南京U波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用

1、南京U波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用（南京廣播電視集團(tuán)，江蘇210001 ）【摘要】南京通過無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)， 在U波段頻譜資源的感知、頻譜利 用技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)以及對現(xiàn)有 U波段廣電應(yīng)用的影響等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究， 并在青奧會等重大活動、廣播電視實(shí)時(shí)傳輸和政府行業(yè)等領(lǐng)域進(jìn)行了成功應(yīng)用， 為U波段頻譜的利用和探索下一代無線廣播電視雙向網(wǎng)進(jìn)行了有益嘗試?！娟P(guān)鍵詞】U波段、頻譜感知、無線寬帶網(wǎng)、 MiWAVENGBW【中圖分類號TN929【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【DOI編碼】The applications of Nanjing wireless broadband network basd on t

2、he U-bandspectrumJIN Jian(Nanjing TV & Radio Broadcasting Group Jiangsu 210001,China)【Abstract Nanjing TV & Radio Broadcasting Group researches experimentally on the perception of the spectrum utilization technologyand networking technology of the U band frequency spectrum resource, through the wire

3、less broadband network project s construction. The project is used in the Youth Olympic Games and other major activities, broadcast television real-time transmission, government industry applications. This is a beneficial attempt on using U radio bandspectrumresource and exploration of the next gene

4、ration TV & Radios bilateral network.【Key words U-band; Spectrum perception Broadband wirelessnetwork ; MiWAVE ； NGBW刖百南京U波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，一方面是根據(jù)南京市政府“十二五”智慧城市發(fā)展規(guī)劃中關(guān)于“加強(qiáng)與中科院的院市合作，完善無線寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，盡快將南京建設(shè)成為在全國居領(lǐng)先水平的無線寬帶城市”的明確要求；另一方面是根據(jù)地面數(shù)字電視的快速發(fā)展，將來地面電視關(guān)閉模擬電視頻率資源得到有效釋放，廣電將面臨如何科學(xué)有效利用頻譜資源的前瞻性研究的需要。2011 年以來，在南京市政府

5、、省市廣電局的有力支持下，南京廣電集團(tuán)與中科院、南京市發(fā)改委相關(guān)單位積極合作，利用廣電U波段頻譜資源，運(yùn)用基于具有自 主知識產(chǎn)權(quán)的MiWAV既線接入技術(shù)，開展了南京城域無線寬帶雙向 傳輸研究和試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)。經(jīng)過近五年的技術(shù)研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，初步建成了由 100 多個基站，20 多個承載網(wǎng)機(jī)房，近1000公里骨干、接入傳輸線路組成的無線數(shù)字寬帶實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對長江和繞城高速所圍成的南京主城區(qū)約700 平方公里95%面積的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。專網(wǎng)應(yīng)用于2014 年南京青奧會、1213國家公祭日以及2015年夫子廟元宵節(jié)燈會等大型活動指揮保障，同時(shí)應(yīng)用于廣播電視、公安、城管等城市委辦局的專項(xiàng)應(yīng)用

6、和行業(yè)用戶。二、項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容本項(xiàng)目研究廣電U波段頻譜資源的有效利用，探索利用在U波段進(jìn)行視頻信息微功率雙向傳輸?shù)膽?yīng)用，在先期開展城域新聞傳輸網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼而探索構(gòu)建廣電無線寬帶雙向網(wǎng)絡(luò)平臺。項(xiàng)目主要探索研究以下幾個方面：1 . 廣電可利用的U 波段頻譜的查詢方法針對本地現(xiàn)有廣電頻譜資源使用的現(xiàn)狀，探索一套行之有效的可 利用U波段頻譜的查詢方法。結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)，利用頻譜感知技術(shù)，分析和掌握頻譜在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同方向上的分布規(guī)律并研究其可利用性，形成 UHF段頻譜的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。2 .城域環(huán)境下U波段頻譜的有效利用方式在對現(xiàn)有廣電頻譜利用方式有效分析的基礎(chǔ)上，探索針對

7、U 波段頻譜有效利用的無線技術(shù)。針對應(yīng)用目標(biāo)，研究信道之間的干擾特性，規(guī)范技術(shù)要求，采用有針對性的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對 U波段頻譜的利用。包括：1) 研究無線系統(tǒng)相鄰信道之間的干擾性能指標(biāo)要求，如第一鄰信道干擾和第二鄰信道干擾，以及對相應(yīng)干擾的抑制能力要求；2) 研究結(jié)合系統(tǒng)頻譜感知技術(shù)、非對稱頻譜利用技術(shù)、載波聚合技術(shù)、干擾規(guī)避和協(xié)調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜無線環(huán)境頻譜資源的有效利用；3) 研究不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對應(yīng)的不同要求，提出針對性的頻譜資源利用方式。4) 研究 U 波段無線寬帶網(wǎng)對現(xiàn)有U 波段廣電業(yè)務(wù)的影響并進(jìn)行實(shí)測評估。3 . U波段頻譜綜合資源調(diào)度與管理方法研究利用廣電U 波段頻譜資源開展各類應(yīng)用與

8、現(xiàn)有廣電業(yè)務(wù)之間的相互關(guān)系，探索一種廣電U波段頻譜資源調(diào)度與管理技術(shù)。 重點(diǎn)一是結(jié)合頻譜基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，針對具體采用的無線技術(shù)，制定合理的頻譜管理和利用機(jī)制；二是通過分析行業(yè)應(yīng)用的多用戶特性與公眾用戶的多用戶特性的異同，以更有針對性實(shí)現(xiàn)對專網(wǎng)用戶的服務(wù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)廣播電視網(wǎng)絡(luò)、新興數(shù)字廣播電視、移動廣播電視等業(yè)務(wù)的共存。4 .對利用U波段頻譜進(jìn)行各類應(yīng)用的價(jià)值評估1、 政府應(yīng)急發(fā)布和指揮平臺，重大活動應(yīng)急通信指揮克服每逢重大事件重大活動移動通信等網(wǎng)絡(luò)常常面臨網(wǎng)絡(luò)堵塞的問題，利用U波段無線寬帶專網(wǎng)開展雙向傳輸應(yīng)用，對各公共場所、重要區(qū)域建立完善的現(xiàn)場綜合感知系統(tǒng)，形成智慧公共安全機(jī)制，面

9、對突發(fā)事件，在政府統(tǒng)一指揮下，在統(tǒng)一的信息平臺上，各部門聯(lián)動服務(wù)，第一時(shí)間同步發(fā)布現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況，實(shí)現(xiàn)消防、醫(yī)療、民政、化防、衛(wèi)生、交通、公安等部門的默契配合，可提升應(yīng)急處理能力。2、 廣電業(yè)務(wù)應(yīng)用構(gòu)建城域新聞傳輸網(wǎng)，進(jìn)行視音頻信息微功率雙向傳輸?shù)膽?yīng)用。其中對突發(fā)事件、野外、航拍、移動環(huán)境下的現(xiàn)場信號回傳。3、 行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用為公安、質(zhì)監(jiān)、安監(jiān)、消防、武警、環(huán)保、城管等政府各行業(yè)部門提供應(yīng)急通訊、應(yīng)急調(diào)度指揮、移動視頻監(jiān)控、臨時(shí)性的固定視頻監(jiān)控、移動辦公等。4、作為NGB-慌統(tǒng)的嘗試性試驗(yàn)在“三網(wǎng)融合”背景下，作為下一代廣播電視網(wǎng)（NGB的無線 接入部分，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，積累組網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，為 NG標(biāo)統(tǒng)的

10、技術(shù)架構(gòu)審定及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂等工作進(jìn)行有益的嘗試， 為NGBB線網(wǎng)絡(luò)長期發(fā)展貢獻(xiàn)力量。三、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)目前，南京U波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)在南京城域范圍的 U波段頻譜感知和頻譜利用技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、特定區(qū)域U 波段頻譜資源的感知和頻譜利用技術(shù)所謂U波段頻譜資源的感知和頻譜利用技術(shù)是指在那些非本地規(guī)劃占用的電視頻道中，找出干擾性質(zhì)和強(qiáng)度屬于可接受范圍內(nèi)的頻譜并加以利用。目前的U波段頻譜感知和頻譜使用方式為：基于特定區(qū)域定時(shí)、實(shí)時(shí)全頻道頻譜掃描；另外， 基站設(shè)備實(shí)時(shí)將使用頻譜的外來干擾信號進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測告警信息回傳到中心管理系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)頻段調(diào)整。2 、干擾子載波扣除、抑制帶內(nèi)窄帶干擾能力

11、采用MiWAV豉術(shù)可以在啟動及運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測帶內(nèi)的其他頻率分量，倘若存在非自身頻率，則分析并量化其信號情況（幅度、位置等）。根據(jù)分析結(jié)果，自適應(yīng)調(diào)整空口子頻帶分配，刻意避讓非自身信號所用子頻帶，系統(tǒng)可設(shè)定其他外來信號臨界值，如果超過了臨界值，則對應(yīng)子頻帶不安排信號傳輸，以此來降低影響。針對帶內(nèi)特定規(guī)律的窄帶干擾信號，可以通過扣除相應(yīng)子載波的方式實(shí)現(xiàn)干擾抑制，使得系統(tǒng)能夠工作在具有較強(qiáng)帶內(nèi)窄帶干擾的電磁環(huán)境中。3、頻譜的非對稱利用對于U波段頻譜的特性，期望整齊地規(guī)劃出成對的頻段以適應(yīng)頻 分復(fù)用（FDD的通信系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，因此需要采用能夠?qū)︻l譜進(jìn) 行非對稱利用的時(shí)分復(fù)用（TDD系統(tǒng)。時(shí)分復(fù)用

12、系統(tǒng)還有其它好處： 一是上下行信道的對稱性對信道估計(jì)的幫助；二是基站間完全同步， 可避免基站與基站之間信號的相互干擾。4、具備抑制鄰帶強(qiáng)信號的能力在100MH左右的范圍內(nèi)，往往存在多個 2-4個信道的本地強(qiáng)信號， 這些信道資源甚至地理上距離其較近的區(qū)域的第一鄰道，都屬于強(qiáng)干擾情況，是難以直接利用的。非但如此，這些強(qiáng)信號完全落在無線專網(wǎng)工作的頻段范圍內(nèi)，如果希望利用其鄰道，設(shè)備在具備相應(yīng)的抗飽和能力的基礎(chǔ)上，還需要具備較強(qiáng)的鄰道抑制能力。5、同頻/異頻混合組網(wǎng)組建城域范圍的無線網(wǎng)，可以采用同頻組網(wǎng)和異頻組網(wǎng)兩種方式， 同頻組網(wǎng)的優(yōu)勢是要求相對較少的頻譜資源即可組網(wǎng)，但是受到U 波段頻譜地區(qū)分布差

13、異的限制；采用異頻組網(wǎng)，則一般需要多個信道，要求有足夠的U波段頻譜資源。兩者相結(jié)合，則可望要求較低的頻譜資源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)城域組網(wǎng)，進(jìn)一步提升頻譜資源的利用率。6、MiWAV駭心技術(shù)MiWAVE（統(tǒng)基于正交頻分復(fù)用技術(shù)，采用了自主知識產(chǎn)權(quán)的算法組合和自定義的協(xié)議棧，降低了峰均比，提升了頻譜利用效率，結(jié)合頻譜感知和自適應(yīng)技術(shù)，首先實(shí)現(xiàn)了在廣電U波段城市電磁環(huán)境應(yīng)用寬帶無線蜂窩系統(tǒng)的突破，完成了 MiWAV電線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研制了第一批相關(guān)產(chǎn)品，包括基站和終端，建設(shè)了第一個城域范 圍試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)一一南京寬帶無線城域?qū)＞W(wǎng)。MiWAV舔統(tǒng)具有如下適用于U波段頻譜的特點(diǎn)：系統(tǒng)設(shè)備支持的射頻頻段跨度達(dá)到1

14、12MHz并有進(jìn)一步擴(kuò)展至U 200MH型上的潛力頻譜非對稱利用能力，系統(tǒng)基于 TDD系設(shè)計(jì)，通過時(shí)隙的劃分來區(qū)分上下行信息傳輸，不受成對使用頻率的限制，能夠很好地利用非特定規(guī)律分散的U 波段頻譜資源，并且可利用上下行信道估計(jì)，以及規(guī)避基站之間的相互干擾?；赥DD的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所有基站是同步收發(fā)的，在基站不發(fā)送信號的時(shí)候，基本上是等同于無線電靜默狀態(tài)的，這些時(shí)隙可以利用來進(jìn)行全網(wǎng)范圍的多點(diǎn)多方向頻譜掃描，可為全城范圍的頻譜分布狀況分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)合實(shí)時(shí)感知及時(shí)獲知并預(yù)判頻譜變化動態(tài)。具備較強(qiáng)的抗飽和能力和抑制鄰帶強(qiáng)信號的能力，在南京城域范圍地面，設(shè)備均不會由于強(qiáng)電視信號

15、的存在而導(dǎo)致飽和；鄰道抑制能力達(dá)到30dBe以上，相當(dāng)于1000倍的信號強(qiáng)度的容忍能力。具備抑制帶內(nèi)窄帶干擾的能力。針對帶內(nèi)特定規(guī)律的窄帶干擾信號，可以通過扣除相應(yīng)子載波的方式實(shí)現(xiàn)干擾抑制，使得系統(tǒng)能夠工作在具有較強(qiáng)帶內(nèi)窄帶干擾的電磁環(huán)境中。一般帶內(nèi)窄帶干擾在-70dBm以下時(shí)，系統(tǒng)能夠應(yīng)對。系統(tǒng)還具備自適應(yīng)扣除子載波的能力，但主要用在一些特殊行業(yè)的電子對抗環(huán)境中。一般城域環(huán)境若存在突發(fā)干擾，也可以采用此技術(shù)。全網(wǎng)頻譜資源統(tǒng)一調(diào)度的能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了大網(wǎng)管，可對全網(wǎng)的無線設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，在有必要的情況下，可以即刻調(diào)整無線信道的使用方案，以應(yīng)對突發(fā)的頻譜限制或者干擾事件。四、 技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)南京U

16、波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MiWAV豉術(shù)和設(shè)備來構(gòu)建寬帶無線多媒體接入網(wǎng)絡(luò)，其中，MiWAVMC列基站建設(shè)完成對南京主城區(qū)的基本覆蓋；微基站或直放站等無線設(shè)備的用于補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)，以解決角落、停車場等主基站覆蓋的陰影區(qū)，達(dá)到覆蓋移動車輛在南京主城區(qū)區(qū)大部分地區(qū)活動范圍的目標(biāo)。13基于白頻譜感知的南京城域新聞傳輸網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)平臺示意圖南京廣播電視集團(tuán)圖（一）無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)平臺示意圖南京U波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示， 整個網(wǎng)絡(luò) 架構(gòu)可從邏輯上劃分為四個層次，依次為應(yīng)用平臺、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、 終端。1 、應(yīng)用平臺應(yīng)用平臺由一個運(yùn)管中心和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)組成， 用于具體各類應(yīng)

17、用業(yè)務(wù)（如視頻業(yè)務(wù)）的訪問和調(diào)度，滿足在移動情況下的新聞直播、 應(yīng)急指揮、安全保障等業(yè)務(wù)應(yīng)用要求。系統(tǒng)包括各種應(yīng)用服務(wù)器及業(yè) 務(wù)控制系統(tǒng)。如視頻監(jiān)控服務(wù)器、視頻會議服務(wù)器、授權(quán)訪問終端、 視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)、多路解碼器、視頻交換矩陣、視頻會議系統(tǒng)、電 視墻等等。運(yùn)管中心作為城域網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的核心， 是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn) 行必須。應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)是整個系統(tǒng)對外提供服務(wù)的基礎(chǔ)平臺，具設(shè)備根據(jù)需要可以集中放置或分布放置。一般放置有大型電視墻，實(shí)時(shí)顯示由矩陣切換的多路城市動態(tài)圖像，可實(shí)時(shí)瀏覽前端各終端上傳的實(shí)時(shí)圖像，并可將重要圖像數(shù)字化存儲錄像。目前已實(shí)現(xiàn)對南京市內(nèi)24 個主要交通路口的動態(tài)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控。2

18、、核心網(wǎng)利用南京城域光網(wǎng)平臺構(gòu)建本項(xiàng)目所需的核心網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)部分需要根據(jù)具體應(yīng)用規(guī)模和設(shè)備分布配置適當(dāng)?shù)慕粨Q機(jī)和路由器、以及相應(yīng)的光接入口，現(xiàn)有核心路由器四臺，分別部署于南京廣電網(wǎng)絡(luò)的城東、城南、城西、城北等四個光網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)。核心網(wǎng)與接入網(wǎng)的連接通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)可對所有基站設(shè)備進(jìn)行資源配置。3、接入網(wǎng)該接入網(wǎng)包括MiWAVEC列化基站以及與核心網(wǎng)相連接的接入網(wǎng)關(guān)。MiWAVE1統(tǒng)作為無線寬帶多媒體業(yè)務(wù)的接入網(wǎng)絡(luò)，提供雙向承載通道。只要有核心網(wǎng)光纖接入口的地方， 就可以架設(shè)MiWAV電站，同時(shí)， 在沒有光纖資源的地方，也可以用微波中繼作為數(shù)據(jù)回傳的一種手段。無線寬帶接入基站采用宏蜂窩覆蓋方式布

19、置與目標(biāo)區(qū)域中，主要采用 3 扇區(qū)應(yīng)用模式，可以支持異頻和同頻組網(wǎng)方式。4 、終端無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng)終端主要完成一個數(shù)據(jù)和視頻采集的過程。數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)成IP 報(bào)文通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，視頻則需要進(jìn)行壓縮編碼以節(jié)省帶寬資源。目前主流的編碼器都采用H.264進(jìn)行語音視頻的壓縮編碼，根據(jù)圖像的變化情況和對清晰度、分辨率的不同要求可提供從128Kbps到J 3Mbps不等的碼流。終端主要包括MiWAV既線寬帶接入終端設(shè)備以及與業(yè)務(wù)應(yīng)用相 配套的外圍設(shè)備。MiWAV酸端用于和MiWAV電站保持連接，進(jìn)行雙 向的數(shù)據(jù)傳輸。外圍設(shè)備主要用于數(shù)據(jù)才采集轉(zhuǎn)換和交換，主要包括手持終端、攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、視頻會議終端、上網(wǎng)

20、本、WiFi 手機(jī)等設(shè)備。五、項(xiàng)目應(yīng)用簡介2013 年以來，南京U 波段無線寬帶試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于重大活動的安保和應(yīng)急通信指揮、廣播電視視音頻信號傳輸、政府多個行業(yè)部門專網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域。1、大型活動指揮保障重大活動的保障主要包括活動重要出入口臨時(shí)架設(shè)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、 單兵手持?jǐn)z像機(jī)的視頻回傳至指揮中心；活動涉及的周邊道路及行進(jìn)道路的交通安保視頻監(jiān)控；安保隊(duì)伍的包含語音、視頻的多媒體指揮調(diào)度業(yè)務(wù)等。專網(wǎng)已經(jīng)成功服務(wù)于南京青奧會、1213 國家公祭日、夫子廟元宵節(jié)燈會保障的指揮調(diào)度和現(xiàn)場安保等運(yùn)行保障。南京青奧會期間，共派發(fā)出手持終端超過1500 臺；為28 個場館 63 個安檢大棚配備無線接入設(shè)備（CPE） 61 臺，用于大棚內(nèi)330 路高清監(jiān)控?cái)z像頭的實(shí)時(shí)回傳；各類車載、臨時(shí)部署移動/固定終端超過200臺。2、廣播電視現(xiàn)場直播和新聞實(shí)時(shí)回傳構(gòu)建城域電視信號傳輸網(wǎng)，進(jìn)行視音頻信號微功率雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)對突發(fā)事件、野外、航拍、移動環(huán)境下的現(xiàn)場信號實(shí)時(shí)回傳。在8月 8 日和 8 月 12 日兩次青奧會火炬?zhèn)鬟f及開幕式轉(zhuǎn)播中，針對移動通信3G4G覆蓋盲區(qū)和熱點(diǎn)阻塞的情況，南京廣電通過無線專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了直播信號的全程全區(qū)域無縫視音頻信號回傳，現(xiàn)場高清視頻信號穩(wěn)定、流暢的傳回了演