在未经授权的通信的可行性电视空白:特高频带的实地测量

文摘

在实际未经授权的通信在电视乐队,无线电设备识别,首先,传播机会,也就是说,广播服务的部分频谱授权无人在某一地区在特定的时间,也就是说,所谓的电视空白。本文实地测量的结果在UHF电视乐队(470 - 860 MHz)在欧盟进行的。获得经验值的参数没有执照的无线电设备在真实情景中能够区分之间的空并占领电视频道,信号功率测量已经完成了意大利、西班牙和罗马尼亚农村、郊区,和城市站点,在不同高度地面通过使用不同的分析带宽。这项工作的目的是提供一套实用的参数无害的未经授权的通信在UHF电视空白是可行的。结果分析了对隐藏节点边际问题,频谱感知的带宽,入住率阈值。

1。介绍

当前全球转向从模拟转向数字电视开辟了一个这个宝贵的资源的重新分配的机会。在某种程度上,谱带一旦用于模拟电视广播将被完全清除,为部署新的授权无线服务留下空间,而且,在另一方面,数字电视技术在地理上交叉光谱波段之间,以避免干扰邻近电台,留下了一个空间部署新的未经授权的无线服务。

完整的过渡从模拟到数字电视计划2012年在欧洲。模拟停电后频谱790 MHz到862 MHz(电视频道61年至69年),所谓的数字红利,从广播完全清除。内剩余的光谱(470兆赫到790兆赫)不是所有的频道都占据在每个位置,由于网络的覆盖范围的计划。这些本地未使用的通道称为电视空白(TVWS) [1]。

大量的需求在TVWS是基于认知无线电技术包括位置识别和光谱传感1]。这些新的监管规则开放机会开发新的无线网络利用这个频谱。然而,使用这一新的光谱也有一些技术挑战。

也有许多其他需求旨在提供保护的授权服务操作电视乐队。这些需求设计的设备操作的实施技术挑战TVWS频谱。

特高频带,数字地面电视的存在(德勤)服务(2)可以通过考虑地理位置的数据库中包含的信息披露(GL-DBs) [3如果可用,免费提供在一定位置的列表德勤渠道和允许的最大辐射功率传输没有有害干扰德勤的用户(1,4]。

研究[5,6)进行兼容性问题在欧盟确定光谱的联合使用本地检查(即通过投机取巧的检测技术。光谱遥感)(7- - - - - -9)也可以合作10),多波段(11],基于GL-DBs可能可行的有效无害的未经授权的通信方式。英国广播公司的一项研究[12)确定宽带频谱感知技术的联合使用,GL-DBs和传输功率控制(13),为TVWS有效安全的通信。进一步研究电子通讯委员会(ECC) (14)和ITU-R (15证实了这个假设。

光谱遥感操作的一个关键问题是评价所谓的隐藏节点的保证金(HNM)。HNM是一个参数,量化潜在的干扰信号之间的差异(例如,德勤信号)的位置估计的未经授权的设备和实际信号的接收天线的位置信号。HNM至关重要定义保护需求无照设备必须遵守,以避免有害干扰德勤的接收器。几项研究已经分析了HNM问题基于实证测量。在[16]作者使用的数据来自一项初步测量活动的同一位置进行本研究在意大利和西班牙的部分分析HNM对人造噪音。在[17]HNM相关频谱感知算法自主操作的实现与两种不同的方法评估:演确定性和统计方法。在[18)一种方法来确定隐节点值通过计算机模拟,验证测量在现实场景中,支持的。在[19),解决消极倾听接收机提供的隐藏节点问题,考虑到当被动的倾听,授权接收者(即。德勤接收器)不承认或回应。

大多数的研究集中在频谱占用不考虑HNM深入的量化分析。例如,[20.]描述了电视频谱占用测量光谱表现在成都,中国,结果显示可以使用的空闲频谱带无照设备。在[21]作者调查的机会TVWS频谱的使用在马来西亚城市根据时间和地点:数据收集从八个不同的城市在马来西亚测量频谱占用和接收到的信号强度水平。在[22)频谱占用测量进行日本关东地区的三个地方。收集到的数据,对应的超龄德勤广播服务,分析评估辅助系统操作的可能性TVWS FCC规定的框架内和日本标准。

另一个光谱测量活动覆盖范围从75 MHz到7 GHz频率对室内和室外场景在城市和郊区的位置在巴塞罗那,西班牙,在[23]。分析了测量来确定入住率光谱相比,官方规定政府机构负责定义的频率分配在西班牙。在[24)光谱入住率测量运动进行频率806 MHz和2750兆赫之间在城市奥克兰,新西兰,以识别潜在的光谱无照设备描述的机会。统计结果的形式给出了噪声分布,信号幅度概率分布和光谱入住率百分比的时间。所有这些测量活动已经执行在一个特定的国家。

进一步的研究已经考虑多个国家但调查只是一个特定的参数。在[25],频谱占用进行频率测量范围从75兆赫到7075兆赫,展示低程度的频谱使用在城市户外环境。在[26)测量报告进行同步同期7个欧洲城市的48小时。作者主要集中在协调测量设置和设备,以获得尽可能参照数据。在[27),两个测量活动开展的比较研究在巴塞罗那,西班牙,和波兹南,波兰,确定频谱占用不同的乐队。

UHF电视频带频谱和场强测量水平前后模拟关闸的城市塞萨洛尼基(希腊)和斯科普里(马其顿共和国)介绍28),展示机会的可行性二级光谱利用率广泛地区的光谱。

不像先前的光谱调查主要集中在平均频谱占用,固定和移动测量在北京,中国,已经完成了29日),专注于电视乐队的整体使用。多个因素,包括频率、时间、空间域,和具体的电视被认为是标准。

对上述研究,分析实验结果在欧洲的三个不同的国家:西班牙、意大利和罗马尼亚。数据被认为是作为一个整体,为了提供结果,可以适用于国家或地区具有类似频谱图,(即网络规划方法和监管。,欧盟区),但是使用不同的地理位置。本文的主要目标是产生一组实际参数的无害的未经授权的通信在UHF电视乐队可以是可行的。

三国代表欧洲逐渐数字切换:在意大利的时间测量已经完成了数字电视,通过西班牙一半的过程和罗马尼亚的数字电视服务的普及率不到20%。

本文中给出的工作集中在一个扩展的光谱分析UHF电视乐队表演获得现实的值以下参数:入住率阈值,传感带宽,人为噪声,HNM。通过精心策划的测量运动在不同位置的三个欧洲国家从2011年到2014年,当前的超高频无线电噪声进行了研究并与现实德勤接收机噪声数据通道占用的阈值。测量在整个特高频带允许评估HNM的可变性,现在执行和分析在不同频率对[中给出的初步结果16]。新奇的礼物的相关性的分析研究也使用较小的带宽(即。1 MHz 100 kHz)光谱遥感操作的准确性。

本文的其余部分组织如下。部分2描述了用于测量方法和场景,占领阈值计算,传感带宽的合适的选择的重要性。部分3介绍了光谱的结果而言入住率和HNM统计数据。最后,部分4结论。

2。方法

入住率阈值,传感带宽,HNM期间的三个主要参数进行测量。最初,接收到的功率在屋顶水平一直在评估所有可用德勤渠道在UHF波段和对于每一个建筑,考虑到德勤天线通常位于屋顶水平。然后,接收功率测量每层渠道,还包括空白频道为了量化电磁噪声水平。

2.1。场景和测量方法

作者关注选择三个不同的城市,与类似的山岳志和建筑分布在城市和郊区,获得可比数据。测量进行了在城市毕尔巴鄂(西班牙),卡利亚里(意大利)和Brașov(罗马尼亚)在城市、郊区和农村环境。这三个国家不同的使用电视乐队和数字转换的状态:在意大利和西班牙德勤市场已经成熟,在罗马尼亚德勤传输占了不到20%,整个无线,因为数字电视转换将只在2015年6月完成。表1总结了测量站点的主要特征。

这三个城市的特点是城市和郊区在不同的海拔比海平面流离失所。例如,图1显示的位置测量在撒丁岛,在不同的城市和郊区的城市卡利亚里。

测量系统是由不同类型的天线,场强米,矢量信号分析仪。总结了天线的主要特征表2。使用天线校准数据样本归一化。表3显示了设备噪声层数据。

为了获得一个精确的分析UHF乐队,功率测量的测量分为三轮使用不同的信道带宽。这使得我们获得一组值收到整个电视乐队有三个灵敏度阈值水平。在第一轮,均方根功率值收集使用8 MHz带宽滤波器通道,具体为德勤频道。第二和第三轮有较小的滤波器的带宽通道:1 MHz 100 kHz,分别。

20秒的时间限制收集RMS样本在每个频率实施以避免副作用如瞬态分析仪的政权或假想的burst-like传输。

2.2。入住率阈值

入住率阈值被定义为认知的最小功率值测量装置,用来决定是否一个8 MHz占领或免费电视频道。

滤波器的带宽用于测量定义了测量精度:带宽越大,精度越低。考虑到占用官方数据,三个虚空通道在UHF波段选择为每个位置。在毕尔巴鄂,视为无效的中心频率频道408,520,和834 MHz,分别在466年卡利亚里,658,和842 MHz,,最后,在532年Brașov, 666和802 MHz。

随后,人造噪音被认为是评估三孔隙通道。人为的噪声值范围3 dB /仪器噪声水平是选择的渠道获得第一分析8 MHz带宽滤波器。出于这个原因,也根据类似的研究[19),入住率阈值的噪声地板(即5分贝。,−75 dBm at 8 MHz) was set. The values were confirmed by interpreting the normalized data measured with smaller bandwidth filters in the second and third measurement rounds (i.e., 1 MHz and 100 kHz bandwidths, respectively).

人为噪声的评价与所有三个带宽显示更高的存在被认为是城市环境噪声水平对郊区和农村的值。此外,增加噪音水平(2 dB)注意到在800 MHz频段的500 MHz和600 MHz频段。这种差异可以解释的高密度射频相邻的活动上。

信道噪声的测量还透露,在设备性能只有在城市场景。这三个国家的范围内提供类似的噪音水平±0.5 dB。

2.3。传感带宽:8 MHz与1 MHz和100千赫

8 MHz带宽测量提供典型的光谱信息,一个潜在的未经授权的设备可以实现通过使用光谱传感技术。1 MHz 100 kHz的测量,可以提供更高的精度,是典型的无照设备实现不因滤波器建立时间更长。减轻计算负担和时间产生一个假设1 MHz或100 kHz传感等宽的频率范围470 - 860 MHz,选择性通过执行抽样方法之后在一个典型的8 MHz电视频道在中央通道的频率和其他两个对称补偿的中心频率。

收集数据深入分析,以确定补偿:8 MHz, 1 MHz, 100 kHz测量比较。最初,上层噪音限制各种场景的所有三个测量带宽已经被考虑。周围的噪音水平在三个地方−80 dB 8 MHz测量,1 MHz测量−90分贝,−100千赫带宽的100分贝。正如所料,上噪音限制下降大约10 dB的平均值为每个测量带宽。

一旦获得的噪声水平,我们分析了振幅的各种占领电视频道信号电平高于噪声水平,通过减去相应的噪声值8 MHz, 1 MHz, 100 kHz的分析。信道功率值8 MHz测量与比例因子归一化7.61 MHz / 1 MHz,其中7.61 MHz是3 dB德勤信号的带宽。一个例子德勤通道30 (546 MHz)图中可以看到2。

它可以注意到的值在1 MHz带宽不同6分贝值高于或低于8 MHz带宽。在100千赫带宽的值倾向于遵循1 MHz范围内值的4 dB上方和下方。趋势已验证和确认也为其他占用通道,为不同信号的水平,对于所有场景,和所有测量活动。

整个数据集的分析,我们发现12%的平均差的信号值高于噪声地板,分布如下:电视频道的频率低于中央频率测量功率1 MHz带宽和100 kHz以上测量功率在一个8 MHz带宽;相反,电视频道的频率高于中央频率测量通道功率1 MHz带宽和100千赫以下测量通道上电8 MHz带宽。更大的负面变化对通道的两端(最后1 MHz)可以用这一事实来解释测量德勤信号3 dB的带宽7.61 MHz,保护带的两边200千赫。另一方面,1 MHz和100 kHz测量中央电视频道存在变异的频率从8 MHz测量±1分贝以下。

因此,我们得出结论,一个1 MHz分析和100 kHz分析可以合理地由一个无照设备实现在电视频道,通过考虑只有三个样品每通道:在信道中心频率和下面的中心频率的偏移3兆赫。默认100 kHz的分析更精确的由于低噪声地板,所以如果没有硬件的限制,即使这样一个狭窄的带宽可以由一个无照设备来执行准确的频谱感知操作。

3所示。结果

3.1。频谱占用

测量在不同的场景中进行和接待环境(即。,roof, upper floors, lower floors, and street) lead to a clear picture in terms of the mean spectral occupancy for the three cities. Figures3,4,5显示平均频谱占用值,表示为百分数,在城市、郊区和农村环境。

三个数据表明,卡利亚里的特高频带的职业是高于平均的毕尔巴鄂和Brașov。这个结果是出于意大利之间的差异,西班牙和罗马尼亚电视市场。在过去的年里,意大利的频谱的使用增加了大量的私人电视台提供免费和付费服务。在Brașov可以观察到完全相反,数字转换仍在初期阶段与稳定的模拟电视业务服务(30.]。尽管如此,图3显示了一个相对较高的光谱在Brașov入住率,由于内在更高的模拟电视信号干扰当前扩展光谱边叶。事实上,这个结果仅仅是明显的在城市地区,当地电视频道更频繁的郊区和农村场景。

相同的考虑,但在一个较小的比例,也可以应用西班牙语位置,位于中间的测量的时间数字转换的过程中,仍然有大量的模拟电视服务。

为所有位置、城市环境保持不变的光谱入住率较低楼层建筑的屋顶,而不同入住率较低楼层屋顶上的测量和更强调在农村的场景。

屋顶比较数据3,4,5,平均频谱占用衰变逐渐从城市到农村的场景中,除了城市卡利亚里。这个结果可以解释考虑到意大利农村场景特点是大型开放空间允许屋顶天线的接收信号来自多个广播中继器。出于同样的原因,在意大利获得的屋顶值代表的两倍多占用测量在一个农村家庭。

对于农村场景,光谱入住率的值在毕尔巴鄂和Brașov类似由于类似的影响主要考虑位置,周围陡峭的山坡,不提供良好的传播条件。

3.2。隐藏节点保证金

HNM是基于实际的观察,主要电视信号大多是由屋顶天线接收而无照设备本地频谱图,分析在不同的海拔高度。这意味着一个无照设备进行频谱感知可能无法检测到现有的主要服务由于阴影,所以可能会造成干扰(16]。

计算HNM的差异信号功率测量在屋顶上和所有的力量值以每层建筑的室内室外场景的场景和在街道上。

不同于以前的工作,也从其他测量发现文献中,我们进行了的分析HNM分别在三个频段,500 MHz、600 MHz、800 MHz, HNM的更准确的描述问题。聚合HNM值提出了三个国家的数据6,7,8按照环境和分组除以频段。

HNM范围的平均值从8 - 38 dB明智的变化取决于建筑,楼号和接收环境。在城市环境中,HNM与屋顶的距离逐渐衰减,每层楼的建筑物。意大利场景显示大HNM相比西班牙和罗马尼亚的测量。

HNM的平滑变化是明显的在城市的郊区和农村场景。这种行为可以解释为人口密集的城市环境的拓扑与高层建筑产生重要的衰减量。

表4,介绍了累积分布的数值,显示整体差异在±5%的渠道进行了测量。

数据6,7,8和表4也显示不同HNM值在±2 dB之间三个频段(500、600和800 MHz): HNM的值在500 MHz频段2 dB低于计算为600 MHz的乐队。之间的区别是类似的600 MHz和800 MHz频带。这些差异是不变的场景和所有国家,因此只能解释为更好的传播条件的变化对低频率,使信号功率测量屋顶和地板之间的区别测量小。

4所示。结论

本文提出了一个扩展测量运动的UHF电视乐队IV和V (470 - 860 MHz)表现在城市,郊区,和农村地区及周边的城市毕尔巴鄂(西班牙),卡利亚里(意大利),Brașov(罗马尼亚)获得实际的参数值(即。、入住率阈值感应带宽和HNM)评估的可行性无照无害的沟通在电视空白。

结果显示三个城市的平均入住率32%的标准差18使用入住率阈值75−dBm 8 MHz。最高占用84%的带宽与屋顶天线测量在农村地区,从不同的中继器重叠覆盖的地区由于缺少障碍。

传感的带宽,提供的测量数据证实了结果回顾研究[9- - - - - -11],感应并不能解决HNM问题如果使用传感带宽高于1 MHz。在这个意义上,测量结果为解决带宽提供指导和处理方法获取所需值,可以使用,例如,填充GL-DBs数据库。

人为噪声的测量在UHF电视乐队表明噪声低于设备性能除了城市场景噪声可以度量的存在。

可行性的分析使用1 MHz 100 kHz传感带宽为无照设备显示,这可以通过减少采样操作只有三个读数每8 MHz通道。

获得HNM值显示变化的评价8 - 38 dB取决于环境。同时,不断变化的限制内4 dB HNM取决于频率的指出,HNM较小的值较低的频率在UHF波段。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

本文中描述的研究活动一直在项目研究人员进行《投机取巧的车辆在UHF波段电网通信发达CNIT卡利亚里研究单位,由地区的撒丁岛,P.O.R.萨丁岛F.S.E. 2007 - 2013 Obiettivo Competitivita Regionale e Occupazione,美国卫生工程师协会(Asse) IV Umano把握住Linee di Attivita 1.1.1。1.3.1。

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