广播电视与移动通信系统频谱共享应用问题

何萍

（中国国际广播电台，北京 100040）

频谱共享技术是当前国内外无线领域的研究热点，其核心思想是改变传统的频率静态分配的使用方式，允许多个无线系统在不相互干扰的情况下，动态共用相同的频率资源，从而提高频谱利用效率。在我国正在经历的广播电视模数转化过渡期间,利用广播电视的UHF频段实现移动通信系统与广播电视系统的频谱共享应用是近年国内研究提出的一种新思路。本文对这种频谱共享应用的方案的应用场景进行了分析，通过蒙特卡洛仿真分析方法研究了两系统同区域共享应用的无干扰保护要求，并对在频谱共享技术真正走向实际应用前的若干问题进行了评估和探讨，希望能够起到抛砖引玉的作用，推动频谱共享技术在我国各业务领域的更多研究和思考。

1 我国的广播电视规划和数字化进程

1.1 我国广播电视规划及使用情况

我国广播电视的频率规划于20世纪80年代发布，现已实施了近30年。根据《彩色电视广播覆盖网技术规定》，按照中央、省、市和县4级办电视的方针，全国组成了4级混合覆盖网。考虑电视频道使用的制约条件，一般每个规划的发射台安排有1个米波、3个分米波的频道，每个频道带宽为8 MHz，每个地方的电视观众可以同时接收4套左右的电视节目，部分地级以上大城市根据具体情况增加了节目设置，具体频道规划如图1所示。其中，UHF频段 470～798 MHz频段共规划了36个8 MHz带宽电视频道，DS49(798～806 MHz)虽规划了频道号，但作为国家备份频率没有使用。

广播电视节目传输覆盖主要使用无线、有线、卫星等技术手段实现综合覆盖，其中，无线电视是提供本地节目覆盖的重要手段。根据相关统计材料，截至2013年初，全国无线电视综合人口覆盖率已超过了95%，有线电视入户率约50%，可以看出，相比有线电视，我国无线电视依然是主要的覆盖手段。无线电视采用点对面广播方式进行多频或单频组网。模拟电视均采用传统的多频组网（MFN）方式，由使用多个RF频道的发射台组网错频复用广播。数字电视则可以采用同步技术，使不同地点的多部发射机同时工作在同一频段，构成单频网（SFN）。虽然单频网提高了频率效率，但在存在模拟电视频段占用情况下，大范围单频组网存在一定困难。因此，现阶段我国不同规划区域可以指定SFN、MFN或者SFN和MFN的混合组网。

图1 我国无线电视频道规划使用情况

1.2 地面数字电视发展进程

在模拟电视时代，一个频道只能传输一套节目，传输节目套数较少，随着人们对电视服务的更高期待，模拟电视已无法满足人民群众的需求。与模拟电视相比，数字电视则具有清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强的特点，并且频谱承载能力将成倍增加，数字电视技术因此成为必然的发展方向。

当前，我国正处于模拟向数字电视转换的过渡时期。2012年底，广电总局发布了《地面数字电视广播覆盖网发展规划》，提出了在满足基本公共服务覆盖的同时，要为城乡广大人民群众提供更多的高质量电视节目的发展目标，以及逐步关闭模拟电视的推进步骤。按照总体部署，全国地面数字电视系统建设与覆盖工作分两个阶段进行：第一阶段到2010年底全国所有地市以上城市地面数字电视全部开通；第二阶段为在333个地级市和2861个县播出标清节目，预计2018～2020年基本停止播出模拟信号电视节目。

2 频谱共享应用方案研究

2.1 移动通信系统使用UHF频段的问题分析

2007年举行的世界无线电大会（WRC07）确定将广播电视数字化后空闲出的UHF频段用于发展新的电信业务，即产生了所谓的UHF“数字红利”，但也同时指出由各个国家根据本国移动通信的需求以及广电数字化进程来决定推进速度。UHF数字红利频段在全球3个区域进行了不同的划分。在1区（欧洲、非洲）国家中，将790～862 MHz规划为移动通信系统使用。2区（美洲）将698～806 MHz、3区（亚太）将790～862 MHz频段也分配给移动通信系统使用，其中中国、日本、韩国、新西兰、新加坡、孟加拉国等9国移动通信系统频段扩展到698 MHz。目前，ITU相关研究组已经完成了该频段的移动通信频段规划，未来可能部署全TDD或全FDD制式的移动通信系统。

随着移动互联网的快速发展，移动通信对于频谱的需求大幅上升。与2 GHz以上频段的频谱相比，UHF频段可实现更大范围的覆盖并具有穿透性，可以大幅减少所需移动台站数量，因此该频段被全球移动运营商视为宝贵的频谱资源。但由于我国发展的实际情况，模数转换在我国可能还将会持续较长的时间，根据欧美等国家的模数转换经验，模数过渡期内的频谱需求可能甚至超过模拟广播系统单独使用的频谱，这意味着模数同播期间所需的频道总量将会增加。因此在近期，甚至5～10年内释放一部分统一的UHF频段资源用于发展移动通信业务在我国是非常困难的。

2.2 广播电视系统与移动通信系统的频谱共享应用方式

正是在这一发展背景下，引入频谱共享技术实现在UHF频段上移动通信系统与广播系统的共用成为了近年来国内研究提出的一种新的应用模式。频谱共享技术的核心思想是改变传统的频率静态分配的使用方式，允许多个无线系统在不相互干扰的情况下，动态共用相同的频率资源。频谱共享应用的方式将能够提升频谱利用率，缓解当前移动通信系统频谱资源紧缺的压力。

广播电视系统与移动通信系统同区域频谱共享应用方式如图2所示。在UHF频段（我国698～806 MHz）频段上，广播系统与具有频谱共享功能的移动通信系统在相同区域实现覆盖。广播系统是该频段的授权高优先级应用，通过多频组网或单频组网实现对整个区域的连续覆盖。移动通信系统采用蜂窝网结构，是该频段的低优先级非授权系统。移动通信系统在该频段的应用不能对广播系统造成任何有害的干扰，这就要求工作在该频段的移动通信系统通过特定的监测机制，能够实时获得广播系统的频率占用信息，利用同区域广播系统未使用的空闲频率进行通信，并保证广播系统的频率使用和系统性能不受限制，换句话说，实现共享应用的前提是保证作为高优先级的广播系统的整个使用期间将不会察觉系统通信系统的“存在”。

2.3 系统共存的保护需求研究

为了保证两系统的无干扰应用，在同一覆盖区域中，广播系统未使用的空闲频率并不能全部被移动通信系统使用，在实际工程应用中需要根据两系统的指标评估邻频共存的具体保护要求，这也是实际共享应用需要解决的一个关键问题。本节将对两系统共存的共存保护需求进行研究。

2.3.1 广播系统主要特性及参数

（1）发射端特性：GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》中规定了在UHF和VHF频段中，每8 MHz数字电视频带内的数字电视地面广播传输系统的带外频谱模板。当数字电视信号的相邻频道用于其它服务时，需要如图3所示的频谱模板，信号功率在4kHz带宽下测得，其中，0 dB对应整个输出功率。

图2 广播电视系统与移动通信系统同区域频谱共享应用方式

（2）接收机保护准则：根据GY/Y 237—2008《VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则》的规定，中国数字地面广播电视DTMB和DVB-T接收机载噪比C/N和最小等效场强有1 dB轻微差异。在700 MHz时，载噪比分别为20 dB（DTMB）和21 dB（DVB-T)。相应地，最小等效场强为47（DTMB）和48（DVB-T），采用二者参数进行的共存研究结果基本相同，差别不大。

2.3.2 移动通信系统主要参数

LTE是3G技术的演进方向，是我国未来移动通信系统的主要制式。本研究中移动通信系统主要指LTE系统，共存参数参考ITU JTG5-6有关研究文献，总结如表1所示。

图3 严格条件下的频谱模板

表1 LTE系统参数

2.3.3 干扰场景及仿真拓扑结构

本文主要通过根据蒙特卡洛仿真方法评估DTMB对LTE以及LTE对DTMB两个方向的互干扰情况，包括4个干扰场景：LTE基站干扰DTMB接收机、LTE终端干扰DTMB接收机、DTMB发射台干扰LTE基站，DTMB发射台干扰LTE终端。其中，LTE系统若采用TDD方式为全频段，若采用FDD方式则为对应的发射或接收频段。

仿真拓扑结构如图4所示，工作于698～806 MHz频段内的LTE系统与DTMB系统在相同地理区域的邻频部署，评估DTMB干扰LTE系统（左图）的主要方法包括LTE采用19个3扇区基站，采用Wrap Around向四周拓展；广播发射塔置于LTE中心基站覆盖范围内；研究广播发射对LTE系统整体性能的影响；干扰判断标准为LTE系统容量损失不高于5%。评估LTE系统干扰DTMB系统（右图）的主要方法包括LTE采用19个3扇区基站，采用Wrap Around向四周拓展；广播接收机随机散布在LTE中心基站服务范围内；研究LTE系统中心基站系统性能随距离变化时，广播接收情况；广播受干扰的判断标准：广播覆盖区域的接收机覆盖率损失不高于5%（广播接收机的保护准则要求C/N>21 dB）。

2.3.4 干扰评估结果分析和共存保护要求

通过蒙特卡洛仿真分析得出的主要结论如下。

（1）干扰最严重的场景是DTMB发射台干扰LTE系统基站接收的情况。在一定的频率隔离（约为10 MHz时）前提下还需要LTE基站提供额外15～20dB的ACS（邻信道选择）性能提升，即提升LTE基站的接收机性能，或者通过进一步提高频率隔离带宽来避免DTMB发射对LTE基站的干扰。

（2）对于DTMB发射干扰LTE终端的情况，从仿真的结果来看干扰情况较小可忽略。

（3）对于LTE终端发射干扰DTMB接收的场景，在频率隔离约为5 MHz时，LTE终端还需额外提供滚降约7 dB的额外双工滤波器；若隔离带增至8～9 MHz，则不需要额外措施。

（4）对于LTE基站干扰DTMB接收的情况，在约9～10 MHz频率隔离的前提下，还需LTE基站在保护带内提供滚降约6～17 dB的额外双工滤波器。

图4 广播电视系统与移动通信系统互干扰仿真拓扑结构

根据共存仿真结论可以看到，在广播系统覆盖区域内，现有LTE系统不能使用紧邻的空闲频率，即使提供10 MHz的额外保护带，还需要最大约20 dB的额外隔离，这一额外隔离需求需要通过LTE基站的提高射频滤波器带外滚降能力来实现。因此，在同一覆盖区域两系统的共享频谱应用中，LTE系统的使用频率需要严格保证在检测到广播电视系统占用频道的边缘10 MHz以外，并且基于频谱共享技术的LTE基站均需要更新射频滤波器的指标，提供大于20 dB/10 MHz的额外滚降要求。

2.4 实现频谱共享应用的若干问题及进一步研究点

事实上，在满足两系统的同区域共存频率保护要求外，真正实现UHF频段上的广播电视系统与移动通信系统的频谱共享应用还需要解决以下2个重要的工程应用问题。

2.4.1 实时检测技术

我国广播电视处于模数转换过程中，广播台站的使用频率会进行调整，导致不同区域的空闲频带可能发生随时间的动态变化，处于共享应用模式的移动通信系统需要能够及时响应这种变化并及时进行相应的调整，因此，共享应用的移动通信系统需要具备实时的广播信号检测技术和频率规避机制。目前研究较多的是采用无线检测和联合数据库的两种方式实现次级系统的动态频率响应，采用数据库方式需要建立广播电视系统与移动通信系统的实时联动，难以在全国范围实现统一的监管，且信息同步精度难以保证。虽然目前对无线信号的检测技术有很多，但移动通信系统与广播电视系统在共享应用时，工作频段上的信号处于持续发射状态，也很难提供一段静默期来进行动态信号的检测。因此，如何实现在存在自系统信号情况的实时广播信号检测将会是UHF频段实现频谱共用需要解决的一个难点问题。另一方面，由于移动通信系统台站发射功率相比广播发射塔的发射功率要小很多，广播台站的频率调整可能影响大面积的移动基站，这些基站均需要及时完成频率调整，如何实现这一动态频率规划值得深入研究。

2.4.2 业务QoS保障机制

在共享应用方式下系统的QoS保证与有线网络和其它无线频谱资源在固定的静态分配方式的无线网络有很大的不同。当授权广播电视系统在共享应用过程中频率发生变化，占用了LTE网络正在使用的载波时，LTE系统需要立即切换到其它空闲载波上，这种切换过程会对系统正常运行造成影响，如果整个LTE系统只使用该共享载波，正在进行的业务QoS将难以保证，甚至会导致服务中断。虽然当前对动态QoS保障的研究方面取得了一些进展，有的也给出了一些数学模型，但总体上还处于一种理论研究的初级阶段，要想实际应用还有许多问题有待解决。

3 结束语

我国广播电视模数转化过渡期间,在UHF频段实现移动通信系统与广播电视系统的频谱共享应用是一种全新的发展思路，其技术实现和应用前景值得深入研究和探讨。本文对频谱共享应用的方案和存在的问题进行了分析，并重点研究了共享应用模式下两系统的共存保护需求。从目前的研究进展上看，频谱共享技术走向真正的工程应用还有待时日。当然，在共享技术问题之外，引入频谱共享机制必然将对我国的频谱管理产生较大的影响，这也有待后续进一步分析和评估。

[1]张平，冯志勇. 认知无线网络[M]，北京：科学出版社，2010.

[2]WANG Fan, KRUNZ M, CUI Shu Guang. Spectrum sharing in cognitive radio networks[C]. 27th IEEE International Conference on Computer Communications, Phoenix, AZ, USA.2008: 1885-1893.

[3]CCSA TC5_WG8. 认知无线电技术及频谱相关问题研究报告[R],北京：中国通信标准化协会，2013.

[4]孟德香，徐晓燕. 数字红利频谱的现状及发展趋势[J]. 电信工程技术与标准化，2012(12).

[5]张冬晨，孟德香，孙超. 频谱共享应用中的动态频率规划方案探讨[J]. 电信工程技术与标准化，2012(5).

[6]陈彦名，孟德香，何继伟，张冬晨，梁童. TD-LTE系统与数字广播电视系统之间共存干扰研究[J]. 电信工程技术与标准化，2011(1).

[7]沈嘉，索士强，全海洋. 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社.

[8]ITU-R JTG5-6, R07-JTG5.6-091118-TD-0051, list of IMT systems characteristics for use in sharing studies in the band 790-862 MHz[R].

[9]ATTAR A, NAKHAI M R, AGHVAMI A H. Cognitive radio game:a framework for efficiency, fairness and QoS guarantee[J]. IEEE Communications Society, 2008:4170-4174.

[10]AL-FUQAHA A, KHAN B, RAYES A, et al. Opportunistic channel selection strategy for better QoS in cooperative networks with cognitive radio capabilities[C]. IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, 2008, 26(1):156-167.