在认知无线电网络中规则遵循模式的动态重新配置

摘要

一种用于动态重新配置设备的规则遵循模式的方法，该设备属于无线网络并且在频谱带中由主要用户在网络操作模式（311,321,322）下操作。该方法包括周期性地确定下列至少一个：设备的主要保护能力（501,502,704,705）、使能信号对设备的可用性（601,701）、以及设备的位置改变的频率（508,510,711,712）；并且基于这种确定的结果，根据由设备支持的多个规则遵循模式之一操作并配置设备的传输参数。该无线设备包括：信号收发器（201），用于处理、发送和接收来自次要设备的无线信号；主要信号感测模块（202），用于检测主要信号；频谱管理器（204），用于选择或取消选择操作频道；以及地理定位模块，用于确定设备的位置。该无线设备可以进一步包括用于访问TV频带数据库和地理定位数据库的网络接口（203）。

说明书

技术领域

本申请要求2009年8月5日提交的美国临时申请No.61/231,388的权益。

本发明总体涉及认知无线电网络中的设备，并且更具体地涉及一种用于基于设备的既有保护机制能力的使用而动态重新配置规则遵循（regulation-compliance）模式的方法和设备。

在增加频谱使用效率的努力中，无线频谱规则已经日益朝向允许次要用户动态访问未被主要用户使用的信道而改变。然而，在允许次要用户访问无线频谱方面，如美国联邦通信委员会（FCC）和英国通信办公室那样的监管机构定义了一组机制来保护主要用户免受次要用户造成的干扰。要求次要用户采用被称为主要保护机制的保护机制，以便在主要用户的规定的无线频谱中操作。

取决于所采用的主要保护机制，次要用户被归类到若干规则遵循模式之一中。每个主要保护机制或规则遵循模式就操作而言具有它自己的优点和局限性。例如，（在网络形成、信道选择和传输功率限制方面）操作的成本（实施和操作成本）和自由度可以变化。通常，采用更完整的保护机制组（或更多层级）的设备以更高的实现成本为代价享受更高的自由度来初始化网络并选择信道和设置传输功率限制。

所述监管机构依据所采用的主要保护机制将次要用户归类到若干规则遵循模式中。例如，FCC定义了用于未经许可的个人/便携式设备（次要电视频带设备，TVBD）在TV频带中操作的三种规则遵循模式，其中TV站和无线麦克风是既有者（主要用户）。这3种规则遵循模式是模式II、模式I和仅感测模式。此外，FCC还定义了用于高功率未经许可的TVBD（与个人/便携式TVBD相对）的第四个规则遵循模式设备，即固定设备。

要求在模式II中操作的设备具有以+/-50m精确度确定其位置的能力并且访问TV频带数据库以便确定信道可用性。当前规定还要求模式II设备具有附加的频谱感测能力。允许模式II设备初始化网络并将其传输功率限制设置为100mW。相反地，不要求模式I设备具有地理定位能力或访问TV频带数据库，但是要求模式I设备具有感测能力。然而，模式I设备不能初始化网络并且仅被允许作为由模式II设备（或固定设备）使能的从属设备来操作。仅感测设备采用所述感测能力并且不被要求具有地理定位能力或访问TV频带数据库。仅感测设备可以独立地初始化网络并确定信道可用性。然而，仅感测设备的传输功率被限于50mW。作为另一个实例，英国的频谱管理部门（通信办公室）允许两种规则遵循模式设备：仅地理定位或仅感测。

每个主要保护机制且因此规则遵循模式就操作而言具有优点和局限性。地理定位数据库途径（模式II）依赖实时地理定位和对因特网的及时访问，其在某些时候和在某些位置中可能是丢失的或不可用的，或在设备经常重新定位的情况下可能是非常昂贵的。根据当前FCC规定，如果位置改变，模式II设备需要再次查询TV频带数据库。对于所述感测途径，需要期间所有传输被暂停的静默期，这损失了频谱使用效率。感测还因不正确地将噪声视作主要信号而经受错误的警报。仅允许所述仅感测设备以比支持地理定位数据库途径的功率限制更低的功率限制来传输。

因此，如上文所指出的，次要设备受监管遵循需求限制。将次要设备限制于一个规则遵循模式限制了其操作灵活性和/或增加了其操作成本，比如功率消耗。

根据本发明的一个实施例，提出了一种用于基于一组主要保护机制的使用而动态重新配置次要设备的规则遵循模式的方法。所提出的方法的优点之一是，可以降低次要设备的操作成本，并且可以增加其选择信道和传输功率的自由度。因此，TVBD可以具有更长的电池寿命、更多供选择的信道和/或更高的链接质量。

根据本发明的示范性实施例，所公开的特征允许次要设备：

- 识别它自己和其他次要设备的规则遵循模式并且相应地建立通信；

- 动态重新配置其规则遵循模式以最适合网络操作的需要。例如，感测和地理定位数据库组合设备（例如，模式II TVBD）可以关闭地理定位和TV频带数据库访问而依赖仅感测以便改进其便携性/移动性；

- 通过使能信号使能从属设备。

在本发明的一个示例实施例中，提供一种用于动态重新配置作为无线网络的一部分并且在频谱带中由主要用户在网络操作模式下操作的设备的规则遵循模式的方法。该方法包括周期性地确定下列至少一个:设备的主要保护能力、对设备而言使能信号的可用性、以及设备的位置改变的频率；并且基于这种确定的结果，根据由设备基于其网络操作模式支持的多个规则遵循模式之一操作并配置设备的传输参数。

在本发明的另一个示例实施例中，提供一种作为无线网络的一部分且用于在频谱带中由主要用户在网络操作模式下操作的设备。该无线设备包括：信号收发器，用于处理、发送和接收来自次要设备的无线信号；主要信号感测模块，用于检测主要信号；以及频谱管理器，用于选择或取消选择操作频道。该无线设备可以进一步包括用于访问TV频带数据库和确定其地理位置的网络接口。

被认为是本发明的主题在本说明书的结束处的权利要求中被具体指出并清楚地要求保护。本发明的前述和其他特征和优点将根据下面结合附图所进行的详细描述而清楚明白。

图1示出了根据本发明的实施例由次要设备进行的对频谱可用性的确定。

图2示出了根据本发明的实施例的次要设备的框图。

图3示出了形成主从关系或对等关系的多个次要设备。

图4示出了根据示范性实施例的信标传输的时序图。

图5示出了根据示范性实施例在主设备中规则遵循模式的动态重新配置的流程图。

图6示出了根据示范性实施例在从设备中规则遵循模式的动态重新配置的流程图。

图7示出了根据示范性实施例在对等设备中规则遵循模式的动态重新配置的流程图。

重要的是注意到，所公开的实施例仅仅是本文的创新教导的许多有利使用的示例。一般地，本申请说明书中进行的叙述不一定限制各种要求保护的发明中的任何一个。而且，一些叙述可以应用于一些发明特征但是不能应用于其他发明特征。一般地，除非另外指示，单数元件可以是复数的，且反之亦然而不失一般性。在附图中，贯穿若干视图，相似的数字指代相似的部分。

如图1所示，在一个示例实施例中，频谱可用性通过频谱感测和TV频带/地理定位数据库来确定。次要主设备101可以例如通过网络接口在因特网131上访问TV频带/地理定位数据库141。TV频带/地理定位数据库141基于次要主设备101的地理位置提供TV频带信息。次要主设备101还可以感测来自主要设备121的信号。

对于次要客户端设备111，通常，频谱可用性通过主要设备121的频谱感测以及从其相关联的次要主设备101接收的信令来确定。

图2示出了次要设备的框图。次要设备200包括次要信号收发器201、主要信号感测模块202、网络接口203、频谱管理器204和地理定位模块205。次要信号收发器201负责在次要设备之间处理、发送以及接收无线信号。网络接口203提供对TV频带数据库和地理定位数据库的访问，所述数据库可以通过例如因特网而被远程地连接。主要信号感测模块202负责检测主要信号。频谱管理器204基于频谱数据库和频谱感测来选择或取消选择次要设备的操作频道。地理定位模块205周期性地或在设备的位置改变时典型地在+/-50米内确定设备的位置。频谱管理器204和地理定位模块205可以是设备中设备管理器206的组件部分。

包括设备管理器206的组件可以被实现为硬件组件（硬件电路），其包括例如现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、门阵列、逻辑门组合、信号处理电路、模拟电路等等。所述组件可以包括作为用于将上述处理实现为软件的部分（片段）的软件组件，并且不是限制语言、开发环境和用于实现该软件的类似物的概念。该软件组件包括例如任务、进程、线程、驱动器、固件、数据库、表、函数、过程、子例程、程序代码的某个部分、数据结构、阵列、变量、参数等等。这种软件组件在一个或多个存储器（一个或多个特殊处理器（例如，特定的CPU（中央处理单元）、DSP（数字信号处理器）等等）上实现。上述实施例中的每一个不限制实现上述处理段的每一个的方法。

如图3所示，包括多个次要设备的网络可以形成为对等关系（自组织网络310）或主从关系（基于基础设施的网络320）。次要设备可以操作为对等设备311、主设备321或从/客户端设备322。

在一个实例实施例中，至少一个设备利用如图4所示的介质访问控制（MAC）超帧定时结构400周期性地传输信标。

设备类型和规则遵循模式识别

该设备类型特征在于所选的网络操作模式和规则遵循模式以及安全模式（可选的）。该网络操作模式指示网络拓扑形成和网络中设备的作用。该网络操作模式可以是主设备、从设备或对等设备。

该规则遵循模式由规则来定义。在上面所讨论的FCC示例中，规则遵循模式可以是模式II、模式I或仅感测模式。在另一个示例（通信办公室）中，该规则遵循模式可以是仅地理定位或仅感测。

在示例实施例中，如果设备是发信标设备，则该设备类型应当被合并在信标帧中。主设备和对等设备是发信标设备。从设备依据其能力可以是发信标设备。信标在信标周期（BP）中被周期性地传输，其具有如表1中所示的信标帧载荷格式。

表1-信标帧载荷格式。

根据示例实施例，该设备类型的信息域编码在表2中示出。

表2-设备类型。

使能从属设备

在规则遵循模式（模式II）中操作的设备可以使能从属设备，其自己不能确定信道可用性。为此，使能设备（模式II设备）需要指示规则遵循模式和从属设备操作的可用信道的传输功率限制。

该使能信号被定义如下：

{

- 规则遵循模式（=模式II）

- 当前操作信道上从属设备的传输功率限制

- 可用的带外信道和它们的传输功率限制（可选的）

}

该传输功率限制按照信道定义。带内传输功率限制是当前操作信道的传输功率限制。可允许的带外信道是可用信道，而非当前操作信道。可允许的带外信道可以用于备用信道。如果当前操作信道变得不可用，一个可允许带外信道可以被选择为新操作信道。该带内传输功率限制和可允许带外信道的信息元素分别在表3和表4中示出。

表3-带内传输功率限制的信息元素。

表4-可允许带外信道的信息元素。

该使能信号由该使能设备在其信标中周期性地传输。一旦该使能信号被接收，设备可以操作为相对于使能设备的从属设备。该从属设备需要指示它的规则遵循模式并且配置如由该使能设备指示的它自己的传输参数（信道设置和传输限制）。

规则遵循模式重新配置

主设备可以在模式II（或英国的仅地理定位）或仅感测模式中操作。从设备可以在模式I或仅感测模式中操作。对等设备可以在模式II、模式I或仅感测模式中操作。规则遵循模式与网络操作模式之间的关系在表5中示出。

表5-规则遵循模式-网络操作模式。

注意可能的是，一些从设备可以具有在模式II中操作的能力。

该规则遵循模式可以基于下列输入从一个改变到另一个：

{

（1）主要保护能力：感测函数或地理定位数据库访问函数或从属的

（2）网络操作模式：主/从/对等

（3）位置更新频率或移动速度

（4）使能信号的可用性。  

}

在图5、图6和图7中分别示出了用于次要主设备、从设备和对等设备的规则遵循模式的（重新）配置的流程图。注意到，一旦规则遵循模式被改变，包括要操作的信道和传输功率限制的传输参数应当被相应地更新。在一个示例中，如果设备将其规则遵循模式从模式II改变为仅感测模式，则如规则的规定所指定，该传输功率限制从100mW被改变为50mW。

图5示出了根据示例实施例在主设备500中用于（重新）配置规则遵循模式的流程。在501处，主设备确定对地理定位数据库的访问是否被使能。如果未被使能，在502处，主设备在仅感测模式中操作；并且在503处，根据其当前遵循模式配置其传输参数。在504处，主设备设置计时器T3，并且在505处，当计时器T3期满时，它重复步骤501以确定对地理定位数据库的访问是否被使能。如果对地理定位数据库的访问被使能，在506处，主设备确定其位置并且尝试访问地理定位数据库。如果这种尝试失败一定时间周期（由监管规定设置的最大数据库检查周期），则该主设备执行步骤502以相应地在仅感测模式中操作。如果对数据库的访问以及位置确定是成功的，在507处，主设备在模式II中操作，根据其当前遵循模式配置其传输参数，周期性地发送使能信号，在不必要时关闭感测，以及设置计时器T1。在508处，主设备确定其位置是否已经改变；如果未改变，在509处，当计时器T1期满时，它返回到506以访问地理定位数据库并确定其位置。如果主设备的位置已经改变，在510处，主设备确定位置改变是否太频繁，即改变的频率是否超过阈值。如果位置改变太频繁，在511处，主设备在仅感测模式中操作并且设置计时器T2。在512处，当计时器T2期满时，主设备重复510中的操作以确定位置改变是否太频繁。如果位置改变不太频繁，则主设备重复506中的操作以访问地理定位数据库并确定其位置。

图6示出了根据示例实施例在从设备600中用于（重新）配置规则遵循模式的流程。在601处，从设备确定它是否正在从主设备接收使能信号。如果使能信号未被接收，在602处，从设备在仅感测模式中操作，并且在603处根据其当前遵循模式配置其传输参数。如果使能信号正被接收，在604处从设备在模式I中操作，并且在603处根据其当前遵循模式并且按照在使能信号中由主设备所指定的来配置其传输参数。

图7示出了根据示例实施例在对等设备700中用于（重新）配置规则遵循模式的流程。在701处，对等设备确定它是否正在从另一个对等设备接收使能信号。如果是，在702处，对等设备在操作模式I中操作，并且在703处根据其当前遵循模式配置其传输参数。如果使能信号未被接收，在704处对等设备确定对地理定位数据库的访问是否被使能。如果未被使能，在705处，对等设备在仅感测模式中操作，并且在706处根据其当前遵循模式配置其传输参数。在707处，对等设备设置计时器T3，并且在708处，当计时器T3期满时，它重复701中的操作以确定来自另一个对等设备的使能信号是否正被接收。如果对地理定位数据库的访问被使能，在709处，对等设备尝试访问地理定位数据库并且确定其位置。如果这种尝试失败一定时间周期（由监管规定设置的最大数据库检查周期），则该对等设备执行705中的操作以相应地在仅感测模式中操作。如果对数据库的访问以及位置确定是成功的，在710处，对等设备在模式II中操作，根据其当前遵循模式配置其传输参数，周期性地发送使能信号，在不必要时关闭感测，以及设置计时器T1。在711处，对等设备确定其位置是否已经改变；如果未改变，在715处，当计时器T1期满时，它重复709中的操作以访问地理定位数据库并确定其位置。如果对等设备的位置已经改变，在712处，对等设备确定位置改变是否太频繁，即改变的频率是否超过阈值。如果位置改变太频繁，在713处，对等设备在仅感测模式中操作并且设置计时器T2。在512处，当计时器T2期满时，对等设备重复712中的操作以确定位置改变是否太频繁。如果位置改变不太频繁，则对等设备重复709中的操作以访问地理定位数据库并确定其位置。

本发明适用于例如IEEE 802.11、IEEE 802.15和ECMA TC48-TG1，以及其他新兴认知无线电标准。

以上详细描述已经阐述了本发明可以采取的许多形式中的一些。针对以上详细描述，旨在将其理解为对本发明可以采取的所选形式的说明，而不应当理解为对本发明的定义的限制。只有权利要求（包括所有等价物）旨在定义本发明的范围。

最优选地，本发明的原理被实现为硬件、固件和软件的任何组合。而且，软件优选地被实现为有形地体现在由部分或由某些设备和/或设备的组合构成的程序存储单元和计算机可读存储介质上的应用程序。计算机可读存储介质包括所有计算机可读介质，除了暂时的传播信号之外。该应用程序可以被上传到包括任何适当架构的机器并由该机器执行。优选地，该机器在具有诸如一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口之类的硬件的计算机平台上实现。该计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。本文所描述的各种过程和功能可以是微指令代码的一部分或应用程序的一部分，或其任意组合，其可以由CPU执行，无论这种计算机或处理器是否被明确地示出。此外，各种其他外围单元可以连接到计算机平台，比如附加的数据存储单元和打印单元。