转换的占空比。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的装置

其中，所述建模组件被配置成，针对序列中的每个能量检测确定在各检测时间处收集的能量的量在空闲信道评估阈值以上，并且只有当这样时才存储该能量检测的索引，度量是基于存储的索引而确定的。

6.根据权利要求5所述的装置，

其中，用于在空闲信道评估阈值以上的量的索引被输入到具有尺寸M的FIFO结构，由此，只有在空闲信道评估阈值以上的M个最近索引被存储在FIFO结构中，度量是基于存储在FIFO结构中的索引而确定。

7.根据任何前述权利要求所述的装置，

其中，所述建模组件被配置成实现状态机，该状态机包括：

对应于干扰源的不活动状态的不活动状态、对应于干扰源的第一活动状态的第一活动状态以及对应于干扰源的第二活动状态的第二活动状态，

其中，所述状态机被配置成如下根据关于所述多个能量测量的条件而在各状态之间转换：

当满足所述条件中的第一个时从不活动状态至第一活动状态，第一条件的满足指示干扰源从其不活动状态出来的转换，

当满足所述条件中的第二个时从第一不活动状态至第二活动状态，第二条件的满足指示干扰源进入其第二活动状态的转换，

当满足所述条件中的第三个时从第二活动状态到第一不活动状态，第三条件的满足指示干扰源进入其第一活动状态的转换，

当满足所述条件中的第四个时从第二活动状态至不活动状态，第四条件的满足指示干扰源进入其不活动状态的转换；

其中，所述度量是通过跟踪状态机的转换而估计的。

8.根据从属于权利要求6的权利要求7所述的装置，

其中，所述第一条件是FIFO结构中的M1个索引在第一窗口内，

其中，所述第二条件是FIFO结构中的至多m1个索引在短于所述第一窗口的第二窗口内，

其中，所述第三条件是FIFO中的至少m2个索引在第二窗口内，并且第四条件是FIFO结构中的至多M2个索引在长于第一窗口的第三窗口内。

9.根据任何前述权利要求所述的装置，

包括被配置成估计平均干扰功率的干扰功率估计组件，估计平均干扰功率包括将多个能量检测值加和，每个能量检测值是通过序列中的能量检测获得的，对于该能量检测而言，a）各检测时间与干扰源处于第一或第二活动状态一致，并且b）在各检测时间收集的能量的量在测量阈值以上。

10.根据权利要求9所述的装置，

其中，所述测量阈值低于空闲信道评估阈值。

11.根据任何前述权利要求所述的装置，

其中，所述能量测量序列是根据周期性调度执行的，其中：

每个检测在其调度时间被执行，使得序列是周期性的；或者

每个能量检测在从其调度时间偏移从预定时间间隔中随机地选择的量的时间被执行，使得序列是准周期性的。

12.根据权利要求11所述的装置，

其中，所述信道是所述装置可以在其上通信的N个无线信道中的一个，并且所述控制器被配置成控制接收机访问N个信道中的每一个以基于周期性调度来执行各能量检测序列，所述周期性调度具有周期T，

其中，所述序列在时间上相互交织，并且每个序列在时间上从所述序列中的各其它序列偏移T/N，其中，所述序列被用来对N个信道上的干扰建模。

13.根据任何前述权利要求所述的装置，其被配置成供在无线传感器网络和/或无线照明控制网络中使用。

14.一种用于在存在干扰源的情况下在无线信道上通信的方法，该方法包括：

控制接收机访问信道以执行能量检测序列，每个能量检测包括在各检测时间收集信道中的能量；以及

将干扰源建模为循环地转换进入不活动状态和从其中出来，并且当在不活动状态之外时在其中干扰源是活动的并在信道上产生干扰的第一活动状态与其中干扰源是活动的但在信道上产生基本上低水平的干扰的第二活动状态之间循环地转换；

其中，对干扰源建模包括基于能量检测序列而确定：1）大时间尺度度量，其描述进入不活动状态中和从其出来的转换；以及ii）小时间尺度度量，其描述在第一和第二活动状态之间的转换；

所述方法还包括：

根据估计的度量实现由发送机进行的数据传输。

15.一种包括代码的计算机程序产品，所述代码被存储在计算机可读存储介质上，并且当被执行时被配置成实现权利要求14所述的方法。