上海创远：无线电频谱使用评估测试与分析方案

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1. 概述

无线电频谱资源是一个国家重要的战略性资源，当今社会各种无线电技术与应用的竞争愈加激烈，对无线电频谱资源的需求急剧膨胀，使无线电频谱资源的稀缺程度不断加大。为了给我国IMT-2020（5G）频率规划、2G/3G/4G频率调整、空间业务行政许可与监督管理等工作提供依据，针对公众移动通信、通信卫星及卫星通信网在用频段的评估，掌握频谱资源在国内的使用情况势在必行。

上海创远仪器技术股份有限公司，是一家自主研发高端射频通信测试仪器，并提供整体测试解决方案的专业仪器仪表公司。公司多次承担国家“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项课题开发任务和上海无线通信测试仪器工程技术研究中心的建设任务。上海创远仪器致力于为无委、电信运营商、民航、铁路、军工等行业用户提供无线电监测和频谱管理解决方案和网络测量数据分析平台、频谱地图云计算分析平台、卫星导航信号监测系统等专业产品和咨询服务。

测试评估与分析方案为无线电管理部门提供全制式、全频段、多维度的分析报告：

·无线频谱大数据动态可视化评估

·30-700MHz短波频谱使用情况评估

·700MHz广电频谱使用情况评估

·700-2700MHz公众通信频段占用评估

·2/3/4G网络覆盖评估

·移动运营商公网覆盖质量评估

·台站/基站普查

·基站定位  

2. 频谱测量评估系统

系统结构

2-1系统结构图

测量分析系统结构

2-2系统流程图

系统特色

·融合多元化大数据（车载、机载、固定站、网格化节点……），充分利用现有监测资源，同时输出运营商基站信息和覆盖参数，实现数据的多样性。

·专利算法、独特的传播模型、强大的数据分析能力，由局部（点、线）数据获得全局分布及频谱态势；

·从时域、频域、空间域、能量域“四维”变量以直观可视化的方式，动态多维度展示频谱态势；

·针对运营商公众移动网络提供全制式、全频段的数据测量分析功能，评估公网频谱使用情况，提供覆盖率、覆盖质量、频率占用、基站清查、基站定位等分析报告。

2.1 无线信号测量平台

2.1.1 测量系统组成

系统主要用来收集频点、电平值，时间信息，经纬度信息。通过创远Eagle宽频接收机以路测方式快速实现对城市快速路、主干道、次干道等城市道路进行路面数据采集。

2-3测量系统结构图

系统由标准全向天线、Eagle宽频接收机、远程控制数据回传系统、频谱地图分析平台组成，各部分的主要功能如下：

·标准全向天线：在移动通信频段范围内有准确的天线因子或增益曲线；

·Eagle宽频接收机：提供2MHz-3GHz的测量功能。具备对GSM / CDMA / CDMA-EVDO / TD-SCDMA / WCDMA / TD-LTE / FDD-LTE空中信号的测量和解码功能。

·远程控制数据回传系统：Eagle宽频接收机内置数据回传系统，具备自动回传和远程控制功能，有效解决了数据的集中和管理问题，提高了人员使用的效率。

·频谱地图分析平台：可完成频谱使用情况评估、公网台站合规使用情况评估、无线频谱大数据动态可视化。

2.1.2  Eagle宽频接收机特色：

Eagle宽频接收机是本系统挂载的前台接收测试设备，它自带GPS，能够远程控制并回传数据，主要用来收集测试频段频率和电平值，时间信息，经纬度信息。应用于本系统，具有以下突出特点：

· 测试频段宽：具有2M~3G超宽频带连续测量            

·频谱测量速度快：高达3G/s（2000采样点MAX），适用于各种不同场景测试应用，如：高铁、高速道路、一般道路和室内测试等。

·灵敏度高：-130dBm（@20M宽带解调）；-165dBm/Hz(@频谱测量)；

·支持TDD-LTE\FDD-LTE\TDSCDMA\WCDMA\EVDO\CDMA\GSM全制式测量，实现移动运营商基站定位功能。

·具备数据回传及远程控制功能，实现设备远程控制和自动测量。

2.1.3 测试参数设置

  测试时，移动监测车的车速一般不大于60公里/小时，在高速路等基站分布稀疏区域可提高至80公里/小时。每两次扫频测量时间间隔不超过2秒，按照时间等间隔记录时，至少每5秒存储一次。按照经纬度等间隔记录时，至少每90米存储一次。

2.1.4 测试数据存储

Eagle宽频接收机配备的自动回传系统可实现本地存储和数据回传至服务器存储两种模式，减少人力资源的投入，实现数据集中存储的自动化。

2.1.5 测试区域规划

覆盖城市建成区90%以上面积内的城市快速路、主干道、次干道等城市道路。

2.2 数据处理分析平台

2.2.1 无线电传播特性

无线电波传播特性的研究，一般是在给定区域范围内进行接收场强的预测以及场强变化的预测，根据场强变化的快慢可以将无线信号的传播特性分为大尺度传播特性以及小尺度传播特性。

大尺度传播特性主要是包括路径损耗和阴影衰落。路径损耗通常是由收发天线之问的距离、发射的信号载频以及地形等因素导致的，其中阴影衰落主要是由建筑物或地形地貌的遮挡而导致一些区域的接收信号骤然下降而产生的衰落。

小尺度传播特性主要为多径衰落。由于无线电波的反射、绕射和散射等特性的综合作用，导致从发射端到接收端的传播路径不只一条，就是一个发送信号在信号传播过程中会在接收端接收到多个不同的接收信号，而这些信号是以不同的到达时间和不同的到达强度到达接收天线。

2.2.2 原始数据处理

测试获得的数据不能直接用于数据分析，必须进行一定的处理。数据处理是将测试中带入的不合理数据进行滤除，完成地理化平均和数据偏移修正的处理操作，以实现数据的有效性和充分性。数据处理主要分以下几个步骤：

数据过滤

·过滤掉没有经纬度信息的数据

·过滤掉经纬度漂移的数据

· 滤除掉超出接收机灵敏度范围的数据

数据偏移修正

由于测试路径经纬度和电子地图经纬度常常存在一些误差，会导致测试数据在电子地图上偏移了原来的路线，落到其他地物上面，从而导致数据的地理属性出现差异，因此必须将这些数据加以修正以达到匹配|。

地理偏移修正需要借助GIS地图进行位置修正，将偏离了原来测试路径的采样点拉回正确的地理位置。

2.2.3 测量数据整合

· 接收端：为实际需要评估的区域无线数据，采集实际监测频率、场强和时间信息。

·GPS：采集路径信息、海拔高度以及时间等。

· 数据融合：以时间相关进行数据融合分析，将两部分数据合成一份数据。

2-4数据融合结构图

2.3 频谱地图分析平台

2.3.1 丰富的分析结果

· 通过信道占用度、频段占用度、信号覆盖率，从时域、频域、空间域、能量域多维度评估频谱使用情况，实现无线频谱大数据动态可视化。

2-5多维度评估展示图

· 针对移动运营商公众移动网络提供全制式、全频段的信号解调功能，评估公网频段频谱使用情况，提供覆盖率、覆盖质量、频率占用、基站清查、基站定位等分析报告。

2-6移动运营商测试与分析

2.3.2 基于多种背景图展示

可基于行政图、卫星影像图、三维高层图、动态效果来展示各评估分析。

2-7多种背景图展示

2.3.3 支持多平台应用

可以通过手机APP、单终端、云平台等多形式展示分析结果。

2-8多平台展示

3. 评估与分析

3.1 频谱使用情况评估

采集某业务类型的数据，针对某一信道或者某一业务频段分析频率使用密度，进而分析频段占用度以及频谱资源的使用效率。

3-1频谱评估结果展示

3.1.1 信道占用度

3-2信道占用度

3.1.2 频段占用度

3-3频段占用度

3.1.3 信号覆盖率

3-4信号覆盖率

·系统效益：

· 可以有效地解决频率使用效率低下问题。

·有利于科学规划与优化配置频率资源。

·引入频谱资源利用评估对我国现行频谱资源的分配机制、费用标准制定有极大的作用，促进更加公平、合理地利用资源。

·为今后实现频谱资源的市场化奠定基础。

·逐步实现频谱资源动态分配，挖掘频谱价值，提高频谱使用效率，为信息社会的发展提供宝贵资源。

3.2 通信公网基站频谱占用覆盖评估

3.2.1 频段占用分析

例如，某些运营商基站超出规定，有意或无意侵占其它频段，对其他运营商通信造成严重影响。

GSM-R/GSM 900M/1800M频段占用分析

CDMA/EVDO 800M频段占用分析

WCDMA 2110M频段占用分析

TD-SCDMA 1880M/2010M频段占用分析

TD-LTE/FDD-LTE BAND1/BAND3/BAND38/BAND39/BAND41频段占用分析

3-5频占分析案例图

3.2.2 基站清查

对移动运营商基站的建设和使用进行监管核查，利用接收机进行路测，可对公众移动通信频段范围内的指定频点进行信号分析，实现无线频点使用的核查,达到一个基站数量普查的功能，与台站库存储基站数量对比，区分：

· 合法基站 （申报在用）

·未知基站 （在用未申报）

·未用基站 （申报未使用）

· 违规基站 （制式不符）

3-6基站清查

3.2.3 基站定位

接收机通过搜索空中信号的频点、色码确定运营商的小区信息，再进一步解析小区系统消息中的CGI信息，获得小区的唯一标识，结合路测信息进行计算，最终获得小区基站的位置。

3-7基站定位

3.2.4 运营商覆盖质量分析

Eagle宽频接收机提供的运营商测试分析平台，可以针对城市或特殊区域测试获得的数据，分析各运营商覆盖质量情况，通过栅格化分析输出区域运营商的覆盖质量排名统计及轨迹图形，为用户选择运营商服务提供参考建议，也为无线电管理部门的管理工作带来便利。

3-8多运营商覆盖对比图

3-9多运营商覆盖指标对比统计

3-10多运营商网络结构统计

3.3 无线频谱大数据动态可视化

3.3.1 频率规划/指配

· 基于可用频率资源分析可以直观地了解辖区内还有哪些频率资源可用。

· 处理设台/频率申请，基于目前用频情况，辅助完成频率指配。

3-11频率指配分析图

·系统效益：

·直观展示可用频率资源，辅助频率指配决策。

· 软件自动化分析，改变传统人工计算方式，提高工作效率。

·融合大量监测数据分析，提高频率规划/指配的准确性和科学性。

·加强频率精细化管理，促进频谱资源的高效、合理利用。

3.3.2 台站监管/清查

· 融合各类监测数据分析某一道/业务频段的场强/功率分布图。

· 基于合法台站数据库的参数分析，利用电波传播模型计算场强和功率。

· 通过将监测分析结果和台站计算结果进行比对发现异常，监管台站是否正常工作，清查过期失效台站。

3-12台站清查比对图

·系统效益：

· 改变传统的台站监管方式，让数据“说话”。

·及时发现违规台站，维护电波秩序。

·清理过期、未工作台站，获得更多可用站址及频率资源。

·保证数据库的准确性、时效性，实现台站精细化管理。

·节省频率资源，提高频率使用效率，满足更多用频需求。

3.3.3 干扰查处

例如主动发现黑广播：

·针对调频广播频段（87.5 - 108MHz）生成不同时间的频谱地图。

·系统自动标示能量有显著变化区域。

·找出发生变化的具体频率。

·与台站数据库中的调频广播比对确定是否为非法发射。

3-13干扰查处历史比对图

·系统效益：

·主动发现异常，提前处理干扰，变被动为主动。

· 减少监测人员的劳动强度，提高干扰查处的工作效率。

· 丰富电波秩序监管手段，使无线电管理工作从传统的、主观的粗放管理模式向现代化的、数字化的智能管理模式转变，对于无线电管理工作的创新和发展具有积极的意义。

3.3.4 电磁环境评估

通过监测数据融合分析，定期生成电磁辐射强度图，反映电磁环境情况。

3-14电磁环境评估图

·系统效益：

·提高社会公众对无线电辐射的认识。

·有利于电磁环境信息的公开，从而改善设台建站矛盾。

· 与环保要素结合，提供电磁辐射指数发布。