一种认知跳频无线电装置包括认知引擎以积极地监视频谱,使认知无线电装置的传输特征适合与在网络中操作的其它装置通信。跳频块通过使用伪随机序列在许多频道中切换载波来控制传送器传送无线电信号。认知跳频无线电装置使用短驻留时间以从本质上防止有害干扰不正确地识别空余信道。
1.一种在网络中操作的无线电装置,包括:认知引擎模块,积极地监视频谱,使所述无线电装置的传输特征适合与在所述网络中操作的另一装置通信;以及跳频模块,通过使用伪随机序列在许多频道中切换载波来传送无线电信号,其中,所述无线电装置是网络主控,被配置成一旦通过监视频谱检测到空余信道,就以二进制编码相移键控(PSK)突发的形式传送短的编码消息,该突发通过调制载波的相位来输送数据,该编码的消息将信道指示为空余,并且所述网络主控有消息要传送,或者所述空余信道能够供订户无线电装置传送,从也将信道标识为空余的订户无线电装置接收短的确认(ACK)帧或请求发送(RTS),以及在从所述订户无线电装置接收ACK帧之后,传送数据突发,或在从所述订户无线电装置接收RTS控制分组之后,向订户无线电装置发出清除发送(CTS)控制分组,随后从所述订户无线电装置接收后续的数据传输,该后续的数据传输占用由所述伪随机序列提供的该空余信道的剩余的驻留时间。
2.如权利要求1所述的无线电装置,其中所述认知引擎模块和所述跳频模块促进能够在非干扰基础上操作的宽带连接而不考虑本地频谱分配和限制。
3.如权利要求1所述的无线电装置,其中所述伪随机序列为所述无线电装置中的传送器和所述另一装置的接收器所知。
4.如权利要求1所述的无线电装置,其中所述网络主控是基站或接入点,且所述基站或所述接入点的所述跳频模块使用时钟同步的伪随机跳频。
5.如权利要求1所述的无线电装置,其中所述认知引擎模块监视信道,以便在选定为具有低占用概率的信道上进行数据传送。
6.如权利要求1所述的无线电装置,其中在第一公共网中的所述无线电装置和所述另一装置在所述网络中使用相同的伪随机序列但与第二公共网中的装置不同的频率集进行通信。
7.如权利要求6所述的无线电装置,其中在所述第一公共网中的所述无线电装置和所述另一装置在所述网络中使用相同的伪随机序列但与所述第二公共网中的所述装置不同的开始时间进行通信。
8.如权利要求1所述的无线电装置,其中所述无线电装置和所述另一装置使用多个正交网络在非干扰的基础上同时操作而无需相互检测。
9.一种认知跳频无线电装置,包括:天线;收发信机;认知引擎模块,监视所述天线接收的信道数据,并使所述收发信机的传输特征适合从所述天线传送数据;以及跳频管理块,控制所述收发信机使用伪随机序列在许多频道中切换载频,其中,所述无线电装置是订户无线电装置,被配置成接收当频谱监视检测到空余信道时网络主控向订户无线电装置发送的短的编码消息,所述短的编码消息采用二进制编码相移键控(PSK)突发的形式,该突发通过调制载波的相位来输送数据,该编码的消息将信道指示为空余,如果网络主控有消息要传送,则发送短的确认(ACK)帧并从所述网络主控接收数据突发,或者如果所述空余信道能够供订户无线电装置传送,则发送请求发送(RTS)控制分组至网络主控,从所述网络主控接收清除发送(CTS)控制分组,并在接收所述CTS之后发送数据。
10.如权利要求9所述的认知跳频无线电装置,其中所述认知跳频无线电装置使用短驻留时间防止有害干扰不正确地识别空余信道。
11.如权利要求9所述的认知跳频无线电装置,其中所述跳频管理块使用预定序列确定的下一频率更改信道,并降低与信道管理相关联的信号交换开销。
12.一种用于在网络中操作无线电装置的方法,包括:使用认知引擎积极地监视频谱,使所述无线电装置的传输特征适合与在所述网络中操作的另一装置通信;以及使用伪随机序列在许多频道中切换载波以传送无线电信号;一旦通过监视频谱检测到空余信道,就以二进制编码相移键控(PSK)突发的形式传送短的编码消息,该突发通过调制载波的相位来输送数据,该编码的消息将信道指示为空余,并且网络主控有消息要传送,或者所述空余信道能够供订户无线电装置传送;从也将信道标识为空余的订户无线电装置接收短的确认(ACK)帧或请求发送(RTS);以及在从所述订户无线电装置接收ACK帧之后,传送数据突发,或在从所述订户无线电装置接收RTS控制分组之后,向订户无线电装置发出清除发送(CTS)控制分组,随后从所述订户无线电装置接收后续的数据传输,该后续的数据传输占用由所述伪随机序列提供的该空余信道的剩余的驻留时间。
13.如权利要求12所述的方法,还包括选择所述伪随机序列以确保在接收器频谱监视和业务传送或接收信道中的宽频率分离。许多无线电频谱未得到有效地利用,一些频带过载,而一些频率利用不足。接入(accessxa0to)此频谱能减轻频谱短缺。需要允许许可和未经许可装置在非干扰基础上操作,并允许实时接入在给定位置和瞬间主要受许可人未在使用的频谱。
附图说明
在说明书的结论部分专门指出并清楚地声明了与本发明有关的主题。然而,就操作的方法和组织而言,本发明及其目的、特性和优势可通过结合附图阅读时参照下面的详细说明来最好地理解,其中:图1是示出根据本发明的认知跳频无线电装置(CFHR)的特性的框图;图2是示出与其它移动装置、基站和接入点通信的认知跳频无线电装置(CFHR)的图形;图3是示出在基站或接入点的事件序列的图形;以及图4是示出在订户终端的事件序列的图形。将理解,为示例的简明和清晰起见,图中所示要素不必按比例画出。例如,为清晰起见,一些要素的尺寸相对其它要素可能被夸大。此外,在认为适当之处,参考标号已在图中重复以指示一致或类似的要素。
具体实施方式
在下面的详细说明中,参照了通过示例示出可实践本发明的特定实施例的附图。这些实施例描述足够详细,以便使本领域的技术人员能够实践本发明。要理解的是,本发明的各种实施例虽然不同,但不一定相互排斥。例如,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,本文中结合一个实施例所述的特定特性、结构或特征可在其它实施例中实现。下面的详细说明不可以限制的意义来理解,并且本发明的范围只由正确理解的随附权利要求书连同权利要求书授权的等效物完全范围定义。在附图中,类似的标号在几个视图中全指的是相同或类似的功能。在各种地方和在不同时间,大部分无线电频谱可能未有效地利用,使得一些频带过载,而且使得一些频率利用不足。另外,管理机构提供固定的频谱分配以便防止未经许可用户使用极少使用的频率,即使其传输将不干扰指配的服务。未经许可用户可在干扰可避免的任何时候利用许可频带,这一认识导致通过认知无线电(CR)进行无线通信的范例。认知无线电积极地监视无线电环境中诸如频谱和网络等几个因素,使其传输特征适合与其它装置通信。因此,为允许许可和未经许可装置在同一频率在非干扰基础上操作,认知无线电包含技术和方法以识别许可服务未使用的信道和缓和(mitigate)将在许可服务使用的信道上造成干扰的未经许可装置的预期发射。这样,认知无线电可允许实时接入在给定位置和瞬间主要受许可人未在使用的估计90%的频谱。接入此频谱能减轻由于当前静态频谱指配机制造成的频谱短缺。图1示出认知无线电的特性,但包括根据本发明用于认知跳频无线电装置(CFHR)10的另外要素和特性。如图所示,认知跳频无线电装置10是允许在RF/位置空间中通信的无线电装置,并且还包括带有认知引擎和频谱管理块14的跳频收发信机12。根据本发明,通过管理块14,CFHRxa010能够监视在通信信道中接收的信号以适应传输特征以及还限制许可无线电装置使用的信道上传输的持续时间。跳频收发信机通过使用对传送器和接收器两者均已知的伪随机序列,在许多频道之间切换载波来传送无线电信号。收发信机部分可以为独立的射频(RF)离散装置或集成模拟电路,或者备选地与处理器20作为混合模式集成电路嵌在一起。处理器部分可包括基带和应用处理功能,并利用一个或多个处理器核。多个核16和18的使用可允许核专用于处理应用特定功能,并且还允许跨核分担处理工作负荷。处理器20可通过接口将数据传送到系统存储器。图2示出一个简单化的图形,该图形示出在包括移动台(STA)210、220和230、接入点(AP)240及基站250的无线网络200中认知跳频无线电装置10的操作,但电子装置的数量和组合并不限于所要求权益的发明。认知跳频无线电装置10可在诸如(例如)无线城域网(WMAN)、无线个人区域网(WPAN)或其组合等无线网络中操作,并且在RF/位置空间中与其它装置通信,其中,干扰可影响附近无线电装置的服务质量。如图所示,在一连串连接中的中间连接链接两个网络装置,使得大多数数据分组在到达最终目的地前通过几个路由器路由。每次数据分组转发到下一路由器时发生跳变。在此网络中的装置可根据(inxa0compliancexa0with)无线网络标准操作,一个示例网络是ANSI/IEEE标准802.11,1999版,但此标准不是本发明或专有标准的限制。在一个实施例中,无线网络200可以是允许接入点240和基站250直接或通过共享媒体与移动台210、220和230通信的无线局域网(WLAN)。共享媒体可以是在接入点、基站与各种移动台之间的自由空间中的无线信道。此外,移动台可使用无线共享媒体与其它移动台通信。注意,移动台210、220和230可以是任何类型的移动装置,如能够在网络200中通信的计算机、个人数字助理、具有无线能力的蜂窝电话、家庭音频或视频设备。通常,用于认知无线电的概念是基于空余信道集的检测,并根据频谱政策规则和信道条件使用最合适的空余信道。如上所述,认知无线电操作的基础是应对主要受许可人无有害干扰的要求。为满足此要求,认知无线电提供周期频谱监视,在远低于正常操作所需级别的级别采用信号检测,并且参与信号交换以便在主要受许可人使用时空出信道。未采用跳频时,认知无线电将需要灵敏的检测器作为检测在衰落条件下主要用户的传输和检测隐藏的节点的重要的组件。然而,在正常条件下,灵敏的检测器也可检测远超出认知无线电的干扰范围的主要用户,因此排除对其它情况下可使用频谱的接入。为解决现有技术认知无线电需要灵敏检测器的问题,用于认知跳频无线电装置(CFHR)的本发明包括跳频以避免对主要用户的有害干扰。通过将RF频带分割成多个操作信道,并且以伪随机模式一次跳一个信道(hopxa0throughxa0thexa0channelsxa0onexa0atxa0axa0time),在频带中实现跳频。此外,鉴于非跳频认知无线电(CR)需要非常灵敏的检测器以确保在不利传播环境中对主要信号的检测,CFHRxa010采用的跳频降低了检测器所需的灵敏度。由于在CFHR的干扰范围外的主要用户具有低的误检概率,因此,CFHRxa010的此较低严格的灵敏度要求也改进了频谱接入。此外,CFHR10的多个正交网络可在非干扰基础上同时操作而无需相互检测和避免。CFHRxa010利用时钟同步伪随机跳频,监视序列中的每个信道,随后只在确定为具有低被占用概率的那些信道上传送。在跳频中,在使用称为跳频码或跳频模式的已知切换算法切换到另一频率前,传送器在一个频率上广播一小段时间。跳频系统的一个难题是同步传送器和接收器。所有无线电装置可使用相同的伪随机序列,因此,接收器知道相同的跳频码,并且能够将该码滑动通过输入信号(slidexa0thexa0codexa0pastxa0thexa0incomingxa0signal),直至它与发送方同步。一旦同步后,传送器和接收器便根据(follow)跳频码切换频率和通信。结果传输在大的频率范围上扩展,并因此对其它接收器表现为噪声尖峰,除非它们知道(或能解密)调频码。应指出的是,可为公共网中的各个组指配不同的频率集和/或开始时间。由于开始时间是相对于同步时钟而记录,因此,通过基于开始时间简单地排序,可确定已知频率的顺序。在将频率排序后,接收器可基于同步时钟、得出的频率的顺序和每个频率的测量驻留时间启动跳频码。因此多个正交网络可在非干扰基础上同时操作而无需相互检测。驻留时间短的快速跳频可将对可被不正确地识别为空余信道的任何主要信道的干扰影响降到最低。可采用CFHR的半合作感应(semi-cooperativexa0sensing)以便用户形成公共通信网。图3是示出在基站或接入点的事件序列的图形。在频谱监视检测到空余信道时,诸如基站或接入点等网络主控可以Gold或其它二进制编码相移键控(PSK)突发的形式传送短的编码消息,该突发通过调制载波的相位来输送数据。编码的消息将信道指示为空余,并且基站具有消息要传送,或者备选地空余信道可供订户传送。在接收数据突发时,如果也将信道识别为空余的任何其它订户在有消息要传送,则它可传送短的确认帧(ACK)或请求发送(RTS)。在接收ACK帧后,主控随后能够传送数据突发。此外,在接收RTS控制分组时,主控通过向订户发出清除发送(CTS)控制分组来回复。在接收CTS后,订户随后发送数据,并且后续的数据传输占用该特定信道的剩余的驻留时间。如果订户检测到信道被占用,则它能发送信道忙消息。在后一情况下,基站或接入点能够根据指配到信道的主要服务,避免在一段时间内使用此信道。通过此方式,网络中的所有无线电装置检测编码的消息,该消息指示空余信道,并且因此“隐藏节点”问题可大大降低。考虑到每个信道上的数据突发可能很短,在非相干检测模式与相干检测模式之间存在折衷。非相干检测模式导致较低的数据率,但也提供最小信号采集时间。分配到每个频率的主要服务规定(dictate)一个突发时间,该时间可从用于分组交换数据服务的几微秒到用于电路交换话音服务的几百毫秒不等。因此,用于非相干检测模式和相干检测模式的折衷将数据分组的可允许突发长度考虑在内。通过使用第二接收器,基站或接入点在双信道模式中操作以实现信道监视和业务处理。相关联的基站或接入点在空余信道上传送或接收时,第二接收器也监视跳频序列中的下一信道(Whilexa0transmittingxa0orreceivingxa0onxa0axa0vacantxa0channelxa0thexa0associatedxa0basexa0stationxa0orxa0accessxa0pointthexa0secondxa0receiverxa0alsoxa0monitorsxa0thexa0nextxa0channelxa0inxa0thexa0frequencyhoppingxa0sequence)。为避免被其自己的传送器阻塞,可选择伪随机跳频模式以确保在接收器频谱监视和传送信道中宽的频率分离。由于驻留时间短的原因,频谱监视需要快速检测占用的信道,并且可使用例如简单的能量检测来实现该检测,这是因为检测主要用户的任何失败将导致短时期的干扰。移动装置不提供双信道能力,并因此,频谱监视可在特定移动装置有业务往来时不发生。网络中未在传送或接收业务的其它移动装置将前移(advance)到下一频率并监视该信道。根据传送器和接收器的特征,跳频传送器和接收器可在一个倍频程的带宽上操作,诸如(例如)1GHz到2GHz,或2GHz到4GHz。理想的情况是,CFHRxa010的信道带宽应实质匹配或不大于适用于特定频率的主要用户的带宽。通过对带宽进行限制,降低了在每个频率跳变(frequencyxa0hop)与两个或更多个主要用户重叠的可能性。在2GHz到4GHz常用频带中,主要用户带宽可以是5MHz或更大。此主要用户带宽允许用于跳频的四百个信道,其中,每个信道具有5MHz。假设在相邻频率跳变上在信道上同时监视和传送,并且每个信道的有效驻留时间为1毫秒,则整个周期时间将为0.4秒。FCC公布的数据指示在频带2GHz到4GHz中,信道利用率在0.25%与7.6%之间变化。对于此频带并且假设平均值为4%,带有CFHRxa010能力的装置可预期发现主要受许可人未占用的96%的信道。由于用于通信器的不同群组的跳频集是正交的,因此,与其它CFHR装置的冲突将不会发生,并且用于CFHRxa010的总体频谱接入将达到96%。通过诸如两跳等适当的缓冲,例如,可实现高服务质量(QoS)通信的传输和接收。图4是示出在订户终端的事件序列的图形。在基站与订户之间的信号交换由来自基站指示信道空余的短突发信道状态(CS)、用于在到特定订户的清除发送(CTS)后从订户接收信道状态或请求发送(RTS)消息的窗口组成。接收窗口必须足够大,以允许来自多个订户的随机计时争用接入消息。为计划目的,假设五倍于突发长度的窗口。假设长度为23比特的二进制编码序列用于信号交换,则在3.84Mbps,总信号交换事务(fransaction)将持续42微秒[(23+(5*23)+23)/3840000]。因此,用于简单二进制调制的可能有效负载吞吐量将为3.53Mbps。很明显,使用更复杂的调制方案,更高的吞吐量是可能的。至此应明白,本发明的实施例提供用于认知跳频无线电。认知跳频无线电的特性使用短驻留时间以从本质上防止有害干扰不正确地识别空余信道。另外,对于认知跳频无线电,无需灵敏的主要信号检测,并且不需要用于信道利用的复杂规则。因此,由于在干扰范围外的主要用户具有降低的误检概率,否则,误检将限制非跳频认知无线电对信道的使用,因此,较低严格的灵敏度要求改进了频谱使用。此外,由于下一频率由预定序列确定,因此,信号交换开销得以降低。虽然本文中已示出和描述本发明的某些特性,但本领域的技术人员现在将明白许多修改、替代、更改和等效物。因此,要理解随附权利要求旨在涵盖落在本发明真正精神实质内的所有此类修改和更改。