超寬帶設備檢測避讓技術的測試方法研究

林 磊，付 靖

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

超寬帶設備檢測避讓技術的測試方法研究

林 磊，付 靖

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

本文通過對超寬帶設備的檢測與避讓技術的分析，設計了針對超寬帶設備DAA技術在啟動和運行階段的測試方法，能夠驗證超寬帶無線電設備DAA技術的性能，并應用于我國無線電設備型號核準的測試中，提高了對超寬帶無線電設備的管理能力，從源頭保障我國無線電波的秩序。

檢測避讓技術；超寬帶設備；區域模型；測試方法

1 引言

隨著無線通信技術的發展，人們對高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶（UWB）技術的出現，實現了短距離內超帶寬、高速的數據傳輸。其調制方式和多址技術的特點使得它具有很寬的帶寬、高速的數據傳輸、功耗低、安全性能高等特點。超寬帶（UWB）設備是指通過天線產生的有用輻射至少有500MHz的-10dB帶寬的無線電通信設備。

許多國家陸續發布了超寬帶技術的頻譜規劃，其中美國最早發布，且頻譜最寬為3.1GHz到10.6GHz，帶寬之內的功率譜密度為-41.3dBm/MHz，帶寬外的要求非常嚴格，但是帶寬之內并無其他要求。其他國家或地區基本參照了美國的頻譜劃分，但是依據于各自的頻譜使用情況，要求又各不相同。歐洲的頻譜劃分為3.1GHz到9.0GHz，其中3.1GHz到4.8GHz，8.5GHz到9.0GHz的頻段，明確提出了檢測避讓的要求。我國相繼在2008年和2010年頒布了超寬帶頻譜使用規范，其中工信部無[2010]641號《關于超寬帶（UWB）技術頻率使用規定有關事宜的通知》中，明確了4.2GHz到4.8GHz頻段應當在從2014年開始使用DAA技術，否則功率譜密度將低于-70dBm/MHz。主要國家的超寬帶技術頻譜劃分與檢測避讓要求參見圖1。

根據工信部無[2010]641號文的要求，如何驗證DAA技術的有效性，保證超寬帶設備在上市之前滿足相關技術要求變得至關重要。因此，本文在分析DAA區域模型和實現原理的基礎上，提出了針對超寬帶設備DAA技術的測試方法，并給出了輻射測試和傳導測試兩種測試場景的配置方案，并分別針對啟動測試和在運行測試設計了詳細的測試方法，此測試方法能夠應用于目前國內無線電發射設備的型號核準測試中，具有很強的實際應用價值，進一步提高了我國無線電設備的管理水平。

在本文中，我們將首先對UWB設備的檢測與避讓技術分析進行介紹，給出檢測和避讓的區域模型以及實現方法。接著，將給出DAA技術在啟動階段和運行階段的測試方法。為了更加細化測試方案，本文提出了受保護信號模型的設置，并提出了受保護信號的技術參數，使得本文提出的測試方法具有更強的實用性。

圖1 超寬帶技術頻譜劃分及檢測避讓要求

2 UWB設備的檢測與避讓的區域模型

為了減輕和消除潛在的干擾，超寬帶設備需要利用檢測避讓技術，來檢測特定頻段內的受保護業務的發射信號，通過切換頻段或降低功率等避讓技術來保護該業務。為了理解和研究復雜的檢測避讓概念，需要建立超寬帶發射的區域模型。假設受保護的設備與超寬帶發射設備之間距離為D，超寬帶信號發射的功率譜密度為PUTx，傳送到受保護信號接收端后，信號強度為PVRx，兩者設備的隔離如圖2所示。

圖2 超寬帶發射設備與受保護設備之間的隔離

針對我國規定的檢測和避讓的規定頻段，設定超寬帶設備工作的頻段為4.2到4.8GHz，假設工作環境為理想的環境，即視距傳輸，不考慮衰落和額外的損耗。

那么，當兩者的距離D為1m時，傳輸損耗約為45dB，當超寬帶的發射信號功率譜密度PUTx

為-70dBm/MHz時，傳輸到受保護信號的強度PVRx為-115dBm/MHz，信號的強度已經接近于環境的熱噪聲，此時不會對設備的性能產生任何影響。因此，如果超寬帶設備知道自身與受保護設備的隔離情況，就可以相應地調整自身的功率。

作為推論，當兩者的隔離加大，D=2m時，傳輸損耗為54dB，此時UWB的發射功率可以相應的提升到-61dBm/MHz。當D=28m時，傳輸損耗為74dB，此時UWB發射信號的強度可以達到-41dBm/ MHz，信號的功率譜密度已經符合國家的規定，當距離再增大時，則可以不需要采用避讓技術了。相應，在同樣的環境中，超寬帶設備接收到的受保護設備的信號，也是與發射距離相關。假設受保護的發射信號功率為PVTx=20dBm，當兩者距離D=1m時，傳輸損耗約為45dB，那么UWB設備所接收到的信號強度PURx=-25dBm；當距離D=2m時，損耗約為54dB，那么UWB設備所接收到的信號強度PURx=-34dBm；當距離D=28m時，損耗約為74dB，那么UWB設備所接收到的信號強度PURx=-54dBm。

因此，依據上述分析，我們可以得出超寬帶的設備的發射功率與所接收到的信號電平之間的關系，如圖3所示。

圖3中，超寬帶設備可以通過檢測受保護信號的強度PURx，來確定與受保護設備的隔離，調整自身發射功率，在不干擾受保護設備的前提下，最大提升自身的性能。但是如果超寬帶設備的檢測和調整時過程是連續的話，實現的成本會很高，而且也很難驗證。因此，建議將檢測過程離散化，以利于降低設備的實現成本和測試成本。

圖3 超寬帶發射信號與接收信號電平之間的關系

圖3中標注的為簡化的二元模型。定義小于距離DT的區域為區域1，大于DT為區域2。DT的確定取決于閾值電平PT，當檢測到的信號強度大于PT時，可以判斷出UWB設備工作在區域1，發射應為-70dBm/MHz，此區域為無干擾工作區域，超寬帶設備的發射功率最小。檢測到的信號強度小于PT時，是區域2,發射電平可以調整為-41dBm/MHz，此區域為自由工作區域，此時超寬帶設備的發射功率最大。

需要實現更為復雜的DAA技術時，可以再將區域進行細分，分別定義多個區域，每個區域對應不同的閾值電平，UWB的發射電平可以根據不同的區域進行調整策略。

多區域的模型另外的一個好處是，針對一些還未使用或技術參數可能會改變的技術，超寬帶設備可以通過引入不同的區域參數和發射電平，來實現檢測和避讓機制。

3 檢測與避讓機制的測試方法設計

本部分主要研究DAA技術的測試方法，用于檢測和驗證DAA技術在相應UWB設備中的應用。檢測和驗證DAA檢測避讓技術由兩個測試過程組成：啟動測試和在運行測試。在本文中將分別對針對以上兩個測試給出相應的測試方法。需要注意的是，在本文所給出的測試方中，應保證被測設備在正常的動態工作狀態中，并且設備制造商應確保此種工作狀態可以滿足區域模型的一般要求；同時，本文中所有涉及的測試方法應該在溫度+15°C～+35°C和濕度20%～75%的環境條件下進行。測試配置可以采用輻射測試和傳導測試兩種方式對DAA的性能進行測試。輻射測試的配置如圖4所示，傳導方式測試配置如圖5和圖6所示。

圖4 DAA輻射測試配置

圖5 DAA傳導測試配置

I N T D是與被測設備配套使用的互操作性UWB設備，在整個測試過程中被測設備和互操作性設備應保持穩定的連接，需保證頻譜儀有足夠的動態范圍完成測試。

圖6 DAA傳導測試建議配置

3.1 啟動測試

3.1.1 在最小初始信道可用性檢查時間內無受保護信號出現的測試

前期測試條件：兩個UWB設備，其中至少一個支持DAA，且兩個UWB設備均處于關機狀態。測試過程如下（如圖7所示）：

⊙ 支持DAA的UWB設備處于關機狀態，無信號發生器連接或者信號發生器也處于關閉狀態。

⊙ 支持DAA的UWB設備于T0時刻開機，并在T0～T1時間內完成它的開機程序，并進入到開始檢測受保護信號的操作模式。

DUT開機后，在T1+Tavail_time時間內，DUT應處在非干擾模式。需要注意的是T1時刻需要附加驗證或者根據UWB設備標稱做出界定，并適用于本文中提出的其他測試方法。

圖7 在最小初始信道可用性檢查時間內無受保護信號出現的測試過程

3.1.2 受保護信號在最小初始信道可用性檢查時間開始時出現的測試

前期測試條件是，兩個UWB設備，其中至少一個支持DAA，且兩個UWB設備均處于關機狀態。測試過程如下（如圖8所示）：

⊙ 支持DAA的UWB設備處于關機狀態，連接信號發生器并使之處于關閉狀態。

⊙ 支持DAA的UWB設備于T0時刻開機，并在T0～T1時間內完成它的開機程序，并進入到開始檢測受保護信號的操作模式。

⊙ 在T1時刻完成后，2s以內打開信號發生器，并產生相應的受保護信號。

DUT開機后，于T1時刻結束后2s以內，加入受保護信號，受保護信號強度需高于閾值10dB，觀察并記錄受保護信號。即驗證了DUT在T1+Tavail_ time時間內，處于非干擾模式。

圖8 受保護信號在最小初始信道可用性檢查時間開始時出現的測試過程

3.1.3 受保護信號在最小初始信道可用性檢查時間將結束時出現的測試

前期測試條件是，兩個UWB設備，其中至少一個支持DAA，且兩個UWB設備均處于關機狀態。測試過程如下（如圖9所示）：

⊙ 支持DAA的UWB設備處于關機狀態，連接信號發生器并使之處于關閉狀態。

⊙ 支持DAA的UWB設備于T0時刻開機，并在T0～T1時間內完成它的開機程序，并進入到開始檢測受保護信號的操作模式。

⊙ 在T1時刻完成后，12s以后打開信號發生器，并產生相應的受保護信號，受保護信號強度需高于閾值10dB。

DUT開機后，于T1時刻結束12s以后，加入受保護信號，觀察并記錄受保護信號。即驗證了DUT在T1+Tavail_time時間內，處于非干擾模式。

圖9 受保護信號在最小初始信道可用性檢查時間將結束時出現的測試過程

3.2 在運行測試

在運行測試用來檢測和驗證檢測避讓時間。檢測避讓時間確保了支持DAA的UWB設備避讓頻段內檢測到受保護信號的情況下，在相應的區域2內可以正常工作在最大功率譜密度為-41dBm/Mhz的狀態下。此測試模擬了潛在受保護設備和支持DAA的UWB設備的相對運動過程。當支持DAA的UWB設備檢測到受保護信號強度達到閾值電平時，應自動切換到非干擾模式,（-70dBm/MHz/LDC）切換時間不遲于避讓時間。測試過程如圖10所示。

圖10 在運行測試過程實例

針對4.2GHz～4.8GHz的檢測避讓技術參數如表1所示。前期測試條件為兩個UWB設備，其中至少一個支持DAA，兩個UWB設備均處于開機狀態。測試步驟：

表1 4.2GHz～4.8GHz的檢測避讓技術參數

⊙ 打開UWB設備，完成啟動階段并使之工作在避讓頻段，選用圖4、圖5中配置模式，確保信號發生器，產生的受保護信號可以被UWB設備正常的檢測到。

⊙ 于T0時刻，開啟信號發生器，產生受保護信號，受保護信號強度為閾值以下15dB，分20次，每次間隔15s，每次信號強度升高1dB，在T0+300s時，使受保護信號強度達到閾值以上5dB。避讓時間應該出現在T0+225s以后，并小于表1中所示的最大檢測避讓時間。如果在T0+225s+Tavoid_max時間內，在避讓頻段內觀測到了受保護信號，則驗證了UWB設備進入了非干擾模式即UWB設備避讓成功。

⊙ 重復以上過程，受保護信號參見附件表A2所示，UWB設備的避讓成功率應該在90%以上。

⊙ 對于避讓不成功的受保護信號，請再重復測試10次。

⊙ 以上過程應該被觀測和記錄。

3.3 受保護信號模型設置

3.3.1 受保護信號模型

4.2GHz～4.8GHz潛在受保護信號技術參數如表2所示，4.2GHz～4.8GHz潛在受保護信號脈沖體制如圖11所示。

表2 受保護信號技術參數

圖11 4.2GHz～4.8GHz潛在受保護信號脈沖體制

3.3.2 建議受保護信號技術參數

表3 建議受保護信號技術參數

19 4.35 50 220 3 0.17 20 4.45 50 180 3 0.18 21 4.55 60 140 3 0.19 22 4.65 60 100 2 0.2

為了在覆蓋所有模式的情況下，減少重復繁雜的測試過程我們建議的采用的受保護信號如表3所示。

[1] ETSI EN 302 065 “Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Ultra WideBand (UWB) technologies for communication purposes; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive” [S], ETSI, 2008.

[2] FCC part15.519 “Technical requirements for hand held UWB systems”.

[3] ETSI TS 102 754 “Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Technical characteristics of Detect-And-Avoid (DAA) mitigation techniques for SRD equipment using Ultra Wideband (UWB) technology “ [S], ETSI, 2008.

Test Methods of Detect-And-Avoid Mitigation Techniques for Ultra Wideband Equipments

Lin Lei, Fu Jing

(The State Radio_monitoring_center Testing Center,Beijing,100041)

Through tests on the Ultra Wideband equipments and analysis on the Detect-And-Avoid Mitigation Techniques, some test methods of DAA have been designed for its technical start-up and operational stages. They are functional in both DAA effectiveness and the national radio equipment type approval tests, and are also useful in the improvement of the management ability of the UWB equipment. The national radio wave orders, therefore, can be protected from the very beginning.

Detect-And-Avoid Mitigation Techniques; Ultra Wideband Equipments; Regional Models; Test Methods

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.07.005

TN92

A

1672-7274（2015）07-0017-06