赛灵思中国通讯51-Kintex-7 FPGA 接 收器可挖掘空白电视信号频段，实现全新通信业务

作者：Mike Santarini 赛灵思公司   《赛灵思中国通讯》发行人

联邦通信委员会  (FCC) 在 2009 年制定了模拟电视向数字电视强制转换的规定，这对于大多数人来说并不重要，但对于通信服务提供商来说却标志着巨大的业务增长机遇。转换规定出台后不久，FCC 向通信公司、应急服务及其它实体组织拍卖了模拟电视广播频谱中数字广播不需要的部分。但拍卖完后，最初为超高频电视频道UHF TV 20及以上而设计的300MHz 无线电频谱（范围是 400 至 700 MHz）仍有空余，如今这部分频段也只是稀疏地被数字广播商所使用。
当认识到这部分主要频段并没得到充分利用后，FCC 几年前开始与包括谷歌、微软 Xbox 团队、三星、戴尔、英特尔和飞利浦在内的几家技术巨头合作，以寻找出可行的方法能够让通信公司与电视广播公司共享400MHz 至 700MHz 之间的频谱。其构想是让他们在称为“空白电视信号频段”或已用广播频道之间的未使用频道中（见图 1）提供新的移动业务。谷歌和微软等公司希望利用该空白电视信号频段（世界各国类似的空白电视信号频段）并通过相当于信号稳定性加强版的更长距离 Wi-Fi 提供一种全新的通信业务。而第一家推出可实现这项新业务的完整商用接收器和传输系统的设备厂商是赛灵思的客户 —— 位于美国加利福尼亚州圣何塞市的 Adaptrum 公司。

Adaptrum 的创始人兼首席执行官 Haiyun Tang 说 ：“空白电视信号频段是一个全新市场。这与美国西部拓荒很相似 —— 空白电视信号频段中开放式频谱的利用空间正在增大，而且标准仍在不断演进。”  尽管该市场的出现相对比较晚，但 Adaptrum 仍能快速发现其中的机遇，而且开发空白电视信号频段通信设备已有数年时间。Tang 拥有加州大学伯克利分校的无线通信博士学位，  在其职业生涯中致力于认知无线电技术的开发工作。他与伯克利分校的退休教授Bob Brodersen 在 2005 年成立 Adaptrum 公司，最初得到了 Air Force SBIR 计划的拨款支持。自此，该公司取得了令人瞩目的发展，并赢得了后续的创业融资。2008 年，Adaptrum 开始协助 FCC 制定空白电视信号频段规则，并确立了与谷歌、微软及其它公司的合作关系。2012 年 4 月，Adaptrum 开发出经 FCC 认证可与 FCC 核准的 Telcordia 数据库配合使用的空白电视信号频段设备，成为首个可生产此类设备的厂商之一。目前，该公司正将此项技术从概念验证阶段转向商业化阶段。2013 年 11 月，  FCC 为 Adaptrum的 ACRS 空白电视信号频段解决方案授予谷歌空白电视信号频段数据库证书。该系统的最新型号是以赛灵思的Kintex-®7 FPGA 为基础构建的。
ACRS 包含一个饭盒大小的基本单元，可安装在电线杆、建筑物侧面、山上以及类似位置上的传统基站集群上 ；ACRS 还包括一个大小接近桌面路由器或调制解调器的住宅接收器，用户可将此接收器安置在家中（见图 2）。该系统使服务商能够以 6MHz的频率提供 20Mb 的传输速率（3 比特/ 赫兹）的连接服务，虽没有 Wi-Fi 速度快，但传输距离要长得多。
Tang 说 ： “上世纪五十年代广播商选择此部分无线电频谱提供广播服务的原因之一是其具有很好的传播特性。电视信号能穿过树木、墙壁甚至高山。传统的 Wi-Fi 移动服务很难穿过树木、墙壁及其它常见障碍物。如果您紧挨着 Wi-Fi 发送器，可获得300Mb 的数据速率，但如果远离发送器并且中间隔上几道墙，数据速率就会显著降至数 Mb 或者根本无法连接。400MHz 至 700MHz 频谱则要稳健得多。它的传播特性可使我们的设备具有最高五英里的传输距离。”  因此，Tang 补充道， “凭借采用 400MHz至 700MHz 频谱的电视空白电视信号频段设备，您尽管只能获得 20Mb 的数据速率，但此速率可保持几英里不变，而非几英尺。”
Tang 认为在有 Wi-Fi 和移动服务的地区，服务提供商可将这种新技术作为确保连接性的补充服务。但在农村地区和不发达国家，空白电视信号频段方案则可以成为主要的数据服务方式，特别是在出于经济性考虑不适合安装有线网络或卫星宽带的地区更是如此。

合规性与性能
为了建立可行的商用解决方案，  Adaptrum 必须解决一些与使用空白电视信号频段有关的复杂技术挑战，空白电视信号频段既要满足法规要求又要确保在消费者期望的成本水平上实现高性能。Adaptrum 首先需要确保系统中将用于发送和接收信号的带宽绝对不能干扰授权数字广播。另一个复杂问题在于 400 至 700MHz 频谱中未用于广播的其它部分可能随机地已被其它设备占用，例如体育赛事、教堂和夜店中使用的无线麦克风，或者使用无线电波的 MRI 产品等医疗设备。Tang 说 ： “广播的通道数和每个通道所用的频率每天都会发生变化，并因不同区域而发生变化。此外，不同公司针对空白电视信号频段设备使用的频谱也不同，因此设备必须灵活且极易操作。”
Tang 说，为了应对这些挑战，空白电视信号频段设备厂商正在开发的系统普遍采用以下两种方案中的一种。第一种被称为数据库方案。提供商每天从FCCS 收集电视传输数据（适用美国传输）并利用一种传播模型来确定每个发射塔的覆盖范围。覆盖范围以外的部分是空白电视信号频段通信设备可以公平使用的频谱。
第二种被称为感测技术，是一种对可用通道进行即时自主感测的方案。在该方案中，空白电视信号频段设备不断感测哪些通道正在使用，哪些未使用，以确定哪些通道可用于通信任务。Tang 说，然而，目前只有数据库方案经过了 FCC 的批准和认证。他说 ： “到目前为止这是默认方案，因为 FCC 还没有对基于感测的空白电视信号频段设备进行完全测试，也未证明感测方案 100% 可靠。”
Adapt rum 的系统采用的是数据库方案。每天早上，每台基站都要从FCC（针对美国市场）下载最新的数据库 ，确认本地基站当天使用哪部分带宽进行广播。
FCC 只将屈指可数的几家公司授权为数据库服务提供商，包括Telcordia (Ericsson)、Spectrum Bridge 以及最近授权的谷歌。其中谷歌公司似乎要将电
视空白电视信号频段作为突破口，以使其服务能在全球得到更广泛的应用  ( 敬请查阅 http://www.google.org/spectrum/whitespace/channel/ ）。
此外，还有一些新出现的竞争标准也在极力定义空白电视信号频段的最佳使用方式。例如，IEEE 802.22 正尝试定义局部区域网络的标准。Tang说 ： “该标准旨在提供比传统 Wi-Fi 范围更大的连接功能。其宣传的传输距离至少为 10 英里，最大数据速率为每6 MHz 传输 20Mb  （3 比特 / 赫兹）。”与此同时，竞争标准 IEEE  802.11AF正希望将空白电视信号频段用于更加传统的 Wi-Fi 操作。Tang 说 ： “到目前为止时日还尚早，没人能确定市场将采用哪种标准。但由于该领域提供的范围以及在城市地区以外还有更广泛的可用频谱这一事实，使得该频段具有很大的可用空间。”
由于目前正在发展服务提供商且标准也仍在制定中，因此当前只有少量公司（大部分处于创业期）在开发空白电视信号频段设备（发送器和接收器），但 Adaptrum 似乎已领先其它公司一步。原因之一就是该公司采用了赛灵思 7 系列 FPGA。Tang 说 ： “我们在收发器解决方案中使用 Kintex-7 All Programmable FPGA 的原因在于它具有很高的灵活性。该器件能根据设计规范的变化而改变，并随标准的确定可进一步调整，这对我们来说很宝贵。”
Tang 说，Kintex-7 FPGA 的灵活性有助于将系统销售给服务提供商，因为该器件具有最大的可编程性。这是因为 FPGA 即便在服务提供商将空白电视信号频段通信业务销售给客户后也能重新编程和更新。这种现场更新能力意味着运营商可以随时添加增强功能和特性。这样，他们就有机会向客户销售高价值计划或者向原有计划中添加更多的服务，因此，与固定硬件解决方案相比，该平台可实现更多的价值。