鄧 敏 吳海燕 李海宏 胡斌杰

(1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.廣東省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會，廣東 廣州510031； 3.中山市 無線電監(jiān)測站，廣東 中山 528400)

引 言

隨著無線電新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，無線頻譜資源愈顯稀缺，而現(xiàn)有的先分配后固定使用的方式，不利于頻譜資源的有效利用.基于認(rèn)知無線電(Cognitive Radio， CR)的動態(tài)頻譜管理技術(shù)[1]通過允許能夠檢測當(dāng)前頻譜的可用性并靈活調(diào)整調(diào)制參數(shù)的非授權(quán)無線用戶設(shè)備伺機(jī)接入暫時空閑的頻譜[2]，可以有效地解決目前頻譜資源緊張，但頻譜利用率不高，存在大量空閑[3]的矛盾.

頻譜測量對于認(rèn)知無線電技術(shù)的應(yīng)用和制定動態(tài)頻譜分配[4-5]的相關(guān)頻譜管理政策是十分基礎(chǔ)的.國內(nèi)外許多實測[6]結(jié)果表明，目前已分配的頻譜利用率普遍較低；而國內(nèi)頻譜大范圍、長時間的測量進(jìn)行得較少.若開展認(rèn)知無線電技術(shù)，需經(jīng)過詳細(xì)監(jiān)測尋找合適的頻段及其空閑時段.為獲得廣東省UHF頻段的具體使用情況，詳細(xì)研究利用率較低頻段的主用戶活動，給認(rèn)知無線電技術(shù)的應(yīng)用提供現(xiàn)實依據(jù)，我們在廣東省開展了頻譜監(jiān)測和分析，且有如下特點：

1) 測量地域廣，包括珠三角地區(qū)七個地市的市區(qū)和郊區(qū)無線電監(jiān)測站；

2) 頻譜覆蓋300 MHz～3 GHz，且對部分已分配頻段設(shè)置不同參數(shù)進(jìn)行頻段監(jiān)測；

3) 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計后，對占用情況穩(wěn)定性較強(qiáng)的廣播電視頻道進(jìn)行信道占用建模；

4) 根據(jù)各頻率點的利用率情況將頻率點劃分為五個等級，找出不同空閑程度的帶寬，并分析可供認(rèn)知無線電用戶接入的連續(xù)空閑帶寬的概率.

檢測結(jié)果表明，在時域與頻域上，廣東省UHF頻段存在大量的空閑資源，且同一頻段的利用率在不同地區(qū)、不同測量時段呈現(xiàn)一定的差異.

1 頻譜監(jiān)測與結(jié)果

1.1 頻譜監(jiān)測

為對比分析不同城市不同場景下的頻譜利用情況，本次測量選擇珠三角地區(qū)的廣州、中山、深圳、佛山、珠海、東莞、惠州等城市.除惠州市采用可搬移測向站、廣州增加省無線電監(jiān)測站外，各市在業(yè)務(wù)密集市區(qū)和郊區(qū)各選擇一個固定監(jiān)測站.測量設(shè)備采用監(jiān)測站已有的頻譜分析儀或接收機(jī)，以及分別用于測量低于1.3 GHz和高于1.3 GHz信號的低、高頻天線，接收放大器，預(yù)先濾波器等用于采集和存儲測試數(shù)據(jù)的設(shè)備及相關(guān)控制設(shè)備.

測量方式為等間隔連續(xù)采樣，將每個頻段以等長步進(jìn)設(shè)置若干個頻率采樣點，在總時長內(nèi)循環(huán)掃描.回掃時間若過長，可能會漏測一些持續(xù)時間較短的信號.ITU-R建議的SM.1536中提出，回掃時間要小于信號發(fā)射時長的一半.結(jié)合實際監(jiān)測設(shè)備的掃描速度，每個頻段的回掃時間限制在12 s之內(nèi).門限設(shè)置為噪聲均值基礎(chǔ)上加3～5 dB，對每個頻率采樣點，將掃描電平值與門限比較，超過門限的次數(shù)占該采樣點在某段測量時長內(nèi)循環(huán)掃描次數(shù)的百分比，就是該采樣點在該時段內(nèi)的頻率占用度.為獲得一天當(dāng)中各時段的占用情況，各地市對每個目標(biāo)頻段進(jìn)行連續(xù)兩天的監(jiān)測，且對每個采樣頻率點每小時統(tǒng)計一次頻率占用度.本次測量用頻段利用率表示頻段內(nèi)所有頻率點占用度的平均值，來描述整個頻段時域上的占用程度.

根據(jù)《超短波頻段占用度測試技術(shù)規(guī)范(試行)》中頻段占用度的定義[7]：“對于某一信道，任一監(jiān)測站測得的占用度數(shù)據(jù)非零即認(rèn)為此信道被占用，用所有被占用的信道數(shù)除以該頻段總信道數(shù)，即為頻段占用度.”即，頻段占用度是從頻域分析每個頻段被授權(quán)用戶占用的信道數(shù)所占的百分比.

為獲得300～3 000 MHz頻段整體利用情況，在珠海、東莞、中山、佛山市進(jìn)行了數(shù)字掃描監(jiān)測，分辨率帶寬(Resolution Band Width, RBW)設(shè)為0.1 MHz. RBW反映了頻譜儀分辨等幅信號的能力，RBW越小，越能分辨兩個臨近的信號；如果兩信號的間隔大于等于RBW，兩個相臨近的信號就可分辨出來.為準(zhǔn)確地反映出測量頻段上各系統(tǒng)的占用情況，需根據(jù)每種業(yè)務(wù)的信道帶寬特性設(shè)置RBW. 如果間隔過大，則有可能漏測信號，這里取RBW<步進(jìn).

另外，所有監(jiān)測站對表1所示的頻段進(jìn)行了頻段監(jiān)測.因各頻段回掃周期不宜太長，在保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性的條件下，連續(xù)的頻段被劃分為如表1所示，步進(jìn)間隔則根據(jù)頻段業(yè)務(wù)信道間隔來定.其中，450～470 MHz的步進(jìn)設(shè)為12.5 kHz，RBW為6 kHz；566～592 MHz、592～606 MHz、798～806 MHz的步進(jìn)設(shè)為12.5 kHz，RBW設(shè)為9 kHz；606～798 MHz步進(jìn)為0.1 MHz，RBW為9 kHz；1 785～1 805 MHz步進(jìn)為50 kHz，RBW為30 kHz.測量時間從2011年12月26日—2012年2月22日不等.

表1 主要頻段及業(yè)務(wù)分配

1.2 監(jiān)測結(jié)果

綜合對比各地市UHF頻譜的頻段占用度和測量總時長內(nèi)頻段平均利用率，如圖1(a)、(b)所示.圖1(a)中大部分頻段存在閑置頻率，頻段占用度超過50%的地區(qū)并不多.如566～592 MHz頻段，除佛山市的郊區(qū)以及省監(jiān)測站外，其余測量結(jié)果都低于50%. 而圖1(b)表明，已分配的頻率并沒有一直被占用，存在較多空閑時段，頻譜利用率較低，其中606～798 MHz只有部分時間使用，除惠州的利用率低于10%外，其余在12%～40%之間；798～806 MHz則大部分時間是空閑的，各地區(qū)的利用率都低于5%；1 785～1 805 MHz的頻段利用率除佛山郊區(qū)較高外，很多地市的此頻段幾乎空閑.

(a) 頻段占用度

(b) 頻段平均利用率圖1 各地市的頻段使用情況匯總圖

2 測量數(shù)據(jù)的處理與分析

2.1 測量數(shù)據(jù)處理

用MATLAB讀取測量的占用度及電平數(shù)據(jù)，將各頻段的占用情況和信號電平情況用直觀圖形表示，從整體了解頻段的占用時段及占用信號的強(qiáng)度情況.這部分以深圳市的市區(qū)和郊區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)作分析.

(a) 市區(qū)

(b) 郊區(qū)圖2 深圳450～470 MHz時間-頻率-占用度三維圖

(a) 市區(qū)

(b) 郊區(qū)圖3 深圳450～470 MHz頻率利用情況

圖2(a)、(b)為深圳市的市區(qū)與郊區(qū)450～470MHz頻段的時間-頻率-占用度三維圖形，圖中的顏色條之藍(lán)色(下方)代表的占用度較低，而紅色(上方)代表占用度較高.該頻段的頻段占用度為97.50%，可見該頻段的各頻率采樣點在市區(qū)都有信號占用；但郊區(qū)測得的頻段占用度很低，為19.30%，有很大一部分頻率沒有被占用.從時間段上看，市區(qū)和郊區(qū)的頻段占用度在人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鲿r段都高于夜晚休息期間，市區(qū)在16∶00—17∶00間占用的信道數(shù)最多，郊區(qū)則在18∶00—19∶00時占用的信道數(shù)最多.

該頻段每個頻率采樣點的具體占用情況及信號電平情況，如圖3所示，用雙坐標(biāo)分別表示了各頻率采樣點的占用度和最大、最小、平均、門限電平值情況.從頻率利用率上看，市區(qū)在462.262 5、469.575 MHz附近占用要高很多，其余頻率采樣點的占用度相對較低；而郊區(qū)則在461～462 MHz附近有較高的占用度，其余頻率采樣點幾乎空閑.

從圖3可知，450～470 MHz在市區(qū)和郊區(qū)的利用率都很低，由于市區(qū)占用度高的采樣點很少，市區(qū)的頻段平均利用率僅為2.9%；而郊區(qū)則有相對較多的頻率采樣點的占用度較高，頻段平均利用率為5.66%. 可見，同一頻段在同一個城市不同的監(jiān)測地區(qū)所測得的使用情況存在較大差異.

2.2 UHF廣播電視頻道占用建模

低端UHF廣播電視頻段具有良好的無線電波傳播特性，可達(dá)到良好的室內(nèi)及廣域覆蓋效果[8].廣電部門已承諾，在2015年完成模擬電視轉(zhuǎn)數(shù)字電視后，將部分700 MHz模擬電視頻段讓給無線寬帶，支持長期演進(jìn)(Long Term Evolution)LTE發(fā)展.由1.2節(jié)對606～806 MHz頻段共200 MHz范圍內(nèi)的頻譜測量結(jié)果分析，可知該頻段存在大量的空白頻譜.

一方面，該頻段的信道占用情況具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在某地的電視頻道開放時間基本存在規(guī)律性；另一方面，對比不同地市的頻譜占用情況，該頻段在不同地區(qū)、不同時間段存在較大差異，因此，該頻段的信道占用模型沒有普遍適用性，只能體現(xiàn)某一個城市里某個局部地區(qū)對應(yīng)的頻譜占用特性.

將各頻率采樣點的電平值轉(zhuǎn)換成信道的狀態(tài)，占用狀態(tài)則對應(yīng)于實測數(shù)據(jù)的電平值超過門限，這里用“1”表示信道被占用，“0”表示空閑狀態(tài).若連續(xù)記錄信道狀態(tài)，就得到以時間為序的二進(jìn)制序列.這里以小時為單位，t表示一天中的時間段00∶00至24∶00，用f表示信道占用分布函數(shù)，則為分段函數(shù)[8].如表2所示，為深圳郊區(qū)UHF廣播電視頻道劃分及信道占用模型.除27～29、33、37～40、46～48號頻道在一天當(dāng)中都有占用，43號頻道在8∶00—13∶00、19∶00-次日2∶00間有占用，49號頻道在6∶00—7∶00、14∶00—15∶00、21∶00-23∶00間有占用外，其余頻道都是空閑的.而在市區(qū)情況則不同，沒有空閑頻道，且25、27～30、33～42、44、46～49號頻道在一天當(dāng)中每個小時都有占用.

表2 深圳郊區(qū)UHF廣播電視頻道占用模型(單位:MHz)

2.3 空閑頻率及帶寬分析

根據(jù)頻率采樣點的占用度大小，編寫程序?qū)⑺蓄l率采樣點劃為五個等級區(qū)間[9]：空閑 (占用度<0.5%)，低度占用 (0.5%≤占用度<30%)，中度占用 (30%≤占用度<60%)，高度占用(60%≤占用度≤97.5%)，繁忙(占用度>97.5%)，為認(rèn)知無線電用戶檢測和接入頻譜池[10]提供經(jīng)驗依據(jù).

表3 566～606 MHz深圳郊區(qū)占用情況

表3為深圳市的郊區(qū)566～606 MHz部分頻譜占用情況，其中，每個頻率采樣點代表的帶寬與檢測所設(shè)步進(jìn)間隔有關(guān)[11].在566～575.212 5 MHz范圍內(nèi)各頻率都為空閑；接下來575.225 MHz處為高度占用，則表示以這個頻率為中心，帶寬為12.5 kHz的頻帶內(nèi)各頻率的占用度都在60%～97.5%之間；而575.237 5～575.262 5 MHz連續(xù)有37.5 kHz的帶寬是空閑的.依次類推，從中可以方便地找出不同占用程度的可利用頻率范圍.

將各頻段處于各占用區(qū)間的帶寬分類累加，則得到如表4所列的深圳市部分頻段的占用情況統(tǒng)計表，各頻段的空閑頻率占了很大一部分.其中，606～806 MHz頻段在市區(qū)有53%的帶寬是空閑的，郊區(qū)的空閑帶寬則占了79%；而566～606 MHz頻段的占用情況在市區(qū)與郊區(qū)亦存在較大差異，市區(qū)的頻率在各占用區(qū)間都有分布，而郊區(qū)則幾乎空閑.

表4 深圳市頻譜占用情況統(tǒng)計

圖4 深圳606～806 MHz連續(xù)空閑帶寬可用概率圖

通常中心頻率處的信號強(qiáng)度比其它頻率分量處要強(qiáng)，信號被檢測到的概率要大，占用度相對較高，由表3可知在信號帶寬內(nèi)相鄰頻率采樣點的占用度大小存在漸變，故空閑頻率的分布是分散的.根據(jù)深圳市的市區(qū)與郊區(qū)606～806 MHz頻段的檢測結(jié)果，分析所得的連續(xù)空閑帶寬的概率分布如圖4所示，從中可得認(rèn)知用戶找到所需特定連續(xù)空閑帶寬的可能性.所需帶寬越窄，可接入的機(jī)會越大.

3 結(jié) 論

通過分析廣東省珠三角地區(qū)的UHF頻段頻譜監(jiān)測結(jié)果可知，已授權(quán)的頻段并沒有得到充分利用，存在較多的閑置頻率，且有授權(quán)用戶使用的頻率并不是一直被占用，測得的頻段平均利用率在0～41.3%之間.對比市區(qū)與郊區(qū)的監(jiān)測情況，同一頻段的利用情況隨地域和時段的變化呈現(xiàn)出一定的差異.根據(jù)頻率采樣點的占用情況將頻率劃分為五個占用等級，并仿真分析了從中查找連續(xù)空閑帶寬的概率，頻率空閑程度不同，在研究認(rèn)知無線電用戶動態(tài)接入頻譜時可以給予不同的權(quán)重.為更好地掌握各地區(qū)頻譜資源的利用情況及電磁環(huán)境，還需進(jìn)行長期系統(tǒng)的檢測研究，為科學(xué)管理稀缺的頻譜資源提供更多的依據(jù).

[1] MITOLA J. Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio [D] .Stockholm:KTH Royal Institute of Technology, 2000.

[2] 張偉衛(wèi). 認(rèn)知無線電動態(tài)頻譜管理技術(shù)研究[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué),2011.

ZHANG Weiwei. Research on Dynamic Spectrum Management of Cognitive Radios[D]. Hangzhou: Electronic University of Science &Technology of Hangzhou, 2011. (in Chinese)

[3] 謝顯中. 感知無線電技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008: 1-4.

[4] 馮 博. 1～10GHz微波系統(tǒng)的頻譜有效利用研究[J].電波科學(xué)學(xué)報, 1999, 14(2): 223-229.

FENG Bo. Research of spectrum utilization efficiency for radio-relay system in the band 1～10 GHz[J]. Chinese Journal of Radio Science, 1999, 14(2): 223-229. (in Chinese)

[5] 覃玉榮, 胡虹梅. 動態(tài)頻譜分配的連通分支并行處理[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2012, 27(1): 152-156.

QIN Yurong, HU Hongmei. Parallel process of connected branch in dynamic spectrum allocation[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(1): 152-156. (in Chinese)

[6] 田建生, 楊子杰, 陳澤宗. 中頻帶通采樣雷達(dá)噪聲頻譜在線監(jiān)測方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2005, 20(3):284-288.

TIAN Jiansheng, YANG Zijie, CHEN Zezong. Online inspecting scheme of noises spectrum in the IF sampling radar[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2005, 20(3): 284-288. (in Chinese)

[7] 孫成強(qiáng). 關(guān)于頻段占用度統(tǒng)計分析的探討[J]. 中國無線電, 2010, (7): 69-71.

SUN Chengqiang. Discussion about the statistical analysis of frequency band occupancy[J]. China Radio, 2010, (7): 69-71. (in Chinese)

[8] 周志艷. 面向認(rèn)知無線電的頻譜測量與信道占用模型研究[D].北京： 北京交通大學(xué), 2011.

ZHOU Zhiyan. Research on Spectrum Measurement and Channel occupancy Modeling for Cognitive Radio[D].Beijing Beijing Jiaotong University, 2011. (in Chinese)

[9] WELLENS M, Riihij?Rvi J. M?H? Nen P. Empirical time and frequency domain models of spectrum use [J]. Physical Communication, 2009, 2(1/2): 10-32.

[10] WEISS T A, JONDRAL F K. Spectrum pooling: an innovative strategy for the enhancement of spectrum efficiency[J]. IEEE Radio Communications, March 2004,42(3): S8-S14.

[11] YIN Sixing, CHEN Dawei, ZHANG Qian, et al. Mining spectrum usage data: a large-scale spectrum measurement study[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2012, 11(6): 1033-1046.