DE102008011392A1

DE102008011392A1 - Systeme und Verfahren zum Bestimmen von Abfühl-Schwellenwerten einer MRSS-(multi-resolution spectrum sensing; Abfühlen des Spektrums mit Multiauflösung) Technik für CR-(Cognitive Radio; kognitiver Funk) Geräte

Info

Publication number: DE102008011392A1
Application number: DE102008011392A
Authority: DE
Inventors: Park Jong Min; Kyu Tae Lim; Chang-Ho Lee; Hak Sun Seo Kim; Joy Laskar
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2008-09-11
Also published as: GB2447148B; US20080214130A1; GB2447148A; GB0803989D0; FI20085177A0; CN101262288B; KR100961119B1; FI20085177L; CN101262288A; FR2913291B1; US7768252B2; FR2913291A1; KR20080080460A

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Bestimmen eines Schwellenwertes zum Abfühlen eines Spektrums vorgeschlagen. Die Systeme und Verfahren umfassen das Empfangen einer Fehlalarmrate, wobei die Fehlalarmrate mit falschen Identifikationen über eine Belegung eines Segments des Spektrums verbunden ist, Bestimmen eines Rauschgrundsignals als Funktion einer Rauschzahl und von Eigenschaften eines MRSS- (multi-resolution spectrum sensing; Abfühlen des Spektrums mit Multiauflösung) Fensters und Berechnen eines Abfühl-Schwellenwertes, wenigstens teilweise basierend auf der Fehlalarmrate und dem Rauschboden. Die Systeme und Verfahren können ebenfalls weiter das Bestimmen, ob ein Bereich eines RF- (radio frequency; Funkfrequenz) Spektrums belegt ist, aufweisen, wenigstens teilweise basierend auf dem berechneten Abfühl-Schwellenwert.

Description

Für diese Anmeldung wird die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/892,381, angemeldet am 01. März 2007, mit dem Titel "Systems and Methods for Determining Sensing Thresholds of a Multi-Resolution Spectrum Sensing (MRSS) Technique for Cognitive Radio (CR) Systems" beansprucht, die hier durch Bezugnahme, und wie hier vollständig beschrieben wird, eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein kognitiven Funk, und insbesondere das Bestimmen von Abfühl-Schwellenwerten einer MRSS-(multi-resolution spectrum sensing; Abfühlen des Spektrums mit Multiauflösung)Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können Verfahren zum Abfühlen eines Spektrums, wie beispielsweise MRSS (multi-resolution spectrum sensing; Abfühlen des Spektrums mit Multiauflösung), verwendet werden, um die Belegung in einem dynamischen Spektrum zu erkennen. MRSS kann ein Verfahren zur Energieerkennung sein, für das keine expliziten Filterbänke zum Anpassen der Auflösungs-Bandbreite erforderlich sind. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können Systeme und Verfahren zum Bestimmen von Abfühl-Schwellenwerten zur Verwendung mit MRSS vorgesehen sein. Diese Schwellenwerte können auf einer akzeptablen Anzahl von Fehlalarmen und MRSS-Parametern, wie beispielsweise Art und Dauer eines Fensters, und der Zahl der Durchschnittbildung basieren.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von Schwellenwerten für das Abfühlen von Spektren vorgesehen. Das Verfahren kann das Empfangen einer Fehlalarmrate, wobei die Fehlalarmrate mit falschen Identifikationen von Belegungen eines Segments des Spektrums verbunden ist, Bestimmen eines Rauschgrundsignals als Funktion einer Rauschzahl und Eigenschaften eines MRSS-(multi-resolution spectrum sensing; Abfühlen des Spektrums mit Multiauflösung)Fensters, und Berechnen eines Abfühl-Schwellenwertes, wenigstens teilweise basierend auf der Fehlalarmrate und dem Rauschgrundsignal, umfassen.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein System zum Abfühlen des Spektrums vorgesehen. Das System kann eine Antenne zum Empfangen eines Bereichs eines Funkfrequenz-(RF = radio frequency)Spektrums, sowie ein Spektrumabfühlmodul aufweisen. Das Spektrumabfühlmodul kann dazu dienen, eine Fehlalarmrate zu empfangen, wobei die Fehlalarmrate falschen Belegungsidentifizierungen eines Segments des Spektrums zugeordnet ist, ein Rauschgrundsignal als Funktion einer Rauschzahl und Eigenschaften eines MRSS-(multi-resolution spectrum sensing) (multi-resolution spectrum sensing)Fensters zu bestimmen; und einen Abfühl-Schwellenwert wenigstens teilweise basierend auf der Fehlalarmrate und dem Rauschboden zu berechnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem somit die Erfindung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und in denen:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften CR-(Cognitive Radio; kognitiver Funk)Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des CR-Systems aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
3 einige beispielhafte Werte f_NBW für cos^α(πf_wt)-Fenster gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4 ein beispielhaftes Histogramm der erkannten Rauschleistung über eine unterschiedliche Dauer des Fensters und der Durchschnittswerte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung aufzeigt;
5 eine beispielhafte Fehlalarmrate gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt, mit einem cos⁴(πf_wt)-Fenster, f_w = 100 kHz und N_AVG = 1, 10, 100 und 1000;
6 einen beispielhaften Vergleich von theoretischen Werten und Simulationswerten der Schwellenwerthöhenbestimmung mit einem cos⁴(πf_wt)-Fenster, f_w = 100 kHz und P_FA = 0,1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7A eine beispielhafte Wahrscheinlichkeit der Fehlerkennung mit einem cos⁴(πf_wt)-Fenster mit f_w = 100 kHz, auf 600 MHz moduliert und verschiedenen N_AVG = 1, 10, 100 und 1000, wobei das Eingangssignal ein CW-Signal bei 600 MHz ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
7B eine beispielhafte Wahrscheinlichkeit der Fehlerkennung mit einem cos⁴(πf_wt)-Fenster mit f_w = 100 kHz, auf 600 MHz moduliert und verschiedenen N_AVG = 1, 10, 100 und 1000, wobei das Eingangssignal ein ATSC-Signal bei 600 MHz ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, beschrieben. Die Erfindung kann nämlich in vielen verschiedenen Formen verkörpert sein und sollte nicht als auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt erachtet werden. Es werden durchgehend gleiche Bezugsziffern für gleiche Elemente verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer oder mehrerer geeigneter Abfühl-Schwellenwerthöhen zur Verwendung mit MRSS (multi-resolution spectrum sensing) (Abfühlen des Spektrums mit Multiauflösung), das beispielsweise mit CR (cognitive radio; kognitiver Funk) verwendet wird, um die Belegung (zum Beispiel frei oder belegt) in einem oder mehreren Kanälen eines Spektrums zu bestimmen, vorgesehen sein. Ein Beispiel für ein CR-System, in dem MRSS verwendet wird, und verbundener Abfühl-Schwellenwerte wird dargestellt, bevor beispielhafte Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Abfühl-Schwellenwerte gegeben werden. In einem beispielhaften CR-System können die MRSS-Abfühl-Schwellenwerte gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Abfühlmodulen, wie beispielsweise einem Grob-Abfühlmodul, verwendet werden.
A. Überblick über ein beispielhaftes System
In 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften CR-Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie gezeigt ist, ist in 1 ein CR 100 dargestellt, das eine Antenne 116, einen Sende-/Empfangsschalter 114, ein Funk-Frontend 108, ein analoges Breitband-Spektrumabfühlmodul 102, einen Analog-Digital-Wandler 118, ein Signalverarbeitungsmodul 126 und ein MAC-(medium access control)Modul 124 aufweisen kann.
Während des Betriebs des CR-Systems aus 1, das in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm aus 2 beschrieben wird, können Funkfrequenz-(RF = radio frequency)Eingangssignale von der Antenne 116 empfangen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Antenne 116 eine Breitbandantenne sein, die über einen breiten Frequenzbereich betrieben werden kann, zum Beispiel im Bereich von einigen Megahertz (MHz) bis in den Multi-Gigahertz-(GHz)Bereich. Die Eingangssignale, die von der Antenne 116 empfangen werden, können an das analoge Breitband-Spektrumabfühlmodul 102 über den Sende-/Empfangsschalter 114 weitergegeben oder diesem auf andere Weise zur Verfügung gestellt werden (Block 202). Das Spektrumabfühlmodul 102 kann entweder ein Grob-Abfühlmodul 104 oder ein Fein-Abfühlmodul 106 oder auch beide oder weitere beispielhafte Spektrumabfühlmodule zum Ausführen der hierin beschriebenen Spektrumabfühlverfahren und Berechnungen aufweisen. Das Grob-Abfühlmodul 104 kann die Existenz oder das Vorhandensein verdächtiger Segmente des Spektrums (zum Beispiel potentiell verwendete Segmente des Spektrums) erkennen. Das Grob-Abfühlmodul kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen oder mehrere Schwellenwerte P_TH wie hierin beschrieben zum Erkennen verdächtiger Segmente des Spektrums verwenden. Das Fein-Abfühlmodul 106 kann die erkannten verdächtigen Segmente des Spektrums untersuchen oder auf andere Art analysieren, um die bestimmten Signalarten und/oder Modulationsschemen, die dort verwendet werden, zu bestimmen.
Weiter unter Bezugnahme auf 2, kann das Grob-Abfühlmodul 104 anfänglich die Belegung des Spektrums für das empfangene Eingangssignal unter Verwendung eines oder mehrerer Schwellenwerte P_TH wie hierin beschrieben bestimmen (Block 204). Die Information über die Belegung des Spektrums kann von dem Analog-Digital-(AD-)Wandler 118, welcher in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein AD-Wandler mit niedriger Geschwindigkeit sein kann, von analoger Form in digitale Form gewandelt werden. Die digitale Information über die Belegung des Spektrums, die von dem AD-Wandler 118 bereitgestellt wird, kann von dem Spektrumerkennungsmodul 120 in dem MAC-Modul 124 empfangen werden. Das Spektrumerkennungsmodul 120 kann eine oder mehrere Berechnungen an der digitalen Information über die Belegung des Spektrums durchführen, um zu erkennen, ob ein oder mehrere Segmente des Spektrums gegenwärtig durch andere in Verwendung oder belegt sind. Das Spektrumerkennungsmodul 120 kann in Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein.
In einigen Fällen kann, basierend auf den erkannten Segmenten des Spektrums, das MAC-Modul 124 eine verfeinerte Suche der Belegung des Spektrums fordern (Block 206). In diesem Fall kann das Fein-Abfühlmodul 106 dazu dienen, die bestimmten Signalarten und/oder Modulationsschemen, die innerhalb wenigstens eines Bereiches der Belegung des Spektrums verwendet werden, zu identifizieren (Block 208). Die Informationen, die die Signalarten und/oder Modulationsschemen identifizieren, können dann von dem AD-Wandler 118 digitalisiert werden und dem Spektrumerkennungsmodul 120 zur Verfügung gestellt werden. Informationen über die Signalarten und/oder Modulationsschemen können erforderlich sein, um die Auswirkungen von Störern in den erkannten verdächtigen Segmenten des Spektrums zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Spektrumerkennungsmodul 120 die Informationen von dem Grob-Abfühlmodul 104 und/oder dem Fein-Abfühlmodul 106 mit einer Datenbank über die Verwendung des Spektrums vergleichen (Block 210), um einen verfügbaren (das heißt, nicht belegten oder sicheren) Schlitz des Spektrums zu bestimmen (Block 212). Die Datenbank über die Verwendung des Spektrums kann Informationen bezüglich bekannter Signalarten, Modulationsschemen und zugeordneter Frequenzen enthalten. Gleichermaßen kann die Datenbank über die Verwendung des Spektrums einen oder mehrere Schwellenwerte enthalten, um zu bestimmen, ob die Information von dem Grob-Abfühlmodul 104 und/oder dem Fein-Abfühlmodul 106 ein oder mehrere belegte Spektren anzeigt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Datenbank über die Verwendung des Spektrums basierend auf Informationen, die von einer externen Quelle erhalten werden, aktualisiert werden, einschließlich periodischer Übertragungen von einer Basisstation oder einer anderen entfernten Station, entfernbaren Datenspeichern (zum Beispiel entfernbare Chips, Speicher etc.), Internetquellen. Alternativ kann die Datenbank über die Verwendung des Spektrums basierend auf internen, vielleicht basierend auf adaptiven Lerntechniken, die Versuch und Irrtum, Testkonfigurationen, statistische Berechnungen etc. umfassen, aktualisiert werden.
Die Abfühlergebnisse, die von dem Spektrumerkennungsmodul 120 bestimmt wurden, können an den Controller (zum Beispiel ein Spektrumzuweisungsmodul) des MAC-Moduls 124 gegeben werden, und es kann eine Berechtigung für eine bestimmte Verwendung des Spektrums angefordert werden (Block 214). Bei Zustimmung des Controllers kann der Rekonfigurationsblock des MAC-Moduls 124 dem Funk-Frontend 108 über das Signalverarbeitungsmodul 126 Rekonfigurationsinformationen bereitstellen (Block 218). In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Funk-Frontend 108 rekonfigurierbar sein, um bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden zu können ("frequenzagil"), wobei die bestimmte Frequenz oder Frequenzen von den ausgewählten Segmenten des Spektrums zur Verwendung für Kommunikationen durch den CR 100 abhängen können. In Verbindung mit dem frequenzagilen Frontend 108 kann das Signalverarbeitungsmodul 126, welches in einer beispielhaften Ausführungsform ein Signalverarbeitungsblock mit einer Bitübertragungsschicht sein kann, die Leistung des CR 100 mit adaptiver Modulation und Interferenz-Milderungstechnik verbessern.
B. Beispielhafte MRSS-Simulation
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Abfühlen eines Spektrums, wie beispielsweise in einem Grob-Abfühlmodul 104 implementiertes MRSS, das Bestimmen, ob ein oder mehrere Kanäle des Spektrums durch primäre Nutzer belegt sind, umfassen, wie in Block 204 aus 2 verdeutlichend dargestellt ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Grob-Abfühlmodul die Belegung des Spektrums bestimmen, indem 2 Hypothesen (H₀ oder H₁), wie untenstehend in (1) dargestellt, getestet werden und eine von zwei Entscheidungen über die Belegung des Spektrums (D₀ oder D₁), wie untenstehend in (2) dargestellt, übermittelt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Abfühlen des Spektrums durch ein Grob-Abfühlmodul drei Wahrscheinlichkeiten umfassen: (i) eine Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms (P_FA), (ii) eine Wahrscheinlichkeit einer Fehlerkennung (P_MD) und (iii) eine Wahrscheinlichkeit einer Erkennung (P_D). Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms (P_FA), wie untenstehend in (3) angegeben, die Wahrscheinlichkeit sein, dass das Grob-Abfühlmodul bestimmt, dass ein Kanal belegt ist, wenn er tatsächlich frei ist. Andererseits kann die Wahrscheinlichkeit einer Fehlerkennung (P_MD), wie untenstehend in (4) angegeben, die Wahrscheinlichkeit sein, dass das Grob-Abfühlmodul bestimmt, dass ein Kanal frei ist, wenn er tatsächlich belegt ist. Die Wahrscheinlichkeit der Erkennung (P_D), wie untenstehend in (5) angegeben, kann die gewünschte Erkennungswahrscheinlichkeit sein. Wie durch (5) dargestellt ist, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Wahrscheinlichkeit der Erkennung (P_D) definiert sein als 1 abzüglich der Wahrscheinlichkeit einer Fehlerkennung (P_MD). PFA = P(D1|H0) (3) PMD = P(D0|H1) (4) PD = 1 – PMD (5)
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Entscheidung über die Belegung von dem Grob-Abfühlmodul durch Vergleichen des MRSS-Ergebnisses mit einer vorbestimmten Schwellenwerthöhe P_TH getroffen werden. Zum Beispiel können das MRSS-Ergebnis Korrelationswerte sein, die eine Korrelation zwischen einem empfangenen zeitvarianten Signal und einer modulierten Basis-Grundwellenform (zum Beispiel Wavelet-Pulse) darstellen, die als Fenster dient. Wenn die Schwellenwerthöhe P_TH zu hoch festgelegt wird, kann die Fehlalarmrate (P_FA) niedrig sein, auf Kosten einer geringeren Wahrscheinlichkeit der Erkennung (P_D). Somit kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Schwellenwerthöhe P_TH basierend auf einer akzeptablen Fehlalarmrate (P_FA) festgelegt werden. Wenn beispielsweise die akzeptable Fehlalarmrate (P_FA) 0,10 (zum Beispiel 10%) ist, kann die Schwellenwerthöhe so festgelegt werden, dass die Fehlalarmrate (P_FA) 0,10 nicht übersteigt. Wie in (3) dargestellt ist, kann die Fehlalarmrate (P_FA) auf dem MRSS-Ergebnis basieren, wenn in dem Kanal von Interesse kein Signal liegt. Somit kann die Bestimmung der Schwellenwerthöhe P_TH von der MRSS-Ergebnisverteilung auf der Rauschleistungsmessung beeinflusst werden.
C. Beispielhafte statistische Verteilung von MRSS auf der Rauschleistung
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die MRSS-Ergebnisverteilung auf der Rauschleistungsmessung analysiert werden, um eine geeignete MRSS-Schwellenwerthöhe zu bestimmen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Rauschleistungsmessung als Gauß'sches weißes Rauschen modelliert werden. Die Hüllkurvenspannung ν des Gauß'schen weißen Rauschens kann eine Rayleigh-Verteilung mit einer Leistungsdichte-Funktion f_ν(ν)(pdf), wie unten in (6) gegeben, aufweisen.
Wenn die Hüllkurvenspannung ν in einer logarithmischen Einheit ausgedrückt wird, zum Beispiel in dB, dann würde die neue Variable x = 20 log(ν) eine Funktion pdf f_x(x), einen Mittelwert μ_x und eine Standardabweichung σ_x wie jeweils in (7), (8) und (9) dargestellt aufweisen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann diese Darstellung in der logarithmischen Einheit manchmal als log-komprimierte Rayleigh-Verteilung bezeichnet werden. fx(x) = 110log(e) exp[x10log(e) – ln(2σ2) – exp(x10log(e) – ln(2σ2)] (7) μx = 10log(2σ²exp(γ) )(dB), γ ≈ 0.5772 : Euler-Mascheroni-Konstante (8) σx = 10πlog(e)√6 = 5.57(dB) (9)
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann es ein Weg zum Reduzieren der Variation (oder der Standardabweichung) auf der gemessenen Rauschleistung sein, den Durchschnitt über die einzeln gemessene Rauschleistung zu bilden. Wird in einer logarithmischen Einheit der Durchschnitt gebildet, können die sich ergebende Funktion pdf f_x,AVG(x), der Mittelwert μ_AVG und die Standardabweichung σ_AVG durch Bilden des Durchschnitts von N_AVG unabhängigen Messungen, wie jeweils in (10), (11) und (12) gegeben, sein.
μAVG = 10log(2σ²exp(γ) )(dB) (11)
D. Beispielhafte Bestimmung der Schwellenwerthöhe
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann eine Entscheidung über die Schwellenwerthöhe mit einer Schätzung des Rauschgrundsignals beginnen. Die eingangsbezogene Rauschzahl des MRSS-Empfängerwegs kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung NF in einer dB-Skala sein. Das Fenster mit der Dauer von 1/f_w kann eine äquivalente Rausch-Bandbreite von f_NBW aufweisen. Die äquivalente Rausch-Bandbreite f_NBW kann die Bandbreite eines idealen Rechteckfilters sein, welcher die gleiche Rauschleistung von weißem Rauschen mit der gleichen Spitzenverstärkung akkumulieren würde, und zeigt somit die Bandbreite eines Filters an. In 3 werden einige Werte der äquivalenten Rausch-Bandbreite f_NBW für cos^α(πf_wt)-Fenster, wobei α = 1, 2, 3 oder 4 ist, dargestellt. Die äquivalente Rausch-Bandbreite f_NBW kann proportional zur Frequenz f_w des Fensters und einem für das Fenster spezifischen Faktor sein. Selbst bei der gleichen Frequenz des Fensters kann die äquivalente Rausch-Bandbreite f_w unterschiedlich sein, abhängig von der Art oder Form des Fensters. Wie in 3 dargestellt, können unterschiedliche Fensterarten unterschiedliche äquivalente Rausch-Bandbreiten f_w ergeben. Die tatsächliche durchschnittliche Leistung μ des Rauschgrundsignals kann wie in (13) gegeben sein. In (13) kann –174 (dBm/Hz) eine thermische Rauschleistung sein und NF kann der zusätzliche Rauschbeitrag von dem Empfänger sein. Folglich kann –174 + NF eine Rauschleistung innerhalb 1 Hz sein, und 10log(f_NBW) kann die Rauschleistung innerhalb der Detektionsbandbreite der Energiedetektion sein. μ = –174 + NF + 10log(fNBW) (dBm). (13)
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Signalverarbeitung der Hüllkurvenspannung ν des Gauß'schen weißen Rauschens eine um –2,51 dB zu niedrige Antwort im Vergleich zur wahren Rauschleistung ergeben. Beispielsweise kann die wahre Leistung der Rayleigh-Verteilung-Spannung mit einer Varianz von σ2 P sein, wie unten in (14) angegeben ist.
Aus (14) kann die log-komprimierte Rayleigh-Verteilung, die eine durchschnittliche Leistung P LR darstellt, durch
gegeben sein. Die Differenz zwischen der wahren Leistung P und der durchschnittlichen Leistung P LR kann –2,51 dB sein, wie durch P LR|db – P|db = 10γln(10) = –2,507 dB gegeben.
Basierend auf dem Vorgenannten kann, wenn das MRSS-Ergebnis in einer logarithmischen Domäne verarbeitet wird, die erkannte Rauschleistung eine um 2,51 dB zu niedrige Antwort ergeben. Somit kann nach Anpassung auf eine um 2,51 dB zu niedrige Antwort das erkannte Rauschgrundsignal μ_N wie in (15) gegeben sein. μN = –174 + NF + 10log(fNBW) – 2.51 (dBm). (15)
Wie in (15) dargestellt, kann das erkannte Rauschgrundsignal μ_N eine Funktion der System-Rauschzahl NF und der Dauer und Form des Fensters sein. Das Verkürzen der Dauer des Fensters kann die Erkennungszeit des MRSS verlängern, aber auf Kosten des erhöhten Rauschgrundsignals μ_N und der verringerten Auflösung. Bei gleicher Dauer des Fensters kann die Form des Fensters ebenfalls das erkannte Rauschgrundsignal beeinflussen, aber die Selektivität kann ebenfalls aufgrund der Randeigenschaften des Fensters beeinflusst werden.
Das Durchschnittsergebnis der erkannten Rauschleistung f_x,AVG(x) kann eine Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion (pdf) wie unter (10) gegeben aufweisen. Somit kann die Schwellenwerthöhe P_TH mit einer Fehlalarmrate von P_FA durch Berechnen einer kumulativen Dichtefunktion aus (10) und Lokalisieren des Punktes, an dem die kumulative Dichtefunktion (1 – P_FA) erreicht, erhalten werden. Wenn beispielsweise die akzeptable Fehlalarmrate (P_FA) 0,10 ist, kann die Schwellenwerthöhe P_TH so wie in (16) dargestellt berechnet werden. Insbesondere kann (15) erhalten werden, indem ein Punkt gefunden wird, bei welchem die Integration der kumulativen Dichtefunktion aus (10) einen Wert von (1 – P_FA) = 0,9 aufweist.
4 zeigt ein Histogramm der erkannten Rauschleistung über unterschiedliche Dauern von Fenstern und Zahlen von Durchschnitten. Das Breitband des Gauß'schen weißen Rauschens kann mit einer Leistung von –146 dBm/Hz erzeugt werden, eine System-Rauschzahl von 10 dB voraussetzend. Wie in 4 dargestellt, gibt es ein Histogramm von MRSS-Ergebnissen für Rauschleistungsmessung mit einem cos⁴(πf_wt)-Fenster. In Fall 1 kann die Frequenz des Fensters f_w auf 100 kHz festgesetzt werden, und die Zahl der Durchschnittswerte N_AVG kann auf 1 festgesetzt werden. In diesem Fall kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der berechnete Mittelwert μ_N –113,62 dBm sein, und die Standardabweichung σ_N kann 5,55 betragen. In Fall 2 kann die Frequenz des Fensters f_w auf 100 kHz festgesetzt werden, und die Zahl der Durchschnittswerte N_AVG kann auf 10 festgesetzt werden. In diesem Fall kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der berechnete Mittelwert μ_N –113,62 dBm sein, und die Standardabweichung σ_N kann 1,74 dB betragen. In Fall 3 kann die Frequenz des Fensters f_w auf 1 MHz festgesetzt werden, und die Zahl der Durchschnittswerte N_AVG kann auf 10 festgesetzt werden. In diesem Fall kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung der berechnete Mittelwert μ_N – 103,63 dBm sein, und die Standardabweichung σ_N kann 1,76 dB betragen. Es wird darauf hingewiesen, dass die y-Achse in 4 die Anzahl von Ereignissen über jeden 0,3 dB-Leistungsbereich darstellt. Die Simulation aus 4 kann auf 200.000 unabhängigen MRSS-Ergebnissen pro Fall basieren. Somit sind es im Fall von N_AVG = 1 insgesamt 200.000 Punkte, während es bei N_AVG = 10 insgesamt 20.000 Punkte sind.
Weiter unter Bezugnahme auf 4 kann die Verteilung der erkannten Rauschleistung der log-komprimierten Rayleigh-Verteilung entsprechen. Um die Gültigkeit von (12) und (15) zu prüfen, werden der Mittelwert und die Standardabweichung jedes Ergebnisses berechnet. Es wird darauf hingewiesen, dass in den Fällen 1 und 2 die Reduzierung der Standardabweichung aufgrund des Anstiegs der Zahl von Durchschnitten (12) entspricht. Die Änderung des Rauschgrundsignals um 10 dB zwischen Fall 2 und 3 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung auf dem zehnfachen Anstieg von f_NBW zugeordnet werden.
In 5 ist ein beispielhaftes Fehlalarmrate-Simulationsergebnis dargestellt, bei einem cos⁴(πf_wt)-Fenster mit einer Frequenz f_w = 100 kHz und einer Zahl von Durchschnittwerten N_AVG = 1, 10, 100 und 1000. Um die Fehlalarmrate herauszufinden, können 200.000 unabhängige MRSS-Ergebnisse gesammelt und der Durchschnitt entsprechend der Zahl von Durchschnittswerten N_AVG gebildet werden. Bei jeder Schwellenwerthöhe P_TH (dBm) kann die Gesamtzahl gemittelter Ergebnisse, die höher sind als die Schwellenwerthöhe, gezählt und durch die Gesamtzahl an Ergebnissen geteilt werden, um die Fehlalarmrate P_FA bei diesem Schwellenwert zu ergeben. Gemäß (16) wird darauf hingewiesen, dass, je höher die Zahl von Durchschnitten N_AVG ist, die Schwellenwerthöhe P_TH, die eine gewisse Fehlalarmrate P_FA erfüllt, umso niedriger ist. Wie in 5 dargestellt, kann für eine Fehlalarmrate P_FA von 0,10 eine Schwellenwerthöhe P_TH von ungefähr –113 dBm verwendet werden, wobei die Zahl von Durchschnittswerten N_AVG = 1000 ist. Andererseits kann bei der gleichen Fehlalarmrate P_FA von 0,10 die Schwellenwerthöhe P_TH ungefähr –107 dBm sein, wobei die Zahl von Durchschnittswerten N_AVG = 1 ist. In 6 wird eine beispielhafte Tabelle gegeben, in welcher die theoretischen und die Simulationsergebnisse der Rauschleistungsverteilungsbestimmung und Bestimmung der Schwellenwerthöhe verglichen werden. Der Fehler wurde als vernachlässigbar erhalten, somit kann die Gültigkeit des theoretischen Modells gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung bestätigt werden.
E. Beispielhafte Wahrscheinlichkeit von Fehlerkennung
Sobald die Schwellenwerthöhe bestimmt ist, kann die Wahrscheinlichkeit von Fehlerkennung wie in 7A und 7B dargestellt simuliert werden. In 7A und 7B kann die in 6 simulierte Schwellenwerthöhe als Abfühl-Schwellenwerthöhe P_TH für jede Zahl von Durchschnittswerten N_AVG verwendet werden. Das modulierte Fenster kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung als ein cos⁴(πf_wt)-Fenster mit einer Frequenz f_w = 100 kHz festgelegt und zu f_c = 600 MHz moduliert werden.
In 7A ist ein beispielhafter Fall dargestellt, bei dem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein Eingang ein kontinuierliches Wellen-(CW = continuous wave)Signal zentriert bei 600 MHz ist. Die Signalleistung (dBm) variiert von –120 dBm zu –101 dBm, wie in 7A dargestellt ist. Bei jeder Signalleistung werden 10.000 unabhängige MRSS-Ergebnisse gesammelt und mit jedem N_AVG Durchschnittswerte gebildet. Wenn die Zahl von Durchschnittswerten N_AVG erhöht wird, wird gleichzeitig die Varianz der erkannten Signalleistung verringert, so dass gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ebenfalls die Wahrscheinlichkeit einer Fehlerkennung gesenkt wird. Da ein CW-Signal eine Deltafunktion in einer Frequenzdomäne ist, wird die erkannte Leistung nicht durch die äquivalente Rausch-Bandbreite des Fensters verändert, und die erkannte Leistung an sich ist die Signalleistung eines CW-Signals.
In 7B ist ein beispielhafter Fall dargestellt, bei dem ein Eingangssignal mit 8-VSB entsprechend dem ATSC-Standard, zentriert bei 600 MHz, moduliert wird. Die auf der x-Achse aus 7B dargestellte Leistung ist die Gesamt-Signalleistung (dBm) über die Bandbreite von 5,38 MHz. Die mit Zufallsdaten, welche eine Symbolgeschwindigkeit aufweisen, die wesentlich schneller ist als die Auflösungsbandbreite des Fensters, digital modulierten Signale können an eine Gauß'sche Verteilung approximiert werden entsprechend dem zentralen Grenzwertsatz. Somit unterliegt das erkannte ATSC-Signal ebenfalls der um 2,51 dB zu niedrigen Antwort bei logarithmischer Verarbeitung. Somit ist die erkannte Signalleistung mit einer äquivalenten Rausch-Bandbreite f_NBW im Fall eines digital modulierten Signals, das schnell genug ist, wie folgt:
wobei μ_D die erkannte Leistung ist, P_S die ursprüngliche Signalleistung ist und f_NBW die Signal-Bandbreite ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, im Fall eines ATSC-Signals mit einem cos⁴(πf_wt)-Fenster mit f_w = 100 kHz gilt,
Wie erwartet, liegt der Durchschnitt der erkannten ATSC-Signalleistung innerhalb eines Fehlers von –1 dB zu dem in (18) berechneten Wert.
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 Zeichnungen 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

Verfahren zum Bestimmen von Schwellenwerten zum Abfühlen eines Spektrums, welches umfasst: Empfangen einer Fehlalarmrate, wobei die Fehlalarmrate mit falschen Identifikationen über Belegung eines Segments des Spektrums verbunden ist; Bestimmen eines Rauschgrundsignals als Funktion einer Rauschzahl und von Eigenschaften eines MRSS-(multi-resolution spectrum sensing)Fensters; und Berechnen eines Abfühl-Schwellenwertes wenigstens teilweise basierend auf der Fehlalarmrate und dem Rauschgrundsignal.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst: Empfangen von MRSS-Ergebnissen in Verbindung mit einer Analyse eines Bereiches eines Funkfrequenz-(RF = radio frequency)Spektrums unter Verwendung des MRSS-Fensters.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst: Bestimmen, ob ein Bereich des RF-Spektrums belegt ist, indem die MRSS-Ergebnisse mit dem berechneten Abfühl-Schwellenwert verglichen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass MRSS-Ergebnisse, die die Ergebnisse für den berechneten Abfühl-Schwellenwert überschreiten, zur Folge haben, dass bestimmt wird, dass der Bereich des RF-Spektrums belegt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die MRSS-Ergebnisse Korrelationswerte sind, die eine Korrelation zwischen einem Bereich des RF-Spektrums und dem MRSS-Fenster darstellen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des MRSS-Fensters Dauer und/oder Form des MRSS-Fensters enthalten.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des MRSS-Fensters ein Faktor bei der Geschwindigkeit oder der Auflösung des Abfühlens des Spektrums ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des MRSS-Fensters ein Faktor in der Rauschzahl ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei: durch das Verkürzen der Dauer des MRSS-Fensters die Geschwindigkeit des Abfühlens des Spektrums erhöht wird, und durch das Verlängern der Dauer des MRSS-Fensters die Auflösung des Abfühlens des Spektrums verbessert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das MRSS-Fenster eine Fensterfunktion mit einer bestimmten Fensterfrequenz f_w ist
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterfunktion cos^α(πf_wt) ist, wobei α eine ganze Zahl ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauschgrundsignal eine Funktion der Zahl von Durchschnittswerten gemessener Rauschleistungen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Erhöhen der Zahl von Durchschnittswerten die Variation des Rauschgrundsignals verringert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Erhöhen der Zahl von Durchschnittswerten der berechnete Abfühl-Schwellenwert, der die Fehlalarmrate erfüllt, reduziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauschzahl mit der Rauschleistung verbunden ist, aufgrund von Beiträgen des Systemrauschens.
System zum Abfühlen des Spektrums, welches aufweist: eine Antenne zum Empfangen eines Bereichs eines Funkfrequenz-(RF-)Spektrums; und ein Spektrumabfühlmodul, wobei das Spektrumabfühlmodul dient zum: Empfangen einer Fehlalarmrate, wobei die Fehlalarmrate mit falschen Identifikationen über eine Belegung eines Segments des Spektrums verbunden ist; Bestimmen eines Rauschgrundsignals als Funktion einer Rauschzahl und von Eigenschaften eines MRSS-(multi-resolution spectrum sensing)Fensters; und Berechnen eines Abfühl-Schwellenwertes wenigstens teilweise basierend auf der Fehlalarmrate und dem Rauschgrundsignal.
System gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrumabfühlmodul weiter dient zum: Empfangen von MRSS-Ergebnissen in Verbindung mit einer Analyse wenigstens eines Bereiches eines RF-Spektrums; und Bestimmen, ob ein Bereich des RF-Spektrums belegt ist, indem die MRSS-Ergebnisse mit dem berechneten Abfühl-Schwellenwert verglichen werden.
System gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die MRSS-Ergebnisse Korrelationswerte sind, die eine Korrelation zwischen einem Bereich des RF-Spektrums und dem MRSS-Fenster darstellen.
System gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauschleistung eine Funktion der Zahl von Durchschnittswerten gemessener Rauschleistungen ist.
System gemäß Anspruch 19, wobei durch das Erhöhen der Zahl von Durchschnittswerte der Abfühl-Schwellenwert, der die Fehlalarmrate erfüllt, reduziert wird.