無(wú)線頻譜測(cè)量方法與分析

田　方　馮志勇　陳　星

摘要：文章基于無(wú)線頻譜測(cè)量的方法和要素，從各個(gè)角度分析了現(xiàn)有的頻譜占用情況，測(cè)量結(jié)果表明，現(xiàn)有的頻率分配政策使得部分頻譜并未被有效地利用，頻譜占用度在時(shí)間上空間上具有較大的差異性。測(cè)量結(jié)果將為未來(lái)的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)等下一代無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：頻譜測(cè)量；分析方法；頻譜利用；測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)

Abstract: This paper analyzes the current spectrum utilization from all aspects based on related methods of spectrum measurement. The measurement results show that some part of spectrum resource is not used effectively due to current fixed spectrum allocation policy, and the spectrum occupancy has great difference in terms of time and space, which provides possibility for development of future wireless communication technologies such as Cognitive Radio (CR) system.

Key words: spectrum occupancy measurement；analysis approach；spectrum utilization；measurement key parameters

隨著無(wú)線通信的迅速發(fā)展，特別是由于近來(lái)基于頻譜的服務(wù)和設(shè)備顯著增加，人們對(duì)頻譜資源的需求越來(lái)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(shí)間內(nèi)沒(méi)有用戶(hù)使用，白白浪費(fèi)了頻譜資源。美國(guó)Shared Spectrum公司在2004年1月到2005年8月間，對(duì)美國(guó)30～3 000 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(guò)頻譜占用度的研究和測(cè)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(shí)依據(jù)，同時(shí)為認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)等用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的下一代無(wú)線通信技術(shù)尋找可用頻段。

頻譜測(cè)量工作的進(jìn)行需要簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效的測(cè)量方法，在測(cè)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(cè)量參數(shù)，制訂有效的頻譜測(cè)量方案，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析。合理地使用測(cè)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(shí)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(mén)制訂認(rèn)知無(wú)線電管理和頻譜分配政策提供技術(shù)支撐。

1 測(cè)量方案的研究

在進(jìn)行無(wú)線頻譜測(cè)量前，針對(duì)具體的測(cè)量目的需要根據(jù)測(cè)量目標(biāo)制訂合理的測(cè)量方案，確定測(cè)量地點(diǎn)、使用設(shè)備、測(cè)量頻段等相關(guān)工作的調(diào)研[2-4]。

完備的測(cè)量方案不僅有利于快速的開(kāi)展測(cè)量工作，也會(huì)直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1 測(cè)量地點(diǎn)及時(shí)間的選擇

不同場(chǎng)景下，頻譜的利用情況是不同的。在IMT-Advanced的建議中，測(cè)量場(chǎng)景一般可劃分為：鄉(xiāng)村、郊區(qū)、城區(qū)、密集城區(qū)、熱點(diǎn)地區(qū)5個(gè)典型的場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景的無(wú)線電環(huán)境不同，測(cè)量時(shí)間也會(huì)有所不同。在每個(gè)場(chǎng)景中測(cè)量地點(diǎn)的選取要保證足夠的代表性，能真實(shí)反映此時(shí)此地頻譜的利用情況。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于特定頻段的小規(guī)模頻譜測(cè)量工作，測(cè)量時(shí)間一般由測(cè)量的需求而定；在大規(guī)模的頻譜測(cè)量工作時(shí)，考慮到測(cè)量結(jié)果需要能夠準(zhǔn)確地反映出在各個(gè)時(shí)間段的占用狀況，需要大量的涵蓋多個(gè)時(shí)間段的測(cè)量樣本，因而需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)量，根據(jù)ITU-R中SM.1536的建議[2]，一般需要連續(xù)測(cè)量7天。

1.2 測(cè)量設(shè)備選擇及搭建

測(cè)量設(shè)備的選取需要根據(jù)各頻段上具體通信技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)選擇，對(duì)于使用能量檢測(cè)法可以直接檢測(cè)并分析到信號(hào)的頻段，普通的接收機(jī)或是頻譜分析儀均能滿足測(cè)量的需求[3]；對(duì)于特殊頻段，如衛(wèi)星通信所使用的頻段則應(yīng)使用專(zhuān)門(mén)的測(cè)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(lái)完成對(duì)其的精確的測(cè)量與分析。圖1所示為測(cè)量設(shè)備的一種搭建方法。

1.3 測(cè)量參數(shù)的確定

測(cè)量參數(shù)的設(shè)置直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的正確性，一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)比較重要的參數(shù)包括回掃時(shí)間、分辨帶寬(RBW)與顯示帶寬(VBW)、判決門(mén)限。

(1)回掃時(shí)間

在測(cè)量中，當(dāng)進(jìn)行占用度測(cè)試時(shí)，需要設(shè)置合適的回掃時(shí)間，回掃時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)漏測(cè)一些持續(xù)時(shí)間較短的信號(hào)，降低測(cè)量結(jié)果的可靠度。IUT-R建議SM.1536中建議回掃時(shí)間要小于信號(hào)發(fā)射時(shí)長(zhǎng)的一半[2, 5]，回掃時(shí)間如果超過(guò)12 s，測(cè)量的精度會(huì)顯著下降[5]。

在實(shí)際的測(cè)量中，回掃時(shí)間的設(shè)置與接收設(shè)備有密切的聯(lián)系。在使用接收機(jī)作為接收設(shè)備時(shí)，回掃時(shí)間可以由測(cè)量人員根據(jù)需要確定，以保證測(cè)量中回掃時(shí)間低于建議值，提高測(cè)量精度。但如果回掃時(shí)間過(guò)短，在測(cè)量時(shí)掃描速度超出了設(shè)備的反應(yīng)速度，測(cè)量結(jié)果會(huì)有失真。同時(shí)，由于各通信系統(tǒng)上的信號(hào)特征有不同，有些頻段的信號(hào)發(fā)射時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)低于12 s，這些信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中很容易被漏測(cè)，從而造成測(cè)量結(jié)果的誤差。在對(duì)這樣的頻段進(jìn)行占用度測(cè)量時(shí)，應(yīng)該保證采集到大量的測(cè)量樣本，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)值獲得可靠的占用度結(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(gè)相臨很近的信號(hào)分開(kāi)。VBW為顯示帶寬，表示測(cè)試的精度，如將VBW設(shè)為10 kHz，表示每隔10 kHz取一個(gè)樣本測(cè)試其電平。

為保證測(cè)量結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映出測(cè)量頻段上各系統(tǒng)的占用度情況，需要事先對(duì)各測(cè)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(guò)各掃描采樣點(diǎn)的占用情況來(lái)判斷信道是否被占用。一般來(lái)說(shuō)，各采樣頻點(diǎn)間隔應(yīng)小于信道帶寬的一半。如果間隔過(guò)大，則有可能漏測(cè)到信號(hào)，造成測(cè)量結(jié)果的誤差，采樣頻點(diǎn)間隔過(guò)大對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響如圖2所示。測(cè)量精度越高，越能夠充分的保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)判決門(mén)限

在保證接收系統(tǒng)具有一定靈敏度的條件下，門(mén)限電平設(shè)置必須盡可能低，但要注意避免記錄噪聲。對(duì)于小信號(hào)比較多的情況，門(mén)限設(shè)置高了容易漏掉信號(hào)，門(mén)限設(shè)置低了容易把噪聲算進(jìn)來(lái)，引入測(cè)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(mén)限，這種方法主要是來(lái)自于以往積累的經(jīng)驗(yàn)確定測(cè)量門(mén)限，在噪聲起伏波動(dòng)不大的情況下有較高的可靠性。其優(yōu)點(diǎn)是直觀且快速的分辨出噪聲和信號(hào)，但是主觀性較大，缺乏對(duì)測(cè)量環(huán)境靈活的適應(yīng)，如果噪聲波動(dòng)較大，很容易將噪聲誤判為信號(hào)，或是將小信號(hào)判為噪聲濾除，從而造成測(cè)量結(jié)果的誤差。如圖3所示為經(jīng)驗(yàn)值法測(cè)得的頻譜占用度，在噪聲波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)獲得過(guò)高的占用度值，與實(shí)際情況并不相符。

F. Weidling提出了P值法來(lái)確定測(cè)量門(mén)限劃分信號(hào)與噪聲[6]。所謂的P值法就是假設(shè)噪聲的方差是一個(gè)穩(wěn)定值，利用迭代法逐步減小噪聲樣本，最后得到一個(gè)穩(wěn)定的噪聲方差從而確定門(mén)限的大小。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是門(mén)限值確定方法較為客觀，并且門(mén)限劃分更為細(xì)致，能夠按信道劃分門(mén)限值。但經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)表明，P值法一般適應(yīng)于噪聲比信號(hào)多且噪聲功率與信號(hào)功率差別明顯的情況，測(cè)量結(jié)果基本與實(shí)際相符；而當(dāng)噪聲與信號(hào)功率較為接近或是整個(gè)頻段均為噪聲或信號(hào)時(shí)，P值法得到的結(jié)果并不令人滿意，這是P值法在使用過(guò)程中的一大缺陷。