频谱利用

频谱利用（通用4篇）

频谱利用 篇1

0 引言

无线电频谱资源是重要的战略资源。由于历史原因, 我国频谱资源管理倾向于利用行政手段。随着我国经济改革的深入, 无线电行业的快速发展, 无线电频率是一种资源的观念逐渐被大众认识。旧有管理方式与现实中频谱利用效率不均衡, 业务分布不合理等情况的矛盾越来越突出, 已经严重影响相关行业发展[1]。

世界各国都面临着频谱资源紧缺, 部分频段利用率低的问题。美国欧洲等早在70年代就开始研究频谱资源的市场化理论和方法, 现在已经形成了一套高效的市场机制。罗纳德•科斯 (Ronald Coase) 在1959年提出必须将无线电频谱视作另一种生产要素, 并且它的价值必须在自由市场上予以确定[2]。英国在2006年对无线电频谱对国家GDP的直接经济贡献进行了测算, 认为无线电频谱帮助英国的GDP每年增长1.1%, 2006年无线电行业对国家GDP净贡献370亿英镑左右, 占英国全国GDP的3%[3]。自2000年至今, FCC先后主持完成大约8次频谱拍卖, 频谱资源使用权逐步从广播电视公司转移到移动业务用户。其中规模最大的2008年组织的拍卖, 共发放了1090个执照, 获得195.9亿美元的收入。通过补偿产业转移, 用价格手段调控产业分布, 美国通过频谱资源市场化实现了频谱资源的优化配置。经济学理论和实践都证明市场手段可以提高频谱利用效率。

市场形成的核心是价格的认定。基于双方都认可的价格是交易形成的前提条件。资源属性, 现状, 未来的发展趋势都反映在价格的变动上。而价格是价值的外在表现。因此资源的价值评估成为市场双方的平衡点。在市场化体系下, 频谱资源的价值评估涉及频段本身的物理特性, 技术上的利用情况, 未来发展预期以及宏观经济影响等[4]。

相对于其他自然资源可以直接利用, 频谱资源主要通过传递信息间接产生价值, 因此具有一定的特殊性。其用途多种多样, 用于国防安全以及公共服务等业务的频谱资源并不适合市场化。对这部分资源, 可以从技术和可持续性角度评价其使用状况。

建立一个能够量化评价市场化和非市场化用途频谱资源利用的指标体系, 可以为频谱资源的管理者, 使用者提供客观的依据, 指导频谱的市场化和实际使用, 促进频谱科学分配, 提高频谱使用效率。本研究对国内外频谱资源的市场化进行广泛研究, 提出技术、经济、可持续性和宏观经济影响指标, 以分析特定频谱的使用情况。

1 频谱资源利用的评价指标体系设计

频谱资源具有有限性、非消耗性、无边界性和易污染性, 是一种不具备有形实体的资源。频谱资源的用途多样, 涉及国防, 公共服务等领域, 这些特点使得对频谱资源的利用评价不同于土地和水资源等有形资源, 不仅要考虑资源本身特点, 同时必须结合技术与经济, 现实与发展, 从多个角度客观, 可量化的评价频谱资源的利用情况。

参考国内外研究, 总结建立频谱资源利用指标体系的原则有四:覆盖性, 特征性, 可比性, 导向性[5]。指标体系设立应在内容上覆盖各个方面, 包括技术指标, 价值指标, 管理指标等[6]。由于无线频谱资源具有自身的特点, 具体到地点、时间等细节会体现出不同的特性。所以要求体系必须能够体现频谱资源的特点。指标应具有可比性, 数据可以获得并且进行对比分析。指标体系应具有导向性, 指导资源利用健康发展。根据指标体系建立原则, 指标模型融合价值和技术两个维度指标, 同时结合现代市场特点, 考虑资源的可持续发展和对宏观经济的影响建立。

综上所述, 指标体系分为四部分:技术指标, 经济指标, 可持续性指标和宏观经济指标。根据频谱用途, 将其分为市场化部分和非市场化部分, 划分依据是是否产生可直接量化的经济价值。市场化部分四个方面指标都要衡量, 但是某些指标计算方式不同。非市场部分只考虑技术, 部分可持续指标, 经济部分和宏观经济影响指标无法量化。

i.市场化部分:

划分标准:频谱为该行业带来直接经济效益, 主要产品或服务以无线电为载体

用途:公共移动通信, 卫星通信, 无线电广播行业。

划分标准:频谱为该行业带来间接经济效益, 可以提高生产率或者避免损失

用途:海洋渔业, 安全生产, 港口, 铁路, 水利监测等。

ii.非市场化部分:

划分标准:频谱使用的经济价值无法直接量化

用途:气象监测, 民用航空, 国防, 社会活动, 战备灾备, 科研, 业余爱好者

技术指标

以往的频谱资源利用评价的技术指标从频域、时域、空域、码域四个角度评价频谱的使用情况。码域评价实质上是在同等利用条件下, 评价不同调制技术 (模拟、数字) 对频谱的利用效率。此外, 在实际的频谱管理中还需要考虑空中秩序问题。结合传统技术指标和秩序因素, 模型的技术指标从空域、频域、时域、秩序、技术 (码域) 五个角度设计, 意在从技术角度评价频谱的利用。技术指标是指标体系中最基本的指标。

经济指标

单纯的技术指标对频谱利用情况的反映过于片面, 在频谱资源经济价值和稀缺性越来越凸显的形势下, 需要将频谱的经济价值纳入考虑范围。采用现代市场体系框架, 引入经济学理论, 把频谱资源作为现代市场中的一个要素进行评价。按照供求关系设计评价频谱资源价值指标。

可持续指标

和其他自然资源一样, 频谱资源也有可持续发展的问题。由于通信技术发展十分迅速, 频谱用途增加, 分配的不合理等原因, 目前全世界都面临着频谱资源紧张的问题。很多国家不得不收回一些频谱重新进行分配, 过程中产生一系列纠纷, 并且导致时间、效率的浪费。借鉴美国频率储备的思想以及土地市场化过程中土地储备, 保护耕地林地的可持续发展理念[4], 加入可持续性发展指标, 意在从资源本身说明总量, 存量, 利用难度和利用价值的高低, 包括产业转移的时间成本, 充分考虑技术和经济发展的因素, 给未来频段业务的部署以及市场化和非市场化频谱的划分提供参考依据, 这样可以一定程度上避免今天频谱分配面临的种种困境。

宏观经济指标

在信息时代, 无线电行业对国民经济的影响越来越大。模型加入宏观经济指标, 从宏观经济角度说明电信行业之间, 电信行业和其他行业的相互影响。通过宏观经济指标, 可以把握频谱资源对国民经济的影响。

以上是从技术, 经济, 可持续性和宏观经济影响角度评价频谱资源利用情况。其中涉及技术、管理、经济等多个维度。频谱的利用情况要依靠这些多维度参数才能完整的体现。根据频谱的不同用途, 频谱分为市场化部分和非市场化部分, 市场化部分频谱分为直接产生经济价值和不直接产生经济价值两部分, 对以上频谱设计不同的公式来计算其中成本和收入指标。

市场化频谱的经济和可持续性指标中的收入和成本, 根据直接或者间接产生经济价值, 计算方法不同。

对于频谱使用带来直接经济价值行业:运用成本收益法计算频谱价值, 思路是频谱的价值是收入减成本[7]。

其中收入和成本分别对应企业财报“收益表”或者“损益表”中的收入支出项。

对于频谱使用带来间接经济价值行业:此类行业一般频谱用来提高生产效率, 或者预防安全事故。

f (X, i) =效率提升价值+避免安全事故损失价值 (2)

其中, f (X, i) 代表频段的经济价值;X表示影响频谱价值的各个变量;i表示第i年;r表示贴现率, 固定值;n表示牌照使用年限, 固定值;S表示staff, 人员费用;D表示device, 设备费用;L表示left, 残值;Y表示规定使用年限, 固定值;F表示fee, 频率占用费;N表示效率提升后新的每年产量;OLD表示旧的每年产量;表示单件产品平均单价;O表示operate, 运营费用;F表示fee, 频率占用费;Pn表示每一年事故发生n次的概率;表示平均单次事故损失。

对于非市场化的频段:无法量化其收入。成本用公式 (3) 确定:

其中, f (X, i) 表示频段成本, X表示影响频谱价值的各个变量;i表示第i年;r表示贴现率, 固定值;n表示牌照使用年限, 固定值;S表示staff, 人员费用;D表示device, 设备费用;L表示left, 残值;Y表示规定使用年限, 固定值;F表示fee, 频率占用费。以上项目在账目中有对应科目。

2 宁波地区特定频段利用评估

数据来自宁波市无线电管理局, 宁波统计局等。

分析以上两个技术指标表可以发现, 宁波地区台站增长率15%与宁波国民生产总值16%基本一致。台站分布和地区经济发展相关性高。不同频段在不同时间内的占用率差别很大。采用不同的技术利用同一段频谱, 效率相差极大。说明宁波地区频谱存在利用率不均衡情况。

对比经济指标, 用于广播电视的频谱单位平均收入和投入产出比低于用于公共移动通信频谱。结合技术指标对比, 说明广播电视频段利用率和经济价值都低于公共移动通信频段, 需要采取措施促进该频段充分利用。

可持续性指标因为涉及新技术的开发, 产业规划和转移等不确定因素很多, 暂时无法进行量化分析。

通过对比指标A, 发现中国移动收入增长率低于行业平均水平。连续三年电信业收入占全国GDP约2.1%, 频谱在通信和广播行业中的贡献值增加1%, 该年GDP会增加0.99, 具有显著的连带效应。

3 结论

通过设计多维度, 可量化的频谱资源利用评价指标体系, 从技术, 微观经济, 可持续性和宏观经济影响角度评价频谱资源利用情况。所有输入数据可以通过无线电监测, 地理信息监测以及企业经营财报得出, 确保数据的可获得和可比较。最后采用宁波地区数据对模型验证, 说明评价指标体系可以说明频谱利用的程度和问题。

这一评价指标体系的优点首先在于评价内容全面。突破传统的单纯技术指标局限性, 首次引入经济和发展评价维度, 符合我国资源市场化的经济改革趋势和现阶段发展不平衡的实际;其次是计算成本低, 所有指标都可以通过公开数据计算获得;再次是打破频谱应用主体限制, 可以对不同用途, 行业, 地区和时间的频谱资源进行比较。

实际应用时, 评价指标体系可作为市场化频谱资源定价, 或非市场化频谱资源利用效率提高提供有效工具。譬如在将特定频谱资源推向市场前, 可以通过本评价指标体系对其应用现状和发展潜力进行评估, 为定价提供基础参考;或者在现行行政审批模式下, 对将指配频谱资源提出利用阈值, 要求用户使用需符合利用阈值标准, 然后定期跟踪资源利用指标, 实现已指配频谱资源利用效率的动态管理。

参考文献

[1]XIE Sheng, Chen Hang, Yu Ping, et al.High-Accuracy Frequency Estimator Based On Average Amplitude Spectrum[J].The Journal of New Industrialization, 2011, 1 (3) :31-36.

[2]杨克俊, 无线电频谱经济价值研究的进展[J].中国无线电, 2005 (8) :11-14.

[3]UK Radio Communications Agency Economic.Impact of the radio spectrum in the UK[J].

[4]崔铭元, 杨成, 温尚敏.基于灰色神经网络的宏观经济因素修正股指预测模型[J].软件, 2012, 33 (9) :85-87.

[5]李永寿, 沈建峰.建立无线电管理能力综合评价指标体系的初步设想[J].中国无线电1 (2006) :23-28.

[6]宋松柏, 蔡焕杰.区域水资源可持续利用的综合评价方法[J].水科学进展, 2005, (2) .

[7]HU Xuelong.Economic design of control chart considering labour resource deployment[J].The Journal of New Industrialization, 2014, 4 (10) :19-26.

[8]闫晶晶, 吕廷杰.无线电频谱经济价值评估体系研究[J].北京邮电大学学报 (社会科学版) , 2011, (4) .

[9]中国移动2013年财报[R].

频谱利用 篇2

人类正经历着有史以来最为迅速的以信息和通信技术 (ICT) 为代表的科技革命。近十几年来, 无线电正处于令人眩目的大变革时代, 无线电业务应用越来越广泛, 新技术、新制式曾出不穷, 无线设备制造向智能化、移动化、宽带化、功能服务多样化发展演进, 无线电在“物联网”、“泛在网络社会” (UNS) 中扮演着重要角色。与此同时, 无线电频谱这种宝贵且有限的自然资源异常拥挤。连过去不怎么受“待见”的工科医 (ISM) 频段 (如2.4GHz) , 由于不收频占费、免发执照都成了“宝贝”频段在争相使用。

城市轨道交通是引领中国走新型城市化道路满足城镇发展需求的重要交通工具, 近些年来中国各地正在大规模规划建设地铁、轻轨等基础设施, 预计2020年前我国城轨交通新增营业里程将达到6560公里, 将投入3万多亿元。与城市轨道交通配套的基于通信的列车控制系统CBTC (Com mu nication Based Train Cont rol System) 也选用了与ISM“共用”的不受无线电管理“干扰保护”的2.4GHz频段, 最近就多次发生无线电“干扰”甚至“逼停”地铁运营的事件。本文将就2.4GHz频段的频谱利用、管理及“逼停”地铁事件作为案例进行干扰分析, 供研究参考。

二、国际国内2.4GHz频段的频率划分规定

1. 电磁频谱是宝贵的自然资源

(1) 无线电磁频谱的定义。

电磁频谱是指按照电磁波频率或者波长排列起来所形成的谱系。实际上“频谱” (Spectrum) 的物理概念最初只限于从红色到紫色各种不同颜色的光组成的可见光, 在空中以每秒钟30万公里的速度传播。电磁频谱可以从可见光向两个方向扩展, 更高频率的“光”包括紫外线、X射线以及宇宙射线, 较低频率的“光”就是红外光, 而3000GHz以下称为无线电 (radio) 频谱, 但3000GHz以上频率的“无线” (Wireless) 通信包括红外线 (波长0.7mm~1mm) 、自由空间光无线通信等现也已用于从电信链路到卫星遥感等多种业务, 国际电联I T U已将30 0 0 GH z以上频段及此频段上的固定业务应用纳入国际《无线电规则》及相关建议。

(2) 无线电磁频谱是有限的、宝贵的自然资源。

21世纪将是信息社会时代, 谁掌握了信息谁就有了竞争的优势。信息时代正在改变着人们的工作方式和生活方式, 而且将彻底改变世界利益的格局和竞争的态势。无线电通信是传递信息的重要手段, 为全社会提供着各类信息传递服务, 在社会经济发展、国防建设和人民生活中发挥着重要的作用。电磁频谱虽然很宽, 但由于受到无线电波的固有传播特性和现有技术发展等因素所限, 尽管采用时域、频域、空域、正交等多种技术, 可用的无线电频谱资源仍然是有限的、宝贵的, 必须充分有效地予以利用、保护和科学管理。

2. 频率规划与划分、分配、指配

(1) 无线电业务。

根据ITU《无线电规则》和《中华人民共和国无线电频率划分规定》, 使用无线电频率的无线电业务基本上分为两大类, 即无线电通信业务和射电天文业务。无线电通信业务又可分为地面业务及空间业务, 其中包括固定业务、移动业务、广播业务、业余业务、安全业务等总共定义了43种业务。近些年来, 不管是空间业务还是地面业务都取得了迅速发展, 应用非常广泛。

(2) 无线电频率划分。

无线电频率划分即为规定某一无线电频段供一种或多种地面或空间无线电通信业务, 或射电天文业务在规定的条件下使用, 是无线电频率操作、使用、管理的基础和依据, 不能违反。

国际频率划分表将全球分为三个区域, 第一区包括欧洲、非洲和部分亚洲国家;第二区包括南、北美洲;第三区包括大部分亚洲国家和大洋洲, 我国属于第三区。国际和国内的频率划分通常在一段时间内相对稳定不变, 通常根据无线电技术和无线电业务发展的需要, 集中进行调整和修订。我国最新修订的《中华人民共和国无线电频率划分规定》于2010年12月1日起公布实施。ITU关于2.4~2.5GHz频段三个无线电区的频率划分规定 (见表1) , 中国关于2.4~2.5GHz频段的频率划分规定 (见表2) 。

(3) 无线电频率分配。

频率分配是指批准频率 (或频道) 给某一个或多个国家、地区、部门在规定的条件下使用。我国主要通过下达频率分配文件的形式, 为频率需求部门分配专用频率。根据我国无线电管理条例的规定, 频率分配由国家无线电管理机构统一进行。

(4) 无线电频率指配。

无线电频率指配是国家或地方无线电管理机构根据设台 (站) 审批权限, 批准某单位或个人的某一无线电台 (站) 在规定的条件下使用某一无线电频率。通信范围或服务区域涉及两个以上的省或涉及境外的无线电台 (站) , 由国家无线电管理机构指配频率。在省、自治区、直辖市范围内通信或服务的无线电台 (站) , 由省、自治区、直辖市无线电管理机构指配频率。

3. 使用2.4GHz频段的相关规定

(1) 频率划分规定

由以上两表的无线电频率业务划分可知, 该频段内有多种无线电业务与工科医设备共用, 并用脚注方式做了规定:

表1中的脚注5.150注明:下列频带:2400~2500MHz (中心频率为2450M H z) 也指定给工业、科学和医疗 (ISM) 使用。在这些频带内工作的无线电通信业务必须承受由于这些应用可能产生的有害干扰。在这些频带内操作的ISM设备应遵守15.13款的规定 (详见国家无线电规则) 。

表2中的中国划分表中的脚注CHN28注明:该频段引入的有关IMT应用的国际注脚, 不改变移动业务在划分表中现有业务主次地位。同时, 应尽快研究该频段已划分业务的应用模式、频率使用规划、业务间的兼容共存条件及协调程序。在此之前, IMT应用不投入实际部署使用, 但在2300~2400MHz频段, IMT可在室内使用 (2010年) 。

(2) 对该频段的无线电设备管理 (型号认证) 规定

根据《中华人民共和国无线电管理条例》规定, 无线电管理机构对无线电设

备的研制、进口、生产和销售的管理是其主要职责之一。无线电管理机构对无线电设备管理主要包括无线电发射“设备型号核准”和设备检测等, 目的是从源头上减少和消除干扰源, 重点审核无线电发射设备的发射技术参数。不符合无线电管理规定或相关技术标准, 是扰乱无线电波秩序的主要原因之一。

用户购置设备须知:

⊙设置使用的这类SRD无线电设备, 应当是通过设备检测经国家认可的“型号核准”的设备, 用户采购设备时应确认销售单位是否持有无线电管理机构核发的《无线电发射设备型号核准证》。

⊙购置设备的型号、性能、制式、组网形式等是否符合组网的要求。

⊙应考察设备的真伪、供货期限、设备来源渠道、设备质量、价格以及设备的技术参数等。

⊙考察销售单位的实力信誉、技术力量、维修能力及售后服务等情况, 销售单位应为用户提供可靠的质量保证和售后服务。

(3) 对2.4GHz频段的操作使用等相关规定

为规范微功率、短距离设备 (SRD) 包括2.4GHz频段的无线电设备和业务管理, 国家于1998年、2001年、2002年多次发布相关管理规定, 2.4GHz频段作为无线局域网、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信系统等各类无线电台站的共用频段, 符合技术要求的各类无线电通信设备在2.4~2.4835GHz频段内与无线电定位业务及工业、科学和医疗等非无线通信设备共用频率, 均为主要业务。

2002年 (信部无[2002]353号) 文《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》对2.4~2.4835GHz频段无线电发射设备的主要技术指标如等效全向辐射功率 (EIRP) 、天线增益、最大功率谱密度做了明确规定。

2005年 (信部无[2005]423号) 文发布的“微功率 (短距离) 无线电设备的技术要求”中又专门把2.4GHz数字无绳电话调整作为该频段业务, 平均等效全向发射功率限值为25m W, 必须采用跳频工作方式, 且跳频信道至少为75个。另外对其他短距离无线电设备的发射功率限值为10m W (e.i.r.p) 。

同时要求该频段内的无线电发射设备的射频部分与其天线必须按照一体化设计和生产;在该频段内的无线电台站之间产生干扰, 原则上不受保护。另外还规定在大中城市城近郊区等人口密集地区, 不得设置使用点对点扩频通信台站。

三、关于2.4GHz频段的无线电业务及频率使用现状

1. 在2.4~2.4835GHz频段操作使用的无线电业务和设备

⊙多种ISM设备 (微波炉等大量操作使用, 中心频率为2.45GHz) 。

⊙医用微波治疗仪 (一定规模) 。

⊙WLAN (大量操作使用) 。

⊙扩频通信系统 (短距离点对点和点对多点10~20k m) (发执照限制使用) 。

⊙2.4GHz数字无绳电话 (一定规模) 。

⊙蓝牙、RFID等微功率设备 (大量使用) 。

⊙其他微功率设备等。

上述设备制式一般发射功率 (ISM设备除外) 均符合国家规定, 天线的制式、结构及增益指标差异很大, 频率配置、调制方式、信道间隔、保护带不统一。

2. 关于2.4GHz频段的无线电干扰状况

由于该频段属工科医设备与无线电业务共用频段, 无需交频占费的免发电台执照的频段, 设备的品种繁多, 电磁环境异常复杂。在2.4GHz频段内经常有发生干扰的申诉。尽管有法制、有处罚, 但仍存在有同频段电台超标或非法操作等问题。

四、关于2.4GHz频段无线电干扰及典型干扰案例分析

1. 无线电干扰

无线电通信的最大优点是设备操作使用灵活、方便, 而其最大的缺点就是容易受到干扰, 直接影响通信信号质量甚至会造成更为严重的后果, 更可能给人民生命财产安全带来威胁或损失。如我国曾发生多次民航机场的通信导航系统受到干扰的投诉, 迫使有的飞机导航受干扰只能飞到其他机场降落, 有的机场不得不暂时关闭几个小时经过紧急处理干扰之后才使飞机正常起落, 直接造成经济损失并影响到人们的正常生活和工作。结果发现其中有不少干扰是来自一些电台选址不当、发射频率或设备不符合国家标准、发射功率过大以及天线之间距离过近形成互调干扰等多种原因所造成的。

(1) 无线电干扰。

是指发生在无线电频谱内的干扰。当接收机收到无用信号时会导致有用信号的接收质量下降, 出现信息差错或丢失, 甚至会阻断通信, 这就是通常所说的无线电干扰。无线电干扰通常有同信道干扰、邻道干扰、带外干扰、互调干扰、阻塞干扰等。

(2) 来自工、科、医等非无线电设备的干扰。

一些非无线电设备 (如微波炉、热合机、医用微波治疗仪等) 在运行时产生的无线电波辐射, 对无线电台 (站) 会产生有害干扰, 称为非无线电设备辐射干扰。

另外, 从无线电管理和频率指配协调的目的出发, 根据干扰的程度, 一般把无线电干扰分为如下几级:

⊙允许干扰。在给定条件下, 产生的干扰使接受质量下降, 但不明显, 在国际、国内相关规定的范围之内的干扰, 称为允许的干扰。

⊙可接受干扰。在给定的条件下, 产生的干扰使接收质量有中等程度的降低, 由主管部门认定是可以接受的干扰, 称为可接受干扰。

⊙有害干扰。危及无线电导航或其他安全业务的运行, 或严重损害、阻碍或反复阻断正在正常运行的无线电业务的干扰, 称为有害干扰。

(3) 无线电干扰查处的原则。

遇到干扰时, 主要是根据《中华人民共和国无线电管理条例》和ITU (国际电联) 的《无线电规则》相关规定, 当处理无线电干扰时应遵循带外让带内、次要无线电业务让主要无线电业务、后建电台让先建电台和无规划让有规划的原则。但工作在ISM的2.4 GH z频段内的系统之间、无线电台站之间产生干扰, 原则上不受保护。

2. 使用2.4GHz频段的地铁干扰案例分析

(1) 地铁通信和信号系统受干扰“逼停”地铁运营

2 012年11月初短短一个星期内, 深圳地铁2号线、5号线多趟列车多次发生故障, 紧急停运。据了解以前也发生过类似事件, 只是11月故障过于频繁, 引起了人们极大关注。后经现场验证表明, 当列车上带Wi-Fi无线路由器3G手机、便携机等使用达到一定数量时, 就会对使用2.4 GH z共用频段的C BTC地铁信号系统造成干扰。另据称采用CBTC系统的南京地铁2号线也多次因信号干扰造成列车晚点;广州地铁3号和4号线采用的CBTC信号系统也常发生一些不明原因的紧急停车。看来只要是基于2.4GH z频段的CBTC系统, 都回避不了信号干扰问题。我国各地2010年后新建的40多个地铁项目大都采用CBTC系统, 一旦无线信号受到干扰, 都可能会造成地铁晚点或紧急制动。

(2) 地铁通信和信号系统

为保证现代化大客运量城市轨道交通系统列车运行的安全、可靠、准点、高密度和高效率, 实现运输的集中统一指挥, 行车调度自动化和列车运行自动化, 城市轨道交通系统必须配备专用的、完整的和独立的通信系统, 以保证轨道交通系统的正常运行。

包括地铁、轻轨在内的轨道交通通信系统是指挥列车运行, 组织运输, 提高效率, 保证安全, 传输各种信息及公务联络的重要设施。轨道交通的信号系统设施主要用于指挥和控制列车的运行, 尽管其投资在整个地铁工程中所占的比例不大 (通常在3%以下) , 但它对提高列车通过能力、提高运能、保证行车安全有着至关重要的作用。轨道交通信号系统的发展趋势是通信技术与信号系统相结合, 通信信号一体化。基于通信的列车控制系统CBTC就是我国最近几年的城市轨道交通信号系统的主流制式, C BT C系统采用独立于轨道的车-地双向通信设备, 与列车的精确定位技术相结合, 实现移动闭塞的功能。稳定、可靠的车-地双向通信是CBTC信号系统的关键技术, 它有感应环线、无线Wi-Fi、裂缝波导管等多种传输方式, 其中, 无线方式从通信功能、造价和操作维护等方面均具有突出优势, 但易受干扰, 深圳等城市地铁采用的就是具有Wi-Fi通信方式的CBTC系统。

(3) 地铁干扰分析

工作在2.4GHz频段的Wi-Fi设备电磁环境测试实验结果

Wi-Fi是I EEE (美国电气与电子工程师协会) 定义的一个无线网络通信的工业标准 (IEEE802.11) 系列, 是无线局域网的别称。随着技术的发展, 以及IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n等标准的出现, 现在IEEE 802.11标准已被通称作Wi-Fi。

2.4 GHz频段的短距离无线技术W i-Fi的传输速率可达到11Mb/s, 22Mb/s, 54Mb/s或更高。只要在机场、车站、咖啡店、图书馆以及家庭、办公室等人员较密集的地方设置Wi-Fi网络并接入互联网, 用户即可使用支持Wi-Fi的笔记本电脑、手机或PDA设备高速接入互联网。Wi-Fi采用了系列协议 (见表3) , 其中, IEEE 802.11b/a是20世纪发布的, I EEE 802.11a使用的是5GH z频段, 目前大量使用的是IEEE 802.11g, IEEE 802.11n是近两年刚发布的数据速率更高的新标准。

由于2.4GHz频段是多种无线电业务与ISM设备共用的频段, 电磁环境异常复杂, 因此各国对该频段的电磁兼容性研究非常重视, 国际电联、欧盟和IEEE等国际组织还专门为此组织研究并制定了相关建议。例如, 在IT U-T K.79建议中描述了工作在2.4GH z频段设备的电磁兼容测试结果。

在某机场候机楼20×30米大厅, 布置3台笔记本机, 2个带Wi-Fi功能的手机, 一台AP接入点, 测量结果见图1所示 (详见ITU-T K.79建议) 。类似情况, 在6×10米典型咖啡厅的测试结果是:辐射功率达-27.04d Bm。

工作在2.4GHz频段的微波炉电磁环境测试实验结果

图2为5个W i-F i设备工作在信道6, 微波炉中心频率工作在2 459M H z时的测量结果, 辐射电平最高达-25.96d Bm。

图3为5个W i-Fi设备工作在信道10, 微波炉中心频率工作在2 459MHz时的测量结果, 辐射电平最高达-25.96d Bm。

发生干扰原因

有上述实验测量结果可知, 采用Wi-Fi技术多个设备同时工作在同一地域空间会受到干扰, 随着用户数增加会降低灵敏度、降低数据速率;遇到有微波炉、微波治疗仪等ISM设备会受到干扰甚至不能正常工作。

地铁信号系统主要受来自工作在2.4GHz同频段、同制式的Wi-Fi系统的 (相互) 干扰。当地中国电信、中国联通两大运营商的带Wi-Fi功能的3G目前正在大规模建网运营, 该制式可提供的信道资源最多为3个, 通常建设一个AP点同时能承载二三十个用户。由于几大运营商加上地铁系统在同一个地域空间 (如地铁站大厅) 、同时共同“抢用”这3个信道, 极易发生“同信道干扰”或“邻信道干扰”, 用户达到一定数量后很难做到不互相“干扰”, 轻者造成误码率增大、数据包延迟、数据速率大大降低及通信性能变差, 重者造成信道“阻塞”, 会直接导致地铁信号系统“误动作”致使机车紧急制动。

根据Wi-Fi的标准, 在2.4~2.4835GHz频段内共配置了14个信道 (后两个信道在中国不能用) , 采用直序扩频技术DSSS, 由表1可见, 每个信道带宽为20MHz, 实际发射的“必要带宽”为22MHz。说明这些信道是互相重叠的, 在同一个地理空间最多只能使用三个信道如第1, 6, 11, 若选用其他编号的信道, 最多只能有2个互不干扰的信道。因此, 信道资源不足是地铁通信与信号系统的直接原因;另外, 2.4GHz频段是ISM和多种无线电业务“共用”频段, 电磁环境复杂难管控, 作为“安全度”要求很高的“地铁信号系统”把这段“免费”的无线电频率资源用于地铁信号的数据传输不是好的选择。因为除了来自大量使用的带Wi-Fi的3G手机、笔记本机、无线城市的Wi-Fi等系统干扰外, 城市轨道交通包括地铁和城郊轻轨在内还可能会受到“医用微波治疗仪”、“微波炉”、“2.4G无绳电话”、“塑料热合机”等其他系统和设备的干扰, 通信很不安全。

五、几点建议

(1) 地铁部门应该尽快研究提出《地铁通信与信号系统使用频率需求规划》并申请“地铁专用频率”。

对这种直接涉及“人身安全”的地铁信号系统应该申请分配“专用频点”。但据了解目前即缺乏一套较完整的地铁系统的行业规范、标准, 又缺少一个全国性的“权威”性行业主管部门。全国各地大中城市的地铁基建和投资规模如此之大, 对无线通信频率资源需求如此迫切, 实际上只要行业提出需求, 尽管频率资源紧张, 国家都会尽量想办法予以保障。如近几年审批的交通部的5.8G专用系统, 铁道部的800M数字集群系统和900M的GSM-R专用系统, 以及最近两年北京、天津等地试用的1.4GHz宽带政务专用系统等, 目前都运行良好。

(2) 应鼓励地铁通信和信号系统科技创新。

国外近些年地铁建设很少, 可借鉴的新技术和成熟经验不多, 我国也是随着城市轨道交通大发展于近两三年才开始采用CBTC技术, 应尽快地完善地铁建设与维护的相应标准。必须采取措施进一步提高地铁系统的稳定性、可靠性和智能化程度, 确保快速、准确和人身设备安全。

(3) 地铁系统的信息化建设应纳入各地“智慧城市”、“平安城市”的统一规划。

频谱利用 篇3

蜂窝错频组网存缺陷

根据Gartner的观点,Wi-Fi的发展主要经历了三代:第一代是在802.11正式成为Wi-Fi标准之前,那时没有统一的Wi-Fi标准,各个厂商根据自己的私有协议做胖AP;随着1999年802.11成为Wi-Fi标准,Wi-Fi进入了第二代,各厂商在802.11标准下做胖AP,但是不同的AP在同一个频段工作,集中管理不方便,同频干扰严重;为了解决同频干扰的问题,人们想出了错频组网的方法,采用微蜂窝架构组网,从而将Wi-Fi带入了第三代。错频组网的主要原理是2.4GHz频带可以划分出三个相互独立的信道(即信道1、信道6和信道11),让相邻的AP工作在不同的信道上,这样就可以解决干扰问题。

在Meru Networks大中华区总经理司马聪看来,第三代微蜂窝组网也存在缺陷。由于只有3个完全独立的信道,因此要使相邻的信道错频,AP的设计就要花费一番功夫,设计施工难度较大,而且在组网方案设计好之后,一旦要改动某个AP,相邻的AP就需要变动,可谓是“牵一发而动全身”。此外,由于只有三个独立信道,因此很可能某两个相同信道的AP之间只有一个不同信道的AP来进行分隔,而信号是逐渐衰减的,所以同频干扰问题依然存在。也有一些厂商通过降低功率的方法来减少干扰,不过它的负作用也显而易见:每个AP覆盖的终端数量降低,满带宽覆盖面积缩小,需要增加更多的AP才能保证信号质量,这无疑增加了网络覆盖成本。另一个影响是,增加更多的AP,再加上很多运营商、企业都在部署Wi-Fi网络,往往使得人们在任何一个地方都有多个AP可以选择,接入哪个AP成为一个费时的选择。

此外,802.11在设计之初没有考虑数据的连续传输,允许终端在不同的AP之间切换时会有3毫秒到3秒的中断,不能满足高端应用的需求。

虚拟化技术实现同频无干扰

为解决微蜂窝组网的缺陷问题,Meru Networks推出了虚拟化同频组网的技术。其核心原理是,采用同频组网的方式,在后台控制器上增加一个算法,保证同一时间没有一个以上的装置同时说话。“尽管同频有干扰,但是干扰是可以防止的,通过虚拟化的方式,实现了同频无干扰。”司马聪表示。

采用同频组网方式后,在设计施工时不用考虑不同信道错频,设计难度得以降低,每个AP的功率也不用降低,从而可以确保服务质量,降低网络部署成本。采用虚拟化技术,所有的AP组成了一个虚拟化的大AP,这样就降低了设备接入AP的难度,减少了在不同AP之间切换的时间,从而大大提升了网络服务效率。

频谱利用 篇4

近年来, 伴随着无线技术的快速发展, 智能手机、平板电脑等设备使得移动信息接入逐步成为我们生活的中心。未来, 无线频谱接入将成为全球经济增长和技术引领的重中之重。从2008年到2011年, 全球移动数据连续四年实现翻倍增长。到2020年, 全世界连接到移动网络的设备数量预计增长到500亿。届时, 无线技术将扩大和催生更多的无线业务, 在全球将产生约4.5万亿美元的经济收益, 从而使得无线频谱的商业接入产生空前的需求。频谱的短缺会影响美国工业在世界范围内的竞争力。

为了提升美国经济竞争力, 创造就业机会, 激发创新, 加强国防, 总统奥巴马于2010年发布了“释放无线宽带革命”计划。该计划要在10年内将腾出500MHz频谱, 用于商业的移动和固定无线宽带业务。但美国国家和电信管理局 (NTIA) 研究发现, 清除现有业务系统, 重新分配联邦频谱 (联邦频谱是指有国家电信和信息管理局管理的美国联邦政府及各分支机构的用频) 是不可行的, 这会带来高成本开销、漫长的执行时间, 甚至影响现有联邦业务系统的运行。仅在1755~1850MHz回收95MHz频谱就需要耗费10年时间和180亿美元。

现今的频谱短缺, 是由于频谱未被充分管理所造成的。如果美国扩大对联邦频谱的管理范畴, 使频谱变得可重复使用或可经常性的重新发放执照, 便可以将频谱资源从稀缺变为富足。另外, 现行频谱细碎的静态划分和独占使用方式也导致了频谱使用的低效和人为稀缺性。

针对美国频谱使用现状, 弥补现行政策的不足, 有效解决“频谱短缺”问题, 促进美国经济发展和确保世界领先地位, 美国总统科技顾问委员会 (PCAST) 提出频谱高速公路计划, 该计划预计可以使现有频谱容量扩大10 0 0倍。

二、频谱高速公路概念

频谱高速公路计划是确定1000MHz的联邦频谱, 通过改善频谱管理手段, 实施新的频谱结构和无线电系统架构, 使不同无线业务在一段频谱内形成动态共享, 从而极大提高频谱的使用效率。

将无线通信和公路运输做类比, 宽带频谱可看作高速公路, 不同无线业务可看作是在高速公路上行驶的车辆 (如“联邦政府车辆”和“商用车辆”) , 频谱动态共享可看作机动车可以从一条车道切换到另一条车道。频谱管理系统可看作交通规则和指挥系统, 不同无线业务应遵守一定的管理规则, 才能避免碰撞, 有效共享。例如, 可以设置“无线信号灯”管理频谱接入, 另外出于国家和公共安全方面的考虑, 也可限定政府使用优先于商业使用。

根据美国频谱现有业务分配情况、频谱属性以及传播特性, PCAST建议选用2700~3700MHz的联邦频谱建立第一个频谱高速公路, 并以3550MHz~3650MHz作为验证频段。

频谱高速公路与国家宽带计划不同的是尽量保证现有无线业务不发生改变, 其他业务通过新的管理机制有秩序的接入使用。其重要特征为频谱的共享使用而不是独占, 通过大的频带划分, 使其可容纳各种兼容性应用以及各种适合宽带的新技术应用。

三、频谱高速公路的基本理念

要实现1000MHz联邦频谱的共享的频谱高速公路, 首先是将现在联邦频谱小而精的划分方式改为百兆赫兹级以上的大带宽的划分。这样可以更容易使频谱共享形成规模, 但需要各联邦机构的参与合作;其次需要建立等级接入制度和频谱接入系统, 以保障联邦业务系统不发生改变, 并使不同等级的无线业务形成有效共享, 扩展频谱容量;再次, 还需要确立接收机管理框架, 逐渐提高用频标准, 提高邻频带的可用性;最后, 为支撑频谱高速公路计划, 现有简单计算频谱效率已不再适用, 需要一种更全面的评估频谱使用的方法, 注重频谱使用的实际效益。

1. 频谱结构转变

为实施频谱高速公路计划, 实现宽带频谱动态共享, 需要新的频谱结构支撑 (见图1) 。

首先, 实现频谱共享要求频谱结构向大频谱带宽的划分转变, 并将频谱使用作为系统工程, 而不能将频谱活动进行细致分类。新的频谱结构的调整将有助于解决由于缺乏宽带频谱而无法研制大带宽、低功耗设备的问题。从而促进相关新技术的实现和应用。反过来, 此类新技术的不断涌现又会进一步促进新的频谱结构的形成。此外, 宽带频谱还有助于可以减少邻道干扰, 保持邻道的兼容性。

其次, 提高频谱利用率要求频谱结构向高频段、微小区转变。由于高频率对空气和建筑物的穿透性较差, 因此适合小范围的传输覆盖。而微小区的部署使得给定频谱更加容易实现空间复用, 并且微小区也更适合现代的收发一体的通信设备。虽然微小区需要更多的设备, 但是随着无线设备功耗的下降以及数据速率的增长, 这将不再是问题。

Wi-Fi的迅速崛起证明了新的频谱结构的诸多优点。首先是对干扰的容忍度的提高, 即在同一区域可以同时存在很多独立的Wi-Fi网络。尽管干扰对每个网络存在一定的影响, 但是与整体吞吐量的提升程度相比, 这种影响微乎其微。其次是宽的带宽可以提供更高数据速率。Wi-Fi的带宽需求从最初的20MHz增长到160MHz, 其数据传输速率也随之不断增长。

如何在新的频谱结构中实现共存, 需要详细的分析系统, 根据业务需求分类, 并考虑接收机和发射机特性, 为新进业务分配最合适的频带。另外从技术角度上, 可从地理空间、时间、码空间、极化和方向性等方面来实现共享。这些参数可以根据不同的行为进行调整, 最大化效率或其他优化目标。

2. 等级接入方式

为了使现有业务占用的频谱不产生变化, 就需要通过动态频谱共享技术来管理频谱。这里将介绍三层等级频谱使用模型 (见图2) 。

(1) 联邦主用户接入 (Federal Primary Access) :传统的联邦用户拥有最高的优先级, 需要在数据库登记其部署情况, 保障其不受来自其他系统的有害干扰。联邦主用户在实际使用时具有独占权, 但不能排除阻止其他联邦或个人用户的使用。

(2) 次用户接入 (Secondary Access) :次用户的优先级在联邦主用户之后, 这类用户在特定的区域拥有短期的频谱操作权利, 并被保护免受其他次用户接入的干扰。为了取得授权, 次用户必须在数据库进行登记。这些次用户可能需要付费, 并且可以使用高功率进行传输, 保证一定的服务质量。

(3) 一般授权接入 (General Authorized Access) :一般授权用户具有最低的优先级, 依赖于不同的策略, 他们的接入方式可能需要感知开放的频谱, 并在数据库进行登记。当在一个特定频段和区域内没有联邦主用户和次用户接入登记使用时, 一般授权用户才可接入。当与主用户和次用户产生突出时, 一般授权用户有义务腾出频谱使用权。一般授权接入设备应具备多频段操作能力和动态频谱选择功能, 当某一频段不可用时, 设备可以在不同的频带间切换, 以保证其正常的工作。一般授权用户只允许低功率发射, 但是不需要付费。

3. 频谱接入系统

为实现等级接入模型, 需要建立频谱接入系统 (SAS) 。联邦频谱接入系统, 作为信息和控制交换所, 记录各频段用户注册和使用情况, 并通过它决定联邦主用户、次用户及一般授权用户的在共享频段的接入和使用 (见图3) 。

当用户要共享联邦频谱时, 首先要通过与管理数据库通信进行注册, 然后统一协调, 完成频谱指配, 设备授权和发射允许。其优化原则依据给定区域的整体的频谱使用效率, 但是也要考虑联邦用频的优先权。

联邦主用户和次用户通过向SAS注册来获得干扰保护。主用户和次用户的列表应该实时更新, 并公开透明。各用户需要周期的与数据库进行通信, 更新注册信息, 并确保SAS不会错误判断设备的接入可能性。

SA S的核心是数据库, 它应该包含的信息有:频谱占用的时间和位置信息、信号参数 (如功率和带宽) 、特定地点的约束、接入的价格等。

频谱高速公路的实现是复杂的, 需要尽量确保联邦用频不受牵连, 这包括研究干扰限制、联邦优先权、频谱分配程序、新兴的联邦系统的保护以及执行机制等。总之, 要想使联邦用户和商业用户之间的频谱共享更加有效, SAS必须建立明确的规则来管理频谱, 当设备受到禁止发射的信号时, 必须有能力立即关闭其射频发射。

4. 接收机管理

传统的频谱管理主要集中在规范发射机的特性上, 但实际上接收机的性能同样也限制了频谱的使用。接收机不仅可以接收到目标频带内的信号, 而且还对邻频带信号作出响应。接收机性能不好可能会引起信号交调, 产生带内假信号, 导致接收机失谐, 即接收机过载或减敏。因此, 接收机的性能在一定程度上会限制邻频带信号的活动。

最近, 美国出现了一些由于政策或技术问题导致的信号干扰的案例。美国政府不得不进行频谱交换, 允许了频谱拍卖之外的频谱使用权的购买行为。为了减少Nexte蜂窝基站对公共安全频段的影响, 在公共安全方面作出了巨大的投入。由于使用了卫星频段, GPS系统接收机导致了光立方计划的停滞。FCC (Federal Communications Com m ission) 相关报告展示了更多复杂的例子, 这些都表明了接收机性能是影响新业务频谱接入的主要问题。

由于过去频谱使用情况不紧张, 不要求各业务系统的频谱离太近, 邻道信号导致的接收机干扰问题很少。如果现在不正视接收机干扰问题, 类似于光立方这样干扰情况会逐渐增多, 解决接收机干扰问题时十分必要的。

为了刺激无线领域的创新和投资, PCAST提出一种接收机管理框架, 这种框架不会对接收机造成过多的成本, 而是给出有害干扰的定义。对于要接入现有美国联邦系统相邻频段新系统, 提供清晰明确的干扰要求。这个框架可以让设备厂商在满足干扰要求的条件下, 自由选择适合他们设备的频段。限制低性能接收机对有害干扰的索赔的这一规划方式的改变, 是对现行发射机管理方式的必要补充, 这个补充的目标不是避免有害干扰, 而是决定谁来承担干扰的责任。

干扰门限可定义为频率和空间内的场强, 如图4所示。在给定频率和空间内, 只有当有害干扰超出指定的干扰程度时, 被授权者才可以投诉和索赔。在没有给出干扰门限的频率和空间中, 不提供干扰保护和索赔。

设定接收机干扰限制, 即描述有害干扰条件, 可以使新的无线系统提前预估在给定的频段上部署发射机的成本。接收机干扰限制也能确保邻频带的未来可用性。在联邦频谱内, 接收机的干扰限制可被预先设定, 这样现存的联邦无线系统无需做任何改变, 因此对现存系统不会造成任何影响。为了改善频谱使用效率, 随着新设备的出现, 可以不断的提高接收机干扰的门槛, 不符合要求的旧设备也会随之淘汰。

5. 频谱使用效率的度量

很多测试表明, 即使是在拥挤的城区, 绝大部分频带 (3.7GHz以下) 的频谱占用度也小于20%。频谱容量应该从时间维度上被充分利用, 为了支撑新的频谱共享计划, 灵活使用回收的频谱, 标记未充分利用的频谱, 需要一种能够评估频谱使用效率的度量方法。在新的频谱结构下, 简单的衡量频率效率已再适用, 新的度量方法要衡量频谱使用的实际效益。在影响频谱使用的相关因素中, 如传输速率、传输覆盖范围、排他性干扰等, 这些参数都只能反应频谱使用的一个侧面, 而新方法应综合考量所有因素。

通过这种度量方法, 不仅能知道用户如何完成通信, 而且要知道通信中是否会妨碍到其他用户。换言之, 度量应该平衡考虑频谱使用的质量和机会成本。这种度量不仅可以定量分析比较同一频谱中的不同系统的频谱使用情况, 也可以分析给定系统在不同频段的适用度。对于有益的行为或有效的调制机制, 通过技术手段实现的度量方法应给予激励。

PCAST给出了一种可能的有效性度量的频谱使用的方法, 该方法考虑了通信容量、通信范围、干扰范围、时间和频谱的排他性等方面。其公式如下:

式中, 表示频谱有效性, 它与数据传输的通信范围、占用频谱, 区域, 时间以及排他性有关;R (n) 表示用户n的实际通信范围;D (n) 为用户n的数据通信数据量;I2 (n) 为用户n的干扰范围, 在该范围内其他用户的通信将被阻止;T (n) 为用户n的实际通信时间;S (n) 为用户n实际独占的频谱;k为在特定的频段和区域总的频谱用户的个数。利用上式可以比较单蜂窝小区和Wi-Fi节点服务的有效性, 可以很好地解释为什么Wi-Fi是更有效的频谱使用方式的原因, 尽管它在覆盖性方面有限。

度量方法的重要性远超出工程应用和设计无线电设备的范围。公式中的每一因子都需要政策、投资和管理决策所驱动。这种度量表明无线宽带的解决办法是一个十分复杂的问题, 而不是简单的腾出专用频带那么简单。

度量要强调频谱重复利用的影响, 这是发展可扩展的无线网络的基础。发展越来越大范围的频谱分配无论是从频谱还是从服务角度都更加有效。

四、结束语

联邦频谱为美国应对频谱需求指数增长问题、在世界范围内确定频谱共享技术领先地位提供了独一无二的机会。而实现联邦频谱共享的基石是创造大划分范围的频谱。PCAST的报告表明存在开放1000MHz共享联邦 (非联邦) 频谱实现微小区低功率二次接入或一般授权接入的可行性。频谱可用性的扩张可以刺激企业在技术、设备和应用服务等方面的投资, 拉动二次接入设备和一般授权设备的设计和制造, 促进动态频谱接入, 最终实现联邦频谱潜在频谱容量的激增。

目前, 我国已划分的频谱资源的利用率也较低。随着无线技术和业务日新月异的发展, 我国频谱资源的紧张形势将会逐渐凸显。如何解决未来我国频谱资源需求激增的问题, 我们可以借鉴频谱高速公路计划中的管理方法和理念, 结合我国频谱使用情况, 进行相关试验, 验证动态频谱共享创新模式的可行性。一旦动态频谱共享形成广泛应用, 那么在频谱监测技术、设备检测规范以及台站管理等方面都需要作出相应的改进, 以适应新的频谱使用方式。

摘要：随着无线技术发展, 无线频谱的接入需求激增与现有无线系统的频谱利用率低下形成矛盾。为了解决该矛盾, 提升经济竞争力, 美国政府提出了1000MHz的宽带频谱共享计划 (即频谱高速公路计划) 。针对该计划, 本文介绍了其新的频谱结构、频谱使用的度量方法、等级接入方式和接入系统以及基于接收机管理等方面内容。最后给出了总结, 并阐述了该计划对我国无线电频谱管理的启示。