基于白頻譜技術的數字電視上行系統研究

趙 淼，何大治，管云峰，楊 峰，丁良輝

（1.上海交通大學，上海 200240；2.數字電視國家工程研究中心，上海 200125）

基于白頻譜技術的數字電視上行系統研究

趙 淼1,2，何大治1,2，管云峰1,2，楊 峰1,2，丁良輝1,2

（1.上海交通大學，上海 200240；2.數字電視國家工程研究中心，上海 200125）

介紹了廣播電視頻段白頻譜技術的研究與發展，調研了美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）和英國通信辦公室（Ofcom）對白頻譜技術提出的規范和要求，以及基于白頻譜技術的通信協議和標準。同時對認知無線電關鍵模塊進行了探究和仿真。最后結合白頻譜的要求，對數字電視上行系統進行鏈路預算與仿真，根據仿真結果，重新設計了超窄帶方案的數字電視上行系統幀結構，并通過資源分配仿真驗證了所設計的幀結構具有更大的優勢。

白頻譜技術；認知無線電；頻譜管理；數字電視

隨著數字電視近年的快速發展，無線廣播數字電視逐漸成為研究熱點。然而美國FCC委員會的大量報告中指出，TV頻譜的利用很不平衡，對于一些非授權頻段的占用率過高，而很多授權頻段占用率很低因而過于空閑。國家無線電網絡研究實驗床項目報告中顯示3 GHz以下頻段頻譜利用率僅為5.2%[1]。因而本文主要研究認知無線電的新技術，即白頻譜技術與數字電視上行回傳鏈路系統的結合。TV白頻譜定義為電視頻段中UHF和VHF頻段內的無執照系統，即主用戶沒有使用或不受到干擾的頻段內。電視頻段頻率低于1 GHz，因而傳播的距離更遠，允許非視線的傳播覆蓋，從而使電視頻段的白頻譜技術更加適用于農村、人煙稀少等地區，因而在數字電視回傳鏈路中應用白頻譜技術具有很大的前景和重要的意義。

1 廣播電視白頻譜標準與通信協議發展

在制定廣播電視白頻譜規范方面，主要由美國FCC與英國Ofcom來進行制定。雖然二者率先發起了免執照使用廣播電視“白頻譜”的議題，但同時也對TVBDs設備進行了相應的約束，如需要地理定位能力、頻譜感知能力等。

1.1 FCC白頻譜要求

1）設備分類

FCC規定CR用戶設備分為固定設備、Mode1可移動設備、Mode2可移動設備與感知設備四類。固定設備地點不移動，Mode1可移動設備不使用地理定位能力和TV頻段數據庫，Mode2設備使用地理定位能力和TV頻段數據庫，感知設備是通過頻譜感知技術得到頻段的可移動設備。

2）頻段使用

FCC規定CR設備僅能使用6 MHz帶寬，支持白頻譜的頻段數目中最大可用頻段數目為47，從頻段2～頻段51，排除頻段3、4和37。

3）功率要求

對于固定設備，其EIRP在6 MHz帶寬內最大允許4W，連續100 kHz內最大EIRP不能超過12.6 dBm。對于可移動設備，其EIRP在6 MHz帶寬內最大允許100 mW，連續100 kHz內最大EIRP不能超過2.6 dBm，且最大天線增益為0 dBi。對于所用頻段鄰接正使用的TV主用戶的可移動設備，EIRP最大40 mW，連續100 kHz內最大EIRP不能超過-1.4 dBm。對于感知設備，FCC規定連續100 kHz內最大EIRP不能超過-0.4 dBm。

4）天線要求

FCC僅對固定設備有天線高度要求，即固定設備地面高度需要小于等于30 m，HAAT最大為106 m。且不允許天線放置于平均天線高度大于250 m的地帶。

5）地理定位能力要求

FCC要求CR設備定位的精確度在±50m內。地理定位能力與FCC認可的數據庫共同使用來決定可用頻段。Mode2的移動設備至少每60 s檢查更新一次位置信息。固定設備至少每天訪問一次數據庫來保證可用頻段處于最新狀態。同時如果Mode2的移動設備遷移超過100m，就需要重新訪問一次數據庫。

1.2 Ofcom白頻譜要求

1）設備分類

設備僅分Type A與Type B兩類，Type A表示戶外的固定設備，Type B表示非固定于戶外的設備。

2）頻段使用

CR設備只用于8 MHz帶寬，其中可用頻段為UHF頻段，即470～550 MHz（Channel 21～30）以及614～790 MHz（Channel 39～60）是可用頻段。

3）地理定位能力要求

Ofcom對地理定位的要求同FCC一致，要求CR設備定位精確度在±50m內，且有95%以上置信度。

4）天線要求：

對于Type A設備無要求，但是對于Type B設備，則要求天線必須為一體化天線。

5）定期檢測數據庫

Ofcom規定當CR設備的經緯度坐標變化50 m以上時，需要重新檢測數據庫，同時規定主設備能夠在60 s內取消接入，而從設備需在1min內取消接入。

1.3 通信協議的選取

在“白頻譜”規范逐漸完善的過程中，標準的制定同樣起著關鍵的作用。根據標準協議，TVBDs設備可以避免干擾，確保通信質量。目前國際基于白頻譜制定的標準有ECMA-392，IEEE1900.4a，IEEE1900.7，IEEE802.15.4m，IEEE802.11af和IEEE802.22等，而應用于廣播電視頻段的主要是后三種標準。其中IEEE802.15.4m是WPAN網，即低速率的無線個人局域網。而IEEE802.11af是WLAN，即無線局域網，IEEE802.22是WRAN，即無線區域網。

在實際應用時，本文主要側重對IEEE802.22系統的調研，這是由于在物理層上，IEEE802.22覆蓋范圍可以達到100 km，傳播時延為25～60μs，帶寬為6 MHz、7 MHz、8 MHz可選，最大數據率為22.69 Mbit/s，調制方式為QPSK、16QAM、64QAM可選，同時支持卷積碼、CTC、LDPC、SBTC編碼[2]。而對于數字電視上行系統的設計，要求同樣是覆蓋范圍達到100 km，用戶數達到1 000以上。

因而IEEE802.22系統與數字上行回傳系統應用場景更為接近，研究IEEE802.22系統中的關鍵模塊有助于設計基于白頻譜技術的數字電視上行系統。

2 802.22系統關鍵模塊研究

2.1 干擾溫度模型

在IEEE802.22協議中，主要關注于認知無線電技術相關內容，目前IEEE802.22標準提出對于基站而言，核心模型是頻譜管理（Spectrum Management，SM）模塊。基站需要匯集用戶頻譜探測的結果，并通過數據庫來訪問當前可用頻段的列表，再對多用戶進行合理的頻譜分配與功率分配[3]。而目前基于發射機的頻譜檢測如能量檢測、循環平穩檢測效果并不理想[4]，因而FCC提出了干擾溫度模型來解決此問題。從而對于IEEE802.22系統關鍵模塊，本文主要探討基于接收機干擾溫度模型的頻譜分配和功率分配。

干擾溫度模型認為只要CR用戶使用的授權頻段在主用戶接收端的干擾小于其干擾門限，則認為該頻段是可以使用的“白頻譜”。

干擾溫度Ti的單位是開爾文，定義為

式中：Pi表示中心頻譜為 fc、帶寬為B范圍內的平均干擾功率；k表示玻爾茲曼常數。FCC規定主用戶在某頻段 fc，與帶寬B的范圍內干擾溫度的閾值TL，該閾值為該區域內可以容忍的干擾上限。

考慮小區內部授權用戶分別是P1～PU，其獨立使用頻段數目為J，每個小區內有I個CPE用戶。表明CPEi的發射機在信道c上到達CPEj的增益，而表明CPEi在信道c上的發射功率大小，滿足如下要求

2.2 改進的干擾圖算法

在原有功率分配與頻譜分配中，使用干擾圖算法[5]。通過對所有頻譜計算未獲得分配的CPE的度Deg（i，c），從而選取度最小的進行分配，將頻段c分配給CPEi，再從未獲得頻譜集合中將i刪去，直至全部頻譜分配完畢。但是干擾圖算法中對于功率分配方案是基于用戶的最低信噪比計算得到，此時的功率結果對于用戶而言是最小功率方案，當最低功率滿足不對主用戶造成干擾時，則分配此功率給該用戶，否則該CPE無法接入當前網絡。本文在原有的算法上增加了注水思想，從而可以保證接入小區的CPE數目較多的同時，提高系統容量和數據率。

注水思想實際上是在max(Pn)≤Pmax前提下，求得最大的系統容量方案，Pn最優解為

在算法仿真時，考慮半徑較小的小區范圍，即半徑10 km以內，同時考慮到矩陣運算的復雜程度，仿真所用的CR用戶為40，可用頻段為100，其余參數是通過數字電視系統設計的參數與白頻譜要求得到，具體仿真參數見表1。

表1 算法仿真參數表

圖1為小區內系統容量的對比仿真圖。

圖1 系統容量對比圖

文中僅對IEEE802.22系統中基站的認知層核心模塊——頻譜管理模塊進行了研究，但是對于CR用戶而言，仍然需要進行頻譜探測，并將探測結果反饋給基站。

3 數字電視上行系統幀結構設計

3.1 鏈路預算

在對IEEE802.22系統中認知層具體模型進行研究后，需要結合FCC對白頻譜的要求探究目前的數字電視上行系統是否可以滿足需求。鏈路預算主要目的是探究在滿足白頻譜的功率要求方面，數字電視上行系統是否可以滿足覆蓋范圍100 km、用戶數大于1 000的指標。鏈路預算主要根據Okumura-Hata模型，獲得前導序列時間Tseq[6]與覆蓋范圍D的關系。鏈路預算模型參數見表2。

由此可得到PRACH覆蓋性能與序列的持續時間的關系如圖2所示。

因而當覆蓋半徑大于100 km時，則根據圖中所示Tseq需要大于4.8 ms。而在原有的上行系統幀結構中，1幀僅為2 ms，因而需要采用調頻、擴頻的方式來抵抗信道衰減提高增益，補償鏈路損耗。本文采用了通過10倍上采樣方案對用戶進行超窄帶幀結構設計。

表2 鏈路預算模型參數表

圖2 覆蓋范圍與前導序列時間關系曲線

3.2 幀結構設計

針對系統需要同時滿足遠距離通信和近距離通信兩種情況，其中兩種通信場景下示意圖見圖3。本文設計了一種混合幀結構，系統采樣率10 MHz，帶寬8 MHz，共分為2 048個子載波，僅使用低頻帶的1 440個子載波。其中每幀時間長度為20 ms，低頻帶720個子載波采用超窄帶傳輸，中間頻帶720個子載波采用正常帶寬傳輸。

圖3 通信場景示意圖

采用超窄帶的方式與衛星短距離方式下的幀結構設計如圖4所示。對于超窄帶傳輸，每個用戶在一幀中只占據一個載波（0.4 kHz），分配180個子載波用來作為RACH信道，剩余540個載波支持用戶數據傳輸。

圖4 幀結構示意圖

超窄帶模型的優點是遠距離通信，不足是數據速率較低。因而可以給一個用戶分配多個子載波來提高數據速率。

當覆蓋面積較小，采用短距離通信時，可以采用寬帶通信的方式，即每個用戶可以使用多個子載波，此時RACH不需要很長的持續時間，可以縮短RACH的持續時間，采用更加靈活的資源塊分配方案，使用戶可以使用更多的資源。圖4b為資源塊的分配方案，17個符號時間為4 ms，頻率上占據10個子載波，10個導頻符號以二維內插的方式分布在一個資源塊中，其余160個符號用來傳輸業務內容。短距離模型的優點是支持用戶較多，速率靈活可變，碼率較高，不足是導頻較少，在惡劣的信道中可能會產生較大影響。

混合幀結構設計表如表3所示。

3.3 資源分配仿真

進行了上行系統的幀結構后，需要對一幀內傳輸的用戶數目以及分配給用戶的資源數目進行理論分析和上限要求。在考慮鏈路損耗時，采用Okumura-Hata模型進行分析，在考慮用戶發射功率時，需要結合FCC對白頻譜的要求。同時在資源分配中，需要考慮最多能分配單用戶的子載波數目和時域符號數目，由于子載波數目與鏈路損耗、噪聲門限、載波頻率、覆蓋半徑與接收端靈敏度等參數相關，因而在仿真時主要考慮子載波數目的資源分配限制，同時，每個用戶最多分配的子載波數目大小也反映了能夠接入的最大用戶數目。

固定設備與可移動設備下基站覆蓋范圍D與支持用戶數目關系如圖5所示。

表3 數字電視上行系統整體幀結構設計

圖5 幀結構子載波數目對比圖

從圖5中可以看到，對于10倍上采樣后的幀結構而言，由于其信號帶寬小，因而接收端噪聲較小，每個用戶可以支持更多的子載波數目分配。對于固定設備，在小區半徑10 km時，可以達到1 000數目的子載波分配，即當采用單載波方式時，可以支持1 000個用戶，從而達到設計需求。對于可移動設備，根據FCC的要求，鄰接正在通信的主用戶頻段的可移動設備，其EIRP要求是最大40 mW，而對于沒有鄰接主用戶頻段的可移動設備，其EIRP要求是最大100 mW。從圖5b可以看出，雖然對于移動設備無法達到1 000數目的子載波分配，但是超窄帶的幀結構可以覆蓋更大距離、容納更多用戶。

4 小結

本文首先對白頻譜標準進行了調研，同時探究FCC和Ofcom對白頻譜進行的規范，并對白頻譜技術中關鍵模塊，即頻譜分配與功率分配模塊進行了算法優化研究與仿真。同時根據白頻譜的要求，通過奧村模型對上行系統進行鏈路預算，根據預算結果采用10倍上采樣的超窄帶方案設計了滿足白頻譜要求的上行系統幀結構，同時通過子載波數目分配的仿真驗證了所設計的上行系統與原有系統相比能夠接入更多的用戶，同時能夠覆蓋更大的距離。

[1] MCHENRY M.Report on spectrum occupancy measurements. [EB/OL].[2014-09-30].http://www.sharedspectrum.com/?section= nsf_summary.

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[3] HAYKIN S.Cognitive radio:brain-empowered wireless communi?cations[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2005，23（2）：201-220.

[4] YUCEK T，ARSLAN H.A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications[J].IEEE Communications Surveys and Tutorials，2009，11（1）：116-130.

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[6]李一晨.SC-FDMA系統關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

W hite Space Technology Research in Uplink System of Digital Television

ZHAO Miao1,2，HE Dazhi1,2，GUAN Yunfeng1,2，YANG Feng1,2，DING Lianghui1,2
（1.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China；2.DTV National Engineering Research Center,Shanghai 200125,China）

“White space”technology of cognitive radio,which is not used in the broadcast and television spectrum is analyzed.The rules of white space which are formulated by FCC and Ofcom Committee and standards such as IEEE802.22 and IEEE802.11af are also studied.Through the needs in physical level of these standards,“dynamic spectrum allocation”and“power allocation”which are particularly important are focused on.After researching the physical model,the original uplink system is simulated to determine whether suits for white space.Combining with the result of link budget of uplink system of television,new frame structure which is suitable for white space is designed and some simulation works are done to guarantee its advantage.

white space;cognitive radio;spectrum management;digital television

TN929.5

A

?? 京

2014-10-28

【本文獻信息】趙淼，何大治，管云峰，等.基于白頻譜技術的數字電視上行系統研究[J].電視技術，2014，38（24）.

國家自然科學基金項目（61221001；61102051；61420106008）；111引智計劃項目（B07022）；國家高技術研究發展計劃項目（2012AA011701；2013AA013503）；上海市數字媒體處理與傳輸重點實驗室；上海交通大學科技創新基金（AF0300021）