CN1612496B - 未许可频带内的频谱共享 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了对频道上的干扰信号的自治检测和自适应的方法，以协助无线网络上的无线装置选择适当的频道。依照实施例，一种方法通过首先检测无线网络的频道上是否有干扰信号，然后从干扰信号中检索数据以检索协议识别信息，来确定合适的信道。在确定是否要在该频道上发射之前，该方法要求确定干扰信号的已识别协议是否为预定协议。

Description

未许可频带内的频谱共享
技术领域
本发明一般涉及无线电通信，尤其涉及无线电频谱的有效共享。
背景技术
无线电频谱是必须在大量设备之间共享的有限资源。近年来，由于集成电路技术和标准化组织活动(standards body activity)使诸如无绳电话和无线网络产品等消费者级无线通信设备得以快速发展，这类设备的数量也随之迅速增长。
有若干种方法用于确保无线电频谱内的给定频带被有效地共享。一般而言，当两个无线电频率装置同一时刻在同一或有重叠的频带上发射时，发射会相互干扰。例如，如果一个无线电接收器正在试图从一无线装置接收发射，假如在该无线电接收器的天线上感应出的信号电平与减损电平相比足够大的话，接收即是成功的。减损可以是热生成噪声、来自信道的非理想化特征的信号失真、或由在同一频带上或在接近的频带上发送的其它装置生成的干扰。由其它装置引起的减损被称为干扰。
一般而言，如果从无线装置接收的信号与所有干扰源之比保持在某一可接受水平或之上，则可以给定的概率来成功接受信号。该比值通常被称为载干比(CIR)。
为确保保持可接受的CIR，无线协议和标准通常将无线电频谱划分成若干信道。为确保高CIR，与给定装置相对邻近的发射装置在不同的信道上发射。
由于在无线电频谱的任一频带内仅有有限个信道可用，当发射装置超出可用信道数时，信道被重复使用。例如，如果一个信道由两个无线装置共享，将会对由装置发射的信号的接收生成某种水平的干扰。
无线装置在同一频带上接收的干扰电平可通过对无线电谱的频带创建信道来很大程度地降低。干扰电平的降低使得整个系统保持较高的CIR和较高的期望信号成功接收概率。
在最近的消费者级无线设备的蓬勃发展之前，频率共享很大程度上通过由诸如美国通信委员会(FCC)等管理机构紧密控制无线电发射装置来实现。这一级别的控制在当发射器在数量上较少并容易检测时能较好地起作用，譬如对于广播电台和电视台发射器的情况。由FCC控制的信道化的一个简单的示例是甚高频(VHF)电视发射。FCC强制推行一种将全国划分成地理区域的发射标准。尽管频谱被划分成信道2-13，然而在给定的地理区域中，仅使用奇数或偶数信道。如果在一个区域中使用了偶数信道，则奇数信道将在相邻区域中使用。由此，确保了最接近给定区域的发射器在不同的信道上，并且使用同一频率的最接近的发射器将自然地相隔较远，由此生成更少的干扰。
以上述方法控制发射装置在当发射器是通过管理机构许可并且在数量上较少时能较好地起作用。然而，无线和非许可消费者设备的大量增长在数量上是巨大的，并且不需要许可。期望无线装置和网络能在非许可频率内利用信道化和及其所产生的干扰降低。
发明内容
本发明提供了频道上干扰信号的自治检测和自适应的方法，以协助无线网络上的无线装置选择适当的频道。依照本发明，一种方法通过首先检测无线网络的频道上是否有干扰信号，然后从该干扰信号检索数据来检索协议识别信息，来确定适当的信道。在确定是否通过该频道发射之前，该方法要求确定干扰信号的已识别协议是否为预定协议。为确定协议识别信息，可由无线装置、无线网络主机、无线网络中的客户机装置或接入点读取由干扰信号的生成者发射的信标或分组头。
如果识别的协议是预定协议，则可使来自干扰信号的干扰服从于进一步的准则，以确定是否选择替换频道。如果预定协议是与要在该频道上发射的信号相同的协议，则可容许更高的干扰电平。同样，可将干扰信号与一阈值功率电平进行比较，该阈值功率电平是干扰信号使用的协议的函数。如果干扰信号使用的协议是与该无线装置共享预定功能的协议，则该阈值功率电平可以是更高的功率阈值。因此，如果协议相同，则干扰信号的功率可以更大。相反，如果干扰信号使用的协议不是与无线装置共享预定功能的协议，则阈值功率电平是较低的功率阈值。为确定阈值功率，在确定无线装置可用于在频道上发射的阈值功率电平之前，在数据库中识别干扰信号的协议。由此，阈值功率电平是识别的协议的函数，使得例如如果干扰信号低于阈值功率电平时，无线装置在该频道上发射。在找到功率电平并且可接受该功率电平来允许信号发射之后，可增大发射信号以提高信噪比，或可减弱信号以节省发射装置的功率。
当结合附图阅读以下说明性实施例的详细描述时，可以明白本发明的另外的特征和优点。
附图说明
尽管所附权利要求书用细节陈述的本发明的特征，然而，当结合附图阅读以下详细描述时，可以最好地理解本发明及其目的和优点，附图中：
图1是一般示出了本发明可驻留的示例性无线计算装置的框图；
标有“现有技术”的图2所示是已知数字无线电接收器的流程图；
图3依照本发明的一个实施例示出了可试图测量由其它发射器引起的干扰电平的发射器的系统的流程图；以及
图4依照本发明的一个实施例示出了通过确定生成干扰的系统类型，并基于该系统类型调节功率阈值用于接受信道，来解决无线装置所检测的干扰的流程图。
具体实施方式
转向附图，其中，相同的标号标识相同的元件，示出本发明在合适的计算环境中实现。尽管并非所需，但本发明将在计算机可执行指令的一般上下文环境中描述，计算机可执行指令如由个人计算机执行的程序模块。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等等，执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型。此外，本领域的技术人员可以理解，本发明可以用其它计算机系配置来实践，包括手持式设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费者电子设备、网络PC、小型机、大型机等等。本发明也可以在分布式计算环境中实践，其中，任务由通过通信网络连接的远程处理设备来执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器存储设备中。
本发明可以使用诸如由处理器执行的程序模块等指令，在采用各种类型的机器的系统中实现，包括蜂窝电话、手持式设备、无线监视设备、基于多处理器的可编程消费者电子设备等等。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等等，执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型。术语“程序”包括一个或多个程序模块。
图1示出了用于实现本发明的一个或多个实施例的示例性计算装置100。在其最基本的配置中，计算装置100包括至少一个处理单元102和系统存储器104。根据计算装置的确切配置和类型，系统存储器104可以是易失(如RAM)、非易失(如ROM、闪存等)或两者的某种组合。这一基本配置在图1中由虚线106示出。另外，装置100也可具有附加的特征/功能。例如，装置100也可包括另外的数据存储设备(可移动和/或不可移动)，包括但不限于，磁盘、光盘或磁带。这类另外的存储在图1中由可移动存储108和不可移动存储110示出。计算机存储媒质可包括以用于储存如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的任一方法和技术实现的易失和非易失、可移动和不可移动媒质。存储器104、可移动存储108和不可移动存储110都是计算机存储媒质的示例。计算机存储媒质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备、或可以用来储存期望的信息并可由计算装置100访问的任一其它媒质。任一这类计算机存储媒质可以是装置100的一部分。
装置100也包含允许装置与其它装置进行通信的通信连接112。通信连接112是通信媒质的一个示例。通信媒质通常在诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号中包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并包括任一信息传送媒质。术语“已调制数据信号”指以对信号中的信息进行编码的方式设置或改变其一个或多个特征的信号。作为示例而非局限，通信媒质包括有线媒质，如有线网络或直接连线连接，以及无线媒质，如声学、RF、红外和其它无线媒质。如上所述，本发明使用的术语计算机可读媒质包括存储媒质和通信媒质。装置100也可具有一个或多个输入设备114，如键盘、鼠标、输入笔、音频设备、触摸设备等等。也可包括一个或多个输出设备116，如显示器、扬声器、打印机等等。所有这些设备在本领域中是公知的，无需在此详细描述。
在以下描述中，将参考由一个或多个计算机执行的行动和操作的符号表示来描述本发明，除非另外指明。由此，可以理解，这类行动和操作，有时称为计算机执行的，包括计算机的处理单元对以结构化形式表示数据的电信号的操纵。这一操纵转换了数据或在计算机的存储器系统中的位置上维护它，从而以本领域的技术人员都理解的方式重配置或改变了计算机的操作。维护着数据的数据结构是存储器的物理位置，具有数据格式所定义的具体特性。然而，尽管在上述的上下文环境中描述本发明，它并不意味着限制，如本领域的技术人员所理解的，后文所描述的行动和操作的各方面也可以硬件实现。
本发明着重解决现有的避免无线电频谱干扰，尤其是非许可无线电频谱中干扰的方法的局限。一种这样的方法被称为动态频率选择(DFS)。动态频率选择是一种发射装置在选择用于发射的信道之前测量每一信道上的干扰的技术。发射装置根据具有最低干扰电平的信道将提供最低干扰电平并因此提供接收器处的最高CIR的假定，选择该信道。
DFS技术的一个问题是并非所有的干扰信号都是相等的。通常，由于防止多个装置在同一时刻发射或发射不相关信号的媒体访问控制技术，实现同一协议的第二发射装置将自然地避免干扰。因此，DFS系统需要能够在不同类型的干扰信号之间加以区别。
本发明实现了一种DFS技术，其中，与发射装置使用同一发射协议的干扰源将不会被与使用不同协议的发射信号不同地处理。
图2示出了一个典型的数字无线电接收器。许多无线电接收器体系结构在本领域中是公知的，为说明目的而非局限，图2是一种典型的常见体系结构。无线电包括耦合至带通滤波器204的天线202。带通滤波器204移除已知期望信号存在于其中的无线电谱的期望频带之外的信号。
带通滤波器204耦合至低噪声放大器(LNA)206。LNA 206增大接受信号的电平而同时被优化成几乎不向接受信号添加热噪声。
LNA 206耦合至改变接受信号的中心频率的降频变换器208。降频变换器208另外耦合至MAC处理器218。MAC处理器218可配置降频变换器208以改变接受信号的频移量。另外，降频变换器208通常向MAC处理器218传递带内总功率的估算。将设置降频变换器208中实现的频移以将期望信道置于信道滤波器210的通频带内。
信道滤波器210移除为接受所选择的信道，同时阻塞操作频带内的所有其它信道。信道滤波器210耦合至将接受信号的中心频率移至DC的降频变换器212。
降频变换器212耦合至将模拟信号转换成经采样的数字信号的模一数转换器214。降频变换器212也耦合至MAC处理器218，并且在一个实现中，向MAC处理器218提供所选择的信道中的瞬时功率的估算。
模-数转换器214耦合至数字物理层接收器216。数字物理层接收器216将把模-数转换器214的数字序列转换成比特流。数字物理层接收器216执行诸如定时恢复、符号恢复、均衡化、解扩、检错和纠错以及位限制(bit slicing)等功能。数字物理层接受器通常被实现为数字硬件、可编程数字信号处理器或两者。数字物理层接收器216耦合至MAC层处理器218。MAC层处理器218控制对无线电信道的访问，包括控制信道选择。
现在参考图3，系统流程图示出了可尝试测量由其它发射器引起的干扰电平的发射器。适合执行图3中示出的方法的发射器的类型可以是无线LAN系统中的发射器，如本领域技术人员得益本发明的揭示所理解的，可以是主机或客户机。例如，该装置和无线系统可以是IEEE 802.11类型的装置和系统，包括802.11a、802.11b、802.11g和其它802.11类型的装置，总称为802.11x装置。其它装置可包括如蓝牙类型的装置。每一装置或系统可遵循一用于执行信道选择的预定方法，并可具有可确定是主机、客户机、接入点还是其它类似物在执行信道选择的协议。测量干扰的一种常用方法是确定所接受信号的功率电平，如块302所示。在许多数字无线电系统中，干扰在时间上不是恒定不变的，因为发射器往往仅在一小部分时间内运行。由于发射器不是一成不变地运行，因此应当在一段时间上测量功率电平。如本领域所已知的，可使用若干种算法来确定干扰电平。例如，可通过对给定信号进行采样，并确定平均功率来测量功率。
在块304，将干扰电平与阈值功率Pt1进行比较。如果干扰功率电平低于此阈值，则在块310选择该信道，并且无线装置开始在该信道上发射。如果在块304干扰电平高于此阈值Pt1，则在块306递增信道号码。
块308进行检查以确定是否测量了所有的信道。如果没有一个信道通过块304的测试，则不为发射选择任何信道。在一个实施例中，如果信道通过了块304所示的测试，则仅使用那些被指定为用于通信的适当信道的信道。在其它实施例中，如果确定没有一个信道通过块304所示的测试，则可选择最低干扰信道。更具体地，关于是否应当应用最低干扰信道的决定可由该系统的需求来确定。由此，如同低成本点对点通信系统(如，步话机)，需要十分低的噪声信道的系统可确定没有信道是合适的。
不是所有的干扰源(interferer)对无线电接收都同样有害。例如，通常在同一协议下运行的两个无线电将不会彼此影响，因为这两个装置的MAC层被设计成避免同时发射。例如，某些无线协议可实现通过定时方法、载波传感方法、码分复用方法等确定如何共享信道的智能方法。其它方法可通过使用干扰消除或其它可减轻干扰的滤波方法来利用同一协议传输中物理层的类似性，这是本领域中已知的。微波炉通常用固定的工作循环来发射。这允许有规律的周期，其中不生成干扰，虽然峰值干扰电平相当高。由此，如果可识别干扰源的类型，则可调节阈值来说明干扰源的类型。
现在参考图4，流程图示出了本发明的一个实施例，它通过确定生成干扰的系统的类型，并调节功率阈值以接受信道，来解决干扰问题。在块402，测量干扰。在块404，将干扰与阈值Pt1相比较。如果干扰功率低于此阈值，则在块410选择该信道。如果信道阈值高于Pt1，则在412检查干扰信号的协议。通常可通过检查许多协议中存在的信标帧或物理层头部来确定协议。
如果干扰源的协议与询问装置的相同，为与询问装置共享预定功能的协议，则在块414将干扰信号的功率与第二较高阈值Pt2相比较。第二较高阈值顾及了这样一个事实，即装置通常对来自使用同一协议发射的装置的干扰较不敏感。如果干扰电平低于Pt2，则在块410选择该信道。
如果干扰源的协议与询问装置使用的不同，则在块416尝试确定干扰装置的协议。可通过将干扰信号与储存在数据库中的信号相比较来作出确定。一旦确定了干扰源的协议，则在块418，基于所使用的协议对干扰源的协议的敏感度来确定一新的阈值Ptdb。然后将干扰电平与Ptdb相比较，如果干扰电平较低，则在块410选择该信道。
如果块416和块418的任一个都不为真，则在块406递增信道号码。块408确定是否检查了所有的信道。如果不是，则流程返回到块402，并且在下一信道上开始该过程。如果已检查了所有的信道，并且没有选择任何信道，则在块420信道选择过程退出。一旦在块410选择了信道，则信道过程也在块420退出。然而，在找到功率电平并且可接受来允许信号发送之后，可增强发送信号以增加信噪等级，或可减弱发送信号以节省发射装置的功率。
当装置第一次加电时执行信道选择算法，但是也必须周期性地执行该算法，因为当装置进入或失去服务时，干扰电平会改变。
这里所引用的所有文献，包括专利、专利申请和出版物，都通过引用整体结合于此。
鉴于许多可应用本发明的原理的可能的实施例，应当认识到，此处参考附图所描述的实施例仅为说明性的，并不应当认为是对本发明的范围的局限。例如，本领域的技术人员将认识到，以软件示出的说明的实施例的元件可以以硬件实现，反之亦然，或者示出的实施例可以在不脱离本发明的精神的情况下可在；排列和细节上进行修改。因此，此处所描述的本发明考虑落入所附权利要求书及其等效技术方案范围之内的所有这样的实施例。

Claims (16)

1.一种为无线网络中的无线装置确定合适的信道的方法，其特征在于，所述方法包括：
检测所述无线网络的频道上的潜在干扰信号；
从所述潜在干扰信号检索数据以检索协议识别信息；
在确定是否在所述频道上发射之前，确定所述潜在干扰信号的已识别协议是否为一预定协议；以及
将所述潜在干扰信号与一阈值功率电平相比较，所述阈值功率电平是由所述潜在干扰信号所使用的协议的函数，
其中如果所述潜在干扰信号的功率电平低于所述阈值功率电平，则所述无线装置在所述频道上发射。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述协议识别信息是由所述潜在干扰信号的生成器发送的信标。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述协议识别信息位于由所述潜在干扰信号的生成器发送的分组头部内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述预定协议与要在所述频道上发送的信号的协议相同时所容许的潜在干扰信号的功率电平比在所述预定协议不与要在所述频道上发送的信号的协议相同时所容许的潜在干扰信号的功率电平高。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定协议由IEEE 802.11x协议来描述。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述无线装置的发射在一增强的功率电平上，以提高所述无线网络的信噪级别。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述无线装置的发射是在一降低的功率电平上，以减少由所述无线装置使用的功率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述无线装置在所述频道上发射的阈值功率电平之前，在一数据库中识别所述潜在干扰信号的协议。
9.一种为无线网络中的无线装置确定合适的信道的系统，包括：
用于检测所述无线网络的频道上的潜在干扰信号的装置；
用于从所述潜在干扰信号检索数据以检索协议识别信息的装置；
用于在确定是否在所述频道上发射之前，确定所述潜在干扰信号的已识别协议是否为一预定协议的装置；以及
用于将所述潜在干扰信号与一阈值功率电平相比较的装置，所述阈值功率电平是由所述潜在干扰信号所使用的协议的函数，
其中如果所述潜在干扰信号的功率电平低于所述阈值功率电平，则所述无线装置在所述频道上发射。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述协议识别信息是由所述潜在干扰信号的生成器发送的信标。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述协议识别信息位于由所述潜在干扰信号的生成器发送的分组头部内。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，在所述预定协议与要在所述频道上发送的信号的协议相同时所容许的潜在干扰信号的功率电平比在所述预定协议不与要在所述频道上发送的信号的协议相同时所容许的潜在干扰信号的功率电平高。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预定协议由IEEE 802.11x协议来描述。
14.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述无线装置的发射在一增强的功率电平上，以提高所述无线网络的信噪级别。
15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中，所述无线装置的发射是在一降低的功率电平上，以减少由所述无线装置使用的功率。
16.如权利要求9所述的系统，其特征在于，在确定所述无线装置在所述频道上发射的阈值功率电平之前，在一数据库中识别所述潜在干扰信号的协议。
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