無(wú)線頻譜測(cè)量方法與分析

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(mǎn)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。