聚焦“白頻譜”：國外的管理法案與標準概覽

王興軍，程云笛，黃星煜

（清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518000）

廣播電視白頻譜（以下簡稱白頻譜），是指在特定時間、特定區(qū)域，在不對更高級別的服務(wù)產(chǎn)生干擾的基礎(chǔ)上，可被無線通信設(shè)備或系統(tǒng)使用的頻譜[1]，這其中包括了管理者沒有分配的頻譜、已分配但未使用或未充分使用的頻譜、相鄰頻道間的保護頻段以及模擬信號數(shù)字化帶來的“數(shù)字紅利”等。白頻譜所在頻率范圍的無線電波具有自由空間傳播路徑損耗小、透射和繞射能力強等特點，使得工作于這一頻段的設(shè)備在同等功率下?lián)碛懈鼜V的覆蓋范圍。

對白頻譜資源的需求主要來自兩方面。首先，隨著智能手機和平板電腦的普及，移動數(shù)據(jù)通信量逐年增加。思科2014年2月發(fā)布的報告顯示，2013年全球移動數(shù)據(jù)通信量增長了81%，相當于2000年全球所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信量的18倍，國內(nèi)三大移動運營商的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總量也比2012年增長了90%[2]。根據(jù)預(yù)測，2013年到2018年之間國際移動數(shù)據(jù)通信量將增長11倍，其增長速度是固定設(shè)備數(shù)據(jù)通信的3倍之多，并且有望在2016年超越后者，占到全球數(shù)據(jù)通信量的55%[3]。如此龐大的無線數(shù)據(jù)通信量必然需要更多的帶寬資源。其次，在許多場合下，人們要求無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的覆蓋能力強于以往，希望在更多場合實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，比如市區(qū)WiFi、農(nóng)村地區(qū)無線寬帶、智能農(nóng)業(yè)、遠程醫(yī)療等。

在這種需求的推動之下，研究人員、管理機構(gòu)以及標準制定組織已經(jīng)為如何高效、安全地使用白頻譜進行了大量探索，并取得了階段性的成果。本文將首先介紹白頻譜接入的3種認知無線電方案，它們是利用白頻譜的技術(shù)基礎(chǔ)；接著梳理自2007年以來，歐美國家白頻譜管理和部署工作的進展；最后對兩種白頻譜標準IEEE 802.11af和IEEE802.22進行比較。

1 認知無線電技術(shù)

使用白頻譜的無線設(shè)備，即白頻譜設(shè)備（White Space Devices），所面臨的首要問題是如何尋找可用白頻譜，并保證設(shè)備的操作不影響該頻段其他已有服務(wù)——尤其是經(jīng)過授權(quán)的服務(wù)。這一問題的難點在于，經(jīng)過授權(quán)的服務(wù)占用的頻譜資源隨時間、地點的改變而動態(tài)變化。這些服務(wù)中最具代表性的是PMSE（Program Making and Special Event），泛指為體育賽事直播、新聞采集、商業(yè)展會等一系列活動所提供的廣播服務(wù)，它們占有廣電頻譜的時間具有極大的隨機性。另外，在一定地理范圍內(nèi)，各類白頻譜設(shè)備將競爭白頻譜資源，它們必須能夠?qū)崟r獲取周邊與之競爭的設(shè)備使用頻譜的信息，以避免沖突。而認知無線電技術(shù)能夠解決上述問題。認知無線電的核心思想是具有學(xué)習(xí)能力，主要使用頻譜感知、地理位置數(shù)據(jù)庫和信標接收3種方法實現(xiàn)頻譜檢測。

1.1 頻譜感知

頻譜感知是指白頻譜設(shè)備自發(fā)探測所在位置的頻譜環(huán)境，以確定收發(fā)數(shù)據(jù)的頻段。白頻譜設(shè)備主要使用兩種方法感知頻譜：功率檢測和特征檢測[4]。前者是指若探測到的無線電波功率超越某界限，就認定該頻段已被占用，反之則推斷該頻段暫無使用者。這種檢測的缺陷之一是，為避免噪聲對檢測結(jié)果的影響，需要提高檢測門限，這會導(dǎo)致設(shè)備可能漏檢信號。特征檢測則是處理接收到的信號，通過其幀格式等特征判斷信號是否為其他設(shè)備所發(fā)送。它能提升檢測靈敏度，也增加了設(shè)備的復(fù)雜性——畢竟各類設(shè)備的數(shù)據(jù)格式難以統(tǒng)一。因此實際應(yīng)用中通常將上述兩種方法結(jié)合使用。確定空閑頻道后，設(shè)備還需要探測與之相鄰的頻道是否被占用，以決定抑制帶外功率的標準。

由于存在“隱藏節(jié)點”問題，僅依靠設(shè)備自身的頻譜感知難以保證結(jié)果的可靠性。圖1展示了一種極可能出現(xiàn)的場景[5]：電視廣播發(fā)射塔臺的信號受到建筑物阻擋，無法被具有感知能力的移動設(shè)備檢測到，而距離它很近的房屋上的天線卻與塔臺存在視距傳播路徑，因此移動設(shè)備有可能使用塔臺正在占用的頻道向天線發(fā)送信號，對電視信號造成干擾。歐洲的管理者認為，采用“協(xié)同感知”功能可以提高感知的準確性。例如特定的中心設(shè)備可以收集某一區(qū)域內(nèi)多個感知設(shè)備對頻道的檢測結(jié)果，用最優(yōu)化的判決門限分析這些結(jié)果，最終做出判斷。

另外，已經(jīng)獲取頻道使用權(quán)的白頻譜設(shè)備需要周期性地核實所占頻道是否仍然可用，這種周期的選取關(guān)系到設(shè)備的能耗及通信的效率。

1.2 地理位置數(shù)據(jù)庫

這是目前被管理者廣泛接受的認知無線電方案，其思想是把頻譜使用信息按照地理位置分類儲存在“地理位置數(shù)據(jù)庫”中，由數(shù)據(jù)庫對頻譜進行統(tǒng)一管理。當白頻譜設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它把自身的位置信息和發(fā)射功率等參數(shù)報告給數(shù)據(jù)庫，以申請頻道的使用權(quán)。數(shù)據(jù)庫根據(jù)白頻譜設(shè)備提供的信息，經(jīng)過計算之后把可用的頻譜以及功率限制等信息發(fā)送給提交申請的設(shè)備，同時還要周期性地向這些設(shè)備確認信息的有效性。而白頻譜設(shè)備的一切操作必須遵循數(shù)據(jù)庫所提供的信息指導(dǎo)，一旦不能確定這些信息的有效性，就必須立即停止操作。

這種方案引起了人們對安全性問題的關(guān)注。一方面，數(shù)據(jù)庫本身要安全可靠，既要保證數(shù)據(jù)庫中的信息不會被侵入者篡改，又要保證設(shè)備所訪問的數(shù)據(jù)庫是經(jīng)過管理部門批準的。另一方面，設(shè)備與數(shù)據(jù)庫之間的通信內(nèi)容不可泄露，因為其中可能包含設(shè)備特有的參數(shù)以及數(shù)據(jù)庫提供的授權(quán)信息。此外，如何保證白頻譜設(shè)備向數(shù)據(jù)庫提供的定位信息達到要求的精度，即如何確保設(shè)備獲得的空閑頻道信息在當?shù)厥菧蚀_可用的，也是管理者必須解決的問題。

1.3 信標接收

“信標”是一種能夠告知白頻譜設(shè)備信道空閑信息的信號。管理者需要在相應(yīng)地區(qū)部署一套信標發(fā)射站，處在該覆蓋范圍內(nèi)的白頻譜設(shè)備被動掃描信標幀，這種信標可以包括“使能信標”和“停止信標”，接收到前者的設(shè)備向信標站獲取授權(quán)后，就可以操作空閑頻道。歐洲管理機構(gòu)的報告指出信標接收方案對PMSE的保護有著獨特的優(yōu)勢[4]。

信標接收的弊端在于，一些設(shè)備由于受到建筑物遮擋而無法探測到信標幀，從而浪費某區(qū)域的空閑頻譜資源；由于設(shè)備性能的差異存在，如果在信標覆蓋范圍之外的白頻譜設(shè)備檢測到了信標并通過了授權(quán)，那么可能會對該設(shè)備所在區(qū)域已有的廣電服務(wù)造成嚴重干擾。

2 歐美國家管理白頻譜的進展

2.1 美國

美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communication Com?mittee，F(xiàn)CC）2008 年 11 月首次在 FCC 08-260“ Second Report and Order and Memorandum Opinion and Order”[6]中，允許未注冊的無線電設(shè)備使用當?shù)氐目臻e廣播電視頻段（白頻譜），并認為只要有恰當?shù)墓芾砗秃线m的設(shè)備操作，未注冊無線電設(shè)備可以在使用白頻譜的同時不干擾已有服務(wù)。FCC在該文件中對這類設(shè)備進行予以定義、分類，如表1所示，提出了用“地理位置數(shù)據(jù)庫”、“接收外部控制信號”以及“頻譜感知”3種方法探測白頻譜，并對感知的功率下限和定位的最低精度做出相應(yīng)要求。同時，F(xiàn)CC也規(guī)定要保護已有廣電服務(wù)，給出了發(fā)射天線高度、發(fā)射功率控制、帶外功率限制等技術(shù)指標。此后，在2010年和2012年，F(xiàn)CC兩次對FCC 08-260做出補充和修改。其中，2010年9月份公布的FCC 10-174[7]刪除了對白頻譜設(shè)備頻譜感知功能的強制要求，但出于長遠考慮，仍然鼓勵對頻譜感知技術(shù)的探索。文件中進一步強化了對廣電頻段已有服務(wù)的保護，并且著重要求地理位置數(shù)據(jù)庫與白頻譜設(shè)備之間，各數(shù)據(jù)庫之間的通信要保證安全性。2012年4月的FCC 12-36[8]結(jié)合農(nóng)村地區(qū)以及廣電服務(wù)覆蓋率較低的地區(qū)的實際情況，對設(shè)備高于平均地形高度限制（HAAT）、功率限制等進行微調(diào)，以擴大無線寬帶服務(wù)的覆蓋范圍。

表1 FCC對白頻譜設(shè)備的管理

隨著管理法案的出臺，美國白頻譜系統(tǒng)的實現(xiàn)也得到迅速推進。2011年12月FCC批準Spectrum Bridge公司的“電視白頻譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”開始運行，這也是美國第一套投入運行的白頻譜數(shù)據(jù)庫設(shè)備。2012年9月，F(xiàn)CC在東海岸部分地區(qū)開放了“未注冊無繩電話登記系統(tǒng)”[9]，旨在利用電視白頻譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，確保無繩電話這樣的低功率設(shè)備不被其他未授權(quán)白頻譜設(shè)備干擾。同年12月，電視白頻譜數(shù)據(jù)庫獲得了FCC的“工程與技術(shù)辦公室”的授權(quán)，被允許在東海岸的部分地區(qū)為未注冊的白頻譜設(shè)備提供服務(wù)，這一舉措極大地促進了白頻譜服務(wù)在全美范圍內(nèi)的普及[10]。2013年3月，F(xiàn)CC在全國范圍內(nèi)發(fā)放了上述授權(quán)[11]，這無疑將更快地推進美國白頻譜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.2 歐洲

歐洲郵政電信會議（European Conference of Postal and Telecommunications Administration，CEPT）近年來逐步完善了管理體系。2011年1月發(fā)布了ECC Report 159[4]，在這份名為“對認知無線電設(shè)備在470 MHz到790 MHz的白頻譜中可能的操作技術(shù)和操作性管理”的報告中，管理者首先定義了一系列白頻譜設(shè)備的部署情景，其后重點探討了“地理位置數(shù)據(jù)庫”和“頻譜感知”對不同類型已有服務(wù)的保護。當被保護的對象是廣播服務(wù)時，報告計算了室內(nèi)、戶外的白頻譜設(shè)備的檢測門限，發(fā)現(xiàn)設(shè)備類型（固定/可移動）和應(yīng)用場景（室內(nèi)/戶外）的不同，可以導(dǎo)致檢測門限在-91 dBm到-155 dBm之間變化（如表2所示），而-155 dBm的感知精度是現(xiàn)階段的技術(shù)難以達到的。因此報告的結(jié)論是白頻譜設(shè)備無法僅利用感知能力確保不干擾其他同頻道服務(wù)，地理位置數(shù)據(jù)庫是較可行的方案，并且在數(shù)據(jù)庫體系中的設(shè)備無須具備感知能力。

兩年后，CEPT在2013年1月的另一份報告ECC Re?port 185[12]對ECC Report 159作出了補充。其中的一大進展是ECC Report 185討論了為白頻譜設(shè)備設(shè)置固定功率上限的可能性，但尚未規(guī)定具體的上限數(shù)值。此外，報告研究了參與“協(xié)同感知”的設(shè)備數(shù)量對感知結(jié)果準確性的影響，得出的結(jié)論是協(xié)同感知能克服多徑衰減和對數(shù)正態(tài)衰減的影響，達到更好的感知效果。與之同月發(fā)布的ECC Report 186[13]專門為地理位置數(shù)據(jù)庫體系中的白頻譜設(shè)備提出技術(shù)要求，該報告按照是否可移動定義了A，B類設(shè)備，兩類設(shè)備均可扮演主設(shè)備或從設(shè)備的角色。主設(shè)備具備水平和垂直定位能力，它直接與數(shù)據(jù)庫通信，負責向從設(shè)備傳遞管理信息；從設(shè)備可以有定位能力，但不強制要求，它只能從它的主設(shè)備處得到運行所需的參數(shù)。主、從設(shè)備之間通信的內(nèi)容被分為三類：設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)和頻道用途參數(shù)。主設(shè)備和從設(shè)備必須向它們各自的上級設(shè)備發(fā)送自身的“設(shè)備參數(shù)”，才能得到包含可用頻道編號及功率限制等信息的“操作參數(shù)”，主設(shè)備和從設(shè)備根據(jù)“操作參數(shù)”的要求，把欲申請使用的頻道信息通過“頻道用途參數(shù)”向上級設(shè)備報告。報告也對數(shù)據(jù)庫的身份驗證和通信安全性做出了規(guī)定。

表2 檢測門限計算結(jié)果[4]

其后，2013年7月CEPT所管轄的標準制定組織之一歐洲電信標準化協(xié)會（European Telecommunications Stan?dards Institute，ETSI）頒布了標準草案 EN301 598 v1.0.0“白頻譜設(shè)備：運作在470～790 MHz電視廣播頻段的無線接入系統(tǒng)”[14]。2014年2月18日，最終版本的標準草案EN301 598v1.0.9[15]面世。

2.3 英國

英國的管理機構(gòu)（Office of Communication，Ofcom）在2007年9月的聲明[16]中首次提出，允許認知無線電設(shè)備無須注冊就可以使用廣電頻段內(nèi)（470～790 MHz）“間隔的頻譜”，只要它們不會對已注冊的應(yīng)用造成有害干擾。Ofcom做出此決定的重要原因是該頻段的無線電波具備優(yōu)良的傳播特性，可以應(yīng)用于金融網(wǎng)絡(luò)、城市WiFi覆蓋、工農(nóng)業(yè)控制及自動化、農(nóng)村地區(qū)寬帶部署等多種場合，并且部署設(shè)備的花費更低。但是Ofcom同時也表示并不會劃分出專用的頻譜提供給未注冊設(shè)備使用。2009年7月Ofcom公布的“Digital Dividend:cognitive access”[5]闡述了3種探測空閑頻譜的認知無線電方案。它認為由于隱藏節(jié)點問題，感知的方式存在干擾已有服務(wù)的可能性，并且這種可能性不易評估。至于信標接收，Ofcom認為它的性能遜于前兩者，又考慮到受訪者對信標接收方案并無太大反響，因此決定不對它展開更多的探討。最終得出的結(jié)論是，盡管地理位置數(shù)據(jù)庫難以完全滿足PMSE的需求，但仍然是現(xiàn)階段對廣電頻段已有服務(wù)造成干擾最小的方案。

2012年12月，為了在歐洲的白頻譜標準出臺之前為本國制造商提供一致性參考，Ofcom出臺了一份過渡性的本國自訂標準（草案）[17]，其對管理體系的定義和技術(shù)要求基本服從于同期的歐洲標準草案。從2013年8月開始，Ofcom開放了測試白頻譜設(shè)備的申請，任何想要參與測試的設(shè)備持有者都可以在申請被審核通過后進行設(shè)備的試驗。2014年2月，Ofcom公布了與試用期數(shù)據(jù)庫提供商的合約，已經(jīng)完成簽約的有Spectrum Bridge在內(nèi)的6家公司。

2.4 小結(jié)

美國與歐洲的管理者對認知無線電技術(shù)的選擇基本一致，都認為地理位置數(shù)據(jù)庫方案是在當前的科技水平下，能最大程度上保護廣電頻段已有服務(wù)不受白頻譜設(shè)備干擾的技術(shù)，因此也都暫時采納了這一方案。歐洲和英國的管理者對設(shè)備的管理層次劃分比美國少一層，再加上不同層次設(shè)備嚴格按等級通信，不存在跨層次通信，使得體系架構(gòu)更簡潔明朗。而FCC提出的管理體系雖然顯得復(fù)雜，但正是設(shè)備間多樣的通信模式提升了系統(tǒng)的可靠性。在功率限制方面，F(xiàn)CC對固定設(shè)備、兩類移動設(shè)備、純感知設(shè)備都明確規(guī)定了功率上限，對固定設(shè)備還限制了天線增益最大值。而CEPT雖然也規(guī)定設(shè)備功率不能超過上限，但沒有為上限賦值。

3 IEEE802.11af與IEEE802.22的對比

3.1 物理層

為了推動白頻譜WiFi的發(fā)展，F(xiàn)CC先后成立了IEEE802.22和802.11af工作小組。標準制定小組對IEEE802.11af的定位是“針對LAN和MAN的通信與信息交換技術(shù)”[18]，可推斷其目標應(yīng)用場合是中等距離的WLAN和WMAN覆蓋，比如樓宇內(nèi)及樓宇間的局域網(wǎng)、人口稠密的農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入等。而IEEE802.22標準旨在制定一個WRAN通信系統(tǒng)的相關(guān)標準，將該系統(tǒng)擴展部署在各類地理地域，包括人口稀少的鄉(xiāng)村地區(qū)，同時避免對工作在電視頻段的現(xiàn)任授權(quán)服務(wù)造成有害干擾[19]。從兩種標準各自的定位不難看出兩種標準對物理層的指標要求側(cè)重點不同，前者致力于延伸無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域，為此甘愿犧牲一定的速率性能；后者在保證較高速度的同時也會適當?shù)丶骖檪鞑ゾ嚯x。表3對比了兩者物理層的主要參數(shù)。

表3 IEEE802.11af與IEEE802.22物理層主要參數(shù)對比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，IEEE802.22的覆蓋范圍遠大于IEEE802.11af，因此受到傳播時延等因素的影響，IEEE802.22的數(shù)據(jù)率和頻譜效率都遠小于IEEE802.11af。IEEE802.22的覆蓋范圍在BS的輻射功率小于4 W的前提下，覆蓋范圍仍可達到33 km，相比于IEEE802.11af的5 km覆蓋范圍，更適用于農(nóng)村WiFi的建設(shè)以及各種大型地區(qū)的WiFi覆蓋。但是IEEE802.22的數(shù)據(jù)率最高只有22.69 Mbit/s（BW=6 MHz），在CPE多于23的情況下，每個CPE分到的數(shù)據(jù)率就不到1 Mbit/s，因此只適用于人口較少的鄉(xiāng)村地區(qū)在內(nèi)的各類地域。而IEEE802.11af的數(shù)據(jù)率最高達到568.9 Mbit/s（BW=8 MHz），在一個AP平均支持大概20個用戶的實際情況下，每個用戶分到的數(shù)據(jù)率為28.445 Mbit/s，適用于中等距離的各種WiFi覆蓋，如比如樓宇內(nèi)及樓宇間的局域網(wǎng)、人口稠密的農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入、大型體育場館的網(wǎng)絡(luò)接入等。

此外，IEEE802.22和IEEE802.11af均支持多信道綁定，可以將連續(xù)或者不連續(xù)的信道進行綁定，同時傳輸數(shù)據(jù)。IEEE802.22最多可綁定3個信道，IEEE802.11af最多可綁定4個信道。

3.2 MAC層

從IEEE802.22和IEEE802.11af的定位可以看出，這兩個標準都強調(diào)不能對現(xiàn)有的廣電頻段已注冊服務(wù)造成有害干擾，要求檢測地面廣播電視頻段的空白信道，并為次要用戶選擇最佳的空白信道。當主用戶出現(xiàn)時，主用戶和次要用戶不會對彼此造成干擾。所以對于標準設(shè)計來說，以下兩個問題尤為關(guān)鍵：用戶接入采用的認知無線電技術(shù)、信道管理。

3.2.1 認知無線電功能

1）IEEE802.22的頻譜感知

所謂頻譜感知，是指用戶通過各種信號檢測和處理手段來獲取無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息。獲得可用的頻譜信息后，用戶方可接入網(wǎng)絡(luò)。

為了檢測操作信道中是否有授權(quán)用戶，IEEE802.22網(wǎng)絡(luò)設(shè)置全網(wǎng)靜默期用于頻譜感知。在靜默期內(nèi)，所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸暫停，所有的BS和CPE進行帶內(nèi)感知操作[20]。帶內(nèi)感知分為幀內(nèi)感知和幀間感知兩個階段，分別使用盲感知方法和精細感知方法[21]。幀內(nèi)感知通常采用復(fù)雜度較低的感知方法（常用的有能量檢測、特征值檢測），可以在較短的時間內(nèi)感知是否存在授權(quán)用戶，精確度有限。在幀間感知階段，對在之前沒有感知到授權(quán)用戶的信道進行進一步檢測，感知是否存在授權(quán)用戶。授權(quán)用戶包括已注冊的廣電頻段和無線麥克風，后者相對于前者功率較?。s50 mW），帶寬較窄（小于200 kHz），感知困難，文獻[22]是專門針對于無線麥克風的感知算法。

在建立連接之前，BS需要在領(lǐng)域內(nèi)尋找授權(quán)數(shù)據(jù)庫服務(wù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息建立初始可用信道列表。若未找到可用授權(quán)數(shù)據(jù)庫服務(wù)，則默認所有信道均為可用信道。之后BS在可用信道列表中刪除運營商禁止使用的信道，在剩下的信道上進行頻譜感知，并建立與其他BS的同步。然后將更新后的可用信道交給上層，確定工作信道后在選定的信道上開始工作，并開始發(fā)送SCH（超幀控制頭，承載了IEEE802.22小區(qū)的信息）信號。

同時，BS控制其覆蓋范圍內(nèi)眾多的CPE進行頻譜感知，其頻譜管理模塊（SM）收集各個CPE傳來的頻譜感知信息、地理位置信息等內(nèi)容，結(jié)合本地建立的頻譜數(shù)據(jù)庫來選擇信道、確定該CPE的最大EIRP等。然后BS根據(jù)CPE的位置信息，讓新設(shè)備接入合適的頻譜數(shù)據(jù)庫，頻譜數(shù)據(jù)庫包括電視頻道占用信息、低功率授權(quán)用戶信息、相鄰小區(qū)的工作信息等。

CPE必須有GPS定位能力，在進行初始化時首先要掃描所有的廣播電視信道，接收BS發(fā)送的SCH信號，并與BS建立同步。之后CPE在SCH所在信道進行頻譜感知，檢測該信道和兩側(cè)的相鄰信道是否有授權(quán)用戶的存在，若沒有，進行初始測距，并通過該信道向BS申請信道。若CPE通過BS認證，則通過注冊后BS向CPE發(fā)送信道設(shè)置（包括備用信道和候選信道）和操作參數(shù)（EIRP等），兩者建立IP連接。若CPE沒有通過BS認證，則CPE繼續(xù)掃描廣電信道，尋找SCH信號。

2）IEEE802.11af的地理位置數(shù)據(jù)庫

IEEE802.11af系統(tǒng)中的地理位置信息數(shù)據(jù)庫（GDB）記錄著占用白頻譜頻段的無線電服務(wù)的數(shù)據(jù)庫，它按照服務(wù)的地理位置來組織、存儲信息。該數(shù)據(jù)庫必須受到有關(guān)管理機構(gòu)的授權(quán)以及相應(yīng)規(guī)章制度的約束，才被允許為其他設(shè)備提供“白頻譜圖（WSM）”。注冊位置安全服務(wù)器（Registered Location Secure Server，RLSS）對應(yīng)于FCC法案中定義的“固定設(shè)備”，IEEE802.11af對它的定義是“能夠獲取并管理GDB中信息的實體，它還能夠存儲基本服務(wù)集（BSSs）的位置及操作參數(shù)等信息”[18]，相當于GDB與enabling STA的中介。依賴于GDB的授權(quán)工作站（簡稱enabling STA）在傳送數(shù)據(jù)前，會聯(lián)系GDB或者RLSS以獲取可用它所在位置的WSM，之后該工作只在允許的頻率范圍內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。其后每當依賴于GDB的非獨立工作站（簡稱dependent STA）發(fā)出可用信道詢問后，它會根據(jù)從GDB得到的頻譜信息生成與申請站地理位置相適應(yīng)的不同WSMs。

dependent STA的活動要嚴格遵循enabling STA的控制。這種工作站的狀態(tài)機控制著它在3種狀態(tài)間切換——未使能、正在申請使能、已使能。其中，當處于未使能狀態(tài)時，原則上不允許發(fā)送任何幀，只能被動掃描，等待enabling STA的準許使能信號，

dependent STA在啟動后立即進入“未使能”狀態(tài)，開始被動掃描enabling STA的信號。如果接收范圍內(nèi)的某個enabling STA有可分配的頻道資源，那么它向周邊發(fā)送GDD enabling signal。收到這一信號的dependent STA立即執(zhí)行以下步驟：

（1）進入“正在申請使能”狀態(tài)；

（2）與相應(yīng)的enabling STA完成鑒權(quán)和關(guān)聯(lián)后，de?pendent STA向它發(fā)送“請求使能幀”。前者接收到“請求使能幀”后，以“使能響應(yīng)幀”應(yīng)答后者。

（3）當GDD dependent STA收到的“使能響應(yīng)幀”且對方同意使能請求，它就進入“已使能”狀態(tài)，只有在“已使能”狀態(tài)下才能進行“申請白頻譜圖”、“申請使用空閑信道”等操作[18]。

IEEE802.22系統(tǒng)獲取無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息包括GPS定位、本地數(shù)據(jù)庫和頻譜感知3個步驟，其中CPE和BS均負責定位和頻譜感知部分，BS根據(jù)收集來的數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫的信息得出最終的頻譜使用信息，這種方式復(fù)雜相對度較高，頻譜檢測的正確率也比較高；IEEE802.11af則是由enabling STA從GDB獲取白頻譜圖，dependent STA只能被動掃描，不參與頻譜感知部分。此外IEEE802.11af僅依賴數(shù)據(jù)庫資源來確定頻譜使用信息，缺少對無線傳聲器信號和PMSE等主用戶的檢測，因此在實際應(yīng)用中其信號可能與主用戶相互干擾。

3.2.2 信道管理

信道管理旨在保護主權(quán)用戶，動態(tài)分配信道資源。下面分別討論IEEE802.22和IEEE802.11af的信道管理方式。

1）IEEE802.22的信道管理

IEEE802.22協(xié)議中定義了多種信道用于信道管理[19]。

Disallowed：當?shù)乇O(jiān)管部門禁用的信道。

Operating：在WRAN小區(qū)內(nèi)正在被用戶使用的信道。

Backup：備用信道，當用戶檢測到操作信道有授權(quán)用戶時快速切換到此信道。

Candidate：Backup的候選信道。BS可能指示CPE感知該信道是否空閑，若空閑，將其轉(zhuǎn)到Backup信道狀態(tài)。

Protected：被用頻譜感知檢測過的信道，若該信道被空出則可能會轉(zhuǎn)為Candidate信道狀態(tài)。

Unclassified：尚未被感知的信道。

在每個靜默期后，這些信道的狀態(tài)會根據(jù)基站或者終端用戶的操作發(fā)生改變，這要求基站和用戶終端及時更新各信道的狀態(tài)。這樣信道情況發(fā)生變化后，就可以及時地確定信道的狀態(tài)，便于為CPE重新更換信道，避免干擾。

協(xié)議中還定義了信道中止請求/響應(yīng)（CHT-REQ/RSP）、信道增加請求/響應(yīng)（CHA-REQ/RSP）、信道切換請求/響應(yīng)（CHS-REQ/RSP）等信道管理消息。

2）IEEE802.11af的信道管理

圖2為IEEE802.11 af實體間通信示意圖。IEEE802.11af的信道管理分為以下幾個部分：

（1）聯(lián)系確認信號CVS（Contact Verification Signal）：

GDD enabling STA會向它曾經(jīng)傳送過WSM的GDD dependent STA發(fā)送CVS幀，一來告知GDD dependent STA處在GDD enabling STA的覆蓋范圍之內(nèi)，二來是確認前者持有的WSM是否有效。如果CVS中的MAP ID與GDD dependent STA的相同，說明GDD dependent STA維護的WSM有效；反之說明已失效，這時GDD dependent STA向GDD enabling STA發(fā)送CAQ（見圖2）請求，并有可能收到一張新的可用WSM，如果收不到，那么它必須進入“未使能”狀態(tài)[18]。

（2）信道可用性查詢 CAQ（Channel Availability Que?ry）：

CAQ過程是一種dependent STA和enabling STA作為請求站，向RLSS或其他enabling STA獲取可用信道信息的通信過程。dependent STA在三種情況下發(fā)送CAQ請求幀：①當它需要從GDD enabling STA處獲取可用信道信息時；②在“已使能”狀態(tài)下利用CAQ請求保持在“已使能”狀態(tài)，一旦收到了GDD enabling STA對CAQ幀的肯定回復(fù)，GDD dependent STA就重置使能狀態(tài)計時器；③當它得知頻譜使用情況發(fā)生變化，就發(fā)送CAQ幀以獲取新的頻道信息。而GDD enabling STA會在自身位置超出規(guī)定的范圍或計時器超過有效時間的情況下，執(zhí)行CAQ過程以更新信息[18]。

一些情況下，負責應(yīng)答的RLSS或enabling STA可以把請求站enabling STA發(fā)來的CAQ轉(zhuǎn)發(fā)給GDB，從GDB獲取應(yīng)答信息后再把它轉(zhuǎn)發(fā)給請求站。

（3）信道管理計劃 CSM（Channel schedule manage?ment）：

這是一種僅限于enabling STA與RLSS之間的通信手段。enabling STA可以自行發(fā)起CSM過程，向RLSS查詢可用的WLAN或者TV頻道的使用計劃；也可以在接到其他enabling STA發(fā)給自己的CSM請求后，轉(zhuǎn)發(fā)給RLSS。應(yīng)特別注意CSM不同于CAQ，前者是對信道使用計劃的查詢，并且dependent STA沒有參與CSM過程的權(quán)限[18]。

（4）網(wǎng)絡(luò)信道控制 NCC（Network Channel Control）：

當dependent STA獲取WSM之后，它可以根據(jù)其中的信息判斷可以在哪些信道進行操作。因此當這種de?pendent STA需要使用信道時，它向管轄自己的enabling STA發(fā)送NCC請求，其中包含著身份聲明、請求使用的頻段、頻譜掩模等信息。此外，當正在操作過程中的depen?dent STA檢測到WSM發(fā)生變化時，也會傳送NCC請求。應(yīng)答站方面，enabling STA如果判斷出有合適的信道，就這些信道的編號和最大功率限制傳送給dependent STA。這些信道編號可能與請求幀中的完全相同，否則就是被申請信道的真子集。如果dependent STA收到GDD enabling STA發(fā)送的停止操作指令，立即停止任何傳輸，進入“未使能”狀態(tài)[18]。

另外，enabling STA可以把請求轉(zhuǎn)發(fā)給RLSS，由它做出判斷后應(yīng)答前者，再由前者轉(zhuǎn)發(fā)給請求站。

比較：這兩種標準會對白頻譜圖或者信道集進行周期或者非周期地更新。IEEE802.22系統(tǒng)中的CPE在信道管理方面是完全被動的。它只是不斷地將頻譜感知信息和自身的位置信息傳送給BS，信道管理和切換都是由BS中的SM模塊來實現(xiàn)的，如果發(fā)現(xiàn)信道沖突，由BS負責中止或者切換信道，并將相關(guān)信息發(fā)送給CPE，CPE負責執(zhí)行。而在IEEE802.11af中，GDD dependent STA在“已使能”狀態(tài)下可以利用CAQ請求保持在“已使能”狀態(tài)，一旦收到了GDD enabling STA對CAQ幀的肯定回復(fù)，就重置使能狀態(tài)計時器。當它得知頻譜使用情況發(fā)生變化，既可以發(fā)送CAQ幀以獲取新的頻道信息，也可以傳送NCC請求，比IEEE802.22系統(tǒng)中的CPE的自主性要大很多。

4 結(jié)語

白頻譜出色的傳播特性以及廣電頻段釋放后帶來的額外頻譜資源，使得無論是管理者還是設(shè)備生產(chǎn)商都對它格外關(guān)注。針對白頻譜的使用，近年來歐美的管理機構(gòu)已經(jīng)發(fā)布了多份具有指導(dǎo)意義的研究報告，美國和歐洲相繼出臺了面向不同應(yīng)用場合的標準，其中最具代表性的是IEEE802.11af與IEEE802.22。前者側(cè)重于中遠距離的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括鄉(xiāng)村寬帶、校園無線網(wǎng)絡(luò)接入等；后者則著力于提升遠距離覆蓋能力。它們都為無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展開辟了新的疆域。筆者相信陸續(xù)出臺的標準和逐漸完善的法規(guī)，必將促進白頻譜設(shè)備的研究和生產(chǎn)，也會對頻譜資源優(yōu)化配置起到推動作用。更重要的是，廣電白頻譜的開發(fā)利用，將為其他頻段的頻譜資源動態(tài)分配，以及免注冊設(shè)備的研制提供范例。

:

[1]CEPT.Technical considerations regarding harmonisation options for the digital dividend[R].Europe:CEPT，2008.

[2]Cisco Inc.Cisco visual etworking ndex:gbal mobile data traffic fore?cast update，2013-2018[BE/OL].[2014-02-05].http://www.cislo.lom/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networkdexing-in-rni/VNI-Forecast QA.html/index.html.

[3]Cisco Inc.Cisco visual networking index forecast and methodology，2012-2017[EB/OL].[2013-08-20].http://werku.it168.com/d 0012198 03.shtml.

[4]CEPT SE43 Working Groap.Technical and operational requirements for the possible operation of cognitive radio systems in the‘White Spaces’of the frequency band 470-790 MHz[R].Cardiff:ECC，2011.

[5]Ofcom.Digital dividend:cognitive access statement on licence-ex?empting cognitive devices using interleaved spectrum[R].Britain:Of?com，2009.

[6]FCC.Second report and order and memorandum opinion and order[R].USA:FCC，2008.

[7]FCC.Second memorandum opinion and order[R].USA:FCC，2010.

[8]FCC.Third memorandum opinion and order[R].USA:FCC，2012.

[9]FCC.Office of engineering and technology and wireless telecommuni?cations bureau announce the initial launch of unlicensed wireless mi?crophone registration system[R].USA:FCC，2012.

[10]FCC.Office of engineering and technology authorizes TV white space database administrators to provide service to unlicensed de?vices operating on unused TV spectrum in the east coast region[R].USA:FCC，2012.

[11]FCC.Office of engineering and technology authorizes TV white space database administrators to provide service to unlicensed de?vices operating on unused TV spectrum nationwide[R].USA:FCC，2013.

[12]CEPT SE43 Working Group.Further definition of technical and op?erational requirements for the operation of white space devices in the band 470-790 MHz[R].Paris:ECC，2012.

[13]CEPT SE43 Working Group ECC.Technical and operational require?ments for the operation of white space devices under geo-location approach[R].Paris:ECC，2012.

[14]ETSI draft EN 301 598 v1.0.0，Wireless access systems operating in the 470MHz to 790MHz frequency band[S].2013.

[15]ETSI final draft EN 301 598 v1.0.9，sireless access systems operat?ing in the 470MHz to 790MHz TV broadcast band[S].2014.

[16]Ofcom.Digital dividend review，a statement on our approach to awarding the digital dividend[R].Britain:Ofcom，2007.

[17]Ofcom.Regulatory requirements for white space devices in the UHF TV band[R].Britain:Ofcom，2012.

[18]IEEE 802.11af，IEEE draft standard for iInformation technologytelecommunications and information exchange between systemslocal and metropolitan area networks-specific requirements-part 11:wireless LAN medium access control（MAC）and physical lay?er（PHY） specifications amendment 5:television white spaces（TVWS）operation[S].2013.

[19]IEEE 802.22，Standard for information technology–telecommunica?tions and information exchange between systems wireless regional area networks（WRAN）-specif i c requirements part 22:cognitive wireless RANMedium access control（MAC）and physical layer（PHY）specif i cations:policies and procedures for operation in the TV Bands[S].2011.

[20]KIM H，SHIN K G.In-band spectrum sensing in IEEE 802.22 WRANs for incumbent protection[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2010，9（12）:1766-1779.

[21]AXELL E，LEUS G.Overview of spectrum sensing for cognitive radio[C]//Proc.IEEE 2nd International Workshop on Cognitive In?formation Processing（CIP）.Elba：IEEE Press，2010:322-327.

[22]CHEN Y，ZHANG L.The research of spectrum compressive sens?ing using wireless microphone signals[C]//Proc.Wireless and Opti?cal Communication Conference（WOCC）.Chongqing：IEEE Press，2013:56-60.