IEEE 802.22标准与认知无线电技术

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noise contour，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
1 MAC层的超帧结构
1.3 OFDM符号及其参数（续）
子载波间隔和FFT周期
6 MHz based channels Basic sampling frequency (MHz) Inter-carrier spacing, ΔF (Hz) FFT/IFFT period, TFFT (μs)=1/ΔF Time Unit (ns) TU=TFFT/2048 6*8/7= 6.857143 (6x106*8/7)/2048 ≈ 3348.214 ≈ 298.666… 1000/(6x106*8/7)= 145.833… 7 MHz based channels 7*8/7= 8 (7x106*8/7)/2048 ≈ 3906. 25 = 256.000 1000/(7x106*8/7)= 125 8 MHz based channels 8*8/7= 9.144857 (8x106*8/7)/2048 ≈ 4464.286 = 224.000 1000/(8x106*8/7)= 109.375
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： 9 9 9 9 9 Operating Backup Candidate Occupied Unclassified
3 WRAN的系统模型
4 WRAN的网络拓扑
BS (Base Station ) – CPE (Customer Premise Equipment )
5 WRAN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/Hz
MA C SA P
MAC
MLME
Spectrum Manager(BS) /Spectrum Automaton(CPE)
SME-MLME SAP
PH Y SAP
MLME-PLME SAP
PHY SSF GeoLocation
PLME
SME-PLME SAP
802.22 协议栈各层功能
802.22中的“新”概念
1.4 OFDMA子载波分配
OFDMA Symbol
• 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：
( j) Ip , q (k )
0 0 Subcarrier 1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
5
6
Data subcarrier
Pilot subcarrier
2 不同编码调制下的数据速率
PHY Mode Modulation Coding Rate Data rate (Mb/s) Spectral Efficiency (for 6 MHz bandwidth)
11 22 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
IEEE 802.22标准 与认知无线电技术
张旭
tonycolinzhang@gmail.com
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
I
802.22与WRAN概述
1 802.22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/2004 FCC通过了电视频段的NPRM (the TV band Notice of Proposed Rule Making)，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/2004 IEEE-SA批准成立IEEE 802.22工作组 December/2006 802.22工作组通过D1.0标准草案
160 ms
...
Superframe n-1
Superframe n
Superframe n+1
...
Time
10 ms
frame 0
frame 1
. . .
frame 15
Superframe Preamble
Baidu Nhomakorabea
Frame Preamble
SCH
Frame Preamble
Frame Preamble
MAC Payload
CRC
TDD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PHY PDU 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PHY PDU
3 频谱管理
Spectrum Manager (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(Spectrum Automaton, SA) 只包括基本功 能（初始化；响应BS的请求和命令等）
6 WRAN与其他无线系统的区别和联系
II
802.22的空中接口
802.22空中接口的分层体系结构
Higher Layers:IP,ATM,1394, etc.
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
SME
Convergence Sub-Layer Bridge(e.g.,802.1d)
DS burst 2
...
DS burst x
US burst
DSMAP
USMAP
U D C
D C D
MAC Broadcast PDU
MAC PDU 1 MAC PDU 1 ... MAC PDU y Pad MAC Header MAC Payload
... MAC PDU k
Pad
CRC
MAC Header
1.2 星座映射
数据部分：QPSK; 16QAM; 64QAM 前导码和导频部分：BPSK
16-QAM 0 1 2
3 b2-3 00 b0-1
01 1 6 9 14
11 2 5 10 13
10 3 4 11 12
7
6
5
4 00 01 0 7 8 15
8
9
10
11 11 10
15
14
13
12
1.3 OFDM符号及其参数
TTG
Ranging slots BW request slots UCS Notification Slots
US subframe
US PHY PDU (CPE m)
...
US PHY PDU (CPE p)
Selfcoexistence window
R T G
Preamble
FCH
DS burst 1
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 • 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
802.22的物理层
1 物理层信号处理的流程
1.1 信道编码
随机化 FEC 交织
生成多项式 1 + X 14 + X 15 CC; CTC; LDPC; SBTC 分组交织
• 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EIRP
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SM
3.2 两阶段的频谱感知机制
• 粗检(coarse sensing)强调感知时间，以快速确定候选信 道 • 细检(fine sensing)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
OFDM符号的时域描述
TCP
TSYM
TFFT
CP = TFFT/32 6 MHz TSYM = TFFT + TCP (μs) 7 MHz 8 MHz 308.000 264.000 231.000
CP = TFFT/16 317.333 272.000 238.000
CP = TFFT/8 336.000 288.000 252.000
2 802.22的定义范围和工作目标
• 802.22标准定义了工作在54MHZ-862MHz VHF/UHF 电 视频段范围内的，固定式点-多点的无线区域网(WRAN, Wireless Regional Area Networks)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
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SCH CPE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
2 MAC层的帧结构
... frame n-1 frame n frame n+1 ... Time
DS subframe DS PHY PDU
BPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM
Uncoded ½ ½ 2/3 ¾ 5/6 ½ 2/3 ¾ 5/6 ½ 2/3 ¾ 5/6
4.54 1.51 4.54 6.05 6.81 7.56 9.08 12.10 13.61 15.13 13.61 18.15 20.42 22.69
CP = TFFT/4 373.333 320.000 280.000
1.3 OFDM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
TV channel bandwidth (MHz) Total no. of sub-carriers, NFFT No. of guard sub-carriers, NG (L, DC, R) No. of used sub-carriers, NT = ND+ NP No. of data sub-carriers, ND No. of pilot sub-carriers, NP Signal bandwidth (MHz) 5.625 6 7 2048 368 (184, 1, 183) 1680 1440 240 6.566 7.504 8
0.76 0.25 0.76 1.01 1.13 1.26 1.51 2.02 2.27 2.52 2.27 3.03 3.40 3.78
3 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
3.3 202.22草案推荐的频谱感知技术
• 9 9 9 • 9 9 9 9 盲感知技术 能量感知 特征值感知 多分辨率感知 特定信号感知技术 对ATSC导频的感知 对ATSC信号序列特征的感知 对ATSC循环平稳特性的感知 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）