IEEE 802.22.1信标网络应用研究

杨大全

（上海贝尔股份有限公司，上海 201206）

IEEE 802.22.1协议是一种无线信标协议，通过发送信标信号来为工作在广播电视频段的低功率设备（如无线传声器）提供增强防护，以避免其受到非授权设备的干扰。工作在广播电视频段的非授权设备，例如基于IEEE 802.22 的无线区域网络 WRAN 设备[1－2]，通过检测IEEE 802.22.1信标信号，获得无线传声器工作所在的频段，以及其所在的地理位置和需要避免干扰的范围等信息，调整非授权设备的工作频段，以避免发射无线的信号对已授权的设备产生干扰。

按照计划，将会为每个授权的低功率设备配置一个IEEE 802.22.1信标设备。当多个低功率设备需要同时工作时，将会有多个信标设备同时工作。多个IEEE 802.22.1信标设备将构成随建即连（Ad Hoc）网络，对各个信标需要保护的设备信息进行合并。IEEE 802.22.1协议定义了信标网络的建立与维持的基本流程，信标设备的实施者需要根据实际应用情况制定Ad Hoc通信过程中的竞争判决准则，既要考虑信标网络的通信效率，也需要考虑WRAN等设备在对信标网络的识别的同时不会对正常通信产生较大的影响。

1 IEEE 802.22.1信标网络

1.1 信标协议

IEEE 802.22.1 信标设备被称为 PD（Protecting De⁃vice，防护设备），PD有两种工作状态：PPD（Primary PD，主防护设备）状态和SPD（Secondary PD，次防护设备）状态。一个信标网络只有一个PPD，可能有多个SPD。图1描绘了IEEE 802.22.1信标设备的状态转换过程。信标网络中的PPD负责发送时隙的调度，并进行信息汇聚，形成网络信标（PPD信标）；SPD定期申请信标发送权，发送SPD信标。由PPD设备选择一个SPD作为NPD（Next－in－line PD，备选设备），当该PPD停止工作时NPD转换成为PPD，调度其他SPD继续信标网络的运行。

1.2 竞争准则的设计

1.2.1 成为PPD

按照IEEE 802.22.1协议的描述[3]，在初始化阶段，PD可以选择成为PPD建立新的信标网络，也可以选择成为SPD加入某个已经存在的信标网络（图1中的①号判决点）。从PD设计的角度看，选择建立新的信标网络实现起来最简单，如果每个PD都选择建立新的信标网络，就意味着PD设备可以各自独立发送信标信号而不需要与其他PD设备相互通信。但实际上，如果同一频点上存在多个不同的信标网络信号，将会使WRAN等网络设备对IEEE 802.22.1信标信号的检测和解析时间成倍地增加，有可能会影响WRAN等网络的正常通信。尽管采用直接序列扩频（DSSS）技术，同一频点上的PD设备通过使用不同的扩频序列可以互不干扰地同时发送信号，但实际上IEEE 802.22.1协议只定义了一套扩频序列，新生成的信标网络将会对同一频点上已有的信标网络产生干扰。

因此，作为PD设备，在初始化时如果在工作频段上检测到已有信标网络，最好的策略是成为SPD，尝试加入已存在的信标网络。另一方面，不论是SPD还是PPD，都需要设计通信异常处理机制，以防有新的PD主动成为PPD建立新的信标网络。当检测到信标之间无法正常通信时，最好采取“回退”的方式：主动静默，重新开始初始化搜索，不论是SPD还是曾经的PPD，都将尝试加入新的PPD建立的信标网络，从而确保一个频点上只有一个信标网络信号，以保证信标信息的可用。对于SPD而言，由于出现新的PPD而造成的无法正常通信的情形与IEEE 802.22.1标准中描述的PPD终止的场景不同，不论是NPD还是普通的SPD都将不立刻尝试成为新的PPD。

1.2.2 发送SPD信标

在信标网络的初始发送期间，PPD发送的超帧不包含设备间通信时隙，初始发送期间结束后，PPD发送的超帧包含设备间通信时隙，在设备间通信时隙SPD发出发送请求，PPD向选定的SPD发送确认，收到确认的SPD在随后的一个超帧发送期间发送信标帧（图1中的②号判决点）。多个SPD同时发出发送请求时将会出现数据碰撞，较可能出现数据碰撞的场景主要有：SPD申请加入网络时竞争初次信标发送权；SPD信息的定期报告；SPD信息出现变更；SPD信标错误重传。尽管IEEE 802.22.1协议中并没有要求SPD对网络信标信息进行汇聚，但通过检测网络中的各个SPD的活动，可以设计适当的发送申请策略，降低数据碰撞的概率，从而提高系统的通信效率。

作为SPD设备，在其数据库中维护一个SPD的列表，对每个SPD按照加入信标网络的时间进行排序。在进行SPD信息的定期报告时，每个SPD根据加入信标网络的先后顺序依次提出发送请求，这样可以减少由于SPD信息的定期报告而出现数据碰撞的概率。作为PPD设备，在检测到多个SPD同时发送请求时，优先选定信息出现变更的SPD，其次选择请求加入网络的SPD，最后选择做定期报告的SPD。做定期报告的SPD如果在提出发送申请时没有被选定，则依次延迟一个超帧再重新申请。PPD使用这种调度策略可以快速地处理由竞争初次信标发送权或报告SPD信息出现变更而产生的数据碰撞，避免其未被选定后重新尝试提出发送请求而再次产生数据碰撞。

如果发生SPD信标传送错误，PPD没有正确接收SPD信标，从而不会将该SPD的信息汇聚到网络信标内容中。如果SPD是新加入或者是发生了信息变更，SPD通过检测下一个超帧中PPD发送的信标是否包含了自身信标信息，才能判断之前的信标发送是否出现错误。文献[4]中介绍了一种自定义的协议扩充方案，PPD在SPD发送信标后的应答时隙发送NSR（未正确接收），除之前发送信标的SPD之外其余SPD不再发起发送请求，从而避免由于该SPD发起请求重传信标而产生的数据碰撞。为保证更好的兼容性，也可以使用标准中定义的继续（Go－on）应答机制。Go－on原本是在SPD申请占用下一个超帧时继续发送信标，由PPD发出的许可应答。在出现SPD信标接收不正确时，可以由PPD主动发出Go－on，之前发送信标SPD收到PPD主动发出的Go－on后重新发送之前的信息，而其他SPD则依次延迟一个超帧再发起发送申请。这种方案的兼容性更好，也可以更好地避免数据碰撞的出现。

1.2.3 成为NPD

PPD可以选择一个SPD作为后备（NPD），PPD在SPD发送信标后的第2个超帧设置变更NPD指示字段，检测到该字段变更表明之前发送信标的SPD被选为NPD，在检测到PPD停止工作后NPD转换成PPD工作（图1中的③④号判决点）。最简单的选择算法是：PPD选择最先加入其信标网络的SPD作为NPD，PPD在其数据库中维护一个SPD的列表，在已经选定的NPD退出网络时，按照SPD加入信标网络的顺序顺次选择下一个SPD作为NPD。这种算法的优点在于可减少由于竞争NPD而产生的数据碰撞，同时由于采用按照SPD加入信标网络的顺序顺次选择的方案，当NPD转换成PPD时，新的PPD也可以很方便地确定下一个NPD。

2 WRAN设备感知IEEE 802.22.1信标

WRAN设备需要定期对其所在的频段以及相邻频段进行检测，以避开IEEE 802.22.1信标网络所保护的区域。WRAN设备对IEEE 802.22.1信标的感知在系统静默期进行。为保证感知IEEE 802.22.1信标帧的静默期不会与IEEE 802.22的超帧控制头（SCH）出现时间上的重叠，WRAN设备对IEEE 802.22.1信标内容的感知不是在检测到信标信号后立即开始的，而是需要安排一定的延时。在WRAN协议的附录中介绍了根据IEEE 802.22.1信标帧的起始时间与IEEE 802.22的超帧起始时间的相对偏移，以及所需要解析的信标帧内容的深度（所需静默时长不同），延时最大不超过两个WRAN超帧（320 ms）即可找到合适的静默窗口实现对一个IEEE 802.22.1信标帧的MAC帧内容的全部解析[5]。但在具体实现时，仅完成对一个IEEE 802.22.1信标帧的解析是不够的，如前文所述，IEEE 802.22.1信标帧可能是PPD发送的包含网络中所有PD信息的网络信标帧，也可能是SPD发送的只包含自身信息的SPD信标帧。WRAN随机感知解析的一个信标帧可能是SPD信标帧，从而不能获得IEEE 802.22.1信标网络的全部信息。为此，WRAN设备需要检测两个连续的IEEE 802.22.1信标帧。因为每个SPD信标后必然是PPD信标，通过检测两个连续的信标，可以保证至少检测到一个网络信标帧。以下对解析两个连续信标的感知时间进行分析。

根据文献[6]的介绍，解析一个帧中的MAC子帧MSF1，MSF1+MSF2，MSF1+MSF2+MSF3 分别需要 29.14 ms，71.60 ms 和 98.24 ms。 IEEE 802.22.1 的 超 帧 长 度 为103.24 ms，则：

1）解析两个连续的MSF1，需要103.24 ms+29.14 ms=132.38 ms；

2）解析两个连续的 MSF1+MSF2，需要 103.24 ms+71.60 ms=174.84 ms；

3）解析两个连续的MSF1+MSF2+MSF3，需要103.24 ms+98.24 ms=201.48 ms。

由于WRAN超帧长度为160 ms，解析两个连续的MSF1有可能在一个WRAN超帧中实现，而解析两个连续的MSF1+MSF2或MSF1+MSF2+MSF3必然会跨越两个WRAN超帧，为了避开IEEE 802.22的超帧控制头（至少2 ms时间），需要在连续两个WRAN中安排两个静默期。图2给出了WRAN设备检测两个连续信标帧MSF1的静默期时间安排示例。

将检测到IEEE 802.22.1信标后计算出的下一个IEEE 802.22.1信标帧相对于当前WRAN超帧的偏移记为D，对于解析两个连续的MSF1，如果D小于27.72 ms，则在当前WRAN超帧中就可以完成（图2a）；如果D大于58.76 ms而小于130.86 ms，则在当前超帧和后续的第一个超帧分别安排29.14 ms静默期即可以完成解析（图2b）；而对于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，则需要安排一个超帧的延时，在后续的第1个和第2个超帧分别安排29.14 ms静默期才可以完成解析（图2c）。类似可以计算出如何根据偏移值D对解析两个连续的MSF1+MSF2或MSF1+MSF2+MSF3作出的时间安排，如表1所示。

表1 根据偏移值对解析连续信标帧进行时间安排

从表1可知，如果要实现解析两个连续帧的MSF1+MSF2+MSF3，最大可能需要安排130个WRAN超帧，这将是一个漫长的延时过程，期间可能需要再次检测信标信号以维持时钟同步。对MSF3的检测只有在WRAN的基站没有回传连接到认证中心时才需要[5]，因此并不常见。如果必须要解析MSF3，而需要安排的延时较多，可以考虑替换方案，例如检测一个帧的MSF1+MSF2和下一个帧的MSF1+MSF2+MSF3，或者检测多个不连续的帧，直到检测到PPD的网络信标帧。

3 总结

IEEE 802.22.1标准为无线传声器等设备提供了数字化的无线信标保护方案，通过对IEEE 802.22.1信标网络建立与维持的研究，有利于IEEE 802.22.1产品的设计。同时作为WRAN认知无线电技术的配套标准，研究IEEE 802.22.1有利于WRAN系统的基站和用户前端设备中认知无线电功能的开发，加快产品的产业化推广，希望本文能够对相关的研究设计工作有一定的指导意义。

[1]鲍晶晶，彭端，赵兴华.IEEE 802.22标准的物理层与MAC层协议[J].电视技术，2009，33（S2）：238－240.

[2]章坚武，赵琪，邹婧媛.基于Radio Environment Map的IEEE802.22 WRAN系统[J].电视技术，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]程锦霞.提高无线麦克风信标的数据合并效率的指示信号发送方法：中国，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.