CN115668782A

CN115668782A - 通过电视白空间的设备通信

Info

Publication number: CN115668782A
Application number: CN202180035262.XA
Authority: CN
Inventors: 石和平; R·钱德拉; T·查克拉博蒂; N·A·B·普里延萨; Z·卡佩塔诺维克; B·N·乌
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2023-01-31
Also published as: EP4150769A1; US20220330034A1; KR20230011354A; US20230403567A1; US11778481B2; WO2021230962A1; US20210360417A1; US11405792B2

Abstract

本文所述的公开配置了一种用于使用对数周期滤波器在电视白空间(TVWS)频谱内通信的多窄带收发器，其中对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同的频率增加因子(K)周期性增加的滤波器频率。多个滤波器元件中的每个滤波器被配置为滤除定义频率范围内的二次谐波。本公开确定用于通信的TVWS信道，并切换到多个滤波器元件中与确定的TVWS信道对应的滤波器元件。使用滤波器元件通过TVWS信道发射和/或接收数据，从而允许通过TVWS信道进行窄带通信。

Description

通过电视白空间的设备通信

背景技术

电视(TV)白空间(TVWS)是TV频谱中未使用或不活动的部分。TVWS覆盖超高频(UHF)和特高频(VHF)频带的宽频谱。特别地，TVWS与UHF和VHF频谱中活动信道之间未使用的TV信道对应。

TV信道的可用性可因空间和时间而异。因此，使用TVWS频谱进行通信的收发器可能必须在不同频率之间跳转。此外，TVWS频谱不是连续的，使用TVWS的单信道容量可能不足以在某些类型的设备(如物联网(IoT)设备)之间实现令人满意的通信。此外，当信号较低时，TVWS对干扰很敏感，导致目前TVWS主要用于宽带通信。

发明内容

本发明内容以简化的形式介绍了一些概念，这些概念将在下文的详细说明中进一步描述。本发明内容并非旨在确定所要求保护的标的物的关键特征或基本特征，也并非旨在帮助确定所要求保护的标的物的范围。

一种用于电视白空间(TVWS)通信的计算机化方法包括：配置使用对数周期滤波器用于在TVWS频谱内通信的多窄带收发器，其中对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同的频率增加因子(K)周期性增加的滤波器频率。多个滤波器元件中的每个滤波器被配置为滤除定义频率范围内的二次谐波。该计算机化方法还包括：确定用于通信的TVWS信道，并切换到多个滤波器元件中与确定的TVW信道对应的滤波器元件。该计算机化方法还包括使用滤波器元件执行通过TVWS信道的发射和接收中的至少一个。

通过参考以下与附图相关的详细描述，可以更好地理解许多附带特征。

附图说明

根据附图阅读以下详细描述，可以更好地理解本说明，其中：

图1是图示根据示例的基站与客户端之间的通信的框图；

图2是根据示例的多窄带收发器的框图；

图3是图2的多窄带收发器的对数周期滤波器的框图；

图4是根据示例的基站的框图；

图5是根据示例的信号发生器的框图；

图6是图示根据示例的计算设备在电视白空间(TVWS)网络上通信的操作的流程图；

图7是图示根据另一示例的计算设备在TVWS网络上通信的操作的流程图；以及

图8图示了根据示例的计算设备作为功能框图。

对应的参考字符表示整个附图中的对应部分。在附图中，系统以示意图的形式进行说明。图纸可能不按比例绘制。

具体实施方式

本文描述的计算设备和方法被配置为使用电视(TV)白空间(TVWS)频谱进行通信。在本公开中，在各种示例中，在边缘物联网(IoT)环境中使用的终端设备(例如，客户端)和对应基站之间的通信使用TVWS频谱，而不存在在使用TVWS进行通信时通常引入的限制。

终端设备包括在远程

协议或网络内配置的多窄带无线电，该协议或网络是使用扩频调制技术的低功率广域网(LPWAN)协议。虽然参考

描述了本发明的各个方面，但本发明可用于其他形式的远程协议或网络。例如，可以使用不同的远程协议，其允许远距离通信(例如，10公里或更长)。根据本发明，对数周期滤波器被配置用于TVWS频谱内的通信，以允许具有较低功耗的窄带长距离传输。因此，无法令人满意地用于此类环境的设备(例如IoT设备)被配置为将TVWS频谱用于更长距离、更高容量、更低功耗的通信(例如远程位置的通信)。

例如，在本发明中，IoT设备能够在TVWS中以较低频率运行(在UHF和VHF频段内)，并用于远距离通信(例如几十英里)，同时提供大量带宽，在某些配置中，每个TV信道的带宽可以是6兆赫(MHz)。因此，当根据本公开进行配置时，单个TVWS基站可以支持远程大规模IoT。

图1图示了根据一个示例的系统100。系统100允许多个客户端102(例如IoT设备)通过网关106与基于云的设备104通信。例如，客户端102可以位于相同的位置(至少部分时间)，并配置为使用TVWS在一个或多个本地网络上本地通信，最终可以通过网关106经由一个或多个外部网络与外部设备(例如基于云的装置104)通信。在图示示例中，系统100被配置为TVWS网络，其允许例如IoT设备之间的通信。

在图示示例中，网关106包括基站108和边缘设备110。基站108被配置使得多个多窄带收发器200(图2中示出了一个)被配置为通过TVWS通信，并使用本文更详细地描述的远程通信协议(例如

协议)。例如，基站的工作频率配置为150MHz至960MHz，覆盖大多数VHF和UHFTV信道、433MHz、800/900MHz ISM频段(即工业、科学和医疗频段)和/或其他许可频带。应注意，收发器在基站108和客户端102中使用，这允许TVWS网络通信。在一个示例中，通信和控制端口包括一个或多个：通用异步接收器/发射器(UART)、通用同步/异步接收器/发射器(USART)、通用串行总线(USB)、串行外围接口(SPI)和/或多个通用输入/输出(GPIO)。

在一些示例中，如果使用单个多窄带收发器200，则一个或多个多窄带收发器200被配置为对每个频率使用时分多址(TDMA)进行操作。如果使用多个多窄带收发器200，则使用频分多址(FDMA)。边缘设备110被配置为允许计算机控制并将数据从每个收发器发射到基于云的设备104。应注意，在一些示例中使用TDMA和FDMA的组合。在一个示例中，硬件提供了本文更详细描述的频谱/干扰感测功能。在一些示例中，一个或多个多窄带收发器200被配置为一个或多个子模块。

在IoT环境中，边缘设备110在网络的“边缘”处执行处理(例如，在网关106内)。因此，在一个示例中，用于执行发射的处理由网关106完成。然而，在一些示例中，边缘设备110或执行本文所述TVWS通信的计算在网关106附近的任何位置执行(或部分执行)，该位置不一定在网关106内(例如，连接到网关106的本地计算设备)。因此，在这些示例中允许TVWS发射的处理或部分处理在网关106之外执行。

基站108包括提供位置信息的全球定位系统(GPS)设备。如本文更详细地描述的，在配置设备之间的通信时使用位置信息。基站108使用一个或多个电源供电，例如在一些示例中使用以太网供电(PoE)电源或其他合适的电源。

类似地，每个客户端102包括一个或多个多窄带收发器200。在一些示例中，客户端102还包括接口扩展板并连接到不同的传感器(例如IoT类型的传感器)。应注意，可以使用太阳能电池板、电池(例如直流电)或交流电(AC)等为每个客户供电。在一些示例中，基于客户端102操作的应用或环境选择电源。

因此，在一些示例中，系统100中的设备被配置为形成TVWS IoT网络。如图2所示，下面更详细地描述，多窄带收发器200配置有远程通信技术(例如，

以通过TVWS频谱通信，在一个或多个多窄带无线电收发器200上具有全球定位系统(GPS)功能，以及频谱/干扰感测。

更具体地，如图2所示，多窄带收发器200被配置为使用远程通信协议(例如

协议)和TVWS频谱运行的多窄带无线电。在一个示例中，多窄带收发器200被配置为在150MHz至960MHz频带中工作。然而，考虑到了不同的频带和范围。

多窄带收发器200包括多频段发射器202和多频段接收器204，其能够在本文所述的TVWS频谱上进行多窄带通信。发送/接收(T/R)开关206连接到天线208，以允许使用多频段发射器202和多频段接收器204进行发射和接收。也就是说，T/R开关206被配置为选择性地连接到多频段发射器202或多频段接收器202中的一个，以启用多窄带收发器200的发送或接收。因此，在操作中，T/R开关206在发射或接收之间切换，其中多个多频段发射器202可以在发射时间或时隙(transmit-T)期间发射，在示例中，多频段发射器202被配置为在不同频带中操作。类似地，在多频段接收器204被配置为在不同频带中操作的示例中，多个多频段接收器202可以在接收时间或时隙(receive-R)期间接收。

在接收侧(接收路径)，低噪声放大器(LNA)210连接在多频段接收器204和T/R开关206之间。LNA 210被配置为放大天线208接收的信号，包括减少不需要的噪声。例如，LNA210被配置为根据无线电传输技术中的降噪技术来操作。在一个示例中，LNA210被配置为放大来自天线208的极低功率信号，而不会显著降低其信噪比。也就是说，LNA 210增加了信号和噪声的功率，同时最小化了额外的噪声。在操作中，LNA 210被配置为使用无线电技术中的信号匹配技术提供信号匹配。应该注意的是，可以使用无线电传输技术中的任何合适的接收技术。因此，在接收路径中，LNA 210(例如，宽带LNA)用于补偿多频段接收器204的窄带输入的匹配损失。应注意，如果接收器输入是宽带匹配的，则不使用LNA 210。

在发送侧(发射路径)，对数周期滤波器212连接在多频段发射器202和T/R开关206之间。例如，对数周期滤波器212被配置为抑制二次谐波(即，滤除二次谐波)。在本发明中，使用不同的滤波器来抑制谐波，尤其是二次谐波。也就是说，不同的滤波器用于滤除不同频率的谐波。具有多个滤波器300的对数周期滤波器212的示例如图3所示。

如图3所示，多个滤波器300连接在第一射频(RF)开关302和第二RF开关304之间。第一RF开关302和第二RF304被配置为基于信号频率通滤波器300之一路由信号。也就是说，第一RF开关302和第二RF开关304定义了TVWS频谱内不同频率的信号的发射路径，这些信号将通过滤波器300之一进行滤波，以消除二次谐波。第一RF开关302和第二RF开关304被配置为使用RF开关技术中的开关技术进行操作。

在一个示例中，在操作中，多频段发射器202和多频段接收器204被配置为使用远程通信协议设备(例如，SX1262

收发器或其他远程低功率收发器)在150MHz至960MHz的频率范围内通信。由于多频段发射器202为低功率，滤波器300执行滤波以抑制二次谐波。如下所述，选择对数周期滤波器212的滤波器300的配置和数目是为了保持类似的滤波器规格，同时减少使用的滤波器300数目，从而降低复杂性和成本。由于接收器匹配是窄带的，如果不重新匹配，就无法在如此宽的频谱中工作，因此在各种示例中都会执行滤波。因此，本发明提供了用于切换的多个滤波器，在一个示例中，滤波器频率以相同的频率增加因子(K)周期性增加。

在一个实现中，多窄带收发器200使用对数周期滤波器212被配置有远程发射和接收能力。滤波器300的滤波器频率(定义滤波器元件)使用以下示例公式被计算：

其中N是滤波器的数目，K是频率增加因子，f₁是滤波器1(子带1)的起始频率。对于其他频率，f₂是滤波器1(子带1)的结束频率和滤波器2(子带2)的开始频率，并且结束频率f_n+1是频段的结束频率。

在各种示例中，K是子带的结束频率与开始频率的比值(例如，K＝f_i+I/f_i)，其中f_i+1是子带i的结束频率，并且f_i是子带i的开始频率。本发明可用于频谱可能不连续的示例，例如，如果设计方只想覆盖TV频段而不覆盖授权频段，则可以删除滤波器3。此外，如本文更详细地描述的，对于所有滤波器300，K(结束频率/开始频率)是相同的。

一些示例中的K值是通过模拟确定的。例如，K取决于滤波器的类型。在确定K时，在一个示例中使用以下规则：在滤波器的通带中，滤波器具有较小的衰减，而在阻带(位于二次谐波和高次谐波)中，滤波器的衰减被配置为抑制谐波。应注意，通带衰减(越低越好)、阻带衰减(越多越好)和成本之间存在权衡。

例如，在一种情况下，合适的K被确定为1.48。在一些示例中，K如下被确定：使用等式1，N被计算，在本示例中为N＝4.73。然后设置N的值，例如，N＝5(N必须是整数)，将N的值插入公式2中以计算K，在本例中为1.45。K用于计算每个子带的结束频率。结束频率也是连续频谱中下一个子带的开始频率。如果频谱不连续，则跳过该频谱部分。然后对滤波器和匹配电路进行优化，使谐波满足联邦通信委员会(FCC)的要求。

在一个示例中，对数周期滤波器212仅包括五个滤波器300(也称为滤波器元件)，通过模拟(例如，确定N和K)被确定为TVWS频谱的滤波器300的优化数目。在此配置中，N＝5，K＝1.45，五个滤波器300在以下频率范围内工作：

滤波器1-150MHz-217MHz；

滤波器2-217MHz-315MHz；

滤波器3-315MHz-458MHz；

滤波器4-458MHz-667MHz；以及

滤波器5-667MHz-960MHz。

应当注意的是，在各种示例中，K被限制为小于2。应该认识到，对于低通或带通滤波，为了滤除二次谐波，起始和结束频率都小于一个倍频带。也就是说，宽频谱被划分为由每个滤波器的起始和终止频率定义的子带。随着子带的选择，在一些例子中，如满足FCC要求，滤波器被优化以滤波谐波，特别是二次谐波。

一个示例中的滤波器300是低通滤波器(LPF)，例如巴特沃斯型滤波器或切比雪夫型滤波器。但是，也可以使用其他类型的滤波器。例如，在一些实现中，滤波器300是带通滤波器(BPF)。在操作中，固件软件被编程为基于检测到的信号频率控制切换到一个滤波器300。也就是说，基于信号频率选择合适的滤波器300，以使用滤波器300抑制二次谐波(例如，根据信号的频率选择滤波器1-5中的一个)。因此，对每个滤波器300的工作频率范围进行了优化，以将频带划分为每个滤波器300(例如，每个LPF)，其中所有频带都具有相同的K因子，并且滤波器的数目被最小化。

因此，本公开允许在TVWS频谱中运行窄带传输，谐波抑制技术允许符合通信要求(例如FCC要求)。本文所述的滤波技术允许在TVWS频谱中使用具有低线性功率放大器的远程(例如

)收发器(以提高功率附加效率(PAE)，从而降低功耗)。本公开允许TVWS中的窄带通信，同时抑制谐波，尤其是二次谐波，这与不能满足TVWS频谱抑制要求的传统低通滤波器不同，包括800/900ISM频段。

多窄带收发器200还包括微控制器，如微控制器单元(MCU)214所示。MCU 214被配置为控制多窄带收发器200的操作，包括多窄带收信机200内的通信。多窄带收发器200还包括GPS 216，用于确定多窄带收发机200的位置。GPS 216允许多窄带收发机200在TVWS频率范围内工作。也就是说，TVWS设备需要GPS位置信息(例如，FCC对TVWS装置的要求)。

现在特别参考基站108(如图1所示)，在一个示例中，基站108是多收发器基站。也就是说，基站108在一个示例中配置有多个多窄带收发器200。然而，在一些示例中，基站108包括单个多窄带收发器200。

图4示出了在一些示例中体现为基站108的多收发器基站400。多收发器基站400包括在主从配置中配置的多个多窄带收发器200。在所示示例中，控制主多窄带收发器200a和多个从属多窄带收发器200b(也称为从多窄带收发器)，以允许在TVWS频谱的不同频率范围内与多个客户端102通信。

在所示示例中，多窄带收发器200连接到复用器402，以允许多路复用来自多窄带收发器200的多个信号。在一个示例中，复用器502被配置为RF功率合成器和/或RF功率分配器，这取决于是在进行信号发射还是接收。也就是说，复用器402被配置为接收输入信号并输出具有特定输出相位和幅度特性的多个输出信号。例如，根据多窄带收发器200分别接收还是发送信号，单个RF线被分割成多条线，并且功率输出在线之间被分割，和/或多条馈线被组合成单个RF线。在一个示例中，复用器402被配置为RF组合器/分路器，其中复用器402根据正在执行的是发送操作还是接收操作而作为组合器或分路器操作。应当理解，例如，复用器402可以是任何类型的RF复用器或模拟类型的RF组合器/分路器。

功率放大器(PA)404和LNA 406连接到复用器402。PA 404和LNA 406被配置为补偿复用器40的信号损失。也就是说，PA 404与LNA 406被配置为补偿由于RF功率分割或RF功率划分而导致的信号损失。如图所示，一对T/R开关408连接在PA 404和LNA 406与复用器402之间的一端，以及PA 404和LNA 406与天线410之间的另一端。也就是说，T/R开关408基于多窄带收发器200是否正在发送或接收信号来启用PA404或LNA406的选择。

在所示示例中，被配置为多载波功率放大器412的组合器连接在PA 404和LNA406、天线410和信号发生器414之间。如下将更详细地描述，带有多载波功率放大器412的信号发生器414允许使用允许频谱/干扰感测的多窄带收发器200同时发射和接收多个信号。也就是说，多载波功率放大器412在频带上同时支持多个空中接口。在操作中，这允许基站108同时或同时与多个客户端102通信。

在一种配置中，每个多窄带收发器200的一个输入/输出(I/O)连接在一起。例如，每个多窄带收发器200的通用输入/输出(GPIO)引脚连接在一起，以允许它们之间的通信。多窄带收发器200的互连被配置为允许多窄带收发器200的操作同步。在一个示例中，多窄带收发器200的互联GPIO引脚被分配用于同步操作。

在所示的示例中，多窄带收发器200a被指定为主设备，多窄带收发器200b被指定为多窄带电台200a的从属设备(也称为从设备)。多窄带收发器200a被配置为向多窄带收发器200b发送发射和接收控制信号，即向所有从属多窄带收发器200a发送控制信号，以控制多窄带无线电收发器200的同时操作(例如，多窄带电台200的同时发送操作)。在一个示例中，所有多窄带收发器200被配置为在相同的时隙中发射或接收(即执行发射或接收操作)，这消除了多窄带收发器200之间的干扰。应该认识到，在一些示例中，所有收发器200a和200b都是由计算机(例如，图4中所示的计算机416)控制的从属设备，该计算机向所有收发器200a和200b发送发射和接收控制信号。在其他示例中，计算机416监视发射和接收状态，并且收发器200a向收发器200b发送发射和接收控制信号。

在操作中，在一个示例中，多窄带收发器200中的每一个被配置为使用时分多址(TDMA)操作，通过GPIO引脚的互连同步发射和接收操作。在一个示例中，同步操作在介质访问控制(MAC)级别或层上执行。因此，多窄带收发器200a的GPIO向多窄带收发器200b发送发射或接收控制信号，使得所有多窄带收发器200(主收发器和从收发器)同时发送或接收。在一个实现中，发射/接收(TX/RX)信号是数字0或1，表示发射或接收操作。作为响应，T/R开关408被切换到对应的发射或接收位置。因此，多窄带收发器200a控制多窄带收发器200b(以及多窄带收发器200a)何时发射或接收。

应该意识到，可以使用主从关系的其他控制方案。在另一个示例中，TX/RX信号是模拟高/低信号，即高压信号(例如+5V)和低压信号(例如，+1V)。在这种控制方案中，高压信号指示多窄带收发器200b应切换到发射模式，然后多窄带收发器200b进行发射操作。低电压信号指示多窄带收发器200b应切换到接收模式，然后多窄带收发器200b进行接收操作(例如，侦听模式)。

在一个示例中，多窄带收发器200中的每一个都能够以不同的频率工作，例如，在本文所述的五个滤波器频率范围中的一个范围内。在一些示例中，TDMA用于进一步扩展特定信道上的通信能力。也就是说，对于给定信道(频率)，TDMA用于容纳更多设备。

在一些示例中，控制方案还包括复位功能。例如，多窄带收发器200的复位引脚连接到控制器或计算机416的GPIO引脚。在这种配置中，计算机416被启用来控制多窄带收发器200的复位。例如，当需要对多窄带收发器200进行复位操作时(例如，重新同步或故障条件)，计算机416向多窄带收发器200的复位引脚发送信号。在一个示例中，复位信号复位所有的多窄带无线电收发器200。在其他示例中，可以复位多窄带收发器200中的选择性的一个。

此外，基站108包括GPS设备418。如本文更详细地讨论的，GPS设备418允许确定使用TVWS频谱通信时所需的位置信息。在所示示例中，USB集线器422被配置为将计算机416连接到多窄带收发器200。然而，本公开可以使用并考虑其他连接。使用PoE电源420供电。但是，本公开可以使用并预计其他电源。

在一些示例中，如图5所示，信号发生器414被配置为启用频谱/干扰感应。信号发生器414被配置为生成允许认知无线电(CR)频谱感应的信号，以防止干扰(例如，防止对许可用户的干扰)。信号发生器414支持高灵敏度频谱感测技术，可检测频谱/干扰，并在极低信号级别下评估来自许可和/或未许可CR用户的干扰影响。应该认识到，该技术还可以用于搜索ISM频段中的最低干扰信道。

信号发生器414允许检测TVWS窄带收发器的最小可检测信号(MDS)，在一个示例中，低至-149dBm，低功耗。该检测可用于远程低数据速率网络中的通信，其中工作信道可随位置和时间变化。本公开的频谱感测可以检测非常低的频谱能量，并评估干扰对通信的影响。

信号发生器414被配置为内部信号发生器，模拟远程发射器的信号，并使用天线410拾取干扰。在本文描述的配置中，在干扰和内部信号发生器的高阻抗匹配下，干扰感测的灵敏度与收发器(例如多窄带收发器200)的MDS相同，并且将对多窄带收发器200的天线匹配的影响降至最低。

在一些示例中，还可以执行信道搜索，例如在固件中(例如，标识干扰较小或最少的信道)。

具体而言，特别参考图4和图5，多窄带收发器200、天线410、多载波功率放大器412和信号发生器414形成频谱感测系统。应该认识到，在一个示例中，多载波功率放大器412是连接天线410、多窄带收发器200的RF端口和信号发生器414的RFY连接器。信号发生器412具有不影响多窄带收发器200的天线匹配的高阻抗输出端子。在多收发器基站400的正常使用中，信号发生器414处于非活跃状态(关闭)。

在一个示例中，信号发生器414包括发射器500，该发射器500通过RF衰减器502连接到高阻抗匹配网络504。在操作中，频谱/干扰感测的执行如下：

A、控制软件或固件(例如来自计算机416)将多窄带收发器200和信号发生器414中的一个或多个设置为以相同频率和相同调制方案操作。

B、信号发生器414发射RF信号，例如信标发射。

C、天线410拾取频谱/干扰，频谱/干扰可来自主许可用户或其他未许可用户。在各种示例中，两者被视为干扰。干扰与来自信号发生器414的RF信号结合，并被馈入一个或多个多窄带收发器200的端口。应该认识到，较高的干扰将降低载波干扰比(C/I)。因此，一个或多个多窄带收发器200的MDS将增加。

D、收发器接收器(例如，图2中所示的多频接收器204)接收信号和干扰，并记录接收的信号强度指示器(RSSI)和/或信噪比(SNR)。

E、信号发生器414降低信号的强度并重复步骤B-D，直到一个或多个多窄带收发器200不能检测到信号。最低RSSI是干扰级别下的MDS，它表示干扰的强度和可使用的MDS。

F、操作更改为另一个频率，并执行操作A-F。

上面的一些操作可以并行地并且以与所示不同的顺序执行。此外，应注意，在一些示例中，发射器500与多频段发射器202(如图1所示)相同。但是，可以使用任何合适的发射器。此外，RF衰减器502的RF衰减可以手动、模拟或数字控制。高阻抗匹配网络504(例如电阻器)减少了信号发生器414对天线匹配的影响。

因此，在操作中，天线拾取干扰与来自信号发生器414的信号相结合，并馈入多窄带收发器200。信号发生器415的信号强度逐渐减小，直到获得受干扰的MDS。受干扰的MDS表示干扰的强度和对通信的影响。频谱感测作为TVWS IoT网络的一部分，可以提高频谱利用率，提高网络稳定性和可靠性。

因此，本公开允许诸如IoT设备的设备在TVWS网络中操作。例如，本文描述的各种示例可用于云支持的IoT应用。如本文所述实现的TVWS IoT允许大规模IoT部署(例如，农业、油田、气田等)，并可由云和边缘设备支持。

图6是方法600的流程图，其说明了计算设备(例如，客户端102)在TVWS网络上通信的操作。例如，方法600将收发器配置为允许使用TVWS频谱进行远程(例如

)通信。应该认识到，计算设备可以在不同的系统和应用中实现。因此，虽然下面描述的示例可以与IoT应用结合使用，但根据本发明配置的计算设备可以例如在许多不同的应用中使用，包括在TVWS网络上使用窄带通信的任何应用。

在602处，多窄带收发器被配置为使用对数周期滤波器在TVWS频谱内进行通信。例如，如本文所述，多窄带收发器200被配置有允许在TVWS频谱的各个频率范围内通信的对数周期滤波器212。也就是说，对数周期滤波器212包括多个滤波器元件，每个滤波器元件被优化为通过使用相同的K值在TVWS频谱的范围内通信。滤波器元件的限定范围被优化，以抑制发射过程中的二次谐波。在一个示例中，多窄带收发器200被配置为允许使用对数周期滤波器在TVWS的频率范围内进行远程通信。

在604处，确定用于通信的TVWS信道。例如，如本文所述，可以执行频谱/干扰感测以标识TVWS频谱内未使用的信道。在一个示例中，基于频谱/干扰感测(或在一些示例中位置和已知信道使用)，选择干扰最小的可用TVWS频率。也就是说，通道的使用不会干扰其他实体的使用。

在606处，被切换至与TVWS信道对应的对数周期滤波器212内的滤波器元件以用于通信。也就是说，在604处确定的覆盖可用TVWS频率的频率范围内工作的滤波器元件被激活，以滤波由多窄带收发器200通信的信号。在操作中，滤波器元件在使用TVWS信道发射期间滤除二次谐波。特别地，使用TVWS信道的信号发射和接收在608处进行，信号由切换至滤波器元件进行滤波。因此，优化的TVWS通信与长通信协议(例如，使用

协议)相结合。例如，设备因此被配置为在TVWS网络中操作。

图7是方法700的流程图，说明计算设备(例如基站108)在TVWS网络上与多个设备(例如客户端102或IoT设备)通信的操作。例如，方法700将基站配置为使用TVWS频谱的多个频率同时或并发地与多个设备通信。

在702处，确定基站或设备是否准备好发射。例如，确定是否要使用TVWS频谱来执行多个IoT设备之间通过基站的通信。如果不进行发射，则基站被配置为执行侦听操作，即处于接收模式。在该模式下，基站的主收发器(例如，基站108的多窄带收发器200a)在704处向多个从属收发器(例如，基站108多窄带收发器200b)发送接收或侦听控制信号。例如，模拟信号(例如，电压高或低)或数字信号(例如1或0)被发送到相互连接在一起并与本文所述的主收发器(例如，GPIO引脚)互连的每个从属收发器。在此模式下，所有收发器(包括主收发器和从属收发器)都可以在相同的时隙中接收。

如果确定要进行发射，则基站被配置为执行发射操作，即处于发射模式。在此模式下，基站的主收发器(例如，基站108的多窄带收发器200a)在706处向多个从属收发器(如，基站108中的多窄带收发器200b)发送发射控制信号。例如，模拟信号(例如，电压高或低)或数字信号(例如，1或0)被发送到相互连接在一起并与文本所述的主收发器(例如，GPIO引脚)互连的每个从属收发器。应注意，发射模式的控制信号与监听或接收模式的控制信息相反(例如，低电压代替高电压，或0代替1)。在此模式下，所有收发器(包括主收发器和从属收发器)都可以在相同的时隙中发射。

在接收/监听和发射模式中，配置为RF组合器或分路器的复用器也受到控制。具体而言，一个或多个T/R开关(例如，T/R开关408)被控制以通过天线(例如，天线410)选择发射或接收操作。

在708处，确定发射是否完成。如果发射未完成，则在710处继续发射。如果发射完成，则在712处执行干扰感测。如本文所述，信号发生器(例如，信号发生器414)被配置为通过生成用于确定最低RSSI的RF信号来执行频谱/干扰感测，该信号用于标识受干扰的MDS。应注意，信号发生器在正常使用期间(例如，在发射和接收期间)关闭。

在714处，一个或多个可用TVWS信道由干扰感测确定。例如，基于在712处确定的RSSI(和/或SNR)，标识出一个或多个可用于发射的TVWS信道(例如，低于阈值干扰水平)。可用信道的频率允许标识收发器中的滤波器元件，以用于716的后续发射。例如，标识在定义的TVWS频率范围内为远程通信优化的滤波器元件并标识其中具有确定的可用信道频率的滤波器元件。因此，多收发器基站被配置为允许在相同的时隙内通过不同频率进行通信，从而消除收发器之间的干扰。

典型操作环境

根据图8中功能框图800的示例，本公开可用于计算设备802，例如IoT设备。在一个示例中，根据本公开中描述的一个或多个示例，计算设备802的组件可以实现为电子设备的一部分。计算设备802包括一个或多个处理器804，处理器804可以是微处理器、控制器或任何其他合适类型的处理器，用于处理计算机可执行指令，以控制计算机802的操作。可在计算设备802上提供包括操作系统806或任何其他合适的平台软件的平台软件，以使应用软件808能够在计算设备802上执行。根据示例，经由多窄带收发器810(例如通过IoT客户端设备实现)的通信可通过软件和/或硬件来实现。

可以使用计算设备802可以访问的任何计算机可读介质来提供计算机可执行指令。计算机可读介质可以包括，例如，计算机存储介质，诸如存储器812和通信介质。计算机存储介质，诸如存储器812，包括以任何方法或技术实现的用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块等)的易失性和非易失性、可移动和非可移动介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字多功能磁盘(DVD)或其他光盘存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备，或可用于存储信息以供计算设备访问的任何其他非传输介质。相反，通信介质可以在调制数据信号(例如载波)或其他传输机制中体现计算机可读指令、数据结构、程序模块等。如本文所定义，计算机存储介质不包括通信介质。因此，计算机存储介质本身不应被解释为传播信号。传播信号本身并不是计算机存储介质的例子。尽管计算机存储介质(存储器812)显示在计算设备802中，但本领域技术人员将理解，存储可以远程分布或定位，并通过网络或其他通信链路(例如，使用通信模块，例如通信接口814)访问。

一个示例中的计算设备802包括输入/输出控制器816，被配置为将信息输出到一个或多个输入设备818和输出设备820，例如显示器或扬声器，其可以与电子设备分离或集成。在一些示例中，输入/输出控制器816被配置为接收和处理来自一个或多个输入设备818(诸如控制按钮或触摸板)的输入。在一个示例中，输出设备820充当输入设备818。此类设备的示例可以是触摸敏感显示器。在一个示例中，输入/输出控制器816还将数据输出到输出设备820以外的设备，例如本地连接的打印设备。在一些示例中，用户向(多个)输入设备818提供输入和/或从(多个)输出设备820接收输出。

在一个示例中，计算设备802检测语音输入、用户手势或其他用户动作，并提供自然用户界面(NUI)。此用户输入用于编写电子墨水、查看内容、选择墨水控件、使用电子墨水覆盖播放视频以及其他目的。在一些示例中，输入/输出控制器816将数据输出到显示设备以外的设备，例如本地连接的打印设备。

本文所述的功能至少可以部分地由一个或多个硬件逻辑组件执行。根据一个示例，当由(多个)处理器804执行时，计算设备802由程序代码配置以执行所描述的操作和功能的示例。备选地，或者另外，本文描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件执行。例如，但不限于，可以使用的硬件逻辑组件的示例类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用程序标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、图形处理单元(GPU)。

图中各种元素的至少一部分功能可以由图中的其他元素或图中未显示的实体(例如，处理器、web服务、服务器、应用程序、计算设备等)执行。此外，在一些方面，计算设备802是在TVWS频谱上具有多窄带通信能力的低功率设备(例如LoRa)。

尽管结合示例性计算系统环境进行了描述，但本发明的示例能够与许多其他通用或专用计算系统环境、配置或设备一起实现。

适用于本发明各方面的已知计算系统、环境和/或配置的示例包括但不限于移动或便携式计算设备(例如智能手机)、个人计算机、服务器计算机、手持(例如平板电脑)或笔记本电脑设备、多处理器系统、游戏控制台或控制器、基于微处理器的系统，机顶盒、可编程消费电子产品、移动电话、可穿戴或附件形式的移动计算和/或通信设备(例如手表、眼镜、耳机或耳机)、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括上述任何系统或设备的分布式计算环境等。一般来说，本发明可用于任何具有处理能力的设备，以使其能够执行如本文所述的指令。此类系统或设备可以以任何方式接受来自用户的输入，包括通过姿势输入、接近输入(例如通过悬停)和/或通过语音输入从键盘或指针设备等输入设备接收输入。

本公开的示例可以在计算机可执行指令(例如程序模块)的一般上下文中描述，这些指令由一台或多台计算机或软件、固件、硬件或其组合中的其他设备执行。计算机可执行指令可以组织成一个或多个计算机可执行组件或模块。通常，程序模块包括但不限于执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构。本公开的各个方面可以通过此类组件或模块的任何数量和组织来实现。例如，本发明的各个方面不限于图中所示和本文所述的特定计算机可执行指令或特定组件或模块。本发明的其他示例可能包括不同的计算机可执行指令或组件，这些指令或组件具有比本文所示和描述的更多或更少的功能。

在涉及通用计算机的示例中，本发明的方面在配置为执行本文所述指令时，将通用计算机转换为专用计算设备。

一种用于TV白空间(TVWS)通信的设备，包括多频段发射器和多频段接收器；天线，多频段发射器和多频段接收器连接到天线，并且被配置为以多个TVWS频率发射和接收；以及连接在多频段发射器和天线之间的对数周期滤波器，该对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同的频率增加因子(K)周期性增加的滤波器频率，所述多个滤波器单元中的每个滤波器被配置为在定义的频率范围内滤除二次谐波。定义的频率范围可包括TVWS频谱，或其他范围，如150-960Mhz(这比TVWS频谱更大，并且包括陆地移动无线电(LMR)频段和一些ISM频段)。

一种用于TV白空间(TVWS)通信的基站，包括主收发器；多个从属收发器，其中主收发器和多个从属收发器互连，主收发器和多个从属收发器被配置为以多个TVWS频率发射和接收；天线，连接到主收发器和多个从属收发器；RF组合器/分路器，连接在天线和主收发器以及多个从属收发器之间RF；以及在主收发器和多个从属收发器内的对数周期滤波器，对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有在相同频率增加因子(K)内周期性增加的滤波器频率，多个滤波器元件中的每个滤波器被配置为滤除定义频率范围内的二次谐波。

一种用于TV白空间(TVWS)通信的计算机化方法包括：配置使用对数周期滤波器用于TVWS频谱内通信的多窄带收发器，该对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同的频率增加因子(K)周期性增加的滤波器频率，多个滤波器元件中的每个滤波器被配置为滤除TVWS频谱内的定义频率范围中的二次谐波；确定用于通信的TVWS信道；切换到多个滤波器元件中与确定的TVWS信道对应的滤波器元件；以及使用滤波器元件执行通过TVWS信道的发射和接收中的至少一个。

一种利用信号发生器进行干扰感测的计算机化方法，该计算机化方法包括：

将一个或多个多窄带收发器和信号发生器设置为以相同频率和相同调制方案操作；

用信号发生器发射RF信号；

使用天线确定干扰；

将干扰与来自信号发生器的RF信号组合以生成组合信号；

将组合信号馈入一个或多个多窄带收发器的端口；

使用一个或多个多窄带收发器的接收器接收组合信号；

测量接收到的组合信号的RSSI或SNR中的至少一个；

记录至少一个测量的RSSI或SNR；

降低RF信号的强度；以及

重复发射、确定、组合、馈送、接收、测量、记录和减小，直到一个或多个多窄带收发器未检测到组合信号，该组合信号标识要使用的MDS。

备选地，除了本文描述的其他示例外，示例还包括以下任意组合：

-其中多个滤波器元件仅包括五个滤波器元件；

-其中频率增加因子(K)为1.45；

-其中多个滤波器元件被配置为滤除150MHz至960MHz这一频率范围内的二次谐波；

-其中多频段发射器和多频段接收器被配置为使用远程通信协议操作；

-还包括连接在多频段接收器和天线之间的低噪声放大器(LNA)；

-其中多频段发射器和多频段接收器被配置为执行物联网(IoT)通信；

-其中主收发器被配置为生成控制命令，以同步相同的时隙中多个从属收发器的发射或接收；

-其中，控制命令包括以下之一：模拟高信号和模拟低信号，或者数字高信号和数字低信号；

-还包括连接到RF组合器/分路器的信号发生器，并且被配置为生成信号并降低信号的信号强度，直到获得干扰下的最小可检测信号(MDS)以标识可用TVWS信道；

-还包括功率放大器和低噪声放大器，选择性地连接在RF组合器/分路器和天线之间；

-其中主收发器和多个从属收发器被配置为与多个物联网(IoT)设备通信；以及

-其中主收发器和多个从属收发器被配置为使用远程通信协议进行操作。

本文给出的任何范围或设备值可以在不失去所寻求效果的情况下进行扩展或更改，这对熟练人员来说是显而易见的。

尽管已经用特定于结构特征和/或方法行为的语言描述了主题，但应当理解的是，所附权利要求中定义的主题不一定局限于上述特定特征或行为。相反，上述具体特征和行为被披露为实施权利要求的示例形式。

可以理解，上述益处和优点可能与一个示例有关，也可能与几个示例有关。这些示例并不局限于解决任何或所有所述问题的示例，也不局限于具有任何或全部所述好处和优点的示例。可以进一步理解，“一个”项目指的是其中一个或多个项目。

本文所示和描述的示例以及本文未具体描述但在权利要求各方面范围内的示例构成使用TVWS频谱的设备通信的示例性手段。

在本说明书中，术语“包括”是指包括其后的特征或动作，但不排除存在一个或多个附加特征或动作。

在一些示例中，图中所示的操作可以实现为编码在计算机可读介质上的软件指令，也可以实现为执行操作而编程或设计的硬件，或两者兼而有之。例如，本发明的各个方面可以实现为片上系统或包括多个互连的导电元件的其他电路。

除非另有规定，否则本文所示和描述的公开示例中的操作执行或执行顺序并不重要。也就是说，除非另有规定，否则操作可以按任何顺序执行，本发明的示例可以包括比本文所公开的操作更多或更少的操作。例如，预期在另一操作之前、同时或之后执行或执行特定操作属于本发明各方面的范围。

在介绍本公开各方面的元件或其示例时，条款“一”、“一个”、“该”和“所述”意指存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在包含所有内容，意指除所列元件外，可能还有其他元件。术语“示例性”意指“…的示例”。短语“A、B和C中的一个或多个”是指“A中的至少一个和/或B中的至少一个和/或C中的至少一个”。

在详细描述了本公开的各个方面之后，显然可以在不脱离所附权利要求书中定义的本公开的各个方面的范围的情况下进行修改和改变。由于可以在不偏离本公开内容的范围的情况下对上述结构、产品和方法进行各种改变，因此，上述描述中包含的和附图中显示的所有事项应被解释为说明性的，而不是限制性的。

Claims

1.一种用于电视白空间(TVWS)通信的设备，所述设备包括：

多频段发射器和多频段接收器；

天线，所述多频段发射器和所述多频段接收器连接到所述天线，并且被配置为以多个TVWS频率发射和接收；以及

对数周期滤波器，连接在所述多频段发射器与所述天线之间，所述对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同的频率增加因子周期性增加的滤波器频率，所述多个滤波元件中的每个滤波器被配置为滤除在所定义频率范围内的二次谐波。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个滤波器元件被配置为滤除150MHz至960MHz这一频率范围内的二次谐波。

3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的设备，其中所述多个滤波器元件仅包括五个滤波器元件。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的设备，其中所述频率增加因子为1.45。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的设备，其中所述多频段发射器和所述多频段接收器被配置为使用远程通信协议操作。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的设备，还包括连接在所述多频段接收器与所述天线之间的低噪声放大器(LNA)。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的设备，其中所述多频段发射器和所述多频段接收器被配置为执行物联网(IoT)通信。

8.一种用于电视白空间(TVWS)通信的计算机化方法，所述计算机化方法包括：

配置使用对数周期滤波器用于TVWS频谱内通信的多窄带收发器，所述对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同的频率增加因子周期性增加的滤波器频率，所述多个滤波器元件中的每个滤波器被配置为滤除所定义频率范围内的二次谐波；

确定用于所述通信的TVWS信道；

切换到所述多个滤波器元件中与所确定的所述TVWS信道对应的滤波器元件；以及

使用所述滤波器元件执行通过所述TVWS信道的发射和接收中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的计算机化方法，其中所述多个滤波器元件仅包括五个滤波器元件。

10.根据权利要求8或9中任一权利要求所述的计算机化方法，其中所述频率增加因子为1.45。

11.根据权利要求8-10中任一权利要求所述的计算机化方法，其中所述多个滤波器元件被配置为滤除150MHz至960MHz这一频率范围内的二次谐波。

12.根据权利要求8-11中任一权利要求所述的计算机化方法，其中所述多窄带收发器被配置为使用远程通信协议操作。

13.一种用于电视白空间(TVWS)通信的基站，所述基站包括：

主收发器；

多个从属收发器，其中所述主收发器和所述多个从属收发器互连，所述主收发器和所述多个从属收发器被配置为以多个TVWS频率发射和接收；

天线，连接到所述主收发器和所述多个从属收发器；

射频(RF)组合器/分路器，连接在所述天线与所述主收发器以及所述多个从属收发器之间；以及

所述主收发器和所述多个从属收发器内的对数周期滤波器，所述对数周期滤波器包括多个滤波器元件，每个滤波器元件具有以相同频率增加因子周期性增加的滤波器频率，所述多个滤波器单元中的每个滤波器被配置为滤除所定义频率范围内的二次谐波。

14.根据权利要求13所述的基站，其中所述主收发器被配置为生成控制命令，用以同步相同时隙中所述多个从属收发器的发射或接收，所述控制命令包括以下之一：模拟高信号和模拟低信号，或者数字高信号和数字低信号，并且所述主收发器和所述多个从属收发器被配置为使用远程通信协议操作。

15.根据权利要求13或14中任一权利要求所述的基站，还包括：信号发生器，连接到所述RF组合器/分路器，并且被配置为生成信号，以及降低所述信号的信号强度直到获得干扰下的最小可检测信号(MDS)以标识可用TVWS信道。