楊大全

（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

IEEE 802.22.1協(xié)議是一種無線信標(biāo)協(xié)議，通過發(fā)送信標(biāo)信號(hào)來為工作在廣播電視頻段的低功率設(shè)備（如無線傳聲器）提供增強(qiáng)防護(hù)，以避免其受到非授權(quán)設(shè)備的干擾。工作在廣播電視頻段的非授權(quán)設(shè)備，例如基于IEEE 802.22 的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò) WRAN 設(shè)備[1－2]，通過檢測IEEE 802.22.1信標(biāo)信號(hào)，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(diào)整非授權(quán)設(shè)備的工作頻段，以避免發(fā)射無線的信號(hào)對(duì)已授權(quán)的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

按照計(jì)劃，將會(huì)為每個(gè)授權(quán)的低功率設(shè)備配置一個(gè)IEEE 802.22.1信標(biāo)設(shè)備。當(dāng)多個(gè)低功率設(shè)備需要同時(shí)工作時(shí)，將會(huì)有多個(gè)信標(biāo)設(shè)備同時(shí)工作。多個(gè)IEEE 802.22.1信標(biāo)設(shè)備將構(gòu)成隨建即連（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各個(gè)信標(biāo)需要保護(hù)的設(shè)備信息進(jìn)行合并。IEEE 802.22.1協(xié)議定義了信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的建立與維持的基本流程，信標(biāo)設(shè)備的實(shí)施者需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況制定Ad Hoc通信過程中的競爭判決準(zhǔn)則，既要考慮信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的通信效率，也需要考慮WRAN等設(shè)備在對(duì)信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別的同時(shí)不會(huì)對(duì)正常通信產(chǎn)生較大的影響。

1 IEEE 802.22.1信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)

1.1 信標(biāo)協(xié)議

IEEE 802.22.1 信標(biāo)設(shè)備被稱為 PD（Protecting De?vice，防護(hù)設(shè)備），PD有兩種工作狀態(tài)：PPD（Primary PD，主防護(hù)設(shè)備）狀態(tài)和SPD（Secondary PD，次防護(hù)設(shè)備）狀態(tài)。一個(gè)信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)PPD，可能有多個(gè)SPD。圖1描繪了IEEE 802.22.1信標(biāo)設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的PPD負(fù)責(zé)發(fā)送時(shí)隙的調(diào)度，并進(jìn)行信息匯聚，形成網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（PPD信標(biāo)）；SPD定期申請(qǐng)信標(biāo)發(fā)送權(quán)，發(fā)送SPD信標(biāo)。由PPD設(shè)備選擇一個(gè)SPD作為NPD（Next－in－line PD，備選設(shè)備），當(dāng)該P(yáng)PD停止工作時(shí)NPD轉(zhuǎn)換成為PPD，調(diào)度其他SPD繼續(xù)信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

1.2 競爭準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)

1.2.1 成為PPD

按照IEEE 802.22.1協(xié)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(biāo)網(wǎng)絡(luò)，也可以選擇成為SPD加入某個(gè)已經(jīng)存在的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)（圖1中的①號(hào)判決點(diǎn)）。從PD設(shè)計(jì)的角度看，選擇建立新的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)起來最簡單，如果每個(gè)PD都選擇建立新的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，就意味著PD設(shè)備可以各自獨(dú)立發(fā)送信標(biāo)信號(hào)而不需要與其他PD設(shè)備相互通信。但實(shí)際上，如果同一頻點(diǎn)上存在多個(gè)不同的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，將會(huì)使WRAN等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)IEEE 802.22.1信標(biāo)信號(hào)的檢測和解析時(shí)間成倍地增加，有可能會(huì)影響WRAN等網(wǎng)絡(luò)的正常通信。盡管采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，同一頻點(diǎn)上的PD設(shè)備通過使用不同的擴(kuò)頻序列可以互不干擾地同時(shí)發(fā)送信號(hào)，但實(shí)際上IEEE 802.22.1協(xié)議只定義了一套擴(kuò)頻序列，新生成的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)對(duì)同一頻點(diǎn)上已有的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。

因此，作為PD設(shè)備，在初始化時(shí)如果在工作頻段上檢測到已有信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，最好的策略是成為SPD，嘗試加入已存在的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。另一方面，不論是SPD還是PPD，都需要設(shè)計(jì)通信異常處理機(jī)制，以防有新的PD主動(dòng)成為PPD建立新的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測到信標(biāo)之間無法正常通信時(shí)，最好采取“回退”的方式：主動(dòng)靜默，重新開始初始化搜索，不論是SPD還是曾經(jīng)的PPD，都將嘗試加入新的PPD建立的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，從而確保一個(gè)頻點(diǎn)上只有一個(gè)信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，以保證信標(biāo)信息的可用。對(duì)于SPD而言，由于出現(xiàn)新的PPD而造成的無法正常通信的情形與IEEE 802.22.1標(biāo)準(zhǔn)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(fā)送SPD信標(biāo)

在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的初始發(fā)送期間，PPD發(fā)送的超幀不包含設(shè)備間通信時(shí)隙，初始發(fā)送期間結(jié)束后，PPD發(fā)送的超幀包含設(shè)備間通信時(shí)隙，在設(shè)備間通信時(shí)隙SPD發(fā)出發(fā)送請(qǐng)求，PPD向選定的SPD發(fā)送確認(rèn)，收到確認(rèn)的SPD在隨后的一個(gè)超幀發(fā)送期間發(fā)送信標(biāo)幀（圖1中的②號(hào)判決點(diǎn)）。多個(gè)SPD同時(shí)發(fā)出發(fā)送請(qǐng)求時(shí)將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞，較可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的場景主要有：SPD申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)競爭初次信標(biāo)發(fā)送權(quán)；SPD信息的定期報(bào)告；SPD信息出現(xiàn)變更；SPD信標(biāo)錯(cuò)誤重傳。盡管IEEE 802.22.1協(xié)議中并沒有要求SPD對(duì)網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)信息進(jìn)行匯聚，但通過檢測網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)SPD的活動(dòng)，可以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)陌l(fā)送申請(qǐng)策略，降低數(shù)據(jù)碰撞的概率，從而提高系統(tǒng)的通信效率。

作為SPD設(shè)備，在其數(shù)據(jù)庫中維護(hù)一個(gè)SPD的列表，對(duì)每個(gè)SPD按照加入信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間進(jìn)行排序。在進(jìn)行SPD信息的定期報(bào)告時(shí)，每個(gè)SPD根據(jù)加入信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的先后順序依次提出發(fā)送請(qǐng)求，這樣可以減少由于SPD信息的定期報(bào)告而出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的概率。作為PPD設(shè)備，在檢測到多個(gè)SPD同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，優(yōu)先選定信息出現(xiàn)變更的SPD，其次選擇請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的SPD，最后選擇做定期報(bào)告的SPD。做定期報(bào)告的SPD如果在提出發(fā)送申請(qǐng)時(shí)沒有被選定，則依次延遲一個(gè)超幀再重新申請(qǐng)。PPD使用這種調(diào)度策略可以快速地處理由競爭初次信標(biāo)發(fā)送權(quán)或報(bào)告SPD信息出現(xiàn)變更而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碰撞，避免其未被選定后重新嘗試提出發(fā)送請(qǐng)求而再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞。

如果發(fā)生SPD信標(biāo)傳送錯(cuò)誤，PPD沒有正確接收SPD信標(biāo)，從而不會(huì)將該SPD的信息匯聚到網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)內(nèi)容中。如果SPD是新加入或者是發(fā)生了信息變更，SPD通過檢測下一個(gè)超幀中PPD發(fā)送的信標(biāo)是否包含了自身信標(biāo)信息，才能判斷之前的信標(biāo)發(fā)送是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。文獻(xiàn)[4]中介紹了一種自定義的協(xié)議擴(kuò)充方案，PPD在SPD發(fā)送信標(biāo)后的應(yīng)答時(shí)隙發(fā)送NSR（未正確接收），除之前發(fā)送信標(biāo)的SPD之外其余SPD不再發(fā)起發(fā)送請(qǐng)求，從而避免由于該SPD發(fā)起請(qǐng)求重傳信標(biāo)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碰撞。為保證更好的兼容性，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)中定義的繼續(xù)（Go－on）應(yīng)答機(jī)制。Go－on原本是在SPD申請(qǐng)占用下一個(gè)超幀時(shí)繼續(xù)發(fā)送信標(biāo)，由PPD發(fā)出的許可應(yīng)答。在出現(xiàn)SPD信標(biāo)接收不正確時(shí)，可以由PPD主動(dòng)發(fā)出Go－on，之前發(fā)送信標(biāo)SPD收到PPD主動(dòng)發(fā)出的Go－on后重新發(fā)送之前的信息，而其他SPD則依次延遲一個(gè)超幀再發(fā)起發(fā)送申請(qǐng)。這種方案的兼容性更好，也可以更好地避免數(shù)據(jù)碰撞的出現(xiàn)。

1.2.3 成為NPD

PPD可以選擇一個(gè)SPD作為后備（NPD），PPD在SPD發(fā)送信標(biāo)后的第2個(gè)超幀設(shè)置變更NPD指示字段，檢測到該字段變更表明之前發(fā)送信標(biāo)的SPD被選為NPD，在檢測到PPD停止工作后NPD轉(zhuǎn)換成PPD工作（圖1中的③④號(hào)判決點(diǎn)）。最簡單的選擇算法是：PPD選擇最先加入其信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的SPD作為NPD，PPD在其數(shù)據(jù)庫中維護(hù)一個(gè)SPD的列表，在已經(jīng)選定的NPD退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，按照SPD加入信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的順序順次選擇下一個(gè)SPD作為NPD。這種算法的優(yōu)點(diǎn)在于可減少由于競爭NPD而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碰撞，同時(shí)由于采用按照SPD加入信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的順序順次選擇的方案，當(dāng)NPD轉(zhuǎn)換成PPD時(shí)，新的PPD也可以很方便地確定下一個(gè)NPD。

2 WRAN設(shè)備感知IEEE 802.22.1信標(biāo)

WRAN設(shè)備需要定期對(duì)其所在的頻段以及相鄰頻段進(jìn)行檢測，以避開IEEE 802.22.1信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)所保護(hù)的區(qū)域。WRAN設(shè)備對(duì)IEEE 802.22.1信標(biāo)的感知在系統(tǒng)靜默期進(jìn)行。為保證感知IEEE 802.22.1信標(biāo)幀的靜默期不會(huì)與IEEE 802.22的超幀控制頭（SCH）出現(xiàn)時(shí)間上的重疊，WRAN設(shè)備對(duì)IEEE 802.22.1信標(biāo)內(nèi)容的感知不是在檢測到信標(biāo)信號(hào)后立即開始的，而是需要安排一定的延時(shí)。在WRAN協(xié)議的附錄中介紹了根據(jù)IEEE 802.22.1信標(biāo)幀的起始時(shí)間與IEEE 802.22的超幀起始時(shí)間的相對(duì)偏移，以及所需要解析的信標(biāo)幀內(nèi)容的深度（所需靜默時(shí)長不同），延時(shí)最大不超過兩個(gè)WRAN超幀（320 ms）即可找到合適的靜默窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)IEEE 802.22.1信標(biāo)幀的MAC幀內(nèi)容的全部解析[5]。但在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，僅完成對(duì)一個(gè)IEEE 802.22.1信標(biāo)幀的解析是不夠的，如前文所述，IEEE 802.22.1信標(biāo)幀可能是PPD發(fā)送的包含網(wǎng)絡(luò)中所有PD信息的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀，也可能是SPD發(fā)送的只包含自身信息的SPD信標(biāo)幀。WRAN隨機(jī)感知解析的一個(gè)信標(biāo)幀可能是SPD信標(biāo)幀，從而不能獲得IEEE 802.22.1信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的全部信息。為此，WRAN設(shè)備需要檢測兩個(gè)連續(xù)的IEEE 802.22.1信標(biāo)幀。因?yàn)槊總€(gè)SPD信標(biāo)后必然是PPD信標(biāo)，通過檢測兩個(gè)連續(xù)的信標(biāo)，可以保證至少檢測到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀。以下對(duì)解析兩個(gè)連續(xù)信標(biāo)的感知時(shí)間進(jìn)行分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的介紹，解析一個(gè)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(gè)連續(xù)的MSF1，需要103.24 ms+29.14 ms=132.38 ms；

2）解析兩個(gè)連續(xù)的 MSF1+MSF2，需要 103.24 ms+71.60 ms=174.84 ms；

3）解析兩個(gè)連續(xù)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(gè)連續(xù)的MSF1有可能在一個(gè)WRAN超幀中實(shí)現(xiàn)，而解析兩個(gè)連續(xù)的MSF1+MSF2或MSF1+MSF2+MSF3必然會(huì)跨越兩個(gè)WRAN超幀，為了避開IEEE 802.22的超幀控制頭（至少2 ms時(shí)間），需要在連續(xù)兩個(gè)WRAN中安排兩個(gè)靜默期。圖2給出了WRAN設(shè)備檢測兩個(gè)連續(xù)信標(biāo)幀MSF1的靜默期時(shí)間安排示例。

將檢測到IEEE 802.22.1信標(biāo)后計(jì)算出的下一個(gè)IEEE 802.22.1信標(biāo)幀相對(duì)于當(dāng)前WRAN超幀的偏移記為D，對(duì)于解析兩個(gè)連續(xù)的MSF1，如果D小于27.72 ms，則在當(dāng)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(dāng)前超幀和后續(xù)的第一個(gè)超幀分別安排29.14 ms靜默期即可以完成解析（圖2b）；而對(duì)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(gè)超幀的延時(shí)，在后續(xù)的第1個(gè)和第2個(gè)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(jì)算出如何根據(jù)偏移值D對(duì)解析兩個(gè)連續(xù)的MSF1+MSF2或MSF1+MSF2+MSF3作出的時(shí)間安排，如表1所示。

表1 根據(jù)偏移值對(duì)解析連續(xù)信標(biāo)幀進(jìn)行時(shí)間安排

從表1可知，如果要實(shí)現(xiàn)解析兩個(gè)連續(xù)幀的MSF1+MSF2+MSF3，最大可能需要安排130個(gè)WRAN超幀，這將是一個(gè)漫長的延時(shí)過程，期間可能需要再次檢測信標(biāo)信號(hào)以維持時(shí)鐘同步。對(duì)MSF3的檢測只有在WRAN的基站沒有回傳連接到認(rèn)證中心時(shí)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(shí)較多，可以考慮替換方案，例如檢測一個(gè)幀的MSF1+MSF2和下一個(gè)幀的MSF1+MSF2+MSF3，或者檢測多個(gè)不連續(xù)的幀，直到檢測到PPD的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀。

3 總結(jié)

IEEE 802.22.1標(biāo)準(zhǔn)為無線傳聲器等設(shè)備提供了數(shù)字化的無線信標(biāo)保護(hù)方案，通過對(duì)IEEE 802.22.1信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)建立與維持的研究，有利于IEEE 802.22.1產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。同時(shí)作為WRAN認(rèn)知無線電技術(shù)的配套標(biāo)準(zhǔn)，研究IEEE 802.22.1有利于WRAN系統(tǒng)的基站和用戶前端設(shè)備中認(rèn)知無線電功能的開發(fā)，加快產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化推廣，希望本文能夠?qū)ο嚓P(guān)的研究設(shè)計(jì)工作有一定的指導(dǎo)意義。

[1]鮑晶晶，彭端，趙興華.IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)的物理層與MAC層協(xié)議[J].電視技術(shù)，2009，33（S2）：238－240.

[2]章堅(jiān)武，趙琪，鄒婧媛.基于Radio Environment Map的IEEE802.22 WRAN系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，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(fēng)信標(biāo)的數(shù)據(jù)合并效率的指示信號(hào)發(fā)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.