双向改造新方案与IEEE 802.22的融合

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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。

        第三，没有充分发挥认知无线电的作用，布网复杂。认知无线电的作用在于系统可以通过对环境的感知，自动地调整工作频率、最大发射功率等参数，实现时间、频率、空间多个维度的频率资源复用，减少人为规划和调整所带来的巨大的工作量。

        总之，该方案结合了数字电视的频谱规划的特点，但没有充分利用认知无线电技术，频谱效率低，且不利于系统平滑升级，按此思路进行标准制定难以协调各方利益。因此，IEEE802.22标准最终还是选择建立独立的前反向信道。

4、可行的融合方案

        目前，国外和国内运营商都朝着综合业务运营商转型，这些业务是基于融合的网络来提供的。一个运营商可能运营2G/3G/WiMax/WLAN/IPTV等多个网络，甚至还包括地面数字电视和卫星电视。融合网络的特点是有共同的核心网，能基于此核心网向不同接入方式提供不同业务。802.22具有与802.16d相似的架构，上层完全采用现有的协议，核心网与其他网络（包括数字电视网）共用，标准制定只针对MAC层和PHY层。因此，核心网的融合不是我们讨论的重点。下面我们将重点分析802.22与数字电视在频谱与运营策略、终端以及业务上的融合。

4.1 频谱与运营策略

        与手机电视相似，广电运营商与电信运营商在802.22的博弈??机电视上，广电和电信可能采用不同的标准，且广电的广播网络需要电信的回传信道的支持；在802.22上，广电和电信可能都会建网，因为农村和偏远地区较多的空闲频谱以及802.22较大的覆盖半径使得在同一地区建设两个甚至多个网络并不造成浪费，但是，这些电视频段资源是由广电所主导的，因此广电在运营802.22上具有优先权。

        为了保障公平竞争，并降低用户的资费水平，除了全国性的广电运营商外，国家还可能会发放一到多家全国性或地区性的802.22运营牌照。广电运营商最终会丧失频谱使用的优先权，但在牌照发放即建网的时间上，会提前于电信运营商。所以，广电运营商应在技术储备上提前做好准备。

4.2 终端融合

         FCC的建议和CRC的提案中都提出了数字电视终端和802.22终端可以融合，这其实是业务上捆绑用户的一种很好的方案。具体的融合方法是：首先，数字电视和802.22两者的接收、发射、感知等功能可以融合到同一台设备（CPE）中，这有点类似于手机电视的融合方案；其次，如果地面数字电视的工作频率与802.22的工作频率具有一定间隔，那么它们的天线也能聚合到一起，这样就避免了一家用户需要架设多个天线的尴尬。

4.3 业务融合

        终端融合有利于增值业务的开展。但如果终端无法融合，比如说用户已经购买了数字电视或卫星电视接收机，那么用户也可以只购买802.22单模终端，来参与电视互动或享受其它增值业务，至少可以实现业务的融合。这些业务包括：

        一，VOIP与视频电话。电信运营商现正通过IPTV、手机电视等方式，大举进入广电的传统领域。而广电运营商一方面可以通过有线电视双向改造，向城镇用户提供话音业务和各种增值业务；另一方面，可以借助802.22，向农村地区提供低成本的话音和增值业务。在农村和偏远地区，人口密度小；而3G或WiMAX因为使用了较高的频率，小区覆盖半径小，适合于热点覆盖，所以短期内将不会进入农村地区。802.22因为使用了传播特性优良的电视频谱，具有十倍于蜂窝小区的半径，百倍于蜂窝小区的单小区面积，因此能够提供高质低价的VOIP业务和高速的视频通话业务。将来用户通话需求增大时，还可以使用802.22的升级版或在农村的热点地区建设基于电视频谱的WiMAX增强版802.16h。

        二，基于位置的业务等增值业务。在中国的内蒙古高原、青藏高原、云贵高原、、四川三州地区、广西、湘西等地，普遍的情况是交通闭塞、信息不畅，然而这些地方恰恰自然与人文资源十分丰富。因此，一方面，当地居民可以通过融合网络来获得更多的外界信息，提高当地的文化水平和生产力；另一方面，当地居民可以联合业务提供商（SP）提供独特的数字化的人文风景资源却不会破坏环境，也可以提供基于位置的旅游业务来实现生活水平的提高。总之，通过把数字电视与802.22相结合，能为广大农村和偏远地区提供便捷低价的通信方式，缩小信息鸿沟，提高这些地区的物质文化水平，有利于区域的协调发展。

5、总结

        IEEE802.22设计的目标就是为了向人口密度较低的农村和偏远地区提供能取代ADSL的具有同速率级别的宽带无线接入，这对缩小中国东西部地区以及城乡间的信息鸿沟具有重要意义。广电通过建设低成本的全覆盖的802.22网络，能实现向全业务运营商的转型。本文在简要介绍了802.22标准进展及关键技术后，提出了数字电视与802.22融合的方法，从而为数字电视的双向化改造提出了一种新方案。

参考文献
[1]张海涛。统一思想，形成合力，推动广播影视科技和事业发展上一个大台阶。广播电视信息，2007（2）
[2]吴莉莉，高倩。淄博广电双向全业务无源光网络的规划和建设。广播电视信息，2007（2）
[3]李青龙，贺军。青岛有线双向网改造实践。广播电视信息，2007（2）
[4]黄松飞。电信广电握手言谈手机电视，标准融合曙光初现。中国通信，2007（8）
[5]SimonHaykin,“CognitiveRadio:Brain-EmpoweredWirelessCommunications”,IEEE Journalon Selected Areasin Communication,Vol.23,No.2,Feb.2005
[6]FCC,“Noticeof Proposed RuleMaking,in the Matter of Unlicensed Operation of in the TV Broadcasts Bands(ETDocketNo.04-186)Additional Spectrum for Unlicensed Devices Below 900MHzand in the 3GHzBand(ETDocketNo.02-380)”,FCC04-113,May 2004.
[7]CarlR.Stevenson,“IEEE-P802.22_Policies_and_Procedures”,IEEE802.22-04/0001r0,Nov.2004.
[8]Paul Nikolich,“Draft PAR and Five Criteria for IEEE802.16h Projecton License-Exempt Coexistence”,IEEEC802.16-04/56r1,Oct.2004.