IEEE 802.22标准与认知无线电技术

IEEE802.22标准与认知无线电技术张旭[e-mail]内容安排•802.22与WRAN概述•802.22的空中接口（物理层和MAC层）•面向802.22的仿真平台I802.22与WRAN概述1802.22的标准化进程工作组成立背景：对频率资源的使用极度不平衡May/2004FCC通过了电视频段的NPRM(theTVbandNoticeofProposedRuleMaking)，允许非授权系统利用电视频段工作，前提是不对该频段的授权系统造成有害干扰November/2004IEEE-SA批准成立IEEE802.22工作组December/2006802.22工作组通过D1.0标准草案2802.22的定义范围和工作目标•802.22标准定义了工作在54MHZ-862MHzVHF/UHF电视频段范围内的，固定式点-多点的无线区域网(WRAN,WirelessRegionalAreaNetworks)的空中接口（包括物理层和MAC层）•802.22标准旨在制定WRAN通信系统的相关标准，将WRAN系统部署在包括人口较少的乡村地区在内的各类地域，同时保证对工作在电视频段内的授权系统不造成有害干扰•802.22是WRAN范围内唯一的全球性标准，也是第一个真正将认知无线电技术投入实际应用的标准3WRAN的系统模型4WRAN的网络拓扑BS(BaseStation)–CPE(CustomerPremiseEquipment)5WRAN的系统容量和覆盖范围按照802.22功能需求文件定义，WRAN系统应满足：•大覆盖范围：典型覆盖半径17km-30km，最远可达100km•可与ADSL匹敌的的传输速率：用户平均下行速率1.5Mbps，平均上行速率384kbps•平均频谱效率：2bps/Hz6WRAN与其他无线系统的区别和联系II802.22的空中接口802.22空中接口的分层体系结构ConvergenceSub-LayerBridge(e.g.,802.1d)MLMEPLMEMACPHYMLME-PLMESAPPHYSAPMACSAPHigherLayers:IP,ATM,1394,etc.SMESME-PLMESAPSME-MLMESAPSpectrumManager(BS)/SpectrumAutomaton(CPE)Geo-LocationSSF为了支持认知无线电，802.22引入——两个新模块：定位和频谱感知函数一个新实体：频谱管理802.22协议栈各层功能802.22中的“新”概念•物理层：两步检测信道绑定定位/地理位置数据库•MAC层频谱管理CBP无线电礼仪分簇同802.16标准相比，802.22中的以下内容是新提出的或是作出重要革新的，值得关注802.22的物理层1物理层信号处理的流程随机化生成多项式FECCC;CTC;LDPC;SBTC交织分组交织1.1信道编码15141XX++1.2星座映射数据部分：QPSK;16QAM;64QAM前导码和导频部分：BPSK16-QAM0123456789101112131415b0-1b2-3000111100001111001234567891011121314151.3OFDM符号及其参数OFDM符号的时域描述TFFTTCPTSYM280.000252.000238.000231.0008MHz320.000288.000272.000264.0007MHz373.333336.000317.333308.0006MHzTSYM=TFFT+TCP(μs)CP=TFFT/4CP=TFFT/8CP=TFFT/16CP=TFFT/321.3OFDM符号及其参数（续）OFDM符号的频域描述子载波分类：数据子载波；导频子载波；防护子载波和未用子载波7.5046.5665.625Signalbandwidth(MHz)240No.ofpilotsub-carriers,NP1440No.ofdatasub-carriers,ND1680No.ofusedsub-carriers,NT=ND+NP368(184,1,183)No.ofguardsub-carriers,NG(L,DC,R)2048Totalno.ofsub-carriers,NFFT876TVchannelbandwidth(MHz)1.3OFDM符号及其参数（续）1000/(8x106*8/7)=109.3751000/(7x106*8/7)=1251000/(6x106*8/7)=145.833…TimeUnit(ns)TU=TFFT/2048=224.000=256.000≈298.666…FFT/IFFTperiod,TFFT(μs)=1/ΔF(8x106*8/7)/2048≈4464.286(7x106*8/7)/2048≈3906.25(6x106*8/7)/2048≈3348.214Inter-carrierspacing,ΔF(Hz)8*8/7=9.1448577*8/7=86*8/7=6.857143Basicsamplingfrequency(MHz)8MHzbasedchannels7MHzbasedchannels6MHzbasedchannels子载波间隔和FFT周期1.4OFDMA子载波分配•子信道化：28个连续子载波（包括24个数据子载波和4个导频子载波）为一个子信道•导频格式（右图）：以7子载波×7符号为单元重复•子信道交织算法：OFDMASymbolSubcarrier01234560123456DatasubcarrierPilotsubcarrier(),()jpqIk2不同编码调制下的数据速率3.7822.695/664-QAM143.4020.42¾64-QAM133.0318.152/364-QAM122.2713.61½64-QAM112.5215.135/616-QAM102.2713.61¾16-QAM92.0212.102/316-QAM81.519.08½16-QAM71.267.565/6QPSK61.136.81¾QPSK51.016.052/3QPSK40.764.54½QPSK30.251.51½QPSK220.764.54UncodedBPSK11SpectralEfficiency(for6MHzbandwidth)Datarate(Mb/s)CodingRateModulationPHYMode3物理层频谱感知•什么是频谱检测？频谱检测是对一个电视频道的频谱占用情况进行观察，以确定该频道是否被授权用户或者其他WRAN设备占用的过程•sensing与detection的区别3.1频谱感知函数BS和CPEs都要实现频谱感知函数频谱感知函数的输入来自SM（对于CPE即SA），输出返回SM3.2两阶段的频谱感知机制•粗检(coarsesensing)强调感知时间，以快速确定候选信道•细检(finesensing)只针对粗检得出的候选信道，用来感知较弱的信号，以确定该信道无授权信号，确保对授权信号无干扰3.3202.22草案推荐的频谱感知技术•盲感知技术9能量感知9特征值感知9多分辨率感知•特定信号感知技术9对ATSC导频的感知9对ATSC信号序列特征的感知9对ATSC循环平稳特性的感知9对无线话筒信号的感知3.4定位•定位的目的：为了确定WRAN系统的BS和CPEs的具体地理位置，以及WRAN系统与授权系统之间的相对位置，以确保各条通信链路不对授权用户造成有害干扰•实现方式9在物理层采用卫星式定位(GPS)（必选）9在MAC层利用测距信息和CBP来确定BS和CPE之间，各CPEs之间的距离，从而绘制出地理位置图（可选）3.4.1定位的一个应用——EIRP控制•出发点：对授权用户的保护•做法：根据授权系统的noisecontour，划定不同的地理范围，对处在不同范围的BS和CPE采用不同的EIRP控制策略。BS和CPE的控制流程相似，只是具体的范围限有不同802.22的MAC层1MAC层的超帧结构frame0Superframen-1SuperframenSuperframen+1...Time...SuperframePreambleSCH...FramePreambleFramePreamble160msframe110msframe15FramePreamble一个超帧应包括三个主要部分：前导码preamble包括超帧前导和每帧的帧前导超帧控制头SCHCPE通过与SCH同步，与BS建立连接MAC帧包括普通的数据传输，检测数据，以及共存处理2MAC层的帧结构framen-1framenframen+1...Time...DSPHYPDUPreambleFCHDSburst1DSburst2DSburstx...UDCDCDMACPDU1...MACPDUyPadMACHeaderMACPayloadCRCDSsubframeRangingslotsBWrequestslotsUSPHYPDU(CPEm)USPHYPDU(CPEp)...USsubframeUSburstMACPDU1...MACPDUkPadMACHeaderMACPayloadCRCSelf-coexistencewindowUCSNotificationSlotsUS-MAPDS-MAPMACBroadcastPDUTTGRTGTDD的MAC帧的时隙应分别分配给上行与下行通信，上/下行子帧长度不需要相等下行子帧只包括一个PHYPDU上行子帧包括初始化，带宽请求，UCS（紧急共存状态）通知，自共存窗口等，以及对不同CPE的PHYPDU3频谱管理SpectrumManager(SM)•BS端维护可用信道信息，信道分类与选择，关联控制，信道管理，解决自共存问题•CPE端(SpectrumAutomaton,SA)只包括基本功能（初始化；响应BS的请求和命令等）3.1维护可用信道信息SM需要聚合以下来源的信息：•授权系统数据库•地理位置数据库•频谱感知3.2信道分类与选择•可用信道集合根据频谱感知结果，被划分为以下几类：9Operating9Backup9Candidate9Occupied9Unclassified•信道选择应考虑的因素：当前可用信道信息；流量需求、地理位置信息、与相邻WRAN系统的自共存3.3关联控制•当CPE请求与BS建立关联时，BS的关联控制可以保护授权用户•BS查询授权系统数据库，根据CPE的地理位置信息，确定该CPE的接入是否会对该频段上的授权用户造成干扰；如果采用EIRP控制可以不造成干扰，那么BS应该确定该CPE的最大EIRP3.4信道管理•信道管理的动因：在保护授权用户的同时，需要考虑WRAN用户的QoS。•信道管理行为：9切换整个小区工作到一个新的信道上；9调整一个（或一组）CPE工作到一个新的信道上；9终止某个信道上的一个（或一组）CPE的工作；9向CPE通知信道状态更新4网络接入与初始化•802.22标准定义了WRAN系统中BS和CPE的初始化流程•对于WRAN系统来说，初始化过程中必须考虑在初始化信息的传输中对授权系统可能造成的干扰4.1BS的初始化流程9BS被专业人员安装完毕9确定BS的地理位置9确定是否存在授权信息数据库。如果存在，BS的SM实体根据数据库建立初始可用信道列表；如果不存在，则SM默认所有信道均可用9在可用信道列表中删除运营商禁止使用的信道9在可用信道列表中的所有信道上执行频谱感知，建立与相邻BS的同步9将更新后的可用信道列表提交给上层，确定工作信道9在选定的工作信道上开始工作4.2CPE的初始化流程5共存共存(Coexistence)•与授权系统之间的共存与之相关的概念和技术：频谱检测；频谱管理•WRAN系统之间的共存-自共存与之相关的概念和技术：CBP5.1频谱检测•静默期及静默期管理机制•检测信息的报告•检测恢复检测消息的流程BSCPEBLM-REQBLM-RSPBLM-REPMeasurem