CN111200820B - 动态频谱共享 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了动态频谱共享。提供了用于识别为波束成形可用的无线发送机会的技术。除了识别可用于发送无线电信号的频带和时分之外，通信系统的波束成形能力还用于识别可用于在特定频带中发送无线电信号的空间方向。频谱管理工具识别在动态频谱共享环境中进行发送的可用空间方向、频带和时分，并且无线电发送设备由该工具配置为在识别的可用空间方向、频带和时分中进行发送。

Description

动态频谱共享
背景技术
无线电频谱的可用性对于使用无线技术(例如3G、4G甚至5G)来提供电信服务的无线网络运营商至关重要。某个国家内部对无线电频谱的使用通常由该国家的相应政府监管。国家的政府可以向一个或更多个被许可方许可无线电频谱的各个频带，以使每个被许可方可以专有使用无线电频谱的特定频带。为了更好地利用美国的可用无线电频谱，美国联邦政府提倡在不同位置和不同时间共享未使用的联邦无线电频谱。
最新的无线技术(例如5G)利用无线电发送技术(例如波束成形)来实现空间选择性。波束成形使用阵列中的多个天线元件，将天线能量聚焦在窄波束中，并且通过适当地加权各个天线信号的幅度和相位，来控制发射的无线电信号的波前方向。波束成形使无线电发射器可以将无线电信号任何特定的目标沿任何特定的空间方向引导。波束成形还使得无线电接收机接收波束成形引导的无线电信号，以确定到达的无线电信号的波前方向。
附图说明
参照附图描述详细描述，其中附图标记的最左边的一个或更多个数字识别该附图标记首次出现的附图。在不同附图中使用相同附图标记表示相似或相同的条目。
图1从概念上示出了动态频谱共享环境，在该动态频谱共享环境中，基站由频谱管理工具配置为通过波束成形来发送和接收无线电信号。
图2A与图2B概念性地示出了在动态共享环境中用于发送信号的空间方向的选择。
图3示出了GUI针对特定频带在不同空间方向上的无线电干扰强度的示例表示。
图4示出了GUI中在不同空间位置和不同频率处的无线电干扰强度的示例表示。
图5是显示了与本公开的实施例一致的、实现频谱管理工具的计算设备的各个组件的框图。
图6示出了与示例性实施例一致的、由操作频谱管理工具的计算设备控制的基站的框图。
图7概念性地示出了用于识别频谱机会，并且用于引导无线电信号发送设备使用所识别的频谱机会的过程。
具体实施方式
本公开致力于一种用于识别通过波束成形而可用的无线发送机会的系统和技术。具体地，除了识别可用于发送无线电信号的频带和时分之外，通信系统的波束成形能力还用于识别可用于在特定频带中发送无线电信号的空间方向。在所识别的空间方向上发送的无线电信号不会在其他空间方向上受到相同频带的其他无线电信号的显著干扰。在一些实施例中，频谱管理工具识别可用于在动态频谱共享环境中进行发送的可用空间方向、频带和/或时分，并且无线电发送设备由该工具配置为在所识别的可用空间方向、频带和/或时分中进行发送。
图1概念性地示出了动态频谱共享环境100，其中基站102由频谱管理工具配置为通过波束成形来发送和接收无线电信号。具体地，该工具选择空间方向和当前时间要发送的频带，并且配置基站102，以通过使用当前时间的所选频带来在所选空间方向上发送信号。
基站的动态频谱共享环境是这样的环境：其中基站基于动态频谱使用信息，与一个或更多个其他信号源共享无线电频谱的使用。在动态频谱共享环境100中，基站102与无线电信号源104、106和108共享无线电频谱的使用。
基站102是配备有无线电发送和接收设备的系统，该无线电发送和接收设备支持与无线运营商网络的移动设备之间的来往通信。基站102的无线电信号发送设备可以包括阵列中的多个天线元件，该阵列中的多个天线元件可以被配置为通过将多个天线元件的天线能量聚焦在空间方向上的窄波束中，来瞄准或对准空间方向。通过适当地加权各个天线信号的幅度和相位，控制发送信号的波前方向。
其他无线电信号源104、106和108可以是其他无线蜂窝网络基站、Wi-Fi热点、无线电站、或电磁波其他源。这些其他无线电信号源的输出可能会干扰基站102发送和接收的无线电信号(因此，其他无线电信号源也称为干扰源)。由干扰源产生的各种频率的无线电干扰在基站102处、在不同的空间方向上是可检测的。如图所示，基站102在空间方向S1上检测到来自频带F1的无线信号源104的干扰。基站102检测在空间方向S2上来自频带F2的无线信号源106的干扰。基站102检测在空间方向S3上来自频带F3的无线信号源108的干扰。
在一些实施例中，每个空间方向(例如，S1，S2和S3)包括多维空间坐标的范围。例如，在一些实施例中，每个空间方向可以由三维空间范围的非球面坐标(r，θ，φ)或笛卡尔坐标(x，y，z)表示。在一些实施例中，由于在识别可用于发送和接收信号的空间方向时，可能不需要基站102与干扰源之间的距离r，所以每个空间方向由球坐标(θ，φ)中的二维空间范围表示。
基站102的操作由执行频谱管理工具的计算设备110控制。频谱管理工具接收动态干扰数据和静态使用数据，并且根据接收到的数据来配置基站102的无线电信号发送和接收设备(统称为收发器)。
动态干扰数据基于当前时间的干扰测量。动态干扰数据可以包括由基站的天线检测到的无线电信号或电磁波的测量。对检测到的信号的测量可以包括检测到的信号的频率和强度，以及从中检测到信号的空间方向。动态干扰数据还可以基于针对不同空间方向上的不同频带在一段时间内的干扰测量结果的累积。
静态使用数据是关于无线电频谱的使用的静态可用数据。静态使用数据可以包括静态使用或分配数据，静态使用或分配数据由频谱管理工具从国际、国家和地方各级的各种公共和私人机构维护的不同数据库中提取。这些机构的示例包括联邦通信委员会(FCC)、国家电信和信息管理局(NTIA)、国际电信联盟(ITU)和第三代合作伙伴计划(3GPP)。在某些实施例中，频谱管理工具使用静态干扰数据，以识别在使用动态干扰数据选择空间方向和当前时间要发送的频带时，要避免的频带。
频谱管理工具用来控制基站102的干扰数据包括：由于其他信号源104、106和108而引起的干扰的报告(即，来自空间方向S1的频带F1的干扰，来自空间方向S2的频带F2的干扰，以及来自空间方向S3的频带F3的干扰)。频谱管理工具依次识别空间方向和频带，其中来自信号源104、106和108的信号不会干扰在当前时间由基站102发送和接收的信号。频谱管理工具相应地选择用于发送的空间方向和频带，并且配置基站的无线电收发器，以在所选空间方向上发送所选频率的信号。具体而言，频谱管理工具将天线阵列配置为通过波束成形，将天线阵列的能量聚焦在所选空间方向上。
在图1的示例中，基站102被配置为在空间方向S4上、发送在频带F1中的信号。即使信号源104也在频带F1(尽管来自不同的空间方向S1)中发送，这也使得基站102能够使用频带F1。基站还被配置为通过波束成形，在空间方向S5上在频带F2上发送信号。即使信号源106也在频带F2(尽管来自不同的空间方向S2)中发送，这也使得基站102能够使用频带F2。
图2A和图2B概念性地示出了在动态共享环境中用于发送信号的空间方向的选择。这些图显示在三维(3D)图200中，基站102在不同空间方向上以不同频率检测到的干扰的强度。3D图的z轴对应于干扰强度，y轴对应于频率，并且x轴对应于空间方向。3D图200中的峰值对应于显著的干扰。
频谱管理工具通过找到频带可用于发送的空间方向，来选择频带和空间方向，即使该频带由于干扰而不能在所有空间方向上用于发送也是如此。在一些实施例中，频谱管理工具针对给定的频带，选择干扰低于某个阈值的空间方向。在一些实施例中，频谱管理工具选择对于给定频带干扰最小的空间方向(即，对于给定频率，干扰量小于所有其他空间方向的空间方向)。在一些实施例中，频谱管理工具使用静态使用数据，来识别已经被分配并且不能被基站共享用于发送的频带。
图2A示出了用于在频带F1中发送信号的空间方向的选择。在频带F1中的干扰低于某个阈值的空间方向被图示为方格。在该示例中，频带F1在空间方向S1上具有显著的干扰，但是在其他地方具有低于阈值的干扰。特别地，空间方向S4对频带F1具有最小的干扰量。因此，频谱管理工具选择空间方向S4，以通过波束成形在频带F1中发送信号。
图2B示出了用于在频带F2中发送信号的空间方向的选择。以方格图案示出了其中频带F2中的干扰低于某个阈值的空间方向。在该示例中，频带F2在空间方向S2上具有显著的干扰，但是在其他地方具有低于阈值的干扰。空间方向S5尤其对于频带F2具有最小的干扰量。因此，频谱管理工具选择空间方向S5，以通过波束成形在频带F2中发送信号。
在一些实施例中，频谱管理工具提供图形用户界面(GUI)，使得该工具可以在GUI中以图形方式呈现检测到的无线电干扰。GUI可以在特定时间针对特定频带在不同空间方向上呈现无线电干扰强度。GUI还可以在特定的时间针对不同的频带在不同的空间位置呈现无线电干扰强度。GUI可以针对不同的时间实例针对不同的频带在不同的空间位置呈现无线电干扰强度。
图3示出了GUI针对特定频带在不同空间方向上的无线电干扰强度的示例表示。GUI显示3维(3D)圆顶300，其表示从基站102的角度可能的空间位置。3D圆顶表面上的空间位置对应于不同的球坐标位置(r，θ，φ)(具有固定r)。频谱管理工具可以将干扰显示为特定频带的圆顶300表面上的图案(具有干扰的空间方向被示为圆顶300上的阴影区域)。GUI可以显示针对同一圆顶300上的不同频带的干扰(例如，用于显示频带F1中的干扰的第一颜色和/或图案，用于显示频带F2中的干扰的第二颜色和/或图案等)，或在多个不同的圆顶(例如，用于显示频带F1中的干扰的圆顶300，用于显示频带F2中的干扰的另一个圆顶302，用于显示频带F3中的干扰的另一个圆顶304等)。GUI可以在圆顶300上显示特定时间(例如，当前时间)的干扰。GUI可以显示在不同圆顶上的多个不同时间的干扰。
图4示出了GUI中在不同空间位置和不同频率处的无线电干扰强度的示例性表示。GUI在三维(3D)图400中示出了基站102在不同频率和不同空间方向上检测到的干扰的强度。3D图的z轴对应于干扰强度，y轴对应于频率，x轴对应于空间方向。GUI可以在3D图400上显示特定时间(例如，当前时间)的干扰。GUI可以在不同的3D图中的多个不同时间(例如，时间＝T1的3D图400和时间＝T2的另一3D图402)显示干扰。
在一些实施例中，频谱管理工具的GUI可以允许用户通过例如在GUI中选择与频带或空间方向相对应的图形项，来手动选择空间方向或频带。
示例计算设备
图5是示出了与本公开的实施例一致的、实现频谱管理工具的计算设备500的各种组件的框图。计算设备500能够与基站102接口，并且控制其工作频带和天线阵列。计算设备500可以是通用计算机，例如台式计算机、平板计算机、膝上型计算机、服务器或其他能够接收输入、处理输入、并生成输出数据的电子设备。在一些实施例中，计算设备500可以是托管在云中的虚拟机或软件容器形式的虚拟计算设备。
计算设备500可以配备有通信接口502、一个或更多个处理器504、设备硬件506和存储器508。通信接口502可以包括使计算设备500无线和/或有线通信组件，其使计算设备500能够通过专用有线连接或经由通信网络，向其他设备发送数据和从其他设备接收数据。例如，通信接口502使计算设备500能够与基站102通信，从而频谱管理工具可以配置基站的天线阵列以用于波束成形。设备硬件506可以包括执行用户界面、数据显示、数据通信、数据存储和/或其他服务器功能的附加硬件。
存储器508可以使用计算机可读介质(诸如计算机存储介质)来实现。计算机可读介质包括至少两种类型的计算机可读介质，即计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质可包括以用于存储信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质，信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储介质可包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字多功能磁盘(DVD)、或其他光学存储器、磁带盒、磁盒、磁盘存储器或其他磁性存储设备，或可用于存储信息以供计算设备访问的任何其他非发送介质。相反，通信介质可以在调制数据信号(诸如载波)或其他传输机制中体现计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其他非发送机构。
计算设备500的处理器504和存储器508可以实现操作系统510、图形用户界面(GUI)512、波束成形控制器514、干扰数据收集器516、干扰数据存储器518和频谱管理工具520。
操作系统510可以包括使计算设备500能够经由各种接口(例如，用户控件、通信接口和/或存储器输入/输出设备)接收和发送数据以及使用处理器504来处理数据以生成输出的组件。操作系统510可以包括呈现组件，其呈现输出(例如，在电子显示器上显示数据，将数据存储在存储器中，将数据发送到另一电子设备等)。另外，操作系统510可以包括执行通常与操作系统相关联的各种附加功能的其他组件。
图形用户界面(GUI)模块512是允许计算设备500以图形方式接收输入并以图形方式呈现输出的程序。GUI模块使计算设备显示GUI，GUI用于呈现在计算设备上运行的各种程序的输出。GUI模块512还使计算设备显示可用于通过选择(经由光标、触摸屏、用户手势等)或通过文本输入，来接收输入的图形项目。在一些实施例中，GUI模块512是操作系统510的一部分。
波束成形控制器514负责控制基站102的天线阵列，以通过通信接口502进行波束成形。干扰数据收集器516基于来自基站的无线电测量，来收集干扰数据。所收集的干扰数据被存储在干扰数据存储器518中。在一些实施例中，波束成形控制器514、干扰数据收集器516和干扰数据存储器518是频谱管理工具520的组件。
频谱管理工具520是在计算设备500上执行的程序。频谱管理工具520使用波束成形控制器514，基于存储在干扰数据存储器518中的干扰数据，来配置基站操作频带和天线阵列。
频谱管理工具520可以使用GUI模块512，来针对诸如图3和图4中示出的那些3D图形不同频带，在不同空间方向上呈现干扰。工具520还可以使用GUI模块512显示分配图、地图、干扰数据、使用情况和分配数据等。此外，工具520也可以使用GUI模块512从用户接收空间位置、频带或地理位置的选择或指定。频谱管理工具520包括频谱共享模块522、使用数据检索器模块524和干扰呈现模块526。频谱共享模块522基于干扰数据、当前时间和当前位置，来选择要发送的频带和空间方向。使用数据检索器模块524从一个或更多个数据库中检索频带的静态使用数据。干扰呈现模块526格式化干扰数据以在GUI中呈现。
图6说明与示例性实施例一致的、由操作频谱管理工具520的计算装置500控制的基站102的框图。基站102是通信系统，其包括方向传感器600、无线电收发器602和计算设备500。
如图所示，方向传感器600(通过通信接口502)将检测到的无线电信号的测量结果提供给计算设备。这些测量可以包括检测到的无线电信号的信号强度、频率和空间方向。干扰数据收集器516将收集的测量结果格式化为干扰数据。格式化的干扰数据被存储在干扰数据存储器518中。干扰数据收集器516可以可选地将收集的干扰数据与时间戳相关联。
频谱管理工具520从干扰数据存储器518检索干扰数据。频谱管理工具520的干扰呈现模块526将不同空间方向、频率和时间的干扰数据呈现为3D图形，以供GUI 512显示。
频谱管理工具520的频谱共享模块522基于存储在干扰数据存储器518中的干扰数据，来选择要发送的频带和空间方向。频谱共享模块522选择要发送的空间方向和频带，使得以选定空间方向为目标的选定频带中的信号具有最小的干扰水平，或低于预定干扰水平阈值的可接受干扰水平。所选择的空间方向和频率被提供给波束成形控制器514。
在一些实施例中，频谱管理工具的使用数据检索器模块524从多个数据库604中检索各个频带的静态使用和分配数据。当选择频带和空间方向以发送时，频谱共享模块522使用检索到的使用和分配数据，来补充检测到的当前位置的干扰数据。在一些实施例中，频谱管理工具通过使用GUI模块512来显示检索到的静态使用和分配数据。
波束成形控制器514将传出数据发送到无线电收发器602，以在所选空间方向上的所选频带中进行发送。波束成形控制器514还可以从无线电收发器602接收进入数据。波束成形控制器514通过指示天线元件阵列将天线阵列的能量在所选空间方向上聚焦，来执行波束成形。
图7概念性地示出了用于识别频谱机会并且用于引导无线电信号发送设备使用所识别的频谱机会的过程700。当使用频谱管理工具搜索可用频带以用于发送时，控制蜂窝网络的基站(例如，基站102)的计算设备(例如，计算设备500)可以执行过程700。
过程700被示为逻辑流程图中的框的集合，其表示可以以硬件、软件或其组合来实现的一系列操作。在软件的上下文中，框代表计算机可执行指令，当指令由一个或更多个处理器执行时，计算机可执行指令执行所述操作。通常，计算机可读指令包括执行特定功能或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。描述操作的顺序不旨在被理解为限制性的，并且可以以任何顺序和/或并行地组合任意数量的所描述的操作以实现该过程。
在框702处，计算设备检测针对不同频带在不同空间方向上的无线电干扰。在一些实施例中，计算设备通过访问基站的方向传感器来检测无线电干扰，并且从方向传感器检索信号测量值作为当前时间的检测到的干扰。在一些实施例中，计算设备通过在一段时间内针对不同频带在不同空间方向上检测无线电信号，来检测无线电干扰。然后该过程进行到704。
在框704处，计算设备从一个或更多个数据库中检索当前位置(基站的位置)的无线电频谱的静态使用数据。在一些实施例中，频谱管理工具使用检索到的使用和分配数据来补充针对当前位置的检测到的干扰数据。在一些实施例中，频谱管理工具完全依赖于动态检测到的干扰数据，因此可以跳过框704的操作。然后该过程进行到706。
在框706，计算设备基于检测到的无线电干扰，来选择在当前时间进行发送的空间方向和频带。在一些实施例中，计算设备选择空间方向和频带用于发送，使得针对所选空间方向的所选频带中的信号将具有最小的干扰水平(或可接受的干扰水平)。在一些实施例中，计算设备使用静态使用数据来识别已经分配并且不能用于发送的频带。上面参考图2A与图2B描述了空间方向和频带的选择。然后该过程进行到708。
在框708，计算设备将基站的无线电信号发送设备配置为通过使用所选频带在所选空间方向上发送信号。无线电信号发送设备可以包括阵列中的多个天线元件，其被配置为将天线能量聚焦在窄波束中，即波束成形。通过适当地加权各个天线信号的幅度和相位来控制发射信号的波前方向。然后，过程700结束。
如上所述，通过波束成形识别和使用最小干扰的空间方向进行传输的技术可以应用于许可频带、非许可频带和共享频带。以前，未许可频带和共享频带中的频谱共享依赖于先听后说(LBT)技术的不同变化，该技术允许不同的用户在不同的时分共享相同的信道。通过波束成形识别和使用受干扰最小的空间方向进行发送的技术将使得更有效地利用未经许可和共享的频带。
结论
尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应该理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于所描述的特定特征或动作。作为实现权利要求的示例性形式，公开了特定的特征和动作。

Claims (11)

1.一种计算设备，包括：
一个或更多个处理器；和
计算机可读介质，其存储能够由所述一个或更多个处理器执行的多个计算机可执行组件，以使所述计算设备执行多个动作，所述多个动作包括：
针对不同频带在不同空间方向上检测无线电干扰；
提供图形用户界面；
在所述图形用户界面中以图形方式呈现检测到的无线电干扰；根据所述检测到的无线电干扰以及在所述图形用户界面中的图形项的选择，选择当前时间用于发送的空间方向和频带；和
配置无线电信号发送设备，以通过使用所选频带，在所选空间方向上发送信号；
其中检测无线电干扰包括在一段时间内针对不同的频带在不同的空间方向上检测无线电信号；以及
其中呈现所述检测到的无线电干扰包括在特定时间针对特定频带在不同空间方向上呈现所述检测到的干扰的强度。
2.根据权利要求1所述的计算设备，其中配置所述无线电信号发送设备包括：配置多个天线元件，以将所述多个天线元件瞄准所述所选空间方向，并且在所选频带中发送信号。
3.根据权利要求1或2所述的计算设备，其中基于所述检测到的无线电干扰来选择当前时间用于发送的空间方向和频带包括：对于给定频带，识别具有最少无线电干扰量的空间方向。
4.根据权利要求1或2所述的计算设备，其中所述多个动作还包括：从多个不同的数据库中检索当前位置处的不同频带的静态使用数据，其中选择当前时间用于发送的空间方向和频带还基于所述不同频带的所述静态使用数据。
5.一种计算设备的一种或更多种非暂时性计算机可读介质，其存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由一个或更多个处理器执行时使动作被执行，所述动作包括：
针对不同频带在不同空间方向上检测无线电干扰；
提供图形用户界面；
在所述图形用户界面中以图形方式呈现检测到的无线电干扰；
根据所述检测到的无线电干扰以及在所述图形用户界面中的图形项的选择，选择当前时间用于发送的空间方向和频带；和
配置无线电信号发送设备，以通过使用所选频带，在所选空间方向上发送信号；
其中检测无线电干扰包括在一段时间内针对不同的频带在不同的空间方向上检测无线电信号；以及
其中呈现所述检测到的无线电干扰包括在特定时间针对特定频带在不同空间方向上呈现所述检测到的干扰的强度。
6.根据权利要求5所述的一种或更多种非暂时性计算机可读介质，其中配置所述无线电信号发送设备包括：配置多个天线元件，以将所述多个天线元件瞄准所述所选空间方向，并且在所选频带中发送信号。
7.根据权利要求5或6所述的一种或更多种非暂时性计算机可读介质，其中基于所述检测到的无线电干扰来选择当前时间用于发送的空间方向和频带包括：对于给定频带，识别具有最少无线电干扰量的空间方向。
8.一种计算机实现的方法，包括：
针对不同频带在不同空间方向上检测无线电干扰；
提供图形用户界面；
在所述图形用户界面中以图形方式呈现检测到的无线电干扰；
根据所述检测到的无线电干扰以及在所述图形用户界面中的图形项的选择，选择当前时间用于发送的空间方向和频带；和
配置无线电信号发送设备，以通过使用所选频带，在所选空间方向上发送信号；
其中检测无线电干扰包括在一段时间内针对不同的频带在不同的空间方向上检测无线电信号；以及
其中呈现所述检测到的无线电干扰包括在特定时间针对特定频带在不同空间方向上呈现所述检测到的干扰的强度。
9.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中配置所述无线电信号发送设备包括：配置多个天线元件，以将所述多个天线元件瞄准所述所选空间方向，并且在所选频带中发送信号。
10.根据权利要求8或9所述的计算机实现的方法，其中基于所述检测到的无线电干扰来选择当前时间用于发送的空间方向和频带包括：对于给定频带，识别具有最少无线电干扰量的空间方向。
11.根据权利要求8或9所述的计算机实现的方法，还包括：从多个不同的数据库中检索当前位置处的不同频带的静态使用数据，其中还基于所述不同频带的所述静态使用数据，选择在当前时间用于发送的空间方向和所述频带。
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