DE102006048541A1

DE102006048541A1 - Systeme, Verfahren, und Vorrichtungen für Grob-Abfühlmodule

Info

Publication number: DE102006048541A1
Application number: DE102006048541A
Authority: DE
Inventors: Wang Myong Woo; Chang Ho Lee; Jung Suk Paju Lee; Hak Sun Kim
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-05-31
Also published as: GB2435567B; CN1953356B; FR2892587A1; FI20065660L; US20070091720A1; KR20070043603A; US7668262B2; GB0620953D0; GB2435567A; KR100809237B1; CN1953356A; FI20065660A0

Abstract

Es werden Systeme, Verfahren und Vorrichtungen für Grob-Abfühlmodule vorgesehen, welche dazu dienen, Anfangswerte für eine Belegung des Spektrums zu liefern. Die Grob-Abfühlmodule können einen Wavelet-Wellenformgenerator zum Liefern einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen sowie einen Multiplikator aufweisen, der die Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal verknüpft, um ein Korrelationssignal zu bilden. Das Grob-Abfühlmodul kann weiter einen Integrator aufweisen, der das erzeugte Korrelationssignal von dem Multiplikator empfängt, wobei der Integrator Korrelationswerte durch das Integrieren des Korrelationssignals bestimmt, sowie ein Spektrumerkennungsmodul in Verbindung mit dem Integrator, welches ein Segment des verfügbaren Spektrums wenigstens teilweise basierens auf den Korrelationswerten bestimmt. Des Weiteren kann das Spektrumerkennungsmodul ein Segment des verfügbaren Spektrums durch Verwenden von Informationen aus einer Spektrumnutzung-Datenbank bestimmen, wobei die Spektrumnutzung-Datenbank Informationen enthält, die einer oder mehreren bekannten Signalarten zugeordnet sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Für diese Anmeldung wird die Priorität der provisorischen U.S.-Anmeldung Nr. 60/729,037, angemeldet am 21. Oktober 2005 mit dem Titel "Systems, Methods and Apparatuses for Coarse-Sensing Modules", beansprucht, die hier durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen ist. Des Weiteren ist die Anmeldung mit den folgenden, gleichzeitig anhängigen U.S.-Anmeldungen verwandt, die hier jeweils durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen sind: "Systems, Methods and Apparatuses for Spectrum-Sensing Cognitive Radios", angemeldet am 18. Juli 2006 mit dem Aktenzeichen US 11/458,249 und "Systems, Methods and Apparatuses for Fine-Sensing Modules", angemeldet am 18. Juli 2006 mit dem Aktenzeichen US 11/458,280.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die kabellose Kommunikation, und insbesondere Systeme, Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen der Nutzung des Hochfrequenz- (HF-) Spektrums.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In den Vereinigten Staaten und einer Reihe anderer Länder wird oft die Verwendung des Hochfrequenzspektrums von einer Genehmigungsbehörde wie der FCC (Federal Communications Commission) reguliert und vergeben, um die Kommunikationserfordernisse von Instanzen wie beispielsweise Firmen und lokalen und staatlichen Behörden sowie Einzelpersonen zu erfüllen. Genauer lizenziert die FCC eine Anzahl von Segmenten des Spektrums an Instanzen oder Einzelpersonen ("Lizenznehmer") für kommerzielle oder öffentliche Nutzung. Diese Lizenznehmer können ein ausschließliches Recht zur Nutzung ihres jeweils lizenzierten Segments des Spektrums für einen bestimmten geographischen Bereich oder eine bestimmte Zeitdauer haben. Derartige lizenzierte Segmente des Spektrums werden als notwendig erachtet, um Interferenzen aus anderen Quellen zu verhindern oder abzuschwächen. Wenn jedoch bestimmte Segmente des Spektrums an einem bestimmten Ort oder zu einer bestimmten Zeit nicht genutzt werden ("das verfügbare Spektrum"), sollten andere Vorrichtungen in der Lage sein, eine derartiges verfügbares Spektrum für Kommunikation zu nutzen. Eine solche Nutzung des verfügbaren Spektrums würde eine effizientere Nutzung des Funkspektrums oder von Bereichen davon bieten.

Zuvor offenbarten Spektrum-Abfühltechniken zum Bestimmen des verfügbaren Spektrums wurde aus wenigstens zwei Gründen mit Widerstand begegnet: (1) Sie funktionieren nicht für hoch entwickelte Signalformate, oder (2) es sind übermäßige Hardware-Leistungen und/oder eine übermäßige Leistungsaufnahme für die Berechnung erforderlich. Beispielsweise wurde eine Spektrum-Abfühltechnik offenbart, bei der ein nicht kohärenter Energiedetektor eine Berechnung einer Fast Fourier Transformation (FFT) für ein Schmalband-Eingangssignal durchführt. Die FFT liefert die Spektralkomponenten des Schmalband-Eingangssignals, welche dann mit einem vorbestimmten Schwellenwert-Pegel verglichen werden, um einen signifikanten Signalempfang zu detektieren. Jedoch wird dieser vorbestimmte Schwellenwert-Pegel in hohem Maße durch unbekannte und veränderliche Rauschpegel beeinflusst. Des Weiteren unterscheidet der Energiedetektor nicht zwischen modulierten Signalen, Rauschen und Interferenzsignalen. Somit funktioniert er nicht für hoch entwickelte Signalformate, wie beispielsweise ein gespreiztes Spektralsignal, einen Frequenzsprung und Mehrträger-Modulation.

Als weiteres Beispiel wurde eine zyklostationäre Merkmaldetektionstechnik als Spektrum-Abfühltechnik offenbart, welche zyklische Merkmale modulierter Signale, sinusförmige Träger, periodische Pulszüge, sich wiederholende Sprungmuster, zyklische Präfixe und Ähnliches nutzt. Korrelationsfunktionen für das Spektrum werden berechnet, um die für das Signal einzigartigen Merkmale, wie beispielsweise Modulationsarten, Symbolraten und Vorhandensein von Interferenzverursachern, zu detektieren. Da die Detektionsspanne und die Frequenzauflösung Kompromisse sind, ist ein Aufrüsten des digitalen Systems der einzige Weg, die Detektionsauflösung für das Breitband-Eingangssignalspektrum zu verbessern. Jedoch erfordert ein derartiges Aufrüsten des digitalen Systems übermäßige Hardware-Leistungen und Leistungsaufnahme für die Berechnung. Des Weiteren sind flexible oder skalierbare Detektionsauflösung nicht ohne Hardware-Änderungen möglich.

Dementsprechend besteht in der Industrie ein Erfordernis nach grob abfühlenden Modulen, welche die Bestimmung der Nutzung des Spektrums ermöglichen, wobei Hardware- und Leistungsaufnahme-Anforderungen minimiert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein grob abfühlendes Modul vorgesehen, welches zum Untersuchen von Hochfrequenz- (HF-) Eingängen auf mögliche Interferenzverursacher dient. Dementsprechend können die Grob-Abfühlmodule Startwerte der Belegung des Spektrums liefern. Beispielsweise können die Grob-Abfühlmodule die Belegung des Spektrums in Verbindung mit Kommunikation über eine Vielzahl gängiger und aufkommender kabelloser Standards einschließlich IS-95, WCDMA, EDGE, GSM, Wi-Fi, Wi-MAX, Zigbee, Bluetooth, digitales Fernsehen (ATSC, DVB) und Ähnliches detektieren.

Die grob abfühlenden Module können als Teil kognitiver Funkgeräte verkörpert sein, obwohl bei anderen Ausführungsformen die grob abfühlenden Module in anderen kabellosen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Wie hier beschrieben, kann in den grob abfühlenden Modulen ein Multiauflösung-Abfühlmerkmal, welches als MRSS (Multi-Resolution Spectrum Sensing) bekannt ist, implementiert werden, obwohl ebenfalls andere Alternativen verwendet werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Hochfrequenz- (HF-) Spektrum-Abfühlsystem vorgesehen. Das System weist einen Wavelet-Wellenformgenerator auf, welcher eine Vielzahl von Wavelet-Pulsen liefert, einen Multiplikator, der die Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal verknüpft, um ein Korrelationssignal zu bilden, einen Integrator, der das erzeugte Korrelationssignal empfängt, wobei der Integrator Korrelationswerte durch das Integrieren des Korrelationssignals bestimmt, und ein Spektrumerkennungsmodul in Verbindung mit dem Integrator, welches ein Segment des verfügbaren Spektrums wenigstens zum Teil basierend auf den Korrelationswerten bestimmt.

Gemäß einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann die Vielzahl von Wavelet-Pulsen moduliert werden. Die modulierten Wavelet-Pulse können aus einem sinusförmigen Trägersignal und einem Mantelsignal gebildet sein, wobei das Mantelsignal wenigstens zum Teil die Breite und Form des Wavelet-Pulses bestimmt. Gemäß einem anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann wenigstens die Trägerfrequenz und/oder die Breite und/oder die Form in Verbindung mit den Wavelet-Pulsen rekonfiguriert werden. Des Weiteren weist ein Verstärker, der das Eingangssignal verstärkt, weiter eine Verstärker-Vorstufe auf. Gemäß noch einem anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind die Korrelationswerte digitalisiert. Gemäß noch einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bestimmt das Spektrumerkennungsmodul das verfügbare Spektrum wenigstens zum Teil basierend auf einer Spektrumnutzungs-Datenbank, wobei die Spektrumnutzungs-Datenbank Informationen enthält, die einem oder mehreren bekannten Signalarten zugeordnet sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Hochfrequenz- (HF-) Spektrumnutzung vorgesehen. Das Verfahren umfasst Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen, Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal, um ein Korrelationssignal zu bilden, Berechnen von Korrelationswerten durch Integrieren des Korrelationssignals, und Bestimmen eines Segments des verfügbaren Spektrums wenigstens zum Teil basierend auf den Korrelationswerten.

Gemäß einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann das Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen eine Vielzahl von Gaußschen Wavelet-Pulsen umfassen, die wenigstens aus den Gaußschen Wavelet-Pulsen und/oder Hanning Wavelet-Pulsen gewählt sind. Gemäß einem anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann das Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen das Erzeugen einer Vielzahl modulierter Wavelet-Pulse aufweisen, wobei die Vielzahl modulierter Wavelet-Pulse ein sinusförmiges Trägersignal und ein Mantelsignal umfasst. Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bestimmt das Mantelsignal wenigstens zum Teil die Breite und Form der Wavelet-Pulse. Des Weiteren kann das Verfahren weiter aufweisen Rekonfigurieren der Trägerfrequenz und/oder der Breite und/oder der Form in Verbindung mit den Wavelet-Pulsen. Gemäß einem noch weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann das Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal das Multiplizieren der Wavelet-Pulse mit dem Eingangssignal aufweisen. Gemäß einem noch weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann das Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal weiter das Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit dem von einer Verstärker-Vorstufe verstärkten Eingangssignal aufweisen.

Gemäß noch einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren weiter Digitalisieren der Korrelationswerte aufweisen, wobei das Bestimmen des verfügbaren Spektrums das Bestimmen des Segments des verfügbaren Spektrums wenigstens zum Teil basierend auf den digitalisierten Korrelationswerten aufweist. Gemäß einem noch weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann das Bestimmen eines Segments des verfügbaren Spektrums weiter das Bestimmen des verfügbaren Spektrums wenigstens zum Teil basierend auf den Korrelationswerten und einer Spektrumnutzungs-Datenbank aufweisen, wobei die Spektrumnutzungs-Datenbank Informationen enthält, die einem oder mehreren bekannten Signalarten zugeordnet sind. Die Spektrumnutzungs-Datenbank kann basierend auf Informationen, die von einer entfernten Station übermittelt werden, aktualisiert werden.

Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Hochfrequenz- (HF-) Spektrum-Abfühlvorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine Antenne zum Empfangen von Eingangssignalen, einen Wavelet-Generator, der eine Vielzahl von Wavelet-Pulsen liefert, einen Multiplikator zum Verknüpfen der empfangenen Eingangssignale und der Wavelet-Pulse, um ein Korrelationssignal zu bilden, und einen Integrator auf, welcher das Korrelationssignal integriert, um Korrelationswerte zu erhalten.

Gemäß einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann der Wavelet-Generator einen Lokaloszillator und einen Generator für Mantelsignale aufweisen, wobei die Mantelsignale die Breite und Form der Wavelet-Pulse bestimmen können. Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann der Wavelet-Generator dazu dienen, I-Q modulierte Wavelet-Pulse zu bilden. Gemäß einem noch weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung können Korrelationswerte über einem oder mehreren Schwellenwerten dazu dienen, eine Anzeige über die Belegung des Spektrums vorzusehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem die Erfindung im Allgemeinen beschrieben wurde, wird nun Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, welche nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und in denen:
1 ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften kognitiven Funksystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des kognitiven Funksystems aus 1 darstellt.
3 einen Kompromiss zwischen einer Wavelet-Pulsbreite und einer Wavelet-Pulsefrequenz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
4A ein Blockdiagramm einer beispielhaften MRSS- (Multi-Resolution Spectrum Sensing) Implementierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
4B ein Beispiel für eine skalierbare Auflösungssteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5A eine Wellenform eines Doppeltonsignals darstellt und 5B das entsprechende Spektrum darstellt, das mit der MRSS-Implementierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detektiert werden soll.
6 eine Wellenform der Kette von Wavelet-Pulsen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
7A die I-Komponente der Wellenform des sinusförmigen I-Q-Trägers darstellt und 7B die Q-Komponente der Wellenform des sinusförmigen I-Q-Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8A modulierte Wavelet-Pulse, die von einem Wavelet-Generator erhalten wurden, mit einer I-Komponente eines sinusförmigen I-Q-Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8B modulierte Wavelet-Pulse, die von einem Wavelet-Generator erhalten wurden, mit einer Q-Komponente eines sinusförmigen I-Q-Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9A eine Korrelationsausgangssignal-Wellenform für das Eingangssignal mit der I-Komponente eines sinusförmigen I-Q-Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9B eine Korrelationsausgangssignal-Wellenform für das Eingangssignal mit der Q-Komponente eines sinusförmigen I-Q-Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
10A durch den Integrator und den Analog-Digital-Wandler abgetastete Werte für die Korrelationswerte mit der I-Komponente der Wavelet-Wellenform mit gegebenen Abständen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
10B durch den Integrator und den Analog-Digital-Wandler abgetastete Werte für die Korrelationswerte mit der Q-Komponente der Wavelet-Wellenform mit gegebenen Abständen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 eine beispielhafte Form des Spektrums darstellt, die von dem Spektrumerkennungsmodul in dem MAC-Modul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detektiert wurde.
12–17 Simulationen verschiedener Signalformate darstellen, die durch MRSS-Implementierungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detektiert wurden.
18 ein beispielhaftes Schaltdiagramm des grob abfühlenden Moduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
19 ein funktionelles Blockdiagramm einer fein abfühlenden Technik unter Verwendung der AAC-Funktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
20A ein beispielhaftes OFDM-Datensymbol gefolgt von einer Präambel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
20B das Spektrum eines IEEE802.11a-Eingangssignals darstellt, das mit einer AAC-Implementierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detektiert werden soll.
21A ein IEEE802.11a-Eingangssignal darstellt und 21B ein verzögertes IEEE802.11a-Signal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
22 eine Wellenform einer Korrelation zwischen dem ursprünglichen Eingangssignal und dem verzögerten Signal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
23 eine von einem Integrator erzeugte Wellenform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
24 eine beispielhafte Konfiguration für ein frequenzagiles Funkfrontend gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen einige, aber nicht alle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die Erfindung kann in vielen unterschiedlichen Formen vorliegen und sollte nicht als auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt verstanden werden; eher sind die Ausführungsformen vorgesehen, damit die Beschreibung rechtliche Anforderungen erfüllt. Es werden durchgehend gleiche Bezugsziffern für ähnliche Elemente verwendet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf kognitive Funksysteme, Verfahren und Vorrichtungen zum Ausnutzen begrenzter Ressourcen des Spektrums. Die kognitiven Funkgeräte können eine vereinbarte und/oder opportunistische Mitbenutzung des Spektrums über einen breiten Frequenzbereich, der eine Vielzahl mobiler Kommunikationsprotokolle und – standards abdeckt, ermöglichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Ausführungsformen des kognitiven Funkgeräts in der Lage sein, intelligent die Nutzung eines Segments des Funkspektrums zu detektieren und ein zeitweilig ungenutztes Segment des Spektrums schnell zu nutzen, ohne die Kommunikation zwischen anderen autorisierten Benutzern zu stören. Die Verwendung dieser kognitiven Funkgeräte kann es einer Vielzahl heterogener kabelloser Netzwerke (welche beispielsweise verschiedene Kommunikationsprotokolle, Frequenzen etc. verwenden) ermöglichen, nebeneinander zu existieren. Diese kabellosen Netzwerke können zellulare Funknetze, W-PANs (Wireless Personal Area Network), W-LANs (Wireless Local Area Network) und W-MANs (Wireless Metro Area Network) umfassen. Die kabellosen Netzwerke können ebenfalls neben Fernsehnetzwerken, einschließlich digitaler Fernsehnetzwerke, existieren. Andere Arten von Netzwerken können gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
A. Überblick über das System kognitiver Funkgeräte
1 stellt ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften kognitiven Funksystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere ist in 1 ein kognitives Funkgerät 100 dargestellt, welches eine Antenne 116, einen Sende-/Empfangsschalter 114, ein Funkfrontend 108, ein analoges Breitbandspektrum-Abfühlmodul 102, einen Analog-Digital-Wandler 118, ein Signalverarbeitungsmodul 126 und ein MAC- (Medium Access Control) Modul 124 aufweist.
Während des Betriebs des kognitiven Funksystems aus 1, welches in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm aus 2 beschrieben wird, können Hochfrequenz- (HF-) Eingangssignale von der Antenne 116 empfangen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Antenne 116 eine Breitbandantenne sein, die über einen breiten Frequenzbereich, etwa von einigen Megahertz (MHz) bis in den Multi-Gigahertz- (GHz) Bereich, betrieben werden kann. Die von der Antenne 116 empfangenen Eingangssignale können zu dem analogen Breitbandspektrum-Abfühlmodul 102 über den Sende-/Empfangsschalter 114 (Block 202) durchgelassen oder auf andere Art geliefert werden. Das Spektrum-Abfühlmodul 102 kann entweder ein Grob-Abfühlmodul 104 oder ein Fein-Abfühlmodul 106 oder beide aufweisen. Wie aus ihren Namen zu schließen ist, kann das Grob-Abfühlmodul 104 die Existenz oder das Vorhandensein eines verdächtigen Segments des Spektrums (z. B. potentiell verwendete Segmente des Spektrums) detektieren, wohingegen das Fein-Abfühlmodul 106 die detektierten verdächtigen Segmente des Spektrums prüfen oder auf andere Art analysieren kann, um die bestimmten Signalarten und/oder die darin verwendeten Modulationsschemen zu bestimmen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann das Grob-Abfühlmodul 104 anfänglich die Belegung des Spektrums für das empfangene Eingangssignal (Block 204) bestimmen. Die Informationen über die Belegung des Spektrums kann durch den Analog-Digital- (A/D-) Wandler 118, welcher in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein A/D-Wandler mit geringer Geschwindigkeit sein kann, von analog in digital gewandelt werden. Die von dem A/D-Wandler 118 gelieferte digitale Information über die Belegung des Spektrums kann von dem Spektrumerkennungsmodul 120 in dem MAC-Modul 124 empfangen werden. Das Spektrumerkennungsmodul 120 kann eine oder mehrere Berechnungen mit der digitalen Information über die Belegung des Spektrums durchführen, um zu erkennen, ob ein oder mehrere Segmente des Spektrums aktuell benutzt werden oder durch andere belegt sind. Das Spektrumerkennungsmodul 120 kann als Hardware, Software oder eine Kombination derselben implementiert sein.
In einigen Fällen kann, basierend auf den erkannten Segmenten des Spektrums, das MAC-Modul 124 eine genaue Überprüfung der Belegung des Spektrums anfordern (Block 206). In einem derartigen Fall kann das Fein-Abfühlmodul 106 dazu dienen, die bestimmten Signalarten und/oder Modulationsschemen zu identifizieren, die wenigstens in einem Bereich der Belegung des Spektrums verwendet werden (Block 208). Die Information, welche die Signalarten und/oder Modulationsschemen identifiziert, kann dann von dem A/D-Wandler 118 digitalisiert und an das Spektrumerkennungsmodul 120 geliefert werden. Information über die Signalart und/oder das Modulationsschema kann erforderlich sein, um den Einfluss von Interferenzverursachern in den detektierten verdächtigen Segmenten des Spektrums zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Spektrumerkennungsmodul 120 Informationen von dem Grob-Abfühlmodul 104 und/oder Fein-Abfühlmodul 106 mit einer Spektrumnutzungs-Datenbank vergleichen (Block 210), um einen verfügbaren (zum Beispiel nicht belegten oder sicheren) Schlitz im Spektrum zu bestimmen (Block 212). Die Spektrumnutzungs-Datenbank kann Informationen bezüglich bekannter Signalarten, Modulationsschemen und untergeordneter Frequenzen enthalten. Gleichermaßen kann die Spektrumnutzungs-Datenbank einen oder mehrere Schwellenwerte aufweisen, um zu bestimmen, ob Informationen von dem Grob-Abfühlmodul 104 und/oder Fein-Abfühlmodul 106 auf ein oder mehrere belegte Spektren hinweisen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Spektrumnutzungs-Datenbank basierend auf Informationen aktualisiert werden, die von einer externen Quelle empfangen wurden, einschließlich periodischer Übertragungen von einer Basisstation oder einer anderen entfernten Station, entfernbaren Informationsspeichern (zum Beispiel entfernbare Chips, Speicher etc.), Internet-Repositories. Alternativ kann die Spektrumnutzungs-Datenbank basierend auf internen Techniken, etwa basierend auf adaptiven Lerntechniken, die Versuch und Irrtum, Testanordnungen, statistische Berechnungen etc. umfassen, aktualisiert werden.
Die von dem Spektrumerkennungsmodul 120 bestimmten Abfühlergebnisse können der Steuerung (zum Beispiel einem Spektrum-Frequenzzuweisungsmodul) des MAC-Moduls 124 berichtet werden, und es kann eine Erlaubnis für eine bestimmte Spektrumnutzung angefordert werden (Block 214). Nach Genehmigung der Steuerung kann der Rekonfigurationsblock des MAC-Moduls 124 eine Rekonfigurationsinformation an das Funkfrontend 108 über das Signalverarbeitungsmodul 126 liefern (Block 218). In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Funkfrontend 108 rekonfigurierbar sein, um bei unterschiedlichen Frequenzen ("frequenzagil") zu arbeiten, wobei die bestimmte Frequenz oder die bestimmten Frequenzen von den gewählten Segmenten des Spektrums zur Verwendung bei der Kommunikation durch das kognitive Funkgerät 100 abhängen können. In Verbindung mit dem frequenzagilen Frontend 108 kann das Signalverarbeitungsmodul 126, welches in einer beispielhaften Ausführungsform ein physikalischer Schichtsignalverarbeitungsblock sein kann, die Leistung des kognitiven Funkgeräts 100 mit adaptiver Modulation und Interferenzminderungstechnik verbessern.
Viele Modifikationen können an dem kognitiven Funkgerät 100 vorgenommen werden, ohne von den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Antenne 116 wenigstens zwei Antennen umfassen. Eine erste Antenne kann für das Funkfrontend 108 vorgesehen sein, wohingegen die zweite Antenne für das Spektrum-Abfühlmodul 102 vorgesehen werden kann. Die Verwendung von wenigstens zwei Antennen kann das Erfordernis eines Sende-/Empfangsschalters 114 zwischen dem Funkfrontend 108 und dem Spektrum-Abfühlmodul 102 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform überflüssig machen. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein Sende-/Empfangsschalter 114 weiter zwischen dem Sender 110 und dem Empfänger 112 des Funkfrontends 108 erforderlich sein. Weiterhin können das Spektrum-Abfühlmodul 102, der A/D-Wandler 118 und das MAC-Modul 124 in Betrieb bleiben, selbst wenn das Funkfrontend 108 und das Signalverarbeitungsmodul 126 nicht in Betrieb oder in Stand-by sind. Dadurch kann die Leistungsaufnahme des kognitiven Funkgeräts 100 gesenkt werden, wobei es dem kognitiven Funkgerät 100 weiter möglich ist, die Belegung des Spektrums zu bestimmen.
Nach einer allgemeinen Beschreibung des kognitiven Funkgeräts 100 wird nun genauer der Betrieb der Komponenten des kognitiven Funkgeräts 100 beschrieben.
B. Spektrum-Abfühlkomponenten
Weiter unter Bezugnahme auf 1 kann das Spektrum-Abfühlmodul 102 das Grob-Abfühlmodul 104 und ein Fein-Abfühlmodul 106 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen. Jedoch kann bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entweder das Spektrum-Abfühlmodul 102 oder das Grob-Abfühlmodul 104 alleine je nach Erfordernis verwendet werden. Obwohl das Spektrum-Abfühlmodul 102 als eine Komponente eines beispielhaften kognitiven Funkgeräts 100 dargestellt wurde, kann ein derartiges Spektrum-Abfühlmodul 102 des Weiteren in alternativen Anwendungen in einer anderen Vorrichtung verkörpert sein und als wirksame Methode zum Bestimmen des verfügbaren Spektrums verwendet werden. Diese alternativen Anwendungen können W-PANs (Wireless Personal Area Network), W-LANs (Wireless Local Area Network), kabellose Telefone, Mobiltelefone, digitale Fernseher und GPS-Systeme umfassen.
Unter Bezugnahme auf das Spektrum-Abfühlmodul 102 aus 1 kann das Spektrum-Abfühlmodul 102 das Grob-Abfühlmodul 104 und das Fein-Abfühlmodul 106 aufweisen, welche gemeinsam verwendet werden können, um die Genauigkeit der Spektrum-Detektionsleistung des MAC-Moduls 124 zu verbessern. Des Weiteren kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das Spektrum-Abfühlmodul 102 in einer analogen Domäne implementiert sein, die mehrere Merkmale bieten kann. Beispielsweise kann ein derartiges, in der analogen Domäne implementiertes Spektrum-Abfühlmodul 102 eine schnelle Detektion eines Breitband-Frequenzbereichs, geringe Leistungsaufnahme und geringe Ansprüche an die Hardwarekomplexität bieten.
Das Grob-Abfühlmodul 104 sowie das Fein-Abfühlmodul 106 des Spektrum-Abfühlmoduls 102 werden nun nachstehend genauer beschrieben.
1. Grob-Abfühlmodul
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Grob-Abfühlmodul 104 beim Bereitstellen eines Multiauflösungs-Abfühlmerkmals, als MRSS (Multi-Resolution Spectrum Sensing) bekannt, Wavelet-Transformationen anwenden. Die Verwendung von MRSS mit dem Grob-Abfühlmodul 104 kann eine flexible Detektionsauflösung ermöglichen, ohne dass ein Anstieg des Hardware-Aufwands erforderlich ist.
Mit MRSS kann eine Wavelet-Transformation auf ein gegebenes zeitvariantes Signal angewendet werden, um die Korrelation zwischen dem gegebenen zeitvarianten Signal und der Funktion, die als Basis (zum Beispiel ein Wavelet-Puls) für die Wavelet-Transformation dient, zu bestimmen. Diese bestimmte Korrelation kann als Wavelet-Transformationskoeffizient bekannt sein, welcher in analoger Form entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt werden kann. Der oben beschriebene Wavelet-Puls, der als Basis für die mit MRSS angewendete Wavelet-Transformation dient, kann variiert oder konfiguriert werden, etwa mittels des MAC-Moduls 124, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere können die Wavelet-Pulse für die Wavelet-Transformation in Bandbreite, Trägerfrequenz und/oder Periode variiert werden. Durch Variieren der Wavelet-Pulsbreite, Trägerfrequenz und/oder Periode können die Spektralinhalte, die durch den Wavelet-Transformationskoeffizienten für das gegebene Signal bereitgestellt werden, mit einer skalierbaren Auflösung oder Multiauflösung dargestellt werden. Beispielsweise kann durch Variieren der Wavelet-Pulsbreite und/oder Trägerfrequenz, nachdem diese für ein bestimmtes Intervall beibehalten wurden, der Wavelet-Transformationskoeffizient eine Analyse des Spektralinhalts des zeitvarianten Signals gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bieten. Gleichermaßen kann die Form des Wavelet-Pulses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfigurierbar sein.
a. Wavelet-Pulsauswahl
Die Auswahl eines geeigneten Wavelet-Pulses, und insbesondere der Breite und Trägerfrequenz des Wavelet-Pulses, zur Verwendung in MRSS wird nun genauer beschrieben. 3 stellt den Kompromiss zwischen der Wavelet-Pulsbreite (Wt) 302 und der Wavelet-Pulsfrequenz (Wf) 304 (hier ebenfalls beispielsweise als "Auflösungsbandbreite" bezeichnet) dar, der in Betracht gezogen werden kann, wenn ein geeigneter Wavelet-Puls gewählt wird. Anders formuliert, mit Anstieg der Wavelet-Pulsbreite 302 sinkt im Allgemeinen die Wavelet-Pulsfrequenz 304. Wie in 3 dargestellt, kann die Wavelet-Pulsbreite 302 umgekehrt proportional zur Wavelet-Pulsfrequenz 304 sein.
Gemaß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Unsicherheitsungleichung auf die Wahl von Wavelet-Pulsbreite (Wt) 302 und Auflösungsbandbreite (Wf) 304 angewendet werden. Im Allgemeinen liefert die Unsicherheitsungleichung Grenzen für die Wavelet-Pulsbreite (Wt) 302 und Auflösungsbandbreite (Wf) 304 für bestimmte Arten von Wavelet-Pulsen. Eine Unsicherheitsungleichung kann verwendet werden, wenn das Produkt aus Wavelet-Pulsbreite (Wt) 302 und Auflösungsbandbreite (Wf) 304 größer oder gleich 0,5 ist (d.h. Wt·Wf ≥ 0,5). Gleichheit kann erreicht werden, wenn der Wavelet-Puls ein Gaußscher Wavelet-Puls ist. Somit können für einen Gaußschen Wavelet-Puls die Wavelet-Pulsbreite (Wt) 302 und Auflösungsbandbreite (Wf) 304 zur Anwendung in der Wavelet-Transformation so gewählt werden, dass ihr Produkt gemäß der Unsicherheitsungleichung gleich 0,5 ist.
Obwohl für eine veranschaulichende Ausführungsform Gaußsche Wavelet-Pulse beschrieben wurden, können andere Formen von Wavelet-Pulsen verwendet werden, einschließlich aus den Wavelet-Familien Hanning, Haar, Daubechies, Symlets, Coiflets, Biorthogonal (Bior) Splines, Reverse Biorthogonal (Bior), Meyer, DMeyer, Mexican Hat, Morlet, Gauß komplex, Shannon, Frequenz B-Spline und Morlet komplex.
b. Blockdiagramm für MRSS-Implementierung
4A stellt ein Blockdiagramm einer beispielhaften MRSS- (Multi-Resolution Spectrum Sensing) Implementierung dar, die ein Grob-Abfühlmodul 104 aufweist. Insbesondere kann das Grob-Abfühlmodul ein zeitvariantes HF-Eingangssignal x(t) von der Antenne 116 empfangen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das HF-Eingangssignal x(t) von einem Verstärker 402 verstärkt werden, bevor es an das Grob-Abfühlmodul 104 geliefert wird. Zum Beispiel kann der Verstärker 402 eine Verstärker-Vorstufe sein, die dazu dienen kann, eine einheitliche Verstärkung über einen breiten Frequenzbereich vorzusehen.
Unter Bezugnahme auf das Grob-Abfühlmodul 104 aus 4A kann das Grob-Abfühlmodul 104 einen analogen Wavelet-Wellenformgenerator 404, einen analogen Multiplikator 406, einen analogen Integrator 408 und einen Zeittaktgeber 410 aufweisen. Der Zeittaktgeber 410 kann Zeitsignale, die von dem Wavelet-Generator 404 und dem analogen Integrator 408 verwendet werden, liefern. Analoge Korrelationswerte können an dem Ausgang des analogen Integrators 408 vorgesehen werden, welche wiederum an einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 118 geliefert werden, welcher gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine geringe Geschwindigkeit aufweisen kann. Die digitalisierten Korrelationswerte am Ausgang des ADC 118 können an das MAC- (Medium Access Control) Modul 124 geliefert werden.
Weiter unter Bezugnahme auf 4A kann der Wavelet-Generator 404 des Grob-Abfühlmoduls 104 dazu dienen, eine Kette von Wavelet-Pulsen v(t) zu erzeugen, die moduliert werden, um eine Kette modulierter Wavelet-Pulse w(t) zu bilden. Beispielsweise kann die Kette von Wavelet-Pulsen v(t) mit sinusförmigen I- und Q-Trägern f_LO(t) mit einer gegebenen Lokaloszillator- (LO-) Frequenz moduliert werden. Mit den sinusförmigen I- und Q-Trägern f_LO(t), kann das Signal der I-Komponente die gleiche Größe aufweisen wie das Signal der Q-Komponente, aber um 90 Grad phasenverschoben sein. Die Kette modulierter Wavelet-Pulse w(t), die von dem Wavelet-Generator 404 ausgegeben wurde, kann dann mit dem zeitvarianten Eingangssignal x(t) durch den analogen Multiplikator 406 multipliziert oder auf andere Art verknüpft werden, um ein analoges Korrelationsausgangssignal z(t) zu bilden, das in den analogen Integrator 408 eingegeben wird. Der analoge Integrator 408 bestimmt die analogen Korrelationswerte y(t) und gibt sie aus.
Die analogen Korrelationswerte y(t) werden am Ausgang des analogen Integrators 408 den Wavelet-Pulsen v(t) mit einer gegebenen Spektralbreite zugeordnet, die auf der Pulsbreite und der Auflösungsbandbreite, oben beschrieben, basiert. Unter erneuter Bezugnahme auf das Grob-Abfühlmodul 104 aus 4A wird der Wavelet-Puls v(t) unter Verwendung der sinusförmigen I- und Q-Träger f_LO(t) moduliert, um die modulierten Wavelet-Pulse w(t) zu bilden. Die Lokaloszillator- (LO-) Frequenz der sinusförmigen I- und Q-Träger f_LO(t) kann dann gewobbelt oder angepasst werden. Durch Wobbeln der sinusförmigen I- und Q-Träger f_LO(t) können die Signalleistungsgröße und die Frequenzwerte in dem zeitvarianten Eingangssignal x(t) in den analogen Korrelationswerten y(t) über einen Bereich des Spektrums detektiert werden, und insbesondere über den Bereich des Spektrums von Interesse, wodurch eine skalierbare Auflösung vorgesehen wird.
Zum Beispiel kann durch Anwenden eines engen Wavelet-Pulses v(t) und einer großen Abstimmschrittgröße der LO-Frequenz f_LO(t) mit einer MRSS-Implementierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine sehr breite Spanne des Spektrums auf schnelle und sparsame Weise untersucht werden. Im Gegensatz dazu kann ein sehr genaues Absuchen des Spektrums mit einem breiten Wavelet-Puls v(t) und der feinen Anpassung der LO-Frequenz f_LO(t) durchgeführt werden. Des Weiteren können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für diese MRSS-Implementierung passive Filter zur Bildabweisung aufgrund des Bandpass-Filterwirkung des Fenstersignals (z.B. modulierte Wavelet-Pulse w(t)) nicht erforderlich sein. Gleichermaßen kann der Hardware-Aufwand, einschließlich hohe Leistung verbrauchendem digitalen Hardware-Aufwand, einer derartigen MRSS-Implementierung minimiert werden. In 4B ist ein Beispiel einer derartigen skalierbaren Auflösungssteuerung in der Frequenzdomäne unter Verwendung von Wavelet-Pulsen W(ω) dargestellt. Insbesondere ist in 4B dargestellt, dass ein Eingangssignal W(ω) mit Wavelet-Pulsen W(ω) mit veränderlichen Auflösungsbandbreiten multipliziert 406 werden kann, um eine skalierbare Auflösungssteuerung der verschiedenen Ausgangskorrelationswerte Y(ω) zu erhalten.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4A können, wenn erst einmal die analogen Korrelationswerte y(t) von dem analogen Integrator 408 erzeugt wurden, die Größen der Koeffizientenwerte von dem Analog-Digital-Wandler 118 digitalisiert und an das MAC-Modul 124 geliefert werden. Genauer können die sich ergebenden analogen Korrelationswerte y(t), die jeder der I- und Q-Komponenten der Wavelet-Wellenformen zugeordnet sind, von dem Analog-Digital-Wandler 118 digitalisiert werden, und ihre Größe wird von dem MAC-Modul 124 aufgezeichnet. Sind die Werte größer als ein bestimmter Schwellenwert-Pegel, wird das Abfühlschema, etwa unter Verwendung des Spektrumerkennungsmoduls 120 in dem MAC-Modul 124, einen bedeutenden Interferenzverursacher-Empfang (z.B. eine bestimmte detektierte Belegung des Spektrums) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmen.
c. Simulation einer MRSS-Implementierung
Eine MRSS-Implementierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun genauer im Hinblick auf mehrere Computersimulationen beschrieben. Insbesondere wurde eine Computersimulation unter Verwendung eines Doppeltonsignals x(t) durchgeführt, wobei jeder Ton mit der gleichen Amplitude, aber bei einer unterschiedlichen Frequenz festgelegt wurde. Die Summe der Doppeltonsignale mit unterschiedlichen Frequenzen und die Phasen können als x(t) = A₁ cos(ω₁t + θ₁) + A₂ cos(ω₂t + θ₂) ausgedrückt werden. In 5A ist die Wellenform des Doppeltonsignals x(t) dargestellt, und in 5B ist das entsprechende, mit der MRSS-Implementierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu detektierende, Spektrum dargestellt.
Gemäß der beispielhaften simulierten MRSS-Implementierung wurde die Hanning-Fensterfunktion (d. h. Wt·Wf = 0,513) für diese beispielhafte simulierte MRSS-Implementierung als Wavelet-Fensterfunktion gewählt, die die Wahl der Wavelet-Pulsbreite Wt und der Auflösungsbandbreite Wf für die Wavelet-Pulse v(t) bedingt. Die Hanning-Fensterfunktion wurde bei dieser Simulation aufgrund ihrer relativen Einfachheit hinsichtlich praktischer Implementierung verwendet. Die Unsicherheitsungleichung Wt·Wf = 0,513, wie oben beschrieben, kann abgeleitet werden aus den Berechnungen der Wavelet-Pulsbreite (wt) 302 und der Auflösungsbandbreite (Wf) 304 für die Hanning-Wavelet-Pulse wie unten dargestellt:
In 6 ist die Wellenform der beispielhaften Kette von Wavelet-Pulsen v(t) dargestellt. Demgemäß kann eine Kette modulierter Wavelet-Pulse w(t) von dem Wavelet-Generator 404 durch Modulieren der sinusförmigen I- und Q-Träger f_LO(t) mit einem Fenstersignal, das aus einer Kette von Wavelet-Pulsen v(t) besteht, in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Insbesondere können die modulierten Wavelet-Pulse w(t) durch w(t) = v(t)·f_LO(t) erhalten werden, wenn v(t) = 1 + mcos(ω_pt + θ_p) und
Φ = 0 oder 90°. In 7A ist die I-Komponente der Wellenform des sinusförmigen I-Q-Trägers f_LO(t) dargestellt, und in 7B ist die Q-Komponente der Wellenform des sinusförmigen I-Q-Trägers f_LO(t) dargestellt. In 8A sind die modulierten Wavelet-Pulse w(t), die von dem Wavelet-Generator 404 mit der I-Komponente des sinusförmigen I-Q-Trägers f_LO(t) erhalten wurden, dargestellt. Gleichermaßen sind in 8B die modulierten Wavelet-Pulse w(t), die von dem Wavelet-Generator 404 mit der Q-Komponente des sinusförmigen I-Q-Trägers f_LO(t) erhalten wurden, dargestellt.
Jeder modulierte Wavelet-Puls w(t) wird dann mit dem zeitvarianten Signal x(t) mittels eines analogen Multiplikators 406 multipliziert, um die sich daraus ergebenden analogen Korrelationsausgangssignale z(t) zu erzeugen, wie in 9A und 9B dargestellt ist. Insbesondere ist in 9A die Korrelationsausgangssignal- z(t) Wellenform für das Eingangssignal x(t) mit der I-Komponente des sinusförmigen I-Q-Trägers f_LO(t) dargestellt, wohingegen in 9B die Korrelationsausgangssignal- z(t) Wellenform für das Eingangssignal x(t) mit der Q-Komponente des sinusförmigen I-Q-Trägers f_LO(t) dargestellt ist. Die sich ergebenden, in 9A und 9B dargestellten Wellenformen werden dann mittels des analogen Integrators 408 integriert, um die Korrelationswerte y(t) des Eingangssignals x(t) mit der I- und der Q-Komponente der Wavelet-Wellenform w(t) zu erhalten.
Die Korrelationswerte y(t) können dann mittels des analogen Integrators 408 integriert werden und von dem Analog-Digital-Wandler 118 abgetastet werden. 10A zeigt die abgetasteten Werte y_I, die von dem Analog-Digital-Wandler 118 für diese Korrelationswerte y(t) mit der I-Komponente der Wavelet-Wellenform w(t) in dem gegebenen Intervall geliefert wurden. 10B zeigt die mittels des analogen Integrators 408 und des Analog-Digital-Wandlers 118 für die Korrelationswerte mit der Q-Komponente der Wavelet-Wellenform w(t) in dem gegebenen Intervall abgetasteten Werte y_Q. Das MAC-Modul 124, und gegebenenfalls sein einen Bestandteil bildendes Spektrumerkennungsmodul 120, berechnet dann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Größe der abgetasteten Werte, indem die Quadratwurzel der Werte y_I und Y_Q gezogen wird, wie durch
dargestellt. Die von dem Spektrumerkennungsmodul 120 in dem MAC-Modul 124 detektierte Form des Spektrums ist in 11 dargestellt. Wie in 11 dargestellt, passt die detektierte Form des Spektrums gut zu dem in 5B dargestellten erwarteten Spektrum, was eine gute Detektion und Erkennung des erwarteten Spektrums verdeutlicht.
12–17 stellen Simulationen verschiedener Signalformate dar, die mittels beispielhafter MRSS-Implementierungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detektiert wurden. Diese Signalformate können umfassen GSM, EDGE, kabelloses Mikrophon (FM), ATDC (VSB), zellulares 3G WCDMA, IEEE802.11a-WLAN (OFDM). Insbesondere ist in 12A das Spektrum des GSM-Signals dargestellt und in 12B das entsprechende detektierte Signalspektrum. Gleichermaßen ist in 13A das Spektrum eines EDGE-Signals dargestellt und in 13B das entsprechende detektierte Signalspektrum. In 14A ist das Spektrum eines Signals eines kabellosen Mikrophons (FM) dargestellt und in 14B das entsprechende detektierte Signalspektrum. In 15A ist das Spektrum eines ATDC- (VSB-) Signals dargestellt und in 15B das entsprechende detektierte Signalspektrum. In 16A ist das Spektrum eines zellularen 3G WCDMA-Signals dargestellt und in 16B das entsprechende detektierte Signalspektrum. In 17A ist das Spektrum eines IEEE 802.11a-WLAN- (OFDM) Signals dargestellt und in 17B das entsprechende detektierte Signalspektrum. Der Fachmann wird erkennen, dass andere Signalformate gemäß MRSS-Implementierungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detektiert werden können.
d. Schaltdiagramm für einen Grob-Abfühlblock
Ein beispielhaftes Schaltdiagramm für ein Grob-Abfühlmodul 104, dargestellt in 4, ist in 18 dargestellt. Genauer sind in 18 ein Wavelet-Generator 454, Multiplikatoren 456a und 456b sowie Integratoren 458a und 458b dargestellt. Der Wavelet-Generator 454 kann aus einem Wavelet-Pulsgenerator 460, einem Lokaloszillator (LO) 462, einem Phasenschieber 464 (z. B. einem 90°-Phasenschieber) und Multiplikatoren 466a und 466b bestehen. Der Wavelet-Pulsgenerator 460 kann Mantelsignale liefern, die die Breite und/oder Form der Wavelet-Pulse v(t) bestimmen. Unter Verwendung des Multiplikators 466a wird der Wavelet-Puls v(t) mit der I-Komponente der von dem LO 462 gelieferten LO-Frequenz multipliziert, um den mit der I-Komponente modulierten Wavelet-Puls w(t) zu erzeugen. Gleichermaßen wird unter Verwendung des Multiplikators 466b der Wavelet-Puls v(t) mit der Q-Komponente der LO-Frequenz, wie von dem Phasenschieber 464 um 90° verschoben, multipliziert, um den mit der Q-Komponente modulierten Wavelet-Puls w(t) zu erzeugen.
Die jeweiligen I- und Q-Komponenten der modulierten Wavelet-Pulse w(t) werden dann mit den entsprechenden Multiplikatoren 456a und 456b multipliziert, um die jeweiligen Korrelationsausgangssignale z_I(t) und z_Q(t) zu erzeugen. Die Korrelationsausgangssignale z_I(t) und z_Q(t) werden dann von den entsprechenden Integratoren 458a und 458b integriert, um die jeweiligen Korrelationswerte y_I(t) und y_Q(t) zu ergeben. Obwohl in 18 eine spezifische Ausführungsform dargestellt ist, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass viele Änderungen des Schaltdiagramms aus 18 möglich sind.
2. Fein-Abfühlmodul
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Fein-Abfühlmodul 106 aus 1 dazu dienen, periodische Merkmale der Eingangssignale zu erkennen, die für jedes) verdächtige Modulationsformat oder Rahmenstruktur eindeutig sind. Die periodischen Merkmale können sinusförmige Träger, periodische Pulszüge, zyklische Präfixe und Präambeln umfassen. Insbesondere kann das Fein-Abfühlmodul 106 eine oder mehrere Korrelationsfunktionen zum Erkennen dieser periodischen Merkmale der Eingangssignale implementieren. Die erkannten Eingangssignale können eine Vielzahl hoch entwickelter Signalformate umfassen, die in aktuellen und aufkommenden kabellosen Standards, einschließlich IS-95, WCDMA, EDGE, GSM, Wi-Fi, Wi-Max, Zigbee, Bluetooth, digitales Fernsehen (ATSC, DVB) und Ähnliches, verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die für das Fein-Abfühlmodul 106 implementierte Korrelationsfunktion eine analoge Auto-Korrelationsfunktion (AAC = Analog Auto-Correlation) sein. Die AAC-Funktion kann den Grad an Übereinstimmung (d.h. die Korrelation) zwischen zwei Signalen ableiten. Mit anderen Worten erzeugt die Korrelation zwischen den gleichen Wellenformen den höchsten Wert. Da jedoch die Daten der modulierten Wellenform ein Zufallsmerkmal aufweisen, weil die zugrunde liegenden ursprünglichen Daten Zufallswerte enthalten, kann die Korrelation zwischen der periodischen Signalwellenform und den Daten der modulierten Signalwellenform ignoriert werden. Stattdessen weist das periodische Merkmal eines gegebenen Signals (z. B. Modulationsformat oder Rahmenstruktur) eine hohe Korrelation auf, die von der AAC-Funktion als Signatur für die spezifische Signalart verwendet werden kann. Die von der AAC-Funktion in dem Fein-Abfühlmodul 106 identifizierte spezifische Signalart kann an das Signalverarbeitungsmodul 126 zur Minderung von Interfenzeffekten geliefert werden.
a. Blockdiagramm einer AAC-Implementierung
In 19 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Fein-Abfühlmoduls 106 unter Verwendung der AAC-Funktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere kann das Fein-Abfühlmodul 106 ein analoges Verzögerungsmodul 502, einen analogen Multiplikator 504, einen analogen Integrator 506 und einen Komparator 508 aufweisen. Die am Ausgang des Fein-Abfühlmoduls 106 bereitgestellten analogen Korrelationswerte können von einem Analog-Digital-Wandler 118 digitalisiert werden, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine geringe Geschwindigkeit aufweisen kann.
Unter Bezugnahme auf das Fein-Abfühlmodul 106 aus 19 wird ein HF-Eingangssignal x(t) von der Antenne 116 von dem analogen Verzögerungsmodul 502 um einen bestimmten Verzögerungswert T_d verzögert. Der von dem analogen Verzögerungsblock 502 gelieferte Verzögerungswert T_d kann ein vorbestimmter und eindeutiger Wert für jedes periodische Signalformat sein. Beispielsweise kann ein IEEE 802.11a-WLAN- (OFDM) Signal einem ersten Verzögerungswert T_d1 zugeordnet sein, wohingegen ein zellulares 3G- (WCDMA-) Signal einem zweiten Verzögerungswert T_d2 zugeordnet sein kann, der unterschiedlich zu dem ersten Verzögerungssignal T_d1 ist.
Die analoge Korrelation zwischen dem ursprünglichen Eingangssignal x(t) und dem entsprechenden verzögerten Signal x(t – T_d) kann durch Multiplizieren oder durch auf andere Art Verknüpfen dieser beiden Signale – dem ursprünglichen Eingangssignal x(t) und dem verzögerten Signal x(t – T_d) – mit einem analogen Multiplikator 504 durchgeführt werden, um ein Korrelationssignal zu bilden. Das Korrelationssignal wird dann mit einem analogen Integrator 506 integriert, um Korrelationswerte zu ergeben. Der analoge Integrator 506 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Integrator mit gleitendem Fenster sein. Wenn Korrelationswerte von dem Integrator 506 größer sind als ein bestimmter Schwellenwert wie von dem Komparator 508 bestimmt, kann die für das ursprüngliche Eingangssignal spezifische Signalart von dem Spektrumerkennungsmodul 120 des MAC-Moduls 124 identifiziert werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Schwellenwert für jede Signalart vorbestimmt werden. Diese Signalarten können IS-95, WCDMA, EDGE, GSM, Wi-Fi, Wi-Max, Zigbee, Bluetooth, digitales Fernsehen (ATSC, DVB) und Ähnliches umfassen.
Da die beispielhafte AAC-Implementierung aus 19 alle Signale in der analogen Domäne verarbeitet, ermöglicht dies nicht nur Echtzeit-Betrieb, sondern auch geringe Leistungsaufnahme. Durch Anwenden einer Verzögerung T_d und somit einer Korrelation auf das Eingangssignal kann eine Blinddetektion erzielt werden, ohne dass bekannte Referenzsignale erforderlich sind. Diese Blinddetektion kann den Hardware-Aufwand und/oder die Leistungsaufnahme für die Referenzsignal-Wiederherstellung drastisch mindern. Des Weiteren kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die AAC- Implementierung aus 19 die Spektrum-Abfühlleistung steigern, wenn sie in Verbindung mit einer MRSS-Implementierung erst einmal wie oben beschrieben vorgesehen wird. Insbesondere wenn die MRSS-Implementierung den Empfang eines verdächtigen Interferenzverursacher-Signals detektiert hat, kann die AAC-Implementierung das Signal untersuchen und seine spezifische Signalart basierend auf der Signatur erkennen.
b. Simulation einer AAC-Implementierung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die AAC-Implementierung aus 19 für eine Vielzahl von Signalarten simuliert werden. Als Beispiel kann ein IEEE 802.11a-OFDM- (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Signal immer am Beginn einer Rahmenstruktur Synchronisationspräambeln aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit wird nur ein beispielhaftes OFDM-Datensymbol 552 von einer beispielhaften Präambel 551 wie in 20A dargestellt verfolgt. 20B zeigt das Spektrum des mit einer AAC-Implementierung zu detektierenden IEEE802.11a-Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
21A stellt das IEEE802.11a-Eingangssignal x(t) dar und 21B das verzögerte IEEE802.11a-Signal x(t – T_d) dar. In 22 ist eine Wellenform einer Korrelation zwischen dem ursprünglichen Eingangssignal x(t) und dem verzögerten Signal x(t – T_d) dargestellt, wie am Ausgang des Multiplikators 504 bereitgestellt. Die sich ergebende in 22 dargestellte Wellenform kann für die Präambeln 551 aufeinanderfolgende positive Werte 554 aufweisen. Das Ergebnis des Integrators 506, wie in 23 dargestellt, kann für die Stellen der Präambel 551 in der IEEE802.11a-Rahmenstruktur Spitzen 602, 604 aufweisen. Indessen weist die Korrelation für die modulierten Datensymbole 552 Zufallswerte 556 auf, welche nach Integration durch den analogen Integrator 506 ignoriert werden können. Durch Vergleichen der vorbestimmten Schwellenwerte Vth unter Verwendung eines Komparators 508 mit der sich ergebenden in 23 dargestellten Wellenform kann die beispielhafte AAC-Implementierung aus 19 den Empfang des IEEE 802.11a-OFDM-Signals bestimmen.
Zahlreiche Änderungen der unter Bezug auf 19 beschriebenen AAC-Implementierung sind möglich. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Ausgang von dem Integrator 506 mittels des Analog-Digital-Wandlers 118 digitalisiert werden, bevor ein Vergleich mit dem Schwellenwert Vth von dem Komparator 508 durchgeführt wird. Obwohl sich in einer Ausführungsform das Grob-Abfühlmodul 104 und das Fein-Abfühlmodul 106 den Analog-Digital-Wandler 118 teilen können, kann bei anderen Ausführungsformen sowohl für das Grob-Abfühlmodul 104 als auch für das Fein-Abfühlmodul 106 jeweils ein gesonderter Analog-Digital-Wandler vorgesehen werden. Gleichermaßen können der Multiplikator 504 und der Integrator 506 des Fein-Abfühlmoduls 106 gleich oder verschieden zu dem Multiplikator 406 und dem Integrator 408 des Grob-Abfühlmoduls 104 sein. Zahlreiche andere Veränderungen werden dem Fachmann bekannt sein.
C. Signalverarbeitungsblock
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird ein Signalverarbeitungsmodul 126 offenbart, welches gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein physikalischer Schichtblock sein kann. Das Signalverarbeitungsmodul 126 kann Basisbandverarbeitung bieten, einschließlich eines oder mehrerer Modulations- und Demodulationsschemen. Des Weiteren kann das Signalverarbeitungsmodul 126 ebenfalls Interferenzschwächung vorsehen, gegebenenfalls basierend auf jeglichen identifizierten Interferenzverursacher-Signalen. Weiterhin kann das Signalverarbeitungsmodul 126 dazu dienen, das Funkfrontend zu rekonfigurieren, einschließlich des Senders 110 und/oder Empfängers 112, etwa wenigstens teilweise basierend auf dem verfügbaren Spektrum. Beispielsweise kann der Signalverarbeitungsblock die Sendeleistungssteuerung des Senders 110 anpassen oder einen Filter des Empfängers 112 abstimmen, um in einem bestimmten Frequenzbereich zu operieren. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass eine andere Basisbandverarbeitung von dem Signalverarbeitungsmodul 126 so wie erforderlich oder wünschenswert vorgesehen sein kann.
D. Frequenzagiles Funkfrontend
24 stellt eine beispielhafte Konfiguration eines frequenzagilen Funkfrontends 108 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere kann der Empfangsbereich des Funkfrontends 108 einen oder mehrere abstimmbare Filter 702, einen Breitbandempfänger 704 und einen oder mehrere Tiefpassfilter 706 aufweisen. Der abstimmbare Filter 702 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Wavelet-Generator und einen Multiplikator aufweisen. Der Breitbandempfänger 704 kann eine oder mehrere Frequenzstufen und einen oder mehrere Abwärtswandler wie erforderlich aufweisen. Des Weiteren kann der Sendebereich des Funkfrontends 108 einen oder mehrere Tiefpassfilter 708, einen Breitbandsender 710 und einen oder mehrere Leistungsverstärker 712 aufweisen. Der Breitbandsender 710 kann ebenfalls eine oder mehrere Frequenzstufen und einen oder mehrere Aufwärtswandler wie erforderlich aufweisen. Weiterhin können der Breitbandempfänger 704 und der Sender 710 in Verbindung mit einem abstimmbaren Signalgenerator 714 sein. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass Komponenten des frequenzagilen Funkfrontends 108 geändert werden können, ohne von den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 und 2 angegeben, verarbeitet das MAC-Modul 124 die digitalisierten Daten (z. B. mittels des ADC 118) von dem Spektrumerkennungsmodul 102, um ein verfügbares Spektrum für eine sichere (d.h. nicht belegte oder nicht interferierende) kognitive Funkverbindung 100 zu lokalisieren. Des Weiteren liefert das MAC-Modul 108 das Rekonfigurationssteuersignal für die optimale Funkverbindung in den zugewiesenen Frequenzen an das Funkfrontend 108. Dann wechselt das Funkfrontend 108 die HF-Betriebsfrequenz in den entsprechenden Frequenzwert gemäß seinem frequenzagilen Betrieb. Insbesondere können entweder der abstimmbare Filter 702 oder der abstimmbare Signalgenerator 714 oder auch beide ihre Betriebsfrequenz ändern, um die Signale in dem entsprechenden Frequenzbereich zu selektieren. Indessen kann, basierend auf der Steuerinformation des MAC-Moduls 124, das PHY Signalverarbeitungsmodul 126 die Verbindungsleistung durch die adaptive Modulation und Interferenzschwächungstechnik verbessern.
Zahlreiche Modifikationen und andere Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung werden dem Fachmann des Gebiets, zu dem die Erfindung gehört, offenbar werden, die aus der in der vorstehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungsfiguren offenbarten Lehre Nutzen ziehen. Somit wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist und dass Modifikationen sowie andere Ausführungsformen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Obwohl hier bestimmte Begriffe verwendet werden, werden diese nur in allgemeinem und beschreibendem Sinn verwendet und dienen nicht als Einschränkung.

Claims

Hochfrequenz- (HF-) Spektrum abfühlendes System, welches aufweist: einen Wavelet-Wellenformgenerator, welcher eine Vielzahl Wavelet-Pulse liefert; einen Multiplikator, der die Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal verknüpft, um ein Korrelationssignal zu bilden; einen Integrator, der das Korrelationssignal empfängt, wobei der Integrator Korrelationswerte durch das Integrieren des Korrelationssignals bestimmt; und ein Spektrumerkennungsmodul in Verbindung mit dem Integrator, welches ein Segment des verfügbaren Spektrums wenigstens teilweise basierend auf den Korrelationswerten bestimmt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Wavelet-Pulsen moduliert wird.
System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl modulierter Wavelet-Pulse ein sinusförmiges Trägersignal und ein Mantelsignal aufweist, wobei das Mantelsignal wenigstens teilweise die Breite und Form des Wavelet-Pulses bestimmt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz und/oder die Breite und/oder die Form, die den Wavelet-Pulsen zugeordnet sind, rekonfigurierbar ist bzw. sind.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine Verstärker-Vorstufe aufweist, in der ein Verstärker ist, der das Eingangssignal verstärkt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationswerte digitalisiert werden.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrumerkennungsmodul das verfügbare Spektrum wenigstens teilweise basierend auf einer Spektrumnutzung-Datenbank erkennt, wobei die Spektrumnutzung-Datenbank Informationen enthält, die einer oder mehreren bekannten Signalarten zugeordnet sind.
Verfahren zum Bestimmen der Nutzung eines Hochfrequenz- (HF-) Spektrums, welches aufweist: Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen; Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal, um ein Korrelationssignal zu bilden; Berechnen von Korrelationswerten durch Integrieren des Korrelationssignals; Bestimmen eines Segments eines verfügbaren Spektrums wenigstens teilweise basierend auf den Korrelationswerten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen das Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen umfasst, die aus den Gaußschen Wavelet-Pulsen und/oder den Hanning Wavelet-Pulsen gewählt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen einer Vielzahl von Wavelet-Pulsen das Erzeugen einer Vielzahl modulierter Wavelet-Pulse umfasst, wobei die Vielzahl modulierter Wavelet-Pulse ein sinusförmiges Trägersignal und ein Mantelsignal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelsignal wenigstens teilweise die Breite und Form des Wavelet-Pulses bestimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter Rekonfigurieren der Trägerfrequenz und/oder der Breite und/oder der Form, die den Wavelet-Pulsen zugeordnet sind, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal das Multiplizieren des Wavelet-Pulses mit dem Eingangssignal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfen der Wavelet-Pulse mit einem Eingangssignal das Verknüpfen des Wavelet-Pulses mit einem von der Verstärker-Vorstufe verstärkten Eingangssignal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter Digitalisieren der Korrelationswerte umfasst, wobei das Bestimmen des verfügbaren Spektrums das Bestimmen des Segments des verfügbaren Spektrums wenigstens teilweise basierend auf den digitalisierten Korrelationswerten umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Segments eines verfügbaren Spektrums das Bestimmen des verfügbaren Spektrums basierend auf wenigstens teilweise den Korrelationswerten und einer Spektrumnutzung-Datenbank umfasst, wobei die Spektrumnutzung-Datenbank Informationen enthält, die einer oder mehreren bekannten Signalarten zugeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektrumnutzung-Datenbank basierend auf Informationen aktualisiert wird, die von einer entfernten Station übertragen werden.
Hochfrequenz- (HF-) Spektrum-Abfühlvorrichtung, welche aufweist: eine Antenne zum Empfangen von Eingangssignalen; einen Wavelet-Generator, der eine Vielzahl von Wavelet-Pulsen liefert; einen Multiplikator zum Verknüpfen der Eingangssignale mit den Wavelet-Pulsen, um ein Korrelationssignal zu bilden; und einen Integrator, der das Korrelationssignal integriert, um Korrelationswerte zu berechnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wavelet-Generator einen Lokaloszillator und einen Generator zum Erzeugen von Mantelsignalen aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelsignale die Breite und Form der Wavelet-Pulse bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wavelet-Generator zum Bilden von I-Q modulierten Wavelet-Pulsen dient.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationswerte über einem oder mehreren Schwellenwerten dazu dienen, auf eine Belegung des Spektrums hinzuweisen.