动态频谱接入无线系统中的频谱管理

摘要

多个MAC/PHY堆栈适合于支持无线设备。超帧结构包括前同步信号和超帧初始化头标。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及到同时提交且共同转让的、具有序列号(代理人案号US 002805、US 002803和US 002806)的美国专利申请。本申请还涉及到2005 年9月16日提交的美国临时专利申请序列号60/718,127。

无线通信技术已经取得了很大的进步，使得无线媒介成为有线解决方 案的可行的替代。这样，在数据和话音通信中无线连接性的使用不断增加。 这些设备包括移动电话、在无线网中的便携式计算机(例如，无线局域网 (WLAN)、在无线网中的固定计算机、便携式手持机等等)。

随着无线应用不断地发展，竞争通信频谱的设备、网络和系统的数目 也不断地增长。正如已知的，通信频谱有专用的或需执照的(licensed) 部分以及免执照的(unlicensed)部分。因为频谱的免执照频段(例如， 工业、科学、和医学(ISM)射频频段)是可以自由接入的，所以这些频段 往往被用户大量地聚居(populate)。相反，最新的研究表明，仅仅小部 分执照频段正被使用。因此，许多免执照频段过分拥挤，而执照频段的相 当大的部分仍旧未使用。这导致管理机构(例如，美国的联邦通信委员会 (FCC))对当前的通信频段分配及其使用进行评估。

用于重新分配通信频段的一个选项牵涉到使用适合于动态接入通信 频谱的无线网。例如，动态频谱接入(DSA)无线网可以在通信频谱的专 用的(需执照的)部分中实施。举例说明性地，DSA无线网可以运行在正 常地专用于电视传输和接收的频谱中。由此，通信频段的某些部分可以更 充分地被利用。

对于重新分配某些通信频段供免执照(次要的(secondary))用户使 用，频谱管理需要保证给具有对该频段的优先权接入的已发给执照的(主 要(primary)或现任的(incumbent))用户以无拘无束的方式提供这种接 入。例如，管理机构(比如，FCC)可能要求次要用户在现任用户开始占 用信道后的相对较短的一段时间内腾出该信道。所以，媒体接入控制(MAC) 层和物理(PHY)层技术规范必须包括针对这个需要的频谱管理的规定。

通常，可用来供次要无线站使用的信道是不毗连的。而且，DSA系统 中的信道可用性是随时间改变的。因此，不仅是子频谱中的信道不毗连， 而且可用的那些信道和现任设备占用的那些信道也是随时间改变的。

信道的动态和非毗连性质给已知的DSA无线系统的基础结构带来很大 的问题。为此，因为信道不是毗连的，所以当前非常大的挑战是提供一种 可以支持多个非毗连信道的可行的PHY层。例如，因为是在某些信道上， 而不是在其它的、相邻的或附近的信道上需要传输，所以需要完善的滤波。 然而，这种类型的选择性滤波是成问题的，并且由于信道可用性的动态性 质而激化。

除了提供一种可以支持多个动态的非毗连信道的PHY层的困难以外， 已知的MAC层对支持DSA无线系统也是装备不良的。例如，在已知的现有 无线系统中，BS将在许多信道上发送前同步。然而，次要设备在单个信道 上进行带内测量，且当此跨越多个信道时可能不能接收来自BS的前同步。 因此，STA可能在事实上BS正占用它的信道以及其它信道时，确定BS未 在它的信道上发送。正如可以看到的，这会降低无线系统的效率以及降低 无线设备的QoS。

所以，所需要的是一种至少克服所提到的缺点的无线通信的设备和方 法。

按照示例性实施例，无线通信网包括：基站，具有多个媒体接入控制 (MAC)和物理(PHY)层堆栈；以及频谱管理器，适合于把每个堆栈指配给在 至少一个不可用的受限频道间的、相应的一个可用的受限频道或相应的毗 连的可用受限频道组。

按照另一个示例性实施例，在无线通信系统中的一种无线通信的方法 包括：提供具有多个媒体接入控制(MAC)和物理(PHY)层堆栈的基站；以及 把每个堆栈指配给在至少一个不可用的受限频道间的、相应的一个可用的 受限频道或相应的毗连可用的受限频道组。

在无线通信系统中的一种无线通信的方法包括：把前同步字段和超帧 初始化头标(SIH)字段并行地发送到由基站占用的多个受限信道中的每一 个；以及当在STA处接收到该前同步和SIH后，同步次要无线站(STA)。

在又一个示例性实施例中，在多个受限信道上的数据通信包括具有前 同步字段和超帧初始化头标(SIH)字段的超帧，其中SIH字段包括由基站 占用的受限信道的信息。

正如这里使用的，术语‘受限频道’或‘受限信道’是指由主要用户专用 的频道。受限信道可以是由诸如FCC那样的管理机构颁发执照的通信频谱 的一部分，或由某些用户根据优先权来接入的通信频谱的一部分。例如， 美国的电视信道是颁发执照的频道。然而，诸如无线话筒的某设备可以以 超越其它用户的优先权接入该网络，即使该无线话筒没有特地被发给执照 来使用该电视频谱。因此，是受限制的信道的某些免执照信道被预期作为 受限信道。另外，给某些用户提供优先权接入的、所谓的执照-免除的信 道也是受限信道。

正如这里使用的，名词‘一’或‘一个’是指一个或多个；以及名词‘多 个’是指两个或多个。

当结合附图阅读时，通过以下的详细描述将最好地理解本发明。应当 强调指出，各个特征不一定是按比例画出的。事实上，为了讨论的清晰起 见，尺度可以任意增加或减小。

图1是按照示例性实施例的无线通信系统的简化示意图。

图2是按照示例性实施例的基站中的体系结构的简化框图。

图3是按照示例性实施例的受限频道的频谱的一部分的表示。

图4是按照示例性实施例的超帧结构的表示。

在以下的详细描述中，为了说明而不是限制，阐述了公开特定细节的 示例性实施例，以便提供对本教导的透彻了解。然而，对已从本公开内容 受益的具有本领域普通技能的人员而言，很明显将有脱离了这里公开的具 体细节的其它实施例。而且，熟知的设备、方法、系统和协议的描述可能 省略，以免遮蔽对示例性实施例的描述。尽管如此，处在本领域技术人员 的范围内的这样的设备、方法、系统和协议可以按照示例性实施例被使用。 最后，在任何可行之处，同样的参考标号指的是同样的特征。

应当指出，在这里描述的说明性实施例中，网络可以是具有集中式体 系结构或分散式体系结构的无线网。举例说明性地，该网络可以是在DSA 媒体接入(MAC)层下工作的网络，诸如在IEEE 802.22下定义的，或在IEEE 802.16、IEEE802.11下定义的，或在IEEE 802.15下定义的。而且，该网 络可以是蜂窝网；无线局域网(WLAN)；无线个域网(WPAN)；或无线区 域网(WRAN)。而且，MAC协议可以是时分多址(TDMA)协议；载波侦听 多址接入(CSMA)协议；带有冲突避免的CSMA(CSMA/CA)协议；码分多 址(CDMA)协议；或频分多址(FDMA)协议。应当强调指出，所提到的网 络和协议仅仅是说明性的，以及可以使用与这些具体提到的不同的网络和 协议，而不背离本教导。

图1是按照说明性实施例的无线网100的简化示意图。在特定的实施 例中，无线网100是集中式网络。然而，本教导可以推广到分布式无线网 络。

无线网100包括接入点(AP)101，它也被称为基站(BS)。无线网100 还包括多个无线站(STA)102，其也可以被称为无线设备或用户住宅设备 (CPE)。而且，可以有相邻的无线网103，其包括BS 104和多个STA 105。

相邻的无线网103和它的组成设备基本上等同于系统100。在某些实 施例中，正如这里更详细地描述的，第一网络100的信道占用和第二网络 103的信道占用可能导致非毗连的信道对于该网络之一可用，且因此对另 一网络不可用。而且，现任设备的占用也可以导致非毗连的信道对于网络 100、103是不可用的。

举例说明性地，无线网100、103可以是先前提到的网络类型之一。 通常，STA 102、105不一定相同。事实上，在网络100、103内可以使用 适合于在所选协议下工作的过多的不同类型的STA。而且，STA 102、105 可以是计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、或典型地在这样的网络 内运行的类似设备。在特定的实施例中，STA 102、105的至少之一是固定 的。

预期STA 102适合于在需要保护现任用户的频段的受限频道上工作。 这样，基站101、104和STA 102、105是次要设备，以及网络100、103 是次要网络。通常，为了简单起见，受限频道和受限信道可被称为‘信道’。

应当指出，只示出了几个STA 102、105；这仅仅是为了讨论的简明性。 显然，可以使用许多其它的STA102、105。另外，为了讨论的简明性，示 例性实施例的描述将集中在无线网100的组成部分上。当然，所描述的细 节也将适用于网络103。

示例性实施例的DSA MAC/PHY层方法和设备可以在动态环境下实施， 其中信道的可用性和质量随时间变化(例如，被设计用于TV频段的新的 无线技术)。因此，示例性实施例的次要STA 102的网络有利地以动态方 式获得信道可用性；以及有利地向其它次要STA通知现任设备对信道的占 用或将来的占用。因此，说明性实施例的DSA MAC层方法和设备把频谱接 入指令提供到次要STA 102。有利地，频谱接入指令促进由现任设备无拘 无束地使用受限信道/频段以及由次要STA接入到受限信道/频段。

图2是按照示例性实施例的体系结构200的简化框图。举例说明性地， 体系结构200在按照示例性实施例的DSA无线系统的基站(例如，BS 101) 中被实施。该体系结构包括多个MAC/PHY堆栈201、202和203。在示例性 实施例中，有n个(n＝正整数)堆栈。正如这里更详细地描述的，堆栈的 数目不是固定的，以及可以加上附加堆栈以便在网络100中容纳更多的无 线STA 102。除了其它好处以外，由示例性实施例提供的可缩放性促进网 络容量增加。

堆栈201-203是体系结构200的较低层，且它支持上层，诸如汇聚子 层/桥205和更高层206。举例说明性地，汇聚子层/桥205是如由IEEE 802.1d提供的，以及该更高层包括例如互联网协议(IP)层和异步传输模 式(ATM)层。

多个堆栈201-203被耦合到频谱管理器204。在具体实施例中，频谱 管理器204可以以可编程逻辑设备、或以定制的硬件、或软件、或它们的 组合被实施。频谱管理器204的实现也可以通过使用单个或多个可编程设 备、或定制的硬件或软件单元、或它们的组合而与体系结构200的其它块 的实现相组合。

因为现任设备/服务必须被保护以免遭来自网络100中运行的次要 STA 102的干扰，所以对于由次要STA 102占用的信道的可用性随时间改 变。为此，随着现任设备开始和终止对无线网100中受限信道的占用，受 限信道对于次要STA 102占用分别变为不可用的和变为可用的。为了保护 现任设备和给次要STA 102提供服务，示例性实施例的频谱管理器204把 堆栈201-203动态地指配给相应的毗连信道组，以及把堆栈201-203间接 地指配给占用那些信道的某些无线STA 102。

图3显示按照示例性实施例的、在特定时刻的频道的共享频谱的一部 分。信道301目前由现任设备占用，因此对于次要STA 102的占用是不可 用的。毗连的信道302(频道2-4)被分配或被指配给MAC/PHY层201；以及 毗连的信道303(频道6-7)被分配给MAC/PHY层202。信道304(频道1)和 信道305(频道5)在本例中当前由相邻无线网103中的BS 104和STA 105 占用。这样，在当前的分配中，信道304、305由另一个基站以类似的方 式支持。

显然，在由次要STA 102、105占用的受限信道与由现任设备占用的 受限信道之间的频谱的部分306可以保持为不可用的或未使用的。在由次 要网络使用的信道与由现任服务使用的信道之间的这些部分306有益地防 止了会引起干扰的信号串扰或重叠。这个间隔的要求常常由诸如FCC那样 的管理机构设置。

为了把频道恰当地分配给相应的MAC/PHY层201-203，频谱管理器必 须取得与信道可用性有关的信息和关于次要STA 102、104的信息。根据 这个信息，频谱管理器确定BS 101的哪些MAC/PHY层指配给相应的毗连 信道。

在示例性实施例中，由STA 102通过在题目为“Notification of Incumbent Users in Dynamic Spectrum Access Wireless Systems(动 态频谱接入无线系统中现任用户的通知)”的、共同待决的和交叉引用的 美国专利申请序列号(代理人案号002803)中描述的方法、从带内和带外测 量中取得数据，该专利申请的公开内容特地在此引用以供参考。BS 101可 以从该测量确定哪些信道对于STA 102占用是可用的，而哪些信道是不可 用的。

在频谱管理器与多个MAC/PHY层之间通过意义明确的接口来转送信 息，所述接口诸如是服务原语、应用编程接口(API)、或二者。包括但 不限于：信道可用性；与每个MAC/PHY层201-203相关联的STA 102的数 目；在每个MAC/PHY层201-203中的业务量负荷；所需要的服务质量(QoS)； 以及在每个MAC/PHY层中的发射功率约束的信息可被提供到频谱管理器 204，并由频谱管理器204使用来分配信道给各个MAC/PHY层201-203。

连同诸如信道可用性那样的信息一起，频谱管理器204可以根据几个 准则来指配信道给不同的MAC/PHY堆栈。例如，频谱管理器可以考虑与每 个堆栈关联的STA的数目。另外，频谱管理器可以考虑STA的业务量要求。 根据这些类型的准则，频谱管理器204可以指配或多或少的毗连信道给特 定的堆栈，以确保用于STA 102的需要的合适容量。另外，在分配过程中 可以考虑STA的射程信息。例如，在距离上具有较好传播特性的较低频率 的信道可被指配给如下堆栈，即该堆栈被指配给位于离BS 101更远距离 处的STA 102。

指配毗连的信道给MAC/PHY堆栈，是经由在频谱管理器内的算法来实 现的。除了把MAC/PHY堆栈201-203分配给各自的信道以外，频谱管理器 204还通过算法确定该分配，以促进在MAC/PHY堆栈201-203之间的有效 共存。例如，假定经由信道有足够的带宽可用，则频谱管理器204可以以 这样的方式指配可用的信道，以使得在堆栈之间的干扰最小化。即，所述 指配可以基本上防止对MAC/PHY的共道指配，以及可以基本上避免邻道指 配。而且，如果可用信道的数目小于堆栈的数目，则频谱管理器204通过 算法分配信道给堆栈达规定的时间间隔。为此，频谱管理器204可以提供 对信道或毗连信道组的一个MAC/PHY堆栈接入达通信帧内设定的时间，以 及提供对相同信道或毗连信道组的另一个MAC/PHY堆栈接入达该帧内的另 外的时间段。因此，有利地，频谱管理器204允许几个MAC/PHY堆栈以时 分方式共享单个频道或毗连信道组。当然，如果利用特定类型的天线系统 (例如，定向或波束成形天线系统)，则相同频道组可被指配给不同的 MAC/PHY堆栈，以及由该天线系统在空间提供干扰保护。

除了其它好处以外，体系结构200还提供对于低复杂性、更高容量、 和可缩放实现的任选项。通过为用户提供任选项来选择支持网络所需要的 MAC/PHY堆栈的数目，达到了相对较低的复杂性。如果选择单个堆栈系统， 则对于频谱管理器204的需要被大大地简化，因为所有的资源可以自由使 用。可以包括更多的堆栈，以便增加容量，因此，频谱管理器的作用在协 调不同堆栈之间的频谱再用时是有用的。因此，通过允许多个堆栈在需求 增加时被逐渐并入以及在需求减小时被去除或停用，这个体系结构能容易 地容纳可缩放性。

本教导的示例性实施例的另一方面包括：把可用的那些受限频道通知 给无线网100的STA 102。例如，STA 102可以休眠一段时间，并在一个 帧期间加电。因为BS 101在多个信道上发送，所以STA 102可能难以确 定该BS正占用哪个(些)信道且从而哪些信道是可供使用的。回到图3， 当休眠的STA 102加电和开始扫描用于BS 101的信道时，STA将容易地确 定BS 101未在占用由现任设备使用的受限信道301；或由相邻网络103占 用的受限信道304、305。然而，因为BS 101横越一个以上的毗连信道(例 如，总共有被指配给MAC/PHY堆栈201的三个信道302以及被指配给 MAC/PHY堆栈202的两个信道303)发送，所以STA 102可能不能容易地弄 清BS 101在这些信道上的占用。为此，BS 101横越多个毗连的信道上发 送前同步，而STA 102将总是基于单个信道扫描。由于，因为BS 101横 越多个毗连的信道发送前同步，所以STA 102可能不能检测该前同步并与 其同步。在给定环境的动态特性和受限信道的时变的可用性的情况下，让 STA 102事先确定有多少毗连信道正被BS 101使用是极其困难的。

为了解决这个问题并确保合适地通知BS 101对受限信道的占用，按 照示例性实施例提供了超帧结构。图4显示在时间上发送的一系列超帧 400。显示了第n个超帧401的组成，用来说明该超帧结构的显著特征。 自然地，其它超帧也包括这样的特征。

超帧401包括前同步402和超帧初始化头标(SIH)403作为超帧401 中的头两个字段。超帧还包括在以上提到的申请中更详细地描述的多个帧 404、405、406。

在示例性实施例中，传输方案可以是正交频分复用(OFDM)。现在描述 的超帧结构包括基于OFDM的方法，其允许BS 101在特征为受限信道的时 变可用性的环境下建立与STA 102之一的通信。为此，前同步402和SIH 403 通过由BS 101的MAC/PHY堆栈并行使用的、经选择的几个或所有的当前 可用受限信道发送。换句话说，考虑可用的受限频道407、408和409。前 同步402和SIH 403在超帧的开始处在这些信道的每一个上被发送。此后， 通信在帧404-406上实行。

前同步402和SIH 403的传输以有效的方式有利地允许想要加入网络 100(例如，通过加电或进入网络100)的STA 102。具体地，当STA 102 加电或进入网络时，STA 102扫描信道搜索BS 101。因为前同步402和SIH 403被并行地发送到由BS 101使用的每个信道(例如，信道407-409)，所 以如果STA 102通过它的对于信道407-409的任一信道的扫描接收到前同 步402和SIH 403，则加入网络的STA 102将获悉多个信息，包括哪些信 道正在被BS 101占用。而且，前同步402和SIH 403可包括关于哪些毗 连的信道正被特定的MAC/PHY堆栈支持的信息。

在取得关于BS 101正占用的信道的信息后，STA 102能够同步到网络。 这种同步包括但不限于，把STA 102的发送和接收设备(例如RF设备) 的发送和接收频率调节到可用信道407-409的频率。

除了其它信息以外，SIH 403可包括但不限于：由BS 101占用的信道； 每超帧的帧数目；每帧的持续时间；下一个调度的静默时段；静默时段持 续时间；BS发射功率；BS位置信息。

明显地，如果STA 102在SIH 403的传输终止后试图加入网络，则STA 102将不知道所需的有关网络的信息。这将需要STA 102保持静默和继续 扫描通信频谱。在下一个超帧(例如，超帧410)开始处，再次并行地发 送前同步和SIH。在这一点，STA 102可以加入网络100。

如前所述，在上述的相关的应用中，受限信道对于网络100的次要STA 102的可用性随时间变化。因此，虽然信道407-409在超帧401的开始处 是可用的，但这些信道在下一个超帧410中可能不可用，或可能在超帧401 期间变为不可用。结果，前同步402和SIH 403被BS 101的MAC/PHY层 (们)动态地改变成包括在下一个超帧410期间BS 101正在占用的那些 信道。自然，不可用的受限信道(例如，信道301)可能在超帧401期间变 为可用，以及如果BS 101决定占用这些信道，则前同步402和SIH 403 将被更新为包括这个信息。

按照示例性实施例，在非毗连信道的频谱中间的毗连信道被指配给相 应的MAC/PHY层201-203。这些毗连的信道被‘接合(bond)’在一起，供 网络100的STA 102使用。示例性实施例的超帧结构在提供次要STA 102 对接合在一起的多个受限信道(例如，TV信道)的接入方面是有用的。举 例说明性地，示例性实施例的无线网100、103适合于通过使用所描述的 MAC/PHY堆栈指配和超帧而运行在VHF和/或UHF TV频段中。在TV频道化 是6MHz的美国(以及某些其它国家)，可以利用超帧来有效地接合6MHz (一个信道)、12MHz(两个信道)、和18MHz(三个信道)等等。因此， 前同步402和SIH 403的并行通信促进了进入网络的STA 102有效地使用 接合的信道。

有利地，示例性实施例的超帧结构适合于通过动态地控制藉以发送前 同步和SIH的频率而允许STA 102快速地彼此关联。前同步和SIH发送得 越频繁，其它站可以越快地找到网络。这个改进必须被斟酌以对抗由于必 须在每个信道上发送前同步和SIH而产生的可能的性能降级。

鉴于本公开内容，应当指出，这里描述的各种方法和设备可以以硬件 和软件被实施。而且，所述各种方法和参数仅仅是作为例子而不是在任何 限制的意义上被包括。鉴于本公开内容，本领域技术人员能以确定他们自 己的技术和实现这些技术所需的设备的方式来实施本教导，而仍保持在所 附权利要求的范围内。