廣播電視與移動通信系統(tǒng)頻譜共享應用問題

何萍

（中國國際廣播電臺，北京 100040）

頻譜共享技術是當前國內外無線領域的研究熱點，其核心思想是改變傳統(tǒng)的頻率靜態(tài)分配的使用方式，允許多個無線系統(tǒng)在不相互干擾的情況下，動態(tài)共用相同的頻率資源，從而提高頻譜利用效率。在我國正在經(jīng)歷的廣播電視模數(shù)轉化過渡期間,利用廣播電視的UHF頻段實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)的頻譜共享應用是近年國內研究提出的一種新思路。本文對這種頻譜共享應用的方案的應用場景進行了分析，通過蒙特卡洛仿真分析方法研究了兩系統(tǒng)同區(qū)域共享應用的無干擾保護要求，并對在頻譜共享技術真正走向實際應用前的若干問題進行了評估和探討，希望能夠起到拋磚引玉的作用，推動頻譜共享技術在我國各業(yè)務領域的更多研究和思考。

1 我國的廣播電視規(guī)劃和數(shù)字化進程

1.1 我國廣播電視規(guī)劃及使用情況

我國廣播電視的頻率規(guī)劃于20世紀80年代發(fā)布，現(xiàn)已實施了近30年。根據(jù)《彩色電視廣播覆蓋網(wǎng)技術規(guī)定》，按照中央、省、市和縣4級辦電視的方針，全國組成了4級混合覆蓋網(wǎng)?？紤]電視頻道使用的制約條件，一般每個規(guī)劃的發(fā)射臺安排有1個米波、3個分米波的頻道，每個頻道帶寬為8 MHz，每個地方的電視觀眾可以同時接收4套左右的電視節(jié)目，部分地級以上大城市根據(jù)具體情況增加了節(jié)目設置，具體頻道規(guī)劃如圖1所示。其中，UHF頻段 470～798 MHz頻段共規(guī)劃了36個8 MHz帶寬電視頻道，DS49(798～806 MHz)雖規(guī)劃了頻道號，但作為國家備份頻率沒有使用。

廣播電視節(jié)目傳輸覆蓋主要使用無線、有線、衛(wèi)星等技術手段實現(xiàn)綜合覆蓋，其中，無線電視是提供本地節(jié)目覆蓋的重要手段。根據(jù)相關統(tǒng)計材料，截至2013年初，全國無線電視綜合人口覆蓋率已超過了95%，有線電視入戶率約50%，可以看出，相比有線電視，我國無線電視依然是主要的覆蓋手段。無線電視采用點對面廣播方式進行多頻或單頻組網(wǎng)。模擬電視均采用傳統(tǒng)的多頻組網(wǎng)（MFN）方式，由使用多個RF頻道的發(fā)射臺組網(wǎng)錯頻復用廣播。數(shù)字電視則可以采用同步技術，使不同地點的多部發(fā)射機同時工作在同一頻段，構成單頻網(wǎng)（SFN）。雖然單頻網(wǎng)提高了頻率效率，但在存在模擬電視頻段占用情況下，大范圍單頻組網(wǎng)存在一定困難。因此，現(xiàn)階段我國不同規(guī)劃區(qū)域可以指定SFN、MFN或者SFN和MFN的混合組網(wǎng)。

圖1 我國無線電視頻道規(guī)劃使用情況

1.2 地面數(shù)字電視發(fā)展進程

在模擬電視時代，一個頻道只能傳輸一套節(jié)目，傳輸節(jié)目套數(shù)較少，隨著人們對電視服務的更高期待，模擬電視已無法滿足人民群眾的需求。與模擬電視相比，數(shù)字電視則具有清晰度高、音頻效果好、抗干擾能力強的特點，并且頻譜承載能力將成倍增加，數(shù)字電視技術因此成為必然的發(fā)展方向。

當前，我國正處于模擬向數(shù)字電視轉換的過渡時期。2012年底，廣電總局發(fā)布了《地面數(shù)字電視廣播覆蓋網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，提出了在滿足基本公共服務覆蓋的同時，要為城鄉(xiāng)廣大人民群眾提供更多的高質量電視節(jié)目的發(fā)展目標，以及逐步關閉模擬電視的推進步驟。按照總體部署，全國地面數(shù)字電視系統(tǒng)建設與覆蓋工作分兩個階段進行：第一階段到2010年底全國所有地市以上城市地面數(shù)字電視全部開通；第二階段為在333個地級市和2861個縣播出標清節(jié)目，預計2018～2020年基本停止播出模擬信號電視節(jié)目。

2 頻譜共享應用方案研究

2.1 移動通信系統(tǒng)使用UHF頻段的問題分析

2007年舉行的世界無線電大會（WRC07）確定將廣播電視數(shù)字化后空閑出的UHF頻段用于發(fā)展新的電信業(yè)務，即產生了所謂的UHF“數(shù)字紅利”，但也同時指出由各個國家根據(jù)本國移動通信的需求以及廣電數(shù)字化進程來決定推進速度。UHF數(shù)字紅利頻段在全球3個區(qū)域進行了不同的劃分。在1區(qū)（歐洲、非洲）國家中，將790～862 MHz規(guī)劃為移動通信系統(tǒng)使用。2區(qū)（美洲）將698～806 MHz、3區(qū)（亞太）將790～862 MHz頻段也分配給移動通信系統(tǒng)使用，其中中國、日本、韓國、新西蘭、新加坡、孟加拉國等9國移動通信系統(tǒng)頻段擴展到698 MHz。目前，ITU相關研究組已經(jīng)完成了該頻段的移動通信頻段規(guī)劃，未來可能部署全TDD或全FDD制式的移動通信系統(tǒng)。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動通信對于頻譜的需求大幅上升。與2 GHz以上頻段的頻譜相比，UHF頻段可實現(xiàn)更大范圍的覆蓋并具有穿透性，可以大幅減少所需移動臺站數(shù)量，因此該頻段被全球移動運營商視為寶貴的頻譜資源。但由于我國發(fā)展的實際情況，模數(shù)轉換在我國可能還將會持續(xù)較長的時間，根據(jù)歐美等國家的模數(shù)轉換經(jīng)驗，模數(shù)過渡期內的頻譜需求可能甚至超過模擬廣播系統(tǒng)單獨使用的頻譜，這意味著模數(shù)同播期間所需的頻道總量將會增加。因此在近期，甚至5～10年內釋放一部分統(tǒng)一的UHF頻段資源用于發(fā)展移動通信業(yè)務在我國是非常困難的。

2.2 廣播電視系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的頻譜共享應用方式

正是在這一發(fā)展背景下，引入頻譜共享技術實現(xiàn)在UHF頻段上移動通信系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)的共用成為了近年來國內研究提出的一種新的應用模式。頻譜共享技術的核心思想是改變傳統(tǒng)的頻率靜態(tài)分配的使用方式，允許多個無線系統(tǒng)在不相互干擾的情況下，動態(tài)共用相同的頻率資源。頻譜共享應用的方式將能夠提升頻譜利用率，緩解當前移動通信系統(tǒng)頻譜資源緊缺的壓力。

廣播電視系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)同區(qū)域頻譜共享應用方式如圖2所示。在UHF頻段（我國698～806 MHz）頻段上，廣播系統(tǒng)與具有頻譜共享功能的移動通信系統(tǒng)在相同區(qū)域實現(xiàn)覆蓋。廣播系統(tǒng)是該頻段的授權高優(yōu)先級應用，通過多頻組網(wǎng)或單頻組網(wǎng)實現(xiàn)對整個區(qū)域的連續(xù)覆蓋。移動通信系統(tǒng)采用蜂窩網(wǎng)結構，是該頻段的低優(yōu)先級非授權系統(tǒng)。移動通信系統(tǒng)在該頻段的應用不能對廣播系統(tǒng)造成任何有害的干擾，這就要求工作在該頻段的移動通信系統(tǒng)通過特定的監(jiān)測機制，能夠實時獲得廣播系統(tǒng)的頻率占用信息，利用同區(qū)域廣播系統(tǒng)未使用的空閑頻率進行通信，并保證廣播系統(tǒng)的頻率使用和系統(tǒng)性能不受限制，換句話說，實現(xiàn)共享應用的前提是保證作為高優(yōu)先級的廣播系統(tǒng)的整個使用期間將不會察覺系統(tǒng)通信系統(tǒng)的“存在”。

2.3 系統(tǒng)共存的保護需求研究

為了保證兩系統(tǒng)的無干擾應用，在同一覆蓋區(qū)域中，廣播系統(tǒng)未使用的空閑頻率并不能全部被移動通信系統(tǒng)使用，在實際工程應用中需要根據(jù)兩系統(tǒng)的指標評估鄰頻共存的具體保護要求，這也是實際共享應用需要解決的一個關鍵問題。本節(jié)將對兩系統(tǒng)共存的共存保護需求進行研究。

2.3.1 廣播系統(tǒng)主要特性及參數(shù)

（1）發(fā)射端特性：GB 20600-2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調制》中規(guī)定了在UHF和VHF頻段中，每8 MHz數(shù)字電視頻帶內的數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)的帶外頻譜模板。當數(shù)字電視信號的相鄰頻道用于其它服務時，需要如圖3所示的頻譜模板，信號功率在4kHz帶寬下測得，其中，0 dB對應整個輸出功率。

圖2 廣播電視系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)同區(qū)域頻譜共享應用方式

（2）接收機保護準則：根據(jù)GY/Y 237—2008《VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準則》的規(guī)定，中國數(shù)字地面廣播電視DTMB和DVB-T接收機載噪比C/N和最小等效場強有1 dB輕微差異。在700 MHz時，載噪比分別為20 dB（DTMB）和21 dB（DVB-T)。相應地，最小等效場強為47（DTMB）和48（DVB-T），采用二者參數(shù)進行的共存研究結果基本相同，差別不大。

2.3.2 移動通信系統(tǒng)主要參數(shù)

LTE是3G技術的演進方向，是我國未來移動通信系統(tǒng)的主要制式。本研究中移動通信系統(tǒng)主要指LTE系統(tǒng)，共存參數(shù)參考ITU JTG5-6有關研究文獻，總結如表1所示。

圖3 嚴格條件下的頻譜模板

表1 LTE系統(tǒng)參數(shù)

2.3.3 干擾場景及仿真拓撲結構

本文主要通過根據(jù)蒙特卡洛仿真方法評估DTMB對LTE以及LTE對DTMB兩個方向的互干擾情況，包括4個干擾場景：LTE基站干擾DTMB接收機、LTE終端干擾DTMB接收機、DTMB發(fā)射臺干擾LTE基站，DTMB發(fā)射臺干擾LTE終端。其中，LTE系統(tǒng)若采用TDD方式為全頻段，若采用FDD方式則為對應的發(fā)射或接收頻段。

仿真拓撲結構如圖4所示，工作于698～806 MHz頻段內的LTE系統(tǒng)與DTMB系統(tǒng)在相同地理區(qū)域的鄰頻部署，評估DTMB干擾LTE系統(tǒng)（左圖）的主要方法包括LTE采用19個3扇區(qū)基站，采用Wrap Around向四周拓展；廣播發(fā)射塔置于LTE中心基站覆蓋范圍內；研究廣播發(fā)射對LTE系統(tǒng)整體性能的影響；干擾判斷標準為LTE系統(tǒng)容量損失不高于5%。評估LTE系統(tǒng)干擾DTMB系統(tǒng)（右圖）的主要方法包括LTE采用19個3扇區(qū)基站，采用Wrap Around向四周拓展；廣播接收機隨機散布在LTE中心基站服務范圍內；研究LTE系統(tǒng)中心基站系統(tǒng)性能隨距離變化時，廣播接收情況；廣播受干擾的判斷標準：廣播覆蓋區(qū)域的接收機覆蓋率損失不高于5%（廣播接收機的保護準則要求C/N>21 dB）。

2.3.4 干擾評估結果分析和共存保護要求

通過蒙特卡洛仿真分析得出的主要結論如下。

（1）干擾最嚴重的場景是DTMB發(fā)射臺干擾LTE系統(tǒng)基站接收的情況。在一定的頻率隔離（約為10 MHz時）前提下還需要LTE基站提供額外15～20dB的ACS（鄰信道選擇）性能提升，即提升LTE基站的接收機性能，或者通過進一步提高頻率隔離帶寬來避免DTMB發(fā)射對LTE基站的干擾。

（2）對于DTMB發(fā)射干擾LTE終端的情況，從仿真的結果來看干擾情況較小可忽略。

（3）對于LTE終端發(fā)射干擾DTMB接收的場景，在頻率隔離約為5 MHz時，LTE終端還需額外提供滾降約7 dB的額外雙工濾波器；若隔離帶增至8～9 MHz，則不需要額外措施。

（4）對于LTE基站干擾DTMB接收的情況，在約9～10 MHz頻率隔離的前提下，還需LTE基站在保護帶內提供滾降約6～17 dB的額外雙工濾波器。

圖4 廣播電視系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)互干擾仿真拓撲結構

根據(jù)共存仿真結論可以看到，在廣播系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內，現(xiàn)有LTE系統(tǒng)不能使用緊鄰的空閑頻率，即使提供10 MHz的額外保護帶，還需要最大約20 dB的額外隔離，這一額外隔離需求需要通過LTE基站的提高射頻濾波器帶外滾降能力來實現(xiàn)。因此，在同一覆蓋區(qū)域兩系統(tǒng)的共享頻譜應用中，LTE系統(tǒng)的使用頻率需要嚴格保證在檢測到廣播電視系統(tǒng)占用頻道的邊緣10 MHz以外，并且基于頻譜共享技術的LTE基站均需要更新射頻濾波器的指標，提供大于20 dB/10 MHz的額外滾降要求。

2.4 實現(xiàn)頻譜共享應用的若干問題及進一步研究點

事實上，在滿足兩系統(tǒng)的同區(qū)域共存頻率保護要求外，真正實現(xiàn)UHF頻段上的廣播電視系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的頻譜共享應用還需要解決以下2個重要的工程應用問題。

2.4.1 實時檢測技術

我國廣播電視處于模數(shù)轉換過程中，廣播臺站的使用頻率會進行調整，導致不同區(qū)域的空閑頻帶可能發(fā)生隨時間的動態(tài)變化，處于共享應用模式的移動通信系統(tǒng)需要能夠及時響應這種變化并及時進行相應的調整，因此，共享應用的移動通信系統(tǒng)需要具備實時的廣播信號檢測技術和頻率規(guī)避機制。目前研究較多的是采用無線檢測和聯(lián)合數(shù)據(jù)庫的兩種方式實現(xiàn)次級系統(tǒng)的動態(tài)頻率響應，采用數(shù)據(jù)庫方式需要建立廣播電視系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的實時聯(lián)動，難以在全國范圍實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)管，且信息同步精度難以保證。雖然目前對無線信號的檢測技術有很多，但移動通信系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)在共享應用時，工作頻段上的信號處于持續(xù)發(fā)射狀態(tài)，也很難提供一段靜默期來進行動態(tài)信號的檢測。因此，如何實現(xiàn)在存在自系統(tǒng)信號情況的實時廣播信號檢測將會是UHF頻段實現(xiàn)頻譜共用需要解決的一個難點問題。另一方面，由于移動通信系統(tǒng)臺站發(fā)射功率相比廣播發(fā)射塔的發(fā)射功率要小很多，廣播臺站的頻率調整可能影響大面積的移動基站，這些基站均需要及時完成頻率調整，如何實現(xiàn)這一動態(tài)頻率規(guī)劃值得深入研究。

2.4.2 業(yè)務QoS保障機制

在共享應用方式下系統(tǒng)的QoS保證與有線網(wǎng)絡和其它無線頻譜資源在固定的靜態(tài)分配方式的無線網(wǎng)絡有很大的不同。當授權廣播電視系統(tǒng)在共享應用過程中頻率發(fā)生變化，占用了LTE網(wǎng)絡正在使用的載波時，LTE系統(tǒng)需要立即切換到其它空閑載波上，這種切換過程會對系統(tǒng)正常運行造成影響，如果整個LTE系統(tǒng)只使用該共享載波，正在進行的業(yè)務QoS將難以保證，甚至會導致服務中斷。雖然當前對動態(tài)QoS保障的研究方面取得了一些進展，有的也給出了一些數(shù)學模型，但總體上還處于一種理論研究的初級階段，要想實際應用還有許多問題有待解決。

3 結束語

我國廣播電視模數(shù)轉化過渡期間,在UHF頻段實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)與廣播電視系統(tǒng)的頻譜共享應用是一種全新的發(fā)展思路，其技術實現(xiàn)和應用前景值得深入研究和探討。本文對頻譜共享應用的方案和存在的問題進行了分析，并重點研究了共享應用模式下兩系統(tǒng)的共存保護需求。從目前的研究進展上看，頻譜共享技術走向真正的工程應用還有待時日。當然，在共享技術問題之外，引入頻譜共享機制必然將對我國的頻譜管理產生較大的影響，這也有待后續(xù)進一步分析和評估。

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