GSM頻段主用戶頻譜占用情況的測(cè)量和建模研究*

賈媛媛，談?wù)褫x，黃 清，周志艷

（北京交通大學(xué)寬帶無線移動(dòng)通信研究所 北京 100044）

GSM頻段主用戶頻譜占用情況的測(cè)量和建模研究*

賈媛媛，談?wù)褫x，黃 清，周志艷

（北京交通大學(xué)寬帶無線移動(dòng)通信研究所 北京 100044）

為獲得GSM900頻段主用戶頻譜的占用情況，利用頻譜分析儀對(duì)北京部分地區(qū)850～970 MHz頻段頻譜進(jìn)行了定點(diǎn)測(cè)量。通過MATLAB軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，得出GSM900頻段主用戶的頻譜占用情況及其到達(dá)模型。研究發(fā)現(xiàn)，此段頻譜的平均占用度只有2.33%，主用戶到達(dá)時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布的修正形式，為認(rèn)知無線電用戶選擇頻譜提供了參考，并為鏈路級(jí)仿真中主用戶占用模式的確立提供了理論支持。

GSM900頻段；主用戶；到達(dá)時(shí)間；認(rèn)知無線電；能量檢測(cè)

* 國(guó)家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.2009AA011805），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（No.2011YJS012）

1 引言

認(rèn)知無線電（cognitive radio，CR）通過機(jī)會(huì)地利用現(xiàn)有頻譜解決頻譜資源的有限性和利用率低的問題。認(rèn)知無線電中存在主用戶（授權(quán)用戶）和次用戶（非授權(quán)用戶）兩類用戶，其中主用戶為擁有某頻段頻譜執(zhí)照的設(shè)備，有優(yōu)先接入授權(quán)頻譜的權(quán)利，其通信不應(yīng)被次用戶打斷或干擾[1]。為避免干擾，次用戶需要對(duì)主用戶頻譜資源的使用情況及到達(dá)過程進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和建模。因此，研究主用戶的占用情況對(duì)認(rèn)知無線電有重要意義。

對(duì)于廣播電視頻段，頻譜在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于空閑（OFF）或忙碌（ON）狀態(tài)。相反，移動(dòng)頻段的頻譜使用在時(shí)間和空間上顯示出很強(qiáng)的變化性和多樣性[2]。為獲得北京部分地區(qū)GSM900頻段的頻譜占用情況，本文利用E7404A頻譜分析儀對(duì)北京交通大學(xué)所處地區(qū)的850～970MHz頻段頻譜進(jìn)行了測(cè)量。通過MATLAB軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)GSM900頻段的主用戶到達(dá)過程進(jìn)行了建模。

2 頻譜測(cè)量場(chǎng)景和測(cè)量參數(shù)設(shè)置

認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜感知的作用是盡量快而準(zhǔn)確地確定被占用頻段，常用的頻譜感知方法有接收信號(hào)的能量檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的頻譜相關(guān)檢測(cè)、匹配濾波器檢測(cè)等[1]。由于能量檢測(cè)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、事先無需先驗(yàn)信息的優(yōu)點(diǎn)，因此采用能量檢測(cè)方法。

本次測(cè)量采用靜態(tài)定點(diǎn)測(cè)量，地點(diǎn)位于北京交通大學(xué)思源樓，測(cè)量頻段為850～970 MHz，覆蓋了GSM900頻段的上行頻段（890～915 MHz）和下行頻段（935～960 MHz）。連續(xù)測(cè)量7×24 h，測(cè)量時(shí)間為2009年8月13日上午10時(shí)至8月20日上午10時(shí)。

圖1 無線電數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)量使用的無線電測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。使用ETS-3148對(duì)數(shù)周期天線接收無線電信號(hào)，經(jīng)由HP公司的E7404A頻譜分析儀進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集。頻譜分析儀通過GPIB卡與筆記本電腦相連，GPIB卡稱為通用接口總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，筆記本電腦通過檢測(cè)軟件完成測(cè)試參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存。

天線性能參數(shù)見表1[3]。

表1 天線性能參數(shù)

頻譜儀的參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 頻譜儀參數(shù)設(shè)定

3 頻譜占用度分析

通常主用戶使用頻譜的過程交替處于占用和空閑兩種狀態(tài)，占用狀態(tài)代表主用戶有業(yè)務(wù)傳輸，空閑狀態(tài)代表無業(yè)務(wù)傳輸。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)定合理的門限值，功率高于此門限值判為占用狀態(tài)，低于此門限值判為空閑狀態(tài)。

能量檢測(cè)中，判決門限的選取至關(guān)重要。ITU建議把門限設(shè)為高于環(huán)境噪聲10 dBm。由于實(shí)際噪聲難于確定，通常在環(huán)境噪聲均值之上加5 dBm左右作為判決門限[4]。這種方法主要來自于以往積累的經(jīng)驗(yàn)，在噪聲起伏波動(dòng)不大的情況下有較高的可靠性。統(tǒng)計(jì)各頻點(diǎn)在整個(gè)測(cè)量時(shí)段內(nèi)的平均功率，得到背景噪聲的平均功率值在-90 dBm左右，故取判決門限為-84 dBm。

本課題頻譜測(cè)量的所得數(shù)據(jù)均為以采集時(shí)間為文件名的數(shù)據(jù)文件，文件格式為*.dat。*.dat文件內(nèi)所保存數(shù)據(jù)具有特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具體為：首位8個(gè)字節(jié)為起始頻率，格式為double型；下8個(gè)字節(jié)為終止頻率，格式為double型；下8個(gè)字節(jié)為采樣頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，格式為long型；下8個(gè)字節(jié)為掃描軌跡數(shù)，格式為long型；其余依次為各采樣頻點(diǎn)的功率值，格式為double型。分析數(shù)據(jù)時(shí)，首先讀入起始頻率和終止頻率，按照采樣頻點(diǎn)個(gè)數(shù)處理各采樣頻點(diǎn)的功率值。

根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)，從以下3方面進(jìn)行分析。

（1）頻譜占用度，即被占用的樣本數(shù)與總樣本數(shù)的比值，統(tǒng)計(jì)各頻點(diǎn)在整個(gè)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的頻譜被占用的概率。

850～970 MHz頻段的頻譜占用度如圖2所示，橫軸代表測(cè)量頻段，縱軸代表頻譜占用度。由圖2可以看出，850～880 MHz頻譜占用度較高，部分頻點(diǎn)占用度達(dá)到100%；880～935 MHz頻譜占用度較低，在5%以下；935～960 MHz頻譜占用度在60%以上，部分頻段占用度達(dá)到100%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均，整個(gè)測(cè)量頻段的頻譜占用度只有2.33%。

圖2 850～970 MHz頻譜占用度（門限值：-84 dBm）

（2）24 h內(nèi)頻譜占用情況，統(tǒng)計(jì)被測(cè)頻段24 h內(nèi)不同時(shí)間的占用情況。

圖3 850～970 MHz頻段24 h頻譜占用情況

850～970 MHz頻段的24 h頻譜占用情況，橫坐標(biāo)代表測(cè)量頻段，縱坐標(biāo)代表24 h時(shí)間軸。黑點(diǎn)代表占用情況，黑點(diǎn)越密集代表主用戶業(yè)務(wù)量越多。由圖3中可以看出，GSM900上行頻段890～915 MHz的用戶業(yè)務(wù)量極少，原因是手機(jī)功率較低，在低信噪比情況下，信號(hào)淹沒在噪聲之中，致使能量檢測(cè)無法正確檢測(cè)到主用戶的占用情況。由于數(shù)據(jù)的失真，§4中只對(duì)GSM900頻段的下行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（3）時(shí)間—頻率—均值功率的3D視圖，統(tǒng)計(jì)被測(cè)頻段24 h內(nèi)的均值功率。

850～970 MHz頻段頻譜占用情況3D視圖如圖4所示，顯示了測(cè)量頻段不同時(shí)間的平均功率情況。

圖4 850～970 MHz頻段頻譜占用情況3D視圖

4 數(shù)據(jù)建模

4.1 建模理論基礎(chǔ)

在實(shí)際通信網(wǎng)中，業(yè)務(wù)的到達(dá)服從隨機(jī)過程。一個(gè)隨機(jī)過程既可以用點(diǎn)過程描述，也可以用事件間隔的概率分布描述。采用事件間隔的概率分布進(jìn)行建模表示更直觀，因此，本文采用后者進(jìn)行建模。

對(duì)于信道i(i=1,2,…，N)把占用狀態(tài)的到達(dá)時(shí)間間隔D建模為一個(gè)隨機(jī)變量，概率密度函數(shù)為。同樣，空閑狀態(tài)的到達(dá)時(shí)間間隔T的概率密度函數(shù)為,x>0。以D為例，其概率密度函數(shù)可采用標(biāo)準(zhǔn)近似的方法。對(duì)任意b>0，有：

利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的柱狀圖進(jìn)行近似，得：

式（2）中#（）代表柱狀圖的高度，等號(hào)右邊代表以d為中心的到達(dá)時(shí)間間隔累計(jì)數(shù)值除以總數(shù)值。

4.2 建模過程和結(jié)果

我國(guó)陸地蜂窩數(shù)字GSM網(wǎng)采用900 MHz和1800 MHz，其中GSM900頻段劃分情況為上行頻段（890～915 MHz）和下行頻段（935～960 MHz），相鄰兩頻點(diǎn)間隔為 200 kHz[5]。由于帶寬內(nèi)的功率譜最大值取在中心頻率處，故處理數(shù)據(jù)時(shí)以中心頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。絕對(duì)頻點(diǎn)號(hào)與頻道中心頻率的關(guān)系如下式[5]。

考慮到GSM頻段用戶在不同時(shí)段業(yè)務(wù)量的不同，以電信行業(yè)優(yōu)惠時(shí)段為參考，定義忙時(shí)段為9∶00～22∶00，閑時(shí)段為 22∶00～9∶00。根據(jù) ON-OFF模型建立信道狀態(tài)，利用§4.1中所述方法對(duì)GSM900下行頻段的測(cè)量數(shù)據(jù)分時(shí)段進(jìn)行建模。信道編號(hào)為76和77的處理結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 忙時(shí)76 號(hào)信道主用戶到達(dá)過程擬合結(jié)果

圖6 閑時(shí)76號(hào)信道主用戶到達(dá)過程擬合結(jié)果

圖7 忙時(shí)77號(hào)信道主用戶到達(dá)過程擬合結(jié)果

圖8 閑時(shí)77號(hào)信道主用戶到達(dá)過程擬合結(jié)果

圖5中，擬合結(jié)果為f(x)=2.399e-0.05149x。圖6中，擬合結(jié)果為f(x)=1.172e-0.05499x+0.1392e-0.009362x。圖7中，擬合結(jié)果為f(x)=3.591e-0.06394x。圖8中，擬合結(jié)果為 f(x)=1.446e-0.06133x+0.1281e-0.008775x。

可以看出，GSM頻段的主用戶到達(dá)過程服從指數(shù)分布的修正形式。忙時(shí)主用戶到達(dá)時(shí)間間隔較短，可被次用戶利用的頻譜空穴較少；閑時(shí)主用戶到達(dá)時(shí)間間隔較長(zhǎng)，可被次用戶利用的頻譜空穴較多。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用頻譜分析儀對(duì)850～970 MHz頻段的主用戶頻譜占用情況進(jìn)行了測(cè)量。從測(cè)量結(jié)果看，此頻段的頻譜平均占用概率只有2.33%，總體占用度較低，次用戶間歇性接入機(jī)會(huì)較多，為今后開展認(rèn)知無線電業(yè)務(wù)留有很大的開發(fā)空間。同時(shí)對(duì)GSM網(wǎng)的主用戶到達(dá)過程建模進(jìn)行了探索式研究，發(fā)現(xiàn)GSM頻段的主用戶到達(dá)時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布的修正形式，為認(rèn)知無線電鏈路級(jí)仿真中主用戶占用模型的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 Ian F Akyildiz,Won Yeol Lee,Mehmet C Vuran,et al.Next generation/dynamic access/cognitive radio wireless networks:a survey.Computer Networks,2006,50（13）：2127～2159

2 Daniel Willkomm,Sridhar Machiraju,Jean Bolot,et al.Primary users in cellular networks:a large-scale measurement study.DySPAN 3rd IEEE Symposium on,Chicago,USA,2008

3 對(duì)數(shù)周期天線3148使用手冊(cè)

4 ITU-RSM 1536.Frequency channel occupancy measurement,2001

5 韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化(第二版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

Study on the Measurement,Analysis and Modeling of Primary User Spectrum Occupation in GSM Band

Jia Yuanyuan,Tan Zhenhui,Huang Qing,Zhou Zhiyan
(Institute of Broadband Wireless Mobile Communication,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

In order to obtain the spectrum occupation in GSM900 band,the spectrum band ranging from 850 MHz to 970 MHz is measured by a spectrum analyzer.The data are analyzed and modeled using MATLAB.It is verified that the average spectrum occupation in this band is only 2.33%and the arrival time of primary user can be modeled as the modified form of the exponential distribution.The result can be used as a reference for secondary user to select the licensed bands,as well as theoretical support for link-level simulation in cognitive radio.

GSM900 band,primary user,arrival time,cognitive radio,energy detection

2011-03-01）

賈媛媛，北京交通大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電中的主用戶信道占用情況和信道選擇；黃清，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電、無線資源管理等，主持和參與過多項(xiàng)國(guó)家級(jí)通信項(xiàng)目的研究，在各級(jí)刊物上發(fā)表論文十余篇；談?wù)褫x，教授，北京交通大學(xué)博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線通信；周志艷，北京交通大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電的頻譜測(cè)量與信道占用模型研究。