田　方　馮志勇　陳　星

摘要：文章基于無線頻譜測量的方法和要素，從各個角度分析了現有的頻譜占用情況，測量結果表明，現有的頻率分配政策使得部分頻譜并未被有效地利用，頻譜占用度在時間上空間上具有較大的差異性。測量結果將為未來的認知無線電技術等下一代無線通信技術的實現提供依據。

關鍵詞：頻譜測量；分析方法；頻譜利用；測量關鍵參數

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

隨著無線通信的迅速發(fā)展，特別是由于近來基于頻譜的服務和設備顯著增加，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被劃分殆盡。這種預先分配、授權使用的頻譜管理方式，使某些頻段承載的業(yè)務量很大，而另一些頻段卻在大部分時間內沒有用戶使用，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查后發(fā)現，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實依據，同時為認知無線電技術等用于異構網絡的下一代無線通信技術尋找可用頻段。

頻譜測量工作的進行需要簡單、實用、高效的測量方法，在測量中結合各頻段內已有的業(yè)務特性，設置合理的測量參數，制訂有效的頻譜測量方案，并對測量數據進行有效的分析。合理地使用測量數據的分析結果，將為頻譜管理人員提供有關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測量目標制訂合理的測量方案，確定測量地點、使用設備、測量頻段等相關工作的調研[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 測量設備選擇及搭建

測量設備的選取需要根據各頻段上具體通信技術的特點來選擇，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備接收及分析，而CDMA系統(tǒng)則需要相應的解碼設備來完成對其的精確的測量與分析。圖1所示為測量設備的一種搭建方法。

1.3 測量參數的確定

測量參數的設置直接關系到測量結果的正確性，一般來說，測量時比較重要的參數包括回掃時間、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，回掃時間的設置與接收設備有密切的聯系。在使用接收機作為接收設備時，回掃時間可以由測量人員根據需要確定，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備的反應速度，測量結果會有失真。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果。

(2)RBW與VBW設置

RBW為分辨帶寬，設置它的大小，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)務特性做調研，根據每種通信系統(tǒng)的信道帶寬特性設置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，造成測量結果的誤差，采樣頻點間隔過大對測量產生的影響如圖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，門限設置高了容易漏掉信號，門限設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，從而造成測量結果的誤差。如圖3所示為經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。

F. Weidling提出了P值法來確定測量門限劃分信號與噪聲[6]。所謂的P值法就是假設噪聲的方差是一個穩(wěn)定值，利用迭代法逐步減小噪聲樣本，最后得到一個穩(wěn)定的噪聲方差從而確定門限的大小。這種方法的優(yōu)點是門限值確定方法較為客觀，并且門限劃分更為細致，能夠按信道劃分門限值。但經反復試驗表明，P值法一般適應于噪聲比信號多且噪聲功率與信號功率差別明顯的情況，測量結果基本與實際相符；而當噪聲與信號功率較為接近或是整個頻段均為噪聲或信號時，P值法得到的結果并不令人滿意，這是P值法在使用過程中的一大缺陷。