基于白頻譜技術(shù)的數(shù)字電視上行系統(tǒng)研究

趙 淼，何大治，管云峰，楊 峰，丁良輝

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

基于白頻譜技術(shù)的數(shù)字電視上行系統(tǒng)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(xué)，上海 200240；2.數(shù)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(shù)的研究與發(fā)展，調(diào)研了美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）和英國通信辦公室（Ofcom）對(duì)白頻譜技術(shù)提出的規(guī)范和要求，以及基于白頻譜技術(shù)的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)對(duì)認(rèn)知無線電關(guān)鍵模塊進(jìn)行了探究和仿真。最后結(jié)合白頻譜的要求，對(duì)數(shù)字電視上行系統(tǒng)進(jìn)行鏈路預(yù)算與仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，重新設(shè)計(jì)了超窄帶方案的數(shù)字電視上行系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，并通過資源分配仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

白頻譜技術(shù)；認(rèn)知無線電；頻譜管理；數(shù)字電視

隨著數(shù)字電視近年的快速發(fā)展，無線廣播數(shù)字電視逐漸成為研究熱點(diǎn)。然而美國FCC委員會(huì)的大量報(bào)告中指出，TV頻譜的利用很不平衡，對(duì)于一些非授權(quán)頻段的占用率過高，而很多授權(quán)頻段占用率很低因而過于空閑。國家無線電網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)驗(yàn)床項(xiàng)目報(bào)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(rèn)知無線電的新技術(shù)，即白頻譜技術(shù)與數(shù)字電視上行回傳鏈路系統(tǒng)的結(jié)合。TV白頻譜定義為電視頻段中UHF和VHF頻段內(nèi)的無執(zhí)照系統(tǒng)，即主用戶沒有使用或不受到干擾的頻段內(nèi)。電視頻段頻率低于1 GHz，因而傳播的距離更遠(yuǎn)，允許非視線的傳播覆蓋，從而使電視頻段的白頻譜技術(shù)更加適用于農(nóng)村、人煙稀少等地區(qū)，因而在數(shù)字電視回傳鏈路中應(yīng)用白頻譜技術(shù)具有很大的前景和重要的意義。

1 廣播電視白頻譜標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議發(fā)展

在制定廣播電視白頻譜規(guī)范方面，主要由美國FCC與英國Ofcom來進(jìn)行制定。雖然二者率先發(fā)起了免執(zhí)照使用廣播電視“白頻譜”的議題，但同時(shí)也對(duì)TVBDs設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)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(shè)備分類

FCC規(guī)定CR用戶設(shè)備分為固定設(shè)備、Mode1可移動(dòng)設(shè)備、Mode2可移動(dòng)設(shè)備與感知設(shè)備四類。固定設(shè)備地點(diǎn)不移動(dòng)，Mode1可移動(dòng)設(shè)備不使用地理定位能力和TV頻段數(shù)據(jù)庫，Mode2設(shè)備使用地理定位能力和TV頻段數(shù)據(jù)庫，感知設(shè)備是通過頻譜感知技術(shù)得到頻段的可移動(dòng)設(shè)備。

2）頻段使用

FCC規(guī)定CR設(shè)備僅能使用6 MHz帶寬，支持白頻譜的頻段數(shù)目中最大可用頻段數(shù)目為47，從頻段2～頻段51，排除頻段3、4和37。

3）功率要求

對(duì)于固定設(shè)備，其EIRP在6 MHz帶寬內(nèi)最大允許4W，連續(xù)100 kHz內(nèi)最大EIRP不能超過12.6 dBm。對(duì)于可移動(dòng)設(shè)備，其EIRP在6 MHz帶寬內(nèi)最大允許100 mW，連續(xù)100 kHz內(nèi)最大EIRP不能超過2.6 dBm，且最大天線增益為0 dBi。對(duì)于所用頻段鄰接正使用的TV主用戶的可移動(dòng)設(shè)備，EIRP最大40 mW，連續(xù)100 kHz內(nèi)最大EIRP不能超過-1.4 dBm。對(duì)于感知設(shè)備，F(xiàn)CC規(guī)定連續(xù)100 kHz內(nèi)最大EIRP不能超過-0.4 dBm。

4）天線要求

FCC僅對(duì)固定設(shè)備有天線高度要求，即固定設(shè)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(shè)備定位的精確度在±50m內(nèi)。地理定位能力與FCC認(rèn)可的數(shù)據(jù)庫共同使用來決定可用頻段。Mode2的移動(dòng)設(shè)備至少每60 s檢查更新一次位置信息。固定設(shè)備至少每天訪問一次數(shù)據(jù)庫來保證可用頻段處于最新狀態(tài)。同時(shí)如果Mode2的移動(dòng)設(shè)備遷移超過100m，就需要重新訪問一次數(shù)據(jù)庫。

1.2 Ofcom白頻譜要求

1）設(shè)備分類

設(shè)備僅分Type A與Type B兩類，Type A表示戶外的固定設(shè)備，Type B表示非固定于戶外的設(shè)備。

2）頻段使用

CR設(shè)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(duì)地理定位的要求同F(xiàn)CC一致，要求CR設(shè)備定位精確度在±50m內(nèi)，且有95%以上置信度。

4）天線要求：

對(duì)于Type A設(shè)備無要求，但是對(duì)于Type B設(shè)備，則要求天線必須為一體化天線。

5）定期檢測(cè)數(shù)據(jù)庫

Ofcom規(guī)定當(dāng)CR設(shè)備的經(jīng)緯度坐標(biāo)變化50 m以上時(shí)，需要重新檢測(cè)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)規(guī)定主設(shè)備能夠在60 s內(nèi)取消接入，而從設(shè)備需在1min內(nèi)取消接入。

1.3 通信協(xié)議的選取

在“白頻譜”規(guī)范逐漸完善的過程中，標(biāo)準(zhǔn)的制定同樣起著關(guān)鍵的作用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，TVBDs設(shè)備可以避免干擾，確保通信質(zhì)量。目前國際基于白頻譜制定的標(biāo)準(zhǔn)有ECMA-392，IEEE1900.4a，IEEE1900.7，IEEE802.15.4m，IEEE802.11af和IEEE802.22等，而應(yīng)用于廣播電視頻段的主要是后三種標(biāo)準(zhǔn)。其中IEEE802.15.4m是WPAN網(wǎng)，即低速率的無線個(gè)人局域網(wǎng)。而IEEE802.11af是WLAN，即無線局域網(wǎng)，IEEE802.22是WRAN，即無線區(qū)域網(wǎng)。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，本文主要側(cè)重對(duì)IEEE802.22系統(tǒng)的調(diào)研，這是由于在物理層上，IEEE802.22覆蓋范圍可以達(dá)到100 km，傳播時(shí)延為25～60μs，帶寬為6 MHz、7 MHz、8 MHz可選，最大數(shù)據(jù)率為22.69 Mbit/s，調(diào)制方式為QPSK、16QAM、64QAM可選，同時(shí)支持卷積碼、CTC、LDPC、SBTC編碼[2]。而對(duì)于數(shù)字電視上行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求同樣是覆蓋范圍達(dá)到100 km，用戶數(shù)達(dá)到1 000以上。

因而IEEE802.22系統(tǒng)與數(shù)字上行回傳系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景更為接近，研究IEEE802.22系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊有助于設(shè)計(jì)基于白頻譜技術(shù)的數(shù)字電視上行系統(tǒng)。

2 802.22系統(tǒng)關(guān)鍵模塊研究

2.1 干擾溫度模型

在IEEE802.22協(xié)議中，主要關(guān)注于認(rèn)知無線電技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，目前IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)提出對(duì)于基站而言，核心模型是頻譜管理（Spectrum Management，SM）模塊?；拘枰獏R集用戶頻譜探測(cè)的結(jié)果，并通過數(shù)據(jù)庫來訪問當(dāng)前可用頻段的列表，再對(duì)多用戶進(jìn)行合理的頻譜分配與功率分配[3]。而目前基于發(fā)射機(jī)的頻譜檢測(cè)如能量檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)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(duì)于IEEE802.22系統(tǒng)關(guān)鍵模塊，本文主要探討基于接收機(jī)干擾溫度模型的頻譜分配和功率分配。

干擾溫度模型認(rèn)為只要CR用戶使用的授權(quán)頻段在主用戶接收端的干擾小于其干擾門限，則認(rèn)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(nèi)的平均干擾功率；k表示玻爾茲曼常數(shù)。FCC規(guī)定主用戶在某頻段 fc，與帶寬B的范圍內(nèi)干擾溫度的閾值TL，該閾值為該區(qū)域內(nèi)可以容忍的干擾上限。

考慮小區(qū)內(nèi)部授權(quán)用戶分別是P1～PU，其獨(dú)立使用頻段數(shù)目為J，每個(gè)小區(qū)內(nèi)有I個(gè)CPE用戶。表明CPEi的發(fā)射機(jī)在信道c上到達(dá)CPEj的增益，而表明CPEi在信道c上的發(fā)射功率大小，滿足如下要求

2.2 改進(jìn)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(duì)所有頻譜計(jì)算未獲得分配的CPE的度Deg（i，c），從而選取度最小的進(jìn)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(duì)于功率分配方案是基于用戶的最低信噪比計(jì)算得到，此時(shí)的功率結(jié)果對(duì)于用戶而言是最小功率方案，當(dāng)最低功率滿足不對(duì)主用戶造成干擾時(shí)，則分配此功率給該用戶，否則該CPE無法接入當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)。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(qū)的CPE數(shù)目較多的同時(shí)，提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)率。

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

在算法仿真時(shí)，考慮半徑較小的小區(qū)范圍，即半徑10 km以內(nèi)，同時(shí)考慮到矩陣運(yùn)算的復(fù)雜程度，仿真所用的CR用戶為40，可用頻段為100，其余參數(shù)是通過數(shù)字電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)與白頻譜要求得到，具體仿真參數(shù)見表1。

表1 算法仿真參數(shù)表

圖1為小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)容量的對(duì)比仿真圖。

圖1 系統(tǒng)容量對(duì)比圖

文中僅對(duì)IEEE802.22系統(tǒng)中基站的認(rèn)知層核心模塊——頻譜管理模塊進(jìn)行了研究，但是對(duì)于CR用戶而言，仍然需要進(jìn)行頻譜探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果反饋給基站。

3 數(shù)字電視上行系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鏈路預(yù)算

在對(duì)IEEE802.22系統(tǒng)中認(rèn)知層具體模型進(jìn)行研究后，需要結(jié)合FCC對(duì)白頻譜的要求探究目前的數(shù)字電視上行系統(tǒng)是否可以滿足需求。鏈路預(yù)算主要目的是探究在滿足白頻譜的功率要求方面，數(shù)字電視上行系統(tǒng)是否可以滿足覆蓋范圍100 km、用戶數(shù)大于1 000的指標(biāo)。鏈路預(yù)算主要根據(jù)Okumura-Hata模型，獲得前導(dǎo)序列時(shí)間Tseq[6]與覆蓋范圍D的關(guān)系。鏈路預(yù)算模型參數(shù)見表2。

由此可得到PRACH覆蓋性能與序列的持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

因而當(dāng)覆蓋半徑大于100 km時(shí)，則根據(jù)圖中所示Tseq需要大于4.8 ms。而在原有的上行系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中，1幀僅為2 ms，因而需要采用調(diào)頻、擴(kuò)頻的方式來抵抗信道衰減提高增益，補(bǔ)償鏈路損耗。本文采用了通過10倍上采樣方案對(duì)用戶進(jìn)行超窄帶幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表2 鏈路預(yù)算模型參數(shù)表

圖2 覆蓋范圍與前導(dǎo)序列時(shí)間關(guān)系曲線

3.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)需要同時(shí)滿足遠(yuǎn)距離通信和近距離通信兩種情況，其中兩種通信場(chǎng)景下示意圖見圖3。本文設(shè)計(jì)了一種混合幀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采樣率10 MHz，帶寬8 MHz，共分為2 048個(gè)子載波，僅使用低頻帶的1 440個(gè)子載波。其中每幀時(shí)間長度為20 ms，低頻帶720個(gè)子載波采用超窄帶傳輸，中間頻帶720個(gè)子載波采用正常帶寬傳輸。

圖3 通信場(chǎng)景示意圖

采用超窄帶的方式與衛(wèi)星短距離方式下的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。對(duì)于超窄帶傳輸，每個(gè)用戶在一幀中只占據(jù)一個(gè)載波（0.4 kHz），分配180個(gè)子載波用來作為RACH信道，剩余540個(gè)載波支持用戶數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 幀結(jié)構(gòu)示意圖

超窄帶模型的優(yōu)點(diǎn)是遠(yuǎn)距離通信，不足是數(shù)據(jù)速率較低。因而可以給一個(gè)用戶分配多個(gè)子載波來提高數(shù)據(jù)速率。

當(dāng)覆蓋面積較小，采用短距離通信時(shí)，可以采用寬帶通信的方式，即每個(gè)用戶可以使用多個(gè)子載波，此時(shí)RACH不需要很長的持續(xù)時(shí)間，可以縮短RACH的持續(xù)時(shí)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(gè)符號(hào)時(shí)間為4 ms，頻率上占據(jù)10個(gè)子載波，10個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)以二維內(nèi)插的方式分布在一個(gè)資源塊中，其余160個(gè)符號(hào)用來傳輸業(yè)務(wù)內(nèi)容。短距離模型的優(yōu)點(diǎn)是支持用戶較多，速率靈活可變，碼率較高，不足是導(dǎo)頻較少，在惡劣的信道中可能會(huì)產(chǎn)生較大影響。

混合幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表如表3所示。

3.3 資源分配仿真

進(jìn)行了上行系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)一幀內(nèi)傳輸?shù)挠脩魯?shù)目以及分配給用戶的資源數(shù)目進(jìn)行理論分析和上限要求。在考慮鏈路損耗時(shí)，采用Okumura-Hata模型進(jìn)行分析，在考慮用戶發(fā)射功率時(shí)，需要結(jié)合FCC對(duì)白頻譜的要求。同時(shí)在資源分配中，需要考慮最多能分配單用戶的子載波數(shù)目和時(shí)域符號(hào)數(shù)目，由于子載波數(shù)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(shù)相關(guān)，因而在仿真時(shí)主要考慮子載波數(shù)目的資源分配限制，同時(shí)，每個(gè)用戶最多分配的子載波數(shù)目大小也反映了能夠接入的最大用戶數(shù)目。

固定設(shè)備與可移動(dòng)設(shè)備下基站覆蓋范圍D與支持用戶數(shù)目關(guān)系如圖5所示。

表3 數(shù)字電視上行系統(tǒng)整體幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 幀結(jié)構(gòu)子載波數(shù)目對(duì)比圖

從圖5中可以看到，對(duì)于10倍上采樣后的幀結(jié)構(gòu)而言，由于其信號(hào)帶寬小，因而接收端噪聲較小，每個(gè)用戶可以支持更多的子載波數(shù)目分配。對(duì)于固定設(shè)備，在小區(qū)半徑10 km時(shí)，可以達(dá)到1 000數(shù)目的子載波分配，即當(dāng)采用單載波方式時(shí)，可以支持1 000個(gè)用戶，從而達(dá)到設(shè)計(jì)需求。對(duì)于可移動(dòng)設(shè)備，根據(jù)FCC的要求，鄰接正在通信的主用戶頻段的可移動(dòng)設(shè)備，其EIRP要求是最大40 mW，而對(duì)于沒有鄰接主用戶頻段的可移動(dòng)設(shè)備，其EIRP要求是最大100 mW。從圖5b可以看出，雖然對(duì)于移動(dòng)設(shè)備無法達(dá)到1 000數(shù)目的子載波分配，但是超窄帶的幀結(jié)構(gòu)可以覆蓋更大距離、容納更多用戶。

4 小結(jié)

本文首先對(duì)白頻譜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)研，同時(shí)探究FCC和Ofcom對(duì)白頻譜進(jìn)行的規(guī)范，并對(duì)白頻譜技術(shù)中關(guān)鍵模塊，即頻譜分配與功率分配模塊進(jìn)行了算法優(yōu)化研究與仿真。同時(shí)根據(jù)白頻譜的要求，通過奧村模型對(duì)上行系統(tǒng)進(jìn)行鏈路預(yù)算，根據(jù)預(yù)算結(jié)果采用10倍上采樣的超窄帶方案設(shè)計(jì)了滿足白頻譜要求的上行系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過子載波數(shù)目分配的仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的上行系統(tǒng)與原有系統(tǒng)相比能夠接入更多的用戶，同時(shí)能夠覆蓋更大的距離。

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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(xiàn)信息】趙淼，何大治，管云峰，等.基于白頻譜技術(shù)的數(shù)字電視上行系統(tǒng)研究[J].電視技術(shù)，2014，38（24）.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61221001；61102051；61420106008）；111引智計(jì)劃項(xiàng)目（B07022）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA011701；2013AA013503）；上海市數(shù)字媒體處理與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；上海交通大學(xué)科技創(chuàng)新基金（AF0300021）