無線頻譜測量方法與分析

1、.無線頻譜測量方法與分析 隨著無線通信的迅速發(fā)展，特別是由于近來基于頻譜的服務(wù)和設(shè)備顯著增加，人們對頻譜資源的需求越來越大，然而頻譜資源日趨匱乏，尤其是傳播特性較好的低端頻段已經(jīng)被劃分殆盡。這種預(yù)先分配、授權(quán)使用的頻譜管理方式，使某些頻段承載的業(yè)務(wù)量很大，而另一些頻段卻在大部分時間內(nèi)沒有用戶使用，白白浪費了頻譜資源。美國Shared Spectrum公司在2004年1月到2005年8月間，對美國303 000 MHz頻段的頻譜使用情況調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該頻段的平均使用率只有5.2%1。通過頻譜占用度的研究和測量，將有利于了解的頻譜利用狀況，為今后頻譜分配政策的制訂提供現(xiàn)實依據(jù)，同時為認知無線電技術(shù)等

2、用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的下一代無線通信技術(shù)尋找可用頻段。頻譜測量工作的進行需要簡單、實用、高效的測量方法，在測量中結(jié)合各頻段內(nèi)已有的業(yè)務(wù)特性，設(shè)置合理的測量參數(shù)，制訂有效的頻譜測量方案，并對測量數(shù)據(jù)進行有效的分析。合理地使用測量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將為頻譜管理人員提供有關(guān)頻譜實際使用情況的信息，方便頻譜管理人員指配頻率，為主管部門制訂認知無線電管理和頻譜分配政策提供技術(shù)支撐。1測量方案的研究在進行無線頻譜測量前，針對具體的測量目的需要根據(jù)測量目標制訂合理的測量方案，確定測量地點、使用設(shè)備、測量頻段等相關(guān)工作的調(diào)研2-4。完備的測量方案不僅有利于快速的開展測量工作，也會直接影響到測量結(jié)果的準確性。1.1測量地

3、點及時間的選擇不同場景下，頻譜的利用情況是不同的。在IMT-Advanced的建議中，測量場景一般可劃分為：鄉(xiāng)村、郊區(qū)、城區(qū)、密集城區(qū)、熱點地區(qū)5個典型的場景。每個場景的無線電環(huán)境不同，測量時間也會有所不同。在每個場景中測量地點的選取要保證足夠的代表性，能真實反映此時此地頻譜的利用情況。一般來說，對于特定頻段的小規(guī)模頻譜測量工作，測量時間一般由測量的需求而定；在大規(guī)模的頻譜測量工作時，考慮到測量結(jié)果需要能夠準確地反映出在各個時間段的占用狀況，需要大量的涵蓋多個時間段的測量樣本，因而需要長時間的連續(xù)測量，根據(jù)ITU-R中SM.1536的建議2，一般需要連續(xù)測量7天。1.2測量設(shè)備選擇及搭建測量設(shè)

4、備的選取需要根據(jù)各頻段上具體通信技術(shù)的特點來選擇，對于使用能量檢測法可以直接檢測并分析到信號的頻段，普通的接收機或是頻譜分析儀均能滿足測量的需求3；對于特殊頻段，如衛(wèi)星通信所使用的頻段則應(yīng)使用專門的測量設(shè)備接收及分析，而CDMA系統(tǒng)則需要相應(yīng)的解碼設(shè)備來完成對其的精確的測量與分析。圖1所示為測量設(shè)備的一種搭建方法。1.3測量參數(shù)的確定測量參數(shù)的設(shè)置直接關(guān)系到測量結(jié)果的正確性，一般來說，測量時比較重要的參數(shù)包括回掃時間、分辨帶寬(RBW)與顯示帶寬(VBW)、判決門限。(1)回掃時間在測量中，當(dāng)進行占用度測試時，需要設(shè)置合適的回掃時間，回掃時間如果過長，可能會漏測一些持續(xù)時間較短的信號，降低測量

5、結(jié)果的可靠度。IUT-R建議SM.1536中建議回掃時間要小于信號發(fā)射時長的一半2, 5，回掃時間如果超過12 s，測量的精度會顯著下降5。在實際的測量中，回掃時間的設(shè)置與接收設(shè)備有密切的聯(lián)系。在使用接收機作為接收設(shè)備時，回掃時間可以由測量人員根據(jù)需要確定，以保證測量中回掃時間低于建議值，提高測量精度。但如果回掃時間過短，在測量時掃描速度超出了設(shè)備的反應(yīng)速度，測量結(jié)果會有失真。同時，由于各通信系統(tǒng)上的信號特征有不同，有些頻段的信號發(fā)射時長遠低于12 s，這些信號在測量過程中很容易被漏測，從而造成測量結(jié)果的誤差。在對這樣的頻段進行占用度測量時，應(yīng)該保證采集到大量的測量樣本，通過長時間的統(tǒng)計值獲得

6、可靠的占用度結(jié)果。(2)RBW與VBW設(shè)置RBW為分辨帶寬，設(shè)置它的大小，能決定能否把兩個相臨很近的信號分開。VBW為顯示帶寬，表示測試的精度，如將VBW設(shè)為10 kHz，表示每隔10 kHz取一個樣本測試其電平。為保證測量結(jié)果能夠準確地反映出測量頻段上各系統(tǒng)的占用度情況，需要事先對各測量頻段上承載的業(yè)務(wù)特性做調(diào)研，根據(jù)每種通信系統(tǒng)的信道帶寬特性設(shè)置RBW與VBW，通過各掃描采樣點的占用情況來判斷信道是否被占用。一般來說，各采樣頻點間隔應(yīng)小于信道帶寬的一半。如果間隔過大，則有可能漏測到信號，造成測量結(jié)果的誤差，采樣頻點間隔過大對測量產(chǎn)生的影響如圖2所示。測量精度越高，越能夠充分的保證測量結(jié)果的

7、準確性。(3)判決門限在保證接收系統(tǒng)具有一定靈敏度的條件下，門限電平設(shè)置必須盡可能低，但要注意避免記錄噪聲。對于小信號比較多的情況，門限設(shè)置高了容易漏掉信號，門限設(shè)置低了容易把噪聲算進來，引入測量誤差5。通常的方法是在環(huán)境噪聲均值之上加5 dB左右作為判決門限，這種方法主要是來自于以往積累的經(jīng)驗確定測量門限，在噪聲起伏波動不大的情況下有較高的可靠性。其優(yōu)點是直觀且快速的分辨出噪聲和信號，但是主觀性較大，缺乏對測量環(huán)境靈活的適應(yīng)，如果噪聲波動較大，很容易將噪聲誤判為信號，或是將小信號判為噪聲濾除，從而造成測量結(jié)果的誤差。如圖3所示為經(jīng)驗值法測得的頻譜占用度，在噪聲波動較大時，會獲得過高的占用度值

8、，與實際情況并不相符。F. Weidling提出了P值法來確定測量門限劃分信號與噪聲6。所謂的P值法就是假設(shè)噪聲的方差是一個穩(wěn)定值，利用迭代法逐步減小噪聲樣本，最后得到一個穩(wěn)定的噪聲方差從而確定門限的大小。這種方法的優(yōu)點是門限值確定方法較為客觀，并且門限劃分更為細致，能夠按信道劃分門限值。但經(jīng)反復(fù)試驗表明，P值法一般適應(yīng)于噪聲比信號多且噪聲功率與信號功率差別明顯的情況，測量結(jié)果基本與實際相符；而當(dāng)噪聲與信號功率較為接近或是整個頻段均為噪聲或信號時，P值法得到的結(jié)果并不令人滿意，這是P值法在使用過程中的一大缺陷。在以前美國的一些頻譜測量工作中，門限值確定方法在噪聲峰值的基礎(chǔ)上加幾個分貝設(shè)置判決門

9、限。這種方法的好處是能夠?qū)⒔^大部分的噪聲濾除，雖然會使一些小信號被判為噪聲，進而造成測量結(jié)果的誤差，但避免了由于噪聲波動過大而將噪聲判決為信號的情況出現(xiàn)。通常在測量過程中，使用的是在噪聲峰值上加35 dB作為劃分信號與噪聲的門限。門限確定如圖4所示，從而獲得各頻點占用度。這種方法帶有一定的主觀性，但是能夠?qū)⒃肼暫托盘栞^好地分離開來，從而獲得較為可靠的結(jié)果。在門限確定過程中，為確保小信號能夠被盡可能地判斷出來，可通過反復(fù)比較在不同門限下的占用度的變化，在保證信號和噪聲能夠比較準確被劃分的情況下，盡可能將門限取低。2測量分析方法對于測量結(jié)果的分析應(yīng)從多個方面展開，以盡可能從多個角度展示出各頻段各系

10、統(tǒng)的占用狀況。一般來說，對測量結(jié)果的分析主要是從各頻段的功率情況、占用度大小來分析。但是對于今后可能使用的一些動態(tài)頻譜分析技術(shù)來說，更需要對各頻段的頻譜使用狀況有具體的了解。在本文中將介紹比較有代表性的分析方法。以全方位地了解頻譜占用度在不同頻段、不同時間、不同地點的變化情況。(1)頻點占用度在通常的測量中，常常統(tǒng)計的是信道占用度的情況，然而在大規(guī)模的測量中，由于采用的是連續(xù)掃描大范圍的測量頻段的方法，各頻段的信道特征各不相同，難以對具體的信道測出精確的結(jié)果；另一方面，在大規(guī)模測量中，并不關(guān)心具體某個信道的占用情況，而是需要得到各頻段占用的總體情況，測量重點是整個頻段的占用度，因而可以對各個采

11、樣頻點做占用度分析，并從大量采用頻點的分析結(jié)果出發(fā)獲得多個頻段的詳細占用狀況。在這里使用頻點占用度參數(shù)分析各頻段上采樣點的占用情況，其具體計算方法如下：占用度是一個統(tǒng)計值或者說是估計值，連續(xù)測量某一個采樣一段時間，把信號的功率超過門限的時間占總測量時間的百分比算出來稱作占用度6。即：=(T1/T2)×100% (1)這里是占用度，T1是信號超過門限電平值以上的持續(xù)時間之和，T2是總測試時間。(2)頻段占用度在測量中，對于頻段占用度的測量通過統(tǒng)計采樣頻點占用度來描述。即將某頻段一段時間內(nèi)的所有頻點占用度作一個平均。例如某頻段內(nèi)測得100個頻點，經(jīng)過處理之后得到在這100個頻點上的占用度

12、，通常情況下，每個頻點的占用度不會完全相同，為計算此頻段的整體占用狀況，將100個頻點的占用度相加，再除以100，得到一個平均的占用度值，以此作為整個頻段的占用度。圖5所示為頻段占用度示意圖。對頻段占用度的分 析將有助于了解整個頻段在一段時間的占用狀況，通過對頻段占用度的比較，可以得出各頻段使用情況上的差別，從而為認知無線電等技術(shù)找到可用頻率。3測量結(jié)果分析測量結(jié)果的分析應(yīng)反映時間上地點上以及頻率上的差別。圖6為廣播頻段中750800 MHz在熱點地區(qū)的占用度結(jié)果，圖6(a)顯示的是在一天24小時中，各頻率采樣點的占用情況，右邊的刻度為時間軸。圖6(b)的曲線是統(tǒng)計各個采樣點一天內(nèi)的總體占用度

13、，與圖6(a)相對應(yīng)，各頻率采樣點一天之中被占用的時間越多，則其占用度越高。不難看出，在測量時間內(nèi)，整個頻段并沒有被完全占用，部分頻譜僅被很少的占用甚至是沒有被占用。體現(xiàn)出了頻譜占用度在時間上和頻域上的差異性。圖7則為同一頻段在密集城區(qū)的測量結(jié)果，與圖6相對比，在密集城區(qū)的頻譜的占用度明顯更高?？梢娡欢晤l譜在不同地區(qū)占用度是存在差異的。同時統(tǒng)計這一段頻譜在不同地點的頻段占用度大小得出，在熱點地區(qū)，750800 MHz頻段占用度為0.0818，而在密集城區(qū)則為0.2311。密集城區(qū)的占用度明顯大于熱點地區(qū)，但是仍處于較低水平。圖8為整個750800 MHz頻譜占用度的分布情況，它以每小時為單位

14、，統(tǒng)計了在750800 MHz頻段各頻率采樣點的占用度大小情況。與圖6、圖7相比，圖8更加全面的展示了這一段頻譜的使用狀況，從圖8不僅可以看出某段頻譜在某段時間內(nèi)是否被占用，同時也能夠了解其在這某段時間內(nèi)的占用度大小。從圖8中可以看出，雖然為廣播頻段分配了大量的頻率資源，但由于避免干擾，各省均只使用其中的部分頻率作為自己的廣播頻段，使得在同一地區(qū)，廣播頻段的大部分資源被閑置，這樣就對廣播頻段的資源造成了巨大的浪費。從圖8中可以看出，部分頻率的占用度基本為0。而從時間上來看，一些白天有較高占用度的頻段在夜間基本沒有被占用，因些降低了其整體利用度，使得廣播頻段中的大部分頻譜資源塊的占用度處于較低的水平。4結(jié)束語對現(xiàn)有的頻譜開展頻譜測量工作，不僅能夠為今后的頻譜政策的制訂提供有力的依據(jù)，也為新的通信技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。本文通過結(jié)合對現(xiàn)有頻譜測量工作的調(diào)研成果及測量經(jīng)驗，提出