基于白頻譜的數字電視上行網絡可行性研究

李 青，丁良輝，楊 峰，錢 良，何大治，管云峰，張文軍

(上海交通大學，a.無線通信技術研究所；b.圖像通信與網絡工程研究所, 上海 200240)

基于白頻譜的數字電視上行網絡可行性研究

李 青a，丁良輝b，楊 峰a，錢 良a，何大治b，管云峰a，張文軍b

(上海交通大學，a.無線通信技術研究所；b.圖像通信與網絡工程研究所, 上海 200240)

未來廣播電視的趨勢之一在于為電視用戶提供交互性服務，而實現地面數字電視交互服務需要占用新的頻譜資源建立專用上行網絡。面對日益激烈的頻譜之爭，利用下行廣播網絡所存在的白頻譜設計地面數字電視上行系統，可以實現廣播電視頻譜更充分的利用和更好的管理。通過計算鏈路衰落情況分析了上行網絡的鏈路預算和發射功率需求，提出了一種可行的廣播上行網絡架構。然后結合UGC著色算法，對上行系統小區頻譜進行規劃，并根據劃分的結果分析上行網絡對下行廣播的同頻干擾、上行同頻小區之間的互干擾和上行網絡可以達到的容量。最后，以上海地區的實際白頻譜分布情況為例，驗證了基于白頻譜的地面數字電視專用上行網絡的方案可行性，為地面數字電視上行網絡的設計和數字電視白頻譜的使用提供參考。

廣播上行；白頻譜；頻譜規劃

隨著數字電視技術的發展，交互性成為未來廣播系統新的發展方向之一。為廣播系統增加一個上行通信渠道，可以為用戶提供更多的互動操作和擴展功能。用戶可以通過上行系統與廣播大塔通信，進行節目點播、投票互動、節目評論等活動。目前歐洲的DVB-RCT標準為電視上行傳輸制定了規范，美國ATSC3.0標準同樣考慮了回傳信道的設置。筆者為ATSC3.0回傳信道的設計提供了可行的方案設計并且已經被納入標準。而無論是DVB-RCT，還是為ATSC3.0所提出的上行標準，都需要尋找合適的頻譜資源。

事實上，隨著無線通信技術的發展和多媒體的廣泛應用，頻譜資源已日趨緊張，而廣播頻譜本身仍有被重新利用的潛力：近年來關于廣播白頻譜的研究表明，目前UHF頻段(即TV頻段)的使用效率很低，在新加坡其平均使用率為4.54%。在美國，廣播頻譜并沒有被充分使用起來，在Auckland使用率為6.2%，在Chicago為17.4%，在Barcelona約為22.57%[1-4]。這些研究均表明了廣播頻譜的應用潛力，針對白頻譜的使用，人們提出了認知無線電技術，IEEE制定了802.22標準，美國FCC制定了白頻譜使用規范[3]，英國同樣針對本國的白頻譜分布展開了調研[5]。我國由于政策限制，廣播頻段由廣電統一使用，其他非授權設備沒有權利占用廣播頻段。因此，廣電采用合理的規劃措施，充分利用廣播頻段中的空白頻譜是解決上行通信頻譜問題的可行方案。

利用空白頻譜建設上行網絡首先需要考慮白頻譜的規劃問題。國內外已針對該問題開展了大量研究工作，主要的規劃方法可以分為兩類：集中式頻率規劃和分布式頻率規劃方法。目前認為在分布式認知無線電環境中基于博弈論的頻譜分配是最佳方法[6]，利用納什均衡作為靜態頻譜分配的策略[7]，文獻[8]設計了一種基于博弈理論的分布式動態信道接入和功率分配算法，能夠在不影響授權用戶通信的情況下，使每個次級用戶能夠根據自己的服務質量需求和本地信息進行分布式信道選擇和功率分配；但是隨著節點的增多，分布式頻率規劃需要大量的控制信息交互，降低了網絡的總體性能。集中式的頻率規劃可以避免這一問題，文獻[9-11]分別結合著色原理提出了在IEEE 802.22標準下的上行資源調度算法，P2P通信中的資源分配算法和自共存模式下的802.22小區頻率分配方法最大利用率圖著色(UGC)方法；該方法可以根據最大化公平性原則、比例公平原則和最大化頻譜效率原則進行設置。其中，最大化公平性原則的UGC方法適用于所有小區等帶寬分配的廣播上行系統。

基于上行網絡特征和UGC分配算法，本文的工作包括研究利用廣播空白頻段實現上行傳輸的可行性。根據上行業務的特點和白頻譜的特性，提出了利用白頻譜的上行網絡架構，分析網絡的同頻干擾情況，分析利用白頻譜的可行性；利用UGC算法建立了廣播白頻譜分配方法；并結合上海地區的廣播頻道使用情況驗證利用白頻譜建立上行網絡的可行性。

1 網絡架構與分析

1.1 上行網絡架構

上行網絡可以通過在廣播中心大塔架設接收機實現，也可以通過802.22小區基站作為中繼節點實現。用戶可以根據自己所處的地理位置決定接入上行網絡的方式。設一個上行小區的最大覆蓋距離為Ddirect，距離廣播基站較近(距離小于上行覆蓋半徑Ddirect)的用戶可以直接接入到廣播基站，距離廣播基站較遠(距離大于上行覆蓋半徑Ddirect)的用戶則可以選擇接入附近的802.22基站，將信息發送給802.22基站之后再由802.22基站通過有線連接的方式發送給中心廣播站。而距離廣播基站較遠且附近沒有802.22基站的用戶則需要選擇窄帶傳輸的方式與中心大塔建立連接。網絡架構與相對應的頻譜規劃如圖1所示，中心大塔的覆蓋半徑約為R，使用頻段F1，整個區域的可用頻段為F1和F4，在大區的邊緣地區有2個802.22基站，各自檢測到可用的白頻譜頻段為F2，F3和F4；經過白頻譜管理數據庫(White Space Database)的計算，分配給各個小區不同的頻段，802.22小區1使用頻段F2進行通信，小區2使用頻段F3和F4作為備選頻段。

圖1 上行網絡架構

1.2 覆蓋距離計算

在設計上行網絡覆蓋時，應首先考慮鏈路預算問題。鏈路預算由發射功率、接收機底噪和鏈路衰減三者共同決定，下面分別進行分析。

對于發射功率，根據美國FCC的規定[3]，白頻譜的發射功率EIRP需要具備一定的限制條件，對于固定設備而言， 6 Mbit/s 帶寬內最大允許EIRP為30 dBm，任意連續100 kHz帶寬內最大為12.6 dBm。假定用戶的功率譜密度服從均勻分布，則可以計算當滿足FCC功率譜密度要求時，8 Mbit/s帶寬內EIRP為31.2 dBm。事實上，由于廣播上行網絡由廣播系統統一管理，筆者認為在不影響用戶正常接收的前提下，可以適當地增大上行用戶的發射功率來獲得更高的傳輸速度和服務性能，假定用戶上行設備的發射功率可以達到39 dBm(8 W)[12]。

在向ATSC3.0提出的基于SC-FDMA技術的上行物理幀結構[13]中，子載波之間的間隔為6 kHz，分配給每個用戶20個子載波，通過分配給用戶不同的傳輸時間來滿足用戶不同的業務需求。若用戶的發射功率與傳輸帶寬成正比，則滿足FCC要求情況下120 kHz帶寬對應的發射功率為13.4 dBm，提高發射功率后120 kHz帶寬對應的發射功率為21.2 dBm(小于1 W)。 由此可見，雖然在8 MHz帶寬內進行通信所需要的功率很大，但若限制每個用戶所使用的子載波個數，則總的發射功率可以顯著下降。本文對通用系統進行分析，仍然假設每個用戶使用全部8 MHz帶寬。

接收機的熱噪聲電平功率(底噪)N0與波茲曼常數K和熱力學溫度T有關，由式(1)定義

N0=KT

(1)

式中：K≈1.38×10-23J/K，常溫下T=290 K，由此得到N0≈-174 dBm/Hz，對于一定的帶寬B，其底噪N=N0B=[-174+10lg(B)] dBm。對于給定的編碼調制方式，只有當接收功率高于底噪一定的裕量時，接收端才能夠正確地接收信號。通過前期的仿真測試，采用QPSK調制，1/2CTC編碼時，裕量設為3 dBm。

信號在傳輸過程中會經歷衰減，選擇經典的奧村模型來計算大尺度衰落情況。

對于中小型城市的路徑損耗，奧村模型下的路徑損耗如式(2)所示

L0= 69.55+26.16lgf-13.82lghr-k(ht)+

[44.9-6.55lghr]lgd

(2)

式中：k(ht)表示移動接收天線的修正因子，由式(3)定義

k(hr)=(1.1lgf-0.7)hr-(1.56lgf-0.8)

(3)

式中：f表示中心載頻的頻率(MHz)；ht和hr分別表示天線的高度(m)；d表示接收端與發射端之間的直線距離(km)。

對于郊區，奧村模型下的路徑損耗如(4)所示

L=L0-2[lg(f/28)]2-5.4

(4)

接收功率Prx(dBm)可以表示為發送功率Ptx(dBm)與路徑損耗Lp(dBm)之差

Prx=Ptx-Lp

(5)

表1列出了在進行計算仿真時選擇的參數，圖2為對應的鏈路預算計算結果，根據此結果可以獲得單個上行小區的最大覆蓋半徑(用戶到中心基站的最遠距離)。在選擇上行鏈路仿真參數的時候，參考了廣播網絡中常見的參數設置，仿真參數如表1所示。

表1 上行鏈路仿真參數表

參數名稱參數值設備類型固定設備載波頻率/MHz500接收機噪聲門限/(dBm·Hz-1)-174接收機靈敏度SNR/dB4噪聲系數NF/dB5天線高度/mhr=10，ht=150天線增益/dBi基站天線：16；用戶天線：13饋線損耗/dB8EIRP門限8Mbit/s帶寬內312dBm/39dBm子載波間隔Δf/kHz6用戶所占子載波數目20編碼與調制方式CTC1/2碼率，QPSK

根據上行鏈路參數，分別計算郊區環境和城市環境中發射機功率滿足FCC要求(31.2 dBm)和適當增大(39 dBm)時可達到的覆蓋距離，結果如圖2所示。根據圖2可以發現，如果用戶的EIRP符合FCC的規定，在鄉村地區可以獲得15 km的覆蓋距離；在城市地區覆蓋距離約為9 km。如果適當降低對用戶EIRP的限制，增大用戶的發射功率，當用戶的發射功率達到39 dBm時(8 MHz)，在鄉村地區可以達到25 km的覆蓋距離，在城市地區的覆蓋距離約為15 km。

圖2 不同環境下鏈路預算結果

同時計算城市郊區環境下為了達到不同覆蓋距離發射設備所需要的發射功率，結果如圖3所示。由圖3可以看出要達到40 km(典型的廣播塔覆蓋半徑)時需要44 dBm的發射功率(鄉村環境)。而對于中型城市，要達到同樣的覆蓋距離，發射端的發射功率需要達到52 dBm，對于用戶設備而言，這樣的發射功率較難實現，此時要實現廣播覆蓋區域中的上行傳輸，需要在廣播小區中增加中繼基站或802.22基站以增大上行信號的傳輸距離，或者降低每個用戶所使用的子載波數量[13]。

圖3 鄉村/城市環境下不同覆蓋距離所需要的發射功率

1.3 同頻干擾分析

C=Blb(1+S/(N+Ninterference))

(6)

式中：B表示帶寬；S表示信號的接收能量；N為底噪；Ninterference為干擾總和。

圖4 小區之間同頻干擾示意圖

1.4 頻率規劃

通過分析鏈路預算，可以得到一個地區的白頻譜資源，接下來需要將這些白頻譜資源分配給不同的上行小區。通過對比分布式頻譜分配的特點和集中式頻譜分配的特點，選擇集中式的頻譜分配方法，由白頻譜管理數據庫統一管理分配頻譜資源，再將分配結果通過有線的方式傳給廣播中心基站和802.22小區基站(如圖5所示)。在具體的集中式頻譜分配方法選擇上，選擇可以在有限步內完成，且能夠提高頻譜利用率的UGC算法作為分配算法[11]。

圖5 中心白頻譜數據庫控制頻譜分配的網絡架構

使用UGC算法之前，需要建立分配模型。假設有N個需要使用白頻譜的上行小區，在一定時間內可用的白頻譜資源均在白頻譜管理數據庫的頻譜池中。同時假設所有小區的位置信息和小區之間的干擾情況是已知的。

接下來需要選擇UGC算法的分配原則。根據對公平性的要求強弱，可以將分配原則分為效率優先(最小化公平)，比例公平和公平優先[11]。定義總頻譜利用率為

(7)

式中：Ci表示一種顏色，B(Ci)表示分配給這種顏色的帶寬，Ni表示這種顏色出現的次數。若按照效率優先的原則，UGC算法將給不同的顏色按照出現次數賦予不同的權重，一個顏色重復使用的次數越多，分配給它的帶寬越多，這樣的分配方法可以使總頻譜利用率達到最大。若按照公平優先原則，無論一種顏色出現了多少次，都將分配給它和其他顏色同樣的帶寬，但是復用次數越多，總的頻譜利用率越高。比例公平是兩種原則的折中選擇。為了與現有的廣播下行網絡兼容，先采用公平優先的原則，分配給上行小區的帶寬與廣播下行帶寬相同，為8 MHz，在未來的工作中將討論采用比例公平或效率優先帶來的不同分配結果。

UGC算法的實現步驟分為以下幾步：

1)將節點按度數從高到低的順序排列，若有度數相同的點，這些點隨機排列，取一種顏色對這個節點和與它沒有聯系的節點著色，并將已經著色過的點從待著色點集合中移出，將用過的顏色從可用顏色集合移出。

2)重復步驟1)，直到所有的點都已完成著色。若沒有度數大于1且度數相同的點，則結束著色過程；若有度數相同且大于1的點，則進行步驟3)。

3)取相同最大度數的節點，重新排列它們的順序，回到步驟2)，重復著色過程，直到遍歷結束所有節點的排列順序。在每次循環的時候計算總頻譜利用率，以總頻譜利用率最大的一次結果作為著色結果。

2 上海地區可用頻段分析

根據文獻[14]中給出的上海市各個行政區以及上海周邊城市的廣播電視頻段劃分，利用奧村模型計算信道衰落，可以計算各個頻道在各自不同發射條件下的覆蓋距離和到達各個地區時的接收功率。若接收功率高于底噪聲，則如果在這個區域利用此頻道進行上行通信會產生干擾，那么此頻道在該地區不可以作為白頻譜使用；若接收功率低于底噪，則可以考慮在此地區復用該頻道。結合實際城市/地區間的距離與拓撲結構，計算結果如圖6和圖7所示。

從圖6中看出，如果僅僅在分配給上海市的頻道中尋找可用資源，則可用頻道非常有限，特別是在人口密集的市中心區域，僅有第11頻道可以作為白頻譜資源使用，而與此相對的，松江區、奉賢區和金山區可用的空白頻段較多。計算結果說明上海市已實現較為全面的廣播覆蓋，在這種情況下想要尋找白頻譜資源較為困難。由圖7中可以看出，如果考慮分配給上海市和上海周邊的所有頻道，則上海地區可以選擇使用的白頻譜資源增多，可以復用這些頻道給不同的小區，為廣播上行傳輸提供可用的頻譜資源。說明在進行地區網絡規劃時，如果僅僅考慮本地區的頻譜資源，將受到較大的局限，而如果考慮更廣的范圍進行統一規劃，則可以獲得更為豐富的

圖6 上海市使用頻段覆蓋情況

圖7 上海周邊地區使用頻段覆蓋情況

白頻譜資源：上海地區可以使用周邊城市分配的頻道，周邊地區也同樣可以使用分配給上海的頻道。由圖6和圖7可知上海地區可作為白頻譜使用的頻道集合為S={11,13,18,21,22,23,24,25,27,29,30,31,35,36}；對應的可用中心頻點(單位為MHz)集合為F={211,474,514,538,546,554,562,610,626,642,650,658,690,698}。

3 上海地區上行白頻譜規劃仿真與計算結果

本節將利用鏈路預算和同頻干擾計算的方法，集合上海及其周邊地圖白頻譜資源分布情況，建立上海地區的干擾關系圖。進一步根據這個干擾關系圖，利用UGC算法對上海地區的白頻譜資源進行分配。最后，將計算分析此時小區之間的和上行小區對同頻下行廣播小區的干擾情況，驗證方案的可行性。設定著色結果和分配頻帶結果均用第幾頻道來表示，廣播頻道的帶寬為固定的8 MHz。

3.1 上海地區干擾關系圖的建立

根據第1節中所述的計算同頻干擾的方法，假設上行小區中的用戶均勻分布，且用戶的傳輸功率相同，則單個小區產生的干擾曲線如圖8所示。頻率越高衰減越快，因此考察頻率較低的第11頻道(211 MHz)，以及第13頻道(474 MHz)、第18頻道(514 MHz)、第21頻道(538 MHz)，發送功率為39 dBm，小區半徑為15 km。圖9表示不同中心載頻、同樣的發射功率與用戶數情況下的同頻干擾曲線。

根據圖8和圖9可以看出，活躍用戶越多，同頻干擾情況將越嚴重，特別是對于郊區地區，若要在活躍用戶較多復用第11頻道，2個小區中心基站之間的距離至少為55 km。在上海城區地區，若2個小區中心基站之間的距離在30 km以上，認為2個小區可以同頻(EIRP：8 MHz時39 dBm)；而對于上海郊區地區，第11頻道需要在2個小區中心基站距離至少大于 50 km 時才能復用(活躍用戶的數量為30)，而頻率高于 474 MHz 的其他頻道，2個小區之間的距離在40 km以上時可以復用。由計算結果可以得到如圖10a所示的上海地區同頻干擾關系圖(當用戶EIRP降低，滿足FCC白頻譜使用規定時，同頻情況將有所改善，因此僅討論用戶發射功率較大時的情況)。

圖8 不同活躍用戶數情況下第11頻道的同頻干擾曲線

圖9 不同中心載頻情況下的同頻干擾曲線

3.2 上海地區白頻譜規劃

利用UGC算法，對圖10a進行著色，利用可用顏色集為S對上海各行政區域上行頻譜分配進行著色，分配結果如圖10b所示，分別對應為：崇明島、嘉定區、虹口區、閔行區和青浦區使用第23頻道，寶山區、普陀區、松江區和奉賢區使用第21頻道，長寧區和浦東區分別使用第18和第12頻道(4個頻道的中心載頻依次為554 MHz，538 MHz，514 MHz和474 MHz)。

圖10 干擾關系示意圖與染色分配結果

3.3 同頻干擾影響

結合白頻譜資源分配結果，利用中型城市信道衰落模型分別計算崇明島、嘉定、虹口、閔行和青浦5個小區在受到同頻干擾情況下的網絡容量，計算結果如表2所示。可以看出盡管這5個小區共用1個頻道，但是上行小區可以實現通信。

表2 受到同頻干擾時的中心小區系統容量

中心功率/dBm干擾功率/dBm崇明島區系統容量/(Mbit·s-1)嘉定區系統容量/(Mbit·s-1)虹口區系統容量/(Mbit·s-1)閔行區系統容量/(Mbit·s-1)青浦區系統容量/(Mbit·s-1)3123129889839829869853123909879589569769693903121254125012511253125239039012501230122912481245

另一方面，為了保證上行網絡對廣播下行用戶不產生影響或干擾受限，計算頻譜分配之后上行用戶對廣播下行用戶產生的干擾(假設活躍的上行用戶數量為30，每個用戶發射功率均為13.4 dBm)，結果如表3所示。

表3 使用白頻譜之后對附近地區廣播干擾情況

頻道受干擾地區干擾強度/dBm13無錫-124118平湖-135021南通-130023昆山-1160

8 MHz帶寬底噪N=-174+10lg(8 MHz)≈-104.9 dBm， 從表中可以看出，利用空閑的白頻譜資源進行上行傳輸業務不會影響下行用戶的正常節目接收。首先，從干擾地區而言，UGC方法最終只使用了4個頻道，即受到同頻干擾的地區為4個，而不是為每個小區分配1個頻道之后的11個同頻小區；其次，從干擾強度上看，采用UGC算法產生的最大干擾為 -116 dBm， 該干擾不會超過下行用戶的接收解調門限，即可以保證不影響下行用戶的正常廣播節目接收。因此，筆者認為在上海市尋找可用的空白頻段，并將此頻段合理分配后用于廣播電視系統的上行傳輸是可行的。

4 結論與展望

本文提出了一種基于廣播白頻譜的數字電視專用上行通道的網絡架構，計算路徑衰減情況，并基于此計算上行小區的覆蓋面積、小區最大容量，分析同頻小區之間的干擾情況。

結合上海地區的實際廣播頻段劃分，本文分析了上海及其周邊地區的可用白頻譜分布情況，計算結果表明僅僅使用分配給上海市的廣播頻段，將無法滿足上行系統頻率復用的要求，必然存在嚴重的同頻小區干擾。此時可以通過時分的方式或自共存機制讓多個小區共用頻段，也可以通過利用分配給上海及其周邊地區的空白頻譜為廣播上行提供可能的頻譜資源。

本文采用基于UGC著色算法的集中式頻譜分配將上海地區不同的頻段分配給不同的小區。分配結果表明：在有幾十個活躍用戶，且用戶發射功率受限的情況下，上行傳輸不會對下行廣播用戶產生嚴重干擾，驗證了在上海市利用白頻譜實現廣播上行網絡是可行的。

利用白頻譜建立上行網絡是一種可行方案，但是仍然存在很多問題，比如，更大區域的白頻譜規劃與網絡構建、白頻譜數據庫建立與優化分配、小區間白頻譜資源共享等。未來，將對相關問題進一步深入研究，推動數字電視專用上行網絡的發展與應用。

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李 青(1990— )，女，碩士生，主要研究方向為無線通信；

丁良輝(1981— )，助理研究員，主要研究方向為無線通信；

楊 峰(1978— )，副研究員，主要研究方向為無線通信；

錢 良(1974— )，副教授，主要研究方向為無線通信；

何大治(1977— )，助理研究員，主要研究方向為數字電視；

管云峰(1975— )，研究員，主要研究方向為無線通信與數字電視；

張文軍(1963— )，教授，博士生導師，主要研究方向通信與信息系統等。

責任編輯：任健男

Study on Feasibility of Dedicated Return Channel for Terrestrial Digital TV Based on White Space Spectrum

LI Qinga, DING Lianghuib, YANG Fenga, QIAN Lianga, HE Dazhib, GUAN Yunfenga，ZHANG Wenjunb

(a.InstituteofWirelessComm.Technologies；b.InstituteofImageComm.andNetworkEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240，China)

One of the most attracting features of next generation broadcasting system is the interactive services. To realize these interactive services, a dedicated return channel with extra spectrum resource is required. Because of the shortage of spectrum and existence of TV white space, it is possible to use TV white space for dedicated return channel. Based on current TV broadcast spectrum allocation strategy, the link budget is calculated and a novel network structure is proposed. With given white space distribution, the graph coloring algorithm is used to reallocate the spectrum resource, and analyze the interference between uplink and downlink channels， the interference between uplink channels and the network throughput of uplink cells. Furthermore, taking Shanghai region as an example, the white space distribution is analyzed and the feasibility of the network structure is examined using TV white space.

return channel for broadcast; white space; spectrum allocation

國家自然科學基金項目(61221001；61301117；61420106008)；上海市數字媒體處理與傳輸重點實驗室基金項目(12DZ2272600)

TN914.34

A

10.16280/j.videoe.2015.16.025

2015-07-04

【本文獻信息】李青，丁良輝，楊峰,等.基于白頻譜的數字電視上行網絡可行性研究[J].電視技術,2015，39(16).