CN102334371B - 用于既有信号检测的静默区中的静默期的调度和保护 - Google Patents

Abstract

一种用于在无线通信系统中调度和保护静默区（105）中的静默期（QP）以用于既有信号（121）检测的方法和系统。该通信系统包括多个无线网络（103,104），所述多个无线网络中的每一个至少包含主设备（101,401）和客户端设备（111,411）。在所述多个无线网络的每一个中，主设备（101,401）发射包含QP调度（500）和用于客户端设备（411）的时隙（405）的保留的信标（402）。客户端设备（111,411）在所述时隙期间发射请求静默（RTQ）消息（412），其中RTQ消息（412）包括客户端设备的QP调度信息。静默区（105）内的主设备和客户端设备根据所接收的信标和RTQ消息中所包含的QP调度信息而在调度的静默期期间保持静默。

Description

用于既有信号检测的静默区中的静默期的调度和保护

技术领域

本申请要求2009年2月27日提交的美国临时申请No.61/156099的权益。

本发明总体涉及TV（电视）波段中操作的网络中的设备，并且更具体地涉及一种提供使在基于IEEE802.11的系统中正执行既有信号检测的客户端设备周围的邻近设备沉默的机制的方法和系统。

背景技术

FCC（联邦通信委员会）最近已经批准了针对TV波段的未经许可使用的规则。该TV波段适于传播并且可以广泛应用，特别是在农村地区。这为创新服务开拓了巨大机遇，所述创新服务比如宽带互联网接入、家庭多媒体分布、网状组网、智能计量以及建筑物自动化和控制。

包括IEEE802.11和IEEE802.15的许多广泛采用和部署的标准正在争取通过调适物理（PHY）层和介质访问控制（MAC）层利用这种未经许可的频谱，以主要满足管理要求以保护主要的用户，尤其比如TV台和无线麦克风。

在FCC规则下，地理定位/数据库和感测二者应当被实现以确定网络的信道可用性。网络中的主设备（例如在WiFi情况下的接入点（AP））应当具有经由因特网访问的地理定位/数据库以确定信道可用性。此外，包括主设备的每个设备需要有规律地感测操作信道。一旦主要用户（既有设备）被检测到，则感测结果应当被报告给主设备并且应当相应地采取行动（由主设备协调），例如在比如无线麦克风之类的低功率主要用户被检测到的情况下腾出信道。

因此，在低误报警率和低漏检率方面的感测可靠性是充分利用所述可用频谱同时保护潜在主要用户的关键。给定FCC规则所需的极低的检测阈值（低到-114dBm），实现高感测可靠性不是简单的。为了允许设备感测可靠性，一定距离内（被称为静默区105（图1））的邻近辅助设备在检测时间期间应当保持沉默。这种其中每个设备保持沉默的时段被称为静默期（QP）。静默的邻近设备可以是属于其他网络的设备以及家用AP传输范围之外的设备。

IEEE802.11h标准提供一种调度静默间隔或静默期以实现对相同的5GHz频带中的雷达信号的可靠感测的方法。基本服务集（BSS）中的AP通过在信标帧中发射一个或多个静默元素并探测响应帧来调度静默间隔。尽管该方法对这种系统而言是足够的，但是它不能简单地应用于TV空白空间（whitespace），这是因为为了保护TV波段中主要用户而在TV波段中有严格得多的感测要求。首先，每个设备被要求执行感测，并且一个设备的感测结果可以适用于整个网络。其次，所述感测要求在灵敏度方面严格得多。为了实现这种感测要求，执行测量的设备的静默区应当足够大并且邻接的静默期应当足够长（例如，大于或等于5ms）。还优选地，静默期应当跨越每个静默区而被同步化，这是因为用于执行感测操作的更大的静默区和更小的静默期开销的原因。

其他现有MAC是基于保留的，其使得QP调度相对更容易。然而，它们不适合用于基于竞争的IEEE802.11协议，并且它们缺乏足够的机制来保护感测设备免受邻近辅助设备带来的干扰。

发明内容

本发明的某些实施例提供一种用于使在基于IEEE802.11的系统中执行既有信号检测的客户端设备周围的邻近设备沉默的机制。因此，既有信号检测的可靠性可被显著改进。根据本发明的某些实施例，公开了用于跨越基于IEEE802.11系统的邻近网络调度QP的时间图、基本消息、过程和算法，其中信道接入是基于竞争的并且邻近网络不是同步的。本发明的某些实施例还提出解决静默期与邻近网络的信标发射时间之间的冲突的方法。而且，本发明的某些实施例允许辅助设备从感测结果集合（consolidation）识别并移除不可靠的感测结果。结果，可以显著减少主要检测的误报警。

在本发明的一个实施例中，提供一种用于在无线通信系统中调度和保护静默区中的静默期（QP）以用于既有信号检测的方法和系统，该通信系统包括多个无线网络，其中所述多个无线网络中的每一个至少包含主设备和客户端设备。在所述多个无线网络中的每一个中，主设备发射包含QP调度和用于客户端设备的时隙的保留的信标；客户端设备在所述保留的时隙期间发射请求静默（RTQ）消息，其中RTQ消息包括QP调度信息；并且静默区内的所有主设备和客户端设备根据所有从所述多个无线网络接收的信标和RTQ消息中所包含的QP调度信息而在调度的静默期期间保持静默。

在本发明的另一个实施例中，提供了用于解决静默期与邻近网络的信标发射时间之间的冲突的方法。在一种方法中，根据所述多个无线网络的另一个的目标信标发射时间（TBTT）调整QP调度，以便避免调度的静默期与所述多个无线网络中的另一个的信标发射之间的冲突。主设备和客户端设备通过倾听来自所述多个无线网络中另一个的信标发射来报告并更新TBTT。在另一种方法中，主设备向所述多个无线网络中的另一个网络的发射信标或RTQ的设备发射拒绝静默（decline-to-quiet）消息，如果在调度的静默期与主设备的信标发射之间存在冲突；并且发射信标或RTQ的所述设备用响应拒绝消息来对拒绝静默消息作出响应，调整QP调度以避免冲突，以及在信标或RTQ消息中发布新QP调度。

在说明书结束处的权利要求中具体指出并明确要求保护被看作本发明的主题。本发明的前述和其他特征和优点将根据下面结合附图进行的详细描述而清楚明白。

附图说明

图1图示了既有信号检测和静默区。

图2图示了根据本发明的实施例的辅助设备的框图。

图3图示了根据本发明的实施例由辅助设备确定频谱可用性。

图4图示了根据本发明的实施例的QP（静默期）调度的时序图。

图5图示了根据本发明的实施例的QP调度的信息元素。

图6图示了根据本发明的实施例的邻域（neighborhood）静默请求期（NQRP）的信息元素。

图7图示了根据本发明的实施例的RTQ（请求静默）消息格式。

图8图示了根据本发明的实施例的DTQ（拒绝静默）消息格式。

图9图示了主设备或客户端设备与邻近主设备之间的消息流。

图10图示了挑选由根据本发明的实施例的辅助信号污染（taint）的主要测量。

具体实施方式

重要的是注意到，本发明所公开的实施例仅仅是这里的创新教导的许多有利用途的示例。一般地，本申请的说明书中进行的陈述不一定限制各种要求保护的发明的任意一个。而且，一些陈述可以适用于一些发明特征但不适用于其他发明特征。一般地，除非另外指示，不失一般性，单数元素可以是复数且反之亦然。在附图中，贯穿若干视图，相似的数字指代相似的部分。

根据FCC规则，预期在TV波段中操作的网络中的每个设备应当能够可靠地检测低到-114dBm的既有TV和无线麦克风信号。给定现有IEEE802.11协议，客户端设备不能实现可靠感测，除了其他原因之外，这主要是由于在执行既有信号感测的时间期间遭受来自邻近设备的干扰。例如，如图1所示，AP能够根据当前协议有规律地调度QP，然而该QP被限于AP自身的BSS。AP1101利用它的BSS1103内的客户端A111和客户端B112调度QP。尽管AP1101和AP2102可以经由因特网131通信，但是AP2102独立于AP1101而利用它自身的BSS2104内的客户端C113调度QP。因此，在针对来自既有设备121的既有信号感测的同时，客户端A111仍然易受来自客户端C113的干扰的攻击，因为客户端C可能不知道由AP1101设置的QP调度。

图2图示了根据本发明实施例的辅助设备200的框图。辅助设备200包括辅助信号收发器201、主要信号感测模块202、感测调度器和分析器203以及频谱管理器204。辅助信号收发器201负责无线信号在辅助设备之间的处理、发射和接收。辅助信号收发器201通常进一步包括物理层PHY处理器和MAC处理器。主要信号感测模块202负责检测主要信号。感测调度器和分析器203决定何时进行感测以及如何将感测结果（与主要信号感测模块202和辅助信号收发器201二者的输入）合并。频谱管理器204根据频谱可用性选择或取消选定用于辅助设备的工作频道。如图3所示，一个实施例中的频谱可用性由频谱感测和频谱数据库确定。辅助主设备301可以通过网络接口在因特网331上访问频谱数据库341，并且可以感测来自主要设备321的信号。对于辅助客户端设备，所述频谱可用性通常由主要设备321的频谱感测以及从其关联的辅助主设备301接收的信令来确定。

在本发明的一个实施例中，网络中的主设备协调它自身的网络的QP调度。该QP可以被有规律地调度。图4图示了QP调度相对于信标发射的时间图。主设备401通过其信标402传播QP调度信息。为了帮助每个客户端设备创建它自己的静默区，该主设备在其用于客户端设备的信标402之后立即保留无竞争时段（被称为邻域静默请求期（NQRP）403）以向静默的邻近的设备发射管理消息。如图4所示，NQRP403被分成多个时隙，时隙大小为TRTQ_Slot。每个时隙405允许一个客户端411发送请求静默（RTQ）管理消息412。RTQ帧之间（和信标与随后第一个RTQ之间）的帧间空间应当足够小以使得客户端设备能够在信标发射之后捕获具有高优先级的信道（对不协调的分布环境是必要的）。例如，所述帧间空间被设置为优先级或PCF帧间空间（PIFS）404。

主设备在其信标中携带描述邻域静默请求期的信息元素。如图5所示，QP调度信息元素500包括元素ID501、长度502、序号503、下一个QP的开始时间（QP_递减计数）504、QP的持续时间（静默持续时间）505以及QP之间的间隔（感测间隔）506。最小静默持续时间依赖于感测算法。例如，一种感测算法要求每个静默期至少5ms。所述感测间隔通常为信标间隔的N（N>=1,整数）倍。然而，如果感测间隔被设置为0，则随后的QP将被调度一次（没有重复）。对于有规律的QP调度，为了增加QP调度信息广播的可靠性，在每个信标间隔中发射静默元素（包含在信标中）和RTQ（尽管感测间隔可能是信标间隔的若干倍）。静默调度的信息元素包括序号504，以指示静默调度的新鲜度（freshness）。

图6中图示了NQRP信息元素的格式。NQRP信息元素600包括元素ID601、长度602、NQRP长度603和地址列表604。NQRP信息元素中的地址列表604指定了被选择用于参与静默区设置的一组设备和在邻域静默请求期内发射RTQ的顺序。通常，NQRP是足够长的以使得网络中的每个设备被选择以在每个NQRP中发射RTQ。然而，关联的设备的数量可以非常大，并且NQRP需要保持相对较短以节省开销。在此情况下，在每个NQRP中仅选择客户端设备的子群，并且子群的列表可以按照NQRP轮换（rotate）。每个客户端设备将被给出相等的机会发送其RTQ。更多的机会可以分配给需要的那些设备，例如在感测期间涉及冲突的那些设备。除了在NQRP中发送RTQ（这给客户端更高机会发送RTQ而没有冲突）之外，客户端也可以在要求时在NQRP之外发送RTQ。

RTQ包含与上文所解释（图5）相似的QP调度信息，即调整的QP递减计数、静默持续时间和感测间隔。RTQ可以以系统中所允许的最鲁棒的调制和编码方案发射，以使得它能够到达尽可能远的地方。图7中图示了RTQ的格式。RTQ700包括帧控制701和持续时间702。RA703是RTQ的接收器地址，其被设置为广播地址。TA704是发射器设备地址。图7也示出了发射设备的网络ID705，例如BSSID（基本服务ID）。QP调度域706包含如上所解释的QP调度信息。帧校验序列（FCS）707也被提供。

（从邻近网络）接收RTQ或信标的邻近设备应当在调度期期间保持静默。设备可以从相同的邻近网络或从不同的邻近网络接收多个RTQ。QP调度在多个网络间可以不同。多个网络的邻域中的设备应当保护每个QP并在每个QP期间保持沉默。利用网络ID和序号（包含在QP调度中），邻近设备可以唯一地识别所接收的QP调度属于哪个网络以及该QP调度是否是最新的。

可能发生的是，接收RTQ的设备是邻近的主设备，并且邻近网络的调度的静默时间与它自身的网络的信标发射时间冲突。这种冲突应当被避免，因为有规律的信标发射对于网络的正确操作非常重要。若干方式可以防止这种冲突发生。在本发明的一个实施例中，如果主设备抢先知道邻近网络的TBTT（目标信标发射时间），则该主设备应当调整它的QP调度以避免冲突。这样做时，意外听到（overhear）来自新邻近网络的信标的设备应当向它自身的主设备报告并更新邻近网络的TBTT。

如果发生冲突，从其邻近网络接收RTQ或信标的主设备应当通过发送指示拒绝原因为“信标冲突”的拒绝静默（DTQ）消息来拒绝这种调度。图8示出DTQ消息800的格式，其包括帧控制801、持续时间802、接收器地址（RA）803、发射器地址（TA）804、序号805、原因806和帧校验序列（FCS）807。图9示出根据本发明的实施例的主设备901或客户端设备911与邻近主设备902之间的消息流。包含QP调度信息的信标或RTQ921从主设备901或客户端设备911发送。邻近主设备902接收该信标或RTQ并在没有与其自身信标冲突的情况下在调度的QP期间保持静默。如上文所讨论，如果发生冲突，则接收RTQ或信标921的邻近主设备902通过发送指示拒绝原因为“信标冲突”的DTQ消息922来拒绝这种调度。DTQ消息的RA（接收器地址）被设置为（由RTQ或信标）从其接收冲突的QP调度的地址。DTQ922中的序号对应于所接收RTQ921中的QP调度的序号。在接收到对应的DTQ922之后，发送RTQ921的设备利用响应拒绝消息923应答并且请求改变QP调度。随后，被请求改变静默期调度的主设备901或客户端设备911将发布新QP调度924。

甚至利用上述QP调度机制，感测可能仍然遭受来自邻近设备的干扰，例如这是由于以下事实造成的：邻近设备可能漏失RTQ。为了进一步增强感测的可靠性，在本发明的一个实施例中，一种机制从感测结果集合中识别并移除主要信号的污染（taint）的测量。例如，辅助设备可以解码邻近辅助信号（前同步码或分组头或整个分组）并且同时执行主要信号检测。如图2所示，感测分析器203得到来自主要信号感测模块202和辅助信号收发器201二者的输入以决定主要感测是否有效。如果辅助信号在测量期期间被识别，则应当挑选在测量期期间的测量结果。如果合计的感测时间足够长，则辅助设备仍然可以得到足够干净的（clean）感测结果以用于根据感测结果的一部分做出决定。例如，可靠感测在60秒时段内需要8个测量（用于运行中监测的管理需要），其中每个测量花费5ms。主设备可以在用于测量的60秒时段内调度16个静默期，每个静默期持续5ms。如果辅助信号在主要信号的某个测量期间被检测，则该测量将被标记为不可靠/无效并且将不会被用于感测结果集合。因此，即使测量的一半被用来自邻近设备的干扰污染，则设备仍然能够做出正确的感测决定。通过这样做，可以减少误报警。

图10中图示了一个示例。测量1100针对主要信号1001测量作为时间1020的函数的信号强度1010。进行了四个测量1101、1102、1103和1104。检测阈值1030针对这些测量设置。辅助信号1002在测量1102期间被检测。因此，测量1102将被标记为不可靠/无效并且将不会被用于感测结果集合。

本发明适用于例如IEEE802.11、IEEE802.15和EcmaTC48-TG1标准。

前面的详细描述已经提出了本发明可以采用的许多形式中的一些。预期前面的详细描述被理解为对本发明可以采用的选定形式的说明，而不能被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）预期定义了本发明的范围。

最优选地，本发明的原理被实现为硬件、固件和软件的任意组合。而且，软件优选地被实现为有形地体现在由多个部分或某些设备和/或设备的组合构成的程序存储单元或计算机可读存储介质上的应用程序。该应用程序可以上载到包括任何适当架构的机器并被其执行。优选地，该机器在具有比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。该计算机平台也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，它们可以由CPU执行，无论这种计算机或处理器是否被明确地示出。此外，诸如附加的数据存储单元和印刷单元之类的各种其他外围单元可以连接到计算机平台。

Claims (14)

1.一种用于在无线通信系统中调度和保护静默区（105）中的静默期QP以便检测既有信号（121）的方法，该无线通信系统包括多个无线网络（103,104），所述多个无线网络中的每一个至少包含主设备（101,401）和客户端设备（111,411），该方法包括：

由所述多个无线网络中的一个中的主设备（101,401）发射信标（402），其中该信标（402）包含第一QP调度（500）和用于所述多个无线网络中的所述一个中的客户端设备（111,411）的时隙的保留；

由所述多个无线网络中的所述一个中的客户端设备（111,411）在所述时隙期间发射请求静默RTQ消息（412），其中RTQ消息（412）包括第二QP调度（706）；以及

由静默区（105）内的所述多个无线网络中的每一个中的主设备和客户端设备根据第一和第二QP调度中的信息在静默期期间保持静默。

2.权利要求1的方法，进一步包括根据所述多个无线网络中另一个的目标信标发射时间TBTT调整第一或第二QP调度以便避免静默期与所述多个无线网络中所述另一个的信标发射之间的冲突。

3.权利要求2的方法，进一步包括通过倾听来自所述多个无线网络中所述另一个的信标发射来报告并更新TBTT。

4.权利要求1的方法，进一步包括：

如果在静默期与所述多个无线网络中的另一个的信标发射之间存在冲突，则由所述多个无线网络中的所述另一个中的主设备（902）发射拒绝静默DTQ消息（922）；

用响应拒绝消息（923）来对DTQ消息（922）作出响应；

调整第一或第二QP调度以避免冲突；以及

在信标或RTQ消息（924）中发布新QP调度。

5.权利要求1的方法，其中保留的时隙（405）是立即跟随在信标（402）后的邻域静默请求期NQRP（403）中的时隙，并且所述多个无线网络中的所述一个中的主设备（401）包括信标（402）中的NQRP信息元素（600）用于针对所述多个无线网络中的所述一个中的客户端设备（411）的时隙保留，其中NQRP信息元素（600）包括指定被选择用于参与静默区以在邻域静默请求期内发射RTQ消息的一组设备的地址列表（604）。

6.权利要求1的方法，进一步包括：

通过在静默期期间进行多个测量（1101,1102,1103,1104）检测既有信号（121）；以及

如果另一个信号（1002）在所述多个测量中的一个测量（1102）期间被检测到，则丢弃该测量。

7.一种用于检测无线通信介质的既有信号（121）的系统，该系统包括多个无线网络（103,104），所述多个无线网络中的每一个至少包含主设备和客户端设备，该系统包括：

所述多个无线网络中的一个中的主设备（101,401），其被配置成发射信标（402），该信标（402）包含第一静默期QP调度（500）和用于所述多个无线网络中的所述一个中的客户端设备（111,411）的时隙的保留，该所述多个无线网络中的所述一个中的客户端设备（402）被配置成在该时隙期间发射请求静默RTQ消息（412），其中RTQ消息（412）包括第二QP调度（706），并且其中静默区（105）内所述多个无线网络中的每一个中的主设备和客户端设备被配置成根据第一和第二QP调度中的信息在静默期期间保持静默。

8.权利要求7的系统，其中所述多个无线网络中的所述一个中的主设备（101）被进一步设置成根据所述多个无线网络中另一个的目标信标发射时间TBTT调整第一或第二QP调度以便避免静默期与所述多个无线网络中所述另一个的信标发射之间的冲突。

9.权利要求8的系统，其中所述多个无线网络中的所述一个中的主设备和客户端设备被进一步配置成通过倾听来自所述多个无线网络中的所述另一个的信标发射来报告并更新TBTT。

10.权利要求7的系统，其中所述多个无线网络中的另一个中的主设备（902）被进一步配置成：

如果在静默期与所述多个无线网络中的所述另一个中的主设备的信标之间存在冲突，则将拒绝静默DTQ消息（922）发射到所述多个无线网络中的所述一个中的、发射信标或RTQ消息（921）的设备（901,911）；以及

发射信标或RTQ消息的设备（901,911）被进一步配置成：

利用响应拒绝消息对DTQ消息（922）作出响应；

调整第一或第二QP调度以避免冲突；以及

在信标或RTQ消息（924）中发布新QP调度。

11.权利要求7的系统，其中保留的时隙（405）是立即跟随在信标（402）之后的邻域静默请求期NQRP（403）中的时隙，并且所述多个无线网络中的所述一个中的主设备（101，401）进一步被配置成在信标（402）中包括NQRP信息元素（600）用于针对所述多个无线网络中的所述一个中的客户端设备（111，411）的时隙保留，并且其中NQRP信息元素（600）包括指定被选择用于参与静默区以在邻域静默请求期内发射RTQ消息的一组设备的地址列表（604）。

12.权利要求7的系统，其中主设备和客户端设备中的每一个进一步包括：

频谱管理器（204），用于选择或取消选定操作频道；

主要信号感测模块（202），用于检测既有信号；

辅助信号收发器（201），用于从所述多个无线网络接收信号；以及

感测调度器和分析器（203），用于在静默期期间调度多个信号测量（1101,1102,1103,1104），以及如果另一个信号（1002）在所述多个测量中的一个测量（1102）期间被检测到，则丢弃该测量。

13.权利要求12的系统，其中所述多个无线网络中的每个主设备（301）进一步包括用于通过因特网（331）访问频谱数据库（341）的装置。

14.权利要求13的系统，其中频谱管理器（204）基于来自所述多个无线网络的设备和频谱数据库（341）的组合的信号测量选择或取消选定操作频道。