Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю
Подождите немного. Документ загружается.
- 239 -
Глава 4
4.4.2 Приемники для контроля занятости спектра
Контрольные приемники и анализаторы, используемые для этих применений, должны отвечать как
минимум рекомендациям, отраженным в других главах настоящего Справочника. Контрольный
приемник, используемый для измерений занятости спектра, должен соответствовать следующим
требованиям:
– обеспечивать высокую избирательность по РЧ (в частности, должно быть достаточное число
РЧ фильтров, правильно распределенных в рабочей полосе приемника, с тем чтобы
предотвратить, насколько это возможно, образование интермодуляционных составляющих);
– иметь достаточно узкие фильтры ПЧ и/или I/Q выход для фильтрования ПЧ посредством
обработки внешнего цифрового сигнала;
– иметь ступенчатый аттенюатор;
– иметь возможность использования внешнего эталона частоты;
– иметь возможность точного измерения напряженности поля;
– иметь возможность быстрого сканирования выбранных каналов из полосы частот, особенно
выше 30 МГц.
4.4.3 Измерения в полосах ниже 30 МГц
Для ручного контроля занятости спектра ниже 30 МГц анализирующий узел должен обеспечить
рациональный выбор необходимых фильтров с шириной полосы от примерно 100 Гц до 6 кГц.
Измерение частоты (с точностью до 1 Гц) способствует процессу измерения занятости спектра, в
особенности путем опознавания сигналов.
Оператор станции контроля регулярно наблюдает изучаемую полосу и вводит каждую обнаружен-
ную передачу в (желательно компьютеризованную) базу данных. Эта база данных должна
содержать для каждой наблюдаемой передачи, по крайней мере, в фиксированном местоположении
(см. Статью 16 Регламента радиосвязи):
– дату, время начала и время окончания передачи;
– измерение частоты;
– класс излучения;
– опознавание;
– местоположение или пеленг;
– тип станции;
– уровень сигнала и/или напряженность поля.
Дополнительно к этой информации в память могут быть занесены другие данные, включая особые
замечания о классе излучения, скорости в бодах, информацию о заявлении на наблюдаемую
передачу в соответствии с Регламентом радиосвязи и т. д. См. также раздел 4.8.
Если такая задача выполняется 24 часа в сутки, результаты измерений при проведении многих ска-
нирований будут исключительно точными и полезными, поскольку полученная информация часто
важна для подбора блока частот для новых радиолиний или для решения проблем помех. В этих
целях персонал должен быть хорошо подготовлен к работе с использованием упомянутых методов.
- 240 -
Глава 4
Применение автоматической регистрации окажет значительную помощь в проведении контроля в
полосах частот ниже 30 МГц, если использовать те же принципы с учетом подбора
соответствующих фильтров.
Занятость ВЧ диапазона на канал измерялась в течение последних десятилетий (например, [Gott et
al., 1982; Wong et al., 1985; Hagn et al., 1988; Stehle and Hagn, 1991]). [Gott et al., 1982] определил
“перегрузку” для распределенной полосы как процентное отношение каналов в этой полосе,
показывающее занятость канала относительно конкретного порога. Статистика перегрузки
распределенных ВЧ полос оказалась стабильной для данного времени дня, сезона и числа
солнечных пятен, и на этой основе была разработана модель перегрузки [Laycock et al., 1988].
Однако не все полосы частот в ВЧ диапазоне канализированы. Для того чтобы перейти к
измерениям занятости спектра во всем ВЧ диапазоне, необходимо провести дополнительные
исследования.
В Циркулярном письме CR/159 Бюро радиосвязи дается подробное описание процедуры подготовки
отчетов о наблюдениях, выполненных службой радиоконтроля для международных целей.
4.4.4 Измерения в полосах выше 30 МГц
Контроль занятости в полосах частот выше 30 МГц может выполняться в различных целях, при
лицензировании станций, обслуживании клиентов, применяющих новую частоту, при определении
эффективности использования частотных каналов или полос частот, оценке планирования частот,
при рассмотрении жалоб пользователей на перегрузку их частот, а также для того, чтобы иметь
информацию о текущем использовании спектра.
4.4.4.1 Измерения занятости частотного канала
В большинстве стран полосы частот выше 30 МГц планируются в соответствии с хорошо
известными системами планирования, например, как сотовая структура. Радиоканалы
присваиваются пользователям в соответствии с имеющимися ресурсами. Информация о
лицензированных пользователях, извлеченная из баз данных об управлении использованием
спектра, указывает всего лишь на то, что использование частоты разрешено. Число присвоений,
зарегистрированных на той или иной частоте, не всегда дает достаточную информацию о
фактическом использовании конкретной частоты.
Поэтому в перегруженных зонах присвоения частот необходимо делать на основании более
реалистичных данных. Измерение плотности трафика в радиоканалах приведет к более точным
значениям занятости этих каналов. Повторение этих измерений через регулярные интервалы
времени позволит специалистам по управлению использованием полос частот устанавливать
тенденции с учетом прошлых данных.
Ввиду огромного количества получаемых данных оборудование контроля должно не только
автоматически снимать измерения, но и обрабатывать результаты, преобразуя их в удобную для
пользования информацию.
4.4.4.2 Службы
Частные службы подвижной радиосвязи традиционно основывались на аналоговой передаче речи.
Несмотря на это, передача данных была введена либо как дополнительная услуга, либо как основное
средство связи. Там, где пользователи желают внедрить обмен сообщениями с передачей данных в
свои существующие сети подвижной связи, передача данных происходит по совместно
используемым радиоканалам. В этом случае регламентарный орган должен знать характеристики
- 241 -
Глава 4
радиоканала, с тем чтобы определить, как будет работать система передачи данных. Потребности
некоторых пользователей могут быть удовлетворены только путем присвоения более подходящих
радиоканалов.
В общем, новые службы также будут оказывать влияние на занятость радиоканала в расчете на
подвижную станцию. Это обычно увеличивает суммарный объем трафика в радиоканале. Так как
это не фиксируется в административной системе, которая регистрирует только число подвижных
станций, то должны быть приняты в расчет дополнительные данные.
4.4.4.3 Принципы выборки
Типичный сигнал с изменяющимся уровнем показан на рис. 4-14 с заданным порогом,
изображенным сплошной линией. Выборка мгновенных значений сигналов показана ниже вместе с
теми выборками, которые записаны как “занятые”. В этом примере 21 из 44 периодов выборки
оказались занятыми, что приводит к записи 48% занятости. Эти данные при желании могут быть
объединены в 1, 5 или 15-минутные интервалы.
Выбранный порог
Интервалы выборки (выборки других каналов производились во время интервала)
44 выборки
Выборки выше порога
21 выборка занятая
Измеренная занятость
48% занятости
РИСУНОК 4-14
Типичный сигнал с изменяющимся уровнем
Метод выборки обычно дает верную оценку занятости канала при условии, что взято достаточное
число выборок, с тем чтобы получить статистически значимый результат. В табл. 4-8, взятой из
Рекомендации МСЭ-R SМ.182, приводится число выборок, необходимых для получения
обоснованной уверенности в результатах.
- 242 -
Глава 4
ТАБЛИЦА 4-8
Число зависимых и независимых выборок, требуемое для достижения ± 10% относительной
точности и 95% уровня достоверности при изменяющихся процентах занятости
(см. Рекомендацию МСЭ-R SM.182)
Занятость
(%)
Число требуемых
независимых выборок
Число требуемых
зависимых выборок
Требуемое время (в часах)
зависимой выборки
(для интервалов 4 с)
6,67 5 850 18 166 20,18
10 3 900 12 120 13,47
15 2 600 8 080 8,98
20 1 950 6 060 6,73
30 1 300 4 040 4,49
40 975 3 030 3,37
50 780 2 424 2,69
60 650 2 020 2,24
70 557 1 731 1,92
80 488 1 515 1,68
90 433 1 346 1,49
100 390 1 212 1,35
Для получения определенной точности с определенным уровнем доверительной вероятности
необходимо произвести определенное количество выборок. При занятости канала 100% требуется
совсем немного выборок, чтобы определить это с достаточной точностью. При низких занятостях
для получения такой же точности и уровня доверительной вероятности требуется большее
количество выборок.
К счастью, с точки зрения управления использованием спектра точные измерения низких занятостей
не имеют решающего значения.
4.4.4.4 Параметры системы
Для того чтобы оценить занятость максимального числа радиоканалов, должен быть собран и
обработан огромный объем данных. Например, сканирующий приемник может быть
запрограммирован на захват 50 выборок за 2 с, причем все выборки взяты из разных радиоканалов.
Это означает, что время просмотра канала составляет 2 с. Сканирующему приемнику требуется
время, чтобы настроиться на нужный канал и выдать надежный выходной сигнал. Фактический
интервал измерения в этом случае равен примерно 5 мс, время наблюдения канала или время
удержания. Время наблюдения канала зависит от скорости сканирования оборудования.
- 243 -
Глава 4
4.4.4.4.1 Продолжительность передачи
Для различных типов пользователей характерна различная продолжительность передачи. Как
правило, пакеты данных короче по продолжительности по сравнению с речью. Продолжительность
передачи, а также статистика занятости определяются различиями в плотности пользователей в
городских или сельских зонах.
4.4.4.4.2 Соотношение между некоторыми основными параметрами
Существует четкая взаимосвязь между временем наблюдения, количеством каналов, средней
длительностью передачи и продолжительностью контроля.
Время просмотра канала непосредственно связано со временем наблюдения и количеством
каналов
Время просмотра = (время наблюдения) × (количество каналов)
Для этого типа измерений время просмотра должно быть намного меньше средней
продолжительности передачи. Для сохранения приемлемого короткого времени просмотра при
использовании оборудования со сравнительно медленной реакцией необходимо сокращать
количество подлежащих измерению каналов.
Для обнаружения отдельных коротких передач в целях получения информации с точностью и с
уровнем достоверности в соответствии с Рекомендацией МСЭ-R SM.182, как указано в § 4.4.4.3,
система контроля должна осуществлять сканирование на приемлемой скорости.
4.4.4.4.3 Продолжительность контроля
Время, требуемое системе контроля для измерения сохраненных в памяти каналов будет зависеть от
комбинации:
– времени просмотра канала;
– типичной продолжительности передачи;
– желаемой точности.
При использовании системы быстрого сканирования средняя продолжительность передачи
превышает несколько секунд, а количество каналов сравнительно невелико, в этом случае
достаточна короткая длительность контроля.
4.4.4.5 Разрешающая способность измерений
Многие используемые в настоящее время системы записывают на диск результаты измерений
занятости каждые 15 мин., что дает 96 записанных значений за 24 часа. В подавляющем большинстве
случаев 15-минутные сводные данные о занятости являются адекватным и хорошим компромиссом
между разрешающей способностью результатов и объемом диска. Многие операторы собирают свою
собственную системную информацию с более высоким разрешением, например 5 мин.
Например, оператор сети может жаловаться на перегрузку в конкретном частотном канале,
поскольку уровень занятости по методу прогнозирования распространения на ВЧ за период времени
5 мин. (например, 10.00−10.05 ч.) составил 90%. Если бы уровни занятости в следующие 5-мин.
периоды составляли 10% и 5%, то в этом случае результаты измерений за 15-мин. период
(10.00−10.15 ч.) дали бы общую занятость ((90 + 10 + 5)/3 =) 35%.
Поэтому предпочтительно, чтобы программное обеспечение контроля было способно предоставлять
информацию о занятости с выбором разрешающей способности. Соответствующие значения
должны составлять 5 мин. и 15 мин.
- 244 -
Глава 4
4.4.4.6 Соображения по выбору площадки
При выборе площадки для измерений занятости частотного канала должны учитываться различные
факторы.
Как и для большинства площадок, используемых для целей приема, контрольная аппаратура должна
размещаться в таком месте, которое:
− удалено от радиопередач с большими уровнями полей;
− удалено от структур и зданий, которые могут вызывать отражения;
− находится в зоне обслуживания радиосистем, подлежащих контролю;
− удалено от источников электрического шума, то есть компьютеров, регуляторов частоты
вращения двигателя и т. д.
4.4.4.7 Ограничения контроля
Хотя предполагаются точные результаты измерения занятости, следует иметь в виду ограничения,
связанные с автоматическим контролем занятости и зонами, где могут иметь место неточности
измерения. Простой автоматический контроль не позволяет различать сигналы, принимаемые от
станции А, от сигналов станции В (полезные и нежелательные излучения, соответственно).
4.4.4.7.1 Нежелательные сигналы
Для установления факта занятости той или иной частоты во многих системах автоматического
контроля занятости используется пороговый уровень.
Хотя очевидной целью является регистрация уровней полезных сигналов, простой автоматический
контроль не позволяет различать полезные и нежелательные излучения. Оба вида излучений
рассматриваются в качестве легитимной занятости канала.
Нежелательные сигналы могут создаваться любым из следующих источников:
− несанкционированные передачи;
− пользователи в соседних каналах с большими уровнями поля;
− побочные и внеполосные излучения передатчиков;
− промышленные помехи (например, от неэкранированных электродвигателей);
− более интенсивное прохождение радиоволн, обусловленное погодой и условиями
окружающей среды;
− пользователи совмещенного канала в удаленных местах.
При проектировании системы следует принять меры к тому, чтобы либо избежать появления
интермодуляционных составляющих в приемнике (IPs), либо идентифицировать их для
последующего удаления при помощи программно-реализованных алгоритмов.
Интермодуляционные составляющие учитываются посредством автоматического введения
фиксированного, известного уровня ослабления на РЧ во время чередующихся сканирований и
последующего автоматического удаления всех записанных сигналов, которые ослаблены в более
значительной степени.
4.4.4.7.2 Общая занятость
Даже если система контроля не испытывает мешающих влияний от любого из вышеуказанных
источников проблем и принимает только санкционированные сигналы, результаты измерения
занятости все равно должны рассматриваться с определенной осторожностью.
- 245 -
Глава 4
Если в зоне покрытия станции контроля на какой-либо частоте задействовано несколько
пользователей, то зарегистрированный уровень занятости будет определяться комбинацией
радиотрафика от каждого пользователя.
Возможен случай, когда полезное мобильное устройство (подвижная станция А) расположено
намного дальше от станции контроля, чем своя базовая станция пользователя (базовая станция А),
поэтому уровень принимаемого сигнала может быть ниже установленного порогового уровня
контроля, хотя и достаточно сильным для использования на соответствующей базовой станции. И
наоборот, сигналы от мобильного устройства пользователя вне зоны покрытия (подвижная станция
В) могут приниматься на станции контроля, но не будут слышны на основной базовой станции
пользователя.
Любая из вышеописанных ситуаций приведет к неверной регистрации данных о занятости канала.
В зависимости от используемого метода контроля, может появиться возможность разделения этой
суммарной цифры занятости по конкретным пользователям путем применения методов,
включающих использование инфразвуковых тонов (CTCSS) или систем избирательного вызова.
4.4.4.8 Дополнительная информация по конкретным пользователям
В дополнение к определению только одной информации о том, превышает ли напряженность поля
сигнала определенный пороговый уровень, существует много других параметров, подлежащих
запоминанию. Например, могут быть получены данные об уровнях поля, типе модуляции, а также
информация об опознавании.
Большой объем информации предоставляет статистическая обработка измеренных уровней поля.
Прежде всего, график распределения дает информацию о количестве базовых станций на
измеряемой частоте (см. рис. 4-15). Эту информацию можно сравнить (вручную или автоматически)
с информацией базы данных о лицензиях.
РИСУНОК 4-15
Пример графика распределения уровней сигнала
График распределения с 3 обнаруженными базовыми станциями
Частота 151,5375 МГц
дБмкВ
Выборки
- 246 -
Глава 4
Указанный график позволяет различить занятость, обусловленную базовой станцией, и занятость,
определяемую подвижными пользователями.
Чем больше информации должно быть собрано, тем больше времени потребуется системе на
выполнение необходимых измерений. Зачастую следует отказаться от метода измерений занятости
путем быстрого определения величины несущей в пользу более медленного метода, основанного на
декодировании излучений, которые присутствуют в каждом канале. Далее этот метод можно
разделить на методы, включающие медленное сканирование каналов и статический контроль
каналов.
4.4.4.8.1 Медленное сканирование каналов
Этот метод очень похож на описанный ранее метод измерения занятости частоты, за исключением
того, что частоты сканируются с гораздо более медленной скоростью, возможно лишь 2 частоты в
секунду. Данный метод может использоваться, когда идентификационный номер пользователя
передается в течение всей длительности передачи пользователя и поэтому может быть получен
путем выборки в любой точке.
Такой метод можно использовать со следующими системами:
− система сигнализации, управляемая непрерывным тоном (CTCSS);
− система бесшумной настройки с цифровым кодированием (DCS).
4.4.4.8.2 Статический контроль каналов
Данный метод обеспечивает сбор информации о длительности передачи и может также
использоваться в системах, в которых конечный пользователь передает свой идентификационный
номер только один раз за передачу. При этом невозможно применять методы сканирования,
поскольку приемник должен оставаться настроенным на одну частоту, чтобы не потерять какую-
либо информацию (см. рис. 4-16).
РИСУНОК 4-16
Пример статического контроля каналов
- 247 -
Глава 4
Этот метод применим для следующих типов систем:
− 5-тоновый избирательный вызов (SELCAL);
− Система автоматического опознавания передатчиков (ATIS);
− Транкинговый канал управления МРТ 1327;
− Пейджинговая система POCSAG.
Если дополнительная информация по отдельным пользователям получена, то в этом случае можно
разделить общую занятость для данной частоты на конкретные уровни занятости для каждого
пользователя.
4.4.4.9 Разработки в области измерений занятости частотного канала
Метод, описанный ранее в § 4.4.4, основан на методе систематических интервалов с весьма
короткими интервалами между измерениями. Измерения проводятся в равноотстоящие друг от
друга периоды времени. Измерения являются зависимыми, а оценка занятости вполне приемлема,
поскольку в ходе измерения будет пропущено лишь небольшое количество сигналов благодаря
тому, что время просмотра намного короче средней продолжительности передачи.
Другие методы находятся в стадии разработки. Одним из таких методов является метод средних
интервалов, имеющих длину в несколько секунд. Этот метод используется при добавлении
дополнительных каналов, подлежащих измерению. Недостатком метода является то, что оценка
становится недостоверной.
Приемлемым, по-видимому, должен быть метод длинных интервалов. В этом случае желательно
знать максимальную среднюю продолжительность передачи в каналах. Для этого метода мы
должны установить длину интервала, превышающую на достаточную величину указанный выше
максимум, с тем чтобы последовательные измерения можно было рассматривать как независимые.
Далее очень просто вычислить дисперсию оценки. Данный метод позволяет провести измерение
множества каналов за один измерительный сеанс. Конечно, с увеличением количества измеряемых
каналов достоверность полученной оценки снижается.
Другим испытуемым методом является так называемый метод измерений Монте-Карло. Этот метод
не проводит систематические измерения, но использует длительности интервалов, распределенные
по экспоненте. Большим преимуществом метода является то, что результаты всех измерений
являются независимыми (для всех средних значений длины интервала), поэтому нам нет
необходимости иметь информацию о передачах в канале для расчета доверительных интервалов.
Метод, который мы используем, зависит от оборудования и программного обеспечения, которое
есть у нас, и от достоверности оценки занятости, которую мы желаем получить. Если мы хотим
измерить множество каналов и можем допустить некоторую погрешность в уровне занятости, очень
хорошей альтернативой является метод Монте-Карло.
Пример:
Измерительное устройство может измерить 125 каналов за одну секунду. В зависимости от
аппаратуры это максимальное количество каналов, которое может быть измерено традиционным
методом, как описано в § 4.4.4 и можно найти в Рекомендации МСЭ-R SM.1536, поскольку, как
правило, для каналов сухопутной подвижной службы время просмотра не должно намного
превышать 1 с.
Если с помощью описанного выше метода Монте-Карло проводятся измерения на 2500 каналах, а
наш измерительный прибор способен измерить 125 каналов за одну секунду, то тот или иной канал
просматривается и измеряется случайным образом каждые 8 мс. Ожидается, что каждый канал
- 248 -
Глава 4
будет измеряться 125 × 900/2500 = 45 раз за 15 мин., что составит, предположительно, 180 измере-
ний канала в час. Но весьма вероятно, что большинство каналов будут измерены больше или
меньше 180 раз в час. Количество измерений в час подчиняется распределению Пуассона.
Используя этот факт и обычную аппроксимацию распределения Пуассона, можно показать, что
вероятность измерения того или иного канала в интервале от 136 до 224 раз в час составит 99,9%.
Поэтому, несмотря на невозможность прогнозирования точного количества измерений на канал, мы
можем быть уверены в том, что это количество будет достаточным для достижения хороших
результатов.
Преимущество заключается в том, что вместо 125 каналов могут быть измерены 2500 каналов, что
означает более эффективное использование измерительного оборудования и более частое
обновление результатов, а в итоге улучшится общее качество работы.
4.4.5 Измерения занятости полос частот
Когда требуется определить реальное использование спектра по полосам, может быть использован
другой метод. Измерения могут производиться системой анализатора спектра, управляемого
компьютером с использованием преселектора, предусилителя или приемника.
Установки анализатора спектра зависят от полосы частот “сканирования”. Время сканирования за-
висит от объема желаемых данных. Установка порогового уровня должна быть такой, чтобы по
возможности избежать записи шума. Также должен записываться уровень сигнала. Необходимо,
чтобы пороговый уровень мог изменяться позже. В этом случае возможен анализ напряженности
поля сигналов. Во время каждой развертки по 900 точкам (15 мин.) измеряется занятость таким
образом, что также показывается занятость сканируемой полосы частот. Использование
специального программного обеспечения позволяет многократно сканировать полосы частот по
времени и частоте.
Контрольные приемники с фильтрами высокой избирательности по ПЧ с коэффициентом формы 2:1
или лучше предпочтительнее анализаторов спектра при измерениях занятости спектра [Наgn et al.,
1988]. Но из-за требований к скорости большинство анализаторов спектра для предотвращения
“звона” имеют “гауссовы” ПЧ фильтры, а такие фильтры не реагируют адекватно на сигналы в
соседних каналах. (“Гауссовый” фильтр обеспечивает наилучший компромисс между скоростью и
разрешающей способностью.) В результате анализаторы спектра имеют обыкновение переоценивать
реальную занятость спектра. Ширина полосы ПЧ фильтров контрольных приемников должна быть
согласована с шириной полосы канализированных полос. Поэтому требуется установка блока ПЧ
фильтров, которые согласовывают ширину каналов в контролируемых полосах частот. В тех
случаях, когда используются анализаторы спектра, рекомендуется вместо обычных приемников
применять малошумящие приемники.
Также в высшей степени желательно иметь настраиваемые преселекционные фильтры и
малошумящие усилители, которые могут устанавливаться в преселектор после фильтра. С целью
улучшения динамического диапазона системы измерений для некоторых контрольных ситуаций,
когда используется либо контрольный приемник, либо анализатор спектра, могут требоваться
специальные полосовые фильтры. Например, такие фильтры могут потребоваться для получения
достоверных данных занятости в каналах, содержащих относительно слабые (низкого уровня)
сигналы в полосах, смежных с полосами, содержащими сигналы относительно высокого уровня
(например, в радиовещательных полосах). Наконец, может возникнуть необходимость в
использовании предварительного аттенюатора перед контрольным приемником или перед
предусилителем анализатора спектра, для того чтобы правильно расположить динамический
диапазон контрольной системы при проведении контроля полос с высоким уровнем сигналов.