National Conference on Information Technology and Computer Science (CITCS 2012)

Design and Implementation of A TV White Space Channel Allocation System

Qi Xu

Department of Computer Science and Technology

Beijing University of Posts and Telecommunications

Beijing, China, 8613311176163

Abstract—This paper describes a white space channel allocation method which aims on calculating the quality of the available channels and the possible inference introduced by the new node. The implementation and analysis of the system are also discussed.

Keywords: Cognitive Radio, White Space, Channel Allocation

1. INTRODUCTION

White space technology is a cognitive radio communication method that uses unlicensed bands as well as avoids the interference to the ordinary communications between existing users, so the spectrum efficiency can be largely improved. As with the use of digital television broadcast system gradually grows, there will be more free bands available for such technology.

In this paper, a white space channel allocation system is designed and implemented for a given environment. The UK digital switchover program is taken as the background setting, and the system focuses on avoiding the interference between the peer user nodes inside the field of interest. Some assumptions and approximations are made due to simplicity. A web-based front end serves as user interface, and a background database is used to store all the node data and channel data. Tables used in the database are fully described here, and a time-to-live (TTL) field is introduced to ensure a node will only occupy the channel for a limited time.

After description, the system is tested using some samples, and some thoughts and discussions for future studies of this field are given.

1. INTRODUCTION OF TV WHITE SPACE

A. Cognitive radio technologies

Cognitive radio is a new approach for increasing the utilization of the spectrum. In most cases, the cognitive radio will be a software defined radio to keep its flexibility over different environments. With appropriate spectrum-sharing process, the spectrum utilization will be improved under the vast changing conditions. With appropriate development, such an intelligent radio may be able for autonomous reconfiguration by self-learning process in the future. Dynamic spectrum access on TVWS is one of the most important applications of cognitive radio.

B. Introduction of TVWS

As for a general definition, white spaces refer to those frequency bands that may be idle over time or space. Since the white spaces are in both time and space domains, they can be sorted into two types: Temporal white spaces arise from the idle time periods when the devices do not emit electromagnetic signals. For example, mobile phone calls usually become more frequently in the daytime compared to the night time, so there will be possibly more white spaces at night in such mobile bands. On the contrary, spatial white spaces come from the area where there is no coverage of transmitters operating on certain bands. TV bands can be a typical example of spatial white spaces: the channels allocated for TV are interleaved, so for a certain location, only a few parts of the whole bands will be put in use for television broadcast. The term “white space” we are discussing in this paper is mainly spatial white spaces. In this paper, the example taken as example is the TV spectrum undergoing a digital switchover in UK.

C. Digital switchover progress in UK

Cognitive radio is a new approach for increasing the utilization of the spectrum. In most cases, the cognitive radio will be a software defined radio to keep its flexibility over different environments. With appropriate spectrum-sharing process, the spectrum utilization will be improved under the vast changing conditions. With appropriate development, such an intelligent radio may be able for autonomous reconfiguration by self-learning process in the future. Dynamic spectrum access on TVWS is one of the most important applications of cognitive radio.

D. The band feature of TV White Space (TVWS)

Thanks to the Digital Switchover (DSO) approach in UK and US, a big portion of TV White spaces (TVWS) are freed for unlicensed cognitive access. In UK, there is significant possible capacity in TVWS: Modelling studies by Ofcom reveals that around 50% of locations in UK possibly have 150MHz of interleaved spectrum, and 90% might have around 100MHz for cognitive access ^[1]. As is shown by the figure below, TV bands lie between 470MHz to 862MHz, which is within the range of VHF and UHF. Besides that, it would also be easier for power control and signal coverage in such a lower frequency mode.

copy; 2012. The authors - Published by Atlantis Press

Fig. 1. Frequency allocation in UK (part), by Roke Manor research Ltd.^[2]

Research by S. Kawade and M. Nekovee ^[3] compared the performance of TVWS spectral with 2 widely used industrial, scientific and medical (ISM) bands, 2.4GHz and 5GHz. The result shows TVWS performs better than other bands better on low to medium load situations. And in such a scenario, the power consumption by the transmitter can also be cut down significantly. These features have made TVWS a very attractive band for community-scaled Internet access or complementary access methods when it is hard to gain wired connections, like in rural or mountainous area.

III. ENVIRONMENT SETTINGS

A. Environment settings and assumptions

The system is assumed to work in the environment that can be described as below:

Fig. 2. System environment preset

1. The area in which the system applies is a 1000*1000m² square, surrounded by 3 differen

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   一种电视白色空间频道分配系统的设计与实现

   摘要：本文描述了一种白色空间信道分配方法，旨在计算可用信道的质量和新节点引入的可能推理。 还讨论了系统的实施和分析。

   关键词：认知无线电，留白，频道分配

   白空间技术是一种使用免授权频段的认知无线通信方式，避免了对现有用户之间的普通通信的干扰，从而大大提高了频谱效率。随着数字电视广播系统的使用逐渐增长，这种技术将有更多的免费频段可供使用。

   在本文中，白空间信道分配系统是针对给定环境设计和实现的。以英国数字切换程序为背景设置，系统着重于避免感兴趣的领域内的对等用户节点之间的干扰。一些假设和近似是由于简单而做出的。基于Web的前端用作用户界面，后台数据库用于存储所有节点数据和通道数据。数据库中使用的表格在这里有详细描述，并且引入了生存时间（TTL）字段以确保节点只在有限的时间内占用信道。

   描述之后，系统使用一些样本进行测试，并给出了对该领域未来研究的一些想法和讨论。

   1. 认知无线电技术认知

   无线电是提高频谱利用率的一种新方法。在大多数情况下，认知无线电将是软件定义的无线电，以保持其在不同环境下的灵活性。在适当的频谱共享过程中，频谱利用率将在巨大的变化条件下得到改善。经过适当的发展，这种智能无线电可能能够在未来通过自学过程进行自主重构。 TVWS上的动态频谱接入是认知无线电的最重要的应用之一。

   1. TVWS介绍

   就一般定义而言，空白指的是可能随时间或空间而闲置的那些频段。由于白色空间在时间和空间两个领域，它们可以分为两种类型：时间空白产生于设备不发射电磁信号的空闲时间段。例如，与夜间相比，手机通话在白天通常会变得更频繁，所以在这样的移动频带中，夜晚可能会有更多的白色空间。相反，空间白色空间来自没有在特定频带上操作的发射机覆盖的区域。电视频段可以是空间白色空间的一个典型例子：分配给电视的频道是交错的，因此对于某个位置，只有整个频段的几个部分将用于电视广播。本文讨论的术语“白色空间”主要是空间白色空间。以本文为例，英国正在进行数字切换的电视频谱。

   1. 英国数字转换进展认知

   无线电是提高频谱利用率的一种新方法。在大多数情况下，认知无线电将是软件定义的无线电，以保持其在不同环境下的灵活性。在适当的频谱共享过程中，频谱利用率将在巨大的变化条件下得到改善。经过适当的发展，这种智能无线电可能能够在未来通过自学过程进行自主重构。 TVWS上的动态频谱接入是认知无线电的最重要的应用之一。

   1. 电视白色空间（TVWS）的频带特征

   由于英国和美国的数字切换（DSO）方法，电视白色空间（TVWS）的很大一部分被释放用于未经许可的认知接入。在英国，TVWS有很大的可能性：Ofcom的模型研究表明，英国大约50％的地区可能有150MHz的交错频谱，90％可能有100MHz左右的认知接入[1]。如下图所示，电视频段位于470MHz至862MHz之间，这在VHF和UHF范围内。除此之外，在较低频率模式下，功率控制和信号覆盖也更容易。

   S. Kawade和M. Nekovee [3]的研究将TVWS频谱的性能与2个广泛使用的工业，科学和医疗（ISM）频段（2.4GHz和5GHz）进行了比较。 结果表明TVWS比其他频段在低到中等负载情况下表现更好。 而且在这种情况下，发射机的功耗也可以显着降低。 这些功能使得TVWS成为社区规模的互联网接入或互补接入方式的一个非常有吸引力的频段，因为它很难获得有线连接，比如在农村或山区。

   假定系统在可描述如下的环境中工作：

   1）系统适用的区域为1000 * 1000平方米，由3个不同的电视发射机环绕。

   2）每个空白设备（节点）的发射功率设置为100mW，这被认为是免授权认知无线电设备的典型发射功率。

   3）节点之间的连接将是一个专属的点对点链接。也就是说，每个通道只能同时占用一对节点。

   4）衰减模型是自由空间路径损耗模型。路径损耗公式为：[4]损耗（dB）= 20log10（d） 20log10（f）-27.55（1）这里d和f分别以米和兆赫为单位测量。

   5）此环境中的3个发射机的技术细节可以从伦敦地区的实际电视发射机转换而来。他们是[1]：
   a）High Wycombe发射机：发射功率100瓦，使用频道55,59和62; b）赫特福德发射机：发射功率500瓦，使用频道54,58和61; c）森林行发射器：发射功率24瓦，使用频道50,56和58;

   6）每个频道正在整体分配。也就是说，每个频道和电视频段都是8MHz。根据最近的频道分配方法，这个场景中可用的频道将是频道21-30,39-49,51-53和57（总共25个可用频道）。这些频段的频率范围为470MHz至766MHz。这里最大频率将用于稍后的损耗计算。

   7）如下所示，整个1,000,000平方米的兴趣区域被分成10,000平方的单元格，每个节点的面积为10 * 10平方米。为了简化问题，我们假设在每个方形单元中只能有一个活动工作站（节点），并且落入该单元范围内的任何节点都将被视为位于其中心。如果一个节点落入2个单元的共同边界或4个共同顶点（通过这两种情况非常少见），它将被随机分配到任何这些单元中。这种简化带来的错误将在下一小节讨论。

   8）干扰计算方法将应用信号干扰率（SIR）。从李桑云，Mee Kyong Kwon和Seung Hun Lee [5]的作品中可以看出，相邻信道条件下的数字电视干扰保护比可能比同频道好50dB左右。为了简单起见，在这个系统中，信道不能被复用。这意味着每个通道只能同时被一个节点占用。除此之外，数字电视中最差的干扰保护比（由不希望的，D / U所期望的，也可以被视为SIR）可以从这里选择用于干扰计算。

   防护空间用于防止电视接收机受到白色空间设备（节点）的干扰。 如上所述，一个通道不能同时被多个节点使用。 由于最多有25个可用信道，所以最强的干扰将由50个节点完成。 对于单个节点，当它位于方形场的边界上，并且节点和电视发射机之间的线与边界垂直时，对外层空间的干扰处于峰值。

   为了简单起见，我假设50个节点都处于这种情况（尽管根据前面的讨论，这是不可能的，但现实中造成的干扰将总是较少，因此这样的计算仍然可以保持安全的余量）。 所以根据自由空间路径损耗模型：

   损失（dB）= 20log10（d） 20log10（f）-27.55（1）[Tx（TV）-Loss（TV）] - [50 * Tx（节点） 损失（保护）] = - 26dB 由于50 * Tx（节点）= 36.99dbm，Tx（TV）在表1中给出：guard = 50.1m这是保护TV发射机受到节点干扰的保护空间的长度。

   系统设计

   1）系统运行模式根据上面的讨论，我们可以获得系统的工作流程：a）当收到一个输入请求时，系统首先开始检查数据类型和数值是否合理。如果是这样，数据将被处理并发送到判断子系统。 b）然后，系统检查传入请求是注册单个节点还是试图建立与注册节点的连接。 c）如果请求是针对单个节点注册的，系统将确保仍然有可用的信道进行分配。如果是这样，将计算新节点对那些现有节点对的干扰。将从数据库中检索每个配对节点的累积干扰，然后添加新的干扰并除以配对节点的功率以形成信号干扰比（SIR）。如果其中任何一个超过阈值，所有的累计干扰将被回滚，并且通道请求将被拒绝。否则，频道请求将被接受。系统将从可用信道池中随机选择一个信道，并将节点数据与信道数据一起注册到数据库中。 d）如果查询是与某个节点的连接，则该频道号码将与该请求一起提供。系统将检查通道是否用于一对通道。如果是这样，该频道将无法加入现有连接，因此该请求将被拒绝。如果不是，系统将开始计算干扰。不像以前的情况，这次来自所有其他注册节点对形成一对的两个节点的干扰将被分别计算和累加以及从新节点到其他节点对的干扰。然后计算SIR并与阈值进行比较。如果所有干扰低于阈值水平，请求将被成功接受。新节点的数据将被注册到数据库中，并且其配对节点的数据将被更新。 e）对于每个结果，系统将给请求用户一些反馈。如果请求被拒绝，原因将显示在前端;如果请求被接受，则包括注册细节的消息将被发回。

   判断子系统的设计

   该系统主要用于计算现有节点与新节点之间的干扰，了解引入新节点是否可行。 如果所有累积的干扰都可以保持在阈值内，并且还有可用的分配通道，则系统将把节点数据及其分配的通道数据注册到数据库中。 这个过程将在这里详细讨论：

   a）预先检查在干扰计算过程之前，可以使用一些约束来确定请求的结果。 根据这种预先检查，可以节省大量时间和资源。 他们是：我。 检查是否有任何可用频道可供分配。 否则，请求将被拒绝。II。 检查传入节点的8个相邻正方形单元中是否有任何注册节点。 如果是这样，请求将被拒绝。 b）干扰计算和比较以下判断将要求节点之间的干扰。 下面显示干扰计算的过程：i。 网格中的每个单元格都有一组相对坐标（x，y）。 如图所示，我们可以得到两个单元中心之间的距离L0。

   该系统在低负载情况下运行良好，但是当网格充满节点时，新节点加入将非常困难 - 现有节点的干扰非常大，节点的密集分布使其很难 找到附近没有节点的地方。 为了解决这个问题，系统的精度可以得到缓解，以避免由近似值和假设引入的误差。

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