工作在2.4GHz 頻段無線電發射設備頻譜共存檢測方法探究

付 靖，溫 豪，李美麗

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

近些年，隨著通信行業的不斷發展，無線通信技術應用到當代社會的各個領域。尤其是通信技術與信息技術相結合后，更是顛覆了各種傳統行業的運行模式。相關行業應用與服務隨著無線通信技術的發展，擺脫了傳統的地域與觀念上的束縛，直接提供給了每一個用戶。伴隨而來的一個現象就是無線通信設備深入大眾，設備數量與日俱增。

但是，無線電設備數量的增長帶來的問題就是無線電頻譜資源的緊張。目前，設備數量最多、應用技術體制最繁雜的頻段應屬2.4GHz 開放頻段，所以頻率擁堵問題在此頻段上顯得尤為突出。歐盟ETSI 也在最新的ETSI 300 328版本的標準中將此頻段干擾避讓的自適應技術提出了明確的要求與測試方法。故鑒于目前我國該頻段使用情況，同樣亟需提出一套完整的標準規定，用以降低該頻段內的頻譜共存問題，提升頻段使用率及服務質量。

1 干擾避讓頻譜共享技術——認知無線電

1.1 認知無線電的定義

認知無線電（CR，Cognitive Radio）是1999年

JosephMitola 在其學術論文中率先提及的概念，后美國聯邦通信委員會（FCC，Federal Communication Commission）對認知無線電做出了如下定義：認知無線電是能夠與所在的通信環境進行交互并根據相關結果調整自身傳輸參數的無線電技術。認知無線電的核心思想是無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用的能力，以達到提高頻譜利用率的目的。

1.2 認知無線電的研究現狀

目前，很多標準組織和研究機構都投入到認知無線電領域相關技術的研究中，啟動了很多有關認知無線電的研究項目。例如：美國加州大學研究組開發的COVUS 系統、德國Karlsruhe 大學的提出的頻譜池系統、美國Georgia 理工學院寬帶和無線網絡實驗室提出的OCRA 項目以及歐盟的E2R 項目等。在相關項目的推動下，認知無線電應用領域取得了進一步的研究成果。

2 頻譜感知及能量檢測法

頻譜感知技術類屬于認知無線電領域，作為最基礎的認知無線電技術，常用的感知技術有周期循環頻譜檢測法、匹配濾波器檢測法以及能量檢測法。鑒于ISM 2.4GHz 頻段被ITU 定義為免授權頻段，故應用在此頻段的設備種類及技術體制多，頻段內頻譜狀態復雜，考慮到匹配濾波器檢測法需要較為嚴格的先驗信息作為判據參數，故不適用于ISM 2.4GHz 頻段進行頻譜感知應用。周期循環頻譜檢測法雖然有著不易受到不確定噪聲影響，有更好的魯棒性的優勢，但該方法計算過程復雜，不能良好處理ISM 2.4GHz 頻段快速復雜通信的問題。信號的能量檢測法是一種比較信號間非相干性的檢測方法，早在1967年，H.Urkowitz 研究了未知確定信號的能量檢測算法。所謂能量檢測法，是指計算信號在特定時間內的能量，與預先設定的門限閾值進行比較，從而作出判斷，并獲得結果的一種頻譜感知測量方法。

3 2.4GHz 頻譜共存（檢測避讓）檢測方案探究

目前，全世界各標準化組織已經紛紛開始著手制定認知無線電的標準，以其推動認知無線電技術的發展和應用。涉及認知無線電標準化的機構主要有美國電氣電子工程師協會（IEEE）、美國聯邦通信委員會（FCC）、國際電信聯盟（ITU）以及歐洲電信標準化協會（ETSI）等。

本文所提出的2.4GHz 頻譜共存（檢測避讓）檢測方法是基于上述國際組織相關標準為基礎，結合目前國內現有的測試手段而得出，具體如下：

對于自適應跳頻設備，按照國際標準要求，通常將被測設備進行分類，目前ETSI 標準主要將被測設備按照其調制技術進行分類，即FHSS 被測設備通常應操作在常規模式下（即正常工作模式）。對于在自適應和非自適應均支持的設備，應在測試之前，驗證該設備是否正工作在自適應模式下。

圖1 驗證設備自適應性的測試環境圖

3.1 采用DAA 或LBT 機制的自適應跳頻設備——自適應測試

通過下述操作步驟驗證基于DAA 機制的跳頻設備的自適應性。首先，測試中被測設備應連接一個輔助通信設備[1）備注1：測試單向設備時不需要與輔助設備建立連接。]）。測試環境連接圖如圖1所示，此時阻塞信號發生器和干擾信號發生器不會產生任何信號。頻譜分析儀用于檢測被測設備在干擾及阻塞信號情況下的傳輸性能。頻譜分析儀按照如下參數設置：

a）RBW：應大于等于信道占用帶寬（用下一個可用的RBW設置上一個信道占用帶寬）；

b）VBW：應大于等于RBW；

c）檢測器模式：RMS；

d）中心頻率：等于待測跳頻頻率；

e）掃寬：0Hz；

f）掃描周期：大于被測設備的信道占用時間。若信道占用時間不連續（基于非LBT 機制的設備），掃描周期應足夠覆蓋信道占用時間延展域；

g）追蹤方式：Clear/Write；

h）觸發方式：Video。

觀測測試狀態的頻譜儀設置完成后，在待測跳頻頻率中心加載一個占空比為100%的干擾信號。該干擾信號應是一個具有平穩功率譜密度的帶寬受限的噪聲信號。加入干擾信號后，頻譜分析儀用以檢測在干擾狀態下，被測設備在待測頻率上的信號傳輸情況。干擾信號發生器應在干擾信號開始時觸發頻譜分析儀進行頻率掃描。在被測設備監測到該信道干擾信號后，理想的測試現象應為被測設備應在相關標準所規定的最大信道空閑時間內停止在待測頻率上發射信號。

對于基于LBT 機制的跳頻設備，除了傳輸短的控制信號外，在干擾信號存在的情況下，應始終不能在該跳頻頻率上傳輸其他信號。

3.2 采用除FHSS 之外其他調制方式的基于非LBT 機制的自適應設備——自適應測試

如下所述的操作步驟用以驗證采用除FHSS 之外其他寬帶調制方式的設備其基于非LBT DAA 機制的自適應性功能。具體測試方法如下。

將被測設備與輔助設備相連接。測試環境按照圖1所示進行搭建。測試開始前，干擾信號發生器并不產生任何信號。為達到良好準確的測試效果，應調整被測設備的接收信號強度（來自輔助設備的有用信號），使其能夠與輔助設備正確建立測試連接。頻譜分析儀用以檢測在干擾信號存在的情況下被測設備的傳輸情況。設置頻譜儀觀測待測頻率信號狀態，具體設置如下：

a）RBW：≥占用頻道帶寬（若頻譜分析儀不支持該設定，可采用最大可用設置）；

b）VBW：3*RBW（若頻譜分析儀不支持該設定，可選用最大可用設置）；

c）檢測器模式：RMS；

d）中心頻率：等于操作信道的中心頻率；

e）掃寬：0Hz；

f）掃描周期：＞被測設備的信道占用時間；

g）追蹤方式：Clear/Write；

h）觸發方式：Video。

同樣，在待測頻率中心加載一個占空比為100%的干擾信號。該干擾信號為一個具有平穩功率譜密度的帶寬受限的噪聲信號。頻譜分析儀用以檢測在存在干擾信號的環境下，被測設備在待測跳頻頻率上的信號傳輸情況。加載干擾信號后開始測量，理想觀測現象應為被測設備應在一個最大信道占用時間內停止發射信號。針對采用除FHSS 之外其他調制方式的基于非LBT 機制的自適應設備，除了傳輸短的控制信號外，在設備監測到干擾信號后，相關設備在工作頻率應在一個沉寂周期內不能有其他任何傳輸。之后，被測設備則可以在單個信道占用周期內進行正常信號傳輸。若干擾信號仍然存在，應執行下一個干擾監測周期及相應的相關避讓動作。該程序將一直重復進行直到干擾信號消失。

3.3 采用除FHSS 之外其他調制方式的基于LBT 的自適應設備——自適應測試

如下操作方法用以驗證采用除FHSS 之外其他寬帶調制設備的基于LBT 的自適應機制（本測試同時適用于基于負載和基于幀的設備）。干擾信號發生器，頻譜分析儀，被測設備及其輔助設備應按圖1所示進行連接，測試開始前，被測設備應與輔助設備進行連接，并整被測設備的接收信號強度，使其能夠與輔助設備建立正確連接。干擾信號發生器并不產生任何信號。頻譜分析儀用以檢測在干擾信號存在的情況下被測設備的傳輸情況。具體設置方式如下：

a）RBW：≥占用頻道帶寬（若頻譜分析儀不支持該設定，可采用最大可用設置）

b）VBW：3*RBW（若頻譜分析儀不支持該設定，可選用最大可用設置）

c）檢測器模式：RMS

d）中心頻率：等于操作信道的中心頻率

e）掃寬：0Hz

f）掃描周期：＞最大信道占用時間

g）追蹤方式：Clear/Write

h）觸發方式：Video

針對于基于負載的設備，在當前被測設備工作信道上加載一個占空比為100%的干擾信號。該干擾信號為一個具有平穩功率譜密度的帶寬受限的噪聲信號，頻譜分析儀用以檢測在存在干擾信號的環境下，被測設備在待測工作頻率上的信號傳輸情況。被測設備在監測到干擾信號后，應在最大信道空閑時間內停止在待測頻率上發射信號。基于非LBT 機制的跳頻系統，其信道占用時間可以是非連續的。除了傳輸短消息控制信號，在干擾信號存在的情況下，應始終不能有其他信號傳輸。

4 結束語

綜上，本文結合目前相關國際組織標準就有關于工作在2.4GHz 頻段無線電設備頻譜共存（自適應功能）的相關檢測方法以及國內現有的測試設備、手段，提出了一套可以指導工程實際操作的簡要的自適應功能驗證測試方法。為未來政策變化的可能性提供了工程執行層面可借鑒的測試方法制定基礎。