专利名称：调频频段上的应急无线通信网络技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信网络，尤其是一种调频(FM)频段的重大灾难应急无线通信网络，属于数字通信技术领域。
背景技术：
目前，全世界广播电视的数字化过程已经初步完成。数字地面电视、移动多媒体广播(CMMB)即手机电视已进入稳定发展阶段，而有线电视的数字化已商用多年。数字化带来了更高质的节目制作、发送与接收，数字化使得用户享有了更优质的用户体验。在电影、电视、手机多媒体等诸多传媒的数字化取得显著成果之时，音频广播的数字化显得相对滞后，但这也带来了一个发展契机，即音频广播领域的数字化大有可为。将数字技术应用于音频广播可以带来高稳定的接收效果和高保真的音质，同时，可以支持文字信息、电台节目信 息、股票信息等诸多图文并茂的广播数据业务，从而使音频广播行业获得面貌一新的发展。数字音频广播最重要的两个部分是调频(FM)频段音频广播的数字化和调幅(AM)频段音频广播的数字化。在美国，HD Radio技术已经得到商用，而在欧洲，数字声音广播两大标准DAB和DRM已经推广开来。在FM频段，可用频谱资源为88 108Mhz，该频段被进一步划分为IOOKhz的整数倍频道，分配给每一个广播电台。在美国，每一个广播电台被分配了 400Khz的频谱。在我国，每一个广播电台被分配了 200Khz频谱。由于立体声调频信号实际带宽在150Khz以内以及广播电台之间的频谱间隔缝隙，实际上，FM频段的频谱利用率并不高，有很多频谱空洞资源可以被进一步利用。由于在相同发射功率下，FM频段本身比电视频段和移动通信频段传输距离远(相同功率的无线信号，低频信号的传播距离更远)，因此，在FM频段数字化的基础上，更加充分的利用FM频段资源用于应急通信等场合是非常有价值的。由于政策管制等原因，FM频段实际上是不允许进行非授权应用的，即便是近来发展的认知无线电技术，也需要政府许可才能使用。本发明公开了一种在FM频段上进行应急无线通信的网络技术。该技术利用数字化FM接收机和发射机，在授权用户的管理和控制下，有条件的使用FM频段的可用资源，从而使得FM频段可以用于重大自然灾害时的应急无线通信。
发明内容
本发明的目的是提出一种FM频段上进行应急无线通信的网络技术，该技术利用数字化FM接收机和发射机，在授权用户的管理和控制下，有条件的使用FM频段的可用资源。
图I给出了中国和美国FM频段的划分示意图；图2给出了美国iBiquity公司的FM频段数字化方案的示例图3是基于本发明在FM频段的无线通信网络示意图；图4是基于本发明的数字化FM广播电台和用户设备建立无线网络的流程图；图5是基于本发明的FM广播电台的广播可用频谱资源信息示意图；图6是基于本发明的探测应答包的格式；图7是在具有全局同步的条件下用户设备的超帧周期划分示意具体实施例方式本发明提出了一种FM频段的无线通信网络，尤其是一种参与通信的用户设备能够在FM频段广播电台的控制下构成无线通信网络。·
本系统的一个主要用途是用于应急无线通信，作为在发生了地震等重大灾难，其他通信手段，如公共陆地移动通信网已经全部或者部分失去作用时的补充手段；另一个用途是用作物联网，比如交通广播电台将其授权频段的一部分释放出来，给用户作为车际互联，通过车际互联收集交通态势信息，并进一步通过交通台的数字化无线电广播分发给所有收听该节目的汽车和手机。图1(a)给出了美国FM频段的划分情况，图1(b)给出了中国FM频段的划分情况。FM频段通常为88 108MHz，在不同的国家略有差别。在美国，频道的基本划分单位为200KHz，即每个频道带宽为200KHz，在整个FM频段约可布点百余个电台频道，如图1(a)所示。在中国，允许的范围为87 108Mhz，中心频点低于88Mhz的广播电台，如FM87. 6，，FM频段的基本划分单位为lOOKhz，在整个FM频段内不规则的分布着很多电台，电台之间的实际最小间隔为lOOKhz，而最大间隔在IMhz以上，间隔300Khz的情况最常见，如图1(b)所
/Jn ο图2是美国iBiquity公司提出的一种称作HD Radio的FM频段数字化方案的示例图。FM频段数字化是无线音频广播的发展趋势，国外比较成熟的方案包括DAB和HDRadio。在美国和欧洲，FM频段数字化改造已经铺开，而在中国FM频段的数字化标准正在制定中。数字化使得FM频段有更多的可用带宽，从而可以发展物联网和应急通信，这是本发明的根本出发点。以HD Radio为例，它是美国iBiquity公司提出的一项数、模混频同播的数字音频广播标准，HD Radio是一种正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, 0FDM)系统，该系统在常规FM信号两边创建了一组数字边带。FM和HD Radio的混合信号符合传统FM广播特定的频率掩模。HD Radio有三种频谱分配模式混合模式、扩展混合模式、全数字模式，这三种模式的基本思想是利用FM频段的剩余频谱资源。图2给出的是混合模式的频谱利用示意图，实际上，该模式在FM模拟信号上下边带分别增加约70KHz的数字边带用于传输数字信号，频谱分配方式如图2所示。混合模式提供的97kbps数据率，其中包括了 96kbps的音频数据和Ikbps的辅助数据，或者64kbps的音频数据和33kbps的辅助数据。这种数字化方式提高了 FM频段的频谱利用率，另外一种可以提高FM频段的频谱利用率的技术是认知无线电。近年来，认知无线电技术得到了迅速发展，该技术的基本思想是无线通信设备主动检测频谱空洞并设法进行利用。在FM频段，认知无线电通信设备试图通过检测广播的FM信号的频点和占用的带宽，从而可以发现剩余频段进行通信。然而，FM信号的主体用途是授权的广播电台用于无线广播，认知无线电通信设备总是或多或少对授权电台进行干扰，因此，从可控性和可管理性来看，FM频段的认知无线电技术尚需进一步发展。图3是基于本发明在FM频段的无线通信系统示意图。本发明所涉及的无线通信系统，包括由至少一个经过数字化改造的FM广播电台和若干用户设备来构成，其中，用户设备包括移动台和固定台。移动台包括安装了数字FM接收和发射功能的手机和车载电子设备等，固定台包括固定安装与室内和室外的各种用户监测和采集的设备等。在图3中，BO和BI为经过数字化改造的FM广播电台，而U0-U7为用户设备。U0、U1、U2、U3、U4在BO和BI的广播信号覆盖范围内，U5、U6、U7不在任何FM广播电台的覆盖范围内。图4是基于本发明的数字化FM广播电台和用户设备建立无线网络的流程图。如图4所示，基于本发明的数字化FM广播电台和用户设备建立无线网络的方法包括如下步骤步骤11 :数字化FM广播电台的广播允许用户使用的可用频谱资源信息； 步骤12 :用户设备接收数字化FM广播电台的广播可用频谱资源信息；步骤13 :如果用户设备接收不到任何数字化FM广播电台的广播可用频谱资源信息，则认为所有FM频谱可用，并尝试使用任何可用的FM频段频谱资源发现其他用户设备；否则用户设备在接收到的可用频谱资源信息描述的频谱范围内发现其他用户设备；步骤14 :相互发现的用户设备之间交换可用频谱资源信息，并在双方均允许使用的可用频谱资源内进行相互通信；步骤15 :能够相互通信的用户设备之间构成无线网络。图5是基于本发明的FM广播电台的广播可用频谱资源信息示意图。其中(I)索引类型域F4。该域通常为I个比特，O代表部分频谱资源，I代表全局频谱资源。部分频谱资源是本广播电台自身的授权频段以及自身授权频段相邻的空白频谱的可用信息，全局频谱资源代表87 IOSMhz的全部频谱资源；(2)最大索引域Fl。一种频谱划分方式是将87 108Mhz的可用频谱划分为固定的N段，并按照频段进行顺序编号，最大索引域即N的值。索引编号为X的频段占用的频谱为[87. 0+21/Ν*χ，87· 0+21/N*(x+l)]MHz，x 从 O 开始，[87. 0+21/N*x 为下限，87. 0+21/N*(x+1)为上限。N的最佳取值为{210，420，525，1050，2100}。举例来说，当N = 210时，每一个频段的宽度为21/210 = O. IMhz，即最小可用信道带宽为lOOKhz ;iN = 420时，每一个频段的宽度为21/420 = O. 05Mhz,即最小可用信道带宽为50Khz ；(3)可用信道个数域F2。该域指的是将所有的可用频谱资源划分了多少个信道，每一个信道占用的频谱带宽可以不一样；(4)信道频谱信息域F3。该域指的特定信道所占的频谱信息，该域又分为起始索引F31、终止索引F32和信道类型F33。起始索引F31和终止索引F32共同决定了该信道占用的频谱为[87. 0+21/N*起始索引，87. 0+21/N*终止索引]MHz，信道类型代表该信道可以为话音信道F331、数据信道F332或者控制信道F333。用户设备收集来自所有广播电台的可用频谱资源信息，在可用频谱资源中与其他用户设备进行通信。用户设备之间可以采用任意一种通信体制进行通信，比如多载波的0FDM，单载波的QPSK和扩频通信等，具体方式不是本发明的所在。用户设备之间还可以根据任意一种方式组织成为自组织网络，其中最简单的一种是IEEE 802. 11无线局域网采用的载波侦听冲突避免体制(CSMA/CA)。
在进行数据通信之前的一个重要步骤是相互发现。当希望相互通信的用户设备位于同一个广播电台的覆盖范围内(如图I中的Ul和U0)时，它们的可用频谱资源相同；当希望相互通信的用户设备位于不同广播电台的覆盖范围内(如图I中的U3和U4)时，它们的可用频谱资源可能不同，它们只能在它们的可用频谱资源交集内相互侦听和握手；当用户设备无法接收任何广播电台的信息，它认为所有的FM频段均可用，并在所有的频段上尝试发现其他设备。设备间相互发现的已有方法有很多。首先，用户设备将可用频谱按照预定的规则划分为信道，并在每一个可用的信道内进行载波侦听。载波侦听是一种非常成熟的技术，目前在IEEE802. 11无线局域网中广泛使用。载波侦听的一种实现方法是对接收信号的给定时间内的每一个信号采样点进行平方求和，当和大于某一个值时，就认为侦听到载波。然后，用户设备在每一个侦听到载波的可用信道上，随机的广播探测请求(Probe Request)包，接收到探测请求包的用户设备发送探测应答(Probe Response)包。探测请求包和探测应答包在IEEE 802. 11无线局域网中广泛使用，其具体格式可参考IEEE 802. 11无线局域 网标准。本发明根据FM频段特点，提出了如下的用户设备间相互发现的方法(I)将87 108Mhz的可用频谱划分为固定的N段，每一段为一个探测信道；(2)将这些段进行顺序编号，索引编号为X的频段占用的频谱为[87.0+21/N*x，87. 0+21/N*(x+l)]MHz，X 从 O 开始，[87. 0+21/N*x 为下限，87. 0+21/N*(x+1)为上限。N 的最佳取值为{210，420，525，1050,2100}。举例来说，当N = 210时，每一个频段的宽度为21/210 = O. IMhz，即最小可用信道带宽为lOOKhz ;iN = 420时，每一个频段的宽度为21/420 = O. 05Mhz,即最小可用信道带宽为50Khz。下面以N = 210为例讲述一个设备发现另外一个设备的方法当N = 210时，每一个频段的宽度为21/210 = O. IMhz,即最小可用信道带宽为IOOKhz ;用户设备接收到的信道K频谱信息包括起始索引和终止索引，信道K频谱信息定义了 {终止索引-起始索引+1}个探测信道；用户设备随机的在这个K个探测信道上广播探测请求包，并接收来自其他用户设备的可能的探测请求包，如果接收到来自其他用户设备的可能的探测请求包，则发送探测应答包。图6是基于本发明的探测应答包的格式，该探测应答包包含了用户设备接收到的所有FM广播电台的广播可用频谱资源信息。由本实施样例可以看出，探测请求包和探测应答包所占用的带宽可小于FM广播的信道频谱信息中描述的可用带宽，这样做有利于降低探测探测请求包和探测应答包的功耗。由于一个用户设备广播探测请求包时，附近的用户设备必须正处于相同的信道，并处于接收状态才能接收到探测请求包。由于用户设备在时间上不同步，上述方法的一个缺点是设备间相互发现所需时间较长。一种改进的设备发现方法是先实现设备间相互同步，然后再进行相互发现。所有的数字化FM广播电台使用全球卫星定位系统获得世界协调时间，从而实现误差为十微秒级误差的同步。此外，数字化FM广播电台还采用固定长度和格式、连续编号的物理层数据帧格式进行广播。实际上，这种数据帧格式已经在中国数字地面无线电视系统中得到使用，在数字FM系统中同样可以使用。所有的数字化FM广播电台每隔固定的周期广播一次世界协调时间，所有的用户设备通过接收FM广播电台的物理层数据帧，监测其帧编号，并接收世界协调时间，实现相互同步。考虑到传播延迟，这种同步方法的误差一般可以达到几十到几百微秒。在具有全局同步的条件下，所有设备将时间轴划分连续的超帧，如图7所示。每一个超帧分为同步周期、设备发现周期和一般通信周期。在同步周期，用户设备接收来自数字化FM广播电台的可用频谱信息广播和世界协调时广播，并根据接收的来自数字化FM广播电台的物理层帧的编号和起始时刻，从而实现与FM广播电台的同步。在设备发现周期，FM广播电台在可用频谱资源中选择一个最小可用信道，并计算一个随机数，如果该随机数大于一个给定值，则发送一个探测请求包，否则处于接收状态，以接收其他用户设备发送来的探测请求包。在接收到探测请求包后，发送探测应答包，从而完成相互发现过程。
本发明的创新之处在于在现有FM频谱范围内实现了可控可管的无线通信网络，能够用户重大灾难应急无线通信等场合。FM频谱具有传播距离远，可以对抗建筑物屏蔽的特点，在发生重大灾难时，在公共陆地移动通信网络失效或者信号被屏蔽的废墟内，可以应急启动FM的无线通信，从而达到应急通信联系的目的。本发明的经济意义在于数字化FM是包括手机在内的未来所有移动设备的一个基本组成部件，只需再增加FM的发射功能就能实现，实施开销非常小。
权利要求
1.一种调频(FM)频段的无线通信网络，其特征在于所述无线网络由数字化FM广播电台和用户设备组成，数字化FM广播电台和用户设备通过以下步骤建立无线网络 步骤11 :数字化FM广播电台的广播允许用户使用的可用频谱资源信息； 步骤12 :用户设备接收数字化FM广播电台的广播可用频谱资源信息； 步骤13 :如果用户设备接收不到任何数字化FM广播电台的广播可用频谱资源信息，则认为所有FM频谱可用，并尝试使用任何可用的FM频段频谱资源发现其他用户设备；否则用户设备在接收到的可用频谱资源信息描述的频谱范围内发现其他用户设备； 步骤14 :相互发现的用户设备之间交换可用频谱资源信息，并在双方均允许使用的可用频谱资源内进行相互通信； 步骤15 :能够相互通信的用户设备之间构成无线网络。
2.如权I所述的无线通信网络，其特征在于，所述的可用频谱资源信息包括一个索引类型域，其中，O代表部分频谱资源，I代表全局频谱资源；部分频谱资源是本广播电台自身的授权频段以及自身授权频段相邻的空白频谱的可用信息，全局频谱资源代表87 108Mhz的全部频谱资源。
3.如权I所述的无线通信网络，其特征在于，所述的可用频谱资源信息包括至少一个信道频谱信息域，该域指出特定信道所占的频谱信息。
4.如权3所述的无线通信网络，其特征在于，所述的信道频谱信息域至少包括起始索弓I、终止索引和信道类型；起始索引和终止索引共同决定了该信道占用的频谱为[87. 0+21/N*起始索引，87. 0+21/N*终止索引]MHz，其中N为给定值，它将87 108Mhz的可用频谱划分为固定的N段，并按照频段进行顺序编号，信道类型表示该信道可以为话音信道、数据信道或者控制信道。
5.如权4所述的无线通信网络，其特征在于，所述的将87 IOSMhz的可用频谱划分为固定的N段，N= 210。
6.如权5所述的无线通信网络，其特征在于，所述的将87 IOSMhz的可用频谱划分为固定的N段，N的另外一个取值为N = 420。
7.如权4所述的无线通信网络，其特征在于，一个用户发现其他用户设备的方法将87 IOSMhz的可用频谱划分为固定的N段，每一段为一个最小探测信道；用户设备随机的在可用频谱资源信息描述的频谱范围的内最小探测信道上广播探测请求包，并接收来自其他用户设备的可能的探测请求包，如果接收到来自其他用户设备的可能的探测请求包，则发送探测应答包，从而完成相互发现过程。
8.如权4所述的无线通信网络，其特征在于，数字化FM广播电台还广播全局同步信息，所有用户设备通过接收同步信息实现与FM广播电台的同步。
9.如权8所述的无线通信网络，其特征在于，所有用户设备将时间轴划分连续的超帧，每一个超帧分为同步周期、设备发现周期和一般通信周期；在同步周期，用户设备接收来自数字化FM广播电台的可用频谱信息广播和同步信息实现与FM广播电台的同步；在设备发现周期，FM广播电台在可用频谱资源中选择一个最小可用信道，并计算一个随机数，如果该随机数大于一个给定值，则发送一个探测请求包，否则处于接收状态，以接收其他用户设备发送来的探测请求包；在接收到探测请求包后，发送探测应答包。
全文摘要
本发明涉及一种调频(FM)频段的无线通信网络，属于数字通信技术领域。本发明所涉及的无线网络，由数字化FM广播电台和用户设备组成，数字化FM广播电台和用户设备通过以下步骤建立无线网络数字化FM广播电台的广播允许用户使用的可用频谱资源信息；用户设备接收数字化FM广播的可用频谱资源信息；用户设备在接收到的可用频谱资源信息描述的频谱范围内发现其他用户设备；相互发现的用户设备之间交换可用频谱资源信息，并在双方均允许使用的可用频谱资源内进行相互通信。本发明在现有FM频谱范围内实现了可控可管的无线通信网络，能够用于重大灾难应急无线通信等场合。
文档编号H04H20/59GK102958027SQ20111025424
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者陈曦, 柳寒冰, 周毅, 张光华 申请人:陈曦