通过使用导频音对OFDM信号的谱感测

摘要

一种装置包括：下变频器，用于提供信号，所述信号可以是从所信道接收的正交频分复用(OFDM)符号，每一个OFDM符号包括N个副载波，所述N个副载波中的至少一些是导频副载波；以及处理器，(a)对所述接收的OFDM符号进行相关以提供至少一个相关值，(b)根据所述至少一个相关值生成度量值，以及(b)将所述度量值与阈值进行比较以检测是否存在现用信号。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及通信系统，并且更具体地涉及无线系统，例如陆地广播、蜂窝、无线保真(Wi-Fi)、卫星等等。

背景技术

最近，已经提出了认知无线电(Cognitive Radio)(CR)(例如，参见J.Mitola III，“Cognitive Radio：An Integrated Agent Architecture forSoftware Defined Radio，”PH.D.Thesis，Royal Institute of Technology，Sweden，May 2000)，以实现协商或者机会谱共享，从而针对无线谱稀少的问题提供可行的解决方案。为了适当地操作CR，重要的是执行谱感测，即，在许可信号的分派的谱带中检测所述许可信号的能力。因此，谱感测变成CR的核心技术之一。执行谱感测的最具挑战的部分是在非常低的信噪比(SNR)条件下感测信号。

在这点上，在IEEE802.22标准组中正在研究无线区域网络(WRAN)系统。该WRAN系统希望基于非干扰使用TV谱中未使用的电视(TV)广播信道来作为主要目的从事于农村和偏远地区以及人口密度低的、服务水平低下的市场，其中性能指标与为城市和郊区服务的宽带接入技术的性能指标类似。此外，WRAN系统还可以缩放以为人口更密的地区服务，在所述地区中谱是可用的。由于WRAN系统的一个目标是不干扰TV广播，所以关键过程是鲁棒且准确地感测在WRAN所服务的区域(WRAN区域)中存在的许可TV信号。

在美国，TV谱当前包括与NTSC(国家电视系统委员会)广播信号共存的ATSC(高级电视系统委员会)广播信号。ATSC广播信号也称作数字TV(DTV)信号。当前，NTSC传输将在2009年终止，那时TV谱将仅包括ATSC广播信号。然而，在世界上的一些区域中，可以使用基于DVB(数字视频广播)的传输而不是基于ATSC的传输。例如，可以使用DVB-T(陆地)(例如，参见ETSI EN 300 744V1.4.1(2001-01)，Digital Video Broadcasting(DVB)；Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television)来传输DTV信号。DVB-T使用多载波传输的形式，即，DVB-T是基于OFDM(正交频分复用)的。

如上所述，由于WRAN系统的一个目标是不对特定WRAN区域中存在的那些TV信号造成干扰，因此重要的是在WRAN系统中能够在很低的信噪比(SNR)环境中检测DVB-T广播(许可信号)。对于包括N个副载波且副载波间隔为Fs/N(Hz)的OFDM信号来说，该OFDM信号在时域中的符号可以由具有采样率Fs(Hz)的采样来表示。如在OFDM传输中已知的，每一个OFDM符号包括循环前缀(CP)以减轻符号间干扰(ISI)的影响。在图1中示出了OFDM符号10的示例。OFDM符号10包括两部分：符号12和CP 11。符号12包括N个采样。CP 11简单地包含复制来自每一个符号的最后L个采样(图1的部分13)并且将它们以同样的顺序附加在该符号的前面。如可以从图1中观察到的，OFDM符号的符号长度M是：M＝N+L；其中，N是副载波的数目，L是循环前缀(CP)的长度。在这点上，OFDM系统中使用的副载波以及CP的长度可以根据具体信道条件而动态地变化。具体地，如图2的表1所示，可以根据8种传输模式中的任何一种传输模式来传输DVB-T信号，每一个传输模式具有不同数目(N)的副载波和不同CP长度比(α)，即，CP长度与符号长度N之比。例如，在传输模式1中，副载波的数目N等于2048(2K模式)并且CP的长度比是1/4，即，CP包含L＝1/4(2048)＝512个采样。类似地，在传输模式6中，副载波的数目等于8192(8K模式)并且CP的长度比是1/8，即，CP包含L＝1/8(8192)＝1024个采样。

发明内容

根据本发明的原理，一种装置包括：下变频器，用于提供信号，所述信号可以是从所选信道接收到的正交频分复用(OFDM)符号，每一个OFDM符号包括N个副载波，所述副载波中的至少一些是导频副载波；以及处理器，所述处理器(a)对接收的OFDM符号进行相关以提供至少一个相关值，(b)根据所述至少一个相关值生成度量值，以及(b)将所述度量值与阈值进行比较以检测是否存在现用(incumbent)信号。

在本发明的说明性实施例中，接收机是无线区域网络(WRAN)端点，并且信号的类型是具有8种可能的传输模式的DVB-T信号，每一种模式具有导频副载波。WRAN端点对可以是DVB-T信号的接收信号进行处理以对OFDM符号进行相关，以便将得到的度量值与阈值进行比较以检测是否存在现用信号。

考虑到上述，以及通过阅读详细描述显而易见的，其它的实施例和特征也是可能的并且落入本发明的原理中。

附图说明

图1示出了OFDM符号；

图2示出了表1，表1列出了DVB-T信号的不同的可能传输模式；

图3示出了根据本发明的原理的说明性WRAN系统；

图4-5示出了根据本发明的原理的、在图3的WRAN系统中使用的说明性流程图；以及

图6示出了根据本发明的原理的说明性信号检测器。

具体实施方式

除了本发明的构思之外，图中示出的元素是公知的，本文不作详细描述。同样地，假定熟悉电视广播、接收机和视频编码，本文不作详细描述。例如，除了本发明的构思之外，假定熟悉针对诸如NTSC(国家电视系统委员会)、PAL(逐行倒相制式)、SECAM(顺序彩色与存储制式)、ATSC(高级电视系统委员会网络)等电视标准的建议以及诸如IEEE 802.16、802.11h等联网技术。可以在例如ETSI EN 300744V1.4.1(2001-01)，Digital Video Broadcasting(DVB)；Framingstructure，channel coding and modulation for digital terrestrial television中找到与DVB-T广播信号有关的信息。同样地，除了本发明的构思之外，假定传输概念(如，8电平残余边带(8-VSB)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用(OFDM)或者编码OFDM(COFDM)或者离散多频(DMT))、以及接收机组件(如，射频(RF)前端)、或者接收机部分(如，低噪模块、调谐器、以及解调器、相关器、漏泄积分器以及平方器)。类似地，除了发明性构思以外，生成传输比特流的格式化和编码方法(如，运动图像专家组(MPEG)-2系统标准(ISO/IEC13818-1))是已知的并且在本文中不作描述。还应当注意可以使用常规编程技术来实现本发明的构思，同样地在本文中不会描述这些常规编程技术。最终，图中相似的数字代表相似的元素。

如之前所述，WRAN系统使用谱中未使用的广播信道。在这点上，WRAN系统执行“信道感测”(或者谱感测)来确定在WRAN区域中哪些广播信道实际上是活动的(或者“现用的”)，以确定谱的哪部分可由WRAN系统使用。在本示例中，假定每一个广播信道可以与相应的DVB-T广播信号相关联。根据本发明的原理，一种装置包括：下变频器，用于提供信号，所述信号可以是从所选信道接收到的正交频分复用(OFDM)符号，每一个OFDM符号包括N个副载波，这N个副载波中的至少一些是导频副载波；以及处理器，所述处理器(a)对接收的OFDM符号进行相关以提供至少一个相关值，(b)根据所述至少一个相关值生成度量值，以及(b)将该度量值与阈值进行比较以检测是否存在现用信号。

在描述DVB-T接收机的说明性示例之前，描述根据本发明的原理使用导频音来进行谱感测的一般方法。假定循环前缀(CP)的长度L比时间不变信道的长度长，可以将第l个OFDM符号的第n个采样表达为

$x_l\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}H\left[k\right]X_l\left[k\right]e^{j2\mathrm{\pi kn}/N}---\left(1\right)$

其中N是副载波的数目，H[k]是第k个副载波的复信道增益，并且X_l[k]代表第l个OFDM符号的第k个副载波上的数据符号。通常地，在频率域中插入一些规则导频音以协助接收机执行同步和信道估计。令P代表导频副载波的位置的集合。则，可以将等式(1)变形为

$x_l\left[n\right]=\frac{1}{N}\underset{k\in P}{\Sigma }H\left[k\right]X_l\left[k\right]e^{j2\mathrm{\pi kn}/N}+\frac{1}{N}\underset{k\notin P}{\Sigma }H\left[k\right]X_l\left[k\right]e^{j2\mathrm{\pi kn}/N}---\left(2\right)$

可以从等式(2)中观察到，已经将第l个OFDM符号分为两项，一个与导频副载波相关联(k∈P)并且另一项与导频副载波不相关联。现在令$R_x^{l,m}\left[n\right]=x_l\left[n\right]x_m^{*}\left[n\right],$并且取第l个和第m个OFDM符号的时域互相关。这在下面的等式(3)中示出。

$R_x[l,m]=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{R}_x^{l,m}\left[n\right]---\left(3\right)$

在进行了一些计算并且认识到对于$k\notin P$来说E[X_l[k]]＝0，其中E[·]是期望值运算符，可以将等式(3)的期望值简化为：

$E\left\{R_x\right[l,m\left]\right\}=\frac{1}{N}\underset{k\in P}{\Sigma }{\left|H\right[k\left]\right|}^2---\left(4\right)$

其为正值。因此，根据本发明的原理，可以使用该特性来针对使用导频音的OFDM系统实现谱感测。实际中，还应当考虑到计时偏移量和频率偏移量的效应。然而，由于等式(4)不受计时延迟的影响，所以可以仅考虑频率偏移。此外，当采样时钟偏移不太大时，等式(4)几乎不受影响。

现在，令y_l[n]代表接收的第l个OFDM符号，

$y_l\left[n\right]=x_l\left[n\right]e^{j2\pi f_{\Delta }(\mathrm{lM}+n)/N}+w_l\left[n\right]---\left(5\right)$

其中，f_Δ是归一化成副载波间隔的载波频率偏移，M＝N+L是OFDM符号的采样数目，w_l[n]是噪音项。那么可以容易得到

$E\left\{R_y\right[l,m\left]\right\}=e^{j2\pi f_{\Delta }(l-m)M/N}\frac{1}{N}\underset{k\in P}{\Sigma }{\left|H\right[k\left]\right|}^2---\left(6\right)$

因此，在存在频率偏移的情况下，将两个OFDM符号的相关乘以相位项。由于该相位项，所以不能相干地组合不同OFDM符号索引差的相关，即，等式(6)中不同的l-m值。此外，应当注意到导频帧结构因标准的不同而不同，还应当注意到无线信道可以是变化的，使得尽管根据本发明的原理的基本方法是一样的，但是可能需要修改谱感测算法。

现在将该本发明的构思应用到基于DVB-T的OFDM系统，使用下列算法用于检测现用的、基于DVB-T OFDM的信号的可能存在。如在上述DVB-T ETSI标准中描述的，存在两类导频：规则导频(regularpilot)和散射导频(scattered pilot)。在每一个OFDM符号的相同位置中插入规则导频，任何两个临近的规则导频之间的副载波间隔不是固定的。作为对比，每12个副载波插入散射导频，从而在两个连续的散射导频之间存在11个副载波间隔。散射导频的位置每隔一个OFDM符号则移位3个副载波，使得散射导频的位置每4个OFDM符号重复。应当注意到散射导频的数目大于规则导频的数目。对于2K副载波模式来说，存在45个规则导频和141个散射导频。进一步定义

$Q\left[v\right]=\underset{l-m=v}{\Sigma }{R}_y[l,m]---\left(7\right)$

其是具有相同索引(时间)差的两个OFDM符号的相关之和。令D＝N/L，D是副载波数目与CP长度之比。在DVB-T中，D可以为4、8、16以及32。在接收机中，如果尝试将由L个采样相等地隔开的D个点作为初始采样实例，则将有一个点是正确的采样实例。将r[n]表示为接收信号的采样。令

$y_l^d\left[n\right]=r[\mathrm{Ld}+\mathrm{Ml}+n]---\left(8a\right)$

其中d＝0，1，2，...，D-1。则等式(3)变为

$R_y^d[l,m]=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{y}_l^d\left[n\right]{\left(y_m^d\right[n\left]\right)}^{*}---\left(8b\right)$

则等式(8b)用于计算

$Q^d\left[v\right]=\underset{l-m=v}{\Sigma }{R}_y^d[l,m]---\left(9\right)$

从等式(9)可以公式化判定统计量或者判定度量T，以确定DVB-T信号是否可能作为现用信号而存在。例如，

$T=\underset{d}{\max }\left|Q^d\right[v\left]\right|---\left(10\right)$

$T=\underset{d}{\max }\left\{\underset{v}{\Sigma }\frac{\left|Q^d\right[v\left]\right|}{{\alpha }_v}\right\}---\left(11a\right)$

可以用作判定统计量，其中在等式(11a)中，α_v是组合比。组合比的一个示例是：

α_v＝S_v                            (11b)

其中S_v是累积和相加的R(l，m)的数目(例如等式(7)和(9))。然而，使用等式(10)或者(11a)具有缺点。等式(10)不使用所有可用的接收数据，针对非相干组合使用等式(11a)不会得到非常大的性能提高。

因此，根据本发明的原理，还可以使用相干方法，所述相干方法形成判定度量以相干地组合所有可用的接收数据。例如，令判定统计T是

$T=\underset{d}{\max }\left|\underset{v=l}{\overset{V-\beta }{\Sigma }}\frac{Q^d\left[v\right]Q^d{[v+\beta ]}^{*}}{{\alpha }_v}\right]---\left(12\right)$

其中假定OFDM符号相关的最大符号索引差是V，并且β是固定整数。显然，对于DVB-T OFDM系统来说，因为对于规则和散射导频而言符号索引差是4的倍数的2个OFDM符号具有相同的导频位置，因此应当选择β等于4。等式(12)中的组合比的一个示例是：

α_v＝S_vS_v+β                    (12a)

现在参见图3，示出了并入本发明的原理的说明性无线区域网络(WRAN)系统200。WRAN系统200为地理区域(WRAN区域)(图3中未示出)服务。一般来说，WRAN系统包括与一个或者更多客户前提设备(CPE)250进行通信的至少一个基站(BS)205。CPE 250可以是固定的。CPE 250和BS 205都代表无线端点。CPE 205是基于处理器的系统，并且包括一个或者更多处理器以及相关联的存储器(分别由图3中以虚线框形式示出的处理器290和存储器295来表示)。在这种情况下，在存储器295中存储用于处理器290执行的计算机程序或者软件。处理器290代表一个或者更多存储程序的控制处理器，并且这些处理器不必须专用于收发器功能，例如处理器290还可以控制CPE 250的其它功能。存储器295代表任何存储设备，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等；存储器295可以在CPE 250内置和/或外部；并且存储器295可以根据需要是易失性的和/或非易失性的。BS 205和CPE 250之间的(经由天线210和255)通信的物理层说明性地基于OFDM(经由收发器285)，并且由箭头211来表示。为了进入WRAN网络，CPE 250首先尝试与BS 205“关联”。在该尝试期间，CPE 250经由收发器285将与CPE 250的容量有关的信息通过控制信道传输至BS 205。所报告的容量包括例如最小和最大传输功率，以及用于发送和接收的、所支持的或者可用的信道列表。在该点上，CPE 250执行根据本发明的原理的“信道感测”以确定在WRAN区域中哪些TV信道不是活动的。然后将得到的、在WRAN通信中使用的可用信道提供给BS 205。BS 205使用上述所报告的信息来判定是否允许CPE 250与BS 205相关联。

现在参见图4，示出了根据本发明的原理的在执行信道感测中使用的说明性流程图。可以由CPE 250在所有信道上或者仅在CPE 250已经选择的可能使用的那些信道上执行图4的流程图。优选地，为了检测信道中的现用信号，CPE 250应当在检测期间终止在该信道中的传输。在这点上，BS 205可以通过向CPE 205发送控制信息(图中未示出)来定制无声间隔(quiet interval)。在步骤305，CPE选择信道。在本示例中假定信道是在WRAN区域中存在的多个广播信道中的一个。在步骤310中，CPE 250扫描所选的信道以检验现用信号的存在。具体地，CPE 250通过对接收到的具有导频音的正交频分复用(OFDM)信号的OFDM符号进行相关来执行“谱感测”，以便将得到的判定度量值(例如等式(10)、(11a)或者(12))与阈值进行比较，以检测是否存在现用信号。如果没有检测到现用信号，则在步骤315，CPE 250将在可用信道列表上将所选信道指示为可由WRAN系统使用(也称作频率使用映射)。然而，如果检测到现用信号，则在步骤320，CPE 250将所选信道标记为不可由WRAN系统使用。如本文使用的，频率使用映射仅仅是在例如图3的存储器295中存储的数据结构，该数据结构标识了在图3的WRAN系统中可以或者不可以使用的一个或者更多信道及其部分。例如，可用信道列表可以仅列出那些可用的信道，从而有效率地指示其它信道不可用。类似地，可用信道列表可以仅指示那些不可用的信道，从而有效率地指示其它信道可用。

在图5中示出了执行图4的步骤310的说明性流程图。在步骤360中，CPE 250对OFDM符号进行相关(例如，等式(3)或者(8b))。在步骤365中，CPE 250形成判定统计量或者判定度量T(等式(10)、(11a)或者(12))。在步骤370，CPE 250将计算出的判定度量T与阈值(可以经验地确定该阈值)进行比较。如果超过阈值，则假定DVB-T广播信号存在。否则假定DVB-T广播信号不存在。

现在参见图6，示出了在CPE 205中使用的接收机600的说明性部分(例如，作为收发器285的一部分)。仅示出了与本发明相关的接收机600的部分。图6所示的元件通常与图5的流程图的步骤的描述相对应。同样地，可以以硬件、软件或者作为硬件和软件的组合来实现图6所示的元件。在这点上，接收机600是基于处理器的系统，并且包括一个或者更多处理器和关联的存储器(由图6中以虚线框的形式示出的处理器690和存储器695来表示)。应当注意到，处理器690和存储器695可以与图3的处理器290和存储器295相同或者不同。接收机600包括调谐器605、用于计算OFDM符号之间的相关性的元件620、用于计算判定统计量的元件625以及阈值比较器630。为了简单，一些元件未在图6中示出，如，自动增益控制(AGC)元件、模数转换器(ADC)(如果处理是在数字域中进行的)、以及附加的滤波。除了该本发明的构思之外，这些元件对于本领域技术人员来说将是显而易见的。此外，本领域技术人员将认识到，一些处理在需要的时候可能涉及复杂信号路径。

在图4和5的流程图的情况下，对于每一个所选的信道(经由调谐器605选择的)，可能存在接收信号604。调谐器605包括用于提供接收到的OFDM符号的下变频器。元件620计算接收的OFDM信号之间的相关性以确定相关值。然后元625计算由等式(10)、(11a)和/或(12)表示的判定度量T。阈值比较器630将判定度量T与阈值进行比较以确定是否存在现用信号，并且经由供接收机使用的信号631来提供结果。

如上所述，通过使用可用的导频副载波，可以在低信噪比环境中检测基于OFDM的广播信号的存在。还应当注意到，尽管在图3的CPE250的情况下描述了本发明的构思，然而本发明并不限于此，本发明还应用于例如可以执行信道感测的BS 205的接收机。此外，不将本本发明的构思不限于WRAN系统，本发明的构思可以应用于执行信道或者谱感测的任何接收机。同样地，尽管在DVB-T系统的情况下描述了本本发明的构思，然而本发明的构思不限于此，本发明可应用于具有导频副载波的任何基于OFDM的系统。

考虑到上述，前述仅说明了本发明的原理，应当意识到，本领域技术人员能够设计出尽管本文没有显式描述的但是体现本发明的原理并且在本发明的精神和范围之内的许多备选方案。例如，尽管是以单独功能元件的形式加以说明的，然而可以在一个或者更多集成电路(IC)上体现这些功能元件。类似地，尽管被示为单独的元件，然而这些元件中的任何或所有(例如图3和6的元件)都可以在存储程序控制处理器中(例如，数字信号处理器)实现，所述存储程序控制处理器执行例如与图4和5中所示的一个或者更多步骤相对应的关联软件。此外，本发明的原理还可应用于其它类型的通信系统，例如卫星、无线保真(Wi-Fi)、蜂窝等等。事实上，本本发明的构思还可应用于固定或者移动接收机。因此应当理解，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对说明性实施例进行许多的修改并且可以设计出其它方案。