TWI461073B - 用於分享頻譜使用的通信協定及感測 - Google Patents

Description

用於分享頻譜使用的通信協定及感測

本發明係關於一裝置、一系統、一方法及一電腦程式產品，其等用於傳輸及接收至少兩個至少部分操作在相同頻譜之傳輸系統的信號。其中此類傳輸系統係為例如具有靈活頻譜使用模型之認知中繼系統。

新無線技術及應用之發展需要有限可用無線電頻譜的謹慎使用。其促進了從當前固定頻譜分配政策到靈活頻譜使用模型的移動之調整變化。在美國，負責調整利用無線電、電視、電報、衛星及電纜之州際及國際通信的美國聯邦通信委員會(FCC)係例如向採用允許在VHF-UHF頻譜中的低功率可攜式器件的使用的政策採取措施。調整的步驟亦係朝著允許更多對醫學器件及人體感測器網路可用之次要頻譜的方向移動。對採用被分配到主要系統的被許可的頻帶對次要使用開放的創新頻譜分享模型，亦已在英國及其他歐盟國家引起興趣。

用於在次要頻譜基礎上操作之需求之一係該次要系統傳輸對該主要系統不引起任何有害干擾。該需求通常利用頻譜感測及在未發現主要系統為活動的頻譜範圍的操作來達成。頻譜感測可包括從主要系統偵測傳輸的存在。

眾所公認在無線系統中之協作及中繼的優點，亦是即將到來的標準(例如，人體區域網路的IEEE 802.15 WPAN工作組)的一部分。該等技術係熟知用於導致較好系統效能且用於例如範圍延伸、改良錯誤率等。基於協作中繼之認知無線系統因而在此類未來無線標準將自然受人關注。

兩個來源目的連結(一主要連結及一次要連結)分享相同頻譜資源的一認知網路的最近研究請見：N. Devroye、P. Mitran及V. Tarokh提出的資訊理論研究，「認知無線電中之可達率(Achievable rates in cognitive radio)」，IEEE Trans. Inform. Theory，第52卷，第5號，第1813-1827頁，2006年5月；及A. Jovicic及P. Viswanath的「認知無線電：一資訊理論觀點(Cognitive radio:an information-theoretic perspective)」。在這些文獻中，一認知發送器被假定具有關於藉由一主要發送器傳輸之信號之完整先前資訊(亦見P. Mitran、N. Devroye及V. Tarokh的「論具有發送器處之旁側資訊之複合通道(On compound channels with side information at the transmitter)」，IEEE Trans. Inform. Theory,第52卷第4號第1745-1755頁，2006年4月，全部內容以引用的方式併入本文中)。然而，預期在該認知發送器(或節點)處對無線電環境(例如，在該主要活動上)之不完整資訊為執行認知原則之一主要障礙，如更詳細地描述在A. Sahai、N. Hoven及R. Tandra的「認知無線電之一些主要限制(Some fundamental limits on cognitive radio)」，見Allerton Conference on Communication,Control and Computing的會議記錄，2004年10月。而且，在主要連結處的通信量動態在定義認知無線電效能上非常重要，但隨機封包到達無法簡單地合併到一純資訊理論分析中。

圖1繪示一認知無線中繼系統拓撲之一示意架構，其中一認知系統發送器(CTx)10借助一認知系統中繼(CR)30發送資料至一認知系統接收器(CRx)20。該認知系統按次要分享基礎操作在某一部分頻譜，其授權給包含一主要系統發送器40之某些主要系統。

圖2繪示可被運用在根據圖1之一系統中的一簡易感測及通信協定之一示意性時序排程。

感測係藉由CTx 10定期在步驟100、200等等中執行。若不存在主要系統傳輸，傳輸被完成在各自連續傳輸週期TP1、TP2等等的兩個階段。在該第一階段(步驟110、210，...)，該CTx 10傳輸資料至該CRx 20，其亦係在CR 30被接收。該CR 30對所接收之資料執行一些信號處理(例如，放大、解碼等)且在該第二階段(步驟120、220，...)將其轉發或廣播至CRx 10。

然而，定期感測需要監測主要信號傳輸之存在/再現。如可從圖2所見，在步驟100、200...中之該定期感測係一額外負擔且明顯降低資訊輸送量。其亦暗指潛伏需求，因而對於延遲敏感的應用可能成為一嚴重問題。

本發明之一目的係提供可使資訊輸送量升高之一更有效的干擾管理方法。

該目的係藉由在技術方案1中主張之一裝置，藉由在技術方案6中主張之一方法，藉由在技術方案10中主張之一系統且藉由在技術方案11中主張之一電腦程式產品而獲得的。

因此，在發送器側之感測可在該第二傳輸階段被執行，因而克服用於感測之專屬時槽的需求。一專屬感測時槽係因而僅在一初始傳輸建立期間被需要，降低藉由一定期感測時槽招致的額外負擔。

該提出的裝置可被實施為提供在一網路節點或站台之處理器器件、模組、晶片、晶片組或電路。一處理器可藉由一電腦程式產品而控制，該電腦程式產品包括代碼構件用於在一電腦或處理器器件上執行時執行被主張之方法的步驟。

根據一第一態樣，該第一及第二傳輸系統可分別為具有靈活頻譜使用的主要及次要系統。

根據可與該第一態樣結合之一第二態樣，該第二傳輸系統可為一認知中繼系統。

根據可與上文第一及第二態樣之任何一者結合之一第三態樣，該發送器及該干擾處理器可被調適用於以一定期方式執行該傳輸及該感測。

根據可與上文第一至第三態樣之任何一者結合之一第四態樣，該裝置可為一醫學器件且該中繼版本可從一醫療照護集線器接收。

進一步之有利的發展方案被定義在附屬技術方案中。

現將參考附圖基於多種實施例而描述本發明。

在下文中，以繪示在圖1中之一例示性認知中繼系統為基礎描述本發明之實施例。

該等實施例可被實施在例如繪示在圖1中之一認知無線中繼系統拓撲中，其中該認知系統發送器(CTx)10借助一認知系統中繼(CR)30發送資料至一認知系統接收器(CRx)20，且其中該中繼系統按一次要分享基礎操作在授權給某些主要系統之某些部分頻譜。此一認知中繼系統之一實例係如下實例：其中該CTx 10可為一醫學器件，該CR 30可為一醫療照護集線器且該CRx 30可為另一醫療照護集線器或一中心醫學處理器。

在多種實施例中，提供用於認知中繼系統或其他頻譜分享系統之一感測及通信協定，其中該傳輸被攜載在兩個階段中，其中該CTx 10在該CRx 30及CR 20接收之第一階段中傳輸資料。一中間處理被執行在該資料被處理的該CR 20，且接著在第二階段中廣播。接著，在該第二階段，該CTx 10抵消藉由來自該CR 20之傳輸引起之干擾後執行感測。

圖3繪示根據一實施例提出的一協定之一感測及通信程序。在一第一步驟100之連結建立期間，在在該CTx 10執行初始感測。若例如藉由在該CTx 10提供之一干擾處理器或一中央多功能處理器未偵測到主要系統傳輸，則建立一二階段傳輸。在該第一階段(圖3中之步驟110、210...)，該CTx 10傳輸資料至該CRx 30，其亦接收在該CR 20。接著，該CR 20對該接收到的資料執行一些信號處理(例如，放大或解碼等)。該經處理之資料被廣播且因而在該第二階段(步驟122，222，...)被轉發至該CRx 30。該資料亦係接收在該CTx 10，其現可在該第二階段執行感測以判定一主要系統傳輸是否已出現。在該CTx 10之該被接收的信號係主要信號(若此存在)、從該CR 20廣播的信號及雜訊之一組合。因為該CTx 10先前知道從該CR 20發送之信號，其可在執行主要信號之偵測前或同時消除或至少抑制該信號分量。

因此，一專屬感測時槽僅在一初始傳輸建立期間(步驟100)被需要，使得該額外負擔藉由一定期感測時槽而被招致。

在下文中描述在該CR 20具有放大基礎之處理的該協定之一特殊執行。

該傳輸連結CTx→ CRx、CTx→ CR、CR→ CRx及CR→ CTx之頻道係數被分別表示為h ₁ 、h ₂ 、h ₃ 及h ₄ 。該等係數表示無線衰退係數且通常可被模擬為Rayleigh衰退。此外，各自在該CTx 10、CRx 30及CR 20之加成性白高斯雜訊被各自表示為具有變數σ² 之n ₁ 、n ₂ 及n ₃ 。進一步假設在該CTx 10及CR 20之該傳輸功率相同且等於P 。該等設想為了簡單化該解釋而被完成，但不有意限制該等實施例之範圍。在第i 個傳輸階段在該CTx 10、CRx 30及CR 20接收之該主要系統(若一主要系統在傳輸)之該信號分量被分別表示為X _si 、X _di 及X _ri ，其中。

圖4繪示根據本實施例之該感測及通信程序之一時序圖，其中上面隨時間而定的圖表涉及該CTx 10之操作且下面的時序圖涉及該CR 20之操作。該CTx 10首先執行僅對初始連結建立需要之一初始感測。若未偵測到主要系統之信號，則建立一二階段認知傳輸。在該第一傳輸階段P1，一次要信號x _c 藉由該CTx 10而被發送。在該CRx 30接收之該信號被給定為

且在該第一傳輸階段在該CR 20接收之該信號被給定為

此處假設主要系統傳輸不迅速改變，也就是無主要發送器(例如，圖1之該主要發送器40)在該第一傳輸階段發送，使得X _{d 1} =0且X _{r 1} =0。再次該假設不有意影響該等實施例之範圍。若主要系統為活動的，其等可在相當於該第一傳輸階段P1之長度的一小量時間間隔上經受特定干擾量。在該第一傳輸階段P1中之接收後，若未偵測到含有該次要信號分量x _c 之信號分量，該CR 20簡單地保持靜止直到其從該CTx 10接收新傳輸。該次要信號分量可基於已知信號或資料部分(諸如導頻及/或前置碼)而被偵測。另外，該CR 20規格化該被接收之信號且接著將其轉發至該CRx 10。在該第二傳輸階段P2在該CRx 30接收之該信號接著被給定為

且γ₂ =|h ₂ |² 。在該第二傳輸階段P2中之接收後，該CRx 30可聯合y _{d 1} 及y _{d 2} 解碼x _c 。

在該第二傳輸階段P2在該CTx 10接收之該信號被給定為

因為該CTx 10具有各別頻道狀態資訊(例如，藉由基於訓練之頻道估計使用該認知系統及/或從該CR 2之回饋的該已知信號分量(例如，導頻/前置碼)而獲得)之完整(或接近完整)知識，該自干擾分量可被消除以獲得

y _s ^' =h ₄ gn ₃ +X _{s 2} +n ₁ 。　(5)

接著，該CTx 10用y _s ^' 執行X _{s 2} 之偵測。如未偵測到X _{s 2} ，則繼續下一二階段傳輸。否則，該CTx 10可保持無聲且可定期掃描該頻道直到該頻道被判定為不包含主要系統之信號且接著可建立一新認知傳輸。

圖5繪示用於該CTx 10之一干擾控制機制或程序之一示意性流程圖。

在步驟S310，一初始感測在該CTx 10處被執行了一次。接著，在步驟S320檢查該感測操作是否指示一主要信號被偵測到或存在。若存在一主要信號，該程序分叉到步驟S325且等待一給定延遲週期，其可藉由開始一計數器或計時器或相應的操作而判定。否則，若已判定一主要信號存在，程序進入步驟S330且一第一傳輸週期之一第一傳輸階段開始且該CTx 10發送一次要信號x _c 。隨後，該傳輸週期之一第二傳輸階段在步驟S340開始，其中該CTx 10基於在步驟S330之傳輸之已知信號參數執行自干擾消除且另外執行主要信號偵測。接著，在步驟350檢查一主要信號是否已被接收或存在。若存在一主要信號，該程序分叉而跳回到步驟S330以開始一新傳輸週期之一新第一階段。否則，若已判定存在一主要信號，該程序進入步驟S360且該CTx 10停止次要傳輸而等待一給定延遲週期，其可藉由開始一計數器或計時器或相應操作而被判定。

圖6繪示用於該CR 20之一中繼機制或程序之一示意性流程圖，其在時間上連結到圖5之步驟S330之末尾。也就是，當該第一傳輸階段結束，該CR 20在步驟S410開始一接收操作。在接下來的步驟S420，在步驟S420中檢查一次要信號分量x _c 是否已被接收或存在。若判定不存在一次要信號，則該程序分叉至步驟S425且等待一給定延遲週期，其可藉由開始一計數器或計時器或相應操作而被判定。否則，若在步驟S420判定一次要信號存在，該程序進入步驟S430且一傳輸週期之一第二傳輸階段開始且該CR 20放大且轉發或廣播該被接收到之次要信號。

上述實施例之該CTx 10及該CR 20可被提供在相應無線節點(例如，網狀點、網狀存取點、網狀入口或任何其他類型之無線電節點)或其他無線類型網路節點。該等實施例可基於多個離散式硬體電路或電路系統、一晶片、一晶片組、一模組或一軟體控制之處理器或電腦器件而執行，其中圖5及6之功能可被提供為軟體程式或常式。

總之，已描述用於在分享頻譜使用之傳輸系統中感測及通信之一方法、一裝置及一電腦程式產品，其中系統可包括例如一認知中繼系統。在一發送器及一接收器之間之該通信經由一中繼之協助發生在兩個傳輸階段。感測在該第二傳輸階段被執行在該發送器處，因而克服專屬時槽用於感測之需求。

應注意本發明不受限於上述實施例且可被用於允許藉由至少兩個傳輸系統分享頻譜使用的任何網路環境。儘管該系統及相關協定已對按次要頻譜分享基礎在被許可的頻譜中操作之認知中繼系統作出描述，但同樣可為了任何類型之干擾管理而被延伸。本發明適用於以一第一傳輸系統取代該認知中繼系統及以一第二傳輸系統取代該主要系統，其中該第一傳輸系統嘗試避免來自該第二傳輸系統之干擾，且操作在相同的頻譜上。此一情形發生在例如干擾管理為一嚴重問題之未經許可的頻帶中。本發明適用於例如在經許可之頻譜中按次要基礎操作之無線系統器件(例如，可攜式器件、醫學器件、人體感測器等等)。

此外，本發明可應用於例如基於在無線地區網路上之即將到來的IEEE802.22標準的增強。預期未來標準化目標朝向在所提出之方法係非常受重視之在UHF(超高頻率)頻帶及/或電視空白頻道中的連通性應用(例如，可攜式器件)。所提出之干擾管理可更普遍地應用於認知無線系統之一寬廣類別，其可經過未來標準化。一可能性係醫學器件及人體感測器網路，如在人體區域網路的IEEE 802.15 WPAN工作組所描述，其可基於在一次要分享基礎上之一部分分配頻譜。

熟悉此項技術者可從圖式、所揭示之內容及隨附申請專利範圍之一研究而理解及實現所揭示之實施例的變動。在申請專利範圍中，該詞「包括」不排除其他元件或步驟，且該不定冠詞「一」不排除複數個元件或步驟。一單一處理器或其他單元可實現敘述在申請專利範圍中之若干項目的功能。某些措施係在互不相同之附屬技術方案中敘述，這一純粹事實並不表示不可有利地使用該等措施之組合。用於控制處理器以執行圖5及6之步驟之一電腦程式及因此該主張之特徵可被儲存/分佈在一適當媒體，諸如一光學儲存媒體或一固態媒體，其可連同其他硬體一起供給或作為其他硬體之部分，但亦可被分佈在其他形式中，諸如經由網際網路或其他有線或無線通信系統。在申請專利範圍中之任何參考符號不應被解釋為限制其範圍。

40．．．主要系統發送器

CR 30．．．認知系統中繼

CR→ CRx．．．頻道係數

CR→ CTx．．．頻道係數

CRx 20．．．認知系統接收器

CTx 10．．．認知系統發送器

CTx→ CR．．．頻道係數

CTx→ CRx．．．頻道係數

P1．．．第一傳輸階段

P2．．．第二傳輸階段

TP1．．．時段

TP2．．．時段

圖1繪示一認知中繼系統之一示意性網路拓撲；

圖2繪示一習知感測及通信程序；

圖3繪示根據一實施例之一感測及通信程序；

圖4繪示根據該實施例之該感測及通信程序之一時序圖；

圖5繪示根據一實施例之一發送器側感測及通信處理之一示意流程圖；及

圖6繪示根據一實施例之一中繼側感測及通信處理之一示意流程圖。

CR 30．．．認知系統中繼

CRx 20．．．認知系統接收器

CTx 10．．．認知系統發送器

P1．．．第一傳輸階段

P2．．．第二傳輸階段

TP1．．．時段

Claims (11)

1. 一種用於在由第一及第二傳輸系統分享之一頻譜中發送及接收信號之裝置，該裝置(10)包括：a)一發送器，若該裝置之一感測操作指示未接收到該第一傳輸系統之信號，則該發送器在一信號傳輸週期之一第一階段內發送該第二傳輸系統之一信號；及b)一干擾(interference)處理器，其用於：在該信號傳輸週期之一第二階段接收在該信號傳輸週期之該第一階段發送的該信號之一中繼(relayed)版本；消除由在該信號傳輸週期之該第一階段發送的該信號之該中繼版本的接收而引起的干擾；及在消除由該第一階段發送的該信號之該中繼版本的接收而引起的干擾之後，在該信號傳輸週期之該第二階段執行一主要信號之一感測操作。
2. 如請求項1之裝置，其中該第一及第二傳輸系統分別為具有靈活頻譜使用的主要及次要系統。
3. 如請求項2之裝置，其中該第二傳輸系統係一認知中繼系統。
4. 如請求項1之裝置，其中該發送器及該干擾處理器經調適用於以一定期方式執行該傳輸及該感測。
5. 如請求項1之裝置，其中該裝置係一醫學器件且該中繼版本係從一醫療照護集線器接收。
6. 一種用於在由第一及第二傳輸系統分享之一頻譜中發送 及接收信號之方法，該方法包括：若一感測操作指示未接收到該第一傳輸系統之信號，在一信號傳輸週期之一第一階段內發送該第二傳輸系統之一信號；在該信號傳輸週期之一第二階段接收在該信號傳輸週期之該第一階段發送的該信號之一中繼版本；消除由在該信號傳輸週期之該第一階段發送的該信號之該中繼版本的接收而引起的干擾；及在消除由該第一階段發送的該信號之該中繼版本的接收而引起的干擾之後，在該信號傳輸週期之該第二階段執行一主要信號之一感測操作。
7. 如請求項6之方法，其中該第一及第二傳輸系統分別為具有靈活頻譜使用之主要及次要系統。
8. 如請求項7之方法，其中該第二傳輸系統係一認知中繼系統。
9. 如請求項6之方法，其中傳輸及感測係以一定期方式執行。
10. 一種用於在由第一及第二傳輸系統分享之一頻譜中發送及接收信號之系統，該系統包括至少一網路節點；及至少一用於在一信號傳輸週期之一第一階段內接收由該至少一網路節點發送之一信號及用於在該信號傳輸週期之一第二階段內廣播該信號之一中繼版本的中繼節點， 其中該至少一網路節點可接收該信號之該中繼版本、消除由該信號之該中繼版本的接收而引起的干擾及在消除由該第一階段發送的該信號之該中繼版本的接收而引起的干擾之後，在該信號傳輸週期之該第二階段執行一主要信號之一感測操作。
11. 一種電腦程式產品，包括用於在一電腦器件上執行時產生如請求項6之諸步驟之代碼構件。