CN102301636A - 用于频谱共享的分布式优先竞争 - Google Patents

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Abstract

公开了用于竞争电视信道频谱的一部分的技术。在一些实例中，退避值被用于决定当竞争信道是空闲时是否发送竞争方的竞争数，并且退避值是基于竞争数来确定的。在一些实例中，竞争方监控竞争信道，并且如果从竞争信道中检测到还有更高优先级的竞争方在参与竞争，则从竞争中退出。

Description

用于频谱共享的分布式优先竞争
基于35U.S.C.§119要求优先权
本专利申请要求于2009年2月1日递交的、名称为“DistributedPrioritized Contention for Spectrum Sharing”的临时申请No.61/148,968的优先权，该临时申请被转让给本申请的受让人，因而以引用方式将其明确地并入本文。
技术领域
本发明一般涉及无线通信，更具体地，本发明涉及对部分无线通信频谱的接入竞争。
背景技术
通过参考将以下标示的四个文件合并到本文中。在本文中用以下对应的括号中的数字来引用这些文件。
[1]Federal Communications Commission Spectrum Policy Task Force，“Report of the Spectrum Efficiency Group”，Technical Report02-135。
[2]Federal Communication Commission，Second Report and Order onUnlicensed Operation in the TV Broadcast Bands，2008年11月，FCC08-260。
[3]Shared Spectrum Company，“Comprehensive Spectrum OccupancyMeasurements Over Six Different Locations”，2005年8月。
[4]Draft Standard for Wireless Regional Area Networks Part 22，IEEEP802.22TM/ DRAFTv2.0.，2009年5月。
在对更高数据速率服务以及未来无线应用的需求持续增加的情况下，一个主要的限制是频谱不足。另一方面，由FCC和机构[1，2]实施的测量研究表明了在任何给定时间或位置的频谱的低利用率。尤其是对于TV频谱更是如此，该TV频谱的很大一部分未被充分利用，或者将这部分称作空白区域。
为了提高使用这种频谱的效率并提供针对频谱不足的解决方案，一种解决方案是在不对该频谱的主要用户或现有用户造成干扰的前提下，机会性地使用未被充分利用的频谱。为了促进频谱的非授权使用，FCC正在通过法规制定提案通告(FCC NPRM)来考虑开放被分配给TV广播服务的频谱，使得该频谱可由在不干扰现有用户(TV广播装置)的基础上操作的辅设备非授权使用。IEEE也已经成立了工作组(802.22WG)，该工作组正在起草新兴标准，该标准用于通过在TV频谱中使用认知无线电技术来在无线区域网络(WRAN)上进行机会性的宽带数据通信[3]。术语“认知无线电”可以认为是包括多种技术，这些技术试图通过使辅(非授权)无线设备可以在不干扰主要用户的前提下进行通信，以克服频谱不足的问题。认知通信面临频谱接入和频谱共享中的多个障碍。频谱共享协议是实现共享相同频谱的两个或更多***的可靠操作的技术。因此，频谱共享协议本质上是不同***间的干扰管理方案。
基于信息的级别和不同辅***间的合作，频谱共享技术分成不同的种类。具体地，频谱共享可以分成三种广义的方式：
(1)多个网络独立地操作以便试图访问介质，或者换句话说，使用非合作的方式；
(2)多个网络商定一套规则，该规则不需要互操作性，例如先听后说(listen-before-talk)；以及
(3)通用消息方式，在该方式中，不同的***可以利用通用控制信道交换有关共享频谱的信息，这种方式需要***间的互操作性级别。
如图1所示，IEEE 802.22[4]***规定了固定无线区域网络(WRAN)，在该网络中基站(BS)管理一组固定客户端设备(CPE)。IEEE 802.22标准草案[4]描述了用于802.22WARN之间的自共存的基于消息的方式。该标准草案定义了共存信标协议(CBP)，在该协议中允许CPE和BS在预定共存窗口期间发送共存信息，该预定共存窗口也就是自共存窗口(SCW)，其是UL(上行链路)子帧中的特定持续时间。这由图2的时序图示出，其中TTG是发送/接收转换间隔，RTG是接收/发送转换间隔。共存信标是由BS或CPE在SCW中发送的，该共存信标携带关于小区的带宽分配的信息，因此相邻小区可以执行无干扰调度。BS决定共存信标是由BS发送还是由一个或多个与该BS关联的CPE发送。CBP也可以携带用于使BS同步的时间戳，该时间戳是实现共存所需要的。
CBP使得WRAN可以执行用于频谱共享的按需竞争协议(on demandcontention protocol)[4]。在这个协议中，将竞争目的(CD：contentiondestination)定义为当前占用信道的WRAN BS。将竞争源(CS：contentionsource)定义为希望进行竞争以接入这个信道的所有WRAN BS。为了确定获胜CS，执行如图3中示出的以下步骤。
每个CS随机地生成竞争数(CN：contention number)，如31处所示。CS尝试通过与其它CS的竞争而在SCW(自共存窗口)期间发送其CN，如在32-38处共同示出的。在CD处接收到所有CN后，该CD确定具有最大CN的CS为获胜CS。
图3的按需竞争协议存在多个缺点，其中一些缺点包括：(1)所有CS必须完成对所生成的CN的发送，然后CD选择具有最大CN的CS；(2)由于不同CS使用相同尺寸随机退避(back-off)窗口的可能性，非常可能存在冲突；(3)如果存在M个CS，则至少需要M个SCW帧以完成该过程(通常SCW帧的数量大于M，因此该算法不能很好的扩展)；(4)如果获胜CS仅仅需要发送x个帧且x很小，则直到该获胜CS获取该信道为止将至少浪费M-x个帧。
考虑到上述内容，期望提供可以避免上述现有技术的缺点的频谱竞争过程。
发明内容
在一些实施例中，将退避值用于决定当竞争信道是空闲时是否发送竞争方的竞争数，并且退避值是基于竞争数来确定的。在一些实施例中，竞争方监控竞争信道，如果该竞争方从竞争信道中检测到还有更高优先级的竞争方在参与竞争，则该竞争方就从竞争中退出。
附图说明
通过示例性的方式而不是限制的方式在附图中示出了无线通信***的各个方面，其中：
图1概略地示出了可以竞争TV频谱中的空白区域的现有WRAN配置。
图2示出了在常规IEEE 802.22帧的UL子帧中的自共存窗口的时序图。
图3示出了现有频谱竞争过程的操作。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的频谱竞争过程的操作。
图5示出了根据现有技术和本发明的频谱竞争过程的性能的图解比较。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的无线通信装置。
具体实施方式
结合附图所提供的详细描述旨在作为对本发明的各个实施例的描述，其并不旨在代表可以实现本发明的仅有的实施例。为了提供对本发明的透彻理解，详细描述包括具体的细节。然而，本领域技术人员将会清楚，可以在不采用这些具体细节的情况下实现本发明。在一些实例中，为了避免使本发明的概念模糊不清，将公知的结构和组件用框图形式示出。本文使用的词语“示例性的”用于表示“用作实例、例子或例证的”。本文描述为“示例性”的任何实施例不应被解释为比其它实施例更优选或更具优势。
本发明的示例性实施例为使用上述通用消息方式的辅***提供了用于频谱共享的分布式优先竞争协议。本发明减少了确定获胜WRAN所需要的竞争帧的数量。一些实施例采用以下步骤。
步骤1-由于无线信道在本质上是被广播的，所以如果一个CS能“侦听到”另一个CS的传输，则该CS将对所发送的分组进行解码(参见图4中的43)而不是忽略该传输中的信息。如果CS发现分组解码后所观察到的CN高于其自身所生成的CN(参见图4中的44)，则该CS将在本轮中退出对这个信道的竞争(参见图4中的45)。这是因为即使该CS稍后发送其CN，该CS也必定会在竞争中败于具有更高CN的CS。图4中43-45处的操作用于减少每个帧的CS的数量，这样可以降低每个帧中发生冲突的可能性以及减少所需要的竞争帧的总数。
步骤2-基于上述步骤1，理想化的情况将是生成最大CN的CS首先进行发送。在这种情况下，只需要一个竞争帧，由此实现了任何协议都可以实现的最小数量的竞争帧。在诸如图3示出的现有方式中，因为CS的发送顺序是基于为CS随机生成的退避窗口的，所以CS的发送顺序是随机的。本发明的示例性实施例通过基于所关联的竞争数(例如，与竞争数反相关)确定随机退避窗口的尺寸来模拟上述理想化情况。这在图4中的42处示出。后续步骤解释了在一些实施例中如何基于所生成的CN来设计退避窗口的尺寸。假设CNmax是竞争数窗口的最大尺寸，RBmax是随机退避窗口的最大尺寸。对于全部K个竞争CS：
对于每个CS(i)，i＝1，2，3，...K：
生成CN(i)＝均匀分布的～{0，1，...，CNmax-1}(参见图3和图4中的31)使得ModRBmax＝RBmax-round[CN(i)*(RBmax-1)/(CNmax-1)]
生成CSBackoff(i)＝均匀分布的～{0，1，...，ModRBmax-1}(参见图4中的42)
如上所述，每个CS(i)从一组退避值中随机选择其退避值CSBackoff(i)，该退避值的最大值是根据与CS(i)相关联的竞争数CN(i)而计算出的值ModRBmax。较大的CN(i)值产生较小的ModRBmax值，从而产生较小的CSBackoff(i)值。较小的CSBackoff(i)值为关联的CN(i)的传输提供相应地更高的优先级(参见图3和图4中的34)。
通过图4中的流程图示出了根据一些实施例的协议的操作，其中将来自图3的自适应按需方案的常规操作编号为与图3中一致。根据本发明的示例性实施例，图4中的操作可以由每个竞争源(CS)执行。
如图4所示，在31处生成竞争数后，在42处基于该竞争数(例如，与竞争数反相关)生成退避。在43处，检测信道，并且还对共存信标(例如，分组)进行解码。如果在43处该信道是繁忙的，则在44处确定(在43处所解码的分组所指示的)该竞争数是否大于在31处所生成的竞争数。如果在44处为“是”，则在45处停止竞争。如果在44处为“否”，则在34处冻结所述退避，之后该操作在43处继续。
如果在43处信道是空闲的，则在35处减小所述退避，之后在36处确定所述退避是否已经达到0。如果在36处为“否”，则操作在43处继续。如果在36处为“是”，则在37处发送分组(共存信标)。此后，如果在38处检测到冲突，则操作返回到42，其中基于在31处生成的竞争数而生成了另一个退避。
与图4所示过程相关联的优点包括：(1)具有较高竞争数(较高优先级)的CS将可能更早地发送分组，因为该CS具有较小尺寸的随机退避窗口；以及(2)在CS侦听到更大竞争数后，其将停止尝试进行发送，由此使得冲突的可能性大大降低。
图5针对参数CNmax＝220和RBmax＝24，将现有自适应按需竞争协议的性能与本发明实施例的性能进行了比较。从结果中可以清楚地发现，本发明显著地减少了确定获胜WRAN所需要的竞争帧的数量。例如，对于三个WRAN，使用本发明平均只需要1.6个帧，而按需竞争协议需要大约3.2个帧，这意味着使用本发明可将帧的数量减少100％。如图5所示，增益随着CS的数量而增加。
图6概略地示出了根据本发明的示例性实施例的无线通信装置。在一些实施例中，图6的装置可以执行图4所示的操作。在一些实施例中，图6的装置是基站。在一些实施例中，图6的装置是客户端设备(CPE)。发送/接收设备61支持与其它无线通信装置(例如，控制被竞争信道的基站)的双向无线通信。分组接收/解码单元62监控竞争信道(例如，在图2的SCW期间)，以确定另一竞争方是否已经发送了包含竞争数的分组。如果竞争数(图6中的CNc)在62处被解码，则比较单元63将所解码的竞争数与CN生成器64所生成的竞争数CN进行比较。因此，比较单元63用作确定器，其用于确定由CNc表示的竞争优先级是否高于由CN表示的竞争优先级。如果CNc＞CN，则比较单元63产生退出信号，该信号导致无线通信装置从对信道的竞争中退出。
如果在62处没有竞争数被解码，则认为竞争信道是空闲的。在这种情况下，减量(DEC)信号使得计数器65的当前计数值递减。计数器65的初始计数值已经用退避值(BO)加载，其中该退避值是退避值生成器66基于CN生成器64所产生的竞争数CN而产生的。比较单元67(在一些实施例中由DEC信号触发比较单元67的操作)将计数器65的当前计数值与0比较。如果当前计数值达到0，则比较单元67触发分组发送单元69以(例如，在图2的SCW期间)在竞争信道上发起分组的发送，该分组包括竞争数CN。否则，比较单元67发信号通知监控器62继续监控竞争信道。因此，计数器65和比较单元67被视为构成了用于当竞争信道是空闲时基于BO确定是否发送CN的逻辑。
当进行设备的信道竞争的初始化时，在66处生成BO值。当结合在69处的分组发送而检测到冲突(参见图6中的68和图4中的38、42)时，还生成新的BO值。
本领域技术人员应当理解，可以使用任何各种不同技术和方法来表示信息和信号。例如，在上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其组合来表示。
本领域技术人员可以进一步清楚，结合本文公开的实施例所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路以及算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或者两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，以上一般性地针对功能描述了各种示例性组件、块、模块、电路和步骤。这些功能实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加给整个***的设计约束。对于每个特定应用，本领域技术人员可以用不同方式来实现所描述的功能，但是不应将这些实现决策视为导致偏离本发明的范围。
可以利用设计用于执行本发明所描述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑器件、分立硬件部件或者其任意组合，来实现或执行结合本文所公开实施例所描述的各种示例性的逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，该处理器也可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。
结合本文公开的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接实施在硬件、由处理器执行的软件模块或这两者的组合中。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或者本领域公知的任何其它形式的存储介质中。将示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器可以从该存储介质读取信息且可向该存储介质写入信息。可选地，存储介质也可以集成到处理器。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。可选地，处理器和存储介质可以作为分立组件而存在于用户终端中。
提供了对所公开实施例的以上描述，以使本领域任何技术人员都可以实现或使用包含本发明原理的产品。本领域技术人员将会容易地获知对于这些实施例的各种修改，在不偏离该公开文件的范围或精神的情况下，本文定义的基本原理可以应用于其它实施例。因此，本发明不旨在局限于本文所示出的实施例，而应被给予与本文所公开原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种用于在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的方法，包括：
从预定的一组竞争值中随机地选择竞争值；
基于所选择的竞争值选择退避值；
确定所述竞争信道是否可用于发送所选择的竞争值；以及
响应于确定所述竞争信道是可用的，使用所选择的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值。
2.如权利要求1所述的方法，
其中，所述竞争值表示各自的竞争优先级，
其中，所述选择退避值的过程包括选择与关联于所选择的竞争值的竞争优先级反相关的退避值，以及
其中，所述使用的过程包括向具有相对较小的关联退避值的所选择的竞争值提供相对较高的传输优先级。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述使用的过程包括：
减小所选择的退避值以生成减小后的退避值；以及
使用所述减小后的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值。
4.如权利要求1所述的方法，
其中，所述竞争值表示各自的竞争优先级，
其中，所述确定的过程包括接收由所述部分的竞争方在所述竞争信道上发送的所述竞争值中的一个，
所述方法还包括：
确定由所接收的竞争值表示的第一竞争优先级是否高于由所选择的竞争值表示的第二竞争优先级；以及
响应于确定所述第一竞争优先级高于所述第二竞争优先级，从对所述部分的竞争中退出。
5.如权利要求4所述的方法，
其中，所述选择退避值的过程包括选择与关联于所选择的竞争值的竞争优先级反相关的退避值，以及
其中，所述使用的过程包括向具有相对较小的关联退避值的所选择的竞争值提供相对较高的传输优先级。
6.一种能够在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的无线通信装置，包括：
竞争值生成器，其配置为从预定的一组竞争值中随机地选择竞争值；
退避值生成器，其耦合到所述竞争值生成器，并且配置为基于所选择的竞争值选择退避值；
竞争信道监控器，其配置为确定所述竞争信道是否可用于发送所选择的竞争值；以及
耦合到所述退避值生成器和所述竞争信道监控器的逻辑，所述逻辑配置为响应于确定所述竞争信道是可用的，使用所选择的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值。
7.如权利要求6所述的装置，
其中，所述竞争值表示各自的竞争优先级，
其中，所述退避值生成器配置为选择与关联于所选择的竞争值的竞争优先级反相关的退避值，以及
其中，所述逻辑配置为向具有相对较小的关联退避值的所选择的竞争值提供相对较高的传输优先级。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述逻辑配置为：
减小所选择的退避值以生成减小后的退避值；以及
使用所述减小后的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值。
9.如权利要求6所述的装置，
其中，所述竞争值表示各自的竞争优先级，
其中，所述竞争信道监控器配置为接收由所述部分的竞争方在所述竞争信道上发送的所述竞争值中的一个，
所述装置还包括：
确定器，其耦合到所述竞争信道监控器和所述竞争值生成器，用于确定由所接收的竞争值表示的第一竞争优先级是否高于由所选择的竞争值表示的第二竞争优先级，以及用于响应于确定所述第一竞争优先级高于所述第二竞争优先级，指示从对所述部分的竞争中退出。
10.如权利要求9所述的装置，
其中，所述退避值生成器配置为选择与关联于所选择的竞争值的竞争优先级反相关的退避值，以及
其中，所述逻辑配置为向具有相对较小的关联退避值的所选择的竞争值提供相对较高的传输优先级。
11.一种用于在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的装置，包括：
用于从预定的一组竞争值中随机地选择竞争值的模块；
用于基于所选择的竞争值选择退避值的模块；
用于确定所述竞争信道是否可用于发送所选择的竞争值的模块；以及
用于响应于确定所述竞争信道是可用的，使用所选择的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值的模块。
12.如权利要求11所述的装置，
其中，所述竞争值表示各自的竞争优先级，
其中，用于选择退避值的所述模块包括用于选择与关联于所选择的竞争值的竞争优先级反相关的退避值的模块，以及
其中，用于使用的所述模块包括用于向具有相对较小的关联退避值的所选择的竞争值提供相对较高的传输优先级的模块。
13.如权利要求12所述的装置，其中，用于使用的所述模块包括：
用于减小所选择的退避值以生成减小后的退避值的模块；以及
用于使用所述减小后的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值的模块。
14.如权利要求11所述的装置，
其中，所述竞争值表示各自的竞争优先级，
其中，用于确定的所述模块包括用于接收由所述部分的竞争方在所述竞争信道上发送的所述竞争值中的一个的模块，
所述装置还包括：
用于确定由所接收的竞争值表示的第一竞争优先级是否高于由所选择的竞争值表示的第二竞争优先级，并且用于响应于确定所述第一竞争优先级高于所述第二竞争优先级来指示从对所述部分的竞争中退出的模块。
15.如权利要求14所述的装置，
其中，用于选择退避值的所述模块包括用于选择与关联于所选择的竞争值的竞争优先级反相关的退避值的模块，以及
其中，用于使用的所述模块包括用于向具有相对较小的关联退避值的所选择的竞争值提供相对较高的传输优先级的模块。
16.一种支持在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的计算机程序产品，包括：
计算机可读介质，包括：
用于使得至少一个数据处理器从预定的一组竞争值中随机地选择竞争值的代码；
用于使得所述至少一个数据处理器基于所选择的竞争值选择退避值的代码；
用于使得所述至少一个数据处理器确定所述竞争信道是否可用于发送所选择的竞争值的代码；以及
用于使得所述至少一个数据处理器响应于确定所述竞争信道是可用的，使用所选择的退避值来决定是否在所述竞争信道上发送所选择的竞争值的代码。
17.一种由竞争方用于在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的方法，包括：
通过所述竞争信道接收由所述部分的另一竞争方在所述竞争信道上发送的竞争信号；
响应于所接收的竞争信号，确定所述另一竞争方的竞争优先级是否高于所述竞争方的竞争优先级；以及
响应于确定所述另一竞争方具有比所述竞争方更高的竞争优先级，从对所述部分的竞争中退出。
18.一种作为竞争方在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的无线通信装置，包括：
竞争信道监控器，其配置为通过所述竞争信道接收由所述部分的另一竞争方在所述竞争信道上发送的竞争信号；
确定器，其耦合到所述竞争信道监控器，并且配置为响应于所接收的竞争信号，确定所述另一竞争方的竞争优先级是否高于所述竞争方的竞争优先级，所述确定器还配置为响应于确定所述另一竞争方具有比所述竞争方更高的竞争优先级，指示所述无线通信装置从对所述部分的竞争中退出。
19.一种作为竞争方在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的装置，包括：
用于通过所述竞争信道接收由所述部分的另一竞争方在所述竞争信道上发送的竞争信号的模块；
用于响应于所接收的竞争信号，确定所述另一竞争方的竞争优先级是否高于所述竞争方的竞争优先级的模块；以及
用于响应于确定所述另一竞争方具有比所述竞争方更高的竞争优先级，指示所述装置从对所述部分的竞争中退出的模块。
20.一种支持竞争方在竞争信道上竞争对电视信道频谱的一部分的传输接入的计算机程序产品，包括：
计算机可读介质，包括：
用于使得至少一个数据处理器通过所述竞争信道接收由所述部分的另一竞争方在所述竞争信道上发送的竞争信号的代码；
用于使得所述至少一个数据处理器响应于所接收的竞争信号，确定所述另一竞争方的竞争优先级是否高于所述竞争方的竞争优先级的代码；以及
用于使得所述至少一个数据处理器响应于确定所述另一竞争方具有比所述竞争方更高的竞争优先级，指示所述竞争方从对所述部分的竞争中退出的代码。
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