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)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，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，與實際情況并不相符。