文摘

认知无线电(CR)系统被设计成利用可用的无线电频谱的高效、智能的方式。地面数字视频广播(优质)频段是一个未来的候选人为认知无线电应用尤其是在数字电视转换电视空白(TVWS)成为可用于无线电通信。摘要调查优质的频谱;宽带测量进行移动平台为了研究城市地区的无线电信号功率的变化在一个移动的车辆。测量环境是一个密集的内置地区合适的优质接受担保三个电视发射机,利用三个核心频道频率使用610,746,770 MHz。在我们纸的方法,应用天线和测量设备将模拟和测量衰落统计数据。最终结果是一个估计的认知优质的频谱利用率机会;另外一个场景也提出了二级频道使用。

1。介绍

认知无线电是一种新兴技术的无线电频谱利用效率高。光谱的主要拥有者,主用户(脓),不限制在他们的操作,而二级用户(SUs)可以运行在相同的频带如果频谱是免费的1]。是非常重要的,以避免降解聚氨酯的服务质量(QoS)在认知通道使用而可接受的服务水平为二级用户也应提供。几种技术应该应用于保证这些对立的需求(2]。可用的频谱和检测传感通道的CR系统的主要任务。的频率范围,可以利用CR设备取决于当地的频率调节,因此它在不同的国家可能会有所不同。在拥挤的无线电频谱并不是一个简单的任务找到合适的认知无线电波段地面设备(3,4]。本文集中于地面电视乐队和他们的二次使用。

在文献中,许多作品提出了关于光谱测量和不同的技术支持认知用户更好地利用可用的带宽。电视空白也是一个极大的兴趣由于数字电视转换,最近发生在几个国家。下面概述的研究领域将得到为了把我们的研究背景。

在[5),尽管实际的理论,无线电频谱的容量已经达到,未充分利用的频谱是强调和认知无线电技术的重要性。本文主要关注机会频谱接入技术通过一个层次模型的方法,采用中小用户结构。光谱遥感估算的关键技术是次要的使用授权频谱的可用性。在[6),不同的研究活动中使用的各种频谱占用模型进行了研究和比较。作者评估整个光谱的比例不同的服务。长期和短期的统计数据,显示大部分的商业陆地频带(GSM、电视广播、3 g等),利用可用的频谱几乎低于20 - 40%。实验进行了在不同地点如美国、欧洲、新西兰、南非、中国、新加坡和越南。执行类似的研究在芝加哥,纽约,华盛顿特区和一些农村地区2005年30至3000 MHz (7]。在芝加哥这样的大型企业,低频谱占用观察表明DSS(动态频谱共享)无线电系统可以访问大量的主要频谱有很大,空闲的,连续的频谱块。摘要(8)收集先前的研究工作进行了全球与频谱占用比较测量赫尔大学,英国。收集到的历史测量数据覆盖30 - 3000 MHz频带和他们证实了频谱的入住率普遍偏低。英国测量与类似的硬件配置进行,我们也应用在我们的研究工作,稍后将详细(频谱分析仪和计算机);频率范围是80 - 2700 MHz。优质的光谱测量的(9),可以找到一些结果特别是对入住率估计作为输入户外REM(无线电环境地图)。测量设置类似于执行的活动在布达佩斯,但后者的研究也关注消退时间统计和其后果将是以后了。细胞和UHF / VHF电视带进行了研究[10为马来西亚和实际频谱利用率统计提供静态测量。光谱的低占空因数入住率也证明了这项研究。比较频谱占用研究进行了在巴塞罗那,西班牙,和波兹南,波兰11]。测量装置被集中协调获得类似的结果估计有效噪声问题的地板上。结果,差异在TETRA乐队由于获得不同的频谱分配制度在这些国家。本研究强调有效的频谱检测总是需要为了避免拥挤,由于不同的当地监管规则。UHF电视频带频谱可用性的变化由于在希腊数字转型研究12]。他们证明了频谱可用性模拟停电后显著增加。此外,LTE-4G干扰电视服务的风险,反之亦然也指出根据光谱测量他们执行。一般的频谱占用和详细讨论不同方法测量中提供了有关ITU报告SM.2256 (13]。未经授权的通信在UHF波段也一个伟大的现状。提出了测量在意大利、西班牙和罗马尼亚(14,15)为了估计实际参数,确保可行的和无害的未经授权的通信在UHF电视乐队。特殊的无线麦克风等设备也可能利用这个乐队在严格监管控制(16),还增加了准确的频谱感知方法的重要性。

本文我们将演示移动测量专注于优质的频谱的占用信道衰落统计数据可以推断出动力学。我们大大扩展我们的前纸(17与技术细节和额外的测量路线);而且结果和结论修改。

优质的用户的主要所有者电视接收器(18,19]。在大城市,像布达佩斯,我们进行了测量,充分服务通常需要几个多路复用通道和多个传输站。优质的接收器是这个频谱的主要用户和服务提供者负责充分的服务质量在整个地理区域(20.]。然而,在人口内置的地区,特别是在丘陵地区的情况下接收到的信号电平可能不足以获得优质的本地信号正常。在这种情况下,通过应用智能频谱感知技术辅助,移动用户有机会利用这个频谱不同的短途通信,像访问本地交通信息传播和一辆车搬到另外一辆车,通信,或一般类型的数据传输。一个假设的场景是描绘在图1。

所以我们的主要目标在这个调查是调查的频段地面数字电视广播在400和900 MHz的概述移动CR应用的可能性21]。为了实现这一目标,适当的测量设备必须被选中,如果没有现成的设备设计。空中接口是一个定制设计宽带盘锥形天线。感知无线电频谱,手持频谱分析仪应用。作为移动测量的测量运动计划乘坐车辆,机械需要设置一个适当的和安全的。运动的路线和速度记录的gps导航系统。

本研究的主要目标是双重的:主要是接收功率时间序列被记录在一个广泛的优质的乐队在车辆在城市地区移动。其次,通过处理测量数据,首先,允许导出了二阶统计推断CR的机会在这个乐队。

2。测量位置和造型

时间的测量(12/2013和03/2014)在布达佩斯三个优质的发射机操作。他们每个人有多路通道的标准8 MHz带宽提供足够的接收条件在整个城市。值得注意的是,在大多数欧洲国家,从模拟到数字电视广播技术(见,例如,[竣工22]),只有少数国家,这仍然是一个持续的过程。

在表1布达佩斯的主发射机参数可以找到。

发射机的位置描述的映射如图2,表示,,的迹象。值得一提的是,左边的城市是丘陵,而右边是平的;然而发射机可以发现在较高的位置。发射机的安排和他们的权力辐射确保将接收尽管地理变异。

第一次和粗略估计接收信号功率的不同地理位置Okumura-Hata通道模式23)被选中来说明这种计算的能力和局限性。该模型是有效的为150 - 1500 MHz频率范围;因此它非常适用于优质的。这是一个经验模型适用于计算路径损耗在不同的城市地区。的发射天线和高度接收机天线高度也模型的输入参数:

是天线高度系数为中小城市: 在大城市,

(1 - 20公里)范围的模型有一定的局限性和发射机天线高度(30 - 200)。通过考虑到城市的海平面高度(河楼)90米,该模型可以应用的一个粗略的估计接收信号的水平。在接下来的这个计算,我们认为大城市模型系数和提供为每个发射机频率接收信号功率的地图。

与Okumura-Hata模型来计算,我们定位三个发射机的假想的广场公里;这个地区的起源是N47 25°′和E18°54′。发射器的位置是代表自己的真实地理位置相对起源。发射机天线的增益选择均匀15分贝和接收机的位置是3 m,分别。结果如图3根据表,发射机屈指可数1。

矩形区域可视化的模拟信号电平的接收功率不同位置产生的优质的发射器。除了Okumura-Hata模型,Walfisch-Ikegami和李模型比较和测试不同的地理区域(24]。本文建模的目标是得到一个定量的接收信号功率领域,因此我们选择为我们计算一个最著名的模型。

然而,当地环境的变化的影响,例如,建筑物的阴影,反射,在图和地方干扰,是不可见的3。为了生成一个更精确的地图,需要一个详细的地理位置地图,包含一个精确的数据库对象的位置和尺寸在整个城市,但这样的一个数据库并不是作者。

缺乏精细结构和信号电平的变化在一个特定的路线需要采取一种不同的方式。这种方法的描述及其结论是本文的主题。

3所示。接收机天线设计为频谱感知

我们的目标是建立一个通用的系统,能够广泛的光谱观测0.4至3 GHz。在[25]类似的测量提出了一种商用25 - 1300 MHz天线,但是对于我们的目的,我们选择一个定制的天线具有更大的带宽。因此一个特殊的宽带天线的设计(26]在我们部门的全向特性是最重要的一个请求(见图4)。

需求都满足的盘锥形天线包括一个平面的圆盘上的锥形部分。在这个结构中,宽带操作主要是由锥形结构。最终图纸和尺寸的天线可以在图中找到4。天线制造之前,计算机模拟是为了证明的性能和检查的主要参数。

在746 MHz的模拟天线特点是描绘在图4而变化的增益与频率是描绘在图5。后者图也说明了two-antenna系统组装在一辆车,准备移动测量。天线的增益与频率略有不同,根据调查的模拟是近2 dB优质的频带。

4所示。优质的光谱的移动传感

频谱感知是一个次要用户的任务时,他的操作是基于CR技术。SUs之前通常应该发现一个宽的频带可以利用任何光谱。这是一个必不可少的过程,因为频谱的主要拥有者,脓,不能被打扰或限制在他们的操作。这种传感的空中接口通常是一个宽带和全向天线。宽带传感需要聪明,可编程收到信号检测,允许扫描选定的频率范围和执行快速能源检测单一频率。期间我们的工作我们应用专业测量仪器为类似目的为了探讨优质的频谱在更大的地理区域。测量可能是一个基本合格优质的移动感知无线电频谱的应用程序。

本节提供的详细测量设置为我们的实验,然后将时间序列和不同的统计数据。

节2我们已经看到地图上接收到的模拟信号,特别是在没有地面对象的地理数据库,不能提供足够的信息对当地信号电平的变化。为了调查的确切时间系列优质的信号功率在一个移动的车辆设计和实施测量和方位标记功能。光谱传感装置,一种安捷伦N9340B手持式射频频谱分析仪是利用。对于我们的研究目的,这样测量工具的灵活性和精度是一个显而易见的解决方案。调查支持频段应用设备(27),其内置的内存能够存储测量数据在整个路线。

测量移动系统如图设置6它主要包括以下模块:(我)一辆装有单盘锥形天线(见部分3)。(2)GPS设备记录的路线和移动速度(神达P560 PDA)。(3)一个便携式光谱分析仪(27)具有数据存储功能(安捷伦N9340B)。(iv)一个笔记本存档测量文件。

第一次测量数据,瀑布图(参见图是一个很好的机会8),描绘了接收信号功率在整个频带总测量时间。

为了调查优质频带运动期间,两个测量进行了布达佩斯的城市地区。线路图中描述7,也表示他们的长度和持续时间。

为了覆盖整个频段的电视发射机,以下频谱分析器设置被应用:(我)起始频率:590 MHz。(2)停止频率:800 MHz。(3)跨度:210 MHz。(iv)跨越时间:2秒。(v)衰减:10 dB。(vi)带宽:100千赫。(七)参考噪声功率:109−dBm。

10分贝衰减被要求保持测量分析仪测量范围内的信号电平。590 - 800 MHz频段是感觉到有10/22 MHz步骤;因此,例如,为17.6 8 MHz优质渠道,收集样品。频谱分析仪测量接收功率存储在浮点数据类型与两位小数。天线连接RG-58类型3米的电缆长度;因此,电缆衰减为0.9分贝。

电视发射机和被关闭的路线(自己在地图上的地方标记)。车的速度稍有不同,但它一直在尽可能稳定的路线。

加工后测量,谱图和时间序列的接收功率的三个电视频道提供第一概述研究频谱。光谱图甚至更清楚的接收功率时间序列,强劲的信号水平的变化可观测(数字8- - - - - -9)。

结果表明适当的优质条件接收并不总是存在。内置的测量进行了密集城区,我们认为是汽车的运动,不同类型的渠道可能出现障碍。跟踪、干扰和多径传播可能会降低服务质量。然而Okumura-Hata传播模型是一个著名的工具来计算接收到的信号电平(内置的地区28,29日];这是一个通用模型,不能替代真正的测量,允许推导手机传播渠道的更准确的描述。适当的优质,接收主用户需要50分贝μV信号电平,或考虑50Ω终止(4),这个级别是−57 dBm (30.]:

更详细的讨论优质服务区域的规划和最小磁场强度需求可以在找到31日]。

我们将应用此阈值作为一个机会指标为二级频道使用。另一方面,它也应该认为,为了减少有害干扰引起的认知二级用户设备,电视信号传感保证金应该远低于所需的电视接收器接收(高质量32]。隐藏节点问题,当主用户与良好的接收条件由次生干扰传输设备(33),是其中一个原因,认知设备通常操作感应利润率较低。然而,这类问题已经超出了本文的范围;上述−57 dBm的测量将为我们当地优质的信号质量。作为本文的目标是TVWS的一项调查,调查的接收信号时间序列的统计特性的估计会导致二级频道利用机会。我们强调,一个操作认知无线电应用传感保证金应当要求较低。此外,特别是为了避免干扰额外的技术也将是理想的,例如,试验检测,检测周期平稳特性,或循环前缀和自相关检测32]。

找到的概率最小接收信号电平,衰减的累积分布函数(CDF)会有所帮助。估计一个现实的接收条件,增加天线增益应该被应用,因为盘锥形天线只是一个实验装置,它并不代表正确标准的优质的接收机的天线。应用盘锥形天线~ 2分贝增益;然而真正优质的接收天线与10 - 12 dB获得推荐(34),通常采用脓。

提供的接收功率指示信号电平的概率小于或等于某个值,如图10两个不同的路线。如果我们考虑到一个标准的聚氨酯与额外的10 dB接收天线增益的盘锥形天线测量相比,根据(4)的概率值dB是代表接受不当的阈值条件。

可以看到优质的信号水平不足的概率相对较高;在图10这些值表示为每个通道。相反,如果这个条件可以利用光谱二级用户通过应用CR技术达到自己的目的。

信道的估计障碍的另一个方面是褪色时间统计(35]。而衰减的概率统计告诉我们关于衰落深度超过指定的水平,个别消失事件的长度,因此可以确定停机时间可能只从衰落持续时间分布。消失的时间可以计算的衰减时间序列;因此,接收功率时间序列(见图8和9)应该转换。转换,接收功率测量值最高的优质渠道被认为是作为参考(零衰减)水平。

除了消退时间,在认知无线电的应用程序级别交叉率作为另一个通道动力学方面的研究(36对瑞利和Rician快衰落通道。缺陷的影响在无线环境中地图(REM)信息认知无线电(CR)系统的性能研究(37]。在投机取巧的信道分配算法38)的持续时间消失事件可能发挥重要作用。因此在我们的论文,我们提出消退时间统计工具长度估计的机会。

图11消失的概率表示时间在15分贝和20分贝衰减水平10到60秒,分别。我们证明我们的测量和消退时间相关的统计数据,在一个移动设备在城市地区优质的光谱可以用于次要目的甚至数秒或一分钟时间。计算与小时的旅行,次级通道使用的机会在这个旅程是几分钟10 s广达电脑,甚至一些分钟完成。这些重要的价值观应该考虑如果次级通道利用率优质的光谱的计划。

上面的计算,我们应用−57 dBm阈值,也就是说,根据文献,所需的信号电平无误优质的接待。我们的建议是,二级光谱的使用是一个现实,当主用户的服务质量是不够的。相反,认知无线电应用的保护主用户的服务质量是一个关键问题。二级用户的出现可能会导致显著的干涉TVWS;因此一个先进的光谱传感技术是至关重要的。一项研究对这个新兴技术(39]讨论的感知阈值是−112.8 dBm 8 MHz宽渠道,显示高质量遥感技术在应用程序真正的CR是不可避免的。

5。结论

在本文中,我们提出了宽带、移动优质的光谱测量研究电视频道接收信号功率的变化频率。我们的建议是,对于认知无线电的应用程序相同的适用频带如果脓的服务质量是不够的。它可能发生在人口内置的城市地区,由于阴影,反射,信号或干扰,优质的质量为主要使用不当。这个事实证明了测量。短途通信,例如,一辆车搬到另外一辆车,数据传输和访问当地交通信息数据库,甚至为无人驾驶车辆,优质的频谱可以利用。摘要频谱检测的天线设计,应用光谱传感硬件、测量方法和他们的统计数据显示。评估后的结果证明了移动CR用户可以利用优质的乐队为次要目的与智能设备,即使没有减少的主要用户的QoS。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。