CN1943257B - 基于频谱机会进行uwb传输分配的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有效地利用频谱资源的方法和系统。所述方法包括下列步骤：确定至少一个频谱机会(510)，其中，所述机会由频率范围和持续时间来标识；确定一组改变的传输特性(515、517)，以便允许在被标识的频率范围中传输期望的信号，其中，所述被改变的传输特性避免在所述频率范围中与所预期的信号发生干扰；以及当所述传输发生在所述持续时间期间时，使用所述被改变的传输特性来传输所述期望信号。在所述系统的一个方面中，确定至少一个机会的步骤包括接收已知频率范围中的信号以及确定所接收信号的特性的步骤。所述系统包括：接收单元(1001)，用于接收与至少一个可接收信号有关的信息项；处理单元(862)，用于确定所述至少一个所接收信号的特性；管理单元(864)，其基于所确定的所接收信号的特性来改变期望信号的传输特性，其中，所述被改变的传输特性避免与所接收的信号发生干扰；以及传输单元(866)，其用于接收所述改变的传输特性以便传输所述期望的信号。在一个方面中，所述期望信号传输特性在一个频率范围/时间周期中被改变，以避免在所述频率范围中与所接收信号发生干扰。

Description

基于频谱机会进行UWB传输分配的方法和系统
本申请依照35 U.S.C.119(e)要求对于2004年4月8日提交的标题为“Cognitive Wideband Radios：Modified Subcarrier Spaces DuringMeasurements”的临时申请序列号60/560,442的优先权，其内容被合并在此以作参考。
本申请涉及无线通信系统，更确切地说涉及超宽带和认知无线电技术及其在指定操作频带内外动态地分配其传输和传输功率限制方面的用途。
传统上，被用于电视、无线电、卫星通信或者雷达传输的频带范围被许可专用于传统的传输服务。传统上，需要对于所述频谱的许可或者条例来避免一个无线传输和另一个无线传输之间的干扰。表1说明了美国的传统VHF电视频带的分配。
  信道   中心频率(MHz)     频带(MHz)    A级覆盖    B级覆盖
  2     55.25     54-60     68dBu     47dBu
  3     61.25     60-66     68dBu     47dBu
  4     67.25     66-72     68dBu     47dBu
  5     77.25     72-82     68dBu     47dBu
  6     83.25     82-88     68dBu     47dBu
  7     175.25     174-180     71dBu     56dBu
  8     181.25     180-186     71dBu     56dBu
  9     188.25     186-192     71dBu     56dBu
  10     193.25     192-198     71dBu     56dBu
  11     199.25     198-204     71dBu     56dBu
  12     205.25     204-210     71dBu     56dBu
  13     211.25     210-216     71dBu     56dBu
表1：VHF电视频带的频率分配
典型情况下，VHF电视信号占用6MHz的频带，其载频朝向所述频带下端偏斜。A级和B级覆盖表示应被接收来获得合理质量的图像的最小信号功率条件。这些覆盖区限定了发射信号的地理边界。
图1说明了用于电视传输的地理分配的一个例子。这个例子还说明了地理分配怎样允许信号隔离来避免干扰。在这个说明性的例子中示出了纽约、费城和华盛顿特区等邻近城市的A级和B级服务覆盖。例如，为了在地理上隔离广播商的传输，可以在纽约和华盛顿的信道2以及费城的信道3上进行传输。如图所示，频率和距离(即发射机功率)被用来防止信道间的干扰。
虽然上述例子是关于电视频率分配而被示出的，但是类似的频率分配可以被提供用于其它受管制的传输，比如无线电(AM/FM/天气)、卫星以及蜂窝电话通信等等。然而，这类专用许可安排导致无线电频谱的低效使用，这是因为商业上不成功的被许可服务不在它们的所分配频带中进行广播。而且，例如紧急呼叫和安全服务/灾害救护通信服务之类的某些服务只是在某些时候要求使用所分配的无线频带。而且，某些服务可能只在指定时段中是有效的。因此，传统的频谱管制并未有效地使用资源。
另一方面，消费电子装置的通信系统主要在未经许可的频带范围中操作。未经许可的频带的资源通常由于未经许可的通信装置的高射程而被认为是有效地使用的。随着仅要求极低传输功率的短距离无线通信的出现，使用互斥的频谱分配是不切实际、繁重并且低效的。然而，由于对这类无线系统的要求，不受控制地使用未经管制的频谱将造成严重的冲突，并且可能在受管制的频带范围中造成干扰。
因此，在所述行业中需要一种方法和系统，其允许更有效地使用频谱，特别是对于短距离无线通信。
一种有效地使用频谱资源的方法和系统被公开。所述方法包括下列步骤：确定至少一个频谱机会，其中，所述机会由频率范围和持续时间来标识；确定一组改变的传输特性，以便允许在被标识的频率范围中传输期望信号，其中，所述改变的传输特性避免在所述频率范围中与所预期的信号发生干扰；以及当所述传输发生在所述持续时间期间的时候，使用所述改变的传输特性来传输所述期望信号。在所述系统的一个方面中，所述确定至少一个机会的步骤包括接收已知频率范围中的信号和确定所接收信号的特性的步骤。所述系统包括：接收单元，用于接收与至少一个可接收信号有关的信息项；处理单元，用于确定所述至少一个被接收信号的特性；管理单元，用于基于所确定的所接收信号的特性来改变期望信号的传输特性，其中，所述改变的传输特性避免与所接收的信号发生干扰；以及传输单元，用于接收所述改变的传输特性以便传输所述期望信号。在一个方面中，所述期望信号的传输特性在一个频率范围/时间周期中被改变，以便避免在所述频率范围中与所接收的信号发生干扰。
图1说明了传输站点的地理分散，以便避免信号干扰；
图2说明了用于UWB传输的传统功率分布；
图3说明了示例性频率/时间UWB传输；
图4a和4b说明了示例性频率/时间传输分布和频谱机会的标识；
图5a、5b和5c说明了根据本发明原理的频率/时间UWB传输的例子；
图6a说明了根据本发明原理的处理流程图；
图6b说明了图6a中所示的处理结果的例子；
图7说明了根据本发明原理的第二示例性处理的流程图；
图8说明了描述根据本发明原理的处理流程的框图；
图9说明了图8中所示的频谱机会管理器的处理流程的框图；以及
图10说明了用于执行在此示出的处理的处理系统。
应当理解，这些附图只是用于说明本发明的概念，而不是为了对本发明进行限制。在附图中示出并且在下面详细描述的实施例应被视为说明性实施例，而不应被看作是实践本发明的唯一方式。此外，相同的附图标记被用来标识类似的元件。
超宽带(UWB)技术试图为短程无线通信提供充足的无线电频谱。该技术同时还是无线个人区域网(WPAN)标准IEEE 802.15.3a的一个候选，其通过使用1.5GHz带宽的低功率传输实现了从55兆比特/s(Mb/s)到480Mb/s的数据率。近来，联邦通信委员会(FCC)已经为UWB传输的应用分配了从3.1GHz到10.6GHz的频带。
图2说明了传统的无线和UWB通信的传输功率频谱的比较(未按比例示出)。如图所示，UWB传输的功率输出应当不显著超出电子环境的环境噪声级(例如通过操作计算机系统而产生的无意辐射功率)。
图3说明了由多频带OFDM联盟(MBOA)提出的对应于三个UWB信道310、320、330的应用，每个信道在从3.168GHz到4.752GHz的频率范围内大约具有528Mhz的带宽。通过使用UWB技术，大于100Mb/s的数据率可以在其功率输出没有显著超出额定环境噪声级的信道上被传输。适用于UWB技术的应用实例是无线USB、在消费装置和个人电脑之间的音频和图像集合的高速传送以及用户装置之间的数字视频的高速流送。在已说明的应用中，数据在指定的时间周期t0、t1和t2在所述三个信道当中的每个信道内被传输。在所标识的传输周期之间的间隔中只存在环境噪声级。本领域的技术人员将认识到，传输发生在有限的时间周期内，例如t1到Δt1，并且这个周期没有被显示以免不必要地造成附图的混乱和复杂。
SARA(频谱灵活无线电)是这样一种方法，其通过寻找机会(即未使用的频谱资源)来改进频谱效率，以便提供传输频率或频率范围。通过SARA策略来管制标识频谱机会，例如通过储存装置或者通过从服务器下载来使所述SARA策略可用于SARA无线电网络，以及指示频谱使用的测量结果。SARA的主要目标之一是隔离原始管制的服务，并且避免与之发生干扰。
图4a说明了在未经许可的5GHz频带中操作的四个IEEE 802.11a信道410、420、430、440的频谱使用以及在从5.14到5.16GHz的频带中的周期性传输445。根据用于标识频谱机会的SARA策略的一个方面，一个频谱机会在IEEE 802.11a信道频带之上(即区域450)被标识，并且第二频谱机会在周期性传输455之下(即区域460)被标识。在SARA策略的另一个方面中，附加的频谱机会例如可以在5-7ms、10-12ms、15-17ms等时间处在信号455内被标识。图4b说明了在频域/时域中标识的频谱机会的第二个例子。如图所示，在一个或多个频带上，所述机会可以在时间上连续或者分离。采用基于SARA的技术的装置可以在使用这类机会之前标识所述机会。
根据本发明的原理，图5a说明了采用SARA技术的UWB传输(对应于图1中所示的UWB传输)的例子。在这个第一例子中，频谱机会510被确定存在于频带f1到f2以及时间t1-Δt1到t12+Δt12之间。在这种情况下，预定在时间t1和t2并且在信道1,310中发生的传输分别被移位到f1和f2之间的频带，即515和517。此外，所述传输以显著更高的功率发生。使用更高功率是有利的，因为这样允许在较远距离下的信号接收，或者允许使用较少的带宽，因为接收相同级别的服务质量只需要传输较少的编码比特。
图5b说明了根据本发明原理的UWB SARA传输的第二个例子。在这个说明性的例子中，频谱机会520被确定在时间t0和t2-Δt2之间在信道1,310内的频率子带中，而机会530被确定在时间t1-Δt1到t2+Δt2之间在信道3,330内的频率子带中。在这种情况下，当信道1,310内的子载波频率落在由机会520规定的指定子带内时，所述传输的传输特性被改变或被调整，以便利用所述机会。在这种情况下，在该指定子带中分别发生在时间t0和t1的传输(即522和524)的功率被增加。应当指出，信号在时间t2被以额定功率传输，因为机会520的窗口已经关闭。
类似地，当在信道3,330中传输的信号在时间t1和t2被传输时，当所述子载波频率落在与频谱机会530相关联的频带内的时候，所述传输特性被改变。在这种情况下，传输特性的改变涉及功率和调制率。本领域的技术人员将认识到，所述改变还可以在诸如调制类型、编码率等特性或参数中发生。
图5c说明了根据本发明原理的UWB SARA操作的另一个例子。在这个例子中，被扫描或测量的频谱在时间t1-Δt1和t1+Δt1之间处于从信道1延伸到信道3的频率范围中。在这种情况下，为了测量的目的，在所述子信道带宽之外调整所述传输带宽。本领域技术人员将认识到，用于测量的带宽不需要如图所示那样是相邻的或连续的，而是可以扩展到多个频带，这些频带可以是分离的、不相邻的和/或不连续的。
图6a说明了根据本发明原理的用于确定频谱机会的示例性流程600的流程图。在本发明的这个方面，具有UWB SARA能力的装置的操作参数或特性在块610被确立。在块620，关于所期望的或者所选择的频带中的无线电频谱的使用做出判断。在块630，关于在所期望的或者所选择的频带中是否存在信号做出判断。如果回答是否定的，则操作条件在块660例如被固定为缺省值。然而，如果回答是肯定的，则在块640执行对信号特性的分析并且存储结果。
在块645，关于是否存在更多信号做出判断。如果回答是肯定的，则所述处理在块640继续以便分析剩余的信号。然而，如果回答是否定的，则所述操作特性在块650基于对所述信号的分析而被确定。
图6b用图1中所示的例子说明了根据本发明原理确定的示例性功率传输特性。回到图1，具有UWB SARA能力的装置110位于费城和华盛顿特区之间，并且可以通过接收来确定发射自周围城市的信道2、3、4、5和7上的信号。在本例中，信道2、4和7发射自华盛顿特区和纽约，信道3发射自费城，并且信道5也发射自纽约。应当认识到，在每个信道上的接收功率取决于发射机输出功率、发射机和接收装置110之间的距离、接收装置110的灵敏度以及天气条件。应当认识到，发射自纽约的信道2上的信号不能被检测到，因为发射自华盛顿的信道2上的信号可能具有高得多的接收功率，或者传输信号功率可能太低以致不能达到装置110。然而在这个例子中，接收装置将能够检测到信道2、3、4、5和7。
回到图6b，在所示出的例子中，信道2、4和7内的子载波频率上的传输功率级被确立在第一功率级，即670、672和676，以便避免与发射自华盛顿的信道2、4和5发生干扰。信道3内的子载波频率上的传输功率级被设定在额定功率级672，以免与发射自费城的信道3发生干扰，并且信道5中的子载波频率上的传输功率级被设定在第二额定功率级673，以免与信道5发生干扰。因为在信道6上没有检测到信号或者没有确定信号，所以最大功率级674可以被设定。虽然没有详细示出，但是本领域技术人员将认识到，可以在88和174MHz之间的FM频带中执行类似的操作。在这个说明性的例子中，功率级被示为设定在固定级675。
虽然上述例子针对检测和分析信号环境描述了本发明，但是本领域技术人员还应当认识到，可以通过知晓装置110的位置以及每个发射站点的位置和发射功率而确定信号环境。此外，在接收站点处的接收功率可以用众所周知的公式来确定，所述公式基于频率、距离、发射功率和衰减来估计所接收信号的强度。在一种情况下，装置110的位置可以通过人工输入来提供，而在另一种情况下，全球定位卫星(例如GPS)可以提供所述位置。
图7说明了在本发明的另一个方面中的处理700的流程图。在本发明的这个方面中，电子环境中的信号在块710被确定。在块720，关于该电子环境是否已经发生变化做出判断。如果回答是否定的，则当前的操作参数在块730被保持。然而，如果回答是肯定的，则信号环境在块740被重新评估，并且新的操作参数在块745被确立。图7中所示的处理可以基于周期性、从先前执行开始的预定时间、已知事件或者未知而被启动。例如，如果装置110在运动中并且被传送到另一个位置、如果干扰达到阈值水平、如果超出误码率阈值水平、如果已知被管制的信号被关掉、在特定时间处或者这些标准以及其它类似标准的组合，则所示处理可以被启动。
图8描述了说明根据本发明原理的处理流程的框图800。在这个示例性框图中，数据810被提供给调制器820，以便把数据810叠加或调制到由子载波发生器830所提供的子载波频率上。然后，经调制的子载波频率被提供给IFFT(快速傅里叶逆变换)840，以用于在指定时间进行编码以及后续传输。
在这个被说明的例子中，信号还被系统800接收、被FFT 850解码并且被提供给频谱机会管理器(SOM)860。SOM 860的输出被提供给子载波发生器830，以便基于对所接收信号的分析来调整下一个/后续传输的传输特性。如上所述，所接收信号的接收时间可以是周期性的，或者在固定时间，或者在已知事件发生的时候。
图9描述了图8中所示的SOM 860的处理流程的框图。在这个示例性处理流程中，环境标识器862基于所检测到的信号和/或已知信号的位置和数据库来接收与电子环境有关的信息项。如前所述，例如，由FCC准备的已知的被管制信号的(一个或多个)数据库(其控制对频谱的管制)可以被接收，并且所述信息项可以结合发射机位置被用来在接收站点确定所预期的信号环境。
被确定的或者被标识的信号被提供给操作管理器864，其基于被标识信号来确定下一个/随后传输的传输特性。下一个/随后传输的传输特性可以被改变，以便在下一个/随后的传输中产生变化。在一个方面中，传统的OSI 7层栈式网络的物理层的传输参数可以被改变。被改变的传输参数然后被提供给子载波发生器830，以便实施传输。
图10说明了系统1000的一个示例性实施例，系统1000可以被用于实施本发明的原理。系统1000可以包括一个或多个输入/输出装置1002、处理器1003和存储器1004。I/O装置1002可以从一个或多个与信号信息有关的源1001访问或者接收信息。源1001可以是诸如接收系统、计算机、笔记本计算机、PDA、蜂窝电话之类的装置或者其它接收装置或系统。源1001可以例如经由无线广域网、无线城域网、无线局域网、陆地广播系统(无线电、电视)、卫星网络、蜂窝电话或者无线电话网络、有线网络、内部通信总线、内部连接以及这些和其它类型的网络的一部分或其组合而通过一个或多个网络连接1050提供信息。
输入/输出装置1002、处理器1003和存储器1004可以通过通信介质1025通信。通信介质1025例如可以表示总线、通信网络、一个或多个内部电路连接、电路卡或其它设备以及这些和其它通信介质的一部分或其组合。来自源1001的输入数据根据一个或多个可以被存储在存储器1004中的程序而被处理，并且被处理器1003执行。处理器1003可以是诸如通用或专用计算机系统之类的任何装置，或者可以是诸如膝上型计算机、台式计算机、服务器、便携式计算机、专用逻辑电路或集成电路之类的硬件配置。处理器1003还可以是可编程阵列逻辑(PAL)、专用集成电路(ASIC)等等，它们可以是被编程为包括响应于已知输入提供已知输出的软件指令的硬件。在一个方面中，硬件电路可以代替或结合执行本发明的软件指令而被使用。在此说明的元件还可以被实施为分立的硬件元件，它们适于通过使用编码逻辑操作或者通过执行硬件可执行代码来执行所述的操作。
在一个方面中，本发明的原理可以由处理器1003执行的计算机可读代码来实施。所述代码可以被存储在存储器1004中或者从存储介质1083、I/O装置1085或者诸如记忆棒、闪存卡、软盘、CD-ROM或DVD之类的磁、光介质1087而被读取/下载。
在根据一个或多个适于执行在此说明的功能的软件程序进行处理之后，由I/O装置1002从源1001接收的输入还可以通过网络1070被传输到一个或多个被表示为显示器1080、报告装置1090或第二处理系统1095的输出装置，例如子载波发生器830(图8)。
本领域的技术人员将认识到，术语“计算机”或“计算机系统”可以表示与一个或多个存储单元以及(例如电连接到至少一个处理单元并与之通信的)其它装置进行通信的一个或多个处理单元。此外，所述装置可以经由内部总线(例如ISA总线、微通道总线、PCI总线、PCMCIA总线等等)或者经由电路、电路卡或其它装置的一个或多个内部连接以及这些和其它通信介质的一部分或其组合或者经由例如因特网和内联网之类的外部网络被电子连接到一个或多个处理单元。
虽然已经示出、描述和指出了应用于本发明的优选实施例的基本新颖特征，但是应当理解，在不脱离本发明精神的前提下，本领域技术人员可以对所述设备、所公开装置的形式和细节以及它们的操作做出各种省略、替换以及改变。很明显，意图让那些以基本相同的方法来执行基本相同的功能以便实现相同结果的元件的所有组合都落在本发明的范围内。从一个实施例到另一个实施例的元件替换也完全被设想。

Claims (9)

1.一种有效地使用频谱资源的方法，包括下列步骤：
确定多个频谱机会(450、510、520、530、540)，其中，每个机会由频率范围和持续时间来标识；
确定一组被改变的传输特性(515、517、524、542)，以便允许在所述标识的频率范围中传输期望的信号，其中，所述被改变的传输特性避免在所述频率范围中与所预期的信号发生干扰；以及
当所述传输发生在所述持续时间期间时，使用所述被改变的传输特性(515、517、524、542)来在所述多个频谱机会上以超带宽UWB同时传输所述期望信号。
2.权利要求1中所述的方法，其中，所述确定多个频谱机会的步骤包括下列步骤：
接收已知频率范围(310、320、330、450、460、510)中的信号；以及
确定所述接收的信号的特性。
3.权利要求2中所述的方法，还包括下列步骤：
确定所述接收的信号的接收时间周期。
4.权利要求2中所述的方法，其中，所述接收的信号的特性是从包括下列各项的组中选择的：接收功率、调制、调制率和带宽。
5.权利要求1中所述的方法，其中，用于确定多个频谱机会的所述步骤的发生是以从包括下列各项的组中选择的速率来执行的：周期性、从先前发生开始过去的时间、基于已知事件。
6.一种用于有效地使用频谱资源的方法，包括下列步骤：
确定多个频谱机会(450、510、520、530、540)，其中，每个机会由频率范围和持续时间来标识；
确定一组被改变的传输特性(515、517、524、542)，以便允许在所述标识的频率范围中传输期望的信号，其中，所述被改变的传输特性避免在所述频率范围中与所预期的信号发生干扰；以及
当所述传输发生在所述持续时间期间时，使用所述被改变的传输特性(515、517、524、542)来在所述多个频谱机会上以超带宽UWB同时传输所述期望信号，其中，所述确定多个频谱机会的步骤包括下列步骤：
确定接收装置的位置(110)；
从至少一个数据库中获得对应于已知发射机的位置和传输特性；以及
基于所述发射机的位置和所述接收装置的位置来确定所估计的接收信号特性。
7.权利要求6中所述的方法，其中，所述接收装置的位置是从包括下列各项的组中选择的：GPS位置和人工输入。
8.一种用于有效地使用频谱资源的装置(1000)，包括：
用于确定多个频谱机会(450、510、520、530、540)的部件，其中，每个机会由频率范围和持续时间来标识；
用于确定一组被改变的传输特性(515、517、524、542)，以便允许在所述标识的频率范围中传输期望的信号的的部件，其中，所述被改变的传输特性避免在所述频率范围中与所预期的信号发生干扰；以及
用于当所述传输发生在所述持续时间期间时，使用所述被改变的传输特性(515、517、524、542)来在所述多个频谱机会上以超带宽UWB同时传输所述期望信号的部件。
9.一种用于有效地使用频谱资源的装置(1000)，包括：
用于确定多个频谱机会(450、510、520、530、540)的部件，其中，每个机会由频率范围和持续时间来标识；
用于确定一组被改变的传输特性(515、517、524、542)，以便允许在所述标识的频率范围中传输期望的信号的部件，其中，所述被改变的传输特性避免在所述频率范围中与所预期的信号发生干扰；以及
用于当所述传输发生在所述持续时间期间时，使用所述被改变的传输特性(515、517、524、542)来在所述多个频谱机会上以超带宽UWB同时传输所述期望信号的部件，其中，所述用于确定多个频谱机会的部件包括下列部件：
用于确定接收装置的位置(110)的部件；
用于从至少一个数据库中获得对应于已知发射机的位置和传输特性的部件；以及
用于基于所述发射机的位置和所述接收装置的位置来确定所估计的接收信号特性的部件。
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