1.1背景介绍
“宽带中国”战略中不仅对农村宽带接入能力提出了要求，也对农村家庭宽带普及水平提出了要求，到2020年村通宽带比例要达到98%、农村家庭宽带普及率要达到50%以上。根据工信部研究院测算，要达到这个目标，到2020年我国农村地区宽带网络建设至少还要投入1700亿元。
中西部农村地区住户相对都比较分散，有的省份可以说是地广人稀，这些地区要依靠部署有线宽带网络达到宽带战略目标难度非常大。这些区域建设有线宽带的成本达到每户3000～5000元，甚至更高。
中部省份村通有线宽带的投资回收期达10年以上，西部村通宽带则基本无法收回投资，而且有线宽带的运维成本也较高，部分地区甚至高出用户能够支付的宽带使用费，运营商开展运营将面临持续亏损的困难局面。
国务院总理李克强2015年10月14日主持召开国务院常务会议，会议决定，部署加快发展农村电商，通过壮大新业态促消费惠民生。加大中央财政投入，引导地方强化政策和资金支持，鼓励基础电信、广电企业和民间资本通过竞争性招标等公平参与农村宽带建设和运行维护，同时探索PPP、委托运营等市场化方式调动各类主体参与积极性，力争到2020年实现约5万个未通宽带行政村通宽带、3000多万农村家庭宽带升级，使宽带覆盖98%的行政村，并逐步实现无线宽带覆盖，预计总投入超过1400亿元。
广播影视技术与新一代信息技术加速融合，使广电发展面临新机遇与新挑战。
为加快农村信息化的普及何物联网的建设，无线网络的频谱存在较多闲置的频率资源，面向广电频谱的认知WIFI网络关键技术研究正是针对这种情况的课题，能有效的利用闲置的频率资源，通过利用在WIFI现有技术基础上的改造，围绕构建面向广电频谱的认知WIFI网络关键技术开展研究工作，包含业务支撑技术、双向交互信道技术、频谱管理和调度技术、安全管控技术等内容。积极推动认知WIFI网络技术规范的制定，为新一代广电无线网络向双向、宽带、移动、融合、智慧化的方向发展提供技术支持。
1.2 技术发展现状及趋势分析
目前，市场上采用的宽带接入一般分为有线宽带和无线宽带。
有线接入方式：
运营商推行的ADSL或是光纤接入等有线方式，往往受到乡村地理条件的限制，ADSL对传输距离有要求，比如说ASDL在引入线只有三公里左右，而铺设光纤有线网络，往往需要大量的人力物力，施工周期长，无法在短期内迅速实现乡
村各户联网。
并且大部分农村地区住户相对都比较分散，有的省份可以说是地广人稀，这些地区要依靠部署有线宽带网络达到宽带战略目标难度非常大。这些区域建设有线宽带的成本达到每户3000～5000元，甚至更高。 中部省份村通有线宽带的投资回收期达10年以上，西部村通宽带则基本无法收回投资，而且有线宽带的运维成本也较高，部分地区甚至高出用户能够支付的宽带使用费，运营商开展运营将面临持续亏损的困难局面。
无线接入方式 ：
随着宽带应用及信息的发展，终端用户需要实现无处不在的无缝覆盖，满足用户多元化的通信及数据服务需求。宽带网络朝着更高带宽、各种接入技术和覆盖技术融合发展的方向演进。
目前，从世界各国网络发展来看，网络融合已经成为广电、电信业的主旋律和必然趋势，宽带接入总体上将朝着高带宽方向发展，而用户需求的多样化决定了宽带网络将长期呈现多种接入技术、覆盖技术融合协调发展的格局。因此，广电的融合网络将以（光纤，双向同轴）为基础，以广播电视无线宽带为切入点，以卫星主干（条件成熟时：双向）网络为补充，构建天地一体、室内室外、有线无线卫星协同覆盖的广播电视数据网，体现广播电视服务云能力，并实现对广播电视制播云的智能承载。
有鉴于此，我们开发了适合无线宽带的白频谱宽带通信技术来完善未来广电宽带网络的切入点的发展。
2.1技术涵盖范围
（1）业务承载技术
广电认知WiFi网络不仅包括基本的广播电视服务，还可承载各类IP标准化业务应用。因此对于以上业务，系统都应该具有良好的业务支持能力，满足不同业务的承载需求和接口需求。此外，系统还要能支持各种扩展业务的承载，并进行灵活的资源分配。
（2）双向交互信道技术
双向交互信道技术是广电认知WIFI系统的核心技术，通过调研实验多种先进的宽带无线双向技术的基础上，实现广电认知WIFI移动网络的技术创新。双向交互信道技术研究内容主要涉及：物理层的传输技术和方案、MAC层以及更高层的信令、网络架构和节点功能划分，以及QoS机制等方面。
（3）频谱管理和调度技术
认知WIFI网络充分利用广电频段频谱资源，采用地理位置数据库方法和频谱共享机制，利用信道聚合提高信道利用率，保证广播信道和回传信道进行高效协同的频率分配。
（4）安全管控技术
广电认知WIFI网络必须要保障其网络安全、业务安全、内容安全、行为安全，加强网络安全管理体系研究，确保广电认知WIFI网络的可管性、可控性、可信性，实现全程全网的安全管控。
2.2白频谱无线宽带的特点
（1）单频道带宽6/7/8MHz，8MHz频道的最大传输数据速率为35.6bps;
（2）可以实现多频道组合方式增加数据带宽,多频道组合方式包括TVHT_W，TVHT_W+W，TVHT_2W，TVHT_2W+2W，TVHT_4W（W表示一个频道射频宽度）等。
（3）MAC层采用TDD/TDMA，具备较多的用户接入量，高吞吐量、低延时能力
等。
（4）可以实现MIMO，进一步实现更高的数据传输速率。
（5）支持移动漫游速率80km/h。
（6）基站功率在500-1000mw，可覆盖8-12Km。
（7）发射频率可以在470-822MHz之间，根据白频谱数据库选择空闲频率，避
免干扰。
（8）单个基站采用四个扇区，提供最大568.9Mbps的传输速率。 （9）单个扇区提供150个终端连接，一个基站提供600个终端连接 。
2.3现有技术比较
广电频谱认知WIFI和TD-LTE两者技术相互比较：
（1）成本对比：LTE当前的建网成本要求高，是在Wifi建网成本的10倍以上。
（2）组网优点：LTE作为下一代首选的移动通信技术，最具有优势的是通过ICIC(小区间干扰协调)技术能够实现同频组网。通过时域，频域，功率控制等方便减小不同站点的相互干扰。Wifi也可以通过频率划分，功率控制等手段，但当前效果不如LTE。
（3）覆盖范围：LTE宏基站由于发送功率大，覆盖范围远大于Wifi AP范围。但对于Smallcell小基站，两者覆盖范围相当。
（4）总带宽：广电认知WIFI提供最大568.9Mbps的传输速率，大于LTE带宽。
（5）终端种类和芯片出货数量：当前LTE发展迅速，802.11af芯片未来发展会很迅猛。
（6）频段使用灵活性：LTE是1.4MHz，3MHz，5/10/15/20MHz。广电认知WIFI使用8MHz频道，灵活使用白频谱射频TVHT_W，TVHT_W+W，TVHT_2W，TVHT_2W+2W，TVHT_4W。
当前综合来看，不考虑投入产出，不考虑成本，LTE技术更能满足运营商无线宽带运营的需求。但是，广电认知WIFI，结合了WiFi优点，使用白频谱（470-822MHz），符合广电8MHz频道划分，摒弃当前Wifi运营中已经发现的缺点，如采用TDD/TDMA替代CSMA/CA，采用MIMO技术等，减小了和LTE技术差距，与普通WiFi相比优势明显，这种网络可以覆盖十公里左右的范围。
2.4网络介绍
2.4.1网络结构
图2-1 网络架构
核心网络由网络服务商和基于基站的通信网络组成。基站网络由一个或多个基站组成，一个基站由基站控制器和基站发射器组成。基站的基本的原则是尽量使网络智能化，因此，基站发射器是预格式化的简单的设备。这种架构导致成本最低的基站，并提供灵活性例如安排在多个基站的传输，使得自干扰被最小化。
客户终端设备（CPE）布放于用户家中，用于提供家庭客户的有线宽带、IPTV、VOIP等业务的综合接入。CPE向上连接基站双向传输网络，向下连接用户具体业务设备，完成接入网络与用户设备的连接。
图2-2 少量用户传输网络
网络结构：单基站下，用户少时。
图2-3 多用户传输网络
网络结构：单基站下，用户多时 。
白频谱无线宽带设备可以划分四个扇区，提供568.9Mbps 传输速度。可以提供600户的接入。
2.4.2 网络基本单元
在MiWIND的白频谱宽带网络内有多个实体，是网络运行的关键。这些可能会在一些合适的位置或在云内的计算机上运行。
主要的实体是：
基站控制器：MiWIND的基站由控制器和发射器组成，负责完成无线网络管理、无线资源管理及基站发射器的监视管理，控制基站与CPE无线连接的建立、持续和拆除等管理。
基站发射器：终端输入的信息(包括语音、数据)经过基带处理，按TDD/TDMA方式调制方式调制到 470-822MHz 的载波上，然后经功率放大，从天线发射出去。
客户端设备（CPE）：接收白频谱信号的无线终端接入设备。这使正确的基站，以便加以处理，以将任何消息路由。
操作和维护中心（CMS）: CPE 网络设备的网管系统，CMS 能够自主发现CPE并监测网络的整体功能和检测设备故障，并对CPE进行管理和维护。
白频谱数据库:整理当地的频谱资源，其首选选项使用是指的可用谱数据库给的地点。其他认知技术已提出的各种白色空间技术，但这些并不总是能够完全避免造成因检测不到目前的所有地点的可怜终端天线的干扰。
1、操作和维护中心（CMS）
操作和维护中心（CMS）即 CPE网络设备的网管系统。CMS能够自主发现CPE，并对CPE进行管理和维护，包括升级管理、设备管理计费系统，位置定位等。
图2-4 总体架构
CPE自动发现管理：CPE能够自动发现CMS，并选择CMS进行关联; CMS能够将关联的CPE的基本信息进行显示； 允许CMS对指定CPE配置管理IP，触发其上线。
CPE用户信息管理 ： CPE接入CMS后，会根据CMS已经制作的站点划分及地域信息，按照市、县、镇、村的分级进行呈现，并按照不同的级别，显示不同的统计信息供维护人员参考。 对于未列入CMS地域划分范围及非本厂商的CPE的接入，也分别有视图显示。
CPE设备管理：站点管理，CPE设备可以根据所处的站点及相应的地理信息，按地域进行划分，从而可以呈现出分级视图。 设备软件版本管理及升级。 设备动态信息查询.
告警管理:支持活跃告警、历史告警的查询 与导出；并对告警信息进行一定的统计与分析。
统计报表管理: 支持报表服务，能够按照用户条件生成带有统计和分析特征的报表，并支持下载成Excel文件保存。
计费系统:计费包括对用户的时间计费、流量计费等。所有的这些取决于运营模式。
2、白频谱数据库
白频谱指的是470-822MHz的频段，是用于电视接入，不是用于无线宽带接入的，因此，在进行无线宽带接入的时候，要充分考虑电视传输的要求。不能干扰电视的传输。
由于电视传输为了避免干扰，在各地的频谱使用是不一样的，因此，就要求广电的无线宽带接入必须是跳频的，可以避免干扰到电视的传输。
无线宽带接入的功率必须有限制，一般不能够超过4W。
图2-5 白频谱数据库
因此，使用白频无线宽带需要建立频谱数据库，根据当地频谱资源进行规划，但是频率规划问题是比较复杂的问题。理想的情况是相邻蜂窝应该在不同的频率下工作。在下行链路中是可能的，在一个蜂窝的边缘的终端可以从相邻蜂窝中的传输中接收到干扰。在上行链路中，由于基站对基站的干扰会造成TDD帧的错位，严重威胁到基站。这是因为不同的基站可以根据流量，在蜂窝中选择不同的TDD时间片。这样，一个基站发射的信号被另外一个基站接收。从一个基站到另一个基站的传播往往比较好，因为两者都可以在较高的位置，甚至有可能是视距之内。
因此，在相邻蜂窝中尽量使用不同的频率。每个蜂窝有一组来自白频谱数据库来的，在核心网络中频率规划时得到的可用频率。在邻近的蜂窝很可能是一组相似的频率，但可能有一些差异。
原则上，每个蜂窝有一组频率，并知道哪些蜂窝式相邻的蜂窝，用穷举的方法来最小化相邻蜂窝使用相同的频率，使得跳频的次数最少。但是，相当的麻烦。比如8个蜂窝，每个有8个频率可以使用，就有8! = 40 320种方法来安排频率。在一个地方，可能有5000个基站，显然，计算量是非常巨大的。因此，需要一种新的解决方案。
一些详细的模型表明，蜂窝中的跳频序列严格限制（这样1,2,3,4被允许作为是2,3,4,1但不2,1,4,3），这样，简化的解决方案是非常接近的性能的最佳解决方案。因此，组合为8个细胞有8个频率的数量现在变成8。
频率规划复杂性在系统对付随机干扰的方式，通常是来自非授权用户的干扰。
从一个蜂窝内部的部分干扰看。基站会注意到某个频率， f, 其与发射信号相关的调频序列差错对于某些终端的会突然增加，就判断是由于干扰的原因。如果有终端的位置信息，可以采用预定的方式来使干扰降低到最低。在这种情况下，它可能会决定离开跳频序列不变，并使用调度算法（如下所述），以解决该问题。
另外，它可能会决定，干扰过于广泛或有足够的信息来解决干扰，它希望从它的跳频序列中删除的频率f。这需要进行频率的重新规划。要理解这个问题，想象一下蜂窝，蜂窝1使用频率和1,2,3,4，邻近的蜂窝使用频率 2,3,4,1。这就不会产生干扰。如果蜂窝1将频率4去掉，其调频模式就变为1,2,3,1,2,3,1 . . . ，这就会与蜂窝2产生干扰（红色部分），后者的使用的调频模式是2,3,4,1,2,3,4,1 。
3.1广电频谱认知WIFI的协议栈
广电频谱认知WIFI是在IEEE802.11af基础之上，通过修改部分MAC协议开发而成的。
广电频谱认知WIFI的协议体系如图所示：
图3-1 协议体系
物理层由三部分组成:物理层汇聚过程（Physical Layer Convergence Protoco PLCP）子层, 物理介质依赖(Physical MediaDependent PMD)子层和物理层管理层(Physical LayerManagement PLM)。PLCP子层将MAC帧映射到传输介质上，主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的数据分组。
PMD子层用于识别相关的传输介质传输的信号所使用的调制和编码技术，完成这些帧的发送。PLM为物理层进行信道选择和协调。
在实践上，是不建议在超帧期间进行跳频的。这是因为网络在超帧之前要使用广播帧来告诉终端跳频模式的改变。如果跳频太频繁，终端可能由于电池的原因只是侦听超帧，当他们醒来的时候可能找不到网络了。这就导致他们需要重新寻找网络、浪费电池灯。因此，网络中建议每15分钟进行一次频率规划，调整跳频序列。因此，如果一个蜂窝觉得需要从他的跳频列表中删除某个频率，它就要通知网络规划系统。
蜂窝然后必须决定何时恢复的频率。这不是一个容易的决定，因为它可能不能够确定干扰是否消失。当时终端必须使用这个频率一直到下一个频率规划。一个可行的方法是请求特定的终端，要他给出特定频率的干扰测量值，但这些都不是特别可靠的，终端可能已经移动或它的精确测量的信号电平的能力可能是差的。15分钟进行一次频率规划，可以解决频率干扰的问题。
在任何蜂窝中可以使用8个频率。这个限制是在这里主要是为了限制需要在将跳频序列被描述为终端的MAC报头中的空间。这个限制也是由于在频率规划的时候可以缩短时间。扩大频率的使用范围有一些好处，但是一般没有那么多的频率可以使用。
MAC层也分为MAC子层和MAC管理层。MAC子层负责访问机制的实现和数据分组的拆分与重组。MAC管理子层负责ESS管理、电源管理，以及关联过程中的关联、解除关联和重新关联等过程的管理。
MSDU：MAC Service Data Unit，MAC层业务数据单元。
MPDU：MAC Protocol Data Unit，MAC层协议数据单元。
PSDU：PLCP Service Data Unit，PLCP子层业务数据单元。
PPDU：PLCP Protocol Data Unit，PLCP子层协议数据单元。
PLCP子层将MAC层传来的数据MPDU转换为PSDU，然后，加上PLCP头（PLCP Header）信息和前导码（Preamble Code）就构成了PPDU数据帧结构。
IEEE定义了两种前导码和头信息组成的PPDU帧结构：长前导码（Long Preamble）和头信息组成的长PPDU帧以及短前导码（Short Preamble）和头信息组成的短PPDU帧。
广电认知WIFI使用的信道6/7/8MHz，射频通道选择方式如下： TVHT_W、TVHT_2W、TVHT_W+W、TVHT_4W、TVHT_2W+2W 。
射频带宽和OFDM调制：
TVHT PPDU：
接收灵敏度：
3.2广电频谱认知WIFI的MAC帧格式
IEEE802.11MAC的帧按功能可分为管理帧，控制帧和数据帧3大类，数据帧是用户间交换的数据报文；控制帧是协助发送数据帧的控制报文；管理帧负责接入站点和AP之间的交互、认证、关联等管理工作。
IEEE 802.11 MAC帧由以下3大部分组成：MAC首部，最大36字节；帧主体，帧的数据部分，可变长度，最大长度7955字节；帧校验序列，共4个字节，是一个32位循环冗余检验。
3.3TDD/TDMA
WIFI的MAC层使用了CSMA/CA的机制，首先检测信道是否有使用，如果检测出信道空闲，则等待一段随机时间后，才送出数据；接收端如果正确收到此帧，则经过一段时间间隔后，向发送端发送确认帧ACK；发送端收到ACK帧，确定数据正确传输，在经历一段时间间隔后，会出现一段空闲时间。在使用过程中接入用户数量存在较大的限制，长距离的接入有很大的缺陷。基于TDMA的MAC协议在这个方面有先天的优势，可以有效的提高信道的利用率，TDMA协议采用时分复用的方式，通过修改MAC层的相关协议，使节点只能在指定时隙发送数据，而其他时隙只能处于等待状态，因此可以保证数据可以在指定时间顺利到达目的节点，从而保证了数据的实时性。
WIFI的TDMA系统的需要解决时钟同步、时隙管理和发送时延的准确控制。时隙管理利用硬件TSF时钟，由于硬件的晶振有差别，时钟同步通过管理帧的时间戳同步本地时钟，通过硬件时钟中断服务控制调度时延，还需禁用硬件原有的CSMA/CA 等措施来保证发送时延。
4.1LTE频谱
图4-1 LTE频谱
LTE系统支持6种不同的传输带宽，分别为1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz。
4.2广电认知WiFi频谱
广电频谱的特点是每个频点的带宽是8MHz。为了维持技术体系，广电在未来还是维持每个频点8MHz的状态。国家新闻出版广电总局广播科学研究院院长邹峰强调，融合网技术适应广电频率划分的系统宽带：采用了8MHz作为基本的系统宽带，还支持两个或多个连续8MHz组成的16MHz或其它带宽作为基本信道带宽。
图4-2 白频谱的定义
可以使用的频道：
图4-3 广电可使用的频谱
广电白频谱宽带网物联网及定位服务可以在一个8MHz频道上同时提供，具体分配情况如下图所示。
图4-4 单频道的频谱分配
5.1平安农村
单个基站可以提供600个高清监控视频传输。
单个基站可以覆盖半径10公里的视频监控。
采用无线传输，实现成本低。
采用太阳能供电，可以监控任何地方。
与电信的WiFi方案比较，频谱干净，传输效果好。
5.2智慧农业
采用无线传输，实现成本低。
采用太阳能供电，可以监控任何地方。
与其他移动通信的方案比较，传输效果好，运维成本低，无需向移动等
运营商缴纳费用。
单个基站可以提供600个高清监控视频传输。单个基站可以覆盖半径10公里的视频监控。
限时注册2017亚太OTT/IPTV生态大会特邀门票
