在认知无线电网络中检测未用频带的方法

摘要

本发明提供了一种在认知无线电网络中检测未用频带的方法。利用包括连接到接收RF链的多个单元的天线矩阵来感知RF信号的多个频带，其中所述多个单元可单独进行控制。针对每个频带，利用所述天线矩阵来感知所述RF信号的多个空间方向。如果针对特定频带在特定空间方向上没有感知到所述RF信号，则将所述特定频带和所述特定方向以及特定时隙指定为在认知无线电装置内发射RF信号的可用频带、可用方向和特定时隙，其中通过连接到所述天线矩阵的发射链来发射所述RF信号。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及认知无线电(CR)通信系统中的频谱感知技术，更 具体地涉及具有天线矩阵的CR装置。

背景技术

在认知无线电技术中，次要(secondary)用户(CR收发器)动态地改变 发射和接收参数，使得它们的信号不会干扰主要(primary)用户(PU收发器) 的信号。常规上来讲，认知无线电要考虑无线电频谱利用率、用户行为 和网络状况。IEEE802.15、IEEE802.19和IEEE802.22标准中考虑了认 知无线电。常规上来讲，认知无线电技术通过仅定期地扫描频域来进行 一维频谱感知从而查找未用频带(“频谱空洞”)。之后可将所述未用频带 用于CR来发射不与PU信号产生干扰的信号。

为了获得精确结果，CR采用持续时间T_S(f)来感知频带f处的频谱。 可通过直接测量PU信号的功率来进行感知(基于功率的感知)，或者通过 对PU发射的信号的统计进行分析来进行感知(智能感知)。

频谱感知可分为本地感知(local sensing)和协同感知(cooperative sensing)。本地感知由单个CR来执行。协同感知由共享结果的多个CR 来执行。本地感知的性能由于屏蔽和衰减而无法达到最佳。因此，由于 单个CR不能检测到可接收干扰信号的所有PU的存在，所以可能存在“隐 藏”PU。此外，通过协同可以更好地查找大量未用频带。

在协同频谱感知中，关联CR可交换本地感知结果，从而认知网络 可获得未用频带的精确估测，或者甚至可获得PU的位置。

发明内容

本发明的实施方式提供了对于认知无线电(CR)中的RF频谱的时空 谱(space-time-spectrum)感知。所述CR配备有天线矩阵。如此处定义地， 天线矩阵包括多个天线单元。可以对这些天线单元进行单独控制。所述 天线矩阵可用于在频率、时间和空间域内扫描RF频谱从而检测未用频 带。

附图说明

图1A是采用本发明实施方式的认知无线电网络的示意图；

图1B是根据本发明实施方式的认知无线电装置的框图；

图2是根据本发明实施方式的波束成形的示意图；

图3A是根据本发明实施方式的波束成形矢量的图；

图3B是与图3A的矢量相对应的天线矩阵的能量图；而

图4是根据本发明实施方式的时空频率感知的图。

具体实施方式

CR网络

图1A示出了本发明实施方式所工作的无线电网络。任务是要检测未 用频带(图4中的“频谱空洞”401)。之后可将所述未用频带指定为认知 无线电装置的可用频带。

更具体地来讲，我们希望利用配备有天线矩阵的认知无线电装置来 检测未用频带。如此处所定义地，天线矩阵包括可在空间、时间和频率 维度上进行单独控制的多个天线单元。

网络包括主要用户(PU)网络104和PU收发器103以及次要用户 (CR)101～102。PU和CR被放置为使得它们的信号可彼此干扰。如图所 示，通信链不必是直接传播(即，瞄准线(LOS)连接)的形式。本发明实施 方式可应用于任何散射/衰减环境。

如图1A中所示，希望两个CR(CR1 101和CR2 102)彼此通信。CR1 为接入点(AP)而CR2为移动台(MS)。应该理解，根据本发明的实施方式， 其他类型的CR收发器也可彼此通信。

PU经由已用频带f₁来发射和接收RF信号。CR检测未用频带f₂。 之后将PU未用的频带指定给所述次用户。频带f₂不会与频带f₁产生干 扰。

CR收发器

图1B示出了根据本发明实施方式的认知无线电装置(CR)150。CR 包括天线矩阵152，天线矩阵152直接或经由交换机154连接到一个或更 多个发射RF链(chain)156和接收RF链158，发射RF链156和接收RF 链158分别连接到发射单元157和接收单元159，并分别根据发射波束成 形矩阵(TxBF)161和接收波束成形矩阵(RxBF)162而工作。控制器170对 此处描述的各个元件的整体工作进行控制。

天线矩阵152包括多个天线单元151，控制器170可经由所述RF链 对多个天线单元151进行单独控制。取决于RF链与天线矩阵之间的连接， 天线单元可发射、接收或者同时进行收发。如此处所述，由天线单元发 射的无线电信号可在空间、时间和频率上变化。

利用波束成形矩阵161～162，天线矩阵可被“导向”特定的空间方 向。通过对各个天线单元151上的RF信号在空间域内进行时移或在频域 内进行相移来实现所述导向。这被称为波束成形。

信道模型

矩阵H_kj^(CR)(f)表示频率f处从CRk到CRj的CR信道状态信息(CSI)矩 阵。矢量h_{k_n}^(ifi)(f)表示频率f处在CRk上检测到的来自标号为n的特定PU 的第n个干扰信道矢量。在从一个PU发射多个干扰信号的情况下，每个 信号都充当一个虚拟PU。因此，信道矢量h_{k_n}^(ifi)(f)仍然适用。我们用N_{T_k}和 N_{R_k}来表示CRk处天线矩阵152的发射和接收天线单元的数量，并且 N_{T_k}＝N_{R_k}＝N_k，k。

在所述CR中，经由RF链158的频谱感知和经由RF链156的数据 发射可按照时分方式来进行，即，另选的是，可在时域内或者在频域内 以协作方式由不同的CR来感知未用频带。可利用媒体访问控制(MAC) 层在频域内对结果进行格式化和分布。

令N_{S_k}表示在时分感知情况(scenario)下CRk处天线单元的数量，其 中N_{S_k}＝N_k。下面描述对由不同CR(其中可能N_{S_k}≠N_k)进行的检测。

因此，矩阵H_kj^(CR)(f)是N_j×N_k维的，而矢量h_{k_n}^(ifi)(f)是N_k×1维的。通过 这些设定，CRk在频率f处检测到的来自PU的第n个感知信号矢量为：

$y_{k\_n}^{\left(\mathrm{ifi}\right)}\left(f\right)=h_{k\_n}^{\left(\mathrm{ifi}\right)}\left(f\right)x_n^{\left(\mathrm{ifi}\right)}\left(f\right)+v_k\left(f\right),---\left(1\right)$

其中，x_n^(ifi)(f)是由第n个PU在频率f下发射的信号，而矢量v_k(f)表 示CRk处的附加噪声。

频率f处的CR通信链路可表示如下：

$y_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)}\left(f\right)=H_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)}\left(f\right)T_k\left(f\right)x_k+v_j\left(f\right),---\left(2\right)$

其中，x_k(f)从CRk发射来的L_k×1矢量，其中L_k≤min(N_k，N_j)，T_k(f) 是CRk处的N_k×L_k发射波束成形矩阵。

接收器可以在信号检测之前应用RxBF矩阵162。这可表示如下：

$s_{\mathrm{kj}}\left(f\right)=R_j{\left(f\right)}^H{y}_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)}\left(f\right)$

$=R_j{\left(f\right)}^H[H_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)}\left(f\right)T_k\left(f\right)x_k\left(f\right)+v_j\left(f\right)]---\left(\mathrm{3.1,3.2,3.3}\right)$

$=H_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)\prime }\left(f\right)T_k\left(f\right)x_k\left(f\right)+v_j^{\prime }\left(f\right),$

其中，R_j(f)是N_j×L_jRxBF矩阵162，(.)^H代表矩阵共轭转置(conjugate transpose)，$H_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)\prime }=R_j{\left(f\right)}^H{H}_{\mathrm{kj}}^{\left(\mathrm{CR}\right)},$噪声矢量v′_j(f)＝R_j(f)^Hv_j(f)，而s_kj(f)是L_j×1相 等接收矢量。注意到，除了经修正的信道矩阵和噪声矢量的细节以外， 等式(3)大体与等式(2)类似。为了准确地还原x_k(f)中的发射数据，要求 L_j≥L_k。

波束成形

图2示出了散射/衰减信道中的发射和接收波束成形(TxBF和RxBF)。 圆圈201和202分别表示信号能够散射到的CR1和CR2周围的区域。

在二维波束成形的情况下，L_k＝L_j＝2。在频率f下，由路径203和204 来表示(彼此正交或无干扰)的最强群间路径。发射器和/或接收器可选择 与这两条路径相对应地形成它们的波束，其中t_{k_i}(f)和r_{k_i}(f)分别表示CRk 处的第i个发射和接收波束成形矢量。

因此，TxBF矩阵161和RxBF矩阵162可表示成： $T_k\left(f\right)=[t_{k\_1}\left(f\right)t_{k\_2}\left(f\right)...t_{k\_L_k}\left(f\right)],$和$R_j\left(f\right)=[r_{j\_1}\left(f\right)r_{j\_2}\left(f\right)...r_{j\_L_j}\left(f\right)]·$(4.1，4.2)

应该理解，可采用任何类型的波束成形。这包括其中多个CR工作 在相同频率f下的情况，以及其中在每个CR处TxBF和RxBF既用于多 用户也用于多流干扰降低的情况。

时空频率RF频谱感知

在现有技术中，一维本地频率感知并不考虑空间方向。这相当于通 过随即方向接收天线矩阵或固定RxBF矩阵来进行感知。

在根据本发明实施方式的RF频谱感知的时空频率感知中，在天线矩 阵152的输入端处应用可调N_k×1 RxBF矢量b_k(f)。矢量b_k(f)利用预定的 “扫除路线(sweeping route)”在不同频带上随时间而改变。对于不同的应 用，指定给矢量b_k(f)的值可能不同。

如图3A中所示，当需要高空间感知分辨率时，可根据方位和高度角 (θ，)在特定空间方向上确定(aim)矢量b_k(f)310。图3B示出了等效天线方 向图。在该实施例中，所有的天线单元都是全向的。在这种情况下，波 束成形矢量b可表示如下：

其中，β()是对应于的函数，而Δ_k是相邻天线单元之间的间距。 注意到，可改变等式(5)中的矢量b_k(f)，以提供针对天线矩阵的任何空间 设置以及各天线单元的任何图案。

如图3B中所示，等效天线图案的相对窄的主瓣(main lobe)301可导 致大量要感知的量化空间方向。矢量b_k(f)的其他值可引起较宽的主瓣(其 对应于较低感知分辨率和少量要感知的量化空间方向)。

这种时空频率频谱感知定期地调节矢量b_k(f)，从而在不同空间方向 上感知不同的频带。这些方向对应于等效天线图的主瓣301的不同空间 方向。例如，假设由一组ψ_k(f)来收集在频带f内CRk处所感知的PU信 号。之后，在等式(5)的方向天线矩阵设置的情况下，频率f和方向(θ，) 下的感知输出可表示如下：

$=b_k{\left(f\right)}^H\underset{n\in {\psi }_k\left(f\right)}{\Sigma }(h_{k\_n}^{\left(\mathrm{ifi}\right)}\left(f\right)x_n^{\left(\mathrm{ifi}\right)}\left(f\right)+v_k\left(f\right))\prime ---\left(6\right)$

其中，a_k(f，θ，)是时变值。

通过在时间段T_s(f)内进行感知，CR可通过基于功率或其他智能方法 来进行常规的频谱感知。也就是说，时变变量a_k(f，θ，)的行为与常规CR 的观测相同而不考虑空间参数。此外，空间感知是基于波束成形矢量 b(f)310或等效天线图301内的值来进行的。

之后，如图4中所示，CR形成可用空间频谱空洞401的“位置图 (map)”，并通过收集当前感知结果将其存储在时变组Γ_k(f)内。图4示出 了针对三个频带f₁，f₂和f₃的空间频谱感知的例子(其中空间沿纵轴，频 率沿横轴，而时间与其它两个轴正交)。未用频带为“空洞”401。空间和 频率平面内的其余区域402可能由CR感知的PU信号所使用。在图4中， 所有三个频带都部分地由一些PU占用。

在像现有技术中那样不进行空间感知的情况下(例如仅利用一个全 向天线)，CR有可能无法查找出任何频谱空洞。而且，利用像现有技术 中的固定定向天线(例如在区域403中)，只能检测到很少的频谱空洞。因 此，与常规的一维CR感知方法相比，根据本发明实施方式的时空频率 RF频谱感知可以查找出更多的可用频谱空洞。

通过在更小的频带上进行感知可查找出另外的频谱空洞。这可以例 如通过如下方式来实现：在各感知相位上对CR的整个可达带宽的一部分 进行感知，之后利用不同的感知相位来感知整个频带的不同部分。因此， RF频谱的时空频率感知确实延长了感知时间。减小频率感知带宽也可以 简化硬件设计。

在采用CRk处N_k个天线单元151的天线矩阵152的RF频谱的时空 频率感知的情况下，CR 150可根据下式同时形成N_k个正交波束：

$B_k\left(f\right)=[b_{k\_1}\left(f\right),b_{k\_2}\left(f\right),···,b_{k\_N_k}\left(f\right)],---\left(7\right)$

其中，两个矢量的内积<b_{k_m}(f)，b_{k_n}(f)>＝0，m≠n，并且波束成形矩阵 B_k(f)为N_k×N_k正交矩阵。之后，可以按照等式(6)的形式直接应用RxBF 矩阵B_k(f)162来得到N_k个感知统计值。这就减少了因子N_k的感知所需 的时间。

协作CR可交换感知结果，从而能够在未用频带上进行通信。如果 Γ_k(f)≠Φ，则CRk报告未用频率f。

利用波束成形的RF频谱的时空频率感知

时空频率感知可以与TxBF 161和/或RxBF 162进行组合。如上所述， 在没有感知的情况下，发射器和接收器可在所有可能的空间方向上，根 据当前信道状态查找到最佳波束成形导向矢量/矩阵。

下面对时空频率感知和波束成形的基本理念进行说明。

CRk在频率f下向CRj进行发射，即，Γ_k(f)≠Φ，Γ_j(f)≠Φ。因此， TxBF 161中的矢量T_k(f)是在检测到的未用频带Γ_k(f)中选择的。另外，CR 接收器j不会观测到来自PU的任何干扰。因此，直接应用等式(3)中的 RxBF 162，其中RxBF矢量R_j(f)是在检测到的未用频带Γ_j(f)中选择的。

如果当$T_k\left(f\right)=\alpha [b_{k\_1}\left(f\right),b_{k\_2}\left(f\right),···b_{k\_L_k}\left(f\right)]$时，

$b_{k\_1}\left(f\right),···b_{k\_L_k}\left(f\right)\in {\Gamma }_k\left(f\right),$

则第n个PU将观测到来自CRk的微弱干扰，因为

$h_{k\_n}^{\left(\mathrm{ifi}\right)}{\left(f\right)}^H{T}_k\left(f\right)\approx 0.$

在CR接收器j处，感知结果(“空间频谱空洞”)暗示了：

$b_{j\_n}{\left(f\right)}^H{h}_{j\_n}^{\left(\mathrm{ifi}\right)}\left(f\right)\approx 0.$

因此，如果将矢量b_{j_n}(f)^H用于矩阵RxBF 162，则在CRj处几乎观测 不到的来自任何PU的干扰。因此，CR和PU可工作在相同的频带中而 不会彼此干扰。这将极大地提高CR和PU网络的系统级效率。

根据等式(3)，矩阵TxBF和RxBF可以与任何其他发射器和/或接收 器设计相结合(就像MIMO和/或多用户系统中那样)，其中等式(3.3)表示 等效信道模式。

在对预定(量化)导向矢量表(例如利用线性预编码)进行波束成形的 情况下，在导向表的矢量上进行空间感知。之后，CR可构建缩小了尺寸 的新导向表，即，仅与空间频谱空洞相对应的导向矢量。之后，可利用 该新表来进行波束成形。这样可以降低查找导向矢量的复杂度。如果在 原导向表内没有进行时空频率感知，则更新后的表包含了与所得空间频 谱空洞相对应的导向矢量。

变型例

至此，我们已经对利用波束成形的天线矩阵的电子“导向”进行了 描述。但是应该理解，也可以通过物理地调节天线阵元的方位角和高度 角(θ，φ)来感知不同的空间方向。

时空频率频谱感知可扩展至协同感知，在协同感知中，多个CR对 本地时空频率感知结果进行组合。这种感知可以按照协同方式来进行， 同时处理和可用频带与方向的指定可以按照集中的方式来进行。

时空频率频谱感知适用于如上所述在同一频带内在CR发射器或接 收器处进行多用户波束成形的情况。

时空频率频谱感知既适用于单个载波(SC)，也适用于正交频分复用 (0FDM)系统。在SC的情况下，通过改变CR的载频来实现频带上的感 知。在OFDM的情况下，可通过在感知阶段中对宽带OFDM信号的不同 子载波中的能量的载波感知和监测功率的组合来执行相同的任务。在 OFDM中，可在每个子载波中执行上述波束成形方案。

在配备有天线矩阵的发射器CRk处进行时空频率频谱感知的情况 下，发射链156的RF响应与接收链158的RF响应之间的差异可能会降 低精度。这是因为信道矩阵不仅包括物理传播信道，而且包括RF响应。 为了降低这些RF失衡，可借助于CR网络中的对等站来执行硬件校准和 空中校准。这可以借助于媒体访问控制(MAC)信号来实现。

当由不同的用户和不同的频带来执行频谱感知和数据收发时，也可 以应用时空频谱感知，但感知精度会下降。因为不同的天线矩阵会经历 不一样的衰减特性，尤其是对于小规模衰减而言，所以空间感知结果可 由用于数据收发的天线的经历来导出。如果这两组天线矩阵基本上是协 同定位的(colocate)，并且如果空间感知结果主要由本地散射和空间参数 (对于两种天线矩阵可以是相同的)来确定，则空间感知结果仍然有效。

在N_{S_k}≠N_k的情况下，应该在进行数据收发之前，将N_{S_k}×1维的导 向矢量b_k(f)的时空频谱感知结果转换成N_k×1维的导向矢量b’_k(f)。这种 转换可按照使等效天线图案中的变化最小的方式来进行。例如，如果b_k(f) 被确定为不同方向(θ，φ)(如等式(5)中那样)，则用于更新后的未用频带的 b’_k(f)与等式(5)的形式一样，具有相同的空间参数(θ，φ)。

尽管已通过优选实施方式对本发明进行了说明，但应该理解，在本 发明的精神和范围之内可进行各种其他的改动和修正。因此，所附权利 要求的目的是涵盖所有这些落入本发明的实质精神和范围之内的改动和 修正。