TD-LTE候選頻段頻譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石 薇, 徐 鵬, 張高記, 郭 娟

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

TD-LTE候選頻段頻譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石 薇, 徐 鵬, 張高記, 郭 娟

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

針對時(shí)分長期演進(jìn)系統(tǒng)部署資源緊張的問題，設(shè)計(jì)一種時(shí)分長期演進(jìn)候選頻段分析系統(tǒng)。通過對四個(gè)典型城市(西安、北京、南京、上海)的頻譜使用情況進(jìn)行測量，將測量數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，借助GIS軟件將測量數(shù)據(jù)以頻譜地圖的形式進(jìn)行展示，同時(shí)通過程序計(jì)算出各個(gè)頻段的頻譜占用度,并在特高頻等頻段中查找可利用的空閑頻譜資源從而判斷其是否能夠部署時(shí)分長期演進(jìn)系統(tǒng)。最后以西安為例進(jìn)行了運(yùn)算分析，結(jié)果表明，在西安市郊區(qū)698～806 MHz存在一定空閑頻段能夠部署時(shí)分長期演進(jìn)系統(tǒng)。

頻譜占用度；地理信息系統(tǒng)； 特高頻

根據(jù)我國目前的頻譜規(guī)劃[1]，時(shí)分長期演進(jìn)(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)的工作頻譜主要分布在1.8～2.6 GHz之間，包括A頻段，E頻段和D頻段，其中E頻段與TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址技術(shù))共用。根據(jù)無線電波的傳播特性，一般來說，頻率越低，路經(jīng)損耗越小，相對于移動(dòng)通信基站來說，每個(gè)基站覆蓋范圍越大，對于達(dá)到相同覆蓋地區(qū)，基站數(shù)量減少，降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。隨著我國無線電技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，可以使用的頻譜資源越來越有限，尤其是傳播特性較好的低端頻段已經(jīng)被劃分殆盡[2]。針對頻譜資源的枯竭，發(fā)達(dá)國家早已開始了動(dòng)態(tài)頻譜管理的研究，2003年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)報(bào)告提出有關(guān)認(rèn)知無線電頻譜管理的新規(guī)范，歐盟推出了最佳使用頻譜新戰(zhàn)略，目標(biāo)是根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行調(diào)整的動(dòng)態(tài)頻譜分配方式[3]。我國的頻譜規(guī)劃和管理由工業(yè)和信息化部無線電管理局統(tǒng)一負(fù)責(zé)，目前采取的是以行政手段為主的頻譜指配方式，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)沒有用戶使用，白白浪費(fèi)了頻譜資源。例如，我國低頻段700 MHz屬于廣電網(wǎng)絡(luò)，450 MHz頻譜是公共頻譜，集中了對講機(jī)、集群通信等應(yīng)用。就移動(dòng)通信的技術(shù)特點(diǎn)及可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)能力而言，低頻段是移動(dòng)通信的黃金頻段，4G的最佳頻譜應(yīng)設(shè)在1 GHz以下[3]，若采用特高頻(Ultra High Frequency, UHF)頻段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署可以達(dá)到良好的室內(nèi)覆蓋和廣域覆蓋能力，大大降低運(yùn)營商建網(wǎng)投資。如果將UHF等頻段用于LTE系統(tǒng)，對技術(shù)、設(shè)備實(shí)現(xiàn)的可能性需要進(jìn)行客觀全面的評估。因此本文提出一個(gè)TD-LTE候選頻段分析系統(tǒng)，通過測量不同頻段、不同時(shí)間、不同工作場景的頻譜占用情況，針對450～470 MHz、698～806 MHz、1 425～1 525 MHz、2 300～2 400 MHz幾個(gè)頻段進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析，借助地理信息系統(tǒng)的直觀性將我國典型頻段的頻譜利用情況在地圖上直觀展示給用戶，為認(rèn)知無線電技術(shù)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。

1 基于頻譜占用度的空閑頻段分析方法

為了獲取我國頻譜資源利用情況，選取4個(gè)典型城市：西安、北京、南京、上海，每個(gè)城市選擇1～3個(gè)場景不同的測量點(diǎn)，分別對450～470 MHz、698～806 MHz、1 425～1 525 MHz、2 300～2 400 MHz幾個(gè)頻段進(jìn)行實(shí)際測量。搭建軟硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)主要有接收機(jī)、天線、饋線、計(jì)算機(jī)，軟件平臺(tái)是制作具有軟件著作權(quán)的頻譜測量軟件。

頻譜占用度的測量，選擇的設(shè)備是Agilent N8201A接收機(jī)，頻率范圍為3 Hz～26.5 GHz。根據(jù)具體任務(wù)確定，要求每次測量時(shí)間不小于24小時(shí)，一般連續(xù)7天24小時(shí)不間斷測量，測量數(shù)據(jù)為各頻段在不同采樣點(diǎn)上的功率值，每隔2 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)以Data文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。通過軟件分析，對測量結(jié)果和門限值(門限電平是根據(jù)觀測時(shí)間內(nèi)各頻點(diǎn)場強(qiáng)最小值中的最大值加5 dB的方式確定)比較，判斷頻點(diǎn)是否被占用，最后得到各監(jiān)測點(diǎn)各頻段的頻譜占用度情況。

根據(jù)頻譜占用度的情況，可以討論部分空閑頻段是否能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。在頻譜占用度小于5%的情況下，可以認(rèn)為該頻段使用較少，基本屬于白頻譜，可以考慮直接部署具有認(rèn)知功能的TD-LTE系統(tǒng)[4]。若頻譜占用度大于5%的情況下，認(rèn)為有其他業(yè)務(wù)占用，使用該頻段時(shí)需要進(jìn)行共存分析，首先需要判斷該頻段上的信號(hào)強(qiáng)度是否大于部署TD-LTE系統(tǒng)所需的抗干擾門限閾值Ith，不考慮解調(diào)門限，即只考慮系統(tǒng)底噪和系統(tǒng)的噪聲系數(shù)的綜合影響。其次，3GPP對系統(tǒng)共存干擾的確定性分析中采用的準(zhǔn)則是滿足通信質(zhì)量要求的信噪比惡化1 dB，此時(shí)對應(yīng)的干擾值比噪底低6 dB[5]。因此抗干擾門限閾值定義為[6-7]

Ith=10 lg(KTB)+Nf-6,

(1)

其中Ith為抗干擾門限閾值，接收機(jī)噪聲功率為10lg(KTB)，Nf為噪聲系數(shù)。如果該空閑頻段上的接收信號(hào)強(qiáng)度大于TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾門限閾值則認(rèn)為此空閑頻段上存在干擾，會(huì)影響到TD-LTE系統(tǒng)的正常工作，此頻段不能部署TD-LTE系統(tǒng)。如果該空閑頻段上的接收信號(hào)強(qiáng)度小于TD-LTE系統(tǒng)的抗干擾門限閾值，則認(rèn)為此空閑頻段上干擾較小，不會(huì)影響到TD-LTE系統(tǒng)的正常工作，此頻段能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。

2 頻譜分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對測量后得到的龐大頻譜數(shù)據(jù)，如何利用GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，來保證數(shù)據(jù)的完整性和頻譜分析圖的合理展示是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用C/S模式軟件架構(gòu)，該模式具有服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷小、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度快、數(shù)據(jù)安全性好等特點(diǎn)。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[8-9]可以抽象為3個(gè)層次：數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層(圖1)。

圖1 TD-LTE候選頻段頻譜分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)應(yīng)該既考慮數(shù)據(jù)的特征，又兼顧應(yīng)用目的。需要將圖層外的測試數(shù)據(jù)源引入MapX控件，通過與其他ActiveX數(shù)據(jù)控件的綁定，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與MapX中的地圖的關(guān)聯(lián)和對應(yīng)，并通過SQL語句方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢[10]。將MapX組件通過數(shù)據(jù)綁定把數(shù)據(jù)庫中的地理信息映射到地圖圖層上，每一圖層的一組文件的文件名相同只是后綴不同，通過索引文件*.Id，MapX就可以將屬性數(shù)據(jù)與地圖的空間數(shù)據(jù)連接起來。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫管理軟件，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包含了基礎(chǔ)地理信息、頻譜測試數(shù)據(jù)、專題圖形數(shù)據(jù)、圖片資料等[11-12]。

3 頻譜分析系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成.NETFramework2.0、Mapinfo、Matlab軟件、Acess數(shù)據(jù)庫作為應(yīng)用平臺(tái)搭建開發(fā)框架。C/S模式，支持單機(jī)工作方式。軟件主要應(yīng)用包括地圖編輯、統(tǒng)一屬性錄入，文件存儲(chǔ)，測試數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、分析。系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式采用通用標(biāo)準(zhǔn)格式。

TD-LTE候選頻段頻譜分析系統(tǒng)具有地圖控制、頻譜分析、容量分析和系統(tǒng)維護(hù)等功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TD-LTE候選頻段頻譜分析系統(tǒng)功能模塊

各功能模塊具體描述如下。

(1) 地圖控制: 主要利用MapX組件實(shí)現(xiàn)地圖的基本操作功能。如打開地圖文件、打開影像文件、地圖顯示、地圖放大、地圖縮小、全屏顯示、全圖漫游、圖層增減等。

(2) 監(jiān)測點(diǎn)位置定位: 通過樹形結(jié)構(gòu)展示所有監(jiān)測點(diǎn)，并在地圖上用圖標(biāo)標(biāo)注，可在地圖上直接顯示出某地區(qū)的頻譜容量是否能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。

(3) 頻譜占用度分析: 通過“城市”、“場景”、“測量頻段”、“頻譜占用判決門限”等限定條件，得出頻譜占用度分析圖。

(4) 場強(qiáng)及占用度分析: 通過“頻段”、“測量時(shí)間” 等限定條件，得出頻道占用度分析圖、場強(qiáng)及門限分析圖、占用度在頻率和時(shí)間上的瀑布圖。

(5) 空閑頻段分析: 通過“城市”、“場景”、“測量頻段”、“頻譜占用判決門限”等限定條件，得出空閑頻段分析圖，并計(jì)算出空閑頻段。

(6) 容量分析: 通過“城市”、“場景”等限定條件，給出該地區(qū)的空閑頻段容量。

(7)系統(tǒng)維護(hù): 分為用戶信息維護(hù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)兩個(gè)部分，其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)主要實(shí)現(xiàn)頻譜測量地點(diǎn)及城市基本信息的錄入、修改、刪除、查看等功能。用戶信息維護(hù)主要實(shí)現(xiàn)用戶基本信息的錄入、修改、刪除、查詢等功能。

4 頻譜分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

頻譜管理系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)包括測量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其中測量數(shù)據(jù)是天線設(shè)備所測量的不同地點(diǎn)的場強(qiáng)值，通過matlab軟件分析后，畫出頻譜占用度統(tǒng)計(jì)圖及容量分析圖；系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括測量儀器的各種參數(shù)、各個(gè)監(jiān)測地點(diǎn)的經(jīng)緯度及照片，以及用戶信息，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Access數(shù)據(jù)庫中。空間數(shù)據(jù)以Mapinfo標(biāo)準(zhǔn)文件格式存儲(chǔ)于特定目錄下，包括公路、城市、建筑物、經(jīng)緯度等地理數(shù)據(jù)，每個(gè)地物均有其對應(yīng)的唯一標(biāo)識(shí)(ID號(hào))，系統(tǒng)以此為索引建立該地物的圖形數(shù)據(jù)文件，本系統(tǒng)所使用的矢量地圖是Mapinfo格式的全國地圖[13-14]。

在visual Studio的開發(fā)平臺(tái)下，導(dǎo)入MapX控件，通過設(shè)置其屬性和調(diào)用方法來實(shí)現(xiàn)對矢量地圖的控制。其中需要將屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，比如在地圖上對每個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，通過調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)緯度從而將圖標(biāo)定位到矢量地圖上。MapX類庫所提供的CreateLayer方法可以在地圖上新建圖層，所有新添加的圖元信息都需要在新圖層上建立。地圖和監(jiān)測點(diǎn)加載后的系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 頻譜地圖功能界面

以西安市為例對市區(qū)和郊區(qū)在698～806 MHz頻段進(jìn)行了容量分析，通過查找該頻段內(nèi)是否存在頻譜占用度小于5%的空閑頻段，并判斷該空閑頻段是否符合部署TD-LTE系統(tǒng)的條件。

由圖4可知，由于可部署TD-LTE的判決門限(-115 dBm)低于實(shí)測信號(hào)的接收強(qiáng)度，因此在698～806 MHz頻段，西安市城區(qū)無空閑頻段能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。

由圖5可知，由于在698～806 MHz頻段、西安郊區(qū)場景可部署TD-LTE系統(tǒng)的判決門限大部分高于實(shí)測信號(hào)的接收強(qiáng)度，因此在698～704.21 MHz、709.745～751.055 MHz、752～775 MHz、782～806 MHz頻段存在共計(jì)95.2 MHz空閑頻段能夠部署TD-LTE系統(tǒng)。

圖4 西安市城區(qū)698～806 MHz頻段容量分析界面

圖5 西安市郊區(qū)698～806 MHz頻段容量分析界面

5 結(jié)束語

借助地理信息軟件，實(shí)現(xiàn)了一套頻譜分析系統(tǒng)，通過測量典型城市不同頻段的頻譜占用情況，對實(shí)測數(shù)據(jù)建立管理模型，該模型具備根據(jù)相應(yīng)的輸入?yún)?shù)(如CR系統(tǒng)坐標(biāo)等)，完成一定數(shù)據(jù)處理和頻譜管理，提供圖形化的頻譜利用統(tǒng)計(jì)情況，并給出空閑頻段部署TD-LTE系統(tǒng)的模型建議。

[1] 信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局.關(guān)于調(diào)整2.4GHz頻段發(fā)射功率限值及有關(guān)問題的通知:信部無[2000]353號(hào)[Z/OL].(2009-09-05)[2014-04-06].http://www.srrc.org.cn/NewsShow1363.aspx.

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[6] 3GPP TS 36.101.V9.3.0. User Equipment radio transmission and reception[S].2010.

[7] Recommendation ITU-R P.1546-3. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz[S].2009.

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[責(zé)任編輯:祝劍]

Design and implementation of TD-LTE candidate frequency spectrum analysis system

SHI Wei, XU Peng, ZHANG Gaoji, GUO Juan

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A TD-LTE Spectrum Analysis System is designed in this paper for the problem of the lack of frequency resources in our country in the TD-LTE system deployment. Based on the spectrum measurement in the four typical cities (Xi’an, Beijing, Nanjing, Shanghai), a database is established to store the measured data. The measured data is showed in the form of the spectrum map through the GIS software and the spectrum occupancy for every frequency channel is calculated. Idle spectrum resources are searched in the UHF (Ultra High Frequency) to find any available frequency in order to determine whether to deploy TD-LTE system there. Xi’an is chose as an example for the operational analysis. The analysis result shows that there are some idle frequency band in 698～806 MHz from Xi’an suburb which can be used to deploy TD-LTE system.Keywords:spectrum occupancy, geographic information systems (GIS), ultra high frequency(UHF)

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.004

2014-05-23

工業(yè)和信息化部軟科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014R33)；西安郵電大學(xué)中青年科研基金資助項(xiàng)目(109-0444)

石薇(1980-)，女，碩士，講師，從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究。E-mail:shiwei0430@126.com 徐鵬(1980-)，男，碩士，工程師,研究方向?yàn)檐浖O(shè)計(jì)與應(yīng)用。E-mail:xp@xupt.edu.cn

TN911.23

A

2095-6533(2014)05-0016-06