基于白频谱技术的数字电视上行系统研究

赵 淼，何大治，管云峰，杨 峰，丁良辉

（1.上海交通大学，上海 200240；2.数字电视国家工程研究中心，上海 200125）

基于白频谱技术的数字电视上行系统研究

赵 淼1,2，何大治1,2，管云峰1,2，杨 峰1,2，丁良辉1,2

（1.上海交通大学，上海 200240；2.数字电视国家工程研究中心，上海 200125）

介绍了广播电视频段白频谱技术的研究与发展，调研了美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）和英国通信办公室（Ofcom）对白频谱技术提出的规范和要求，以及基于白频谱技术的通信协议和标准。同时对认知无线电关键模块进行了探究和仿真。最后结合白频谱的要求，对数字电视上行系统进行链路预算与仿真，根据仿真结果，重新设计了超窄带方案的数字电视上行系统帧结构，并通过资源分配仿真验证了所设计的帧结构具有更大的优势。

白频谱技术；认知无线电；频谱管理；数字电视

随着数字电视近年的快速发展，无线广播数字电视逐渐成为研究热点。然而美国FCC委员会的大量报告中指出，TV频谱的利用很不平衡，对于一些非授权频段的占用率过高，而很多授权频段占用率很低因而过于空闲。国家无线电网络研究实验床项目报告中显示3 GHz以下频段频谱利用率仅为5.2%[1]。因而本文主要研究认知无线电的新技术，即白频谱技术与数字电视上行回传链路系统的结合。TV白频谱定义为电视频段中UHF和VHF频段内的无执照系统，即主用户没有使用或不受到干扰的频段内。电视频段频率低于1 GHz，因而传播的距离更远，允许非视线的传播覆盖，从而使电视频段的白频谱技术更加适用于农村、人烟稀少等地区，因而在数字电视回传链路中应用白频谱技术具有很大的前景和重要的意义。

1 广播电视白频谱标准与通信协议发展

在制定广播电视白频谱规范方面，主要由美国FCC与英国Ofcom来进行制定。虽然二者率先发起了免执照使用广播电视“白频谱”的议题，但同时也对TVBDs设备进行了相应的约束，如需要地理定位能力、频谱感知能力等。

1.1 FCC白频谱要求

1）设备分类

FCC规定CR用户设备分为固定设备、Mode1可移动设备、Mode2可移动设备与感知设备四类。固定设备地点不移动，Mode1可移动设备不使用地理定位能力和TV频段数据库，Mode2设备使用地理定位能力和TV频段数据库，感知设备是通过频谱感知技术得到频段的可移动设备。

2）频段使用

FCC规定CR设备仅能使用6 MHz带宽，支持白频谱的频段数目中最大可用频段数目为47，从频段2～频段51，排除频段3、4和37。

3）功率要求

对于固定设备，其EIRP在6 MHz带宽内最大允许4W，连续100 kHz内最大EIRP不能超过12.6 dBm。对于可移动设备，其EIRP在6 MHz带宽内最大允许100 mW，连续100 kHz内最大EIRP不能超过2.6 dBm，且最大天线增益为0 dBi。对于所用频段邻接正使用的TV主用户的可移动设备，EIRP最大40 mW，连续100 kHz内最大EIRP不能超过-1.4 dBm。对于感知设备，FCC规定连续100 kHz内最大EIRP不能超过-0.4 dBm。

4）天线要求

FCC仅对固定设备有天线高度要求，即固定设备地面高度需要小于等于30 m，HAAT最大为106 m。且不允许天线放置于平均天线高度大于250 m的地带。

5）地理定位能力要求

FCC要求CR设备定位的精确度在±50m内。地理定位能力与FCC认可的数据库共同使用来决定可用频段。Mode2的移动设备至少每60 s检查更新一次位置信息。固定设备至少每天访问一次数据库来保证可用频段处于最新状态。同时如果Mode2的移动设备迁移超过100m，就需要重新访问一次数据库。

1.2 Ofcom白频谱要求

1）设备分类

设备仅分Type A与Type B两类，Type A表示户外的固定设备，Type B表示非固定于户外的设备。

2）频段使用

CR设备只用于8 MHz带宽，其中可用频段为UHF频段，即470～550 MHz（Channel 21～30）以及614～790 MHz（Channel 39～60）是可用频段。

3）地理定位能力要求

Ofcom对地理定位的要求同FCC一致，要求CR设备定位精确度在±50m内，且有95%以上置信度。

4）天线要求：

对于Type A设备无要求，但是对于Type B设备，则要求天线必须为一体化天线。

5）定期检测数据库

Ofcom规定当CR设备的经纬度坐标变化50 m以上时，需要重新检测数据库，同时规定主设备能够在60 s内取消接入，而从设备需在1min内取消接入。

1.3 通信协议的选取

在“白频谱”规范逐渐完善的过程中，标准的制定同样起着关键的作用。根据标准协议，TVBDs设备可以避免干扰，确保通信质量。目前国际基于白频谱制定的标准有ECMA-392，IEEE1900.4a，IEEE1900.7，IEEE802.15.4m，IEEE802.11af和IEEE802.22等，而应用于广播电视频段的主要是后三种标准。其中IEEE802.15.4m是WPAN网，即低速率的无线个人局域网。而IEEE802.11af是WLAN，即无线局域网，IEEE802.22是WRAN，即无线区域网。

在实际应用时，本文主要侧重对IEEE802.22系统的调研，这是由于在物理层上，IEEE802.22覆盖范围可以达到100 km，传播时延为25～60μs，带宽为6 MHz、7 MHz、8 MHz可选，最大数据率为22.69 Mbit/s，调制方式为QPSK、16QAM、64QAM可选，同时支持卷积码、CTC、LDPC、SBTC编码[2]。而对于数字电视上行系统的设计，要求同样是覆盖范围达到100 km，用户数达到1 000以上。

因而IEEE802.22系统与数字上行回传系统应用场景更为接近，研究IEEE802.22系统中的关键模块有助于设计基于白频谱技术的数字电视上行系统。

2 802.22系统关键模块研究

2.1 干扰温度模型

在IEEE802.22协议中，主要关注于认知无线电技术相关内容，目前IEEE802.22标准提出对于基站而言，核心模型是频谱管理（Spectrum Management，SM）模块。基站需要汇集用户频谱探测的结果，并通过数据库来访问当前可用频段的列表，再对多用户进行合理的频谱分配与功率分配[3]。而目前基于发射机的频谱检测如能量检测、循环平稳检测效果并不理想[4]，因而FCC提出了干扰温度模型来解决此问题。从而对于IEEE802.22系统关键模块，本文主要探讨基于接收机干扰温度模型的频谱分配和功率分配。

干扰温度模型认为只要CR用户使用的授权频段在主用户接收端的干扰小于其干扰门限，则认为该频段是可以使用的“白频谱”。

干扰温度Ti的单位是开尔文，定义为

式中：Pi表示中心频谱为 fc、带宽为B范围内的平均干扰功率；k表示玻尔兹曼常数。FCC规定主用户在某频段 fc，与带宽B的范围内干扰温度的阈值TL，该阈值为该区域内可以容忍的干扰上限。

考虑小区内部授权用户分别是P1～PU，其独立使用频段数目为J，每个小区内有I个CPE用户。表明CPEi的发射机在信道c上到达CPEj的增益，而表明CPEi在信道c上的发射功率大小，满足如下要求

2.2 改进的干扰图算法

在原有功率分配与频谱分配中，使用干扰图算法[5]。通过对所有频谱计算未获得分配的CPE的度Deg（i，c），从而选取度最小的进行分配，将频段c分配给CPEi，再从未获得频谱集合中将i删去，直至全部频谱分配完毕。但是干扰图算法中对于功率分配方案是基于用户的最低信噪比计算得到，此时的功率结果对于用户而言是最小功率方案，当最低功率满足不对主用户造成干扰时，则分配此功率给该用户，否则该CPE无法接入当前网络。本文在原有的算法上增加了注水思想，从而可以保证接入小区的CPE数目较多的同时，提高系统容量和数据率。

注水思想实际上是在max(Pn)≤Pmax前提下，求得最大的系统容量方案，Pn最优解为

在算法仿真时，考虑半径较小的小区范围，即半径10 km以内，同时考虑到矩阵运算的复杂程度，仿真所用的CR用户为40，可用频段为100，其余参数是通过数字电视系统设计的参数与白频谱要求得到，具体仿真参数见表1。

表1 算法仿真参数表

图1为小区内系统容量的对比仿真图。

图1 系统容量对比图

文中仅对IEEE802.22系统中基站的认知层核心模块——频谱管理模块进行了研究，但是对于CR用户而言，仍然需要进行频谱探测，并将探测结果反馈给基站。

3 数字电视上行系统帧结构设计

3.1 链路预算

在对IEEE802.22系统中认知层具体模型进行研究后，需要结合FCC对白频谱的要求探究目前的数字电视上行系统是否可以满足需求。链路预算主要目的是探究在满足白频谱的功率要求方面，数字电视上行系统是否可以满足覆盖范围100 km、用户数大于1 000的指标。链路预算主要根据Okumura-Hata模型，获得前导序列时间Tseq[6]与覆盖范围D的关系。链路预算模型参数见表2。

由此可得到PRACH覆盖性能与序列的持续时间的关系如图2所示。

因而当覆盖半径大于100 km时，则根据图中所示Tseq需要大于4.8 ms。而在原有的上行系统帧结构中，1帧仅为2 ms，因而需要采用调频、扩频的方式来抵抗信道衰减提高增益，补偿链路损耗。本文采用了通过10倍上采样方案对用户进行超窄带帧结构设计。

表2 链路预算模型参数表

图2 覆盖范围与前导序列时间关系曲线

3.2 帧结构设计

针对系统需要同时满足远距离通信和近距离通信两种情况，其中两种通信场景下示意图见图3。本文设计了一种混合帧结构，系统采样率10 MHz，带宽8 MHz，共分为2 048个子载波，仅使用低频带的1 440个子载波。其中每帧时间长度为20 ms，低频带720个子载波采用超窄带传输，中间频带720个子载波采用正常带宽传输。

图3 通信场景示意图

采用超窄带的方式与卫星短距离方式下的帧结构设计如图4所示。对于超窄带传输，每个用户在一帧中只占据一个载波（0.4 kHz），分配180个子载波用来作为RACH信道，剩余540个载波支持用户数据传输。

图4 帧结构示意图

超窄带模型的优点是远距离通信，不足是数据速率较低。因而可以给一个用户分配多个子载波来提高数据速率。

当覆盖面积较小，采用短距离通信时，可以采用宽带通信的方式，即每个用户可以使用多个子载波，此时RACH不需要很长的持续时间，可以缩短RACH的持续时间，采用更加灵活的资源块分配方案，使用户可以使用更多的资源。图4b为资源块的分配方案，17个符号时间为4 ms，频率上占据10个子载波，10个导频符号以二维内插的方式分布在一个资源块中，其余160个符号用来传输业务内容。短距离模型的优点是支持用户较多，速率灵活可变，码率较高，不足是导频较少，在恶劣的信道中可能会产生较大影响。

混合帧结构设计表如表3所示。

3.3 资源分配仿真

进行了上行系统的帧结构后，需要对一帧内传输的用户数目以及分配给用户的资源数目进行理论分析和上限要求。在考虑链路损耗时，采用Okumura-Hata模型进行分析，在考虑用户发射功率时，需要结合FCC对白频谱的要求。同时在资源分配中，需要考虑最多能分配单用户的子载波数目和时域符号数目，由于子载波数目与链路损耗、噪声门限、载波频率、覆盖半径与接收端灵敏度等参数相关，因而在仿真时主要考虑子载波数目的资源分配限制，同时，每个用户最多分配的子载波数目大小也反映了能够接入的最大用户数目。

固定设备与可移动设备下基站覆盖范围D与支持用户数目关系如图5所示。

表3 数字电视上行系统整体帧结构设计

图5 帧结构子载波数目对比图

从图5中可以看到，对于10倍上采样后的帧结构而言，由于其信号带宽小，因而接收端噪声较小，每个用户可以支持更多的子载波数目分配。对于固定设备，在小区半径10 km时，可以达到1 000数目的子载波分配，即当采用单载波方式时，可以支持1 000个用户，从而达到设计需求。对于可移动设备，根据FCC的要求，邻接正在通信的主用户频段的可移动设备，其EIRP要求是最大40 mW，而对于没有邻接主用户频段的可移动设备，其EIRP要求是最大100 mW。从图5b可以看出，虽然对于移动设备无法达到1 000数目的子载波分配，但是超窄带的帧结构可以覆盖更大距离、容纳更多用户。

4 小结

本文首先对白频谱标准进行了调研，同时探究FCC和Ofcom对白频谱进行的规范，并对白频谱技术中关键模块，即频谱分配与功率分配模块进行了算法优化研究与仿真。同时根据白频谱的要求，通过奥村模型对上行系统进行链路预算，根据预算结果采用10倍上采样的超窄带方案设计了满足白频谱要求的上行系统帧结构，同时通过子载波数目分配的仿真验证了所设计的上行系统与原有系统相比能够接入更多的用户，同时能够覆盖更大的距离。

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

[2]DEMAIN L，ROMAN M.Comparison of 802.11af and 802.22 stan⁃dards–physical layer and cognitive functionality[J].Elektrorevue，2012，3（2）：12-18.

[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系统关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，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

【本文献信息】赵淼，何大治，管云峰，等.基于白频谱技术的数字电视上行系统研究[J].电视技术，2014，38（24）.

国家自然科学基金项目（61221001；61102051；61420106008）；111引智计划项目（B07022）；国家高技术研究发展计划项目（2012AA011701；2013AA013503）；上海市数字媒体处理与传输重点实验室；上海交通大学科技创新基金（AF0300021）