頻譜占用度測量與分析

王江舟, 李軍芳, 范若璐, 張高記

(1. 西安郵電大學通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121；2. 國家無線電頻譜管理研究所, 陜西 西安 710061)

頻譜占用度測量與分析

王江舟1, 李軍芳2, 范若璐2, 張高記1

(1. 西安郵電大學通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121；2. 國家無線電頻譜管理研究所, 陜西 西安 710061)

為了掌握“數(shù)字紅利”頻譜的實際頻譜利用情況，根據(jù)最新的頻譜占用度測量建議書(ITU-R SM 1880)以及《頻譜測量手冊》(2011版)，搭建軟件與硬件環(huán)境，對2個城市(共3個監(jiān)測點)進行實際測量，并分析所得數(shù)據(jù)，得出時間-頻率-占用度對照圖。測試結果顯示被測城市“數(shù)字紅利”頻段的頻譜利用率偏低，建議加快落實廣電系統(tǒng)的模/數(shù)轉換以釋放“數(shù)字紅利”頻譜，以提高頻譜資源利用率。

頻譜占用度；“數(shù)字紅利”頻譜；頻譜測量

近年來隨著無線電技術高速發(fā)展，寬帶移動通信技術和業(yè)務產生了爆發(fā)式增長，隨之而來的是高速無線通信對無線電頻譜更高的需求，而無線電頻譜一直是受到嚴格管控的戰(zhàn)略資源，這就導致頻譜的有限性與海量需求之間的矛盾越來越突出。目前無線電管理主要方式是每個無線電系統(tǒng)都需要從管理部門申請“獨占”的用頻執(zhí)照，這是一種“靜態(tài)”的頻譜管理方式，從使用現(xiàn)狀來看一部分頻段承載的業(yè)務量很大，而另一部分頻段卻很少被使用，使用率過低造成了頻譜資源的浪費。美國Shared Spectrum公司對30～3 000 MHz以內頻段的使用情況進行調查后發(fā)現(xiàn)，其平均使用率僅占5.2%[1]。

隨著4G布網(wǎng)的進行，各電信運營商普遍看好698～806 MHz頻段，由于其頻率低，具有高穿透性，大覆蓋性等優(yōu)良的頻譜特性，具有優(yōu)良的商業(yè)價值；該頻段目前用于模擬廣播電視，由于相同的帶寬內能容納更多的數(shù)字電視頻道，國際上普遍對現(xiàn)有的模擬電視信號進行“模/數(shù)轉換”，轉換后釋放出一部分頻率資源可用于未來的移動通信或公共安全業(yè)務，為人類的社會和經濟發(fā)展創(chuàng)造新的效益，故也稱該頻段為“數(shù)字紅利”頻譜[2]。這種頻率使用方式的轉變在國際上也有統(tǒng)一的認識，在2007年國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)召開的世界無線電通信大會(World Radiocommunication Conference, WRC07)上做出決定，將該頻段注明部分國家(含中國)可用于國際移動通信(International Mobile Telecommunications, IMT)。

測量和研究頻譜占用度，可以準確了解頻譜的實際利用情況，從而為今后頻譜分配政策的制定提供實測數(shù)據(jù)依據(jù)，也有利于管理部門對非法電臺的查處，同時也可以為認知無線電、載波聚合、MIMO等下一代無線通信技術提供可用頻段的參考。

目前國內關于占用度的測量和研究主要集中在測量方法研究以及測量參數(shù)設定上，文獻[3]提到了根據(jù)建議書ITU-R SM.1793對頻段占用度進行統(tǒng)計，文獻[4]提及了ITU-R SM.1536對信道占用的測量要求，文獻[5]提及了根據(jù)建議書ITU-R SM.1536確定具體測量方案。本文遵照2011年確定的頻譜占用度測量建議書(ITU-R SM.1880)[6]以及最新的《頻譜測量手冊》(2011版)[7]所介紹的原則和方法，對698～806 MHz頻段的占用度進行實際測量，以掌握這一頻段的頻譜實際利用情況。

1 測量方案的制定

頻譜占用度測量前，需要針對測量目的制定合理的測量方案，主要環(huán)節(jié)有確定測量位置與時間段、選擇硬件儀器以及編制相應的數(shù)據(jù)采集處理軟件、確定關鍵測量參數(shù)等工作；完備的測量方案能提高測量結果的全面準確性還可以有利于測量工作的快速開展[8-9]。

1.1 測量地點和時長的選擇

頻譜的利用情況在不同場景下是有差異的，根據(jù)IMT-Advanced的建議，將無線電具體使用場景分為鄉(xiāng)村、郊區(qū)、城區(qū)、密集城區(qū)、熱點地區(qū)5種典型場景。在每個場景中選擇具體位置時需要有代表性，要能真實反映頻譜在特定位置特定時間內的使用情況。受條件所限，選取我國西部某大型城市以多層建筑為主的南郊中心區(qū)域作為城區(qū)監(jiān)測點；選取東部某特大型城市北三環(huán)外的高層建筑密集的區(qū)域作為密集城區(qū)監(jiān)測點，選取該城市的南五環(huán)外以多層建筑為主的區(qū)域作為城區(qū)監(jiān)測點，共計3個監(jiān)測點進行了監(jiān)測。

關于觀測時長，ITU-R SM.1880建議書建議觀測時間應足夠長，以全面觀測到所有相關通信傳輸。如沒有已知的時間分布圖，最初的評估應考慮至少24小時或多個24小時[6]，本次測量采用了24小時為一個周期。

1.2 測量設備選擇及環(huán)境搭建

ITU-R SM.1880建議書建議“能夠利用頻段登記進行頻道占用測量的適用系統(tǒng)包括無線接收機或頻譜分析儀、匹配的天線、電纜、配有接口適配器的電腦/控制器、適用的采集和后處理軟件?！绷硗膺€可能用到可移動GPS，用于多頻段和/或強EMF暴露環(huán)境的過濾器和衰減器[6]。

本次測量使用的主要設備有Agilent N8201A接收機、TX0230D標準測量天線、可移動GPS、計算機及數(shù)據(jù)處理軟件、饋線和網(wǎng)線等。測量系統(tǒng)的搭建方法如圖1所示。

圖1 設備連接示意圖

1.3 關鍵測量參數(shù)的確定

頻譜占用度數(shù)據(jù)能否發(fā)揮前述的重要作用，很大程度上受制于占用度測量的準確性，而這又受測量方法、儀器天線、門限設置和環(huán)境因素的影響[10]。只有合理設置檢測參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，才能保證得到的占用度的真實可靠[11]。

比較關鍵的測量參數(shù)有分辨帶寬(Resolution Bandwidth, RBW)、復查時間、判決門限等。

(1) RBW的設置

RBW是頻譜儀內部濾波器的帶寬，是中頻濾波器的3 dB帶寬，兩個不同頻率的信號頻寬如果低于頻譜分析儀的RBW，頻譜分析儀將無法分辨兩信號。

占用度測量結果需能全面準確的將被測頻段上各系統(tǒng)的使用情況反映出來，在實施測量前需要調研被測頻段上承載了哪些業(yè)務，根據(jù)實際的信道帶寬設置相應的RBW。一般來說采樣頻點間隔應小于信道帶寬的一半，采樣越密，越能保證采樣結果的準確性，但相應的數(shù)據(jù)量也會增大。本次對測量的RBW設定為180 kB，遠小于廣電信號的帶寬。

《頻譜監(jiān)測手冊》(2011版)建議RBW大于步長，一般設為步長的1.2倍，本次步長為135 kHz，設為180 kHz也符合這方面的要求。

(2) 復查時間

復查時間指的是從被測頻段第一個信道到最后一個信道的掃描時間。如果復查時間過短，測量時的掃描速度超過了設備的極限速度，測量結果會有失真。如果復查時間過長，一些短時信號可能會被漏測，這樣監(jiān)測結果不夠全面，檢測結果的可靠度也會被降低。在同一頻段上的信號可能來自于不同的通信系統(tǒng)，其特性也不盡相同，所以在進行占用度測量時，應保證一定的測量時間長度，通過長時間采集到大量的測量樣本可保證占用度結果的可信度[10]。

本次測量的頻段(698～806 MHz)內信號成分較固定，廣電信號連續(xù)發(fā)射，結合測量所得頻譜分析情況，復查時間采用2 s，完全滿足需求。

(3) 判決門限

在目前最新版的《頻譜監(jiān)測手冊》(2011版)上,對測量門限值有這樣的介紹：“在使用頻譜分析儀或者接收機進行測量的情況下，可以采用各種算法計算動態(tài)靜噪，它可以從整個掃描的樣本分布非常容易地導出，5～10 dB的固定余量被加到數(shù)量最大的離散電平值所代表的電平上，這樣，就設立了適用于本次特殊掃描的占用率檢測的門限”[7]。

當測量周期較長時這種方法具有較大的優(yōu)勢，本次測量中采用在24小時內的噪聲峰值上加5 dB作為區(qū)分信號與噪聲的門限。

2 測量分析方法

本次接收機輸出的數(shù)據(jù)是功率信號，需要先將它轉換為場強值。場強值的計算，與實測功率值、頻率和天線增益有關。場強值[12]

E=P+77.2+20lgf-G,

其中E為接收信號場強值，單位為dB·mV·m-1,P為接收信號功率值，單位為dBm,f為接收信號頻率值，單位為MHz,G為天線增益值(天線系數(shù))，單位為dB。

頻譜占用度分為頻段占用度和頻道占用度，它們分別從不同角度對頻率資源的使用情況進行了度量和描述。頻道占用度是指使用監(jiān)測接收機或頻譜分析儀測量選定的頻道，當接收信號大于某一門限電平值時判定為占用，最后將占用的時間與總測量時間的百分比作為頻道占用度。頻段占用度是指用監(jiān)測接收機或頻譜分析儀以固定的步長對某一頻段進行順序測量，統(tǒng)計大于門限電平值的信道數(shù)，并將該值與總信道數(shù)的百分比作為頻段占用度。

在長時間對較寬頻段進行占用度測量中，更關心得到各頻段占用度的總體情況，本次測量對各個采樣頻點做占用度分析，并將大量采樣頻點的占用度轉化為頻段的具體占用狀況。

頻譜占用情況不僅和頻率有關，往往和時間也有關系，例如電視臺會周期性的檢修；本次測量還將占用情況和時間結合起來進行展示。

3 測量結果分析

對測量得到的數(shù)據(jù)進行按周期合并、計算門限、計算占用度等處理后，將分析結果呈現(xiàn)為如圖2到圖4所示的時間-頻率-占用度對照圖。每幅圖從上到下都由3部分構成。以圖2為例，3部分的橫軸都代表的是被測頻段的頻率698～806 MHz。圖2(a)縱軸代表的是被測信號的場強值，圖內曲線表示整個頻段內的場強值分布，直線表示計算出來的判決門限值；圖2(b)縱軸表示時間占用度，用百分比表示，圖內顯示的是一天內各頻點的總體占用度值；圖2(c)表示各頻點在一天24小時內不同時間段上的占用情況，顏色越深代表信號功率越大。

(a) 場強與門限

頻道寬度=0.135 kHz, 門限值為34 dBuV/m,頻段占用度=42.8%

(c) 瀑布圖

(a) 場強與門限

頻道寬度=0.135 kHz, 門限值為45 dBuV/m,頻段占用度=28.8%

(c) 瀑布圖

(a) 場強與門限

頻道寬度=0.135 kHz, 門限值為45 dBuV/m,頻段占用度=21.7%

(c) 瀑布圖

圖2是國內某大型城市的城區(qū)698～806 MHz時間-頻率-占用度對照圖，圖中判決門限值為34 dB·uV·m-1，整個頻段時間占用度為42.8%；還可以看出在夜間的部分時間這些頻段沒有被占用。

圖3和圖4分別是國內同一特大型城市的密集城區(qū)和城區(qū)的698～806 MHz時間-頻率-占用度對照圖，判決門限值同為45 dB·uV·m-1，密集城區(qū)占用度為30.1%，城區(qū)占用度為21.7%，可見同一頻段在同一城市的不同區(qū)域的占用度是存在差異的，密集城區(qū)的頻譜占用度比城區(qū)明顯更高，但整體占用水平不高。

從以上的各幅時間-頻率-占用度對照圖中能看到均測出了多個帶寬為8 MHz的電視頻道，頻道間還有一些雜散干擾，而空白處則是尚未使用的空白頻譜。

從頻率角度來看，我國為廣播電視頻段分配了大量的頻率資源，不同城市都是選擇使用了部分頻率，被占用頻段各不相同；被測量的兩個城市的頻譜占用度最高43.8%，最低只有21.7%，實際使用率較低。

從時間角度來看，由圖2可知，702～737 MHz在夜間的部分時間里并未被使用，這也降低了頻率的占用度。

4 結束語

借鑒現(xiàn)有的頻譜測量經驗方法，遵照最新的頻譜占用度測量建議書(ITU-R SM. 1880)以及最新的《頻譜測量手冊》(2011版)所介紹的原則和方法，在兩個城市對“數(shù)字紅利”(698～806 MHz)頻段實施實際測量，得到了2城市3個監(jiān)測點的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，并經過分析得到了相應的時間-頻率-占用度對照圖。

通過分析測量結果，發(fā)現(xiàn)相當大一部分的頻率資源實際被閑置，這在頻譜資源愈加緊張的當今，是一種巨大的浪費。為了提高該頻段的使用率，目前，美國、歐盟等發(fā)達國家已完成或接近完成電視廣播系統(tǒng)的模/數(shù)轉換，釋放這段“數(shù)字紅利”頻段用于4G。一些發(fā)展中國家也緊隨其后，逐步開啟廣播電視系統(tǒng)的模/數(shù)轉換，制定了釋放 “數(shù)字紅利”頻段的原則和程序。

我國也應該在充分掌握現(xiàn)有頻率使用狀況的基礎上，加快落實電視廣播系統(tǒng)的模/數(shù)轉換，以實現(xiàn)“數(shù)字紅利”，從而緩解無線通信高速增長與頻譜資源緊缺的矛盾。

[1] McHenry M, McCloskey D. New York City spectrum occupancy measurements[EB/OL].(2004-09-06)[2014-05-10]. http://www.sharedspectrum.2004.

[2] 何廷潤, 田添. 國外數(shù)字紅利頻譜釋放概況[N]. 人民郵電報，2012-04-10(7).

[3] 段洪濤. 頻段占用度測量研究[J]. 中國無線電，2012(6):24-27.

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

[5] 田方，馮志勇，陳星. 無線頻譜測量方法與分析[J].中興通訊技術，2009,15(2):15-19.

[6] 國際電聯(lián)無線電通信局. ITU-R SM.1880建議書[R/OL].(2011-02-07)[2014-05-01]. http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/sm/R-REC-SM.1880-0-201102-I!!PDF-C.pdf.

[7] 國際電聯(lián)無線電通信局.頻譜監(jiān)測手冊[M/OL].(2011-2-07)[2014-05-01].http://www.itu.int/pub/R-HDB-23.

[8] 中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定[S/OL].(2014-02-01)[2014-05-01].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832n12843926/n13917072/15865839.html.

[9] 國際電聯(lián)無線電通信局.ITU-R SM 1536: Frequency channel occupancy measurements[S/OL]. (2001-12-18)[2014-05-10].http://www.catr.cn/catr/catr/itu/itur/iturlist.jsp?docplace=SM&vchar1=SM.1536

[10] 李英群,孔寧. 中俄邊境黑河監(jiān)測站監(jiān)測月報分析[J].中國無線電,2008(3):22-24.

[11] 浙江省寧波市無線電管理處監(jiān)測科.頻道占用度與頻段占用度統(tǒng)計的參數(shù)設置[J].中國無線電,2008(9):49-51.

[12] 劉勝祥. 電場強度,接收電壓,功率密度和接收功率之間的關系[J].微波與衛(wèi)星通信,1994,3(4) :38-41.

[責任編輯:瑞金]

Measurements and analysis of spectrum occupancy

WANG Jiangzhou1, LI Junfang2, FAN Ruolu2, ZHANG Gaoji1

(1.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;2.The National Research Institute of Radio Spectrum Management, Xi’an 710061, China)

In order to grasp actual spectrum utilization of the “digital dividend” spectrum, guided by ITU-R SM 1880 and handbook of spectrum measurement (2011 edition), actual measurement are arranged in the two cities (three monitoring stations) by setting up the hardware and software environment. The obtained data are analysed and the time-frequency-occupancy rate comparison charts are obtained. Results show that the spectrum utilization of digital dividend frequency rate in measured city is low. Therefore it is suggested to speed up the implementation of television system analog/ digital conversion, to get the release of “digital dividend spectrum”, and to ultimately improve the utilization of spectrum resources.

spectrum occupancy, “digital dividend” spectrum, spectrum measurement

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.003

2014-05-15

工信部通信軟科學基金資助項目(2014R33)

王江舟 (1981-)，男，碩士，講師，從事通信信號處理研究。E-mail:wangjiangzhou@163.com 李軍芳(1977-)，女，博士研究生，工程師，從事無線電頻譜工程研究。E-mail:li_jf@aliyun.com

TN98

A

2095-6533(2014)05-0010-06