王江舟, 李军芳, 范若璐, 张高记

(1. 西安邮电大学通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121；2. 国家无线电频谱管理研究所, 陕西 西安 710061)

频谱占用度测量与分析

王江舟1, 李军芳2, 范若璐2, 张高记1

(1. 西安邮电大学通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121；2. 国家无线电频谱管理研究所, 陕西 西安 710061)

为了掌握“数字红利”频谱的实际频谱利用情况，根据最新的频谱占用度测量建议书(ITU-R SM 1880)以及《频谱测量手册》(2011版)，搭建软件与硬件环境，对2个城市(共3个监测点)进行实际测量，并分析所得数据，得出时间-频率-占用度对照图。测试结果显示被测城市“数字红利”频段的频谱利用率偏低，建议加快落实广电系统的模/数转换以释放“数字红利”频谱，以提高频谱资源利用率。

频谱占用度；“数字红利”频谱；频谱测量

近年来随着无线电技术高速发展，宽带移动通信技术和业务产生了爆发式增长，随之而来的是高速无线通信对无线电频谱更高的需求，而无线电频谱一直是受到严格管控的战略资源，这就导致频谱的有限性与海量需求之间的矛盾越来越突出。目前无线电管理主要方式是每个无线电系统都需要从管理部门申请“独占”的用频执照，这是一种“静态”的频谱管理方式，从使用现状来看一部分频段承载的业务量很大，而另一部分频段却很少被使用，使用率过低造成了频谱资源的浪费。美国Shared Spectrum公司对30～3 000 MHz以内频段的使用情况进行调查后发现，其平均使用率仅占5.2%[1]。

随着4G布网的进行，各电信运营商普遍看好698～806 MHz频段，由于其频率低，具有高穿透性，大覆盖性等优良的频谱特性，具有优良的商业价值；该频段目前用于模拟广播电视，由于相同的带宽内能容纳更多的数字电视频道，国际上普遍对现有的模拟电视信号进行“模/数转换”，转换后释放出一部分频率资源可用于未来的移动通信或公共安全业务，为人类的社会和经济发展创造新的效益，故也称该频段为“数字红利”频谱[2]。这种频率使用方式的转变在国际上也有统一的认识，在2007年国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)召开的世界无线电通信大会(World Radiocommunication Conference, WRC07)上做出决定，将该频段注明部分国家(含中国)可用于国际移动通信(International Mobile Telecommunications, IMT)。

测量和研究频谱占用度，可以准确了解频谱的实际利用情况，从而为今后频谱分配政策的制定提供实测数据依据，也有利于管理部门对非法电台的查处，同时也可以为认知无线电、载波聚合、MIMO等下一代无线通信技术提供可用频段的参考。

目前国内关于占用度的测量和研究主要集中在测量方法研究以及测量参数设定上，文献[3]提到了根据建议书ITU-R SM.1793对频段占用度进行统计，文献[4]提及了ITU-R SM.1536对信道占用的测量要求，文献[5]提及了根据建议书ITU-R SM.1536确定具体测量方案。本文遵照2011年确定的频谱占用度测量建议书(ITU-R SM.1880)[6]以及最新的《频谱测量手册》(2011版)[7]所介绍的原则和方法，对698～806 MHz频段的占用度进行实际测量，以掌握这一频段的频谱实际利用情况。

1 测量方案的制定

频谱占用度测量前，需要针对测量目的制定合理的测量方案，主要环节有确定测量位置与时间段、选择硬件仪器以及编制相应的数据采集处理软件、确定关键测量参数等工作；完备的测量方案能提高测量结果的全面准确性还可以有利于测量工作的快速开展[8-9]。

1.1 测量地点和时长的选择

频谱的利用情况在不同场景下是有差异的，根据IMT-Advanced的建议，将无线电具体使用场景分为乡村、郊区、城区、密集城区、热点地区5种典型场景。在每个场景中选择具体位置时需要有代表性，要能真实反映频谱在特定位置特定时间内的使用情况。受条件所限，选取我国西部某大型城市以多层建筑为主的南郊中心区域作为城区监测点；选取东部某特大型城市北三环外的高层建筑密集的区域作为密集城区监测点，选取该城市的南五环外以多层建筑为主的区域作为城区监测点，共计3个监测点进行了监测。

关于观测时长，ITU-R SM.1880建议书建议观测时间应足够长，以全面观测到所有相关通信传输。如没有已知的时间分布图，最初的评估应考虑至少24小时或多个24小时[6]，本次测量采用了24小时为一个周期。

1.2 测量设备选择及环境搭建

ITU-R SM.1880建议书建议“能够利用频段登记进行频道占用测量的适用系统包括无线接收机或频谱分析仪、匹配的天线、电缆、配有接口适配器的电脑/控制器、适用的采集和后处理软件。”另外还可能用到可移动GPS，用于多频段和/或强EMF暴露环境的过滤器和衰减器[6]。

本次测量使用的主要设备有Agilent N8201A接收机、TX0230D标准测量天线、可移动GPS、计算机及数据处理软件、馈线和网线等。测量系统的搭建方法如图1所示。

图1 设备连接示意图

1.3 关键测量参数的确定

频谱占用度数据能否发挥前述的重要作用，很大程度上受制于占用度测量的准确性，而这又受测量方法、仪器天线、门限设置和环境因素的影响[10]。只有合理设置检测参数，并对数据进行分析处理，才能保证得到的占用度的真实可靠[11]。

比较关键的测量参数有分辨带宽(Resolution Bandwidth, RBW)、复查时间、判决门限等。

(1) RBW的设置

RBW是频谱仪内部滤波器的带宽，是中频滤波器的3 dB带宽，两个不同频率的信号频宽如果低于频谱分析仪的RBW，频谱分析仪将无法分辨两信号。

占用度测量结果需能全面准确的将被测频段上各系统的使用情况反映出来，在实施测量前需要调研被测频段上承载了哪些业务，根据实际的信道带宽设置相应的RBW。一般来说采样频点间隔应小于信道带宽的一半，采样越密，越能保证采样结果的准确性，但相应的数据量也会增大。本次对测量的RBW设定为180 kB，远小于广电信号的带宽。

《频谱监测手册》(2011版)建议RBW大于步长，一般设为步长的1.2倍，本次步长为135 kHz，设为180 kHz也符合这方面的要求。

(2) 复查时间

复查时间指的是从被测频段第一个信道到最后一个信道的扫描时间。如果复查时间过短，测量时的扫描速度超过了设备的极限速度，测量结果会有失真。如果复查时间过长，一些短时信号可能会被漏测，这样监测结果不够全面，检测结果的可靠度也会被降低。在同一频段上的信号可能来自于不同的通信系统，其特性也不尽相同，所以在进行占用度测量时，应保证一定的测量时间长度，通过长时间采集到大量的测量样本可保证占用度结果的可信度[10]。

本次测量的频段(698～806 MHz)内信号成分较固定，广电信号连续发射，结合测量所得频谱分析情况，复查时间采用2 s，完全满足需求。

(3) 判决门限

在目前最新版的《频谱监测手册》(2011版)上,对测量门限值有这样的介绍：“在使用频谱分析仪或者接收机进行测量的情况下，可以采用各种算法计算动态静噪，它可以从整个扫描的样本分布非常容易地导出，5～10 dB的固定余量被加到数量最大的离散电平值所代表的电平上，这样，就设立了适用于本次特殊扫描的占用率检测的门限”[7]。

当测量周期较长时这种方法具有较大的优势，本次测量中采用在24小时内的噪声峰值上加5 dB作为区分信号与噪声的门限。

2 测量分析方法

本次接收机输出的数据是功率信号，需要先将它转换为场强值。场强值的计算，与实测功率值、频率和天线增益有关。场强值[12]

E=P+77.2+20lgf-G,

其中E为接收信号场强值，单位为dB·mV·m-1,P为接收信号功率值，单位为dBm,f为接收信号频率值，单位为MHz,G为天线增益值(天线系数)，单位为dB。

频谱占用度分为频段占用度和频道占用度，它们分别从不同角度对频率资源的使用情况进行了度量和描述。频道占用度是指使用监测接收机或频谱分析仪测量选定的频道，当接收信号大于某一门限电平值时判定为占用，最后将占用的时间与总测量时间的百分比作为频道占用度。频段占用度是指用监测接收机或频谱分析仪以固定的步长对某一频段进行顺序测量，统计大于门限电平值的信道数，并将该值与总信道数的百分比作为频段占用度。

在长时间对较宽频段进行占用度测量中，更关心得到各频段占用度的总体情况，本次测量对各个采样频点做占用度分析，并将大量采样频点的占用度转化为频段的具体占用状况。

频谱占用情况不仅和频率有关，往往和时间也有关系，例如电视台会周期性的检修；本次测量还将占用情况和时间结合起来进行展示。

3 测量结果分析

对测量得到的数据进行按周期合并、计算门限、计算占用度等处理后，将分析结果呈现为如图2到图4所示的时间-频率-占用度对照图。每幅图从上到下都由3部分构成。以图2为例，3部分的横轴都代表的是被测频段的频率698～806 MHz。图2(a)纵轴代表的是被测信号的场强值，图内曲线表示整个频段内的场强值分布，直线表示计算出来的判决门限值；图2(b)纵轴表示时间占用度，用百分比表示，图内显示的是一天内各频点的总体占用度值；图2(c)表示各频点在一天24小时内不同时间段上的占用情况，颜色越深代表信号功率越大。

(a) 场强与门限

频道宽度=0.135 kHz, 门限值为34 dBuV/m,频段占用度=42.8%

(c) 瀑布图

(a) 场强与门限

频道宽度=0.135 kHz, 门限值为45 dBuV/m,频段占用度=28.8%

(c) 瀑布图

(a) 场强与门限

频道宽度=0.135 kHz, 门限值为45 dBuV/m,频段占用度=21.7%

(c) 瀑布图

图2是国内某大型城市的城区698～806 MHz时间-频率-占用度对照图，图中判决门限值为34 dB·uV·m-1，整个频段时间占用度为42.8%；还可以看出在夜间的部分时间这些频段没有被占用。

图3和图4分别是国内同一特大型城市的密集城区和城区的698～806 MHz时间-频率-占用度对照图，判决门限值同为45 dB·uV·m-1，密集城区占用度为30.1%，城区占用度为21.7%，可见同一频段在同一城市的不同区域的占用度是存在差异的，密集城区的频谱占用度比城区明显更高，但整体占用水平不高。

从以上的各幅时间-频率-占用度对照图中能看到均测出了多个带宽为8 MHz的电视频道，频道间还有一些杂散干扰，而空白处则是尚未使用的空白频谱。

从频率角度来看，我国为广播电视频段分配了大量的频率资源，不同城市都是选择使用了部分频率，被占用频段各不相同；被测量的两个城市的频谱占用度最高43.8%，最低只有21.7%，实际使用率较低。

从时间角度来看，由图2可知，702～737 MHz在夜间的部分时间里并未被使用，这也降低了频率的占用度。

4 结束语

借鉴现有的频谱测量经验方法，遵照最新的频谱占用度测量建议书(ITU-R SM. 1880)以及最新的《频谱测量手册》(2011版)所介绍的原则和方法，在两个城市对“数字红利”(698～806 MHz)频段实施实际测量，得到了2城市3个监测点的现场实测数据，并经过分析得到了相应的时间-频率-占用度对照图。

通过分析测量结果，发现相当大一部分的频率资源实际被闲置，这在频谱资源愈加紧张的当今，是一种巨大的浪费。为了提高该频段的使用率，目前，美国、欧盟等发达国家已完成或接近完成电视广播系统的模/数转换，释放这段“数字红利”频段用于4G。一些发展中国家也紧随其后，逐步开启广播电视系统的模/数转换，制定了释放 “数字红利”频段的原则和程序。

我国也应该在充分掌握现有频率使用状况的基础上，加快落实电视广播系统的模/数转换，以实现“数字红利”，从而缓解无线通信高速增长与频谱资源紧缺的矛盾。

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

[2] 何廷润, 田添. 国外数字红利频谱释放概况[N]. 人民邮电报，2012-04-10(7).

[3] 段洪涛. 频段占用度测量研究[J]. 中国无线电，2012(6):24-27.

[4] 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.

[5] 田方，冯志勇，陈星. 无线频谱测量方法与分析[J].中兴通讯技术，2009,15(2):15-19.

[6] 国际电联无线电通信局. ITU-R SM.1880建议书[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] 国际电联无线电通信局.频谱监测手册[M/OL].(2011-2-07)[2014-05-01].http://www.itu.int/pub/R-HDB-23.

[8] 中华人民共和国无线电频率划分规定[S/OL].(2014-02-01)[2014-05-01].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832n12843926/n13917072/15865839.html.

[9] 国际电联无线电通信局.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,孔宁. 中俄边境黑河监测站监测月报分析[J].中国无线电,2008(3):22-24.

[11] 浙江省宁波市无线电管理处监测科.频道占用度与频段占用度统计的参数设置[J].中国无线电,2008(9):49-51.

[12] 刘胜祥. 电场强度,接收电压,功率密度和接收功率之间的关系[J].微波与卫星通信,1994,3(4) :38-41.

[责任编辑: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

工信部通信软科学基金资助项目(2014R33)

王江舟 (1981-)，男，硕士，讲师，从事通信信号处理研究。E-mail:wangjiangzhou@163.com 李军芳(1977-)，女，博士研究生，工程师，从事无线电频谱工程研究。E-mail:li_jf@aliyun.com

TN98

A

2095-6533(2014)05-0010-06