GSM频段主用户频谱占用情况的测量和建模研究*

贾媛媛，谈振辉，黄 清，周志艳

（北京交通大学宽带无线移动通信研究所 北京 100044）

GSM频段主用户频谱占用情况的测量和建模研究*

贾媛媛，谈振辉，黄 清，周志艳

（北京交通大学宽带无线移动通信研究所 北京 100044）

为获得GSM900频段主用户频谱的占用情况，利用频谱分析仪对北京部分地区850～970 MHz频段频谱进行了定点测量。通过MATLAB软件对测量数据进行分析和建模，得出GSM900频段主用户的频谱占用情况及其到达模型。研究发现，此段频谱的平均占用度只有2.33%，主用户到达时间间隔服从负指数分布的修正形式，为认知无线电用户选择频谱提供了参考，并为链路级仿真中主用户占用模式的确立提供了理论支持。

GSM900频段；主用户；到达时间；认知无线电；能量检测

* 国家“863”计划基金资助项目（No.2009AA011805），中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（No.2011YJS012）

1 引言

认知无线电（cognitive radio，CR）通过机会地利用现有频谱解决频谱资源的有限性和利用率低的问题。认知无线电中存在主用户（授权用户）和次用户（非授权用户）两类用户，其中主用户为拥有某频段频谱执照的设备，有优先接入授权频谱的权利，其通信不应被次用户打断或干扰[1]。为避免干扰，次用户需要对主用户频谱资源的使用情况及到达过程进行准确测量和建模。因此，研究主用户的占用情况对认知无线电有重要意义。

对于广播电视频段，频谱在很长一段时间内处于空闲（OFF）或忙碌（ON）状态。相反，移动频段的频谱使用在时间和空间上显示出很强的变化性和多样性[2]。为获得北京部分地区GSM900频段的频谱占用情况，本文利用E7404A频谱分析仪对北京交通大学所处地区的850～970MHz频段频谱进行了测量。通过MATLAB软件对测量结果进行了统计分析，并对GSM900频段的主用户到达过程进行了建模。

2 频谱测量场景和测量参数设置

认知无线电系统中频谱感知的作用是尽量快而准确地确定被占用频段，常用的频谱感知方法有接收信号的能量检测、循环平稳信号的频谱相关检测、匹配滤波器检测等[1]。由于能量检测具有实现简单、事先无需先验信息的优点，因此采用能量检测方法。

本次测量采用静态定点测量，地点位于北京交通大学思源楼，测量频段为850～970 MHz，覆盖了GSM900频段的上行频段（890～915 MHz）和下行频段（935～960 MHz）。连续测量7×24 h，测量时间为2009年8月13日上午10时至8月20日上午10时。

图1 无线电数据测试系统

测量使用的无线电测量系统框图如图1所示。使用ETS-3148对数周期天线接收无线电信号，经由HP公司的E7404A频谱分析仪进行前端数据采集。频谱分析仪通过GPIB卡与笔记本电脑相连，GPIB卡称为通用接口总线，实现数据的高速传输，笔记本电脑通过检测软件完成测试参数设置和实时数据保存。

天线性能参数见表1[3]。

表1 天线性能参数

频谱仪的参数设定见表2。

表2 频谱仪参数设定

3 频谱占用度分析

通常主用户使用频谱的过程交替处于占用和空闲两种状态，占用状态代表主用户有业务传输，空闲状态代表无业务传输。对测量数据设定合理的门限值，功率高于此门限值判为占用状态，低于此门限值判为空闲状态。

能量检测中，判决门限的选取至关重要。ITU建议把门限设为高于环境噪声10 dBm。由于实际噪声难于确定，通常在环境噪声均值之上加5 dBm左右作为判决门限[4]。这种方法主要来自于以往积累的经验，在噪声起伏波动不大的情况下有较高的可靠性。统计各频点在整个测量时段内的平均功率，得到背景噪声的平均功率值在-90 dBm左右，故取判决门限为-84 dBm。

本课题频谱测量的所得数据均为以采集时间为文件名的数据文件，文件格式为*.dat。*.dat文件内所保存数据具有特定的数据结构，具体为：首位8个字节为起始频率，格式为double型；下8个字节为终止频率，格式为double型；下8个字节为采样频点个数，格式为long型；下8个字节为扫描轨迹数，格式为long型；其余依次为各采样频点的功率值，格式为double型。分析数据时，首先读入起始频率和终止频率，按照采样频点个数处理各采样频点的功率值。

根据测量所得数据，从以下3方面进行分析。

（1）频谱占用度，即被占用的样本数与总样本数的比值，统计各频点在整个测量时间段内的频谱被占用的概率。

850～970 MHz频段的频谱占用度如图2所示，横轴代表测量频段，纵轴代表频谱占用度。由图2可以看出，850～880 MHz频谱占用度较高，部分频点占用度达到100%；880～935 MHz频谱占用度较低，在5%以下；935～960 MHz频谱占用度在60%以上，部分频段占用度达到100%。经统计平均，整个测量频段的频谱占用度只有2.33%。

图2 850～970 MHz频谱占用度（门限值：-84 dBm）

（2）24 h内频谱占用情况，统计被测频段24 h内不同时间的占用情况。

图3 850～970 MHz频段24 h频谱占用情况

850～970 MHz频段的24 h频谱占用情况，横坐标代表测量频段，纵坐标代表24 h时间轴。黑点代表占用情况，黑点越密集代表主用户业务量越多。由图3中可以看出，GSM900上行频段890～915 MHz的用户业务量极少，原因是手机功率较低，在低信噪比情况下，信号淹没在噪声之中，致使能量检测无法正确检测到主用户的占用情况。由于数据的失真，§4中只对GSM900频段的下行数据进行处理。

（3）时间—频率—均值功率的3D视图，统计被测频段24 h内的均值功率。

850～970 MHz频段频谱占用情况3D视图如图4所示，显示了测量频段不同时间的平均功率情况。

图4 850～970 MHz频段频谱占用情况3D视图

4 数据建模

4.1 建模理论基础

在实际通信网中，业务的到达服从随机过程。一个随机过程既可以用点过程描述，也可以用事件间隔的概率分布描述。采用事件间隔的概率分布进行建模表示更直观，因此，本文采用后者进行建模。

对于信道i(i=1,2,…，N)把占用状态的到达时间间隔D建模为一个随机变量，概率密度函数为。同样，空闲状态的到达时间间隔T的概率密度函数为,x>0。以D为例，其概率密度函数可采用标准近似的方法。对任意b>0，有：

利用观测数据的柱状图进行近似，得：

式（2）中#（）代表柱状图的高度，等号右边代表以d为中心的到达时间间隔累计数值除以总数值。

4.2 建模过程和结果

我国陆地蜂窝数字GSM网采用900 MHz和1800 MHz，其中GSM900频段划分情况为上行频段（890～915 MHz）和下行频段（935～960 MHz），相邻两频点间隔为 200 kHz[5]。由于带宽内的功率谱最大值取在中心频率处，故处理数据时以中心频点的数据为准。绝对频点号与频道中心频率的关系如下式[5]。

考虑到GSM频段用户在不同时段业务量的不同，以电信行业优惠时段为参考，定义忙时段为9∶00～22∶00，闲时段为 22∶00～9∶00。根据 ON-OFF模型建立信道状态，利用§4.1中所述方法对GSM900下行频段的测量数据分时段进行建模。信道编号为76和77的处理结果如图5～8所示。

图5 忙时76 号信道主用户到达过程拟合结果

图6 闲时76号信道主用户到达过程拟合结果

图7 忙时77号信道主用户到达过程拟合结果

图8 闲时77号信道主用户到达过程拟合结果

图5中，拟合结果为f(x)=2.399e-0.05149x。图6中，拟合结果为f(x)=1.172e-0.05499x+0.1392e-0.009362x。图7中，拟合结果为f(x)=3.591e-0.06394x。图8中，拟合结果为 f(x)=1.446e-0.06133x+0.1281e-0.008775x。

可以看出，GSM频段的主用户到达过程服从指数分布的修正形式。忙时主用户到达时间间隔较短，可被次用户利用的频谱空穴较少；闲时主用户到达时间间隔较长，可被次用户利用的频谱空穴较多。

5 结束语

本文利用频谱分析仪对850～970 MHz频段的主用户频谱占用情况进行了测量。从测量结果看，此频段的频谱平均占用概率只有2.33%，总体占用度较低，次用户间歇性接入机会较多，为今后开展认知无线电业务留有很大的开发空间。同时对GSM网的主用户到达过程建模进行了探索式研究，发现GSM频段的主用户到达时间间隔服从负指数分布的修正形式，为认知无线电链路级仿真中主用户占用模型的设计提供了参考。

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 对数周期天线3148使用手册

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

5 韩斌杰，杜新颜，张建斌.GSM原理及其网络优化(第二版).北京：机械工业出版社，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）

贾媛媛，北京交通大学硕士研究生，主要研究方向为认知无线电中的主用户信道占用情况和信道选择；黄清，博士，副教授，主要研究方向为认知无线电、无线资源管理等，主持和参与过多项国家级通信项目的研究，在各级刊物上发表论文十余篇；谈振辉，教授，北京交通大学博士生导师，主要研究方向为无线通信；周志艳，北京交通大学硕士研究生，主要研究方向为认知无线电的频谱测量与信道占用模型研究。