動態使用閒置頻譜　感知無線技術助攻M2M網路

為了降低M2M網路的布建成本，機器通常是利用無線接取的方式如無線區域網路(Wi-Fi)與第三代行動通訊(3G)相互連接。由於電視廣播頻道具有良好的非視距傳導(Non-line-of-sight Propagation)特性以及較長的的傳輸距離(最大100公里)，亦適合作為M2M網路中的傳輸媒介，以連接各種裝置(圖1)。

資料來源：ICTC 2010 圖1　M2M於智慧電網中的應用並使用電視廣播頻段作為存取網路技術。

感知無線網路(Cognitive Radio, CR)是一種智慧型的無線通訊系統，它能偵測周圍無線環境如頻率或傳送功率，即時調整自身無線裝置的操作參數以適應外部無線環境的變化。感知無線網路具有在不影響授權用戶(Licensed User)的前提下讓非授權用戶(Unlicensed User)智慧地利用空閒頻譜的能力。為了不影響原有電視廣播頻道使用者，使用感知無線網路讓M2M網路中的機器動態使用閒置電視廣播頻段成為一種可行的方式。

另一方面，隨著無線網路技術的演進與各種無線設備被廣泛使用，全球無線電頻譜資源逐漸供不應求，各國電信頻譜管理機構如美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission, FCC)皆積極研討該如何有效利用頻譜。

然而，如果對無線頻譜進行掃描，就會發現某些頻段在大部分時間是空閒的，一些頻段只是有時被占用，剩餘頻段則被過度使用。這種現象在電視廣播頻道尤其明顯，其原因是目前有線電視被廣泛使用，收看無線電視的觀眾大大減少。

以上的現象促使FCC重新審視傳統的無線頻譜管理方法。FCC於2004年5月發布建議規章制訂通知(Notice of proposed rulemaking, NPRM)，允許未授權用戶在不影響授權用戶(如電視接收者)業務的前提下，通過基於感知無線網路的技術使用電視廣播頻段中的空閒無線資源以提升電視廣播頻段的使用率。

基於以上原因，IEEE 802委員會在2004年10月成立了802.22工作組，其主要任務是開發和建立一套基於感知無線網路技術的無線廣域網路(Wireless Regional Area Network, WRAN)標準，允許其他的業務在不影響主要業務下使用空閒的電視廣播頻段進行通訊。其主要目的是在低人口密度的鄉村地區(低於60人/平方公里)提供相當於非對稱數位式用戶線路(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL)和纜線數據機(Cable Modem)的寬頻接入服務。

IEEE 802.22網路概觀

IEEE 802.22主要的頻譜範圍包括54～72MHz、76～88MHz以及740～806MHz的VHF/UHF廣播電視頻段(從頻道2到頻道69，一個電視頻道占用6MHz的頻寬)。由於全球的電視廣播頻道並未統一，IEEE 802.22也適用於其他國家的各種不同的電視頻道與頻寬，如6MHz、7MHz和8MHz的頻寬。

圖2　IEEE 802.22無線廣域網路架構圖

如圖2所示，IEEE 802.22定義了授權用戶與非授權用戶兩類用戶。授權用戶又稱為主要用戶(Primary User, PU)，非授權用戶又稱為次級用戶(Secondary User, SU)。其中授權用戶有兩類，一類是電視服務(包含類比電視與數位電視)，另一類是無線麥克風(Wireless Microphone)。與感知電視訊號傳輸相比，由於無線麥克風的傳輸功率及範圍都比電視小，並且可能突然地出現和消失，感知無線麥克風要困難許多。

IEEE 802.22僅能運作在點對多點模式(Point-to-MultiPoint Mode, PMP Mode)。每個蜂巢(Cell)包含一個基地台(Base Station, BS)和有限個數的用戶端設備(Customer Premises Equipment, CPE)。目前用戶端設備是假設固定式，未來有可能支援移動式的用戶端設備。

基地台的訊號覆蓋範圍為10～100公里，可配備全向型天線或方向型天線。一個基地台最多可服務255個用戶端設備，並可提供上行(Upstream, US)頻寬1.5Mbit/s、下行(Downstream, DS)頻寬384kbit/s。

資料來源：IEEE 圖3　IEEE 802.22中的用戶端設備為固接式並配備有雙天線

如圖3所示，由於802.22是運作在相當大的範圍，同一個區域可能同時存在許多不同的蜂巢，為了避免相互干擾802.22，要求用戶端設備配有兩個天線，其中一個是方向型天線，用於上傳時減少干擾，另一個則是全向型天線，用來偵測目前有哪些頻段沒有主要使用者存在，以隨時告知基地台。

為了能動態地使用閒置的電視廣播頻段，基地台與用戶端設備都必須有能力偵測是否有主要用戶的存在。首先，IEEE 802.22要求基地台和用戶端設備都必須配有全球定位系統(Global Positioning System, GPS)，用戶端設備在連結到基地台前必須先告知自身的地理位置。

接著，基地台透過存取頻段可利用性資料庫(Channel Availability Database)，根據基地台與用戶端設備目前的地理位置取得可用頻段列表(Available Channel List)以判斷在目前的蜂巢中有哪些頻段可以使用(可能閒置的頻段)，以及有哪些頻段是絕對不能使用(主要用戶正在使用的頻段)。

基地台會掃描可能閒置的頻段，並確定哪些頻段是真正閒置。最後，基地台會從閒置頻段中選擇一個頻段作為運作頻段(Operating Channel)，並選擇一個頻段作為備用頻段(Backup Channel)。運作頻段是基地台主要提供服務的頻段，備用頻段是當有主要用戶出現時所有該蜂巢中的次級用戶要轉換到的頻段。基地台會定期廣播這些訊息給所有蜂巢中的用戶端裝置。

IEEE 802.22架構說明

圖4所示為IEEE 802.22的參考架構圖，主要定義媒介存取控制層(Medium Access Control, MAC)與物理層(Physical, PHY)的運作方式。為了在不影響主要用戶的前提下達成動態利用空閒頻段的功能，IEEE 802.22另外定義許多頻譜管理的功能，包含站台管理實體(Station Management Entity, SME)、頻譜偵測功能(Spectrum Sensing Function, SSF)與地理資訊(Geolocation)。

資料來源：IEEE Commun. Mag., Jan 2009 圖4　IEEE 802.22參考架構圖

站台管理實體主要負責蜂巢中所有站台(包含基地台與用戶端裝置)對頻譜的使用方式，包含執行於基地台的頻譜管理(Spectrum Manager, SM)與執行於用戶端裝置的頻譜自動化(Spectrum Automation, SA)。

頻譜管理根據收集到的資訊如地理位置、可用頻段列表及閒置頻段等，決定如何使用頻譜。頻譜自動化是較為簡化版的頻譜管理方法，並不決定使用的頻段，而是一偵測到主要使用者就停止使用該頻段。頻譜偵測功能負責執行主要用戶與閒置頻段的偵測。地理資訊負責提供精確的地理位置。

圖5所示為IEEE 802.22的訊框架構(Frame Structure)。IEEE 802.22採用超級訊框(Superframe)的概念，一個超級訊框包含十六個長度為10毫秒(ms)的訊框(Frame)。基地台在每個超級訊框的開頭會傳送超級訊框前置訊號(Superframe Preamble)，並在每個訊框的開頭傳送訊框前置訊號(Frame Preamble)，這些前置訊號是用來讓用戶端設備與基地台同步之用。

資料來源：IEEE Commun. Mag., Jan 2009 圖5　IEEE 802.22的超級訊框架構與訊框架構

接著超級訊框前置訊號與訊框前置訊號之後，基地台會分別傳送超級訊框控制標頭(Superframe Control Header, SCH)與訊框控制標頭(Frame Control Header, FCH)，攜帶連結到該基地台所有必要訊息。每個訊框又分成上行子訊框(Upstream Subframe)與下行子訊框(Downstream Subframe)。

基地台根據所有已連接用戶端設備的服務品質(Quality of Service, QoS)需求在每個訊框配置叢集(Burst)給各個用戶端設備並利用US MAP與DS MAP告知用戶端設備何時該收送資料。根據不同的頻寬需求，每個訊框中的上行子訊框與下行子訊框的大小可能不固定。

IEEE 802.22與IEEE 802.16的訊框架構非常相似，所以兩者在媒介存取(Medium Access)部分是一樣的，在此不贅述。不一樣的地方是，IEEE 802.22多了緊急共存形勢(Urgent Coexistence Situation, UCS)及自我共存窗口(Self-Coexistence Window, SCW)。其中，緊急共存形勢是用來讓用戶端設備偵測到主要用戶存在的事件後可以將該事件回報給基地台。自我共存窗口則主要用來不同蜂巢間的站台(包含基地台語用戶端設備)交換共存信標協定(Co-existence Beacon Protocol, CBP)以達成不同蜂巢之間的共存(Co-existence)。

為了隨時偵測是否有主要用戶的存在，IEEE 802.22規定基地台動態配置靜默區間(Quiet Period)，讓蜂巢中所有站台(包含基地台與用戶端設備)監測是否有主要用戶的存在。靜默區間的長度介於大約三分之一個訊框(約3毫秒)至一個超級訊框(160毫秒)。在靜默區間中，基地台和用戶端設備全都禁止發言以便偵測主要用戶的訊號。

IEEE 802.22採用兩階段頻譜偵測(Two-stage Spectrum Sensing)，分別是快速感測(Fast Sensing)和細部感測(Fine Sensing)。如圖6所示，在快速感測期間中偵測方法主要是使用能量偵測(Energy Detection)，判斷主要用戶的訊號是否大於某個門檻值以推論主要用戶是否存在。

資料來源：IEEE 圖6　IEEE 802.22快速感測機制

若推論的結果是主要用戶存在，用戶端設備會立即在下個訊框告知基地台，亦即以競爭方式傳送緊急共存形勢訊息或在上行叢集期間告知。基地台會根據快速感測的結果決定是否要進行細部感測，若所有主要用戶的訊號皆低於某個預設的門檻值，基地台可以推論主要用戶並不存在，並取消之後的細部感測。

如圖7所示，細部感測占據整個超級訊框的長度(出現的頻率不固定)。其目的有二，第一個目的是，不同於快速感測使用能量偵測，細部感測是使用模式偵測(Pattern Detection)來確認主要用戶的存在，主要方法為偵測數位電視在傳送資料時所使用的特殊前置訊號模式(Preamble Pattern)。

資料來源：IEEE 圖7　IEEE 802.22細部感測機制

細部感測的另一個目的是要找尋備用頻段(Backup Channel)以便在主要用戶出現時，蜂巢中的所有站台能轉換到此一頻道。因此在細部感測的一開始，基地台會告知哪些用戶端設備必須去測量哪些頻段(基地台會安排時間讓用戶端設備在下個超級訊框回報測量結果)，以便建立備用頻段列表(Backup Channel List)。

基地台會利用訊框控制標頭或是專用的控制訊息告知用戶端設備備用頻段資訊。當基地台透過用戶端設備得知有主要用戶的存在，便須在2秒之內切換到備用頻段。此後，基地台會在每個訊框告知要在何時切換到哪一個頻段。時間一到，基地台及其管轄的所有用戶端設備會切換到新的頻段繼續運作。若基地台偵測到主要用戶的存在(此時蜂巢的絕大部分已經籠罩在主要用戶的訊號範圍內)，那麼基地台便直接切換到備用頻段；用戶端設備在與基地台連結失敗後，也會切換到備用頻段(但有些資料流可能已經斷線，必須重新建立連線)。

IEEE 802.22只規範主要用戶偵測的標準(2秒之內要偵測到主要用戶，偵測的錯誤率要小於10%)，而沒有限定偵測的方法，設備製造商可以自行選擇適合的偵測方法以滿足IEEE 802.22的規範。

啟動用戶共存機制

當兩個以上的蜂巢位於鄰近地區時，就產生共存問題。共存的目的是讓兩個不同的蜂巢中的次級用戶可以在干擾程度最低的情形下持續運作。如圖8所示，在傳統蜂巢式網路裡，由於營運商(Operator)對於頻段擁有絕對的使用權和配置權，因此可以利用頻率重複使用(Frequency Reuse)的觀念規畫相鄰的蜂巢使用不同的頻段，來避免相鄰蜂巢相互干擾。

圖8　感知網路中共存的問題

然而，在感知網路裡，營運商對頻段只能動態使用閒置的頻段，因此頻段的配置未必能盡如人意。以圖8為例，假設整個電視頻譜只有三個頻段可用，而且主要用戶打算使用F2，那麼蜂巢C勢必會和至少一個相鄰的蜂巢使用相同的頻段，造成同頻道干擾(Co-channel Interference)。

由於IEEE 802.22不需要頻譜執照，任何營運商都可使用閒置的電視頻段，因此當隸屬不同感知網路營運商的基地台建置得太靠近的時候(相同營運商的基地台不該發生這種情況)，將會競爭相同的可用頻道。若沒有一個共存機制，將無法避免同頻道干擾。

圖9　相鄰蜂巢互相交換共存信標封包

IEEE 802.22規定基地台和用戶端設備都必須在自我共存窗口期間以競爭的方式傳送共存信標封包(CBP)。基地台所送出的共存信標封包記載該基地台對上行/下行子訊框的使用規畫、目前正在使用的頻段、預計切換的頻段(及何時切換)，以及可偷用的頻段等。而用戶端設備所送出的共存信標封包記載著該用戶端設備目前隸屬於哪個基地台管轄以及目前有哪些正在傳輸的資料等(亦轉載基地台的信標所帶的訊息)。如圖9所示，透過共存信標封包的交換，相鄰的基地台可以互相得知彼此的頻段使用情況。

當相鄰的基地台隸屬相同的營運商時，所有共存的問題皆可藉由基地台控制器(BS Controller)擔任頻譜中間人(Spectrum Broker)的角色，透過排程來解決。當相鄰的基地台隸屬不同的營運商時則可透過頻譜禮儀(Spectrum Etiquette)、頻譜租借(Spectrum Renting)與競爭(Contention)來解決共存的問題。

頻譜禮儀就是指相鄰的基地台盡量不要使用相同的頻段以避免相互干擾，且盡量不要選擇相同的備用頻段。頻譜租借是一種鼓勵合作(資源分享)的手段，每個基地台平時會偵測頻段的使用率，當頻段的使用率低於門檻值時，便可提供頻段供鄰近基地台租借。基地台會在超級訊框控制標頭公告哪些頻段是可供租借的，租借的單位是BIN=頻段頻寬×時間長度。

每個基地台一開始都有相同但少量的信用券(Credit Token)預算。每個要租借頻段的基地台可透過信標或後端的骨幹網路來競標，價高者得標。每個基地台租借頻段給鄰近基地台時就可以得到信用券。當自己有頻譜需求時，手上才有多餘的信用券跟相鄰的基地台來租借頻段。

假設上述兩種方法皆不可使用且相鄰的基地台必須使用相同的頻段時，就只能以競爭的方式來共同使用該頻段。此時，相鄰的基地台可透過骨幹網路或自我共存窗口期間的共存信標封包傳送資訊，採用競爭(如32位元的隨機數值)或協議(在信標裡攜帶服務品質規則與資料流統計數據)來決定哪個訊框該由哪個蜂巢來使用。

圖10所示為不同營運商的基地台共存時之頻譜管理方法。雖然當相鄰基地台隸屬相同營運商時，此一方法仍然適用，但在此種情況下，改採排程方式會比較好。

圖10　不同營運商的基地台共存時之頻譜管理方法

(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)