陳褒丹,陳 星,任 佳

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 海口 570228)

南海白頻譜占用度的測量和分析

陳褒丹,陳 星,任 佳

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

為了掌握白頻譜在南海上的實(shí)際利用情況，根據(jù)最新的頻譜占用度建議書ITU-R SM.1880以及移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備建議書ITU-R SM.1723-2，搭建海上移動(dòng)測量軟硬件環(huán)境，對該頻段在環(huán)海南島近海海域的頻譜占用度進(jìn)行實(shí)際的移動(dòng)測量，并根據(jù)李氏定律進(jìn)行采樣，最后分析所得數(shù)據(jù)，得出時(shí)間-頻率-占用度的對照圖，測試結(jié)果顯示被測海域的白頻譜利用率偏低。

頻譜占用度；白頻譜；移動(dòng)測量；李氏定理

近年來，南海海洋漁業(yè)、資源開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等活動(dòng)日益增多，對原有的通信系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前海上無線通信技術(shù)的主要方式包括甚高頻單邊帶通信、海岸蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信等，但上述方式已不能滿足現(xiàn)代海上生產(chǎn)、主權(quán)維護(hù)及安全救助對寬帶多媒體交互信息的需要，因此急需發(fā)展適用于南海海域的無線寬帶通信技術(shù)[1]。

廣播電視“空閑頻譜/頻道”(又稱“電視白頻譜”，TVWS)具有優(yōu)越的信號傳播以及必要的帶寬特性，能滿足海上寬帶通信的要求。探索南海海域白頻譜時(shí)空分布特征是開展白頻譜寬帶通信技術(shù)研究的必要前提。在2007年召開的世界無線電通信大會(huì)上標(biāo)注空白電視頻段中698～806 MHz頻段可用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前該頻段在我國用于廣播電視，而在廣袤無垠的大海上，廣播電視信號很少覆蓋，因此可考慮測量研究該頻段在海上的頻譜占用度，準(zhǔn)確了解該頻段在海上的實(shí)際利用情況，這對白頻譜用于下一代通信的探索有重要作用。

目前對于南海海域698～806 MHz頻譜測量研究幾乎為空白，文獻(xiàn)[2-3] 給出了頻譜測量的參數(shù)設(shè)置參考，但缺乏具體的工程實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]對該頻段占用度在陸地上的3個(gè)點(diǎn)采用了固定測量的方式測量頻譜占用度，但無法滿足大范圍了解該頻段占用度的需求。本文主要以ITU標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，針對該頻段給出具體的測量方案，并基于對環(huán)海南島近海海域的頻譜測量工作的基礎(chǔ)上，以文獻(xiàn)[5]中給出的李氏定律為移動(dòng)測量數(shù)據(jù)采樣依據(jù)，對該頻段在海南島近海海域頻譜占用度進(jìn)行分析并得出結(jié)論。

1 頻譜占用度

頻譜占用度測量是無線電監(jiān)測工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，ITU-R SM.1793建議書[6]中將頻譜占用度的作用概括為頻率的分配和指配，印證對頻道阻塞的投訴和確定頻譜使用的有效性。頻譜占用度又分為信道占用度和頻段占用度。在當(dāng)今頻譜資源供需矛盾日益突出的情況下，頻譜占用度測量工作的開展更具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 信道占用度

信道占用度被定義為：使用頻譜分析儀對特定的信道進(jìn)行測量，信號大于某一門限電平值的時(shí)間與總測量時(shí)間的百分比。設(shè)總測量時(shí)間為TA，信號超過門限電平的時(shí)間之和為TC，則信道占用度FCO的計(jì)算公式如下

(1)

在實(shí)際測量中，一般采用的方法是：針對給定的信道，在整個(gè)監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，信號超過給定門限電平值的采樣個(gè)數(shù)(SC)與總采樣個(gè)數(shù)(SA)之比，即

(2)

1.2 頻段占用度

頻段占用度是指頻譜分析儀在以固定步長對某一頻段進(jìn)行順序測量，大于門限值的信道數(shù)占整個(gè)頻段被測總信道數(shù)的百分比。對于單次測量的情況，設(shè)高于門限的測量樣本數(shù)量為No，總的測量樣本數(shù)量為N，頻段占用度FBO的計(jì)算公式如下

(3)

針對多次測量的情況，對于頻段占用度的分析存在多種方法：

1)方法一：根據(jù)ITU-R建議書SM.1793中指出頻段占用度的統(tǒng)計(jì)分析方法，依據(jù)門限值把每個(gè)信道分為占用和未占用兩種情況，再對每個(gè)信道占用度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后根據(jù)每個(gè)信道的信道占用度畫出整個(gè)頻段的頻率-占用度圖形，以便直觀顯示頻段占用度。

2)方法二：對單次測量的頻段占用度百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出多個(gè)單次測量的頻段占用度再求平均值，但通常這種方法會(huì)弱化頻率軸的信息[2]。

2 測量方案制定

2.1 測量地點(diǎn)及時(shí)間的選擇

遵照頻譜占用度測量建議書ITU-R SM.1880[7]中的說明，測試地點(diǎn)選擇的具體位置需要有代表性，能真實(shí)反映頻譜在特定位置特定時(shí)間內(nèi)的使用情況。

在測量時(shí)間上，ITU-R SM.1880建議觀測時(shí)間應(yīng)該足夠長，應(yīng)考慮至少24 h或多個(gè)24 h，本次測量活動(dòng)以24 h為一個(gè)周期進(jìn)行。

2.2 測量的環(huán)境搭建

ITU-R SM.1880建議書中對測量設(shè)備的要求包括無線接收機(jī)或頻譜分析儀、匹配的天線、電纜、配有接口適配器的計(jì)算機(jī)、適用的采集和后處理軟件。

如圖1所示，本次測量系統(tǒng)的搭建的使用的設(shè)備有Agilent N9342C(內(nèi)置GPS，頻率范圍為100 kHz～7 GHz)，DIAMOND RH799 全向伸縮天線(頻率范圍70～1 000 MHz)，數(shù)據(jù)處理軟件MATLAB。

圖1 頻譜測量活動(dòng)環(huán)境搭建示意圖

2.3 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

1)分辨率帶寬(RBW)以及視頻帶寬(VBW)的設(shè)置

RBW實(shí)際上是頻譜儀內(nèi)部濾波器的帶寬，其大小能決定是否能把兩個(gè)相臨很近的信號分開?！额l譜監(jiān)測手冊》[8]建議RBW應(yīng)大于步長，一般為步長的1.2倍。

VBW表示測試的精度，越小精度越高，VBW設(shè)置越小其測試曲線越光滑。很多實(shí)驗(yàn)表明VBW=0.1RBW時(shí)測量最為合理。

2)回掃時(shí)間(Revisit time)的設(shè)置

回掃時(shí)間表示設(shè)備掃描所有信道并返回第一個(gè)信道所用的時(shí)間，如果回掃時(shí)間過短，測量時(shí)的掃描速度超過了設(shè)備的極限速度，測量結(jié)果失真，如果回掃時(shí)間過長，一些短時(shí)信號會(huì)被遺漏，測量結(jié)果可靠性降低。因而在進(jìn)行占用度測量時(shí)，應(yīng)保證一定的測量時(shí)間長度。

3)判決門限的設(shè)置

判決門限是影響占用率結(jié)果的因素之一，門限電平設(shè)置過低，難以避免記錄噪聲而引起測量誤差，而門限設(shè)置高了容易漏掉信號。

設(shè)置門限有兩種不同的方法，第一種為預(yù)置門限，在整個(gè)監(jiān)測持續(xù)時(shí)間保持不變的一個(gè)固定值，一般可以設(shè)置為最小的需要場強(qiáng)；另一種為與當(dāng)前情況相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)門限，動(dòng)態(tài)門限的設(shè)置有不同的方法，由于本次測量活動(dòng)是在移動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行的，在進(jìn)行一次掃描前，既不知道適合的未使用的頻率，也不知道信道未被使用的時(shí)間，在這種情況下，使用ITU-R SM.1753建議書[9]中描述的“80%方法”計(jì)算當(dāng)前動(dòng)態(tài)門限，即將代表最高電平的全部樣本中的80%丟棄，對剩余的代表較低電平的20%取線性平均，其結(jié)果為噪聲電平，最后的門限比計(jì)算得到的噪聲電平高出3～5 dB。

3 移動(dòng)測量數(shù)據(jù)處理

頻譜占用度測量往往采用固定測量，對了解大區(qū)域范圍內(nèi)的頻譜占用度并不十分有效，對于需要了解某一頻段在一定區(qū)域的頻譜占用度，可移動(dòng)的監(jiān)測設(shè)備可進(jìn)行的頻譜監(jiān)測，在ITU-R SM.1723-2建議書[10]中指出，在移動(dòng)測量中執(zhí)行頻譜占用測試任務(wù)時(shí)，需要考慮到的參數(shù)包括無線電通信標(biāo)準(zhǔn)、信道技術(shù)規(guī)范(帶寬、間隔、調(diào)制類型)、參數(shù)記錄、回掃時(shí)間、移動(dòng)速度等。

在關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置上，移動(dòng)測量采用和固定測量設(shè)置相同的方法，然而在移動(dòng)測量過程中，涉及到移動(dòng)速度和如何進(jìn)行采樣的問題，需要一一進(jìn)行分析。根據(jù)1985年William Lee發(fā)表了關(guān)于移動(dòng)無線信號場強(qiáng)采樣標(biāo)準(zhǔn)[5]，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出場強(qiáng)采樣的標(biāo)準(zhǔn)：考慮到移動(dòng)環(huán)境中信號會(huì)出現(xiàn)多徑衰落和路徑損耗波動(dòng)的影響，在40個(gè)波長內(nèi)采樣36～50個(gè)點(diǎn)。這一標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為事實(shí)上的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，在本征長度為40個(gè)波長，采樣40個(gè)樣點(diǎn)時(shí)，可使測試數(shù)據(jù)與實(shí)際本地均值之差小于1 dB。

在進(jìn)行移動(dòng)測量時(shí)，既要考慮測試設(shè)備的性能，也要考慮車速，設(shè)車速為v，測試設(shè)備每秒采樣n個(gè)同一頻點(diǎn)，波長為λ，合理的車速計(jì)算公式如下

(4)

對于698～806 MHz的頻段，在每秒采樣10個(gè)同一頻點(diǎn)的情況下，根據(jù)式(4)，車速范圍為12.3～14.8 km/h。

4 環(huán)海南島近海海域?qū)?98～806 MHz 頻譜占用度測量分析

為了了解698～806 MHz頻段在南海上的具體使用情況，海南大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與2014年10月21～29日開展了為期9天的環(huán)海南島近海海域頻譜測量活動(dòng)，本次測量活動(dòng)環(huán)島路線經(jīng)過南山港-八所港-洋浦港-東水港-新埠島-清瀾港-石梅灣-清水港-三亞灣共9個(gè)港口，近海海域?yàn)楹Ｉ匣顒?dòng)開展頻繁的領(lǐng)域，選擇在該海域進(jìn)行測量具有一定的代表性，同時(shí)滿足了對頻譜測量時(shí)間的要求。本次環(huán)島測量路徑如圖2所示。

圖2 環(huán)海南島測量頻譜路徑圖

4.1 參數(shù)設(shè)置

本次測量選用內(nèi)置GPS的手持式頻譜分析儀Agilent N9342C，該設(shè)備采用了掃頻調(diào)諧技術(shù)和FFT技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在更低的本底噪聲下進(jìn)行寬頻段掃描或窄分辨率帶寬掃描，適用于移動(dòng)環(huán)境下的頻譜測量。

根據(jù)以上對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置分析，本次測量起始頻率為698 MHz，終止頻率806 MHz，步長約為234 kHz，最接近步長1.2倍的分辨率帶寬(RBW)為300 kHz，視頻帶寬(VBW)為分辨率帶寬的0.1倍，再根據(jù)李氏定律對測量的船速進(jìn)行控制，得出本次測量活動(dòng)對頻譜分析儀器設(shè)備設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)海南島頻譜測量活動(dòng)參數(shù)

分辨率帶寬300kHz起始頻率698MHz測量時(shí)間20141021—20141029回掃時(shí)間100ms顯示帶寬30kHz終止頻率806MHz回掃時(shí)間100ms檢波方式正峰值檢波

4.2 數(shù)據(jù)處理

本次測量活動(dòng)歷程約940 km，對本次測量的數(shù)據(jù)處理，首先按照李氏定律對每個(gè)被測頻點(diǎn)進(jìn)行采樣，以40λ作為本征長度，698～806 MHz頻段的本征長度從14.8～17.2 m不等，取得樣本總數(shù)從54 000～63 000個(gè)不等，需分別進(jìn)行采樣，再以1λ為間隔本征長度中每隔取40個(gè)采樣點(diǎn)作為一個(gè)均值區(qū)間，再依照2.3節(jié)中描述的“80%方法”設(shè)置每個(gè)均值區(qū)間的門限，計(jì)算每個(gè)信道的占用度，從而得出整體的頻段占用度。

根據(jù)1.2節(jié)中描述的頻段占用度的方法一，對各個(gè)信道分別針對占用和未占用的情況進(jìn)行處理，最后得出的每個(gè)信道的頻率-時(shí)間占用度如圖3所示。從圖3可以看出，僅有個(gè)別被測信道被占用，其中745～765 MHz以及775～795 MHz兩段連續(xù)的帶寬為20 MHz的空白頻段。

圖3 頻率-占用度統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)1.2節(jié)中頻段占用度處理的第二種方法，以被測某一航段上連續(xù)24 h的測量結(jié)果為例，24 h內(nèi)的頻譜占用度的頻率-時(shí)間-頻譜值三維圖如圖4所示，24 h內(nèi)每單次采樣計(jì)算得出的頻譜占用度如圖5所示，最后對每單次測量的頻譜占用度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。由圖4和圖5對某一航段24 h內(nèi)的時(shí)間-頻率-占用度的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在一天之內(nèi)698～806 MHz各信道的功率值都比較穩(wěn)定，且整個(gè)頻段占用度的變化都不大，最高不超過9%，用同樣的方法分析其他的航段的結(jié)果也得出類似的結(jié)論。

圖4 24 h內(nèi)的頻段占用度的頻率-時(shí)間-頻譜值三維圖

圖5 24 h內(nèi)每單次測量的頻段占用度百分比

最后，依據(jù)頻段占用度的第二種計(jì)算方法，對所測得8個(gè)航段內(nèi)移動(dòng)測量所取的樣本分別計(jì)算頻段占用度，再對這些樣本頻段占用度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得出8個(gè)航段內(nèi)的頻段占用度，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，各航段的頻段占用度都不高，最高為6.8%。

圖6 環(huán)島各航段698～806 MHz頻段占用度統(tǒng)計(jì)圖

從以上分析的結(jié)果可以看出，從信道占用度上看，被占用的信道少且各信道的強(qiáng)度基本是穩(wěn)定的，并測得大量連續(xù)的空閑信道，從整個(gè)頻段占用度上看，頻段占用度非常低且穩(wěn)度高。根據(jù)最新《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，698～806 MHz已確定由希望實(shí)施國際移動(dòng)通信的主管部門使用，由于測得該頻段上有745～765 MHz以及775～795 MHz的連續(xù)空白頻段，因此從頻段優(yōu)良的傳播特性、實(shí)際測得的頻段占用度以及符合國家頻率劃分規(guī)定來說，698～806 MHz頻段都可考慮結(jié)合認(rèn)知無線電技術(shù)用于新一代海上移動(dòng)通信建設(shè)。

5 結(jié)論

本文對頻譜測量的參數(shù)和數(shù)據(jù)分析借鑒現(xiàn)有的頻譜分析方法，參照ITU-R SM.1880頻譜占用度測量建議書以及 ITU-R SM.1723-2移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備建議書，根據(jù)李氏定理對移動(dòng)測量結(jié)果進(jìn)行采樣，得出環(huán)海南島近海海域的白頻譜測量信道占用度和頻段占用度的分析結(jié)果。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，在該海域下698～806 MHz頻段的占用度非常低，可為4G在南海上的布網(wǎng)提供可用頻段。

[1] 陳褒丹，任佳，莫惠芳. 南海環(huán)境下基于白頻譜的WLAN超遠(yuǎn)距離覆蓋[J]. 電視技術(shù)， 2014，38(11)：116-121.

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[3] 段洪濤. 頻譜占用度測量及相關(guān)參數(shù)確定[J]. 中國無線電，2007(3)：48-52.

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[7] ITU-R SM.1880，頻譜占用度測量[S].2011.

[8] 周鴻順.頻譜監(jiān)測手冊[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[9] ITU-R SM.1753，無線電噪聲測量方法[S].2006.

[10]ITU SM.1723-2，移動(dòng)頻譜監(jiān)測設(shè)備[S].2011.

陳 星(1991— )，女，碩士生，主研海洋通信；

任 佳(1981— )，博士，副教授，為本文通訊作者，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笸ㄐ拧?/p>

責(zé)任編輯：閆雯雯

Measurement and Data Analysis of White Spectrum Occupancy in South China Sea

CHEN Baodan, CHEN Xing, REN Jia

(CollegeofInformationScienceandTechnology,HainanUniversity,Haikou570228,China)

In order to master the practical utilization of white spectrum in the south China sea, and according to the latest spectrum occupancy proposal ITU-R SM.1880 and mobile monitoring equipment proposal ITU-R SM. 1723-2, maritime mobile measurement hardware and software environment are built to make actual moving measurement of the frequency spectrum occupancy in the coastal waters of Hainan island. And samples are taken by using Lee’s criteria. Finally, the obtained data is analyzed to get the comparison diagram of time-frequency- occupancy rate. The test results show that white spectrum utilization rate in the measured area is low.

spectrum occupancy; TVWS; mobile measurement; Lee’s criteria

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(613156)；海南省應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與示范推廣專項(xiàng)(ZDXM2014116)；海南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)研究中心建設(shè)專項(xiàng)(gczx2014004)

TN98

A

10.16280/j.videoe.2015.19.020

陳褒丹(1962— )，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娨暸c通信信號處理、南海無線電頻譜測量等；

2015-06-19

【本文獻(xiàn)信息】陳褒丹,陳星,任佳.南海白頻譜占用度的測量和分析[J].電視技術(shù),2015，39(19).