基于白频谱的超级WiFi技术研究及实地测试验证

王腾蛟，蔡培翔，马 骏，王 军，潘长勇,2，李建岐，刘伟麟

(1.清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084；2.数字电视国家工程实验室(北京)，北京 100191；3.国家电网智能电网研究院，北京 102209)

基于白频谱的超级WiFi技术研究及实地测试验证

王腾蛟1，蔡培翔1，马 骏1，王 军1，潘长勇1,2，李建岐3，刘伟麟3

(1.清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084；2.数字电视国家工程实验室(北京)，北京 100191；3.国家电网智能电网研究院，北京 102209)

近几年来，随着世界范围内通信业务的增长，频谱资源日渐紧张。认知无线电技术的提出为人们利用电视广播“白频谱”进行通信提供了可能。IEEE802.22工作组颁布的IEEE802.22标准对认知无线电技术进行了规范，在此标准上设计的超级WiFi设备理论上能够对低人口密度地区实现良好的网络覆盖。介绍了IEEE802.22标准提出的背景和主要技术内容，阐述了Carlson RuralConnect 超级WiFi设备的工作原理，并利用该设备进行了实验室和场地数据测试和整理，给出超级WiFi和白频谱设备在不同环境不同模式下的数据率、接收灵敏度和邻道干扰等信息，为国内开展超级WiFi和白频谱通信应用提供技术参考。

超级WiFi；白频谱；IEEE802.22；Carlson RuralConnect

近几年来，世界范围内无限通信业务不断迅速增长，这就使得无线通信可用的频谱资源变得越来越稀缺，频谱资源匮乏的问题越来越严重，频谱匮乏日渐成为无线通信发展的瓶颈。与此同时，一些授权频段并非全天候使用，存在频谱浪费的现象。根据部分调查报告显示，原本用于电视广播的VHF和UHF授权频段的利用率很低，经常闲置。

这部分在某些地理位置、某些时间内空闲的广播电视频段，被称为白频谱。广播电视白频谱主要包括被分配做广播电视使用但实际没有被利用的无线电频段，模拟发射台停播时的频段，以及为了防止电视信号之间的干扰而设置的保护频段。伴随着世界范围内广播电视由模拟向数字的转化，在此范围内将产生更多的空闲频段。白频谱频段受噪声与电离层反射电磁波的影响较小，传输距离远，并且此频段下使用的通信设备的功率小，非常适合应用于低人口密度地区的网络覆盖。如何充分动态地利用这些空闲频段，提高白频谱频段的资源利用率，成为了学术界广泛关注的问题。在这种情况下，认知无线电技术的概念被提出，主要用于提高空闲频谱的利用率。

图1 IEEE802.22 基站参考架构图

2004年5月，美国FCC发布建议法规制定通告(NPRM)，允许非授权用户在不影响授权用户业务的前提下，通过认知无线电技术使用电视广播频段的频谱资源。同年11月成立IEEE802.22工作组(WRAN)，这是基于认知无线电技术的第一个世界范围的空中接口标准化组织。2011年7月，该工作组颁布的IEEE802.22 标准是IEEE 制定的第一个世界范围内的基于认知无线电技术的空中接口标准，也是为利用电视广播白频谱频段而制定的标准。

RuralConnect是Carlson公司基于IEEE802.22标准利用白频谱频段设计生产的为低人口密度地区提供网络接入的无线通信设备。该设备利用空余的广播电视频段，由于该频段的波长在分米量级，相比普通WiFi的毫米波，分米波可以沿地面传播几十公里，因此该设备能够实现长距离、大范围的无线网覆盖。该设备仅需要很少的基础设施就可以使用，能够在较复杂的地形条件下实施无线覆盖。本文使用此套设备进行了基于白频谱和IEEE802.22协议的超级WiFi实地测试。

1 IEEE802.22协议

IEEE802.22采用蜂窝拓扑结构，每一个单元由一个基站(Base Station， BS)和一个或多个用户设备(Customer Premises Equipment， CPE)组成，用户设备与基站相连并受其控制。基站通过下行链路向用户设备传输数据，用户设备通过上行链路向基站做出应答。由于通信需要使用未被占用的授权频段，所有用户设备采用的传输频段、调制方式、编码方式都由基站控制[1-5]。

IEEE802.22 的基站参考架构如图1所示，在传统的数据平面(Data Plane)和控制平面(Management/Control Plane)的基础上，增加了认知平面(Cognitive Plane)，用来实现IEEE802.22的认知无线电功能。

传统的数据平面主要包括物理层(PHY)，媒体访问控制层(MAC)以及更高层次的IP层等层次结构。其中MAC层还可以分为集合子层(Convergence Sublayer，CS)、公共部分子层(Common Part Sublayer， CPS)和安全子层1(Security Sublayer 1，SS1)3个子层。不同层次之间通过服务接入点(Service Access Point，SAP)进行信息交换。控制平面主要包括控制信息库(Management Information Base， MIB)，简单网络管理协议(SNMP)主要用来与MIB进行沟通，从而能够完成对基站、用户设备、路由器等的控制功能。MIB主要用于进行系统配置，监视系统数据，通知、会话管理等工作。

认知平面主要包括4个组成部分，分别是频谱感知功能(Spectrum Sensing Function， SSF)、地理定位功能(Geolocation， GL)、频谱管理和频谱感知自动机(Spectrum Manager /Spectrum Sensing Automaton， SM/SSA)和一个专用的安全子层2(Security Sublayer 2，SS2)。其中SM/SSA 负责最为核心的工作，比如保持频谱可用信息、信道选择、信道管理、调度频谱感知作业和接入数据库等。

物理层协议方面，IEEE802.22采用时分双工正交频分多址的方式接入，使用2 048个OFDM子载波，可以支持BPSK，QPSK，16-QAM，64-QAM 4种调制方式(BPSK主要用于前导符号)，采用的码率主要为1/2，2/3，3/4，5/6。根据不同的调制方式和码率的组合，IEEE802.22定义了16种传输模式，其中有4种主要用于控制信号的传输，其他12种用于数据的传输。在不同的物理层模式下，IEEE802.22系统(6 MHz带宽下)的理论数据速率为4.54～22.69 Mbit/s不等，频谱效率为0.76～3.78 bit/(s·Hz)。IEEE802.22提供自适应的调制编码技术，数据在传输过程中可以灵活地选取传输模式，以取得最优的传输效果。

由于世界各地使用的电视广播频段(6 MHz，7 MHz，8 MHz)不尽相同，IEEE802.22针对3种不同的带宽，定义了不同的采样速率、子载波间隔、符号周期和时间单位。同时针对不同时延的传播信道，IEEE802.22标准定义了4种不同长度的循环前缀，分别是符号周期的1/4，1/8，1/16和1/32。IEEE802.22系统采用的过采样因子、帧结构、交织方式与现有大多数无线通信系统较为相似。

MAC层上，频谱感知是IEEE802.22重要的MAC层协议，同时也是其重要的认知特性。频谱感知是BS和CPE通过对无线电频谱扫描，发现现存信号，判断信道是否被占用的过程，目前包括盲检测和特征信号检测2种技术。盲检测技术主要包括能量检测技术、特征值检测技术和多分辨率检测技术；特征信号检测技术依赖于特定的信号特性，主要有2种工作模式，分别是改进的交叉相关方法和信号特征与能量相结合的方法。一般情况下，频谱感知工作由基站和用户设备共同进行，但由基站管理SSA的感知行为，BS和CPE需要感知3种不同的授权用户频谱，分别是模拟电视频谱、数字电视频谱和授权的低功率辅助设备的频谱。频谱感知的性能主要由感知接收机的灵敏度、信道检测时间、检测到授权用户的概率和未检测到授权用户的概率这4个参数来衡量。

在频谱感知之后，IEEE802.22系统还需要进行有效的频谱管理。IEEE802.22协议有2种频谱管理模式，分别是嵌入式模式和外在模式。嵌入式模式将频谱管理的信息通过MAC帧进行传递，由于不需要单独发送频谱管理信息，因频谱利用率较高。外在模式则是基站需要向用户设备发送频谱管理信息，因而频谱利用率不如嵌入式模式。为了进行有效的管理，IEEE802.22定义了频谱集合进行频谱信息的记录，并且需要基站和用户设备对相应的频谱集合进行定时更新。

2 Carlson RuralConnect设备原理

Carlson RuralConnect是一部通过软件控制，基于IEEE802.22标准在白频谱频段工作的无线通信设备，具体实现与IEEE802.22标准稍有不同。整个系统工作在470～786 MHz的白频谱高频，各国标准下频谱间隔不同，如美国为6 MHz，欧洲为8 MHz。通信可以采用BPSK、QPSK和16QAM的调制方式，数据率可以选择4，6，8，12，16 Mbit/s，具体控制可动态调整也可预先设定。在接收灵敏度方面，当使用QPSK调制码率为1/2时，在10-6误码率下，理论接收灵敏度可以达到-89 dBm；使用16QAM调制码率为1/2时，在10-6误码率下，接收灵敏度可以达到-86 dBm。使用WPA2/AES-128 bit进行安全加密。该设备能够利用空闲的广播电视频段完成通信、无线网络覆盖等任务。由于该频段的波长在分米量级，相比WiFi的毫米波，分米波可以沿地面传播几十公里，因此该设备能够实现长距离、大范围无线网络覆盖。该设备仅需要很少的基础设施就可以使用，能够在较复杂的地形条件下完成无线覆盖[6]。

RuralConnect设备主要由基站、用户设备、频谱管理数据库3部分组成。

基站主要用来与用户设备进行沟通，建立无线连接并发送数据信息，同时需要通过以太网连接频谱管理数据库。基站需要安装有工作在广播电视频段470～786 MHz的外部天线，工作频段可以根据使用地区情况改变。基站工作时通过标准以太网端口连接到互联网，以太网的数据通过基站编码，利用天线传输到一个或多个用户设备，用户设备接收数据解码后即可实现网络访问。基站工作前需要通过网络取得可用频段列表，之后在许可的空余频段传输数据。由于不同地区、不同环境下能够使用的频段不同，因此基站可以根据使用频段自行调整调制速率。

用户设备主要用于在分散的地区与基站进行通信，从基站获取数据信息。用户设备提供输入天线的接口、电源接口和以太网输出接口，通过以太网接口输出从基站接收道德数据信息。不需要外部物理控制，所有控制、配置和管理选项都通过基站处理。通过LED指示灯显示接收信号情况，一半灯亮表示建立可靠连接，全亮表示达到最大带宽。

频谱管理数据库根据基站和用户设备的地理位置，提供可供选择的允许的频谱信息，设备使用时，基站通过以太网连接频谱管理数据库，根据地理位置信息查询当前情况下可供使用的频谱信息，之后基站使用内置的无线电频谱感知器，感知此时未被占用的频段，选择合适的频段和功率建立无线通信。

根据IEEE802.22协议，通信系统需要对基站和用户设备进行定位，主要有2种方式，分别是基于卫星的地理定位和基于地面的地理定位。在基于卫星的地理定位方法中，基站和用户设备需要根据卫星的地理定位信息，来确定半径50 m范围内的发射天线的经纬度信息和海拔信息。IEEE802.22通信系统需要通过这些地理定位信息来确定用户设备的位置。卫星地理定位天线需要和发射天线以及辨向天线在1 m的范围内进行同地协作。RuralConnect设备在使用之前，需要对基站和用户设备的地理位置进行测量，并通过以太网连接在数据库中进行注册。

在实际使用过程中，无线通信信号易受衰落和多径信道的影响。RuralConnect设备使用一种自适应的单载波频域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization)的方式进行信道均衡，来抵抗衰落和多径信道的影响，从而能够在遮挡物较多的情况下提供较为可靠的无线通信。

3 实验室和场地测试情况

3.1 基本参数测试

为了检验RuralConnect设备的基本特性，在实验室条件下对其基本参数进行测试，其双工方式为TDD (时分复用)，多用户复用方式采用TDMA(时分多址)。测试中由于信号时分复用带来一个问题是设备的信号时有时无，对测量带来一定的影响，只能大致测量出信号的输出功率为30 dBm(1 W)左右。设备数据接口为10/100 Mbit/s以太网，使用正常的网线接入基站。

经过测量，信道的频段范围为UHF 470～786 MHz，信道带宽8 MHz，有效带宽7 MHz，工作时可选择BPSK，QPSK和16QAM 3种不同的调制方式，同时可设置码率为1/2或3/4的信道编码，数据率包括4， 6， 8， 12， 16 Mbit/s 5种。

目前，RuralConnect设备支持用户数为20，可通过更改软件获得更多的用户支持。由于实验室设备中有2个CPE，所以在之后的测试中进行了2个用户工作时情况的测试。经过多次测试，RuralConnect设备端到端的延迟约为30～100 ms，延迟与数据流量有关。

3.2 实验室闭路测试

实验室闭路测试是在实验室内搭建的闭路射频测试平台上进行的。利用测试平台，可以模拟出数据传输的完整体系，使被测系统和设备得到严格、精确、可重现的测试。作为现场开路测试的基础，实验室闭路测试的结果能够很大程度上反映出该系统和设备实际运行时的状态，对现场测试数据分析具有指导意义。

制定了完善的测试方案、准备好可靠的测量仪器和设备后，在实验室的封闭环境下搭建系统，实验室符合电磁兼容的要求，测试平台具有良好的工作接地系统，交流供电电源稳定，保证了良好的测试环境。在基站和CPE上不使用天线，直接使用光纤将基站和CPE的数据接口连接，采用支持数据率、接受灵敏度和邻道干扰情况作为RuralConnect设备性能的主要评价指标，对RuralConnect设备的发射性能、接收性能、干扰特性和抗干扰特性进行了测试，设备情况如图2所示。

图2 实验室测试设备情况(照片)

首先，在上行和下行的SNR约为30 dB的条件下，分别对不同调制方式、不同信道编码码率条件下的上行和下行传输速率进行测试。在各种调制方式和信道编码码率的条件下，系统的下行速率基本可以达到100～300 kbit/s，而随调制方式和信道编码码率的改变，上行速率在100～1 200 kbit/s，各种条件下测得的上行速率也满足理论分析的结果。在使用BPSK的调制方式时，上行速率在100～300 kbit/s；使用QPSK的调制方式时，上行速率在300～800 kbit/s；而采用16QAM的调制方式时，上行速率更是能达到700～1 200 kbit/s，能够满足大部分情景下对于信息的传递速率的需求。

接着，有线传输线路上加上衰减器，以进行在实验室封闭条件下对RuralConnect设备的接收灵敏度测试。在基站采用16QAM的调制方式、1/2的信道编码码率时，调节衰减器至-85 dBm，根据2个CPE接受到的数据的丢包情况判断，此时CPE已无法正常接收基站发出的数据，接收灵敏度为 -85 dBm； 在QPSK调制，1/2信道编码码率的条件下，接收灵敏度为-91 dBm。

此外，通过调节衰减器，从RuralConnect设备的控制平台上读取此时的SNR，对不同调制方式、不同信道编码码率条件下丢包情况进行检测，获得了不同SNR下应该选择的设置及其上行速率，如表1所示。

表1 不同SNR和模式下测试结果

SNR/dB最优设置上行速率/(kbit·s-1)30+16QAM120026～3016QAM3/494022～2616QAM1/270016～22QPSK3/450012～16QPSK1/23608～12BPSK3/41500～8BPSK1/2110

从表1可以看出，在信道编码码率相同的情况下采用不同的调制方式能获得的上行速率16QAM>QPSK>BPSK；而在相同的调制方式下，信道编码码率越高，上行速率越大，但所需的SNR也更高。采用16QAM的调制方式对于SNR的要求高于QPSK与BPSK，不进行信道编码相比进行信道编码的设置也需要更高的SNR。

最后，为了检验RuralConnect设备在附近存在模拟或数字邻频广播时的性能，在实验室内对RuralConnect设备的邻道干扰性能进行了测试，同时设置相隔2个频道的TV发射进行测试。测试结果显示，频道在其相隔2个的频道有-50 dBm的干扰，说明相隔2个频道的TV发射功率可相差-50 dBm， RuralConnect设备具有较好的抗邻道干扰的性能。

3.3 场地测试

在真实环境中，信号受到地区、时间、天气等不同因素的影响，采用不同的天线也将接收到不同强度的信号，同时真实环境中还将有动态多径和多普勒频移的影响。因此，在实验室闭路环境下测试了RuralConnect设备的支持数据率和接受灵敏度等基本性能后，从支持数据率、接受灵敏度和邻道干扰情况看来，RuralConnect设备能够满足数据传输的需求。接着进行场地测试，以验证RuralConnect设备利用广电白频谱进行数据传输，是否能适用于复杂的地理环境中，能否在建筑物内部或楼宇间进行满足需求的数据传输。

现场开路测试的主要测试方式是让发射机发送一定功率的测试信号，接收机在具有城市、郊区和农村典型特征的不同地点进行固定点接收测试，或在多条路径上进行移动接收测试。现场测试主要利用主观判据对接收数据的丢包情况进行判断，记录接收信号的场强和频谱，同时在固定点测试时主要记录接收机端功率裕量，在移动测试时主要记录位置信息。通过现场测试，可以了解环境因素对于系统性能的影响，测量覆盖范围，判断系统性能，进一步了解改进系统性能的方法。结合RuralConnect设备的用途，在场地测试中主要进行了覆盖测试，了解RuralConnect设备的适用环境。

首先，在建筑楼内进行了简单的测试，使用天线进行基站和CPE间的信息传递，载波选择46频道(载波频率 674 MHz)， 采用QPSK 1/2编码，在实验室楼道内进行实验室开路测试。测试中，基站固定于一个位置，将CPE放置于手推车上，在同一层的楼道上进行测试，设备情况如图3所示。测试结果发现，当信道的信噪比小于5.5 dB后，CPE无法正常接收基站发出的数据。可见RuralConnect设备在楼内的数据传输性能较好，能在一定程度上满足建筑物内部的数据传输需求。

图3 楼内测试设备情况(照片)

接着重点进行了场地测试，测试基站在遮挡较少的情况下能够达到的覆盖范围。将基站放置于清华大学东主楼楼顶(高度40 m)，基站采用全向天线，CPE采用八木天线，2种天线如图4所示。

图4 基站全向天线和CPE使用的八木天线

全向天线具有无方向，在水平方向图上360°均匀辐射，垂直方向图上为有一定宽度的波束。全向天线通过减小垂直方向上的增益，提高了水平方向上的增益，因此能获得较大的覆盖范围，同时由于其价格低廉，在实验测试中被广泛运用。在基站上采用全向天线，使得基站发出的数据在360°的方向上都具有较大的覆盖范围。

八木天线由一个有源振子、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成，具有较好的方向性和较高的增益，在长距离测试中可以拥有平坦的增益，并且，八木天线的体积较小，适合于放置在汽车等交通工具上，因此常用于测量不同方向的远距离通信，因此在CPE上使用了八木天线。

将CPE放置于汽车上，选择了几条不同的路线，驾驶汽车外出测量，记录下CPE仍可正常接收基站发出的数据的范围，大致情况如图5所示(起点A为清华大学东主楼)。

图5 楼外测试情况(截图)

可以看出，基站在遮挡较少的情况下有较大的覆盖方位，覆盖半径能够达到5 km左右，可见RuralConnect设备利用广电白频谱进行数据传输的方式，在人口密度较低、对数据传输速率和稳定性要求不是很高的地区，有较好的适用性。但是，在遮挡较多的路线上，RuralConnect设备的覆盖半径仅为2～3 km，遮挡对于RuralConnect设备的性能影响较大。

为更好地测试RuralConnect设备的适用条件，分析RuralConnect设备能否在农村等地区发挥较好的数据传输作用，仍需要在农村、森林等不同环境下开展进一步的测试，获得更多的RuralConnect设备的相关数据。

4 总结

随着社会无线通信技术的不断发展，频谱资源越来越紧张，在现有条件下如何充分动态地利用授权频段的空闲部分，提高白频谱频段的资源利用率，建立基于白频谱和认知无线电技术的超级WiFi通信成为了解决频谱紧张问题的重要途径。本文介绍了白频谱和IEEE 802.22标准提出的背景和主要技术内容，阐述了基于IEEE 802.22标准的Carlson RuralConnect 超级WiFi设备的工作原理，利用该设备进行了实验室和场地测试及整理，给出超级WiFi和白频谱设备在不同的环境不同模式下的数据率、接收灵敏度和邻道干扰等信息，希望能为我国开展超级WiFi和白频谱通信应用提供技术参考。

[1] IEEE 802.22，IEEE standard for information technology-telecommunications and information exchange between systems wireless regional area networks (WRAN) - specific requirements - part 22： cognitive wireless RAN medium access control (MAC) and physical Layer (PHY) specifications：policies and procedures for operation in the TV Bands[S]. 2011.

[2] LEKOMTCEV D， MARSALEK R. Comparison of 802.11af and 802.22 standards-physical layer and cognitive functionality[J]. Elektrorevue，2012，3(2)：12-18.

[3] GHOSH C. Coexistence challenges for heterogeneous cognitive wireless networks in TV white spaces[J]. IEEE Wireless Communications，2011，18(4)：22-31.

[4] STEVENSON C R. IEEE 802.22： the first cognitive radio wireless regional area network standard[J]. IEEE Communications Magazine，2009，47(1)：130-138.

[5] YUCEK T，ARSLAN H. A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radio applications[J]. IEEE Commun. Surveys & Tutorials，2009，11(1)：116-30.

[6] Carlson Wireless Technologies. RuralConnect TV white spaces radio[EB/OL].[2015-06-20].http：//www.carlsonwireless.com/ruralconnect/.

责任编辑：闫雯雯

Research and Test Verification of Super WiFi Technology Based on White Space

WANG Tengjiao1, CAI Peixiang1, MA Jun1, WANG Jun1, PAN Changyong1,2, LI Jianqi3, LIU Weilin3

(1.TsinghuaNationalLaboratoryforInformationScienceandTechnology,DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforDigitalTV(Beijing),Beijing100191,China;StateGridSmartGridResearchInstitute,Beijing102209,China))

Recently, with the increase in communication service, the spectrum resources is increasingly scarce. The conception of Cognitive Radio, which is standardized by IEEE802.22 standard, provides the possibility for communicating in the TV white space band and theoretically the super WiFi equipment based on the standard can provide good network coverage for places with low density of population. The background and main technology of IEEE802.22 standard is introduced and the working principle of Carlson RuralConnect super WiFi Equipment is discussed in this article. The laboratory test and field test are done with the equipment, which give the data rate, receiving sensitivity and adjacent channel interference information and provide technical reference for communication with super WiFi and white space in China.

super WiFi; white space; IEEE802.22; Carlson RuralConnect

质检公益性行业科研专项经费资助项目；国家电网公司“基于电力线通信的能源物联网关键技术研究”项目

TN925

B

10.16280/j.videoe.2015.16.024

2015-07-14

【本文献信息】王腾蛟，蔡培翔，马骏，等.基于白频谱的超级WiFi技术研究及实地测试验证[J].电视技术,2015，39(16).