基于白頻譜的超級(jí)WiFi技術(shù)研究及實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證

王騰蛟，蔡培翔，馬 駿，王 軍，潘長(zhǎng)勇,2，李建岐，劉偉麟

(1.清華大學(xué) 電子工程系 清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.數(shù)字電視國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(北京)，北京 100191；3.國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102209)

基于白頻譜的超級(jí)WiFi技術(shù)研究及實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證

王騰蛟1，蔡培翔1，馬 駿1，王 軍1，潘長(zhǎng)勇1,2，李建岐3，劉偉麟3

(1.清華大學(xué) 電子工程系 清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.數(shù)字電視國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(北京)，北京 100191；3.國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102209)

近幾年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，頻譜資源日漸緊張。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的提出為人們利用電視廣播“白頻譜”進(jìn)行通信提供了可能。IEEE802.22工作組頒布的IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范，在此標(biāo)準(zhǔn)上設(shè)計(jì)的超級(jí)WiFi設(shè)備理論上能夠?qū)Φ腿丝诿芏鹊貐^(qū)實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。介紹了IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)提出的背景和主要技術(shù)內(nèi)容，闡述了Carlson RuralConnect 超級(jí)WiFi設(shè)備的工作原理，并利用該設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)試和整理，給出超級(jí)WiFi和白頻譜設(shè)備在不同環(huán)境不同模式下的數(shù)據(jù)率、接收靈敏度和鄰道干擾等信息，為國(guó)內(nèi)開(kāi)展超級(jí)WiFi和白頻譜通信應(yīng)用提供技術(shù)參考。

超級(jí)WiFi；白頻譜；IEEE802.22；Carlson RuralConnect

近幾年來(lái)，世界范圍內(nèi)無(wú)限通信業(yè)務(wù)不斷迅速增長(zhǎng)，這就使得無(wú)線通信可用的頻譜資源變得越來(lái)越稀缺，頻譜資源匱乏的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，頻譜匱乏日漸成為無(wú)線通信發(fā)展的瓶頸。與此同時(shí)，一些授權(quán)頻段并非全天候使用，存在頻譜浪費(fèi)的現(xiàn)象。根據(jù)部分調(diào)查報(bào)告顯示，原本用于電視廣播的VHF和UHF授權(quán)頻段的利用率很低，經(jīng)常閑置。

這部分在某些地理位置、某些時(shí)間內(nèi)空閑的廣播電視頻段，被稱為白頻譜。廣播電視白頻譜主要包括被分配做廣播電視使用但實(shí)際沒(méi)有被利用的無(wú)線電頻段，模擬發(fā)射臺(tái)停播時(shí)的頻段，以及為了防止電視信號(hào)之間的干擾而設(shè)置的保護(hù)頻段。伴隨著世界范圍內(nèi)廣播電視由模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)化，在此范圍內(nèi)將產(chǎn)生更多的空閑頻段。白頻譜頻段受噪聲與電離層反射電磁波的影響較小，傳輸距離遠(yuǎn)，并且此頻段下使用的通信設(shè)備的功率小，非常適合應(yīng)用于低人口密度地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。如何充分動(dòng)態(tài)地利用這些空閑頻段，提高白頻譜頻段的資源利用率，成為了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的問(wèn)題。在這種情況下，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的概念被提出，主要用于提高空閑頻譜的利用率。

圖1 IEEE802.22 基站參考架構(gòu)圖

2004年5月，美國(guó)FCC發(fā)布建議法規(guī)制定通告(NPRM)，允許非授權(quán)用戶在不影響授權(quán)用戶業(yè)務(wù)的前提下，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)使用電視廣播頻段的頻譜資源。同年11月成立IEEE802.22工作組(WRAN)，這是基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的第一個(gè)世界范圍的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織。2011年7月，該工作組頒布的IEEE802.22 標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 制定的第一個(gè)世界范圍內(nèi)的基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，也是為利用電視廣播白頻譜頻段而制定的標(biāo)準(zhǔn)。

RuralConnect是Carlson公司基于IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)利用白頻譜頻段設(shè)計(jì)生產(chǎn)的為低人口密度地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)接入的無(wú)線通信設(shè)備。該設(shè)備利用空余的廣播電視頻段，由于該頻段的波長(zhǎng)在分米量級(jí)，相比普通WiFi的毫米波，分米波可以沿地面?zhèn)鞑资铮虼嗽撛O(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的無(wú)線網(wǎng)覆蓋。該設(shè)備僅需要很少的基礎(chǔ)設(shè)施就可以使用，能夠在較復(fù)雜的地形條件下實(shí)施無(wú)線覆蓋。本文使用此套設(shè)備進(jìn)行了基于白頻譜和IEEE802.22協(xié)議的超級(jí)WiFi實(shí)地測(cè)試。

1 IEEE802.22協(xié)議

IEEE802.22采用蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)單元由一個(gè)基站(Base Station， BS)和一個(gè)或多個(gè)用戶設(shè)備(Customer Premises Equipment， CPE)組成，用戶設(shè)備與基站相連并受其控制。基站通過(guò)下行鏈路向用戶設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，用戶設(shè)備通過(guò)上行鏈路向基站做出應(yīng)答。由于通信需要使用未被占用的授權(quán)頻段，所有用戶設(shè)備采用的傳輸頻段、調(diào)制方式、編碼方式都由基站控制[1-5]。

IEEE802.22 的基站參考架構(gòu)如圖1所示，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平面(Data Plane)和控制平面(Management/Control Plane)的基礎(chǔ)上，增加了認(rèn)知平面(Cognitive Plane)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)IEEE802.22的認(rèn)知無(wú)線電功能。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平面主要包括物理層(PHY)，媒體訪問(wèn)控制層(MAC)以及更高層次的IP層等層次結(jié)構(gòu)。其中MAC層還可以分為集合子層(Convergence Sublayer，CS)、公共部分子層(Common Part Sublayer， CPS)和安全子層1(Security Sublayer 1，SS1)3個(gè)子層。不同層次之間通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(Service Access Point，SAP)進(jìn)行信息交換。控制平面主要包括控制信息庫(kù)(Management Information Base， MIB)，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)主要用來(lái)與MIB進(jìn)行溝通，從而能夠完成對(duì)基站、用戶設(shè)備、路由器等的控制功能。MIB主要用于進(jìn)行系統(tǒng)配置，監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通知、會(huì)話管理等工作。

認(rèn)知平面主要包括4個(gè)組成部分，分別是頻譜感知功能(Spectrum Sensing Function， SSF)、地理定位功能(Geolocation， GL)、頻譜管理和頻譜感知自動(dòng)機(jī)(Spectrum Manager /Spectrum Sensing Automaton， SM/SSA)和一個(gè)專用的安全子層2(Security Sublayer 2，SS2)。其中SM/SSA 負(fù)責(zé)最為核心的工作，比如保持頻譜可用信息、信道選擇、信道管理、調(diào)度頻譜感知作業(yè)和接入數(shù)據(jù)庫(kù)等。

物理層協(xié)議方面，IEEE802.22采用時(shí)分雙工正交頻分多址的方式接入，使用2 048個(gè)OFDM子載波，可以支持BPSK，QPSK，16-QAM，64-QAM 4種調(diào)制方式(BPSK主要用于前導(dǎo)符號(hào))，采用的碼率主要為1/2，2/3，3/4，5/6。根據(jù)不同的調(diào)制方式和碼率的組合，IEEE802.22定義了16種傳輸模式，其中有4種主要用于控制信號(hào)的傳輸，其他12種用于數(shù)據(jù)的傳輸。在不同的物理層模式下，IEEE802.22系統(tǒng)(6 MHz帶寬下)的理論數(shù)據(jù)速率為4.54～22.69 Mbit/s不等，頻譜效率為0.76～3.78 bit/(s·Hz)。IEEE802.22提供自適應(yīng)的調(diào)制編碼技術(shù)，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中可以靈活地選取傳輸模式，以取得最優(yōu)的傳輸效果。

由于世界各地使用的電視廣播頻段(6 MHz，7 MHz，8 MHz)不盡相同，IEEE802.22針對(duì)3種不同的帶寬，定義了不同的采樣速率、子載波間隔、符號(hào)周期和時(shí)間單位。同時(shí)針對(duì)不同時(shí)延的傳播信道，IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)定義了4種不同長(zhǎng)度的循環(huán)前綴，分別是符號(hào)周期的1/4，1/8，1/16和1/32。IEEE802.22系統(tǒng)采用的過(guò)采樣因子、幀結(jié)構(gòu)、交織方式與現(xiàn)有大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)較為相似。

MAC層上，頻譜感知是IEEE802.22重要的MAC層協(xié)議，同時(shí)也是其重要的認(rèn)知特性。頻譜感知是BS和CPE通過(guò)對(duì)無(wú)線電頻譜掃描，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存信號(hào)，判斷信道是否被占用的過(guò)程，目前包括盲檢測(cè)和特征信號(hào)檢測(cè)2種技術(shù)。盲檢測(cè)技術(shù)主要包括能量檢測(cè)技術(shù)、特征值檢測(cè)技術(shù)和多分辨率檢測(cè)技術(shù)；特征信號(hào)檢測(cè)技術(shù)依賴于特定的信號(hào)特性，主要有2種工作模式，分別是改進(jìn)的交叉相關(guān)方法和信號(hào)特征與能量相結(jié)合的方法。一般情況下，頻譜感知工作由基站和用戶設(shè)備共同進(jìn)行，但由基站管理SSA的感知行為，BS和CPE需要感知3種不同的授權(quán)用戶頻譜，分別是模擬電視頻譜、數(shù)字電視頻譜和授權(quán)的低功率輔助設(shè)備的頻譜。頻譜感知的性能主要由感知接收機(jī)的靈敏度、信道檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)到授權(quán)用戶的概率和未檢測(cè)到授權(quán)用戶的概率這4個(gè)參數(shù)來(lái)衡量。

在頻譜感知之后，IEEE802.22系統(tǒng)還需要進(jìn)行有效的頻譜管理。IEEE802.22協(xié)議有2種頻譜管理模式，分別是嵌入式模式和外在模式。嵌入式模式將頻譜管理的信息通過(guò)MAC幀進(jìn)行傳遞，由于不需要單獨(dú)發(fā)送頻譜管理信息，因頻譜利用率較高。外在模式則是基站需要向用戶設(shè)備發(fā)送頻譜管理信息，因而頻譜利用率不如嵌入式模式。為了進(jìn)行有效的管理，IEEE802.22定義了頻譜集合進(jìn)行頻譜信息的記錄，并且需要基站和用戶設(shè)備對(duì)相應(yīng)的頻譜集合進(jìn)行定時(shí)更新。

2 Carlson RuralConnect設(shè)備原理

Carlson RuralConnect是一部通過(guò)軟件控制，基于IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)在白頻譜頻段工作的無(wú)線通信設(shè)備，具體實(shí)現(xiàn)與IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。整個(gè)系統(tǒng)工作在470～786 MHz的白頻譜高頻，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下頻譜間隔不同，如美國(guó)為6 MHz，歐洲為8 MHz。通信可以采用BPSK、QPSK和16QAM的調(diào)制方式，數(shù)據(jù)率可以選擇4，6，8，12，16 Mbit/s，具體控制可動(dòng)態(tài)調(diào)整也可預(yù)先設(shè)定。在接收靈敏度方面，當(dāng)使用QPSK調(diào)制碼率為1/2時(shí)，在10-6誤碼率下，理論接收靈敏度可以達(dá)到-89 dBm；使用16QAM調(diào)制碼率為1/2時(shí)，在10-6誤碼率下，接收靈敏度可以達(dá)到-86 dBm。使用WPA2/AES-128 bit進(jìn)行安全加密。該設(shè)備能夠利用空閑的廣播電視頻段完成通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋等任務(wù)。由于該頻段的波長(zhǎng)在分米量級(jí)，相比WiFi的毫米波，分米波可以沿地面?zhèn)鞑资铮虼嗽撛O(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。該設(shè)備僅需要很少的基礎(chǔ)設(shè)施就可以使用，能夠在較復(fù)雜的地形條件下完成無(wú)線覆蓋[6]。

RuralConnect設(shè)備主要由基站、用戶設(shè)備、頻譜管理數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成。

基站主要用來(lái)與用戶設(shè)備進(jìn)行溝通，建立無(wú)線連接并發(fā)送數(shù)據(jù)信息，同時(shí)需要通過(guò)以太網(wǎng)連接頻譜管理數(shù)據(jù)庫(kù)。基站需要安裝有工作在廣播電視頻段470～786 MHz的外部天線，工作頻段可以根據(jù)使用地區(qū)情況改變。基站工作時(shí)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口連接到互聯(lián)網(wǎng)，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)基站編碼，利用天線傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)用戶設(shè)備，用戶設(shè)備接收數(shù)據(jù)解碼后即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。基站工作前需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)取得可用頻段列表，之后在許可的空余頻段傳輸數(shù)據(jù)。由于不同地區(qū)、不同環(huán)境下能夠使用的頻段不同，因此基站可以根據(jù)使用頻段自行調(diào)整調(diào)制速率。

用戶設(shè)備主要用于在分散的地區(qū)與基站進(jìn)行通信，從基站獲取數(shù)據(jù)信息。用戶設(shè)備提供輸入天線的接口、電源接口和以太網(wǎng)輸出接口，通過(guò)以太網(wǎng)接口輸出從基站接收道德數(shù)據(jù)信息。不需要外部物理控制，所有控制、配置和管理選項(xiàng)都通過(guò)基站處理。通過(guò)LED指示燈顯示接收信號(hào)情況，一半燈亮表示建立可靠連接，全亮表示達(dá)到最大帶寬。

頻譜管理數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)基站和用戶設(shè)備的地理位置，提供可供選擇的允許的頻譜信息，設(shè)備使用時(shí)，基站通過(guò)以太網(wǎng)連接頻譜管理數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)地理位置信息查詢當(dāng)前情況下可供使用的頻譜信息，之后基站使用內(nèi)置的無(wú)線電頻譜感知器，感知此時(shí)未被占用的頻段，選擇合適的頻段和功率建立無(wú)線通信。

根據(jù)IEEE802.22協(xié)議，通信系統(tǒng)需要對(duì)基站和用戶設(shè)備進(jìn)行定位，主要有2種方式，分別是基于衛(wèi)星的地理定位和基于地面的地理定位。在基于衛(wèi)星的地理定位方法中，基站和用戶設(shè)備需要根據(jù)衛(wèi)星的地理定位信息，來(lái)確定半徑50 m范圍內(nèi)的發(fā)射天線的經(jīng)緯度信息和海拔信息。IEEE802.22通信系統(tǒng)需要通過(guò)這些地理定位信息來(lái)確定用戶設(shè)備的位置。衛(wèi)星地理定位天線需要和發(fā)射天線以及辨向天線在1 m的范圍內(nèi)進(jìn)行同地協(xié)作。RuralConnect設(shè)備在使用之前，需要對(duì)基站和用戶設(shè)備的地理位置進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)以太網(wǎng)連接在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行注冊(cè)。

在實(shí)際使用過(guò)程中，無(wú)線通信信號(hào)易受衰落和多徑信道的影響。RuralConnect設(shè)備使用一種自適應(yīng)的單載波頻域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization)的方式進(jìn)行信道均衡，來(lái)抵抗衰落和多徑信道的影響，從而能夠在遮擋物較多的情況下提供較為可靠的無(wú)線通信。

3 實(shí)驗(yàn)室和場(chǎng)地測(cè)試情況

3.1 基本參數(shù)測(cè)試

為了檢驗(yàn)RuralConnect設(shè)備的基本特性，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其雙工方式為TDD (時(shí)分復(fù)用)，多用戶復(fù)用方式采用TDMA(時(shí)分多址)。測(cè)試中由于信號(hào)時(shí)分復(fù)用帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題是設(shè)備的信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，對(duì)測(cè)量帶來(lái)一定的影響，只能大致測(cè)量出信號(hào)的輸出功率為30 dBm(1 W)左右。設(shè)備數(shù)據(jù)接口為10/100 Mbit/s以太網(wǎng)，使用正常的網(wǎng)線接入基站。

經(jīng)過(guò)測(cè)量，信道的頻段范圍為UHF 470～786 MHz，信道帶寬8 MHz，有效帶寬7 MHz，工作時(shí)可選擇BPSK，QPSK和16QAM 3種不同的調(diào)制方式，同時(shí)可設(shè)置碼率為1/2或3/4的信道編碼，數(shù)據(jù)率包括4， 6， 8， 12， 16 Mbit/s 5種。

目前，RuralConnect設(shè)備支持用戶數(shù)為20，可通過(guò)更改軟件獲得更多的用戶支持。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中有2個(gè)CPE，所以在之后的測(cè)試中進(jìn)行了2個(gè)用戶工作時(shí)情況的測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，RuralConnect設(shè)備端到端的延遲約為30～100 ms，延遲與數(shù)據(jù)流量有關(guān)。

3.2 實(shí)驗(yàn)室閉路測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室閉路測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建的閉路射頻測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行的。利用測(cè)試平臺(tái)，可以模擬出數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾w系，使被測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備得到嚴(yán)格、精確、可重現(xiàn)的測(cè)試。作為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)路測(cè)試的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室閉路測(cè)試的結(jié)果能夠很大程度上反映出該系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析具有指導(dǎo)意義。

制定了完善的測(cè)試方案、準(zhǔn)備好可靠的測(cè)量?jī)x器和設(shè)備后，在實(shí)驗(yàn)室的封閉環(huán)境下搭建系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室符合電磁兼容的要求，測(cè)試平臺(tái)具有良好的工作接地系統(tǒng)，交流供電電源穩(wěn)定，保證了良好的測(cè)試環(huán)境。在基站和CPE上不使用天線，直接使用光纖將基站和CPE的數(shù)據(jù)接口連接，采用支持?jǐn)?shù)據(jù)率、接受靈敏度和鄰道干擾情況作為RuralConnect設(shè)備性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)RuralConnect設(shè)備的發(fā)射性能、接收性能、干擾特性和抗干擾特性進(jìn)行了測(cè)試，設(shè)備情況如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備情況(照片)

首先，在上行和下行的SNR約為30 dB的條件下，分別對(duì)不同調(diào)制方式、不同信道編碼碼率條件下的上行和下行傳輸速率進(jìn)行測(cè)試。在各種調(diào)制方式和信道編碼碼率的條件下，系統(tǒng)的下行速率基本可以達(dá)到100～300 kbit/s，而隨調(diào)制方式和信道編碼碼率的改變，上行速率在100～1 200 kbit/s，各種條件下測(cè)得的上行速率也滿足理論分析的結(jié)果。在使用BPSK的調(diào)制方式時(shí)，上行速率在100～300 kbit/s；使用QPSK的調(diào)制方式時(shí)，上行速率在300～800 kbit/s；而采用16QAM的調(diào)制方式時(shí)，上行速率更是能達(dá)到700～1 200 kbit/s，能夠滿足大部分情景下對(duì)于信息的傳遞速率的需求。

接著，有線傳輸線路上加上衰減器，以進(jìn)行在實(shí)驗(yàn)室封閉條件下對(duì)RuralConnect設(shè)備的接收靈敏度測(cè)試。在基站采用16QAM的調(diào)制方式、1/2的信道編碼碼率時(shí)，調(diào)節(jié)衰減器至-85 dBm，根據(jù)2個(gè)CPE接受到的數(shù)據(jù)的丟包情況判斷，此時(shí)CPE已無(wú)法正常接收基站發(fā)出的數(shù)據(jù)，接收靈敏度為 -85 dBm； 在QPSK調(diào)制，1/2信道編碼碼率的條件下，接收靈敏度為-91 dBm。

此外，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器，從RuralConnect設(shè)備的控制平臺(tái)上讀取此時(shí)的SNR，對(duì)不同調(diào)制方式、不同信道編碼碼率條件下丟包情況進(jìn)行檢測(cè)，獲得了不同SNR下應(yīng)該選擇的設(shè)置及其上行速率，如表1所示。

表1 不同SNR和模式下測(cè)試結(jié)果

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

從表1可以看出，在信道編碼碼率相同的情況下采用不同的調(diào)制方式能獲得的上行速率16QAM>QPSK>BPSK；而在相同的調(diào)制方式下，信道編碼碼率越高，上行速率越大，但所需的SNR也更高。采用16QAM的調(diào)制方式對(duì)于SNR的要求高于QPSK與BPSK，不進(jìn)行信道編碼相比進(jìn)行信道編碼的設(shè)置也需要更高的SNR。

最后，為了檢驗(yàn)RuralConnect設(shè)備在附近存在模擬或數(shù)字鄰頻廣播時(shí)的性能，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)RuralConnect設(shè)備的鄰道干擾性能進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)設(shè)置相隔2個(gè)頻道的TV發(fā)射進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，頻道在其相隔2個(gè)的頻道有-50 dBm的干擾，說(shuō)明相隔2個(gè)頻道的TV發(fā)射功率可相差-50 dBm， RuralConnect設(shè)備具有較好的抗鄰道干擾的性能。

3.3 場(chǎng)地測(cè)試

在真實(shí)環(huán)境中，信號(hào)受到地區(qū)、時(shí)間、天氣等不同因素的影響，采用不同的天線也將接收到不同強(qiáng)度的信號(hào)，同時(shí)真實(shí)環(huán)境中還將有動(dòng)態(tài)多徑和多普勒頻移的影響。因此，在實(shí)驗(yàn)室閉路環(huán)境下測(cè)試了RuralConnect設(shè)備的支持?jǐn)?shù)據(jù)率和接受靈敏度等基本性能后，從支持?jǐn)?shù)據(jù)率、接受靈敏度和鄰道干擾情況看來(lái)，RuralConnect設(shè)備能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆＝又M(jìn)行場(chǎng)地測(cè)試，以驗(yàn)證RuralConnect設(shè)備利用廣電白頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是否能適用于復(fù)雜的地理環(huán)境中，能否在建筑物內(nèi)部或樓宇間進(jìn)行滿足需求的數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)路測(cè)試的主要測(cè)試方式是讓發(fā)射機(jī)發(fā)送一定功率的測(cè)試信號(hào)，接收機(jī)在具有城市、郊區(qū)和農(nóng)村典型特征的不同地點(diǎn)進(jìn)行固定點(diǎn)接收測(cè)試，或在多條路徑上進(jìn)行移動(dòng)接收測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要利用主觀判據(jù)對(duì)接收數(shù)據(jù)的丟包情況進(jìn)行判斷，記錄接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)和頻譜，同時(shí)在固定點(diǎn)測(cè)試時(shí)主要記錄接收機(jī)端功率裕量，在移動(dòng)測(cè)試時(shí)主要記錄位置信息。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以了解環(huán)境因素對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，測(cè)量覆蓋范圍，判斷系統(tǒng)性能，進(jìn)一步了解改進(jìn)系統(tǒng)性能的方法。結(jié)合RuralConnect設(shè)備的用途，在場(chǎng)地測(cè)試中主要進(jìn)行了覆蓋測(cè)試，了解RuralConnect設(shè)備的適用環(huán)境。

首先，在建筑樓內(nèi)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試，使用天線進(jìn)行基站和CPE間的信息傳遞，載波選擇46頻道(載波頻率 674 MHz)， 采用QPSK 1/2編碼，在實(shí)驗(yàn)室樓道內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)路測(cè)試。測(cè)試中，基站固定于一個(gè)位置，將CPE放置于手推車上，在同一層的樓道上進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備情況如圖3所示。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信道的信噪比小于5.5 dB后，CPE無(wú)法正常接收基站發(fā)出的數(shù)據(jù)。可見(jiàn)RuralConnect設(shè)備在樓內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸性能較好，能在一定程度上滿足建筑物內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸需求。

圖3 樓內(nèi)測(cè)試設(shè)備情況(照片)

接著重點(diǎn)進(jìn)行了場(chǎng)地測(cè)試，測(cè)試基站在遮擋較少的情況下能夠達(dá)到的覆蓋范圍。將基站放置于清華大學(xué)東主樓樓頂(高度40 m)，基站采用全向天線，CPE采用八木天線，2種天線如圖4所示。

圖4 基站全向天線和CPE使用的八木天線

全向天線具有無(wú)方向，在水平方向圖上360°均勻輻射，垂直方向圖上為有一定寬度的波束。全向天線通過(guò)減小垂直方向上的增益，提高了水平方向上的增益，因此能獲得較大的覆蓋范圍，同時(shí)由于其價(jià)格低廉，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中被廣泛運(yùn)用。在基站上采用全向天線，使得基站發(fā)出的數(shù)據(jù)在360°的方向上都具有較大的覆蓋范圍。

八木天線由一個(gè)有源振子、一個(gè)無(wú)源反射器和若干個(gè)無(wú)源引向器平行排列而成，具有較好的方向性和較高的增益，在長(zhǎng)距離測(cè)試中可以擁有平坦的增益，并且，八木天線的體積較小，適合于放置在汽車等交通工具上，因此常用于測(cè)量不同方向的遠(yuǎn)距離通信，因此在CPE上使用了八木天線。

將CPE放置于汽車上，選擇了幾條不同的路線，駕駛汽車外出測(cè)量，記錄下CPE仍可正常接收基站發(fā)出的數(shù)據(jù)的范圍，大致情況如圖5所示(起點(diǎn)A為清華大學(xué)東主樓)。

圖5 樓外測(cè)試情況(截圖)

可以看出，基站在遮擋較少的情況下有較大的覆蓋方位，覆蓋半徑能夠達(dá)到5 km左右，可見(jiàn)RuralConnect設(shè)備利用廣電白頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑谌丝诿芏容^低、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性要求不是很高的地區(qū)，有較好的適用性。但是，在遮擋較多的路線上，RuralConnect設(shè)備的覆蓋半徑僅為2～3 km，遮擋對(duì)于RuralConnect設(shè)備的性能影響較大。

為更好地測(cè)試RuralConnect設(shè)備的適用條件，分析RuralConnect設(shè)備能否在農(nóng)村等地區(qū)發(fā)揮較好的數(shù)據(jù)傳輸作用，仍需要在農(nóng)村、森林等不同環(huán)境下開(kāi)展進(jìn)一步的測(cè)試，獲得更多的RuralConnect設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

隨著社會(huì)無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜資源越來(lái)越緊張，在現(xiàn)有條件下如何充分動(dòng)態(tài)地利用授權(quán)頻段的空閑部分，提高白頻譜頻段的資源利用率，建立基于白頻譜和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的超級(jí)WiFi通信成為了解決頻譜緊張問(wèn)題的重要途徑。本文介紹了白頻譜和IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)提出的背景和主要技術(shù)內(nèi)容，闡述了基于IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)的Carlson RuralConnect 超級(jí)WiFi設(shè)備的工作原理，利用該設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和場(chǎng)地測(cè)試及整理，給出超級(jí)WiFi和白頻譜設(shè)備在不同的環(huán)境不同模式下的數(shù)據(jù)率、接收靈敏度和鄰道干擾等信息，希望能為我國(guó)開(kāi)展超級(jí)WiFi和白頻譜通信應(yīng)用提供技術(shù)參考。

[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.

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責(zé)任編輯：閆雯雯

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

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目；國(guó)家電網(wǎng)公司“基于電力線通信的能源物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目

TN925

B

10.16280/j.videoe.2015.16.024

2015-07-14

【本文獻(xiàn)信息】王騰蛟，蔡培翔，馬駿，等.基于白頻譜的超級(jí)WiFi技術(shù)研究及實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證[J].電視技術(shù),2015，39(16).