双向改造新方案与IEEE 802.22的融合

作者：刘文斌，彭涛，啜钢

1、引言

近年来，我国在数字电视建设方面飞速发展。04年，以青岛现场会为标志，我国有线电视数字化整体转换工作全面启动。07年，我国地面数字电视强制性国家标准和手机电视CMMB标准开始实施，目标是在奥运会期间至少在几个奥运城市能开通地面数字电视和手机电视业务。广播电视村村通工程将通过发射直播卫星和加强无线覆盖工程建设来实现，确保在"十一五"期间能让广大农民群众看上至少四套电视节目[1]。

有线网络的双向改造走在广播电视双向改造的最前沿。山东淄博、青岛等地前瞻性地考虑到全业务运营的需要，把有线电视数字化整体转换与双向化改造相结合起来[2,3]。电信和广电在手机电视上最近也实现了握手[4]，即移动网络运营商将为前向广播电视提供回传通道，这样的融合将使得双方均受益。但对于地面数字电视和卫星电视，除了借助电信运营商的网络外，并没有较好的双向改造方案，这可能会使得东西部、城乡间的信息鸿沟短期内难以缩小，不利于教育、经济的和谐发展。

自从动态利用空闲频谱的认知无线电的思想在1999年被提出后，通信界对认知无线电技术进行了深入的研究[5]。2004年，美国联邦通信委员会（FCC）提出利用认知无线电技术实现通信系统与广播电视系统共享电视频谱的建议[6]，获得了积极响应。随后，IEEE802.22工作组成立，其主要目标是在不对电视等授权系统造成有害干扰的情况下，动态利用空闲的电视频段来实现农村和偏远地区的无线宽带接入[7]。与此同时，IEEE802.16h工作组也宣告成立，其目标除了实现802.16系列的各系统的共存外，还附带了共享电视频谱的功能[8]。本文将主要IEEE802.22的特征，然后探讨广播电视网络与IEEE802.22的融合方案，从而提供一种切实可行的数字电视双向改造的新方案。

2、IEEE802.22标准及其关键技术

基于802.22空中接口的无线通信网络因为具有较大的小区半径（典型值为33km），所以被称为无线区域网（WirelessRegionalAreaNetwork,WRAN），如图1所示。802.22工作频率为54~862MHz（即无线电视的工作频段），信道带宽与当地电视频段的带宽相同（即6MHz、7MHz或8MHz），可采用的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM，频谱效率为0.81bits/s/Hz~4.03bits/s/Hz[9]。也就是说，若信道带宽为6MHz，且采用3个信道捆绑的方式时，下行最大速率可达72.6Mbps。802.22设备的默认最大发射功率为4W，采用TDD的双工方式和OFDMA的多址接入方式。因为各相邻小区所使用的频率事先未规划，为实现频谱共享，802.22还提出了共存信标协议（CoexistenceBeaconProtocol,CBP），使得BS与BS可以直接通过空中接口进行通信或借助于处于两者覆盖的重叠区域的用户驻地设备（CustomerPremiseEquipment,CPE）转发实现间接通信。

2006年5月的802.22工作组会议上，Philips、Motorola、Samsung、华为等单位的PHY/MAC提案合为一体，加速了802.22标准化进程。工作组除了制定基本的MAC/PHY标准外，还有TaskGroup1负责制定加强保护小功率授权设备的802.22.1标准，TaskGroup2负责制定工程实施标准802.22.2，SensingTiger Team负责提出对各种TV授权系统的感知方案，Geolocation/Database TigerTeam负责提出确定802.22基站、CPE以及授权系统的地理位置并建立数据库的方案。预计能在2008年初完成第一个标准，于2009年推出产品。

图1WRAN系统应用场景[9]

BS要求CPE对各个TV信道进行检测，根据检测结果来决定自己所能使用的信道。其中，对工作频率及其前后相邻的两个频道的检测称为带内检测（In-bandSensing），对其他频道的检测称为带外检测（Out-bandSensing）。每个CPE都有两付天线，一付用于收发信号，即与BS的通信，另一付专门用于检测。带外检测不需要中断现有通信，而在进行带内检测时，小区内的所有设备（包括BS和各CPE）需要停止工作。为了不对自身业务造成太大影响，并同时精确检测出可能出现的授权系统的信号，带内检测又分为两种：帧内感知（Intra-frameSensing）和多帧感知（Multiple-frameSensing）。帧内感知所需时间短，算法较简单，能粗略地感知出授权信号的强度；根据帧内感知的结果，BS调度各CPE对某些可能出现授权信号的频段进行更细致的多帧感知，多帧感知所需时间长，算法复杂度高，能感知出发射信号的系统类型。

因为一个802.22小区的覆盖范围较大，所以处于不同方位的CPE所感知到的各个频段的授权信号强度的结果也不同。为了避免对授权系统造成有害干扰，BS应根据这些结果选择适合的频率来工作，并为上下行确定最大发射功率。另一方面，CPE所需测量的频谱较宽，所需测量的授权系统种类也较多，而位置相近的多个CPE测量的结果较为接近，因此各CPE可以分担测量任务。为此，802.22提出了物理簇（PhysicalCluster）和逻辑簇（LogicalCluster）的概念，其中，物理簇由地理位置相近、测量结果相近的CPE组成，一个物理簇中的多个CPE分担不同任务；而各个物理簇中分担同一测量任务的CPE则构成一个逻辑簇，BS根据逻辑簇的不同CPE的测量结果来估计授权系统的位置和发射功率等参数。

因为授权的TV发射机和接收机并不处于同一位置，为了避免对TV接收机造成干扰，需要为工作于同频或邻频的TV服务区和802.22小区之间设置一定的保护距离。802.22规定，若TV为ATSC制式，且小区内的CPE与TV工作在同一频率，那么CPE与TV的服务区边缘至少要保持3.1km的间隔。若二者工作在相邻频率，也有类似的保护距离或是发射功率的限制。根据这些结果，BS可以为自己和每个CPE计算出在各个频率上的干扰约束下的最大发射功率。但是，当多个CPE或多个BS在同一频率发射时，叠加起来的干扰还是可能造成对授权系统的干扰超标，此时，需要对BS和CPE进行联合发射功率控制。在进行完功率等资源分配后，在实际发射之前，BS需要通过测试模块来预测干扰的大小，若超标则需要重新调整发射功率等参数。

3、CRC提出的融合方案

2005年7月，加拿大通信研究中心（CRC）在IEEE802.22的提案中建议把DTV的前向广播信道改造成802.22的前向信道，用户设备通过感知来确定一个频率用于反向信道，一个或多个专门的反向接收机把接收到的信号传给基站[10]。这种方法可以实现数字电视与认知无线电技术的结合，但可行性却较低。这是因为：

第一，对于不同国家或地区的数字电视标准，都需要进行有针对性地改造，兼容性低，改造成本过高。而且，在这种方案下，如果有多个运营商运营802.22，那么它们就要同时运营DTV，这会造成较多的重复建设，而且前向信道间的干扰机会可能增大。

第二，容量较低。前向信道与DTV共用基站，小区半径较大，所以容量较低。通信信道一般为单播信道，当小区半径越小时，信道复用率越高，容量越大。