基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法

摘要

本发明公开了一种基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法，特征是已有蜂窝和认知通信采用相同时钟源，用户终端锁定在已有蜂窝通信的载波频率及帧定时上保持同步；在已有蜂窝通信信令中增加用以配置认知通信的频点、带宽及感知到的频谱空洞的信令消息；基站根据感知结果决定认知方式包括频率、带宽及频谱空洞信息的工作参数，并通过已有蜂窝通信方式的信令及时通知终端；终端根据生效时间配置其认知通信方式；基站间交互频谱感知的结果，且用户终端将频谱感知信息通过已有蜂窝通信方式的信令传输汇报给基站。采用本发明方法能够在无线蜂窝通信系统中有效地采用认知无线电技术，充分利用频谱空洞资源，并减小对授权用户的可能冲突。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线蜂窝通信和认知无线电技术，特别涉及基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法。

背景技术

无线通信技术的飞速发展使有限的频谱资源变得越来越紧张。《电子与电器工程师协会个人通信杂志》(IEEE Personal Communications)于1999年提出的认知无线电(Cognitive Radio)概念，其核心思想就是使无线通信设备具有发现并合理利用“频谱空洞”的能力，使具有认知功能的无线通信设备能按照某种“伺机”方式工作在已授权的频段内。在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。当前认知无线技术的研究集中在频谱感知技术及认知无线电在无线局域网中的应用。频谱感知技术包括对频谱噪声温度的检测，以尽可能大的概率确定对应的频谱是否被授权用户所占用。无线蜂窝系统不同于一般的无线局域网或小型接入网络，它需要考虑小区间的切换，以及在不同地区间甚至不同国家间的漫游。由于每个地区或国家的频谱分配和使用有较大差异，因此频谱空洞的分布可能完全不同。采用通常的认知无线电技术，基站的工作频率需要随时根据频谱感知的结果变动，这就需要驻留在该小区的所有用户随之改变频率，从而大大增加了系统复杂性，而且那些处于空闲或者睡眠模式的用户难以随时改变频率，不得不重新扫描频率并重新接入。这些缺点使得无线局域网等的通常认知无线电技术难以实际应用在蜂窝网络中。随着无线通信技术的快速发展，无线蜂窝网络迅速更新换代，从第二代移动通信系统(2G)发展到了第三代(3G)，但是新一代的系统的网络需要较长的投资建设过程，因此新系统的网络覆盖不得不依靠已有的蜂窝系统来补充，从而导致了双模，甚至三模终端的出现。这种无线蜂窝网络的简单更新换代必然导致大量的新投资和已有网络设备的闲置和淘汰。因此蜂窝无线网络中采用的技术应该考虑到能充分利用现有网络和频率等资源。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法，以克服将现有认知无线电技术应用到无线蜂窝通信系统中存在的上述缺陷。

本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法，包括：基站和用户终端都采用已有蜂窝通信方式和认知通信方式；所述已有蜂窝通信方式是指在已经注册或获取到的频段上采用全球移动通讯系统(GSM)、个人无线接入系统(PHS)、窄带码分多址(IS95CDMA)、宽带码分多址(WCDMA)或时分双工同步码分多址(TD-SCDMA)的蜂窝通信方式；该已有蜂窝通信方式中的系统接入、驻留和小区切换的原有信令保持不变，语音及低速的业务需求也在已有蜂窝通信方式上完成；所述认知通信方式是指采用认知无线电技术的频谱感知、预测和决策方法，并且采用子载波数随着可用带宽变化的正交频分复用(OFDM)技术和某些子载波由于窄带的授权用户占用而不使用的多带正交频分复用(OFDM)技术；其特征在于：

将已有蜂窝通信方式和认知通信方式采用相同的时钟源，用户终端通过锁定在已有蜂窝通信方式的载波频率及帧定时上，实现并保持认知通信方式的载波频率及帧定时的同步；

在基站和终端的已有蜂窝通信方式的原有信令中增加用以配置认知通信方式的频点、带宽及感知到的频谱空洞的信令消息；基站根据感知结果决定认知通信方式包括频率、带宽及频谱空洞信息的通信工作参数，并通过已有蜂窝通信方式的信令及时通知终端；终端得到信令信息后根据生效时间配置其认知通信方式；

基站间交互频谱感知的结果，且用户终端将频谱感知信息通过已有蜂窝通信方式的信令传输汇报给基站。

本发明充分利用了已有蜂窝通信方式的可靠信令连接、载波及帧定时关系，引入了认知无线电技术充分利用频谱空洞及可变带宽和多带OFDM技术作为高效的数据传输手段，并且采取基站间甚至包括用户的频谱感知的协作，使得本发明能够在无线蜂窝通信系统中有效地采用认知无线电技术，从而能充分利用频谱空洞资源，并减小对授权用户的可能冲突，同时充分利用了已有的蜂窝网络及频率资源，保护了已有网络建设的投资。

附图说明

图1为本发明方法中的基站原理示意框图；

图2为本发明方法中的终端原理示意框图。

图3为N＝100，M＝20时采用可变带宽和多带OFDM技术平均可用空闲子信道数比较图。

图4为本发明方法中单基站的频谱感知盲区示意图。

图5为单小区和两个小区联合的频谱感知的冲突概率图。

实施例1：

本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法，可以在蜂窝通信系统的小区中充分利用频谱空洞资源。认知通信方式在不同时刻感知到的频谱空洞有不同类型，包括：频谱空洞的可用带宽是变化的，较大的频谱空洞内存在窄带的授权用户占用频谱，即梳妆的频谱空洞。对于频谱空洞的可用带宽变化，需要采用可变带宽的OFDM(正交频分复用)技术充分利用带宽变化的频谱空洞。可变带宽的OFDM技术是指实际使用的子载波个数可随着可用带宽的变化而改变。对于较大的频谱空洞内存在窄带的授权用户，需要采用多带的OFDM技术。多带OFDM技术是指对应于授权用户占用的较窄的频带上的子载波不用，而使用其他感知到的空闲频带上对应的子载波进行通信。

认知通信方式在不同时刻感知到的频点、带宽、频谱空洞状态是不同的，为了实现认知通信方式工作参数的实时变化，基站通过已有蜂窝通信方式的信令传输告知终端。其过程是基站通过已有蜂窝通信方式信令告知终端认知通信方式的频点，工作带宽，频谱空洞状态等工作参数，这些参数将在下一个时刻在基站和终端用户的认知无线电通信方式中同时生效，从而保证认知通信方式的有效和连续工作不会因为感知到的频谱空洞变化引起工作频率带宽的变化而导致通信的中断。由于认知通信方式的工作参数随着感知到的频谱空洞实时变化，为了实现认知通信方式的载波频率和帧定时的同步，已有蜂窝通信方式和认知通信方式应采用相同的时钟源，通过锁相环提供已有蜂窝通信方式和认知通信方式同源的时钟和射频载波或本振。同时基站有较强的频谱感知能力，可以感知和预测频谱空洞，并通过已有蜂窝通信方式的信令配置通知终端频谱带宽等通信参数的变化。

图1给出了本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法的基站原理示意框图：基站的认知通信方式和已有蜂窝通信方式的射频载波或本振由相同的时钟源OSC通过不同锁相环PLL1和PLL2产生，且认知通信方式和已有蜂窝通信方式的帧定时是相同的；基站的认知通信方式的调度模块C5根据基站自身的频谱感知模块C4的感知结果和其他基站的频谱感知结果及分配的频谱认知策略，决定下一帧或下一个特定时刻认知通信方式的所占用的频谱空洞资源，配置给已有蜂窝通信方式底层的协议栈E2，并通过其物理层E1发送出去，同时也配置给认知通信方式的物理层C1和产生认知通信方式射频载波或本振的锁相环PLL2及认知通信方式的物理层C2，在下一帧或下一个特定时刻到来时切换认知通信方式的工作参数。已有蜂窝通信方式和认知通信方式的协议栈高层分别为E3和C3。

终端在已有蜂窝通信方式的基础上增加认知通信处理方式，并且有协议栈底层的信令交互保障认知通信方式的参数随着频谱决策的结果实时变化。图2给出了本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法的终端原理示意框图：终端在已有蜂窝通信方式的基础上增加认知通信处理方式，终端的已有蜂窝通信方式和认知通信方式的射频载波或本振同样由相同的时钟源OSC通过不同锁相环PLL1和PLL2产生，且认知通信方式和已有蜂窝通信方式的帧定时是相同的，终端的已有蜂窝通信方式同步和锁定在基站的已有蜂窝通信方式上，保持已有蜂窝通信方式的载波或本振和帧定时的同步，因此能够实现和保持认知通信方式的载波和帧定时的同步；已有蜂窝通信方式的底层协议栈模块E7接收到基站配置认知通信方式的工作参数的信令后，立刻配置给认知通信方式的物理层模块C6和产生认知通信方式载波或本振的锁相环模块PLL2及认知通信方式的底层协议栈模块C7，使它们能在生效时刻采用新的的工作参数，维持认知通信方式的有效通信连接；已有蜂窝通信方式的协议栈上层模块E8处理包括接入、注册和切换等已有蜂窝通信方式增加认知通信方式的系统消息；终端已有蜂窝通信方式的物理层模块E6保持和基站已有蜂窝通信方式的载波及帧定时的同步。终端的认知通信方式的上层协议栈模块C8和终端可选的频谱感知模块C9用来感知频谱，并将感知结果汇报给基站，通过综合利用各个基站的感知结果和终端的感知结果降低对授权用户的冲突的可能。

本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法的频谱认知和决策可归结为以下三个步骤：

(1)频谱扫描和感知。基站在接收用户信号的同时进行整个认知频段扫描。终端在空闲时也扫描整个认知频段，并将频谱感知结过结果通过已有蜂窝通信方式反馈给基站。

(2)频谱决策。基站控制器或者无线资源管理中心根据整个网络的布局及当地的频谱分配和使用特点分配给基站相应的认知策略或配置，基站预测并决定下一帧或下一个特定时刻的认知通信方式的频率带宽等通信参数。

(3)频谱使用。在下一个时刻使用认知到的频谱时，基站通过已有蜂窝通信方式的信令告知对应的用户；在生效时刻，基站和用户同时转到相应的频率带宽等通信工作参数上，实现频谱空洞的利用。

为了更好地说明本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法的特点，下面通过仿真分析单基站认知通信方式的可用带宽。为了简化起见，考虑认知通信方式的总带宽为B_total，分为Aul到AuN共N个子信道，每个子信道带宽为B_au，假定信道为简化的开关(on/off)占用情况，即授权用户以同步的时分复用(TDD)方式占用信道，每个时隙中每个信道未被授权用户占用的空闲概率为p。设B_au为授权用户的每个子信道的带宽，M为认知通信方式支持的最大工作带宽对应的子信道个数，则认知通信方式采用的最大工作频率带宽为B_cr＝M×B_au。进一步假定授权用户的帧长较长，而认知通信方式的帧长较短，在同步的开关信道占用情况下，由于切换点同步且可知，认知通信方式在授权用户的每个空闲时隙的开始和最后在时间上留出一定的保护间隔。开始的保护间隔能用来检测授权用户是否使用信道，最后的保护间隔用来确保不会因为传输时延而对授权用户使用下一个时隙产生干扰。因此，如果能有效检测到授权用户是否占用信道，就不会对授权用户的通信产生干扰。

在本发明方法的单小区系统中，授权用户分布在小区内，如果认知通信方式采用可变带宽OFDM技术充分利用相邻的空闲子信道，则认知到的可利用频谱空洞大小B_{cr_VOFDM}为N个子信道中最大的连续空闲的子信道形成的频谱带宽。认知通信方式最大可用子信道数的期望：

如果采用多带OFDM技术，即认知通信方式以最大带宽工作，且工作带宽内为授权用户占用的子信道将不被用来收发，则感知到的频谱空洞大小B_{cr_multitone}为包含空闲子信道数最多的相邻的M个子信道内空闲子信道构成的频谱带宽。认知通信方式最大可用子信道数的期望为：

由于直接求得和较复杂，本实施例中采用蒙特卡洛仿真方法以获得认知通信方式中可用的子信道数均值的有效估计。图3给出了N＝100个子信道，最大带宽分别为M＝10和20个子信道的认知通信方式采用可变带宽OFDM技术和多带OFDM技术随着授权用户信道空闲概率增大的认知通信方式平均可用子信道数变化曲线，仿真次数为100万次。其中曲线Q1为认知通信方式采用多带OFDM技术且最大工作带宽对应的子信道数M为20时的平均可用的空闲子信道数的变化曲线，曲线Q2为认知通信方式采用可变带宽OFDM技术且最大工作带宽对应的子信道数M为20时的平均可用的空闲子信道数的变化曲线，曲线Q3为认知通信方式采用多带OFDM技术且最大工作带宽对应的子信道数M为10时的平均可用的空闲子信道数的变化曲线。曲线Q4为认知通信方式采用可变带宽OFDM技术且最大工作带宽对应的子信道数M为10时的平均可用的空闲子信道数的变化曲线。从图3中的平均可用子信道数变化曲线Q1，Q2、Q3和Q4随着授权用户空闲概率的增大的不同分布特点可以看到，在授权用户空闲概率较大的时候认知通信方式能获得较大的可用带宽，且在认知通信方式的工作频率带宽较大时采用多带OFDM技术能显著提高可用子信道数。可变带宽OFDM技术在授权信道空闲概率较低时随着最大工作带宽对应的子信道数M的变化很小，因为授权信道空闲概率小时，多个相邻子信道同时空闲的概率很小，因此M变大对平均可用的空闲子信道数影响很小。认知通信方式最大工作带宽对应的子信道数M越大，需要授权信道空闲概率越大才能达到或接近最大工作带宽。

为了说明本发明基于已有蜂窝通信信令传输实现频谱空洞有效利用的方法在多小区联合频谱感知对性能的影响，下面分析多基站协作频谱感知从而降低冲突概率的情况。图4为本发明方法中单基站的频谱感知盲区示意图。考虑本方法中基站A认知通信方式和基站B认知通信方式所构成的两个简化的小区模型，基站A和基站B的已有蜂窝通信方式的小区半径分别为dA和dB，设小区半径dA和dB相等且均为d；授权用户2发送，授权用户1接收，且授权用户1位于基站A的小区内，离基站A的距离为t；授权用户2在距离授权用户1在其通信方式支持的最大距离内随机均匀分布；如果仅是基站A进行频谱感知，则基站A的认知通信方式正好检测不到授权用户1的距离r_max为其接收灵敏度支持的频谱感知检测范围，授权用户间通信支持的最大距离为l_max，此时认知通信方式对授权用户产生冲突的概率为：

$p_s\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}1& r_{\max }<t-l_{\max }\\ [(l_{\max }+t)-r_{\max }]/\left({2l}_{\max }\right)& 0\le (l_{\max }+t)-r_{\max }\le {2l}_{\max }\\ 0& r_{\max }>l_{\max }+t\end{array}\right)$

其中0≤t≤d。上式中第一项对应基站A的认知通信方式总是检测不到授权用户2占用信道，因此必然发生冲突，主要原因在于授权用户的发送功率较用户的认知通信方式小得多，因此即使位于基站A的小区内部，认知通信方式也无法检测到；第二项是能够部分检测到授权用户2占用信道；第三项对应总是能检测到授权用户2占用信道。上述单小区频谱感知总的冲突概率为：

$p_{s,\mathrm{collision}}={\int }_0^d\frac{p_s\left(t\right)}{d}\mathrm{dt}$

如果是基站A和基站B进行协作频谱感知，则产生冲突的概率变为基站A和基站B均检测不到授权用户的概率：

$p_m\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}1& r_{\max }<t-l_{\max }\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right)$

其中0≤t≤d，基站A和B协作频谱感知的冲突概率为：

$p_{m,\mathrm{collision}}={\int }_0^d\frac{p_m\left(t\right)}{d}\mathrm{dt}$

由于终端用户的发送功率受限，因此蜂窝小区的半径主要受限于上行链路。假定用户终端认知通信方式的数据接收灵敏度为-90dBmW，有效检测授权用户是否占用信道的接收灵敏度为-97dBmW，用户认知通信方式的最大发送功率均为23dBmW，授权用户以固定功率发送，且其接收灵敏度为-90dBmW；信道的传播模型采用自由空间传播模型：Loss(dB)＝32.45+20logf(MHz)+201gD(Km)，其中f为2000MHz。这样小区半径d主要受限于认知通信方式的最大发送功率，而基站对授权用户是否占用信道的检测距离r_max主要受限于授权用户的发送功率。由于认知通信方式的最大功率固定，则认知通信方式与授权用户的功率差决定了产生冲突的概率大小。

图5为在上述条件下的单小区和两个小区联合频谱感知的冲突概率仿真结果图。图中的曲线Q5为仅基站A进行频谱感知对授权用户的冲突概率，曲线Q6为基站A和基站B同时进行频谱感知对授权用户的冲突概率。可以看到：如果用户认知通信方式较授权用户的最大发送功率小，认知通信方式的小区半径小于能够感知到授权用户占用频谱的最大距离，因此基站认知通信方式能够更好地检测到授权用户占用的频谱，从而减小冲突的产生。反之，如果授权用户的发送功率较小，就会造成认知通信方式小区半径大于能检测到授权用户的最大距离，因而即使授权用户在小区内部的部分位置发送时，基站也无法检测到，从而造成冲突。图5中的两个基站联合感知的结果要明显好于单小区的感知结果，主要是因为两个基站的联合感知能消除其中位于相邻小区内的认知盲区。两个小区的联合感知结果在认知通信方式的最大发送比授权用户大10dBmW后冲突概率开始出现，是由于这时授权用户的发送功率较用户的认知通信方式的发送功率小的多，因而有效检测距离r_max也比小区半径为d小得多，因而基站的认知通信方式已经无法检测到位于其小区边缘位置的正在发送的授权用户，干扰就无法避免。可见为了充分利用频谱空洞，需要进行小区间的频谱联合感知和决策，甚至也需要利用用户终端的感知结果，才能将对授权用户的冲突降到较低的程度。