IEEE 802.22.1信標網絡應用研究

楊大全

（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

IEEE 802.22.1協議是一種無線信標協議，通過發送信標信號來為工作在廣播電視頻段的低功率設備（如無線傳聲器）提供增強防護，以避免其受到非授權設備的干擾。工作在廣播電視頻段的非授權設備，例如基于IEEE 802.22 的無線區域網絡 WRAN 設備[1－2]，通過檢測IEEE 802.22.1信標信號，獲得無線傳聲器工作所在的頻段，以及其所在的地理位置和需要避免干擾的范圍等信息，調整非授權設備的工作頻段，以避免發射無線的信號對已授權的設備產生干擾。

按照計劃，將會為每個授權的低功率設備配置一個IEEE 802.22.1信標設備。當多個低功率設備需要同時工作時，將會有多個信標設備同時工作。多個IEEE 802.22.1信標設備將構成隨建即連（Ad Hoc）網絡，對各個信標需要保護的設備信息進行合并。IEEE 802.22.1協議定義了信標網絡的建立與維持的基本流程，信標設備的實施者需要根據實際應用情況制定Ad Hoc通信過程中的競爭判決準則，既要考慮信標網絡的通信效率，也需要考慮WRAN等設備在對信標網絡的識別的同時不會對正常通信產生較大的影響。

1 IEEE 802.22.1信標網絡

1.1 信標協議

IEEE 802.22.1 信標設備被稱為 PD（Protecting De?vice，防護設備），PD有兩種工作狀態：PPD（Primary PD，主防護設備）狀態和SPD（Secondary PD，次防護設備）狀態。一個信標網絡只有一個PPD，可能有多個SPD。圖1描繪了IEEE 802.22.1信標設備的狀態轉換過程。信標網絡中的PPD負責發送時隙的調度，并進行信息匯聚，形成網絡信標（PPD信標）；SPD定期申請信標發送權，發送SPD信標。由PPD設備選擇一個SPD作為NPD（Next－in－line PD，備選設備），當該PPD停止工作時NPD轉換成為PPD，調度其他SPD繼續信標網絡的運行。

1.2 競爭準則的設計

1.2.1 成為PPD

按照IEEE 802.22.1協議的描述[3]，在初始化階段，PD可以選擇成為PPD建立新的信標網絡，也可以選擇成為SPD加入某個已經存在的信標網絡（圖1中的①號判決點）。從PD設計的角度看，選擇建立新的信標網絡實現起來最簡單，如果每個PD都選擇建立新的信標網絡，就意味著PD設備可以各自獨立發送信標信號而不需要與其他PD設備相互通信。但實際上，如果同一頻點上存在多個不同的信標網絡信號，將會使WRAN等網絡設備對IEEE 802.22.1信標信號的檢測和解析時間成倍地增加，有可能會影響WRAN等網絡的正常通信。盡管采用直接序列擴頻（DSSS）技術，同一頻點上的PD設備通過使用不同的擴頻序列可以互不干擾地同時發送信號，但實際上IEEE 802.22.1協議只定義了一套擴頻序列，新生成的信標網絡將會對同一頻點上已有的信標網絡產生干擾。

因此，作為PD設備，在初始化時如果在工作頻段上檢測到已有信標網絡，最好的策略是成為SPD，嘗試加入已存在的信標網絡。另一方面，不論是SPD還是PPD，都需要設計通信異常處理機制，以防有新的PD主動成為PPD建立新的信標網絡。當檢測到信標之間無法正常通信時，最好采取“回退”的方式：主動靜默，重新開始初始化搜索，不論是SPD還是曾經的PPD，都將嘗試加入新的PPD建立的信標網絡，從而確保一個頻點上只有一個信標網絡信號，以保證信標信息的可用。對于SPD而言，由于出現新的PPD而造成的無法正常通信的情形與IEEE 802.22.1標準中描述的PPD終止的場景不同，不論是NPD還是普通的SPD都將不立刻嘗試成為新的PPD。

1.2.2 發送SPD信標

在信標網絡的初始發送期間，PPD發送的超幀不包含設備間通信時隙，初始發送期間結束后，PPD發送的超幀包含設備間通信時隙，在設備間通信時隙SPD發出發送請求，PPD向選定的SPD發送確認，收到確認的SPD在隨后的一個超幀發送期間發送信標幀（圖1中的②號判決點）。多個SPD同時發出發送請求時將會出現數據碰撞，較可能出現數據碰撞的場景主要有：SPD申請加入網絡時競爭初次信標發送權；SPD信息的定期報告；SPD信息出現變更；SPD信標錯誤重傳。盡管IEEE 802.22.1協議中并沒有要求SPD對網絡信標信息進行匯聚，但通過檢測網絡中的各個SPD的活動，可以設計適當的發送申請策略，降低數據碰撞的概率，從而提高系統的通信效率。

作為SPD設備，在其數據庫中維護一個SPD的列表，對每個SPD按照加入信標網絡的時間進行排序。在進行SPD信息的定期報告時，每個SPD根據加入信標網絡的先后順序依次提出發送請求，這樣可以減少由于SPD信息的定期報告而出現數據碰撞的概率。作為PPD設備，在檢測到多個SPD同時發送請求時，優先選定信息出現變更的SPD，其次選擇請求加入網絡的SPD，最后選擇做定期報告的SPD。做定期報告的SPD如果在提出發送申請時沒有被選定，則依次延遲一個超幀再重新申請。PPD使用這種調度策略可以快速地處理由競爭初次信標發送權或報告SPD信息出現變更而產生的數據碰撞，避免其未被選定后重新嘗試提出發送請求而再次產生數據碰撞。

如果發生SPD信標傳送錯誤，PPD沒有正確接收SPD信標，從而不會將該SPD的信息匯聚到網絡信標內容中。如果SPD是新加入或者是發生了信息變更，SPD通過檢測下一個超幀中PPD發送的信標是否包含了自身信標信息，才能判斷之前的信標發送是否出現錯誤。文獻[4]中介紹了一種自定義的協議擴充方案，PPD在SPD發送信標后的應答時隙發送NSR（未正確接收），除之前發送信標的SPD之外其余SPD不再發起發送請求，從而避免由于該SPD發起請求重傳信標而產生的數據碰撞。為保證更好的兼容性，也可以使用標準中定義的繼續（Go－on）應答機制。Go－on原本是在SPD申請占用下一個超幀時繼續發送信標，由PPD發出的許可應答。在出現SPD信標接收不正確時，可以由PPD主動發出Go－on，之前發送信標SPD收到PPD主動發出的Go－on后重新發送之前的信息，而其他SPD則依次延遲一個超幀再發起發送申請。這種方案的兼容性更好，也可以更好地避免數據碰撞的出現。

1.2.3 成為NPD

PPD可以選擇一個SPD作為后備（NPD），PPD在SPD發送信標后的第2個超幀設置變更NPD指示字段，檢測到該字段變更表明之前發送信標的SPD被選為NPD，在檢測到PPD停止工作后NPD轉換成PPD工作（圖1中的③④號判決點）。最簡單的選擇算法是：PPD選擇最先加入其信標網絡的SPD作為NPD，PPD在其數據庫中維護一個SPD的列表，在已經選定的NPD退出網絡時，按照SPD加入信標網絡的順序順次選擇下一個SPD作為NPD。這種算法的優點在于可減少由于競爭NPD而產生的數據碰撞，同時由于采用按照SPD加入信標網絡的順序順次選擇的方案，當NPD轉換成PPD時，新的PPD也可以很方便地確定下一個NPD。

2 WRAN設備感知IEEE 802.22.1信標

WRAN設備需要定期對其所在的頻段以及相鄰頻段進行檢測，以避開IEEE 802.22.1信標網絡所保護的區域。WRAN設備對IEEE 802.22.1信標的感知在系統靜默期進行。為保證感知IEEE 802.22.1信標幀的靜默期不會與IEEE 802.22的超幀控制頭（SCH）出現時間上的重疊，WRAN設備對IEEE 802.22.1信標內容的感知不是在檢測到信標信號后立即開始的，而是需要安排一定的延時。在WRAN協議的附錄中介紹了根據IEEE 802.22.1信標幀的起始時間與IEEE 802.22的超幀起始時間的相對偏移，以及所需要解析的信標幀內容的深度（所需靜默時長不同），延時最大不超過兩個WRAN超幀（320 ms）即可找到合適的靜默窗口實現對一個IEEE 802.22.1信標幀的MAC幀內容的全部解析[5]。但在具體實現時，僅完成對一個IEEE 802.22.1信標幀的解析是不夠的，如前文所述，IEEE 802.22.1信標幀可能是PPD發送的包含網絡中所有PD信息的網絡信標幀，也可能是SPD發送的只包含自身信息的SPD信標幀。WRAN隨機感知解析的一個信標幀可能是SPD信標幀，從而不能獲得IEEE 802.22.1信標網絡的全部信息。為此，WRAN設備需要檢測兩個連續的IEEE 802.22.1信標幀。因為每個SPD信標后必然是PPD信標，通過檢測兩個連續的信標，可以保證至少檢測到一個網絡信標幀。以下對解析兩個連續信標的感知時間進行分析。

根據文獻[6]的介紹，解析一個幀中的MAC子幀MSF1，MSF1+MSF2，MSF1+MSF2+MSF3 分別需要 29.14 ms，71.60 ms 和 98.24 ms。 IEEE 802.22.1 的 超 幀 長 度 為103.24 ms，則：

1）解析兩個連續的MSF1，需要103.24 ms+29.14 ms=132.38 ms；

2）解析兩個連續的 MSF1+MSF2，需要 103.24 ms+71.60 ms=174.84 ms；

3）解析兩個連續的MSF1+MSF2+MSF3，需要103.24 ms+98.24 ms=201.48 ms。

由于WRAN超幀長度為160 ms，解析兩個連續的MSF1有可能在一個WRAN超幀中實現，而解析兩個連續的MSF1+MSF2或MSF1+MSF2+MSF3必然會跨越兩個WRAN超幀，為了避開IEEE 802.22的超幀控制頭（至少2 ms時間），需要在連續兩個WRAN中安排兩個靜默期。圖2給出了WRAN設備檢測兩個連續信標幀MSF1的靜默期時間安排示例。

將檢測到IEEE 802.22.1信標后計算出的下一個IEEE 802.22.1信標幀相對于當前WRAN超幀的偏移記為D，對于解析兩個連續的MSF1，如果D小于27.72 ms，則在當前WRAN超幀中就可以完成（圖2a）；如果D大于58.76 ms而小于130.86 ms，則在當前超幀和后續的第一個超幀分別安排29.14 ms靜默期即可以完成解析（圖2b）；而對于D大于27.72 ms而小于58.76 ms，或者D大于130.86 ms而小于160 ms，則需要安排一個超幀的延時，在后續的第1個和第2個超幀分別安排29.14 ms靜默期才可以完成解析（圖2c）。類似可以計算出如何根據偏移值D對解析兩個連續的MSF1+MSF2或MSF1+MSF2+MSF3作出的時間安排，如表1所示。

表1 根據偏移值對解析連續信標幀進行時間安排

從表1可知，如果要實現解析兩個連續幀的MSF1+MSF2+MSF3，最大可能需要安排130個WRAN超幀，這將是一個漫長的延時過程，期間可能需要再次檢測信標信號以維持時鐘同步。對MSF3的檢測只有在WRAN的基站沒有回傳連接到認證中心時才需要[5]，因此并不常見。如果必須要解析MSF3，而需要安排的延時較多，可以考慮替換方案，例如檢測一個幀的MSF1+MSF2和下一個幀的MSF1+MSF2+MSF3，或者檢測多個不連續的幀，直到檢測到PPD的網絡信標幀。

3 總結

IEEE 802.22.1標準為無線傳聲器等設備提供了數字化的無線信標保護方案，通過對IEEE 802.22.1信標網絡建立與維持的研究，有利于IEEE 802.22.1產品的設計。同時作為WRAN認知無線電技術的配套標準，研究IEEE 802.22.1有利于WRAN系統的基站和用戶前端設備中認知無線電功能的開發，加快產品的產業化推廣，希望本文能夠對相關的研究設計工作有一定的指導意義。

[1]鮑晶晶，彭端，趙興華.IEEE 802.22標準的物理層與MAC層協議[J].電視技術，2009，33（S2）：238－240.

[2]章堅武，趙琪，鄒婧媛.基于Radio Environment Map的IEEE802.22 WRAN系統[J].電視技術，2009，33（11）：70－73.

[3]IEEE Std 802.22.1—2010,IEEE Standard for Information Technolo?gy—Telecommunications and information exchange between sys?tems,Local and metropolitan area networks)—Specific require?ments,Part 22.1:Standard to Enhance Harmful Interference Protec?tion for Low－Power Licensed Devices Operating in TV Broadcast Bands[S].2010.

[4]程錦霞.提高無線麥克風信標的數據合并效率的指示信號發送方法：中國，200810008974.9[P].2009－08－05.

[5]IEEE Std 802.22—2011,IEEE Standard for Information Technolo?gy—Telecommunications and information exchange between sys?tems,Wireless Regional Area Networks(WRAN)—Specific require?ments,Part 22:Cognitive Wireless RAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications:Policies and Proce?dures for Operation in the TV Bands[S].2011.

[6]BUCHWALD G J，KUFFNER S L，ECKLUND L M，et al.The de?sign and operation of the IEEE 802.22.1 disabling beacon for the protection of TV whitespace incumbents[C]//Proc.the 3rd IEEE Sym?posium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.[S.l.]：IEEE Press，2008：1－6.