用于具有定向傳輸的二級通信的系統和方法

專利名稱：用于具有定向傳輸的二級通信的系統和方法
技術領域：
本發明大體上涉及用于無線通信的系統和方法，更具體而言，涉及用于利用無線 資源的時間/頻譜/位置中的空間頻譜孔(SSH)的系統和方法。
背景技術：
通過動態和機會頻譜接入的使用，認知無線電(CR)使得能夠實現高頻譜效率。 在20世紀九十年代后期首先提出了術語認知無線電(參見J. Mitola和G. Q. Maquire 的"Cognitive radio :making software radios more personal，，，IEEE Personal Communications, 1999 年 8 月)，并且在 S. Haykin 的"Cognitive radio :Brain_empowered communications", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005 ^ 2 MM 23卷No. 2，201 220頁中提供了全面的綜述。CR的基本概念是允許也稱為二級用戶的未許可CR用戶使用許可譜帶(也稱為許 可頻帶)，只要其不對也稱為一級用戶的許可用戶造成干擾即可。因此，CR用戶必須識別 并使用未被一級用戶使用的譜帶。實際上，用于CR用戶的可用譜帶可以隨著時間和位置而 變。可用于CR用戶的時間/頻譜/位置的區域稱為頻譜孔(SH)。一般而言，CR系統可以 通過經由SH進行發送/接收而與許可系統共存。SH是用于CR用戶的基本資源。在來自聯幫通信委員會(FCC)的報告中，已經以非 常大的概率顯示在某些位置或時間上始終存在未被一級用戶使用的某些許可頻譜帶(參 見聯幫通信委員會，Spectrum Policy Task Force 1/8，Interleaver Report，ET Docket No. 02-155，2002年11月2日)。到目前為止，已經進行了相當大的努力以通過允許CR用戶 利用這些未使用頻帶來提高頻譜效率(參見例如D. Cabric.S. M. MishraJP R. W. Brodersen 的“Implementation issues in spectrum sensing for cognitive radios，，，Proc· 38th· AsilomarConference on Signals，Systems，and Computers，2004年 11 月第 1 卷 772 776 頁；F. F. Dighamλ Μ. S. AlouiniJfI Μ· K. Simon 的 “On the Energy Detection of Unknown Signals Over Fading Channels，，，IEEE Transactions on Communications, 2007 年 1 月第 55 卷 No. 1，21 24 頁；J.Ma 和 Y. (G.)Li 的“Soft Combination and detection for cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks，，，Proceedings of IEEE GL0BEC0M，2007 年 11 月第 3139-3143 頁；G. Ganesan and Y. (G.) Li 的“Cooperative spectrum sensing in cognitive radio-part I :two user networks，，，IEEE Transactions on Communications, 2007 年 6 月第 6 卷 No. 6，2204 2213 頁；“Cooperative spectrumsensing in cognitive radio-part II:multiuser networks", IEEE Transactions on Communications, 2007 年 6 月第 6 卷，No. 6,2214 2222 頁)。頻譜感測探尋SH的存在，以便CR用戶可以利用它們。雖然對頻譜感測的大部分 現有工作都集中于在時間和位置上檢測SH，但CR系統在相同的位置、時間、和頻率處與許 可系統共存的可能性尚未得到很好的研究。

發明內容
通過用于利用無線資源的時間/頻譜/位置中的空間頻譜孔(SSH)的系統和方法 的實施例，大體上解決或規避這些及其它問題，并且大體上實現技術優點。依照實施例，提供了用于由發送機向接收機發送信息的方法，所述發送機具有定 向天線。該方法包括(1)將定向天線設置為第一傳輸方向，(2)確定沿第一傳輸方向的譜 帶的狀態，(3)響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機位于所述發送機的覆蓋區 域內沿第一傳輸方向向所述接收機發送信息，以及(4)響應于確定所述譜帶狀態是空閑的 且所述接收機在所述發送機的覆蓋區域之外沿第一傳輸方向向第一中繼器發送信息。依照另一實施例，提供了一種用于通過具有定向天線的通信中繼器來對傳輸進行 中繼的方法。該方法包括根據所述傳輸來確定接收機，并響應于確定所述通信中繼器能夠 將該傳輸中繼到接收機，將所述定向天線設置為第一傳輸方向，確定沿該第一傳輸方向的 譜帶可用性，響應于確定所述譜帶是空閑的且所述接收機在所述通信中繼器的覆蓋區域內 將相應的傳輸直接中繼到接收機，并響應于確定所述譜帶是空閑的且在所述通信中繼器的 覆蓋區域之外將所述相應的傳輸中繼到第二通信中繼器。所述方法還包括響應于確定所述 通信中繼器不能將所述傳輸中繼到所述接收機而丟棄所述傳輸。依照另一實施例，提供了一種通信節點。所述通信節點包括耦合到天線的接收機、 耦合到定向天線的發送機、以及耦合到所述接收機和所述發送機的處理器。所述接收機接 收所述天線所檢測的信號，所述發送機使用所述定向天線定向地發送信號，并且所述處理 器感測在其上面發送和接收信號的譜帶的狀態，將接收到的傳輸中繼到接收到的傳輸的預 定接收機或能夠將接收到的傳輸中繼到該預定接收機的中繼節點，并生成包含傳輸中繼信 息的數據庫。 實施例的優點是可以提高頻譜效率。實施例的另一優點是可以減少CR系統的CR用戶與許可系統的一級用戶之間的干 擾。實施例的另一優點是CCR用戶可以在邏輯上被劃分成具有針對干擾避免的不同 優先權水平的等級。前述內容已相當廣泛地概括了本發明的特征和技術優點，以便可以更好地理解以 下實施例的詳細說明。下面將描述實施例的附加特征和優點，其形成本發明的權利要求的 標的物。本領域的技術人員應認識到所公開的概念和特定實施例可以很容易地用作用于修 改或設計其它結構或過程以便執行本發明的相同目的的基礎。本領域的技術人員還應認識 到此類等效構造不脫離如隨附權利要求所闡述的本發明的精神和范圍。


為了更全面地理解實施例及其優點，現在對結合附圖進行的以下說明進行參考， 在附圖中圖Ia至Ic是示出非常接近地操作的許可系統和CR系統的圖；圖2a是示出促進通信的空間頻譜孔(SSH)的使用的圖；圖2b是示出傳輸的中繼的圖；圖3a是示出非常接近地操作的許可系統和CR系統；圖3b是示出CR用戶的圖；圖3c是示出處理器和存儲器的詳細視圖的圖；圖4是示出在CR發送機處發送信息的事件序列的流程圖；圖5是示出在CR中繼器處的中繼信息的事件序列的流程圖；圖6a是示出中繼數據庫的生成中的事件序列的流程圖；圖6b是示出中繼數據庫的生成中的事件序列的流程圖；圖7是示出對于N的不同值而言CR系統的SCP、Q2對比歸一化天線孔徑Y的數據圖；圖8是示出對比L的不同值而言的SCP對比歸一化天線孔徑Y的數據圖；圖9是示出對于M的不同值而言的SCP對比歸一化天線孔徑Y的數據圖；圖10是示出對于譜帶空閑概率的不同值而言的SCP對比時隙數目的數據圖；以及圖11是示出對于不同的CR傳輸鏈路等級而言的SCP對比歸一化天線孔徑Y的 數據圖。
具體實施例方式下面詳細討論實施例的完成和使用。然而，應認識到本發明提供可以在多種特定 背景下體現的許多可適用發明構思。所討論的特定實施例僅僅說明完成和使用本發明的特 定方式，而并不限制本發明的范圍。將在特定的背景下、S卩非常接近于許可系統進行操作的CR系統的背景下描述實 施例，其中，CR系統使用具有波束形成的定向天線和/或天線陣列。然而，本發明還可以應 用于其它系統，其中，CR系統和許可系統二者使用具有波束形成的定向天線和/或天線陣 列。此外，本發明可以一般應用于使用定向天線和/或天線陣列的期望提高頻譜效率、減少 相互之間不在通信的設備之間的干擾的通信系統，或用于在邏輯上劃分傳輸的優先系統。一般而言，可以根據觀察到的信號(由CR用戶執行的頻譜感測操作的結果)將在 某個時間和位置處是否存在頻譜孔描述為一級信號(一級用戶的傳輸)的存在或不存在。其中，s(t)是一級信號，h表示許可用戶(也稱為一級發送機(PT))與CR用戶之 間的信道系數，并且n(t)表示加性高斯白噪聲(AWGN)。假設HO和Hl分別表示一級信號的 不存在和存在。通常，在CR通信中可能涉及兩種方案。第一種是當CR用戶可以在一級用戶暫時 不使用頻帶時接入該譜帶時，這意味著可以在相同譜帶和區域中但使用不同時隙部署CR 用戶和一級用戶兩者。時隙可以是其中一級用戶或CR用戶可以進行發送的時間的劃分。在這種方案中，等式(1)中的HO和Hl分別表示一級用戶正在發送(開)和不在發送(關 閉)，并且可以通過利用未被一級用戶使用的靜寂時隙來實現CR用戶的傳輸(也稱為二級 傳輸)。還可以將該靜寂時隙稱為時間頻譜孔(TSH)。用于CR通信的第二種方案是CR用戶可以在CR用戶和一級用戶不在具有將CR用 戶與一級用戶分離的無線信道的路徑損耗和陰影的不同地理區域中時接入譜帶，使得兩者 可以在不相互干擾的情況下同時進行發送。在這種情況下，等式(1)中的HO和Hl分別表 示CR用戶和一級用戶識別可以被路徑損耗分離。從第二種方案產生的傳輸機會可以稱為 地理頻譜孔(GSH)，因為可以在不同的位置重新使用譜帶。圖Ia是示出非常接近地操作的許可系統和CR系統的圖。許可系統包括第一一級 用戶105、第二一級用戶106、和第三一級用戶107，而CR系統包括第一 CR用戶110、第二 CR 用戶111、第三CR用戶112、第四CR用戶113、和第五CR用戶114。許可系統和/或CR系 統兩者都可以包括附加用戶。然而，出于說明性原因，圖Ia所示的用戶的數目是有限的。如果一級用戶(例如，第一一級用戶105、第二一級用戶105、和第三一級用戶107) 使用全向天線進行發送，則在發生許可傳輸的同時，不可能在不對一級用戶的傳輸造成干 擾的情況下發生任何形式的CR傳輸。然而，如果CR用戶(例如第一 CR用戶110、第二 CR用戶111、第三CR用戶112、第 四CR用戶113、和第五CR用戶114)使用具有波束形成的定向天線和/或天線陣列進行發 送以提供定向信號發送和接收，則具有波束形成的定向天線和/或天線陣列的使用可以幫 助限制傳輸的傳播，這可以幫助減少由于CR用戶的傳輸而對許可用戶造成的干擾。此外， 如果許可用戶還使用具有波束形成的定向天線和/或天線陣列進行發送，則還可以進一步 減少由許可用戶向CR用戶進行的傳輸的傳播。先前已經介紹了 CR系統中的波束形成(參見例如S. Huang、Ζ. Ding、和X. Liu的 “Non-intrusive cognitive radio networks based on smart antenna technology，，， Proceedings of IEEE GL0BEC0M，2007 年 11 月，4862 4867 頁和 L. Zhang、Y. Liang、和 Yan Xin 的"Joint Beamforming and Power Allocation for Multiple Access Channels in Cognitive Radio Networks，，，IEEE Journal on Selected Areas of Communications, 2008年2月第26卷第1版，38 51頁)。然而，不是僅僅考慮點到點CR鏈路，優選實施例 整體地考慮CR系統。如圖Ia所示，一級用戶可以相互進行發送，例如，第一一級用戶105可以向第二一 級用戶106或第三一級用戶107進行發送，第二一級用戶106可以向第一一級用戶105或 第三一級用戶107進行發送，并且第三一級用戶106可以向第二一級用戶106或第一一級 用戶105進行發送。一級用戶之間的傳輸在圖Ia中被示為實線。同樣地，CR用戶可以相 互進行發送，例如，第一 CR用戶110可以向第四CR用戶113或第五CR用戶114進行發送， 第二 CR用戶111可以向第四CR用戶113或第五CR用戶114進行發送等等。CR用戶之間 的某些可能傳輸在圖Ia中被示為虛線。在CR系統中，檢測到一級用戶的主動傳輸的CR用戶可以不進行發送。然而，具有 波束形成的定向天線和/或天線陣列的使用可以限制傳輸對不直接參與發送或接收該傳 輸的設備的影響。具有波束形成的定向天線和/或天線陣列的使用可以為設備提供指引其 傳輸的能力。CR用戶中的定向傳輸能力可以允許它們利用空間頻譜孔(SSH)。CR用戶通過使用具有波束形成的定向天線和/或天線陣列和傳輸中繼器來指引其傳輸的能力，優選實 施例可以使得許可系統和CR系統能夠在沒有干擾的情況下更好地共存。在一級用戶不在進行發送的同時，SSH可以變得可用于CR用戶。圖Ib是示出由 一級用戶不進行發送得到的可用SSH的圖。例如，在第一一級用戶105不在向第三一級用 戶107 (被示為虛線120)進行發送且第二一級用戶106不在向第三一級用戶107 (被示為 虛線121)進行發送的同時，如果第三CR用戶112未檢測到第一一級用戶105與第二一級 用戶106之間的傳輸(被示為實線130)，則SSH可以變得可用于第三CR用戶112、第四CR 用戶113、和第五CR用戶114 (包括第三CR用戶112與第四CR用戶113之間的點劃線125 和第三CR用戶112與第五CR用戶114之間的點劃線126)。然而，由于第一一級用戶105 不在向第二一級用戶106進行發送，所以SSH可能不可用于第一 CR用戶110或第二 CR用 戶 111。同樣地，圖Ic是示出由不同的一級用戶不進行發送得到的可用SSH的圖。如圖Ic 所示，第一一級用戶105不在向第二一級用戶106或第三一級用戶107進行發送。然而，第 二一級用戶106正在向第三一級用戶107進行發送。因此，在SSH可能不可用于第三CR用 戶112的同時，如果CR用戶未檢測到在第二許可用戶106與第三許可用戶107之間進行的 傳輸(可能的傳輸被示為點劃線)，則SSH可以變得可用于第一 CR用戶110、第二 CR用戶 111、第四CR用戶113、和第五CR用戶114。圖2a是示出促進許可系統的一部分和CR系統中的通信的SSH的使用的圖。如圖 2a所示，兩個一級用戶(第一一級用戶205和第二一級用戶206)可以相互通信。同樣在相 同的總區域和譜帶中操作的可以是多個CR用戶。CR用戶可以采用定向發送(經由具有波 束形成的定向天線和/或天線陣列)和全向接收。為簡單起見，假設用于每個CR用戶的傳 輸方向是隨機的。然而，本實施例還可以應用于其中用于每個CR用戶的傳輸方向不是隨機 的情況，因此，不應將隨機傳輸方向的討論理解為限制本發明的范圍或精神。此外，如果一 級用戶采用定向傳輸，可以應用本實施例。如圖2a所示，多個CR用戶包括CR發送機‘CR TX，210、諸如CRR 215、CRR 216、 CRR 217、和CRR 218的許多CR中繼器‘CRR，，、一級CR接收機‘CR RX，220。一般而言，CR 用戶可以根據通信過程的要求以不同方式進行操作。CR用戶可以作為CR發送機、CR中繼 器、或CR接收機進行操作。例如，可以使CR用戶在一個通信過程中充當CR發送機，但隨后 在不同的通信過程中，該CR用戶可以充當CR中繼器或CR接收機。另外，CR用戶可以同時 充當CR發送機、CR中繼器、和/或CR接收機。CR TX 210可以具有意圖用于CR RX 220的傳輸。然而，CR TX 210的傳輸方向可 以不允許從CR TX 210到CR RX 220的直接傳輸。因此，不是不能與CR RX 220通信，而是 CR TX 210可以使用CR中繼器來充當中介并將對CR中繼器進行的傳輸中繼到CR RX220。 例如，CR TX 210可以將目的地是CR RX 220的消息發送到諸如CRR 215、CRR 216、和CRR 217的CR中繼器。由于CR中繼器的傳輸方向是隨機的，并且CR中繼器中的一個(例如，CR 217)可以取向使得其傳輸方向提供CR RX 220上的覆蓋。然后，CRR 217可以將該消息中 繼到 CR RX 220。為了使用CR用戶作為CR中繼器，CR用戶可能需要滿足多個要求。第一實施例是 沿CR用戶的傳輸方向的譜帶必須是空閑的，并且第二要求是CR接收機必須在CR用戶的覆蓋區內。如果允許中繼進行多次，則意圖在傳輸中繼中使用的CR中繼器必須在CR用戶的
覆蓋區內。CR中繼器在檢測到來自CR TX 210的傳輸時將能夠解碼到該傳輸意圖用于CR RX220。CR中繼器可以通過使用中繼器數據庫來知道哪些CR用戶能夠接收其傳輸，所述中 繼器數據庫提供關于哪些CR用戶能夠從哪些CR用戶接收傳輸的信息。因此，CRR 217將 能夠確定CR RX 220能夠接收其傳輸。然后，CRR 217可以將來自CR TX 210的傳輸中繼 (或轉送到)CR RX 220。CRR 218在CR TX 210的覆蓋區的外面，因此其不能接收來自CR TX 210的傳輸，雖然其能夠向CR RX 220進行發送。如上所述，來自諸如CR TX 210的CR發送機的傳輸可以直接從CR發送機或在其 一至少在諸如CRR 217的CR中繼器上被中繼之后到達諸如CR RX 220的CR接收機。雖然 傳輸的數據內容可能對于被直接發送或被中繼的傳輸而言是相同的，但傳輸的控制信息可 以是不同的。例如，對于直接發送的傳輸而言，控制數據可以包括被列為傳輸發起者的CR 發送機，而對于中繼的傳輸而言，控制數據可以包括被列為傳輸發起者的CR中繼器。如圖2a所示，從CR TX 210到CR RX 220的傳輸被單個CR中繼器中繼。可以使多 個CR中繼器將來自CR發送機的傳輸中繼到CR接收機。圖2b是示出促進許可系統的一部 分和CR系統中的通信的SSH的使用的圖，其中，可以在多個CR中繼器上對通信進行中繼。 可以由多于一個的CR中繼器來中繼從CR發送機到CR接收機、諸如從CR TX 210到CR RX 220的傳輸。例如，如果來自CR TX 210的意圖用于CR RX 220的傳輸被許多CR中繼器檢 測到，但沒有一個CR中繼器能夠將該傳輸直接中繼到CR RX 220，則諸如CRR 225的CR中 繼器可以確定其可以將該傳輸中繼到諸如CR 226的另一 CR中繼器，這可以導致傳輸變得 離CR RX 220更近。CRR 225將能夠通過訪問中繼數據庫來確定將該傳輸中繼到哪里。由于CRR 226還可能不能將該傳輸直接中繼到CR RX 220，則CRR 226也可以訪問 中繼數據庫以確定可以使該傳輸離CR RX 220更近的另一 CR中繼器。最后，該傳輸被中繼 到CRR 227，其可能夠將該傳輸直接中繼到CR RX 220。傳輸中繼的以上討論集中于充當CR發送機的單個CR用戶向充當CR接收機的另 一單個CR用戶進行發送。然而，多個CR用戶可以共享可用SSH，復用其傳輸。為了促進多 個CR用戶共享可用SSH，可以基于優先級將CR傳輸鏈路劃分成不同的等級。例如，被分類 為第一級(I)的傳輸可以具有高于被分類為第二級(II)的優先級且可以只需避免與許可 傳輸相干擾。而被分類為第二級(II)的傳輸可能需要避免與許可傳輸和第一級(I)傳輸 兩者相干擾。一般而言，與用于第一級(I)相比，可能存在用于第二級(II)傳輸的較少可 用SSH，因為對于第二級(II)傳輸而言，存在更多要避免的傳輸。等級的數目可以擴展至三 個(III)、四個(III)等等。等級和優先級的使用可以允許多個CR傳輸鏈路的同時使用，這 可以幫助進一步提高頻譜效率。圖3a是示出非常接近地操作的許可系統和CR系統的圖。許可系統包括第一一級 用戶305和第二一級用戶306，而CR系統包括多個CR用戶，諸如CR用戶310 317。根據 通信過程，每個CR用戶可以充當CR發送機、CR接收機、或CR中繼器。CR用戶可以利用定 向傳輸來幫助提高頻譜效率。或者，一級用戶和CR用戶兩者可以利用定向傳輸來幫助提高 效率。圖3b是示出諸如CR用戶310的CR用戶的圖。CR用戶310包括供在接收信號和發送信號時使用的接收機315和發送機317。根據配置，發送機/接收機(TX/RX)開關319 可以允許接收機315和發送機317共享天線。或者，接收機315和發送機317可以具有專 用接收和發送天線。CR用戶310還包括可以用于處理接收信號的接收機處理硬件321，所述處理包括 濾波、解碼、檢錯和糾錯、放大、數字化、混合等等。CR用戶310還包括可用于處理要發送的 信號的發送機處理硬件323，包括濾波、編碼、混合、放大等等。可以將諸如數據的接收機處 理硬件321的輸出提供給處理器325。處理器325可以用來使用接收機處理硬件321的輸 出執行計算。可以使用存儲器327來存儲數據、應用程序、程序、配置信息等等。圖3c是示出處理器325和存儲器327的詳圖的圖。處理器325包括頻譜感測單元 340。頻譜感測單元340可以用來感測指定譜帶內的接收能量。然后，根據該接收能量，可 以確定是否正在進行傳輸。頻譜感測單元340可以通過對接收信號進行濾波來感測接收能 量以幫助消除或減少在指定譜帶外面的信號，測量在指定譜帶內的接收能量，累積接收能 量達指定的時間量，并隨后基于該累積接收能量來判定在指定譜帶中是否正在進行傳輸。處理器325還包括消息中繼單元342。消息中繼單元342可以檢測接收到的傳輸 以確定接收到的傳輸的預定目的地。消息中繼單元342可以訪問存儲在存儲器327中的中 繼數據庫348以確定接收到的傳輸的預定目的地是否是由CR用戶310進行的傳輸可到達 的。如果所述預定目的地是不可到達的，則消息中繼單元342可能丟棄接收到的傳輸。如 果所述預定目的地是可到達的，則消息中繼單元342可以將接收到的傳輸提供給發送機處 理硬件323，以便可以中繼接收到的傳輸。處理器325還包括中繼數據庫發送器344。中繼數據庫發送器344可以用來生成 中繼數據348。例如，中繼數據發送器344可以周期性地促使CR用戶310發送特殊消息， 該特殊消息請求該特殊消息(諸如響應請求消息)的所有接收機進行響應。然后，中繼數 據庫發送器344可以將用于每個應答者的識別信息保存在中繼數據庫348中。如果將使用 多個傳輸中繼步驟，則中繼數據庫發送器344可以向應答者發送請求它們CR 310提供其中 繼數據庫的另一消息(諸如中繼數據庫請求消息)。中繼數據庫發送器344可以對與在CR 系統中許可的一樣多的水平的傳輸中繼重復發送中繼數據庫請求消息。中繼數據庫發送器344可以被配置為周期性地生成中繼數據庫348。或者，中繼數 據庫發送器344可以在性能度量達到指定閾值時生成中繼數據庫348。例如，如果測量未送 出傳輸的度量達到指定閾值、傳輸等待時間、傳輸失敗等，則中繼數據庫發生器344可以發 起中繼數據庫348的生成。處理器325還包括傳輸分類單元346。傳輸分類單元346可以用來基于傳輸的分 類來控制傳輸。例如，如果譜帶已被具有表示較高優先級的等級的傳輸使用，則可以不允許 傳輸發生。然而，如果譜帶正在被具有表示較低優先級的等級的傳輸識別，則可以允許該傳 輸發生。許可傳輸具有最高優先級，而由CR用戶進行的傳輸可以具有一定范圍的優先級， 全部低于許可傳輸的優先級。對傳輸賦予等級可以允許更好地利用譜帶，提供較高的頻譜 效率。圖4是示出在CR發送機處發送信息的事件序列400的流程圖。事件序列400可 以描述每當CR發送機具有要發送的信息時在CR發送機處發生的事件。CR發送機處的信息 的發送可以從諸如CR TX 210的CR發送機確定用于其傳輸的諸如CR 220的CR接收機開始(方框405)。在確定CR接收機之后，CR發送機可以確定譜帶的可用性(方框410)。CR 發送機可以通過檢驗所建立的譜帶使用限制(例如，可容許傳輸次數、容許傳輸等級、容許 CR用戶等等)來確定譜帶可用性，或者，CR發送機可以感測用于傳輸的譜帶。如果譜帶是空閑的，即譜帶未被用于傳輸(方框415)，則CR發送機可以檢查CR接 收機是否在CR發送機的覆蓋區內(方框420)。如果CR接收機在CR發送機的覆蓋區內，則 CR發送機可以直接向CR接收機進行發送(方框425)。如果CR接收機不在CR發送機的覆 蓋區內，則CR發送機仍將能夠向CR接收機進行發送，然而，CR發送機可能需要向CR中繼 器進行發送，該CR中繼器可以隨后將該傳輸中繼到CR接收機(方框430)。在CR發送機向 CR接收機(方框425)或CR中繼器(方框430)進行發送之后，CR發送機處的信息的發送 可以終止。如果譜帶不是空閑的(方框415)，則CR發送機可以改變其傳輸方向。如果CR發 送機能夠改變傳輸方向(方框435)，則可以調整CR發送機的傳輸方向(方框440)。例如， 可以通過變成不同的定向天線來調整傳輸方向，或者天線陣列可以使用不同組的波束形成 系數。在已經調整CR發送機的傳輸方向之后，可以通過返回到方框410以確定頻譜可用性 來重試信息的發送。如果使用傳輸等級來允許多個CR用戶共享可用SSH，則譜帶可以不是空閑的(方 框415)，但是如果譜帶上的傳輸具有比CR發送機試圖發送的傳輸低的傳輸等級，則已在該 譜帶上的傳輸可能被CR發送機預先占有。如果情況是這樣，則CR發送機可以進行檢查以 確定CR接收機是否在CR發送機的覆蓋區內(方框420)。如果CR接收機在CR發送機的覆 蓋區內，則CR發送機可以直接向CR接收機進行發送(方框425)。如果CR接收機不在CR 發送機的覆蓋區內，則CR發送機仍將能夠向CR接收機進行發送，然而，CR發送機可能需要 向CR中繼器進行發送，該CR中繼器可以隨后將該傳輸中繼到CR接收機(方框430)。如果 CR發送機正在向CR中繼器而不是CR接收機進行發送，則使用中繼器的傳輸的控制信息可 以不同于直接發送的傳輸的控制信息，但是數據內容可以保持不變。在CR發送機向CR接 收機(方框425)或CR中繼器(方框430)進行發送之后，CR發送機處的信息的發送可以 終止。如果可以不調整CR發送機的傳輸方向，或者如果已經嘗試了所有可能的傳輸方 向，則傳輸可能是不可能的(方框445)。譜帶的忙碌狀態可以是暫時的且可以使傳輸排隊， 以便可以在稍后再次嘗試該傳輸。或者，如果傳輸是時間緊急的，則傳輸可能不能等待稍后 的時間，因此可以丟棄傳輸并通知CR發送機。在任一種情況下，信息的發送可以終止。圖5是示出在CR中繼器處的中繼信息的事件序列500的流程圖。事件序列500 可以描述每當CR中繼器感測到傳輸時在CR中繼器處發生的事件。CR中繼器處的信息的 中繼可以從諸如CRR 217的CR中繼器感測到用于傳輸的諸如CR RX 220的CR接收機開始 (方框505)。在感測到CR接收機之后，CR中繼器可以確定是否能夠將信息中繼到CR接收 機(方框507)。CR中繼器可以通過訪問中繼數據庫來確定是否能夠將信息中繼到CR接收 機。如果CR接收機在中繼數據庫中，或者可以將傳輸中繼到CR接收機的另一 CR中繼器在 中繼數據庫中，則CR中繼器將能夠將信息中繼到CR接收機。如果CR中繼器不能將信息中 繼到CR接收機，則CR中繼器處的信息的中繼可以終止。如果CR中繼器能夠將信息中繼到CR接收機，則CR中繼器可以確定譜帶的可用性(方框510)。CR中繼器可以通過檢驗所建立的譜帶使用限制來確定譜帶可用性，或者CR中 繼器可以感測用于傳輸的譜帶。如果譜帶是空閑的，即譜帶未被用于傳輸(方框515)，則CR中繼器可以檢查CR 接收機是否在CR中繼器的覆蓋區內(方框520)。CR中繼器可以通過訪問其中繼數據庫來 這樣做。如果CR接收機在CR中繼器的覆蓋區內，則CR中繼器可以直接向CR接收機進行 發送(方框525)。如果CR接收機不在CR發送機的覆蓋區內，則CR中繼器仍將能夠向CR 接收機進行發送，然而，CR中繼器可能需要向中間CR中繼器進行發送，該CR中繼器可以隨 后將該傳輸中繼到CR接收機(方框530)。如果CR中繼器正在向中間CR中繼器而不是CR 接收機進行發送，則到中間CR中繼器的傳輸的控制信息可以不同于直接發送的傳輸的控 制信息，但是數據內容可以保持不變。在CR中繼器向CR接收機(方框525)或CR中繼器 (方框530)進行發送之后，CR中繼器處的信息的中繼可以終止。如果譜帶不是空閑的(方框515)，則CR中繼器可以改變其傳輸方向。如果CR中 繼器能夠改變傳輸方向(方框535)，則可以調整CR中繼器的傳輸方向(方框540)。例如， 可以通過變成不同的定向天線來調整傳輸方向，或者天線陣列可以使用不同組的波束形成 系數。在已經調整CR中繼器的傳輸方向之后，可以通過返回到方框510以確定頻譜可用性 來重試信息的中繼。如前所述，如果使用傳輸等級來允許多個CR用戶共享可用SSH，則譜帶可以不是 空閑的(方框415)，但是如果譜帶上的傳輸具有比CR中繼器試圖中繼的傳輸低的傳輸等 級，則已在譜帶上的傳輸可以被CR中繼器預先占有。如果可以不調整CR中繼器的傳輸方向，或者如果已經嘗試了所有可能的傳輸方 向，則傳輸可能是不可能的(方框545)。譜帶的忙碌狀態可以是暫時的且可以使傳輸排隊， 以便可以在稍后再一次嘗試該傳輸。或者，如果傳輸是時間緊急的，則傳輸可能不能等待稍 后的時間，因此可以丟棄該傳輸且可以通知發起該傳輸的CR中繼器和CR發送機。在任一 種情況下，信息的中繼可以終止。圖6a是示出中繼數據庫的生成中的事件序列600的流程圖。中繼數據庫的生成 可以在CR用戶中進行且可以周期性地發生或者在諸如度量滿足或超過指定值等指定事件 時發生。中繼數據庫的生成可以從消息的傳輸開始，諸如由CR用戶生成中繼數據庫的響應 請求消息(方框605)。然后，CR用戶可以等待對該消息的響應。當CR用戶接收到響應時 (方框607)，CR用戶可以將關于響應的發起者的識別信息添加到中繼數據庫(方框609)。 在CR用戶已用關于應答者的信息更新中繼數據庫之后，CR用戶可以檢查以確定用于響應 的指定等待時間是否已截止(方框611)。如果指定的等待時間未截止，則CR用戶可以返回 到方框607以獲得附加響應。如果指定的等待時間已截止，則中繼數據庫的生成可以終止。圖6b示出中繼數據庫的生成中的事件序列650的流程圖，其中，傳輸可以被中繼 到目的地多次。中繼數據庫的生成可以在CR用戶中進行且可以周期性地發生或者在諸如 度量滿足或超過指定值等指定事件時發生。中繼數據庫的生成可以從將計數器初始化為等 于可以對傳輸進行中繼的最大許可次數開始(方框655)。中繼數據庫的生成可以繼續消 息的傳輸，諸如由CR用戶生成中繼數據庫的響應請求消息(方框657)。然后，CR用戶可以 等待對該消息的響應。當CR用戶接收到響應時(方框659)，CR用戶可以將關于響應的發 起者的識別信息添加到中繼數據庫(方框661)。在CR用戶已用關于應答者的信息更新中繼數據庫之后，CR用戶可以檢查以確定用于響應的指定等待時間是否已截止(方框663)。 如果指定的等待時間未截止，則CR用戶可以返回到方框659以獲得附加響應。如果指定等待時間已截止，則CR用戶可以向中繼數據庫中所列的CR用戶發送第 二消息(方框665)。第二消息可以是請求CR用戶將其中繼數據庫發送到第二消息的源。 然后，CR用戶可以等待對第二消息的響應。當CR用戶接收到響應時(方框667)，CR用戶 可以將接收到的中繼數據庫的內容添加到其自己的中繼數據庫(方框669)。在CR用戶已 用關于接收到的中繼數據庫的信息更新中繼數據庫之后，CR用戶可以檢查以確定用于響應 的指定等待時間是否已截止(方框671)。如果指定的等待時間未截止，則CR用戶可以返回 到方框659以獲得附加響應。如果指定等待時間已截止，則CR用戶可以進行檢查以確定計數器是否等于零(方 框673)。如果計數器等于零，則CR用戶已遠離其本身穿過與可以對傳輸進行中繼的許可次 數一樣多的傳輸跳躍。如果計數器不等于零(方框673)，則可以使計數器遞減且中繼數據 庫的生成可以返回到方框665并重復第二消息到中繼數據庫的成員的傳輸。如果計數器等 于零，則中繼數據庫已被更新且中繼數據庫的生成可以終止。在替換實施例中，CR用戶可以發送請求來自所有接收者的響應的消息。當接收CR 用戶接收到該消息時，接收CR用戶可以向該CR用戶返回響應。另外，接收CR用戶可以發送 請求來自所有接收者的其自己的消息。然后，當接收CR用戶接收到來自其消息的響應時， 接收CR用戶可以將該響應提供給CR用戶。該消息可以包括計算距離CR用戶的跳躍數目 的計數器。當計數器等于可以對傳輸進行中繼的許可次數時，消息的傳輸可以停止。在以下段落中，將分析從CR發送機到CR接收機的瞬時成功通信概率(SCP)。然 后，將研究多個連續時隙內的SCP。并且，將考慮由CR系統中的多個CR發送機進行的復用 傳輸。為簡單起見，在本節中自始至終采取理想的頻譜感測和數據傳輸。在這里，將討論的焦點放在具有定向天線的CR發送機。然而，該討論可以很容易 地應用于具有帶有波束形成的天線陣列的CR發送機。因此，不應將定向天線的討論理解為 限制實施例的范圍或精神。使定向天線的孔徑以度為單位表示為θ，并且歸一化天線孔徑表示為7 = ^^假
設在某個區域中存在L個一級用戶和N個CR用戶，其位置是在該給定區域中具有均勻分布 的獨立隨機變量。對于直接傳輸而言(沒有傳輸中繼的直接從CR發送機到CR接收機的傳輸)對 于CR發送機而言頻譜感測結果是空閑的概率可表示為 Pcr transfflitter, idle = (1-λ)L·(2)同時，CR接收機落在CR發送機的覆蓋區中的概率是Y。因此，CR發送機與CR接 收機之間的一跳傳輸(直接傳輸)的概率可表示為P1 = Y (l-y)L. (3)對于兩跳傳輸而言(具有單個中間CR中繼器的從CR發送機到CR接收機的傳輸) 當考慮CR發送機與CR接收機之間的兩跳通信時，需要選擇CR中繼器來對傳輸進行中繼。 假設在CR發送機的覆蓋區中存在η個CR用戶。由于η是具有二項式分布的隨機變量，所 以其概率質量函數(PMF)可表示為
權利要求
1.一種用于由發送機向接收機發送信息的方法，所述發送機具有定向天線，該方法包括(1)將所述定向天線設置為第一傳輸方向；(2)確定沿所述第一傳輸方向的譜帶的狀態；(3)響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述發送機的覆蓋區內沿所述 第一傳輸方向向所述接收機發送所述信息；以及(4)響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述發送機的所述覆蓋區之外 沿所述第一傳輸方向向第一中繼器發送所述信息。
2.如權利要求1所述的方法，還包括，響應于確定所述譜帶狀態是忙碌的(5)響應于確定所述定向天線的一組未測試傳輸方向不是空閑的，(6)從所述一組未測試傳輸方向中選擇未測試傳輸方向，(7)確定沿所述未測試傳輸方向的所述譜帶的所述狀態，(8)響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述發送機的覆蓋區內沿所述 未測試傳輸方向向所述接收機發送所述信息；以及(9)響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述發送機的所述覆蓋區之外 沿所述未測試傳輸方向向第二中繼器發送所述信息；以及(10)響應于確定所述一組未測試傳輸方向是空閑的，(11)將所述信息緩存。
3.如權利要求1所述的方法，還包括響應于確定沿所述未測試傳輸方向的所述譜帶狀 態是忙碌的，(12)重復所述元素(5)和(10)。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述定向天線是天線陣列，并且其中，所述設置所 述定向天線包括指定一組天線系數。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述設置所述定向天線包括選擇多個定向天線中 的一個。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述確定所述接收機在覆蓋區內包括確定所述接 收機在數據庫中被列為在所述覆蓋區內。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一中繼器在數據庫中被列為能夠向所述接 收機中繼所述信息。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一中繼器在所述數據庫中被列為能夠向第 三中繼器中繼所述信息，所述第三中繼器能夠向所述接收機中繼所述信息。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述確定所述譜帶的所述狀態包括檢驗譜帶使用 限制。
10.如權利要求1所述的方法，其中，所述確定所述譜帶的所述狀態包括 對接收到的信號進行濾波以使在所述譜帶外面的信號衰減；測量在所述譜帶內的所述已濾波接收信號的接收能量；累積所述測量的接收能量達一定的時間間隔；以及基于所述累積的接收能量與閾值的比較來判定所述譜帶的所述狀態。
11.如權利要求1所述的方法，其中，包含所述信息的傳輸被分配優先等級k，并且其中，所述確定所述譜帶的所述狀態包括響應于確定不在進行主動傳輸而確定所述譜帶的所述狀態是空閑的； 響應于確定正在進行主動傳輸而確定所述譜帶的所述狀態是空閑的，所述主動傳輸具 有優先等級j，其中，優先等級j在優先級方面低于優先等級k ；以及響應于確定正在進行主動傳輸而確定所述譜帶的所述狀態是忙碌的，所述主動傳輸具 有優先等級i，其中，優先等級i在優先級方面大于或等于優先等級k。
12.如權利要求1所述的方法，其中，所述沿所述第一傳輸方向向所述第一中繼器發送 所述信息包括使用多跳傳輸來向所述接收機發送所述信息。
13.一種用于用具有定向天線的通信中繼器來對傳輸進行中繼的方法，該方法包括 根據所述傳輸來確定接收機；響應于確定所述通信中繼器能夠將所述傳輸中繼到所述接收機， 將所述定向天線設置為第一傳輸方向， 確定沿所述第一傳輸方向的譜帶可用性，響應于確定所述譜帶是空閑的且所述接收機位于所述通信中繼器的覆蓋區內將相應 的傳輸直接中繼到所述接收機，以及響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述通信中繼器的所述覆蓋區之 外將所述相應的傳輸發送到第二通信中繼器；以及響應于確定所述通信中繼器不能將所述傳輸中繼到所述接收機而丟棄所述傳輸。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述相應的傳輸包括本質上與所述傳輸中所包 含的信息相同但具有不同的控制信息的信息。
15.如權利要求13所述的方法，其中，所述確定接收機包括對所述傳輸進行解碼。
16.權利要求13的方法，還包括，響應于確定所述譜帶狀態是忙碌的 響應于確定所述定向天線的一組未測試傳輸方向不是空閑的，從所述一組未測試傳輸方向中選擇未測試傳輸方向， 確定沿所述未測試傳輸方向的譜帶可用性，響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述通信中繼器的覆蓋區內沿所 述未測試傳輸方向將所述相應的傳輸中繼到所述接收機，以及響應于確定所述譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述通信中繼器的所述覆蓋區之 外沿所述未測試傳輸方向將所述相應的傳輸中繼到第三通信中繼器；響應于確定所述一組未測試傳輸方向是空閑的，將所述傳輸緩存；以及 響應于確定沿所述未測試傳輸方向的所述譜帶是忙碌的，重復所述對確定所述定向天 線的一組未測試方向不是空閑的響應和所述對確定所述一組未測試傳輸方向是空閑的響 應。
17.如權利要求13所述的方法，其中，所述確定所述通信中繼器不能將所述傳輸中繼 到所述接收機包括確定所述接收機未被列在所述中繼器能夠向其進行傳輸的接收機的數 據庫中。
18.權利要求13的方法，其中，所述確定所述通信中繼器不能將所述傳輸中繼到所述 接收機還包括確定第四通信中繼器未被列在所述數據庫中，其中，所述第四通信中繼器能 夠將所述傳輸中繼到所述接收機。
19. 一種通信節點，包括耦合到天線的接收機，所述接收機被配置為接收所述天線所檢測的信號；耦合到定向天線的發送機，所述發送機被配置為使用所述定向天線來定向地發送信 號；以及耦合到所述接收機和所述發送機的處理器，所述處理器被配置為感測在其上面發送 和接收信號的譜帶的狀態，將接收到的傳輸中繼到所述接收到的傳輸的預定接收機或能夠 將所述接收到的傳輸中繼到所述預定接收機的中繼節點，并生成包含傳輸中繼信息的數據庫。
20.如權利要求19所述的通信節點，其中，所述處理器包括頻譜感測單元，其被配置為感測所述譜帶的狀態；耦合到所述譜帶感測單元的消息中繼單元，所述消息中繼單元被配置為通過訪問所述 數據庫來確定所述預定接收機是否在所述發送機的定向傳輸的覆蓋區內，并通過訪問所述 數據庫在所述預定接收機在所述覆蓋區之外的情況下選擇中繼節點；以及耦合到所述消息中繼單元的數據庫發生器，所述數據庫發生器被配置為基于對由所述 通信節點發送的消息的響應來生成所述數據庫，所述數據庫是基于所述發送機的定向傳輸 布置的。
21.如權利要求19所述的通信節點，還包括耦合到所述消息中繼單元的傳輸分類單 元，所述傳輸分類單元被配置為向由所述發送機進行的傳輸分配等級，并基于分配給所述 傳輸的所述等級來確定所述譜帶的所述狀態。
22.如權利要求19所述的通信節點，其中，所述通信節點接近于針對由所述通信節點 進行的傳輸具有傳輸優先級的通信系統進行操作，所述通信節點還被配置為定向地向接收 機發送信息以減少對所述通信系統的傳輸造成的干擾。
23.如權利要求19所述的通信節點，其中，所述通信系統是許可通信系統，并且所述通 信節點是認知無線電節點。
全文摘要
一種用于利用無線資源的時間/頻譜/位置中的空間頻譜孔(SSH)的系統和方法。一種方法包括將定向天線設置為第一傳輸方向，確定沿該第一傳輸方向的譜帶狀態，響應于確定該譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述發送機的覆蓋區內沿第一傳輸方向向所述接收機發送信息，并響應于確定該譜帶狀態是空閑的且所述接收機在所述發送機的覆蓋區之外沿第一傳輸方向向第一中繼器發送信息。
文檔編號H04B7/10GK102007709SQ200980120457
公開日2011年4月6日 申請日期2009年2月16日 優先權日2008年6月30日
發明者周向煒, 安東尼·宋, 楊宏·孔 申請人:華為技術有限公司