IEEE802.22

詞語(yǔ)解釋

IEEE802.22是一種無(wú)線電波技術(shù)，它是由美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定的，專門用于寬帶無(wú)線通信的一種標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.22是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的一種改進(jìn)，主要用于提供無(wú)線寬帶服務(wù)，它采用基于調(diào)制解調(diào)器（COFDM）的無(wú)線技術(shù)，可以在比傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)更大的范圍內(nèi)提供更高的傳輸速率。 IEEE802.22的應(yīng)用主要集中在無(wú)線寬帶上，它可以提供比傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)更大的覆蓋范圍，最大可達(dá)100公里。它可以支持多種應(yīng)用，包括寬帶互聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻服務(wù)。它可以支持多種類型的寬帶技術(shù)，包括無(wú)線寬帶（WiMAX）、普通寬帶（DSL）和光纖寬帶（FTTH）。此外，IEEE802.22還可以支持多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括802.11a/b/g/n/ac，以及藍(lán)牙和ZigBee等。 IEEE802.22的主要優(yōu)點(diǎn)在于它可以支持多種應(yīng)用，并且可以提供比傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)更大的覆蓋范圍。它可以支持多種類型的寬帶技術(shù)，并且可以支持多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，IEEE802.22還可以提供更高的傳輸速率，可以達(dá)到100公里以上。 IEEE802.22的應(yīng)用范圍非常廣泛，它可以用于提供寬帶服務(wù)，也可以用于提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻服務(wù)。它可以用于支持家庭網(wǎng)絡(luò)，也可以用于支持企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，甚至可以用于支持政府部門的網(wǎng)絡(luò)。此外，IEEE802.22還可以用于支持移動(dòng)寬帶服務(wù)，可以提供更高的傳輸速率和更大的覆蓋范圍。總之，IEEE802.22是一種無(wú)線電波技術(shù)，主要用于提供無(wú)線寬帶服務(wù)，它可以支持多種應(yīng)用，并且可以提供比傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)更大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，可以用于支持家庭網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、政府部門網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)寬帶服務(wù)。

2003年12月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）在其規(guī)則第15章公布了修正案。法律規(guī)定“只要具備認(rèn)知無(wú)線電功能，即使是其用途未獲許可的無(wú)線終端，也能使用需要無(wú)線許可的現(xiàn)有無(wú)線頻帶”，為新的無(wú)線資源管理技術(shù)奠定了法律基礎(chǔ)。2004年11月第一個(gè)基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.22工作組成立，目的在于解決運(yùn)營(yíng)在廣播電視頻段的感知無(wú)線廣域接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。下面涉及到的內(nèi)容主要針對(duì)IEEE 802.22/D0.1草案。

1、IEEE 802.22概述

IEEE 802.22固定無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN）工作于54MHz～862MHz VHF/UHF（擴(kuò)展頻率范圍47MHz～910MHz）頻段中的TV信道，它可自動(dòng)檢測(cè)空閑的頻段資源并加以使用，因此可與電視、無(wú)線麥克風(fēng)等已有設(shè)備共存。利用WRAN設(shè)備的這種特征可向低人口密度地區(qū)提供類似于城區(qū)所得到的寬帶服務(wù)。

1.1　授權(quán)用戶

在IEEE 802.22工作頻段內(nèi)，有兩類授權(quán)用戶：一類是電視服務(wù)，另一類是無(wú)線麥克風(fēng)。與感知電視信號(hào)傳輸相比，感知無(wú)線麥克風(fēng)要困難許多。通常無(wú)線麥克風(fēng)傳輸功率在50mW左右，覆蓋區(qū)域在100m左右，占用帶寬小于200KHz。由于無(wú)線麥克風(fēng)可能突然地出現(xiàn)和消失，給感知技術(shù)帶來(lái)的巨大的挑戰(zhàn)。

1.2　拓?fù)?BR>
IEEE 802.22系統(tǒng)是固定的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP）無(wú)線空中接口，即基站（BS）管理著整個(gè)小區(qū)和相關(guān)的所有用戶終端（CPE）。BS控制小區(qū)內(nèi)媒體接入和下行（DS）傳輸給相應(yīng)的CPE。而CPE通過(guò)接入請(qǐng)求，在BS允許的上行（US）傳輸，即任何CPE必須在收到BS的授權(quán)后才能傳輸。由于BS必須兼顧對(duì)授權(quán)用戶的保護(hù)，合理的分配感知任務(wù)、合理的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻率選擇，都是802.22系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.3　覆蓋區(qū)域

IEEE 802.22系統(tǒng)和其它的IEEE 802的標(biāo)準(zhǔn)相比，是針對(duì)無(wú)線區(qū)域網(wǎng)的。BS的覆蓋范圍半徑最大可達(dá)100km，在目前4W的有效全向輻射功率（EIRP）條件下，覆蓋面積的半徑也達(dá)到33km。這樣802.22系統(tǒng)的覆蓋面積就是當(dāng)今最大的一個(gè)系統(tǒng)。雖然得益于800MHz以下電視頻帶的良好傳播特性，但增加的覆蓋范圍給技術(shù)提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2、IEEE 802.22關(guān)鍵技術(shù)

IEEE 802.22技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在無(wú)線區(qū)域內(nèi)的具體應(yīng)用。它的特點(diǎn)是在VHF/UHF頻段內(nèi)，不干擾授權(quán)用戶的情況下，靈活、自適應(yīng)的頻譜的合理配置。具體通過(guò)以下關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.1　頻譜感知技術(shù)

在IEEE 802.22系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)授權(quán)用戶保護(hù)，提出工作信道內(nèi)和工作信道內(nèi)感知機(jī)制。工作信道內(nèi)感知，BS分配靜默期。在靜默期內(nèi)，BS和CPE都不發(fā)送數(shù)據(jù)，感知小區(qū)內(nèi)授權(quán)用戶信號(hào)。工作信道內(nèi)采用兩段式感知（TSS）機(jī)制，在快速感知階段，通常采用單一的感知方法（如能量檢測(cè)、導(dǎo)頻信號(hào)能量檢測(cè)），迅速感知是否存在授權(quán)用戶。這個(gè)過(guò)程通常在微秒級(jí)，參考IEEE 802.11b中20µs、IEEE 802.11a中9µs。在精細(xì)感知階段，獲知已捕獲的授權(quán)用戶的詳細(xì)信息。這個(gè)過(guò)程通常在毫秒級(jí)，如檢測(cè)ATSC信號(hào)的同步字段需要24ms。工作信道外感知，CPE利用獨(dú)立的感知天線，可以同時(shí)感知工作信道外。

常用的信號(hào)檢測(cè)方法有能量檢測(cè)法、相關(guān)檢測(cè)法、周期圖法、特征值分解檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法等。能量檢測(cè)法由于收到檢測(cè)門限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知階段。相關(guān)檢測(cè)法是利用事先插入的導(dǎo)頻或同步序列，與已知的本地序列相關(guān)，這個(gè)方法本質(zhì)上還是能量檢測(cè)。周期圖法、特征值分解檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法屬于特征檢測(cè)。周期圖法是利用傅里葉變換來(lái)獲得信號(hào)的功率譜密度，實(shí)現(xiàn)算法可以利用快速傅里葉變換，便于實(shí)現(xiàn)。特征值分解檢測(cè)法利用信號(hào)和噪聲的不相關(guān)，把接收信號(hào)分解為信號(hào)和噪聲的估計(jì)量。循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法利用調(diào)制信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的周期性，進(jìn)行感知。特征值分解檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法兩種算法計(jì)算較復(fù)雜。

對(duì)應(yīng)于802.22系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)提出了兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)感知技術(shù)進(jìn)行規(guī)范。IEEE802.22系統(tǒng)中規(guī)定信道檢測(cè)時(shí)間（CDT）和授權(quán)用戶感知門限（IDT）。對(duì)應(yīng)VHF/UHF頻段內(nèi)的兩類授權(quán)用戶，信道檢測(cè)時(shí)間定義為≤2s。對(duì)于200KHz無(wú)線麥克風(fēng)，授權(quán)用戶感知門限為-107dBm；而對(duì)應(yīng)6MHz的電視服務(wù)，授權(quán)用戶感知門限為-116dBm。

信道檢測(cè)時(shí)間是指在WRAN系統(tǒng)正常工作時(shí)，用來(lái)檢測(cè)在當(dāng)前TV信道內(nèi)是否有感知門限之上的所花費(fèi)最大時(shí)間，在檢測(cè)概率大于90%的情況下，這個(gè)時(shí)間約為500ms～2s。當(dāng)聯(lián)合多個(gè)CPE共同感知時(shí)，可以縮短感知時(shí)間，也可以保證較高的感知正確率。聯(lián)合感知技術(shù)是工程上實(shí)現(xiàn)感知技術(shù)參數(shù)的配置算法，合理的配置了小區(qū)內(nèi)的CPE資源。

2.2　共存

共存在目前IEEE 802.22草案中包括與授權(quán)用戶共存和其它802.22系統(tǒng)的共存。由于目前的IEEE 802.22草案中并沒(méi)涉及與其它的認(rèn)知系統(tǒng)如何共存的解決方案，只預(yù)留了system type參數(shù)為IEEE 802.16和IEEE 802.11等認(rèn)知系統(tǒng)共存。下面只討論與授權(quán)用戶和與其它802.22系統(tǒng)的共存。

2.2.1　與授權(quán)用戶共存

與授權(quán)用戶的共存包括授權(quán)用戶的感知、授權(quán)用戶通告、授權(quán)檢測(cè)恢復(fù)一系列機(jī)制。授權(quán)用戶感知最大時(shí)間由CDT給出，而最大通告時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別由CCTT和CMT限定。

授權(quán)用戶感知機(jī)制是工作信道內(nèi)兩段式感知機(jī)制，在每個(gè)CDT內(nèi)周期性地分配多個(gè)快速感知時(shí)間，而精細(xì)感知時(shí)間是在每個(gè)CDT內(nèi)動(dòng)態(tài)分配。這種機(jī)制的主要優(yōu)點(diǎn)是允許認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的QoS要求，只在必要時(shí)候行精細(xì)感知。由于電視授權(quán)用戶不是經(jīng)常的出現(xiàn)或消失，通常情況下只需要行快速感知，這樣可以保證QoS不受影響。

授權(quán)用戶通告機(jī)制是解決感知授權(quán)用戶以后及時(shí)通知BS的場(chǎng)景。目前IEEE 802.22草案中，有靜默期階段和普通工作階段。當(dāng)BS沒(méi)有分配帶寬時(shí)，CPE采用競(jìng)爭(zhēng)方式或CDMA方式接入。即CPE在由BS分配的UCS（Urgent Coexistence Situation）窗中，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)或碼分多址（CDMA）碼接入。也可以輪詢的方式獲得CPE的感知報(bào)告。

授權(quán)用戶檢測(cè)恢復(fù)機(jī)制是，小區(qū)范圍內(nèi)的授權(quán)用戶由BS確認(rèn)后，BS進(jìn)入恢復(fù)運(yùn)行的模式。在這個(gè)模式內(nèi)，BS運(yùn)行IDRP（Incumbent Detection Recovery Protocol）。IDRP協(xié)議保證了保護(hù)授權(quán)用戶的同時(shí)，盡快恢復(fù)系統(tǒng)正常工作模式，盡可能地減小系統(tǒng)性能惡化。IDRP利用了備用信道，在備用信道上迅速建立通信。由于恢復(fù)時(shí)間由CCTT或CMT限定，保證了系統(tǒng)平滑的恢復(fù)過(guò)程。

2.2.2　與其它IEEE 802.22系統(tǒng)共存

目前IEEE 802.22草案中支持兩種WRAN系統(tǒng)間通信方式，一種是CBP（Coexistence Beacon Protocol），另一種是inter-BS通信。CBP方式支持主動(dòng)和被動(dòng)式，而后者只是被動(dòng)的監(jiān)聽(tīng)鄰居小區(qū)基站發(fā)送的超幀控制頭（SCH）或CBP包。
CBP信標(biāo)可以通過(guò)空口消息傳輸，也可以通過(guò)有線傳輸。CBP支持BS在自己分配的自共存（Self-Coexistence）窗內(nèi)，接收或發(fā)送CBP信標(biāo)。CPE在自共存窗內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)接入，發(fā)送自己的CBP包，也可以監(jiān)聽(tīng)來(lái)自BS的SCH信標(biāo)。也就是說(shuō)在BS分配的共存窗內(nèi)，BS和CPE可以工作在主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。CPE只在BS分配接收和發(fā)送任務(wù)時(shí)，服務(wù)于當(dāng)前小區(qū)。在CPE的被動(dòng)模式下，CPE可以接收來(lái)自相鄰小區(qū)的SCH信標(biāo)。

CBP包含大量有用的信息，這些信息不僅可以用于共存，還可以用于小區(qū)建立和保持同步。一旦CPE收集到相鄰合作小區(qū)的CBP，CPE可以總結(jié)信息發(fā)給BS，由BS制定“無(wú)干擾”的共存機(jī)制。CBP包可以用于帶寬請(qǐng)求，BS可以根據(jù)CPE的帶寬請(qǐng)求和CBP包提供的信息，避免對(duì)其它合作的CPE的干擾。CBP包攜帶時(shí)間戳信息，用于相鄰小區(qū)獲得正確的時(shí)間偏移量，達(dá)到系統(tǒng)同步。

而inter-BS通信允許BS和CPE感知和接收相鄰小區(qū)的SCH和CBP包。這種方式只是被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)，得到的信息有限。

系統(tǒng)共存還包括頻譜資源共享技術(shù)。目前在草案中提供了按需頻譜競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制（ODSC）、動(dòng)態(tài)租賃機(jī)制、頻譜禮儀機(jī)制和基于租賃的信用幣（credit token）機(jī)制，其中頻譜禮儀機(jī)制是基于準(zhǔn)則的租賃機(jī)制。除了ODSC機(jī)制是基于競(jìng)爭(zhēng)的，其它機(jī)制都是基于租賃機(jī)制的。這里存在一個(gè)調(diào)度算法復(fù)雜度和頻譜利用率的折中�；诟�(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的頻譜共享機(jī)制調(diào)度復(fù)雜度低，但基于租賃機(jī)制的頻譜共享機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)較高的頻譜利用率。

2.3　正交頻分多址（OFDMA）

IEEE 802.22不是第一個(gè)采用OFDMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。但由于OFDMA技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)子載波分配，將物理上不連續(xù)的頻率資源整合，為認(rèn)知無(wú)線電高效利用頻譜空洞提供了可能。IEEE 802.22草案上行和下行均采用OFDMA調(diào)制�？紤]到傳播時(shí)延在25µs～50µs的數(shù)量級(jí)內(nèi)，循環(huán)前綴大概需要40µs才能滿足OFDMA同步要求。為減小循環(huán)前綴對(duì)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)采用每個(gè)TV信道內(nèi)2K FFT的OFDMA。

子載波分配技術(shù)和功率控制技術(shù)結(jié)合可以提高系統(tǒng)的吞吐量。在經(jīng)典的“注水”算法的基礎(chǔ)上，有一系列的衍生算法。根據(jù)空閑信道的分布，在已知信道占用情況、衰落等參數(shù)情況下，動(dòng)態(tài)分配所使用的子載波位置和個(gè)數(shù)。

OFDMA調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)結(jié)合的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，可根據(jù)信道的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整帶寬，調(diào)制編碼方式等。OFDMA技術(shù)可以分配合適的子載波滿足不同CPE的不同服務(wù)質(zhì)量需求。與系統(tǒng)提供的QPSK、16-QAM、64-QAM等調(diào)制技術(shù)以及1/2、3/4、2/3卷積碼結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)從每個(gè)子載波幾Kbps到整個(gè)TV信道19Mbps的速率，為CPE提供靈活的服務(wù)。

2.4　信道管理

IEEE 802.22系統(tǒng)把信道分為工作信道集合、候選信道集合、占用信道集合、不允許使用的信道集合和空信道集合。對(duì)于多信道支持的情況，工作信道又分為工作信道1和工作信道2。對(duì)于每個(gè)CPE自身工作信道為工作信道1，其它的當(dāng)前BS的工作信道為工作信道2。占用信道集合是被授權(quán)用戶占用的信道。根據(jù)感知結(jié)果，實(shí)現(xiàn)各信道的切換。

由于認(rèn)知系統(tǒng)工作在授權(quán)用戶頻段，一旦工作信道內(nèi)出現(xiàn)授權(quán)用戶，系統(tǒng)迅速退出授權(quán)用戶信道，實(shí)現(xiàn)對(duì)授權(quán)用戶的保護(hù)。這時(shí)工作信道轉(zhuǎn)化為占用信道。同理，如果授權(quán)用戶釋放了占用的信道，則這個(gè)信道可以轉(zhuǎn)化為候選信道集合作為認(rèn)知系統(tǒng)的候選信道，或者轉(zhuǎn)化為其它信道集合類型。信道管理為更好地保護(hù)授權(quán)用戶，為用戶提供更靈活的服務(wù)和QoS保證提供了可能。

2.5　多信道綁定

IEEE 802.22系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)就是支持多信道綁定，即支持動(dòng)態(tài)地利用多個(gè)空閑的TV信道。相應(yīng)地為了保持子載波之間距離不變，對(duì)應(yīng)兩個(gè)綁定的TV信道，采用4K的OFDMA；對(duì)應(yīng)于三個(gè)綁定的TV信道，采用6K的OFDMA。

多信道綁定技術(shù)可以使用頻譜上連續(xù)的或非連續(xù)的多個(gè)TV信道（系統(tǒng)現(xiàn)在限定最多支持三個(gè)TV信道）。多信道綁定提供了更高的容量，更大的頻譜范圍和更好的抗干擾特性。多信道中利用CPE的工作信道1和工作信道2實(shí)現(xiàn)分布式感知，也為得到全面、高效的授權(quán)用戶感知報(bào)告提供了可能。

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IEEE802.22

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