GSM頻段主用戶頻譜占用情況的測量和建模研究*

賈媛媛，談振輝，黃 清，周志艷

（北京交通大學寬帶無線移動通信研究所 北京 100044）

GSM頻段主用戶頻譜占用情況的測量和建模研究*

賈媛媛，談振輝，黃 清，周志艷

（北京交通大學寬帶無線移動通信研究所 北京 100044）

為獲得GSM900頻段主用戶頻譜的占用情況，利用頻譜分析儀對北京部分地區850～970 MHz頻段頻譜進行了定點測量。通過MATLAB軟件對測量數據進行分析和建模，得出GSM900頻段主用戶的頻譜占用情況及其到達模型。研究發現，此段頻譜的平均占用度只有2.33%，主用戶到達時間間隔服從負指數分布的修正形式，為認知無線電用戶選擇頻譜提供了參考，并為鏈路級仿真中主用戶占用模式的確立提供了理論支持。

GSM900頻段；主用戶；到達時間；認知無線電；能量檢測

* 國家“863”計劃基金資助項目（No.2009AA011805），中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（No.2011YJS012）

1 引言

認知無線電（cognitive radio，CR）通過機會地利用現有頻譜解決頻譜資源的有限性和利用率低的問題。認知無線電中存在主用戶（授權用戶）和次用戶（非授權用戶）兩類用戶，其中主用戶為擁有某頻段頻譜執照的設備，有優先接入授權頻譜的權利，其通信不應被次用戶打斷或干擾[1]。為避免干擾，次用戶需要對主用戶頻譜資源的使用情況及到達過程進行準確測量和建模。因此，研究主用戶的占用情況對認知無線電有重要意義。

對于廣播電視頻段，頻譜在很長一段時間內處于空閑（OFF）或忙碌（ON）狀態。相反，移動頻段的頻譜使用在時間和空間上顯示出很強的變化性和多樣性[2]。為獲得北京部分地區GSM900頻段的頻譜占用情況，本文利用E7404A頻譜分析儀對北京交通大學所處地區的850～970MHz頻段頻譜進行了測量。通過MATLAB軟件對測量結果進行了統計分析，并對GSM900頻段的主用戶到達過程進行了建模。

2 頻譜測量場景和測量參數設置

認知無線電系統中頻譜感知的作用是盡量快而準確地確定被占用頻段，常用的頻譜感知方法有接收信號的能量檢測、循環平穩信號的頻譜相關檢測、匹配濾波器檢測等[1]。由于能量檢測具有實現簡單、事先無需先驗信息的優點，因此采用能量檢測方法。

本次測量采用靜態定點測量，地點位于北京交通大學思源樓，測量頻段為850～970 MHz，覆蓋了GSM900頻段的上行頻段（890～915 MHz）和下行頻段（935～960 MHz）。連續測量7×24 h，測量時間為2009年8月13日上午10時至8月20日上午10時。

圖1 無線電數據測試系統

測量使用的無線電測量系統框圖如圖1所示。使用ETS-3148對數周期天線接收無線電信號，經由HP公司的E7404A頻譜分析儀進行前端數據采集。頻譜分析儀通過GPIB卡與筆記本電腦相連，GPIB卡稱為通用接口總線，實現數據的高速傳輸，筆記本電腦通過檢測軟件完成測試參數設置和實時數據保存。

天線性能參數見表1[3]。

表1 天線性能參數

頻譜儀的參數設定見表2。

表2 頻譜儀參數設定

3 頻譜占用度分析

通常主用戶使用頻譜的過程交替處于占用和空閑兩種狀態，占用狀態代表主用戶有業務傳輸，空閑狀態代表無業務傳輸。對測量數據設定合理的門限值，功率高于此門限值判為占用狀態，低于此門限值判為空閑狀態。

能量檢測中，判決門限的選取至關重要。ITU建議把門限設為高于環境噪聲10 dBm。由于實際噪聲難于確定，通常在環境噪聲均值之上加5 dBm左右作為判決門限[4]。這種方法主要來自于以往積累的經驗，在噪聲起伏波動不大的情況下有較高的可靠性。統計各頻點在整個測量時段內的平均功率，得到背景噪聲的平均功率值在-90 dBm左右，故取判決門限為-84 dBm。

本課題頻譜測量的所得數據均為以采集時間為文件名的數據文件，文件格式為*.dat。*.dat文件內所保存數據具有特定的數據結構，具體為：首位8個字節為起始頻率，格式為double型；下8個字節為終止頻率，格式為double型；下8個字節為采樣頻點個數，格式為long型；下8個字節為掃描軌跡數，格式為long型；其余依次為各采樣頻點的功率值，格式為double型。分析數據時，首先讀入起始頻率和終止頻率，按照采樣頻點個數處理各采樣頻點的功率值。

根據測量所得數據，從以下3方面進行分析。

（1）頻譜占用度，即被占用的樣本數與總樣本數的比值，統計各頻點在整個測量時間段內的頻譜被占用的概率。

850～970 MHz頻段的頻譜占用度如圖2所示，橫軸代表測量頻段，縱軸代表頻譜占用度。由圖2可以看出，850～880 MHz頻譜占用度較高，部分頻點占用度達到100%；880～935 MHz頻譜占用度較低，在5%以下；935～960 MHz頻譜占用度在60%以上，部分頻段占用度達到100%。經統計平均，整個測量頻段的頻譜占用度只有2.33%。

圖2 850～970 MHz頻譜占用度（門限值：-84 dBm）

（2）24 h內頻譜占用情況，統計被測頻段24 h內不同時間的占用情況。

圖3 850～970 MHz頻段24 h頻譜占用情況

850～970 MHz頻段的24 h頻譜占用情況，橫坐標代表測量頻段，縱坐標代表24 h時間軸。黑點代表占用情況，黑點越密集代表主用戶業務量越多。由圖3中可以看出，GSM900上行頻段890～915 MHz的用戶業務量極少，原因是手機功率較低，在低信噪比情況下，信號淹沒在噪聲之中，致使能量檢測無法正確檢測到主用戶的占用情況。由于數據的失真，§4中只對GSM900頻段的下行數據進行處理。

（3）時間—頻率—均值功率的3D視圖，統計被測頻段24 h內的均值功率。

850～970 MHz頻段頻譜占用情況3D視圖如圖4所示，顯示了測量頻段不同時間的平均功率情況。

圖4 850～970 MHz頻段頻譜占用情況3D視圖

4 數據建模

4.1 建模理論基礎

在實際通信網中，業務的到達服從隨機過程。一個隨機過程既可以用點過程描述，也可以用事件間隔的概率分布描述。采用事件間隔的概率分布進行建模表示更直觀，因此，本文采用后者進行建模。

對于信道i(i=1,2,…，N)把占用狀態的到達時間間隔D建模為一個隨機變量，概率密度函數為。同樣，空閑狀態的到達時間間隔T的概率密度函數為,x>0。以D為例，其概率密度函數可采用標準近似的方法。對任意b>0，有：

利用觀測數據的柱狀圖進行近似，得：

式（2）中#（）代表柱狀圖的高度，等號右邊代表以d為中心的到達時間間隔累計數值除以總數值。

4.2 建模過程和結果

我國陸地蜂窩數字GSM網采用900 MHz和1800 MHz，其中GSM900頻段劃分情況為上行頻段（890～915 MHz）和下行頻段（935～960 MHz），相鄰兩頻點間隔為 200 kHz[5]。由于帶寬內的功率譜最大值取在中心頻率處，故處理數據時以中心頻點的數據為準。絕對頻點號與頻道中心頻率的關系如下式[5]。

考慮到GSM頻段用戶在不同時段業務量的不同，以電信行業優惠時段為參考，定義忙時段為9∶00～22∶00，閑時段為 22∶00～9∶00。根據 ON-OFF模型建立信道狀態，利用§4.1中所述方法對GSM900下行頻段的測量數據分時段進行建模。信道編號為76和77的處理結果如圖5～8所示。

圖5 忙時76 號信道主用戶到達過程擬合結果

圖6 閑時76號信道主用戶到達過程擬合結果

圖7 忙時77號信道主用戶到達過程擬合結果

圖8 閑時77號信道主用戶到達過程擬合結果

圖5中，擬合結果為f(x)=2.399e-0.05149x。圖6中，擬合結果為f(x)=1.172e-0.05499x+0.1392e-0.009362x。圖7中，擬合結果為f(x)=3.591e-0.06394x。圖8中，擬合結果為 f(x)=1.446e-0.06133x+0.1281e-0.008775x。

可以看出，GSM頻段的主用戶到達過程服從指數分布的修正形式。忙時主用戶到達時間間隔較短，可被次用戶利用的頻譜空穴較少；閑時主用戶到達時間間隔較長，可被次用戶利用的頻譜空穴較多。

5 結束語

本文利用頻譜分析儀對850～970 MHz頻段的主用戶頻譜占用情況進行了測量。從測量結果看，此頻段的頻譜平均占用概率只有2.33%，總體占用度較低，次用戶間歇性接入機會較多，為今后開展認知無線電業務留有很大的開發空間。同時對GSM網的主用戶到達過程建模進行了探索式研究，發現GSM頻段的主用戶到達時間間隔服從負指數分布的修正形式，為認知無線電鏈路級仿真中主用戶占用模型的設計提供了參考。

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 對數周期天線3148使用手冊

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

5 韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網絡優化(第二版).北京：機械工業出版社，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）

賈媛媛，北京交通大學碩士研究生，主要研究方向為認知無線電中的主用戶信道占用情況和信道選擇；黃清，博士，副教授，主要研究方向為認知無線電、無線資源管理等，主持和參與過多項國家級通信項目的研究，在各級刊物上發表論文十余篇；談振輝，教授，北京交通大學博士生導師，主要研究方向為無線通信；周志艷，北京交通大學碩士研究生，主要研究方向為認知無線電的頻譜測量與信道占用模型研究。