CN1956365A

CN1956365A - 用于频谱感测认知无线电的系统、方法及装置

Info

Publication number: CN1956365A
Application number: CNA2006101528388A
Authority: CN
Inventors: 禹王命; 李彰浩; 李贞硕; 金学善
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: CN1956365B; US20070091998A1; GB0620947D0; FI20065664L; GB2431548B; US7710919B2; GB2431548A; FR2892580A1; KR20070043604A; DE102006049094A1; KR100835077B1; FI20065664A0

Abstract

本发明提供了用于频谱感测认知无线电的系统、方法及装置，其用于检测和利用可用RF频谱源。该频谱感测认知无线电包括：至少一个天线；以及频率敏捷式无线电前端模块，其与至少一个天线进行通信，用于通过至少一个天线发射和接收射频信号。此外，可包括粗感测模块和细感测模块中的一个或两个频谱感测模块可与至少一个天线进行通信，用于生成RF频谱使用信息。媒介访问控制(MAC)模块用于从频谱感测模块接收RF频谱使用信息。基于所接收的RF频谱使用信息，MAC模块至少部分地基于所接收的频谱使用信息来指导无线电前端模块的运行频率。

Description

用于频谱感测认知无线电的系统、方法及装置

相关申请的交叉参考

本申请要求于2005年10月21日提交的题为“Systems，Methods，and Apparatuses for Spectrum-Sensing Cognitive Radios”的美国临时申请第60/729,036号以及于2005年10月21日提交的题为“Systems，Methods，and Apparatuses for Spectrum-Sensing Modules”的美国临时申请第60/729,035号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。此外，本发明涉及以下共同未决、共同转让的美国申请，其全部内容结合于此作为参考：于2006年7月18日提交题为“Systems，Methods，and Apparatuses for Coarse-Sensing Modules”的申请第＿＿＿＿号以及于2006年7月18日提交的题为“Systems，Methods，and Apparatusesfor Fine-Sensing Modules”的申请第＿＿＿＿号。

技术领域

总的来说，本发明涉及无线通信，更具体地，涉及频谱感测认知无线电。

背景技术

在美国和许多其它国家，如FCC(联邦通信委员会)的管理团体经常管理并分配射频频谱的使用，以实现诸如商业、地方、国家政府的实体以及个人的通信需要。更具体地，FFC为商业或公共事业的实体和个人(“被许可方”)许可许多频谱段。这些被许可方可具有专有权，以在特定时间量在具体地区利用他们各自被许可的频谱段。这种许可的频谱段认为是必须的，以防止或消除与其它源的干扰。然而，如果在特定的时间特定的位置没有使用特定的频谱段(“可用频谱”)，则另一个装置可以利用这种可用频谱来进行通信。这种可用频谱的利用有助于射频频谱或其部分更加有效地使用。

先前披露的用于确定可用频谱的频谱感测技术已经遇到阻力，这是因为至少两个原因：(1)它们不能在复杂信号格式下起作用或(2)它们要求过高的硬件性能和/或计算功耗。例如，已经披露了一种频谱感测技术，其中，非相干能量检测器执行窄带输入信号的傅立叶变换(FFT)的计算。FFT提供窄带输入信号的频谱分量，该频谱分量随后与预定阈值电平(threshold level)进行比较以检测有意义的信号接收。然而，未知和改变的噪声电平会对这个预定阈值电平产生强烈的影响。此外，能量检测器不能区分调制信号、噪声和干扰信号之间的差别。因此，其不能在诸如扩展频谱信号、频率跳变、以及多载波调制的复杂信号格式下起作用。

作为另一实例，已经披露了循环平稳特征检测技术，如采用调制信号的循环特征、正弦载波、周期性脉冲序列、重复跳频图案、循环字首(cyclic prefix)等的频谱感测技术。计算频谱相关功能，以检测诸如调制类型、符号率、以及干扰存在的信号特点。由于检测范围和频率分辨率是折中的，所以数字系统升级是唯一改善宽带输入信号频谱的检测分辨率的方法。然而，这种数字系统升级要求过高的硬件性能和计算功耗。此外，灵活或可扩展的(scalable)检测分辨率在硬件不改变的情况下不可用。

因此，工业上需要一种允许利用可用频谱同时使硬件和功耗需求最小化的认知无线电。

发明内容

根据本发明的实施例，提供用于利用可用频谱源的认知无线电。认知无线电可包括与频率敏捷式操作相结合的频谱感测。根据本发明的实施例，可以模拟形式执行可包括粗和/或细频谱感测的频谱感测。根据本发明的实施例，粗感测技术可利用小波转换，以提供称为多分辨率频谱感测(MRSS)的多分辨率感测特征。根据本发明的实施例，细感测技术可利用自相关函数的有利特性，以用于模拟自相关(AAC)。根据本发明实施例的频谱感测可由此检测在包括IS-95、WCDMA、EDGE、GSM、Wi-Fi、Wi-MAX、Zigbee、蓝牙、数字TV(ATSC、DVB)等的各种通用和新兴无线标准中所采用的各种复杂信号格式。此外，根据本发明实施例的这些频谱感测技术的模拟实施提供了若干特征，其包括宽带频率范围的快速检测、低功耗、和低硬件复杂性中的一个或多个。

根据本发明的实施例，提供了一种认知无线电系统。该认知无线电系统包括：至少一个天线；无线电前端模块，其与至少一个天线进行通信，用于通过至少一个天线发射和接收射频信号；以及频谱感测模块，其与至少一个天线进行通信，用于生成射频(RF)频谱使用信息。该认知无线电系统还包括媒介访问控制(MAC)模块，其用于从频谱感测模块接收RF频谱使用信息，其中，MAC模块至少部分地基于所接收的频谱使用信息指导无线电前端模块的运行频率。

根据本发明的一个方面，至少一个天线可包括第一天线和第二天线，其中，无线电前端模块可与第一天线进行通信，以及频谱感测模块可与第二天线进行通信。根据本发明的另一方面，频谱感测模块可包括粗感测模块和细感测模块中的至少一个，其中，粗感测模块提供与频谱占有率相关的频谱使用信息，以及细感测模块提供与信号识别相关的频谱使用信息。与信号识别相关的频谱使用信息可涉及调制方案和帧类型中的至少一个。频谱感测模块可生成与频谱占有率相关的频谱使用信息，以及根据MAC模块的请求，可生成与信号识别相关的频谱使用信息。根据本发明的另一方面，该认知无线电系统还可包括模数转换器，其将所生成的频谱使用信息数字化，其中，经过数字化的频谱使用信息可被媒介访问控制模块接收。根据本发明的又一方面，频谱感测模块可为模拟、宽带频谱感测模块。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于实施认知无线电系统的方法。该方法包括：在频谱感测模块处接收无线电信号；以及至少部分地基于所接收的无线电信号，通过频谱感测模块生成频谱信息。该方法还包括：在媒介访问控制模块处接收频谱信息；至少部分地基于频谱信息，通过媒介访问控制模块确定未被占用的频谱；以及重新配置收发机，以在未被占用的频谱中运行。

根据本发明的一个方面，生成频谱信息可包括生成用于确定频谱占有率的信息。根据本发明的另一方面，生成频谱信息可包括根据来自媒介访问控制模块的请求生成用于信号识别的信息。此外，频谱感测模块可包括生成用于确定频谱占有率的信息的模块。频谱感测模块还可包括生成用于信号识别的信息的模块。根据本发明的又一方面，在频谱感测模块处接收无线电信号包括在模拟、宽带频谱感测模块处接收无线电信号。

根据本发明的又一实施例，提供了一种频谱感测系统。该频谱感测系统包括：粗感测模块，其利用小波转换，以生成表示频谱使用的信号；频谱识别模块，其与粗感测模块进行通信，至少部分地基于来自粗感测模块的信号来确定占用的频谱段；以及细感测模块，生成表示通过频谱识别模块所识别的占用频谱段的信号类型特征的信号。

根据本发明的一个方面，该系统还包括至少一个模数转换器，用于将表示频谱使用的信号以及表示信号类型特征的信号数字化，其中，可将经过数字化的表示频谱使用的信号以及经过数字化的表示信号类型特征的信号提供给频谱识别模块。根据本发明的另一方面，细感测模块可至少部分地基于输入信号的周期特性生成表示信号类型特征的信号。系统类型特征可与输入信号的调制格式和帧结构中的至少一个相关。根据本发明的另一方面，频谱识别模块可与细感测模块进行通信。类似地，频谱识别模块可至少部分地基于来自细感测模块的信号来确定未被占用的频谱段。根据本发明的又一方面，粗感测模块和细感测模块中的至少一个可在模拟域中运行。

附图说明

现在，将参照附图用一般术语描述本发明，其中，附图不需要按比例绘制，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的示例性认知无线电系统的功能性框图；

图2示出了图1中认知无线电系统的示例性流程图；

图3示出了根据本发明实施例的小波脉冲宽度和小波脉冲频率之间的折中；

图4A示出了根据本发明实施例的示例性多分辨率频谱感测(MRSS)实施(implementation)的框图；

图4B示出了根据本发明实施例的可扩展的分辨率控制的实例；

图5A示出了两调信号(two-tone signal)的波形，以及图5B示出了根据本发明实施例的将通过MRSS实施进行检测的对应频谱；

图6示出了根据本发明实施例的小波脉冲链的波形；

图7A示出了I-Q正弦载波的I分量波形，以及图7B示出了根据本发明实施例的I-Q正弦载波的Q分量波形；

图8A示出了根据本发明实施例的利用I-Q正弦载波的I分量从小波发生器获得的调制小波脉冲；

图8B示出了根据本发明实施例的利用I-Q正弦载波的Q分量从小波发生器获得的调制小波脉冲；

图9A示出了根据本发明实施例的具有I-Q正弦载波的I分量的输入信号的相关输出信号波形；

图9B示出了根据本发明实施例的具有I-Q正弦载波的Q分量的输入信号的相关输出信号波形；

图10A示出了根据本发明实施例的在给定间隔内对于具有I-Q正弦载波的I分量的相关值，通过积分器和模数转换器所获得的采样值；

图10B示出了根据本发明实施例的在给定间隔内对于具有I-Q正弦载波的Q分量的相关值，通过积分器和模数转换器所获得的采样值；

图11示出了根据本发明实施例的由MAC模块中的频谱识别模块所检测到的示例性频谱形状；

图12至图17示出了根据本发明实施例的由MRSS实施所检测到的各种信号格式的仿真；

图18示出了根据本发明实施例的粗感测模块的示例性电路图；

图19示出了根据本发明实施例的使用AAC功能的示例性细感测技术的功能性框图；

图20A示出了根据本发明实施例的前导码所跟随的示例性数据OFDM符号；

图20B示出了根据本发明实施例的将利用AAC实施检测的输入IEEE802.11a信号的频谱；

图21A示出了输入IEEE802.11a信号，以及图21B示出了根据本发明实施例的经过延迟的IEEE802.11a信号；

图22示出了根据本发明实施例的原始输入信号和经过延迟的信号之间的相关波形；

图23示出了根据本发明实施例的通过积分器生成的波形；以及

图24示出了根据本发明实施例的频率敏捷式无线电前端的示例性结构。

具体实施方式

以下，将参照附图更加全面地描述本发明，在附图中示出一些但不是所有的实施例。当然，这些发明可以许多不同的形式实施，并不限于本文所描述的实施例，相反，提供这些实施例使得本公开满足可应用的法律要求。通篇中相同的标号表示相同的元件。

本发明的实施例涉及用于采用有限频谱源的认知无线电系统、方法及装置。认知无线电可允许超过覆盖多个移动通信协议和标准的宽频范围的协议/或机会频谱共享。根据本发明，认知无线电的实施例能够智能地检测无线电频谱中频段的使用以及迅速地利用任何临时不用的频谱段，而不干扰其它授权用户之间的通信。这些认知无线电的使用允许多机种无线网络(例如，使用不同的通信协议、频率等)彼此共存。这些无线网络可包括蜂窝网络、无线个域网(PAN)、无线局域网(LAN)、以及无线城域网(MAN)。这些无线网络还可与包括数字TV网络的电视网络共存。对本领域的技术人员来说，根据本发明可利用其它类型的网络。

A.认知无线电的系统概述

图1示出了根据本发明实施例的示例性认知无线电系统的功能性框图。具体地，图1示出了认知无线电100，其包括天线116、发射/接收转换器114、无线电前端108、模拟宽带频谱感测模块102、模数转换器118、信号处理模块126、以及媒体访问控制(MAC)模块124。

在结合图2的流程图描述的图1的认知无线电系统运行期间，可通过天线116接收射频(RF)输入信号。在本发明的示例性实施例中，天线116可为超过可能从几兆赫兹(MHz)至几吉赫兹(GHz)范围的宽频范围仍可操作的宽带天线。由天线116接收的输入信号可被传送，或通过发射/接收转换器114提供给模拟宽带频谱感测模块102(块202)。频谱感测模块可包括粗感测模块104和细感测模块106中的一个或两个。如它们的名字所表示的，粗感测模块104可检测可疑频谱段(例如，可能利用的频谱段)的出现或存在，而细感测模块106可详核或分析所检测的可疑频谱段，以确定其中利用的具体信号类型和/或调制方案。

重新参照图2，粗感测模块104可首先确定所接收的输入信号的频谱占有率(块204)。频谱占有率信息可通过模数(A/D)转换器118从模拟形式转换为数字形式，在本发明的示例性实施例中，模数转换器118可为低速A/D转换器(ADC)。由A/D转换器118提供的数字频谱占有率信息可由媒体访问控制(MAC)模块124中的频谱识别模块120来接收。频谱识别模块120可对数字频谱占有率信息执行一种或多种计算，以识别一个或多个频谱段当前是否正在使用或是否被别人占用。频谱识别模块120可以硬件、软件、或它们的结合来实施。

在一些情况下，基于所识别的频谱段，MAC模块124可请求更加精确地搜索频谱占有率(块206)。在这种情况下，细感测模块106可用于识别在频谱占有率的至少一部分中所利用的具体信号类型和/或调制方案(块208)。然后，可通过A/D转换器118数字化识别信号类型和/或调制方案的信息，然后将其提供给频谱识别模块120。关于信号类型和/或调制方案的信息必须确定在所检测的可疑频谱段内的干扰的影响。

根据本发明的实施例，频谱识别模块120可将来自粗感测模块104和/或细感测模块106的信息与频谱使用数据库进行比较(块210)，以确定可用的(例如，没被占用的或安全的)频谱槽(spectrumslot)(块212)。频谱使用数据库可包括关于已知信号类型、调制方案、以及相关频率的信息。类似地，频谱使用数据库可包括一个或多个用于确定来自粗感测模块104和/或细感测模块106的信息是否表示一个或多个占用频谱的阈值。根据本发明的示例性实施例，可基于从外部源接收的信息来更新频谱使用数据库，外部源包括周期广播形式基站或其它远程站、可移动信息存储(例如，可移动芯片、存储器等)、互联网存储库。可选地，可基于内部的或基于可包括试验和误差、测试结构、统计计算等的适应学习技术来更新频谱使用数据库。

由频谱识别模块120确定的感测结果可报告给MAC模块124的控制器(例如，频谱分配模块)，并请求特定频谱使用的许可(块214)。根据控制器的批准，MAC模块124的重新配置块可将重新配置信息通过信号处理模块126提供给无线电前端108(块218)。

在本发明的示例性实施例中，无线电前端108可被重新配置成在不同的频率下运行(“频率敏捷式”)，其中，特定频率或多个频率可取决于由认知无线电100选择的通信所用的频谱段。与频率敏捷前端108相结合，使用适应调制和干扰消除技术，处理模块126(在示例性实施例中可为物理层信号处理块)可增强认知无线电100的性能。

在不背离本发明的情况下，对认知无线电100可作出许多修改。在可选实施例中，天线116可包括至少两个天线。第一天线可用于无线电前端108，以及第二天线可用于频谱感测模块102。根据示例性实施例，至少两个天线的使用可去除无线电前端108和频谱感测模块102之间的发射/接收转换器114的必要性。然而，在本发明的另一实施例中，在无线电前端108的发射机110和接收机112之间仍然需要发射/接收转换器114。此外，即使在无线电前端108和信号处理模块126没有运行或处于待机状态的情况下，频谱感测模块102、A/D转换器118、MAC模块124仍可维持运行。这样可减小认知无线电100的功耗，同时仍然允许认知无线电100确定频谱占有率。

已经大体上描述了认知无线电100，下面将更加详细地描述认知无线电100的部件的运行。

B.频谱感测部件

仍然参照图1，根据本发明的示例性实施例，频谱感测模块102可包括粗感测模块104和细感测模块106。然而，如果需要，本发明的其它实施例可只利用频谱感测模块102或粗感测模块104中的一个。此外，尽管示出频谱感测模块102作为示例性认知无线电100的部件，但是这种频谱感测模块102可配备在不同的装置中，以及用作用于确定可选应用中可用频谱的有效方法。这些可选应用可包括无线个域网(PAN)、无线局域网(LAN)、无线电话、蜂窝式电话、数字电视、移动电视、以及全球定位系统。

现在，参照图1中的频谱感测模块102，频谱感测模块102可包括粗感测模块104和细感测模块106，它们可被同时使用，以通过MAC模块124增强频谱检测性能的精确度。此外，根据本发明的实施例，频谱感测模块102可在可提供若干特征的模拟域(analogdomain)中实施。例如，在模拟域中实施的这种频谱感测模块102可提供宽带频率范围的快速检测、低功耗、以及低硬件复杂度。下面，将更加详细地描述频谱感测模块102的粗感测模块104和细感测模块106。

1.粗感测模块

根据本发明的示例性实施例，粗感测模块104可利用提供所知的多分辨率频谱感测(MRSS)的多分辨率感测特征的小波变换。通过粗感测模块104的MRSS的使用可允许灵活的检测分辨率，而不要求增加硬件负荷。

通过MRSS，可将小波变换应用于给定时间变量的信号，以确定给定的时间变量信号和作为小波变换基础(例如，小波脉冲)的功能之间的相关性。根据本发明的实施例，所确定的相关性可为已知的小波变换系数，其可以模拟的形式确定。根据本发明的实施例，上述作为通过MRSS所应用的小波转换基础的小波脉冲可能通过MAC模块124被改变或配置。具体地，用于小波转换的小波脉冲可在带宽、载波频率、和/或周期上进行改变。通过改变小波脉冲带宽、载波频率、和/或周期，通过给定信号的小波转换系数提供的光谱含量可用可扩展的分辨率或多分辨率表示。例如，根据本发明的示例性实施例，通过在特定间隔内维持小波脉冲宽度和/或载波频率之后改变它们，小波变换系数可提供对时间变量信号的光谱含量的分析。类似地，根据本发明的示例性实施例，可配置小波脉冲的形状。

a.小波脉冲选择

现在，将更加详细地描述在MRSS中使用的合适的小波脉冲的选择，尤其是小波脉冲的宽度和载波频率。图3示出了当选择合适的小波脉冲时可能考虑的小波脉冲宽度(Wt)302和小波脉冲频率(Wf)304(例如，本文中也称为“分辨率带宽”)之间的折中。换句话说，随着小波脉冲宽度302增加，小波脉冲频率304通常减小。如图3所示，小波脉冲宽度302可与小波脉冲频率304成反比。

根据本发明的实施例，可将不确定性不等式(uncertaintyinequality)应用于小波脉冲宽度(Wt)302和分辨率带宽(Wf)304的选择。通常，不确定性不等式提供用于特定类型小波脉冲的小波脉冲宽度(Wt)302和分辨率带宽(Wf)304的界限。在小波脉冲宽度(Wt)302和分辨率带宽(Wf)304的乘积可能大于或等于0.5(即，Wt×Wf≥0.5)的情况下，可使用不确定性不等式。在小波脉冲为Gaussian小波脉冲的情况下，可达到相等。因此，根据不确定性不等式，对于Gaussian小波脉冲，小波脉冲宽度(Wt)302和分辨率带宽(Wf)304可被选作使用在小波变换中，使得它们的乘积等于0.5。

尽管在上面描述了示例性实施例的Gaussian小波脉冲，但是也可利用其它形状的小波脉冲，包括Hanning、Haar、Daubechies、Symlets、Coifets、Bior Spline、Reverse Bior、Meyer、DMeyer、Mexicanhat、Morlet、Complex Gaussian、Shannon、Frequency B-Spline、以及Complex Morlet wavelet families。

b.MRSS实施的框图

图4A示出了包括粗感测模块104的示例性多分辨率频谱感测(MRSS)实施的框图。具体地，粗感测模块可接收来自天线116的时间变量RF输入信号x(t)。根据本发明的示例性实施例，在提供给粗感测模块104之前，该RF输入信号x(t)可通过放大器402放大。例如，放大器402可为激励驱动器，其可用于提供超过宽频率范围的一致增益。

参照图4A的粗感测模块104，粗感测模块104可由模拟小波波形发生器404、模拟乘法器406、模拟积分器408、以及定时钟410组成。定时钟410可提供小波发生器404和模拟积分器408所使用的定时信号。根据本发明的示例性实施例，可在模拟积分器408的输出处提供模拟相关值，其又可提供给可为低速的模数转换器(ADC)118。在ADC 118的输出端的数字化的相关值可提供给媒介访问控制(MAC)模块124。

仍然参照图4A，粗感测模块104的小波发生器404可用于生成小波脉冲v(t)链，其被调制以形成调制的小波脉冲w(t)链。例如，小波脉冲v(t)链可用具有给定本机振荡器(LO)频率的I和Q正弦载波F_LO(t)进行调制。通过I和Q正弦载波F_LO(t)，I分量信号可与Q分量信号幅度相同但存在90度的相位差。随后，可通过模拟乘法器406将由小波发生器404输出的调制的小波脉冲w(t)链乘以时间变量输入信号x(t)或与其结合，以形成输出至模拟积分器408的模拟相关输出信号z(t)。模拟积分器408确定并输出模拟相关值y(t)。

在模拟积分器408的输出处的这些模拟相关值y(t)与具有基于上述脉宽和分辨率带宽的给定光谱宽度的小波脉冲v(t)相关联。重新参照图4中的粗感测模块104，使用I和Q正弦载波F_LO(t)对小波脉冲v(t)进行调制，以形成调制的小波脉冲w(t)。随后可扫描或调节I和Q正弦载波F_LO(t)的本机振荡器(LO)频率。通过扫描I和Q正弦载波F_LO(t)，可在超出光谱范围(具体地，超出所关心的光谱范围)的模拟相关值y(t)中检测时间变量输入信号x(t)内的信号能量幅度和频率值，从而提供可扩展的分辨率。

例如，通过应用窄小波脉冲v(t)和LO频率F_LO(t)的大调谐步长，根据本发明实施例的MRSS实施可以快速和稀疏的方式检查非常宽的频谱范围。相反，利用宽小波脉冲v(t)和LO频率F_LO(t)的精调可实现非常精确的频谱搜索。此外，根据本发明的示例性实施例，由于窗信号(window signal)(例如，调制的小波脉冲w(t))的带通滤波效应，该MRSS实施可不要求任何用于图像载波抑制(image rejection)的有源滤波器。类似地，可使这种MRSS实施的硬件负荷(包括高功耗数字硬件负荷)最小化。图4B示出了使用小波脉冲W(ω)在频率域中的这种可扩展的分辨率控制的实例。具体地，图4B示出了输入信号X(ω)可与具有变化的分辨率带宽的小波脉冲W(ω)相乘，以实现各种输出相关值Y(ω)的可扩展的分辨率控制。

重新参照图4A，一旦由模拟积分器408生成模拟相关值y(t)，则可通过模数转换器118数字化相关值y(t)的幅度并提供给MAC模块124。更具体地，可通过模数转换器118数字化与小波波形的I和Q分量中的每一个相关的合成模拟相关值y(t)，并且它们的幅度由MAC模块124记录。根据本发明的实施例，如果幅度大于特定的阈值电平，则感测方案或利用MAC模块124中的频谱识别模块120可确定有意义的干扰接收(例如，具体检测到的频谱占有率)。

c.MRSS实施的仿真

现在将根据几个计算机仿真描述根据本发明实施例的多分辨率频谱感测(MRSS)实施。具体地，使用两调(two-tone)信号x(t)执行计算机仿真，其中，在相同幅度但在不同的频率下设置每个音调(tone)。具有不同频率和相位的两个音调信号可表示为x(t)＝A₁cos(ω₁t+θ₁)+A₂cos(ω₂t+θ₂)。图5A示出了两调信号x(t)的波形，以及图5B示出了根据本发明实施例的将通过MRSS实施进行检测的对应频谱。

根据示例性仿真的MRSS实施，用于该示例性仿真的MRSS实施的Hanning窗函数(例如，Wt×Wf＝0.513)被选择作为小波窗函数，其中，小波窗函数限制小波脉冲v(t)的小波脉冲宽度Wt和分辨率带宽Wf的选择。Hanning窗函数使用在该仿真中，因为其根据实际实施的相对简单性。上述Wt*Wf＝0.513的不确定性不等式可从用于下面示出的Hanning小波脉冲的小波脉冲宽度(Wt)302和小波脉冲频率(Wf)304的计算中得到：

{W_{t}}^{2} = \frac{1}{E} {&Integral;}_{- \infty}^{\infty} t^{2} v^{2} (t) dt

= \frac{1}{E} {&Integral;}_{- π / ω_{p}}^{π / ω_{p}} t^{2} {[1 + \cos (ω_{p} t)]}^{2} dt

= \frac{2 π^{2} - 15}{6 {ω_{p}}^{2}}

{W_{f}}^{2} = \frac{1}{2 πE} {&Integral;}_{- \infty}^{\infty} ω^{2} {| V (jω) |}^{2} dω

= \frac{1}{2 πE} {&Integral;}_{- \infty}^{\infty} ω^{2} {| \frac{{ω_{p}}^{2}}{ω ({ω_{p}}^{2} - ω^{2})} \sin (\frac{ω_{π}}{ω_{p}}) |}^{2} dω

= \frac{{ω_{p}}^{2}}{3}

图6示出了示例性小波脉冲v(t)链的波形。因此，在本发明的示例性实施例中，可通过调制具有由小波脉冲v(t)链组成的窗信号的I和Q正弦载波F_LO(t)通过小波发生器404获得调制脉冲w(t)链。具体地，可通过w(t)＝v(t)·f_LO(t)获得调制脉冲w(t)，其中，v(t)＝1+mcos(ω_pt+θ_p)以及

f_{LO} (t) = Σ_{k = 1}^{K} \cos (k ω_{LO} t + Φ),

Ф＝0或90°。图7A示出了I-Q正弦载波F_LO(t)的I分量的波形，以及图7B示出了I-Q正弦载波F_LO(t)的Q分量的波形。图8A示出了利用I-Q正弦载波F_LO(t)的I分量从小波发生器404中获得的调制小波脉冲w(t)。类似地，图8B示出了利用I-Q正弦载波F_LO(t)的Q分量从小波发生器404中获得的调制小波脉冲w(t)。

然后，如图9A和图9B所示，通过模拟乘法器406将每个调制脉冲w(t)乘以时间变量信号x(t)，以生成合成模拟相关输出信号z(t)。具体地，图9A示出了对于具有I-Q正弦载波F_LO(t)的I分量的输入信号x(t)的相关输出信号z(t)的波形，以及图9B示出了对于具有I-Q正弦载波F_LO(t)的Q分量的输入信号x(t)的相关输出信号z(t)的波形。然后，通过模拟积分器408对图9A和图9B中的合成波形进行积分，以获得对于具有小波波形w(t)的I分量和Q分量的输入信号x(t)的相关值y(t)。

然后，相关值y(t)通过模拟积分器408被积分，以及通过模数转换器118被采样。图10A示出了在给定的间隔内对于这些具有小波波形w(t)的I分量的相关值y(t)，由模数转换器118提供的采样值y_I。图10B示出了在给定的间隔内对于具有小波波形w(t)的Q分量的相关值y(t)，通过模拟积分器408和模数转换器118所获得的采样值y_Q。然后，如根据本发明示例性实施例的

| y | = \sqrt{{y_{I}}^{2} (t) + {y_{Q}}^{2} (t)}

中所示，MAC模块124或其频谱识别模块120通过对这些值(y_I和y_Q)取平方根来计算这些采样值的大小。在图11中示出由MAC模块124中的频谱识别模块120所检测的频谱形状。如图11所示，所检测到的频谱形状与图5B中所示的期望频谱很好的匹配，从而表示较好的检测和期望频谱的识别。

图12至图17示出了根据本发明实施例的通过示例性MRSS实施所检测的各种信号格式的仿真。这些信号格式可包括GSM、EDGE、无线麦克风(FM)、ATDC(VSB)、3G蜂窝-WCDMA、IEEE802.11a-WLAN(OFDM)。具体地，图12A示出了GSM信号的频谱，以及图12B示出了对应的检测信号频谱。类似地，图13A示出了EDGE信号的频谱，以及图13B示出了对应的检测信号频谱。图14A示出了无线麦克风(FM)信号的频谱，以及图14B示出了对应的检测信号频谱。图15A示出了ATDC(VSB)信号的频谱，以及图15B示出了对应的检测信号频谱。图16A示出了3G蜂窝(WCDMA)信号的频谱，以及图16B示出了对应的检测信号频谱。图17A示出了IEEE802.11a-WLAN(OFDM)信号的频谱，以及图17B示出了对应的检测信号频谱。本领域的技术人员应该理解，根据本发明实施例的实施，可根据MRSS实施检测其它信号格式。

d.粗感测块的电路图

在图18中示出了图4中所示的粗感测模块104的示例性电路图。更具体地，图18示出了小波发生器454、乘法器456a和456b、以及积分器458a和458b。小波发生器454可由小波脉冲发生器460、本机振荡器(LO)462、移相器464(例如，90°移相器)、以及乘法器466a和466b组成。小波脉冲发生器460可提供确定小波脉冲v(t)的宽度和/或形状的包络信号。使用乘法器466a，将小波脉冲v(t)乘以由LO 462提供的LO频率的I分量，以生成I分量调制小波脉冲w(t)。类似地，使用乘法器466b，将小波脉冲v(t)乘以由移相器464移相90°的LO频率的Q分量，以生成Q分量调制小波脉冲w(t)。

然后，通过各自的乘法器456a和456b将调制小波脉冲w(t)的各个I分量和Q分量相乘，以生成各自的相关输出信号z_I(t)和z_Q(t)。然后，通过各自的积分器458a和458b对相关输出信号z_I(t)和z_Q(t)进行积分，以生成各自的相关值y_I(t)和y_Q(t)。虽然图18示出了具体的实施例，但是本领域的技术人员应该理解，可以对图18中的电路图作出许多变化。

2.细感测模块

根据本发明的示例性实施例，图1中的细感测模块106可用于识别每个可疑调制格式或帧结构所特有的输入信号的周期特征。这些周期特征可包括正弦载波、周期性脉冲序列、循环字首、以及前导码。更具体地，细感测模块106可实现用于识别输入信号的这些周期特征的一个或多个相关函数。所识别的输入信号可具有在包括IS-95、WCDMA、EDGE、GSM、Wi-Fi、Wi-MAX、Zigbee、蓝牙、数字TV(ATSC、DVB)等的通用和新兴无线标准中所采用的各种复杂信号格式。

根据本发明的实施例，细感测模块106所实施的相关函数可为模拟自相关(AAC)函数。AAC函数可得到两个信号之间的相似性(即，相关性)量。换句话说，相同波形之间的相关性产生最大值。然而，因为数据调制波形具有随机特征(因为基础的原始信号包括随机值)，所以可忽略周期信号波形和数据调制信号波形之间的相关性。相反，给定信号的周期特征(例如，调制格式或帧结构)具有较高的相关性，其可被AAC函数利用作为特定信号类型的标记(signature)。在细感测模块106中由AAC函数所识别的特定信号类型可提供给信号处理模块126，用于消除干扰影响。

a.AAC实施的框图

图19示出了根据本发明实施例的利用AAC函数的示例性细感测模块106的功能性框图。具体地，细感测模块106可包括模拟延迟模块502、模拟乘法器504、模拟积分器506、以及比较器508。根据本发明的实施例，在细感测模块106的输出处提供的模拟相关值可通过可为低速的模数转换器118被数字化。

现在，参照图19的细感测模块106，来自天线116的输入RF信号x(t)通过模拟延迟模块502被延迟特定延迟值T_d。对于每种周期信号格式，由模拟延迟模块502提供的延迟值T_d可以是预定和唯一的。例如，IEEE802.11a-WLAN(OFDM)信号可与第一延迟值T_d1相关联，而3G蜂窝(WCDMA)信号可与不同于第一延迟值T_d1的第二延迟值T_d2相关联。

可利用模拟乘法器504通过将两个信号(原始输入信号x(t)和延迟信号x(t-T_d))相乘或结合，来执行原始输入信号x(t)和延迟信号x(t-T_d)之间的模拟相关，以形成相关信号。然后，通过模拟积分器506对相关信号进行积分，以生成相关值。根据本发明的示例性实施例，模拟积分器506可为滑动窗(sliding-window)积分器。当来自积分器506的相关值大于如由比较器508所确定的特定阈值时，原始输入信号的特定信号类型可被MAC模块124的频谱识别模块120所识别。根据本发明的实施例，可为每种信号类型预定阈值。这些信号类型可包括IS-95、WCDMA、EDGE、GSM、Wi-Fi、Wi-MAX、Zigbee、蓝牙、数字TV(ATSC、DVB)等。

因为图19中的示例性AAC实施处理模拟域中的所有信号，所以不仅可允许实时操作而且实现低功耗。通过应用延迟T_d并由此对输入信号取相关，可实现盲检测，而不需要任何已知的参考信号。这种盲检测可显著地减小用于参考信号恢复的硬件负担和/或功耗。此外，根据本发明的实施例，当连同上述MRSS实施一起提供时，图19中的AAC实施可增强频谱感测性能。具体地，一旦MRSS实施检测可疑干扰信号的接收时，AAC实施可检查信号并基于其标记来识别其特定信号类型。

b.AAC实施的仿真

根据本发明的实施例，图19的AAC实施可对多种信号类型进行仿真。作为实例，IEEE802.11a-OFDM(正交分频复用)信号可经常在帧结构的开头具有同步前导码(synchronization preamble)。为了简单，如图20A所示，只有一个示例性数据OFDM符号522可跟有示例性前导码(preamble)551。图20B示出了根据本发明实施例的将通过AAC实施所检测的IEEE802.11a信号的频谱。

图21A示出了输入IEEE802.11a信号x(t)，以及图21B示出了延迟的IEEE802.11a信号x(t-T_d)。图22示出了如在乘法器504的输出端所提供的原始输入信号x(t)和延迟信号x(t-T_d)之间的相关性的波形。图22中所示的合成相关波形可具有前导码551的连续正值554。如图23所示的积分器506的结果可具有位于IEEE802.11a帧结构内的前导码551的峰值602、604。同时，调制数据符号552的相关性具有随机值556，其在被模拟积分器506积分之后被忽略。通过利用比较器508比较预定阈值V_th与图23所示的合成波形，图19中的示例性AAC实施可确定IEEE802.11a-OFDM信号的接收。

可以对图19中描述的AAC实施进行许多修改。在可选实施例中，在通过比较器508执行与阈值V_th的比较之前，积分器506的输出可被模数转换器118数字化。当在一个实施例中粗感测模块104和细感测模块106之间可共享模数转换器118时，在其它实施例中可为粗感测模块104和细感测模块106分别提供单独的模数转换器。类似地，细感测模块106的乘法器504和积分器506可与粗感测模块104中的乘法器406和积分器408相同或不同。对本领域的技术人员来说可作出许多其它改变。

c.信号处理块

重新参照图1，根据本发明的示例性实施例，披露了可为物理层块的信号处理模块126。信号处理模块126可提供基带处理，该基带处理包括一种或多种调制和解调方案的处理。此外，或许基于任何所识别的干扰信号，信号处理模块126还可提供干扰消除。此外，或许至少部分地基于可用频谱，信号处理模块126可用于重新配置包括发射机110和/或接收机112的无线电前端。例如，信号处理块可调节用于发射机110的发射功率控制或调谐用于接收机112的滤波器，以在特定的频率范围内运行。本领域的技术人员可容易理解，如果需要或者期望，可通过信号处理模块126提供其它基带处理。

d.频率敏捷性无线电前端

图24示出了根据本发明实施例的频率敏捷式无线电前端108的示例性结构。具体地，无线电前端108的接收部分可包括一个或多个可调滤波器702、宽带接收机704、以及一个或多个低通滤波器706。根据本发明的示例性实施例，可调滤波器702可包括小波发生器和乘法器。如果需要，宽带接收机704可包括一个或多个频率级和一个或多个下变频器。此外，无线电前端108的发射部分可包括一个或多个低通滤波器708、宽带发射机710、以及一个或多个功率放大器712。如果需要，宽带发射机710还可包括一个或多个频率级和一个或多个下变频器。此外，宽带接收机704和发射机710可与可调信号发生器714进行通信。本领域的技术人员应该理解，在不背离本发明实施例的情况下，无线电前端108的部件可进行改变。

如前面参照图1和图2所述，MAC模块124处理来自频谱感测模块102的数字化数据(例如，通过ADC 118)，以为安全的(例如，未占用的或无干扰的)认知无线电100链分配可用频谱。此外，MAC模块124将重新配置控制信号提供给无线电前端108，用于分配频率中的最优无线电连接。然后，无线电前端108根据其频率敏捷性操作将运行RF频率改变为对应频率值。更具体地，可调滤波器702和可调信号发生器714的一个或两个可改变它们的运行频率，以选择对应频率域内的信号。同时，基于MAC模块124控制信息，PHY信号处理模块126可利用适应调制和干扰消除技术增强连接性能。

对于具有在前面的描述和相关附图中所呈现的技术优点的这些发明，本领域的技术人员可想到本文阐述的实施例的许多修改和其它实施例。因此，应该理解，本发明不用于限制所披露的特定实施例，所以，各种修改和其它实施例应该在所附权利要求的范围内。虽然本文使用了具体的术语，但是它们仅是一般和描述性的，而不是用于限制的目的。

Claims

1.一种认知无线电系统，包括：

至少一个天线；

无线电前端模块，与所述至少一个天线进行通信，用于通过所述至少一个天线发射和接收射频信号；

频谱感测模块，与所述至少一个天线进行通信，用于生成射频频谱使用信息；以及

媒介访问控制(MAC)模块，用于从所述频谱感测模块中接收所述射频频谱使用信息，其中，所述MAC模块用于至少部分地基于所接收的频谱使用信息指导所述无线电前端模块的运行频率。

2.根据权利要求1所述的认知无线电系统，其中，所述至少一个天线包括第一天线和第二天线，其中，所述无线电前端模块与所述第一天线进行通信，以及所述频谱感测模块与所述第二天线进行通信。

3.根据权利要求1所述的认知无线电系统，其中，所述频谱感测模块包括粗感测模块和细感测模块中的至少一个，其中，所述粗感测模块提供与频谱占有率相关的频谱使用信息以及与信号识别相关的频谱使用信息。

4.根据权利要求3所述的认知无线电系统，其中，与信号识别相关的所述频谱使用信息涉及调制方案和帧类型中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的认知无线电系统，其中，所述频谱感测模块生成与频谱占有率相关的频谱使用信息，以及根据所述MAC模块的请求，生成与信号识别相关的频谱使用信息。

6.根据权利要求1所述的认知无线电系统，还包括模数转换器，所述模数转换器将所生成的频谱使用信息数字化，其中，所述数字化的频谱使用信息被所述媒介访问控制模块接收。

7.根据权利要求1所述的认知无线电系统，其中，所述频谱感测模块为模拟、宽带频谱感测模块。

8.一种用于实施认知无线电系统的方法，包括：

在频谱感测模块处接收无线电信号；

至少部分地基于所接收的无线电信号，通过所述频谱感测模块生成频谱信息；

在媒介访问控制模块处接收所述频谱信息；

至少部分地基于所述频谱信息，通过所述媒介访问控制模块确定未被占用的频谱；以及

重新配置收发机，以在所述未被占用的频谱中运行。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，生成频谱信息包括生成用于确定频谱占有率的信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，生成频谱信息包括根据来自所述媒介访问控制模块的请求生成用于信号识别的信息。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述频谱感测模块包括生成用于确定频谱占有率的所述信息的模块。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述频谱感测模块包括生成用于信号识别的所述信息的模块。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，在频谱感测模块处接收无线电信号包括在模拟、宽带频谱感测模块处接收无线电信号。

14.一种频谱感测系统，包括：

粗感测模块，利用小波转换生成表示频谱使用的信号；

频谱识别模块，与所述粗感测模块进行通信，至少部分地基于来自所述粗感测模块的所述信号来确定占用频谱段；以及

细感测模块，生成表示通过所述频谱识别模块所识别的占用频谱段的信号类型特征的信号。

15.根据权利要求14所述的系统，还包括至少一个模数转换器，用于将表示频谱使用的所述信号以及表示所述信号类型的特征的所述信号数字化，其中，将所述数字化的表示频谱使用的信号以及所述数字化的表示所述信号类型的特征的信号提供给所述频谱识别模块。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述细感测模块至少部分地基于输入信号的周期特性生成表示信号类型的特征的信号。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述系统类型的所述特征与所述输入信号的调制格式和帧结构中的至少一个相关。

18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述频谱识别模块与所述细感测模块进行通信。

19.根据权利要求14所述的系统，其中，所述频谱感测模块至少部分地基于来自所述细感测模块的所述信号来确定未被占用的频谱段。

20.根据权利要求14所述的系统，其中，所述粗感测模块和所述细感测模块中的至少一个在模拟域中运行。