南海白频谱占用度的测量和分析

陈褒丹,陈 星,任 佳

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

南海白频谱占用度的测量和分析

陈褒丹,陈 星,任 佳

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228)

为了掌握白频谱在南海上的实际利用情况，根据最新的频谱占用度建议书ITU-R SM.1880以及移动监测设备建议书ITU-R SM.1723-2，搭建海上移动测量软硬件环境，对该频段在环海南岛近海海域的频谱占用度进行实际的移动测量，并根据李氏定律进行采样，最后分析所得数据，得出时间-频率-占用度的对照图，测试结果显示被测海域的白频谱利用率偏低。

频谱占用度；白频谱；移动测量；李氏定理

近年来，南海海洋渔业、资源开发、海洋生态环境保护等活动日益增多，对原有的通信系统提出了严峻的考验。目前海上无线通信技术的主要方式包括甚高频单边带通信、海岸蜂窝移动通信网和卫星通信等，但上述方式已不能满足现代海上生产、主权维护及安全救助对宽带多媒体交互信息的需要，因此急需发展适用于南海海域的无线宽带通信技术[1]。

广播电视“空闲频谱/频道”(又称“电视白频谱”，TVWS)具有优越的信号传播以及必要的带宽特性，能满足海上宽带通信的要求。探索南海海域白频谱时空分布特征是开展白频谱宽带通信技术研究的必要前提。在2007年召开的世界无线电通信大会上标注空白电视频段中698～806 MHz频段可用于移动通信系统，目前该频段在我国用于广播电视，而在广袤无垠的大海上，广播电视信号很少覆盖，因此可考虑测量研究该频段在海上的频谱占用度，准确了解该频段在海上的实际利用情况，这对白频谱用于下一代通信的探索有重要作用。

目前对于南海海域698～806 MHz频谱测量研究几乎为空白，文献[2-3] 给出了频谱测量的参数设置参考，但缺乏具体的工程实现。文献[4]对该频段占用度在陆地上的3个点采用了固定测量的方式测量频谱占用度，但无法满足大范围了解该频段占用度的需求。本文主要以ITU标准为依据，针对该频段给出具体的测量方案，并基于对环海南岛近海海域的频谱测量工作的基础上，以文献[5]中给出的李氏定律为移动测量数据采样依据，对该频段在海南岛近海海域频谱占用度进行分析并得出结论。

1 频谱占用度

频谱占用度测量是无线电监测工作中的一项重要内容，ITU-R SM.1793建议书[6]中将频谱占用度的作用概括为频率的分配和指配，印证对频道阻塞的投诉和确定频谱使用的有效性。频谱占用度又分为信道占用度和频段占用度。在当今频谱资源供需矛盾日益突出的情况下，频谱占用度测量工作的开展更具有现实意义。

1.1 信道占用度

信道占用度被定义为：使用频谱分析仪对特定的信道进行测量，信号大于某一门限电平值的时间与总测量时间的百分比。设总测量时间为TA，信号超过门限电平的时间之和为TC，则信道占用度FCO的计算公式如下

(1)

在实际测量中，一般采用的方法是：针对给定的信道，在整个监测时间内，信号超过给定门限电平值的采样个数(SC)与总采样个数(SA)之比，即

(2)

1.2 频段占用度

频段占用度是指频谱分析仪在以固定步长对某一频段进行顺序测量，大于门限值的信道数占整个频段被测总信道数的百分比。对于单次测量的情况，设高于门限的测量样本数量为No，总的测量样本数量为N，频段占用度FBO的计算公式如下

(3)

针对多次测量的情况，对于频段占用度的分析存在多种方法：

1)方法一：根据ITU-R建议书SM.1793中指出频段占用度的统计分析方法，依据门限值把每个信道分为占用和未占用两种情况，再对每个信道占用度进行统计，然后根据每个信道的信道占用度画出整个频段的频率-占用度图形，以便直观显示频段占用度。

2)方法二：对单次测量的频段占用度百分比进行统计，得出多个单次测量的频段占用度再求平均值，但通常这种方法会弱化频率轴的信息[2]。

2 测量方案制定

2.1 测量地点及时间的选择

遵照频谱占用度测量建议书ITU-R SM.1880[7]中的说明，测试地点选择的具体位置需要有代表性，能真实反映频谱在特定位置特定时间内的使用情况。

在测量时间上，ITU-R SM.1880建议观测时间应该足够长，应考虑至少24 h或多个24 h，本次测量活动以24 h为一个周期进行。

2.2 测量的环境搭建

ITU-R SM.1880建议书中对测量设备的要求包括无线接收机或频谱分析仪、匹配的天线、电缆、配有接口适配器的计算机、适用的采集和后处理软件。

如图1所示，本次测量系统的搭建的使用的设备有Agilent N9342C(内置GPS，频率范围为100 kHz～7 GHz)，DIAMOND RH799 全向伸缩天线(频率范围70～1 000 MHz)，数据处理软件MATLAB。

图1 频谱测量活动环境搭建示意图

2.3 关键参数的设置

1)分辨率带宽(RBW)以及视频带宽(VBW)的设置

RBW实际上是频谱仪内部滤波器的带宽，其大小能决定是否能把两个相临很近的信号分开。《频谱监测手册》[8]建议RBW应大于步长，一般为步长的1.2倍。

VBW表示测试的精度，越小精度越高，VBW设置越小其测试曲线越光滑。很多实验表明VBW=0.1RBW时测量最为合理。

2)回扫时间(Revisit time)的设置

回扫时间表示设备扫描所有信道并返回第一个信道所用的时间，如果回扫时间过短，测量时的扫描速度超过了设备的极限速度，测量结果失真，如果回扫时间过长，一些短时信号会被遗漏，测量结果可靠性降低。因而在进行占用度测量时，应保证一定的测量时间长度。

3)判决门限的设置

判决门限是影响占用率结果的因素之一，门限电平设置过低，难以避免记录噪声而引起测量误差，而门限设置高了容易漏掉信号。

设置门限有两种不同的方法，第一种为预置门限，在整个监测持续时间保持不变的一个固定值，一般可以设置为最小的需要场强；另一种为与当前情况相适应的动态门限，动态门限的设置有不同的方法，由于本次测量活动是在移动环境下进行的，在进行一次扫描前，既不知道适合的未使用的频率，也不知道信道未被使用的时间，在这种情况下，使用ITU-R SM.1753建议书[9]中描述的“80%方法”计算当前动态门限，即将代表最高电平的全部样本中的80%丢弃，对剩余的代表较低电平的20%取线性平均，其结果为噪声电平，最后的门限比计算得到的噪声电平高出3～5 dB。

3 移动测量数据处理

频谱占用度测量往往采用固定测量，对了解大区域范围内的频谱占用度并不十分有效，对于需要了解某一频段在一定区域的频谱占用度，可移动的监测设备可进行的频谱监测，在ITU-R SM.1723-2建议书[10]中指出，在移动测量中执行频谱占用测试任务时，需要考虑到的参数包括无线电通信标准、信道技术规范(带宽、间隔、调制类型)、参数记录、回扫时间、移动速度等。

在关键参数的设置上，移动测量采用和固定测量设置相同的方法，然而在移动测量过程中，涉及到移动速度和如何进行采样的问题，需要一一进行分析。根据1985年William Lee发表了关于移动无线信号场强采样标准[5]，通过严格的数学推导给出场强采样的标准：考虑到移动环境中信号会出现多径衰落和路径损耗波动的影响，在40个波长内采样36～50个点。这一标准在工业界得到广泛应用，已经成为事实上的技术标准。实践证明，在本征长度为40个波长，采样40个样点时，可使测试数据与实际本地均值之差小于1 dB。

在进行移动测量时，既要考虑测试设备的性能，也要考虑车速，设车速为v，测试设备每秒采样n个同一频点，波长为λ，合理的车速计算公式如下

(4)

对于698～806 MHz的频段，在每秒采样10个同一频点的情况下，根据式(4)，车速范围为12.3～14.8 km/h。

4 环海南岛近海海域对698～806 MHz 频谱占用度测量分析

为了了解698～806 MHz频段在南海上的具体使用情况，海南大学科研团队与2014年10月21～29日开展了为期9天的环海南岛近海海域频谱测量活动，本次测量活动环岛路线经过南山港-八所港-洋浦港-东水港-新埠岛-清澜港-石梅湾-清水港-三亚湾共9个港口，近海海域为海上活动开展频繁的领域，选择在该海域进行测量具有一定的代表性，同时满足了对频谱测量时间的要求。本次环岛测量路径如图2所示。

图2 环海南岛测量频谱路径图

4.1 参数设置

本次测量选用内置GPS的手持式频谱分析仪Agilent N9342C，该设备采用了扫频调谐技术和FFT技术，以实现在更低的本底噪声下进行宽频段扫描或窄分辨率带宽扫描，适用于移动环境下的频谱测量。

根据以上对关键参数设置分析，本次测量起始频率为698 MHz，终止频率806 MHz，步长约为234 kHz，最接近步长1.2倍的分辨率带宽(RBW)为300 kHz，视频带宽(VBW)为分辨率带宽的0.1倍，再根据李氏定律对测量的船速进行控制，得出本次测量活动对频谱分析仪器设备设置关键参数如表1所示。

表1 环海南岛频谱测量活动参数

分辨率带宽300kHz起始频率698MHz测量时间20141021—20141029回扫时间100ms显示带宽30kHz终止频率806MHz回扫时间100ms检波方式正峰值检波

4.2 数据处理

本次测量活动历程约940 km，对本次测量的数据处理，首先按照李氏定律对每个被测频点进行采样，以40λ作为本征长度，698～806 MHz频段的本征长度从14.8～17.2 m不等，取得样本总数从54 000～63 000个不等，需分别进行采样，再以1λ为间隔本征长度中每隔取40个采样点作为一个均值区间，再依照2.3节中描述的“80%方法”设置每个均值区间的门限，计算每个信道的占用度，从而得出整体的频段占用度。

根据1.2节中描述的频段占用度的方法一，对各个信道分别针对占用和未占用的情况进行处理，最后得出的每个信道的频率-时间占用度如图3所示。从图3可以看出，仅有个别被测信道被占用，其中745～765 MHz以及775～795 MHz两段连续的带宽为20 MHz的空白频段。

图3 频率-占用度统计图

根据1.2节中频段占用度处理的第二种方法，以被测某一航段上连续24 h的测量结果为例，24 h内的频谱占用度的频率-时间-频谱值三维图如图4所示，24 h内每单次采样计算得出的频谱占用度如图5所示，最后对每单次测量的频谱占用度进行统计平均。由图4和图5对某一航段24 h内的时间-频率-占用度的分析结果可以发现，在一天之内698～806 MHz各信道的功率值都比较稳定，且整个频段占用度的变化都不大，最高不超过9%，用同样的方法分析其他的航段的结果也得出类似的结论。

图4 24 h内的频段占用度的频率-时间-频谱值三维图

图5 24 h内每单次测量的频段占用度百分比

最后，依据频段占用度的第二种计算方法，对所测得8个航段内移动测量所取的样本分别计算频段占用度，再对这些样本频段占用度进行统计平均，得出8个航段内的频段占用度，结果如图6所示。从图6可以看出，各航段的频段占用度都不高，最高为6.8%。

图6 环岛各航段698～806 MHz频段占用度统计图

从以上分析的结果可以看出，从信道占用度上看，被占用的信道少且各信道的强度基本是稳定的，并测得大量连续的空闲信道，从整个频段占用度上看，频段占用度非常低且稳度高。根据最新《中华人民共和国无线电频率划分规定》，698～806 MHz已确定由希望实施国际移动通信的主管部门使用，由于测得该频段上有745～765 MHz以及775～795 MHz的连续空白频段，因此从频段优良的传播特性、实际测得的频段占用度以及符合国家频率划分规定来说，698～806 MHz频段都可考虑结合认知无线电技术用于新一代海上移动通信建设。

5 结论

本文对频谱测量的参数和数据分析借鉴现有的频谱分析方法，参照ITU-R SM.1880频谱占用度测量建议书以及 ITU-R SM.1723-2移动监测设备建议书，根据李氏定理对移动测量结果进行采样，得出环海南岛近海海域的白频谱测量信道占用度和频段占用度的分析结果。数据分析结果显示，在该海域下698～806 MHz频段的占用度非常低，可为4G在南海上的布网提供可用频段。

[1] 陈褒丹，任佳，莫惠芳. 南海环境下基于白频谱的WLAN超远距离覆盖[J]. 电视技术， 2014，38(11)：116-121.

[2] 段洪涛. 频段占用度测量研究[J]. 中国无线电，2010(6)： 24-27.

[3] 段洪涛. 频谱占用度测量及相关参数确定[J]. 中国无线电，2007(3)：48-52.

[4] 王江舟， 李军芳. 频谱占用度测量与分析[J]. 西安邮电大学学报，2014，19(5)：10-15.

[5] LEE W. Estimate of local average power of a mobile radio signal[J]. IEEE Trans. Vehicular Technology，1985，34(1)：22-27.

[6] ITU-R SM.1793.Mesuring frequency channel occupancy using the technique used for frequency band measurement[S].2007.

[7] ITU-R SM.1880，频谱占用度测量[S].2011.

[8] 周鸿顺.频谱监测手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[9] ITU-R SM.1753，无线电噪声测量方法[S].2006.

[10]ITU SM.1723-2，移动频谱监测设备[S].2011.

陈 星(1991— )，女，硕士生，主研海洋通信；

任 佳(1981— )，博士，副教授，为本文通讯作者，主要研究方向为海洋通信。

责任编辑：闫雯雯

Measurement and Data Analysis of White Spectrum Occupancy in South China Sea

CHEN Baodan, CHEN Xing, REN Jia

(CollegeofInformationScienceandTechnology,HainanUniversity,Haikou570228,China)

In order to master the practical utilization of white spectrum in the south China sea, and according to the latest spectrum occupancy proposal ITU-R SM.1880 and mobile monitoring equipment proposal ITU-R SM. 1723-2, maritime mobile measurement hardware and software environment are built to make actual moving measurement of the frequency spectrum occupancy in the coastal waters of Hainan island. And samples are taken by using Lee’s criteria. Finally, the obtained data is analyzed to get the comparison diagram of time-frequency- occupancy rate. The test results show that white spectrum utilization rate in the measured area is low.

spectrum occupancy; TVWS; mobile measurement; Lee’s criteria

海南省自然科学基金项目(613156)；海南省应用技术研发与示范推广专项(ZDXM2014116)；海南省重点实验室和工程技术研究中心建设专项(gczx2014004)

TN98

A

10.16280/j.videoe.2015.19.020

陈褒丹(1962— )，高级工程师，主要研究方向为电视与通信信号处理、南海无线电频谱测量等；

2015-06-19

【本文献信息】陈褒丹,陈星,任佳.南海白频谱占用度的测量和分析[J].电视技术,2015，39(19).