CN101820632B - 频谱共享方法及其相应的基站、移动终端和通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频谱共享方法及相应的基站、移动终端和通信系统。该方法用于包含一个基站和多个移动终端的系统中，该系统使用工作信道和备用信道进行通信。该方法包括：基站从工作信道或备用信道中确定信标信道，信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；基站将确定结果发送到移动终端；移动终端根据接收到的确定结果在工作信道或备用信道中设置信标信道；移动终端在所设置的信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信息。使用上述公开的技术方案，可以解决现有技术中频谱共享效率低的问题。

Description

频谱共享方法及其相应的基站、移动终端和通信系统

技术领域

本发明涉及无线资源管理领域，特别是涉及一种频谱共享方法及相应的基站、移动终端和通信系统。

背景技术

频谱共享已被证明是一种有效的频谱利用手段。在同类系统间使用频谱共享是一类常见的频谱共享场景。通常在这种情况下，没有中心实体对整个系统做全局性的管理协调，而是通过系统间的信标交换方式：具有相同PHY/MAC属性(PHY/MAC profile)的频谱共享系统通过在空中接口交换信标进行通信。信标携带系统或共存相关的信息，如资源分配映射、系统通信量负载、地理位置、资源竞争信息等。为了能够进行信标通信，通常的做法是将信标信道/时隙嵌入在工作信道中来进行信标传输。

在IEEE 802.22 WRAN协议中提出了一种在空中接口实现系统间通信的解决方案。WRAN工作在DTV许可频段。交叠的WRAN形成一个频谱共享群(Community)。为了对DTV业务提供合适的保护并共享空闲的DTV频谱，WRAN间需要彼此进行通信。WRAN的系统间通信依靠空中接口，不用骨干网(如IP网)的参与。

图6示出了现有技术中具有专用时隙自共存窗(SCW)时隙的WRAN MAC帧结构图。如图6所示，WRAN的系统间通信机制通过共存信标协议(CBP)报文交换实现。共存信标协议(CBP)报文交换在工作信道的上行流(upstream)子帧中的SCW上进行。WRAN中的上行流即为通常意义的上行信道(uplink)。CBP报文是携带针对交叠的WRAN小区间的频谱分配和共存的管理消息(如资源分配、信道利用、通信量负载、地理位置信息)的信标信息。SCW时隙位于MAC上行流子帧帧尾。基于是否需要进行系统间信息交换，每一个MAC帧中的该时隙是可选的。可以在定期模式(regular mode)或随机模式(random mode)下调度SCW时隙。在定期模式中，基站根据预设的模式周期性地调度SCW时隙。而在随机模式下，临时调度SCW时隙以处理紧急情况。

将信标信道嵌入工作信道能提供可靠的信令信道。然而，在频谱共享场景下，利用工作信道携带信标信息有如下缺点。

第一，用于在频谱共享系统间进行系统间通信的信标传送系统相关信息和共存相关信息。这些信息可以是系统负载、带宽/频谱占用、频谱偏好、频谱交易(trading)信令等。信标通信将耗费部分频谱资源，这在分布式频谱共享场景中尤为突出。在这种情况下，为了获得最佳的频谱利用率，每个参与频谱共享的成员系统需要知道在频谱共享群中的其它系统的完整信息。在WRAN中，CBP信标通信需要耗费一帧中高达12-15％的信道资源。通过工作信道携带信标信息的方法将占用工作信道中比例可观的信道资源，使得用于数据业务的信道资源变少。

第二，系统间的CBP信标通信更多的是因为不确定事件触发引起。可用频谱的变化便是一种典型的不确定事件。一旦在DTV主系统(或有时在WRAN次级系统中)中的频谱利用发生改变，频谱共享群中的系统应该通过发起群内的频谱重分配过程来适应这种情况，通过新产生系统间信标通信会话来完成这一自适应过程。由于频谱变化没有确定的行为特性，很多系统间信标通信过程通常采用随机调度。随机SCW时隙调度将导致工作信道中“频谱呼吸”现象，使得相邻帧之间的可用带宽变化无常并对资源管理和业务服务质量(QoS)保证带来了巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频谱共享方法，解决现有技术带来的问题。

提供了一种频谱共享方法，用于包含一个基站和多个移动终端的系统中，该系统使用工作信道和备用信道与其他频谱共享系统进行通信，该方法包括基站从工作信道或备用信道中确定信标信道，信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；基站将确定结果发送到移动终端；移动终端根据接收到的确定结果在工作信道或备用信道中设置信标信道；移动终端在所设置的信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信息。

本发明还提供了一种基站，使用工作信道和备用信道通过移动终端与其他频谱共享系统进行通信，该基站包括控制装置，用于从工作信道或备用信道中确定信标信道，信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；传输装置，用于将确定结果发送到移动终端。

本发明还提供了一种移动终端，使用工作信道和备用信道通过基站与其他频谱共享系统进行通信，移动终端包括控制装置，用于根据从基站接收到的信标信道确定结果在工作信道或备用信道中设置信标信道，信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；实施装置，用于在控制装置所设置的信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信信息。

本发明还提供了一种通信系统，包括如上所述的基站和多个如上所述的移动终端。

与现有的技术方案相比，上述技术方案具有以下优点。

第一、既然信标携带大量系统和共存信息以在频谱共享群间实现共存和资源共享，传送信标将耗费可观的频谱资源。现有技术中将工作信道选为信标的载体，将不得不保留MAC帧一部分用于信标传输和检测。在这种情况下，减少了用于数据业务的MAC帧资源。然而，根据本发明实施例的上述方案使用空闲(至少暂时空闲)的备用信道进行信标传送。与现有技术相比，用于数据通信的频谱量增加了，频谱利用率也增加了。

第二、在频谱共享环境中，信标通信可以是规律的或是随机的。意料之外的信标通信将加剧可用频谱资源的变化。在现有技术中，这种变化将引起不同程度的“频谱呼吸现象”，造成可用于数据业务的可用频谱动态变化。然而，根据本发明实施例的方案在备用信道上携带信标避免了“频谱呼吸”对数据业务通信的影响。

第三、现有技术中在信标信道中的信标传输通常基于竞争。因为根据本发明实施例的方案的备用信道中的信标信道与工作信道中的可选信道相比，是常规信道，所以在备用信道中传送信标可以有效地避免信标传输竞争。随着更多的信标信道可用，可以使得信标传输免于竞争和冲突。这进一步提高了频谱共享群中信标通信的可靠性。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：

图1示出了根据本发明实施例的系统和方法中工作信道和备用信道的MAC帧结构图；

图2示出了根据本发明实施例的用于频谱共享的系统的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的用于频谱共享的基站的方框示意图；

图4示出了根据本发明实施例的用于频谱共享的移动终端的方框示意图；

图5示出了根据本发明实施例的一个应用示例中BS和MS进行交互的过程示意图；

图6示出了现有技术中具有SCW时隙的WRAN MAC帧结构图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明进行详细描述。

在频谱共享中，可用频谱发生变化，可用的信道也发生变化。通常根据工作保护和业务连续性情况，将信道分为不同的类型。一般分为两类：工作信道和备用信道。前者是携带数据业务的活跃信道，后者是作为工作信道的候补的应急信道。

与已知的解决方案相比，根据本发明实施，在系统间信标通信中利用备用信道完成频谱的有效利用并消除“频谱呼吸”问题。由于备用信道在一段时间中空闲，通过对MAC协议进行适当的设计，能够适应性地使用备用信道携带资源需求的信标信息而不削弱备用信道的频谱检测和信道切换性能。

对备用信道MAC帧进行设计使其与工作信道MAC帧同步以易于进行信标传输和探测/检测。

下面以TDD系统为例对本发明实施例的结构和方法进行阐述。图1示出了根据本发明实施例的系统和方法中工作信道和备用信道的MAC帧结构图。在工作信道MAC帧的上行链路子帧帧尾定义一个可选的信标信道/时隙，这样的MAC帧结构可实现系统内和系统间的信标通信功能。备用信道中只包括一个信标信道，其与工作信道中可能的信标信道相同步。应该注意到，一旦在备用信道中使用信标信道，便可以取消工作信道中的可选信标信道，将工作信道中可选信标信道的资源用于数据通信，此时备用信道中的信标信道是正式的信道。

系统基站可采用主动或被动模式下对信标信道进行调度。在主动模式下，移动台(MS)可在信标信道中发送信标信息。而在被动模式中，MS可探测信标信道中其它系统的信标的存在。为了有利于信标探测，工作信道和备用信道应为所有的频谱共享系统所知。此外，在信标传输中，如果备用信道可用，应优先在备用信道上发送信标信息。在信标检测中，应首先检测相邻系统的备用信道。

根据本发明的实施例，为了支持频谱有效的信标通信过程，在UL-MAP信息元素(IE)中定义了关键管理消息。UL-MAP是一种下行链路管理消息，在如图1所示的每一个下行链路子帧的开始进行传输。表1示出了该消息的结构。为简洁起见，表1中只示出了与本发明相关的部分，但并不表示该消息不可以包含其它内容。如表1所示，其中：

连接ID(CID)用于识别基站和MS之间的连接。

上行链路间隔使用码(UIUC)用于指定上行链路间隔使用类型。

符号数(Number of symbols)用于限定UL-MAP中所指定信标信道持续时间，在本示例中设置符号数为2比特的情况下，信标信道持续时间最大为3个符号周期，根据具体的情况，也可以通过改变符号数来指定所需的其它信标信道持续时间。

信标信道编号(Beacon channel number)用于通知CID所标识的MS应在哪一个信道上进行操作。信标信道编号由基站决定，应遵循备用信道总是具有高于工作信道的调度优先级这一规则进行选取。在工作频段改变时，基站对该信息进行更新，并且也在MS中进行相应的更新。

语法	大小	备注
			UL-MAP_{
CID	12比特	连接ID，识别基站和MS之间的连接。
			UIUC	6比特	上行链路间隔使用码，用于指定上行链路间隔使用类型。如果UIUC＝0，主动模式，信标发送；如果UIUC＝1，被动模式，信标探测。
Number ofsymbols	2比特	在帧尾的信标信道/时隙的符号数。
			Beacon channelnumber	8比特	信道编号，指定在主动模式的情况下MS发送信标的信标信道，或被动模式的情况下MS监听媒介以获得信标的信标信道。
…
			}

表1用于频谱有效信标通信的UL-MAP信息元素

图2示出了根据本发明实施例的通信系统。为简洁起见，图2所示的系统中只显示了一个基站和多个移动终端。但在实际情景中，该通信系统通常包括多个基站和更多的移动终端。

图3示出了图2所示系统中的基站的方框示意图。图4示出了图2所示系统中的移动终端的方框示意图。为简洁起见，图3和图4中都只示出了与本发明实施例相关的组件，但并不意味着不能包括其它组件。

如图3所示，根据本发明实施例的基站至少具备：控制装置310，用于从工作信道或备用信道中确定信标信道，信标信道优先为备用信道，用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；传输装置320，用于将确定结果发送到移动终端。

此外，传输装置320还用于接收移动终端的探测报告；图3所示的基站还包括检测装置330，用于检测可用的频谱并产生检测结果；分类装置340，用于根据检测装置330的检测结果和传输装置320接收到的检测报告将可用信道分类为工作信道和备用信道；传输装置320还用于将分类装置340的分类结果发送到相关的移动终端。

此外，控制装置310还用于判断是否存在备用信道，如果存在，指定在一条备用信道中设置信标信道；如果不存在，在每一条工作信道中设置信标信道。

图3所示的基站还包括存储设备350，用于存储按照预设的规则排列备用信道形成的备用信道列表350，控制装置310还用于判断如果备用信道列表不为空，在备用信道列表中选择最靠前的备用信道中设置信标信道；如果备用信道列表为空，在每一条工作信道中设置信标信道。

如图4所示，根据本发明实施例的移动站至少具备：控制装置410，用于根据从基站接收到的信标信道确定结果在工作信道或备用信道中设置信标信道，信标信道优先为备用信道，用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；实施装置420，用于在控制装置410所设置的信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信息。

控制装置410还用于根据接收到的确定结果和接收到的信道分类信息判断确定结果中指定的信标信道是否是工作信道，如果是，选择在该工作信道中设置信标信道，如果不是，将当前工作信道切换为确定结果中所指定的备用信道，并在指定的备用信道中设置信标信道。

图4示出的移动终端还包括存储装置430，用于存储从基站发送的信道分类信息并将该信道分类信息发送到控制装置410。

虽然上面以分离的功能模块的形式描述了该实施例的基站和移动站，但是图3和图4中示出的每一个组件在实际应用中可以用多个器件实现，示出的多个组件在实际应用中也可以集成在一块芯片或一个设备中。下面对上述基站和终端交互实现频谱共享的技术流程做一个详细的阐述。

图5示出了根据本发明实施例的频谱有效信标通信的一个应用示例中基站(BS)和移动终端(MS)进行交互的过程。

如图5所示，步骤501中，MS和BS的检测装置330检测可用的频谱。在初始化之后，步骤502中，BS的分类装置340基于来自检测装置330的频谱检测结果和传输装置320接收到来自MS的频谱检测报告，将所有的可用信道分类成为不同的组。在本示例中，基本上将可用信道分为工作信道组和备用信道组。然后在步骤503中，通过传输装置320将信道分类信息Ch_Clss_info广播到相关的MS。当所使用的频段发生变化时，BS的分类装置340重新进行分类，并更新分类的结果。

一旦步骤504中的信标通信触发事件出现，BS发起与MS之间的通信，以对信标信道进行配置及利用配置的信标信道同其他频谱共享系统进行通信。需要注意的是，这里所说的触发事件既指突发事件，如意料之外的主系统(incumbent system)到达，也指常规的周期性的信标通信事件，如常规的系统间通信。

步骤505中，控制装置310确定备用信道组中是否有可用的备用信道，如果有，那么在步骤506中选择在其中的一个备用信道中设置信标信道，并且在步骤508中将其编号作为UL-MAP管理消息中的信标信道编号。这里的选取原则可以是分类装置340将所有可用的备用信道按照预设的规则排列(如按信道质量等指标进行排列)形成备用信道列表并存储在存储装置350中，控制装置310从该备用信道列表中选择最靠前的备用信道作为信标信道。同时，在步骤508中，控制装置310还在UL-MAP中指定信标信道持续时间，其长度由UL-MAP的符号数限定。

如果备用信道组为空，步骤507中，在每一条工作信道中设置信标信道。在这种情况下，控制装置310在工作信道上行链路子帧的帧尾调度信标信道，并且与选择备用信道作为信标信道类似，相应地在步骤508中设置UL-MAP中的消息。

在接收到UL-MAP信息后，步骤509中，由CID识别的MS中的控制装置410取出信标信道编号并基于接收到的Ch_Clss_info决定所指定的信标信道是否是备用信道。Ch_Clss_info可以存储在MS的存储装置420中以供控制装置410使用。如果是备用信道，在步骤510中，控制装置410将引导快速切换过程切换到图1所示的备用信道MAC帧，实施装置430在步骤511中根据UIUC值确定发送信标信息或检测其它系统的信标信息。在信标通信时间间隔后(其长度由UL-MAP的符号数限定)，控制装置410将MS返回工作信道进行正常数据传输操作。如果控制装置410确定指定的信标信道是工作信道，MS不需要进行信道切换处理，在步骤511中，实施装置430直接利用工作信道中的信标信道发送信标信息或检测其它系统的信标信息。

本发明实施例的上述方案中，将备用信道用于资源紧缺的系统间信标通信。主要的好处在于提高了频谱效率。备用信道是一种作为工作信道候补的应急信道。备用信道设置在频谱共享上下文中，提供系统保护和业务连续性。在变成活跃工作信道之前，备用信道会空闲一段时间，造成频谱资源的浪费。通过利用备用信道携带信标信息，工作信道能够免于繁重的信标信令开销。在这种情况下，可以将更多的频谱用于工作信道中的数据业务。

应该注意到该方案也是一种适应性的系统间通信解决方案。在该方案中，信标信道可以是备用信道或是工作信道。然而，备用信道具有高于工作信道的优先级。备用信道中的信标信道配置与工作信道中的信标信道配置完全相同，以利于信道切换和备用信道管理。这意味着该方案是容易实现的对现有频谱共享系统的增强，而无需对系统MAC协议或PHY层信令处理做出明显的改变。

本发明的技术方案同样适用于FDD系统。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种频谱共享方法，用于包含一个基站和多个移动终端的系统中，所述系统使用工作信道和备用信道与其他频谱共享系统进行通信，所述方法包括：

所述基站从所述工作信道或所述备用信道中确定信标信道，所述信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；

所述基站将确定结果发送到移动终端；

所述移动终端根据接收到的确定结果在所述工作信道或所述备用信道中设置信标信道；

所述移动终端在所设置的信标信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信息。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

所述基站根据自身的频谱测量和从移动终端接收到的频谱探测报告将可用信道分类为工作信道和备用信道。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在将可用信道分类为工作信道和备用信道后，将分类的结果发送到移动终端。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述将分类的结果发送到移动终端包括通过信道分类信息(Ch_Clss_Info)将所述分类的结果广播到相关的移动终端。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，当所使用的频段发生变化时，更新所述分类的结果。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述从工作信道或备用信道中确定信标信道包括：

判断是否存在备用信道；

如果存在，指定在一条备用信道中设置所述信标信道；

如果不存在，在每一条工作信道中设置所述信标信道。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括：将所有可用的备用信道按照预设的规则排列形成备用信道列表，

所述判断是否存在备用信道包括判断所述备用信道列表是否为空；

所述如果存在备用信道，指定在一条备用信道中设置信标信道包括如果所述备用信道列表不为空，在所述备用信道列表中选择最靠前的备用信道设置信标信道；

如果不存在，在每一条工作信道中设置信标信道包括如果所述备用信道列表为空，在每一条工作信道中设置信标信道。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述将所有可用的备用信道按照预设的规则排列形成备用信道列表包括：将所有可用的备用信道按照信道质量指标进行排列形成备用信道列表。

9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述将确定结果发送到移动终端包括使用在每一个下行链路子帧的开始，利用下行链路管理消息将设置结果发送到所述移动终端。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述下行链路管理消息是UL-MAP消息，所述UL-MAP消息包含以下字段：

连接标识(CID)，用于识别基站和移动终端之间的连接；

上行链路间隔使用码(UIUC)，用于指定上行间隔使用类型，当UIUC＝0时，处于主动模式，指示进行信标信息发送，当UIUC＝1时，处于被动模式，指示进行信标信息探测；

符号数，用于指示位于帧尾的信标信道/时隙中的符号数目；

信标信道编号，用于指定移动终端在主动模式时发送信标信息或在被动模式时监听媒介以获得信标信息的信标信道。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述移动终端根据接收到的设置结果在所述工作信道或所述备用信道中设置信标信道包括：

所述移动终端根据接收到的设置结果和接收到的信道分类信息判断确定结果中指定的信标信道是否是工作信道；

如果是，选择在该工作信道中设置信标信道；

如果不是，将当前工作信道切换为确定结果中所指定的备用信道，并在所述指定的备用信道中设置信标信道。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述设置信标信道包括：

在所述工作信道或指定的备用信道的上行信道子帧帧尾调度信标信道，所述信标信道的长度由所述UL-MAP消息中的符号数字段决定。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所设置的信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信息包括：

当所述UL-MAP消息中的上行链路间隔使用码的值为0时，在所述信标信道上发送信标信息；

当所述UL-MAP消息中的上行链路间隔使用码的值为1时，在所述信标信道上监听信标信道以获取信标信息。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，如果在所述备用信道中设置信标信道，在信标通信结束后，所述移动终端返回工作信道进行正常数据传输操作。

15.一种基站，使用工作信道和备用信道通过移动终端与其他频谱共享系统进行通信，所述基站包括：

控制装置，用于从所述工作信道或所述备用信道中确定信标信道，所述信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的信标信息；

传输装置，用于将确定结果发送到移动终端。

16.根据权利要求15所述的基站，其中，所述传输装置还用于接收移动终端的探测报告；

所述基站还包括：

检测装置，用于检测可用的频谱并产生检测结果；

分类装置，用于根据所述检测装置的检测结果和所述传输装置接收到的检测报告将可用信道分类为工作信道和备用信道；

所述传输装置还用于将所述分类装置的分类结果发送到相关的移动终端。

17.根据权利要求16所述的基站，其中，所述控制装置还用于判断是否存在备用信道，如果存在，指定在一条备用信道中设置所述信标信道；如果不存在，在每一条工作信道中设置所述信标信道。

18.根据权利要求16所述的基站，还包括：

存储备用信道列表的存储单元，所述备用信道列表用于按照预设的规则排列备用信道；

所述控制装置还用于判断如果所述备用信道列表不为空，在所述备用信道列表中选择最靠前的备用信道设置信标信道；如果所述备用信道列表为空，在每一条工作信道中设置信标信道。

19.一种移动终端，使用工作信道和备用信道通过基站与其他频谱共享系统进行通信，所述移动终端包括：

控制装置，用于根据从基站接收到的信标信道确定结果在所述工作信道或所述备用信道中设置信标信道，所述信标信道用于发送信标信息或监听媒介中的其它信标信息；

实施装置，用于在所述控制装置所设置的信道中发送信标信息或监听媒介中的信标信息。

20.根据权利要求19所述的移动终端，其中，所述控制装置还用于根据所述接收到的确定结果和接收到的信道分类信息判断确定结果中指定的信标信道是否是工作信道，如果是，选择在该工作信道中设置信标信道，如果不是，将当前工作信道切换为确定结果中所指定的备用信道，并在所述指定的备用信道中设置信标信道。

21.根据权利要求20所述的移动终端，其中，如果所述信标信道设置在所述备用信道中，所述控制装置还用于在信标通信结束后，将所述移动终端切换回工作信道进行正常数据传输操作。

22.根据权利要求21所述的移动终端，还包括存储装置，用于存储从基站发送的信道分类信息以供所述控制装置使用。

23.一种通信系统，包括如权利要求15至18中任意一项所述的基站和多个如权利要求19至22中任意一项所述的移动终端。

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