TD-LTE候选频段频谱分析系统的设计与实现

石 薇, 徐 鹏, 张高记, 郭 娟

(西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121)

TD-LTE候选频段频谱分析系统的设计与实现

石 薇, 徐 鹏, 张高记, 郭 娟

(西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121)

针对时分长期演进系统部署资源紧张的问题，设计一种时分长期演进候选频段分析系统。通过对四个典型城市(西安、北京、南京、上海)的频谱使用情况进行测量，将测量数据建立数据库，借助GIS软件将测量数据以频谱地图的形式进行展示，同时通过程序计算出各个频段的频谱占用度,并在特高频等频段中查找可利用的空闲频谱资源从而判断其是否能够部署时分长期演进系统。最后以西安为例进行了运算分析，结果表明，在西安市郊区698～806 MHz存在一定空闲频段能够部署时分长期演进系统。

频谱占用度；地理信息系统； 特高频

根据我国目前的频谱规划[1]，时分长期演进(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)的工作频谱主要分布在1.8～2.6 GHz之间，包括A频段，E频段和D频段，其中E频段与TD-SCDMA(时分同步码分多址技术)共用。根据无线电波的传播特性，一般来说，频率越低，路经损耗越小，相对于移动通信基站来说，每个基站覆盖范围越大，对于达到相同覆盖地区，基站数量减少，降低了网络建设成本。随着我国无线电技术的快速发展和广泛应用，可以使用的频谱资源越来越有限，尤其是传播特性较好的低端频段已经被划分殆尽[2]。针对频谱资源的枯竭，发达国家早已开始了动态频谱管理的研究，2003年美国联邦通信委员会(FCC)报告提出有关认知无线电频谱管理的新规范，欧盟推出了最佳使用频谱新战略，目标是根据业务需要进行调整的动态频谱分配方式[3]。我国的频谱规划和管理由工业和信息化部无线电管理局统一负责，目前采取的是以行政手段为主的频谱指配方式，这种预先分配、授权使用的频谱管理方式，使某些频段承载的业务量很大，而另一些频段却在大部分时间内没有用户使用，白白浪费了频谱资源。例如，我国低频段700 MHz属于广电网络，450 MHz频谱是公共频谱，集中了对讲机、集群通信等应用。就移动通信的技术特点及可实现的技术能力而言，低频段是移动通信的黄金频段，4G的最佳频谱应设在1 GHz以下[3]，若采用特高频(Ultra High Frequency, UHF)频段进行网络部署可以达到良好的室内覆盖和广域覆盖能力，大大降低运营商建网投资。如果将UHF等频段用于LTE系统，对技术、设备实现的可能性需要进行客观全面的评估。因此本文提出一个TD-LTE候选频段分析系统，通过测量不同频段、不同时间、不同工作场景的频谱占用情况，针对450～470 MHz、698～806 MHz、1 425～1 525 MHz、2 300～2 400 MHz几个频段进行整理和统计分析，借助地理信息系统的直观性将我国典型频段的频谱利用情况在地图上直观展示给用户，为认知无线电技术用于异构网络的下一代无线通信技术寻找可用频段。

1 基于频谱占用度的空闲频段分析方法

为了获取我国频谱资源利用情况，选取4个典型城市：西安、北京、南京、上海，每个城市选择1～3个场景不同的测量点，分别对450～470 MHz、698～806 MHz、1 425～1 525 MHz、2 300～2 400 MHz几个频段进行实际测量。搭建软硬件平台，硬件平台主要有接收机、天线、馈线、计算机，软件平台是制作具有软件著作权的频谱测量软件。

频谱占用度的测量，选择的设备是Agilent N8201A接收机，频率范围为3 Hz～26.5 GHz。根据具体任务确定，要求每次测量时间不小于24小时，一般连续7天24小时不间断测量，测量数据为各频段在不同采样点上的功率值，每隔2 min进行一次数据保存，数据以Data文件格式进行存储。通过软件分析，对测量结果和门限值(门限电平是根据观测时间内各频点场强最小值中的最大值加5 dB的方式确定)比较，判断频点是否被占用，最后得到各监测点各频段的频谱占用度情况。

根据频谱占用度的情况，可以讨论部分空闲频段是否能够部署TD-LTE系统。在频谱占用度小于5%的情况下，可以认为该频段使用较少，基本属于白频谱，可以考虑直接部署具有认知功能的TD-LTE系统[4]。若频谱占用度大于5%的情况下，认为有其他业务占用，使用该频段时需要进行共存分析，首先需要判断该频段上的信号强度是否大于部署TD-LTE系统所需的抗干扰门限阈值Ith，不考虑解调门限，即只考虑系统底噪和系统的噪声系数的综合影响。其次，3GPP对系统共存干扰的确定性分析中采用的准则是满足通信质量要求的信噪比恶化1 dB，此时对应的干扰值比噪底低6 dB[5]。因此抗干扰门限阈值定义为[6-7]

Ith=10 lg(KTB)+Nf-6,

(1)

其中Ith为抗干扰门限阈值，接收机噪声功率为10lg(KTB)，Nf为噪声系数。如果该空闲频段上的接收信号强度大于TD-LTE系统的抗干扰门限阈值则认为此空闲频段上存在干扰，会影响到TD-LTE系统的正常工作，此频段不能部署TD-LTE系统。如果该空闲频段上的接收信号强度小于TD-LTE系统的抗干扰门限阈值，则认为此空闲频段上干扰较小，不会影响到TD-LTE系统的正常工作，此频段能够部署TD-LTE系统。

2 频谱分析系统结构设计

针对测量后得到的庞大频谱数据，如何利用GIS和数据库技术对数据进行有效处理，来保证数据的完整性和频谱分析图的合理展示是数据库系统设计的关键。系统采用C/S模式软件架构，该模式具有服务器运行数据负荷小、数据存储速度快、数据安全性好等特点。系统基本结构[8-9]可以抽象为3个层次：数据层、功能层和应用层(图1)。

图1 TD-LTE候选频段频谱分析系统结构图

数据库的设计应该既考虑数据的特征，又兼顾应用目的。需要将图层外的测试数据源引入MapX控件，通过与其他ActiveX数据控件的绑定，实现外部数据库中的数据与MapX中的地图的关联和对应，并通过SQL语句方便地实现数据的查询[10]。将MapX组件通过数据绑定把数据库中的地理信息映射到地图图层上，每一图层的一组文件的文件名相同只是后缀不同，通过索引文件*.Id，MapX就可以将属性数据与地图的空间数据连接起来。该系统数据库使用MicrosoftAccess数据库管理软件，系统数据库包含了基础地理信息、频谱测试数据、专题图形数据、图片资料等[11-12]。

3 频谱分析系统功能模块设计

系统集成.NETFramework2.0、Mapinfo、Matlab软件、Acess数据库作为应用平台搭建开发框架。C/S模式，支持单机工作方式。软件主要应用包括地图编辑、统一属性录入，文件存储，测试数据浏览、查询、分析。系统数据格式采用通用标准格式。

TD-LTE候选频段频谱分析系统具有地图控制、频谱分析、容量分析和系统维护等功能，其结构如图2所示。

图2 TD-LTE候选频段频谱分析系统功能模块

各功能模块具体描述如下。

(1) 地图控制: 主要利用MapX组件实现地图的基本操作功能。如打开地图文件、打开影像文件、地图显示、地图放大、地图缩小、全屏显示、全图漫游、图层增减等。

(2) 监测点位置定位: 通过树形结构展示所有监测点，并在地图上用图标标注，可在地图上直接显示出某地区的频谱容量是否能够部署TD-LTE系统。

(3) 频谱占用度分析: 通过“城市”、“场景”、“测量频段”、“频谱占用判决门限”等限定条件，得出频谱占用度分析图。

(4) 场强及占用度分析: 通过“频段”、“测量时间” 等限定条件，得出频道占用度分析图、场强及门限分析图、占用度在频率和时间上的瀑布图。

(5) 空闲频段分析: 通过“城市”、“场景”、“测量频段”、“频谱占用判决门限”等限定条件，得出空闲频段分析图，并计算出空闲频段。

(6) 容量分析: 通过“城市”、“场景”等限定条件，给出该地区的空闲频段容量。

(7)系统维护: 分为用户信息维护和系统数据维护两个部分，其中系统数据维护主要实现频谱测量地点及城市基本信息的录入、修改、删除、查看等功能。用户信息维护主要实现用户基本信息的录入、修改、删除、查询等功能。

4 频谱分析系统实现

频谱管理系统所涉及到的数据分为属性数据和空间数据，属性数据包括测量数据和系统数据，其中测量数据是天线设备所测量的不同地点的场强值，通过matlab软件分析后，画出频谱占用度统计图及容量分析图；系统数据包括测量仪器的各种参数、各个监测地点的经纬度及照片，以及用户信息，系统数据存储于Access数据库中。空间数据以Mapinfo标准文件格式存储于特定目录下，包括公路、城市、建筑物、经纬度等地理数据，每个地物均有其对应的唯一标识(ID号)，系统以此为索引建立该地物的图形数据文件，本系统所使用的矢量地图是Mapinfo格式的全国地图[13-14]。

在visual Studio的开发平台下，导入MapX控件，通过设置其属性和调用方法来实现对矢量地图的控制。其中需要将属性数据和空间数据进行关联，比如在地图上对每个测量点进行标注，通过调出数据库中的经纬度从而将图标定位到矢量地图上。MapX类库所提供的CreateLayer方法可以在地图上新建图层，所有新添加的图元信息都需要在新图层上建立。地图和监测点加载后的系统界面如图3所示。

图3 频谱地图功能界面

以西安市为例对市区和郊区在698～806 MHz频段进行了容量分析，通过查找该频段内是否存在频谱占用度小于5%的空闲频段，并判断该空闲频段是否符合部署TD-LTE系统的条件。

由图4可知，由于可部署TD-LTE的判决门限(-115 dBm)低于实测信号的接收强度，因此在698～806 MHz频段，西安市城区无空闲频段能够部署TD-LTE系统。

由图5可知，由于在698～806 MHz频段、西安郊区场景可部署TD-LTE系统的判决门限大部分高于实测信号的接收强度，因此在698～704.21 MHz、709.745～751.055 MHz、752～775 MHz、782～806 MHz频段存在共计95.2 MHz空闲频段能够部署TD-LTE系统。

图4 西安市城区698～806 MHz频段容量分析界面

图5 西安市郊区698～806 MHz频段容量分析界面

5 结束语

借助地理信息软件，实现了一套频谱分析系统，通过测量典型城市不同频段的频谱占用情况，对实测数据建立管理模型，该模型具备根据相应的输入参数(如CR系统坐标等)，完成一定数据处理和频谱管理，提供图形化的频谱利用统计情况，并给出空闲频段部署TD-LTE系统的模型建议。

[1] 信息产业部无线电管理局.关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知:信部无[2000]353号[Z/OL].(2009-09-05)[2014-04-06].http://www.srrc.org.cn/NewsShow1363.aspx.

[2] 刘德全.TD-LTE室内分布系统干扰研究[J].广东通信技术,2011 (9):31-35.

[3] 何廷润.中国4G频谱规划的困难与挑战[J].移动通信,2007(5):1-4.

[4] Mchenry M A, Mccloskey D. New York City spectrum occupancy measurements September, Shared Spectrum Company. [EB/OL].( 2004-06-01) [2014-04-30] http://www.sharedspectrum. Com

[5] 戴源,朱晨鸣,王强，等.TD-LTE-CR无线网络规划与设计[M].人民邮电出版社.2012:69-78.

[6] 3GPP TS 36.101.V9.3.0. User Equipment radio transmission and reception[S].2010.

[7] Recommendation ITU-R P.1546-3. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz[S].2009.

[8] 刘学峰,李先华.地理信息系统在通信领域的应用研究进展[J].上海大学学报:自然科学版, 2007,13(4):389-393.

[9] 蔡友良.面向移动通信的 GIS 宏观呈现技术研究与应用[J].测绘技术装备,2012(2):13-15.

[10] 靳海亮,刘慧杰,苗保亮.基于MapX控件的GIS应用软件基本功能二次开发[J].计算机与数字工程,2011(1):61-63.

[11] 韩卫济.基于MapX控件的GIS应用软件基本功能二次开发[D].哈尔滨工程大学，2011:25-30.

[12] 马玉欣.基于GIS的城市管网信息系统的研究与实现[D].吉林大学,2012:31-40.

[13] 颜辉武,吴小芳,祝国瑞.VC++环境下基于MapX控件的GIS应用软件的开发 [J]. 昆明理工大学学报：自然科学版， 2001,26 (6):12-17.

[14] 吴静,奚砚涛. 成都市景区信息查询系统的开发[J]. 地理空间信息, 2011 (5):94-95.

[责任编辑:祝剑]

Design and implementation of TD-LTE candidate frequency spectrum analysis system

SHI Wei, XU Peng, ZHANG Gaoji, GUO Juan

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A TD-LTE Spectrum Analysis System is designed in this paper for the problem of the lack of frequency resources in our country in the TD-LTE system deployment. Based on the spectrum measurement in the four typical cities (Xi’an, Beijing, Nanjing, Shanghai), a database is established to store the measured data. The measured data is showed in the form of the spectrum map through the GIS software and the spectrum occupancy for every frequency channel is calculated. Idle spectrum resources are searched in the UHF (Ultra High Frequency) to find any available frequency in order to determine whether to deploy TD-LTE system there. Xi’an is chose as an example for the operational analysis. The analysis result shows that there are some idle frequency band in 698～806 MHz from Xi’an suburb which can be used to deploy TD-LTE system.Keywords:spectrum occupancy, geographic information systems (GIS), ultra high frequency(UHF)

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.05.004

2014-05-23

工业和信息化部软科学基金资助项目(2014R33)；西安邮电大学中青年科研基金资助项目(109-0444)

石薇(1980-)，女，硕士，讲师，从事通信网络规划与设计研究。E-mail:shiwei0430@126.com 徐鹏(1980-)，男，硕士，工程师,研究方向为软件设计与应用。E-mail:xp@xupt.edu.cn

TN911.23

A

2095-6533(2014)05-0016-06