CN112105033A - 面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法 - Google Patents
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Abstract
面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，本发明涉及无线电监测和频谱管理领域。本发明是为了解决目前对频谱监测数据的获取、挖掘和应用存在局限性的问题。本发明的重构方法中的数据采集环节，打破了当前监测方法过于关注瞬时、窄带频谱状态的局限性，并且运用独特的数据处理方法，使得评估数据充实度、评估结论可信度和趋势预测准确度三方面有了大幅度提升。同时，本发明的重构方法中的频谱重构环节，跳出了当前常用的频谱信息呈现模式，通过在同一坐标系中实施频谱拆分及翻折操作，提供了一种更加有效和直观的方式来分析和展示频谱使用双方的复杂竞争态势。本发明具有充分的实践经验、确切的应用效果，可实现性较强且成果转化价值较高。
Description
技术领域
本发明涉及无线电监测和频谱管理领域。
无线电频谱作为不可再生的重要战略资源，关乎国家安全与利益。因此，在无线电技术飞速发展与广泛应用的背景下，如何有效应对各方对频谱资源愈加激烈的争夺，已成为当今无线电管理工作的重点，而准确掌握频谱的被争夺状态，又是管好用好频谱资源的前提和必要条件。
一直以来，频谱监测作为无线电管理的重要技术手段，始终被认为是获取频谱数据的有效途径，而如何利用好这些数据进而掌握频谱应用状态，尤其是邻国间在边境地区、业务间在共同部署地区对频谱的竞争态势，就成为了管理的基础和关键。根据现行国家标准《边境(界)地区无线电电磁环境测试要求和测试方法》(GB/T 37288-2019)以及工业与信息化部发布的《VHF/UHF频段监测任务流程规范》(工信部无2016379号-20)可知，当前我国无线电管理部门主要从频段扫描和单频点逐个测量两个层面来开展监测，且又以后者为核心。频段扫描的目的是发现目标频段内的在用中频，以便实施后续的单频点逐个测量，而数据的记录、存储与处理同样以后者为主。由于监测所得的单频点数据具有明显的瞬时性且挖掘应用的深度有限，以及对频段扫描数据的重视度不够，现行监测工作方法以及数据应用方法存在以下四方面不足，限制了它们对用频竞争态势分析的支撑作用：
一是利用当前方法得到的监测数据以面向单频点的数字表格、文字描述和中频截图作为主要的信息呈现形式，而这种传统的信息罗列模式难以直观体现出频谱使用双方的复杂竞争态势；二是当前方法所执行的监测操作具有典型的瞬时特征(测得的单频点数据多为瞬时值)，获取的结果虽可用于表征频率的即时在用状态，却难以支撑起态势评估；三是由于单频点监测数据中所包含的不同类型数据之间以及各频点监测数据之间缺乏足够的信息联动，导致各信息项被封闭和孤立，难以被整合起来去综合支撑态势分析；四是当前方法缺乏对频段的整体性、持续性关注，而宽带扫描数据的应用缺失会导致无法针对宽带频谱进行宏观角度的分析，进而影响竞争态势的评估效果。
以上四方面缺陷的根源在于对监测数据的获取、挖掘和应用存在局限性。本发明即从根源着手，通过改进监测方法来充分获取数据、通过创新数据应用方法来挖掘频谱信息，最终运用宽带频谱叠加拆分翻折赋色方法来重构出用频竞争态势，并采用图形方式加以直观展示，进而打破当前局限，解决宽带频谱应用态势及用频竞争态势的评估与分析问题。
发明内容
本发明是为了解决目前对频谱监测数据的获取、挖掘和应用存在局限性的问题，从而提供一种面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法。
面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、在固定测量地点，使用频谱扫描接收机，对目标业务频段(如公众移动业务频段进行宽带频谱采集，获得宽带频谱采集数据；
步骤二、在执行步骤一的同时，采用信号解调设备，采集与步骤一相同业务频段内的信号解调数据，获得信号解调采集数据；
步骤三、将步骤一获得的宽带频谱采集数据和步骤一获得的信号解调采集数据进行数据关联处理；获得关联后数据；
步骤四、对步骤三获得的关联后数据数据进行数据叠加及相关处理，获得数据叠加及相关处理后的数据；
步骤五、对步骤四获得的加及相关处理后的数据进行赋色及拆分翻折处理，
完成一次面向用频竞争态势的宽带频谱重构。
本发明获得的有益效果：本发明的重构方法中的数据采集环节，打破了当前监测方法过于关注瞬时、窄带频谱状态的局限性，通过长时间持续采集来获取一定时间段内的宽带频谱数据，以更好支撑起宏观态势评估，并且在评估数据的充实度、评估结论的可信度和趋势预测的准确度三方面有了大幅度提升。具体表现在：宽频段采集可面向更多业务提供评估数据，极大提升态势评估的适用范围；叠加计算的运用将能够体现态势特征的数据信息纳入到分析范畴内，填补了评估依据的空白；渲染赋色处理可将长期态势直观呈现出来，为评估结论增加了时间维度；本发明的重构方法中的频谱重构环节，跳出了当前常用的频谱信息呈现模式，通过在同一坐标系中实施频谱拆分及翻折操作，提供了一种更加有效和直观的方式来分析和展示频谱使用双方的复杂竞争态势。本发明具有充分的实践经验、确切的应用效果，可实现性较强且成果转化价值较高。
附图说明
图1是表征数据叠加后的信道被占用程度的仿真示意图；
图2是宽带频谱应用态势及用频竞争态势仿真示意图
具体实施方式
具体实施方式一、面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，它包括以下步骤：
步骤一、宽带频谱采集。在某固定测量地点，使用符合GB/T 37288-2019要求的频谱扫描接收机，针对目标业务频段(如公众移动业务频段、广播电视业务频段)，使用宽带扫描功能执行持续一定时间的宽频段扫描并存储测量数据。
数据中应记录有两方面信息：一是采集与设置类的相关数据，包括当前测量地点经纬度和每帧频谱采集时间，以及测量参数(如起止频率、扫描步进、频率分辨率等)；二是测量结果，包括每帧频谱的具体数据信息，如扫描到的一系列频率值及其对应的幅度值等。由于测量需要持续一定时间，因此所采数据要按照国家相关格式标准进行存储，以便后续处理使用。
将步骤一获得的宽带频谱采集数据和步骤二获得的信号解调采集数据进行数据关联处理的具体方法是：
步骤三一、对步骤一获得的宽带频谱采集数据和步骤二获得的信号解调采集数据进行数据筛查及规范化处理，针对步骤一、步骤二采集得到的两大类数据，一是进行内容方面的筛查，筛除掉时间记录错误、经纬度缺失的无法用于后续处理的异常数据；二是针对数据格式做规范化处理，如将频率都按Hz进行存储，将信号幅度都按dBμV/m进行转换【意为规范化处理实际包括很多操作，这两点为举例说明。
步骤二、解调数据采集。在执行步骤一的同时，使用专门面向所测业务的信号解调设备，采集相同业务频段内的信号解调数据，并与步骤一中的宽带频谱采集持续相同的时间。
以公众移动业务为例，按照GB/T 37288-2019要求，基站解调数据中应记录有两方面信息：一是采集与设置类的相关数据，包括当前测量地点经纬度和数据采集时间；二是公网信号的解调结果，如信号中频、幅度值、信号带宽、运营商代码、国家代码、网络制式等。由于测量需要持续一定时间，因此采集数据应按照国家相关格式标准进行存储，以便后续处理使用。
步骤三、数据关联处理，即将步骤一得到的宽带频谱数据与步骤二得到的解调数据进行关联，主要包括以下几项环节：
(1)数据筛查及规范化处理。针对步骤一、步骤二采集得到的两大类数据，一是进行内容方面的筛查，筛除掉时间记录错误、经纬度缺失等无法用于后续处理的异常数据；二是针对数据格式做规范化处理，如频率都按Hz进行存储，信号幅度都按dBμV/m进行转换等。该环节是后续关联处理的前提；
(2)时间关联处理。以数据中存储的时间信息为纽带，按照不同等级的时间粒度，在两类数据间建立关联，主要包括：同类数据在不同时间点上的关联，以及不同类数据在相同时间点上的关联。完成关联后，由不同设备采集的各类型数据间已存在相关性；
(3)经纬度关联处理。在实测中，同一设备在固定点所采经纬度数值并非定值，不同设备在相同地点所采经纬度数值也会存在一定偏差。因此，可按照10km、1000m、500m、200m等建立处理粒度，以经纬度数据为纽带，在同一设备所采数据间、不同设备所采数据间建立关联；
(4)频率关联处理。由于设备本身存在测量误差，以及步骤一、步骤二在采集原理、使用设备、参数设置等方面存在差异，导致两大类数据在频率维度上无法完全保持一致，进而影响两类数据以频率为基准进行准确的关联。因此，需结合不同业务的信号特点来设置合理的频率关联模糊区间，允许在一定的频率偏差范围内，以信号的中心频率和带宽为基准，在两大类数据所包含的频谱信息与解调信息间建立对应关系。
经过上述处理后的两大类数据，彼此间已形成了信息关联体系，并且具备了叠加及相关处理的条件。
以公众移动业务为例。采集前，要采用相同的或成倍数关系的分辨率来开展宽带频谱采集和解调数据采集，规避不同类设备采集数据间的频差，为关联创造必要条件；采集后，可针对宽带信号一次采集数据实施二次抽取，以便实现不同类信号间的频率关联。如GSM信号，其带宽为200kHz，根据采样定理，采用50kHz的频率分辨率可有效的采集信号数据、恢复频谱轮廓、解码信号参数；但如果面向带宽为10MHz的CDMA信号仍然采用50kHz的频率分辨率来恢复信号，就会导致运算量过大、系统效率降低。因此，在利用一次采集数据恢复CDMA信号频谱轮廓时，可选用与50kHz成10倍关系的500kHz作为抽样率，对一次采集数据做二次抽取，而后再进行频谱恢复。由于一次采集的分辨率和二次抽取的采样率成倍数关系，因此既可保证不同类信号间的频谱数据可做频率关联，又有效降低了系统运算量。
具体还细分很多种情况：“同类设备，不同制式业务，不同带宽信号，频率关联”、“不同类设备，相同制式相同信号，频率关联”，又涉及到采集时的设置、二次处理时的操作等，比较复杂。
步骤四、数据叠加及相关处理。通过执行步骤一和步骤二，可分别得到相同时间段内的频谱数据与解调数据。采集并利用持续了一定时间的数据的目的是，相较于具有明显片面性的瞬时采集数据，前者能够更充分的反映出频谱应用态势和两方竞争态势，因此叠加及相关处理面向此类数据进行。主要包括以下几项环节：
(1)针对宽带频谱数据判定是否需要执行二次抽取并选取抽取分辨率。为保证叠加效果、降低系统运算量，应在叠加前首先判定是否需要对目标数据做二次抽取。若目标数据所涉及的是宽带信号，那么可依据采样定理，按照采集所用分辨率的倍数值，执行二次抽取，再将抽取后的数据作为叠加对象，以便在能够充分体现信号特征的基础上适当降低叠加运算量；
【是否需要举例说明：在采集时，使用25kHz扫描全频段，得到数据；在叠加时，叠加带宽为200kHz的GSM数据仍可采用原数据，但若叠加带宽10MHz的CDMA信号数据，仍然使用25kHz数据，就会加大运算量，没有必要。因此，可选用20倍的分辨率，对原数据做二次抽取，即500kHz，然后再对抽取后的数据做叠加。这样既能保证叠加后的效果(符合采样定理)、体现信号特征，又能够降低运算量、提高系统效率。】
(2)叠加统计处理。针对宽带解调数据，以频率为基准，以帧为单位，执行叠加计算处理，统计所测各信号在该时间段内的出现次数，并平均计算各频点幅度值；针对解调数据，以频率为基准，按照时间顺序来统计和梳理其对应信号在这段时间内的在发信息，比如公众移动业务信号的制式、国家代码、网络代码、运营商代码等；
(3)频谱数据叠加过程中的底噪处理。在叠加过程中，可依据信号发生及识别的经验概率(即二八定律)，对底噪统计次数做80％的降次处理，以突出真实信号的分布统计；
(4)数据相关及标记处理。经叠加统计处理后的宽带频谱数据和解调数据，在频率和时间(帧)两个维度上具备了相关性，进而具备了特征标记的条件。具体的说，可将频率作为基准，利用解调数据为频谱数据中所对应的某个信号进行标记，以利用解调信息来区分频谱中性质不同的信号，而两类数据在时间维度上蕴含的信息，一方面能够体现出某个基准频率(即某个信号)在某一时刻的瞬时在用状态，另一方面也能体现出对应时间范围内该频率被两方竞争使用的阶段性态势。
(5)完成上述处理后，需对相应数据做二次存储，供后续处理使用。
步骤五、赋色及拆分翻折处理。
(1)以频率为X轴，幅度为Y轴，建立坐标系；
(2)以频率、幅度为基准，将叠加统计处理后的宽带频谱数据搬移至坐标系第一象限中，如图1和2所示：
根据信号出现次数统计结果和底噪降次处理结果，在翻折图中对所有频点所在列执行差异化的渲染赋色操作，以利用不同颜色来表征不同信道的被占用程度，如图1所示；
【拆分翻折步骤未提及】
本发明获得的有益效果：
一是利用重构方法得到的宽带频谱态势图，跳出了当前常用的以数字表格、文字描述和中频截图作为主要信息载体的呈现模式，提供了更加直观的方式来展示频谱使用双方的复杂竞争态势。具体效果包括：坐标系一、四象限的利用使得两方的频谱态势变得彼此独立而更易于观察；在同一坐标系中实施频谱拆分及翻折操作，使得两方对频谱的竞争及对比态势能够被更清晰的展示出来，而那些双方互无干涉的频段，也可在重构图中直接观察到。总之，原本需要用很多文字和图示来说明和解释的双方竞争态势，可用一张图直观表达；
二是重构方法中的数据采集环节，打破了当前监测方法过于关注瞬时、窄带频谱状态的局限性，通过长时间持续采集来获取一定时间段内的宽带频谱数据，以更好支撑起宏观态势评估，并且在评估数据的充实度、评估结论的可信度和趋势预测的准确度三方面有了大幅度提升。具体表现在：宽频段采集可面向更多业务提供评估数据，极大提升态势评估的适用范围；叠加计算的运用将能够体现态势特征的数据信息纳入到分析范畴内，填补了评估依据的空白；渲染赋色处理可将长期态势直观呈现出来，为评估结论增加了时间维度；
三是重构方法中的数据处理环节，弥合了单频点监测数据中所包含的不同类型数据之间以及各频点监测数据之间的信息鸿沟，实现了各信息项的相关、融合与利用，进而综合支撑起了态势分析。尤其是频谱数据与解调数据间关联体系的建立，极大丰富了常规监测数据的可利用价值和可挖掘空间，为竞争态势分析创造了巨大的发挥空间。并且，关联体系中包含有较为丰富的关联要素，可为不同的态势分析需求提供不同的关联角度，进而满足邻国间评估、用户间评估等多种应用场景；
四是本发明具有科学的理论基础、清晰的操作流程、充分的实践经验、确切的应用效果，可实现性较强且成果转化价值较高。
Claims (6)
1.面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、在固定测量地点，对目标业务频段进行宽带频谱采集，获得宽带频谱采集数据；
步骤二、在执行步骤一的同时，采用信号解调设备，采集与步骤一相同业务频段内的信号解调数据，获得信号解调采集数据；
步骤三、将步骤一获得的宽带频谱采集数据和步骤二获得的信号解调采集数据进行数据关联处理；获得关联后数据；
步骤四、对步骤三获得的关联后数据进行数据叠加及相关处理，获得数据叠加及相关处理后的数据；
步骤五、对步骤四获得的叠加及相关处理后的数据进行赋色及拆分翻折处理，
完成一次面向用频竞争态势的宽带频谱重构。
2.根据权利要求1所述的面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征在于步骤一中，使用符合GB/T 37288-2019要求的频谱扫描接收机，对目标业务频段进行宽带频谱采集，获得宽带频谱采集数据。
3.根据权利要求2所述的面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征在于步骤一中，目标业务频段包括公众移动业务频段或广播电视业务频段。
4.根据权利要求3所述的面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征在于步骤三中，将步骤一获得的宽带频谱采集数据和步骤二获得的信号解调采集数据进行数据关联处理的具体方法是：
步骤三一、对步骤一获得的宽带频谱采集数据和步骤二获得的信号解调采集数据进行数据筛查及规范化处理，针对步骤一、步骤二采集得到的两大类数据，一是进行内容方面的筛查，筛除掉时间记录错误、经纬度缺失的无法用于后续处理的异常数据；二是针对数据格式做规范化处理，如将频率都按Hz进行存储，将信号幅度都按dBμV/m进行转换。
三二、时间关联处理，以数据中存储的时间信息为纽带，按照不同等级的时间粒度，在两类数据间建立关联，包括：同类数据在不同时间点上的关联，以及不同类数据在相同时间点上的关联，完成关联后，由不同设备采集的各类型数据间已存在相关性；
三三、经纬度关联处理。以经纬度数据为纽带，在同一设备所采数据间、不同设备所采数据间建立关联；
三四、结合不同业务的信号特点来设置合理的频率关联模糊区间，允许在设定的频率偏差范围内，以信号的中心频率和带宽为基准，在两大类数据所包含的频谱信息与解调信息间建立对应关系。
5.根据权利要求4所述的面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征在于步骤四中，对步骤三获得的关联后数据进行数据叠加及相关处理，获得数据叠加及相关处理后的数据的具体方法是：它包括以下步骤
步骤五一、针对宽带频谱数据判定是否需要执行二次抽取并选取抽取分辨率。为保证叠加效果、降低系统运算量，应在叠加前首先判定是否需要对目标数据做二次抽取。若目标数据所涉及的是宽带信号，那么可依据采样定理，按照采集所用分辨率的倍数值，执行二次抽取，再将抽取后的数据作为叠加对象，以便在能够充分体现信号特征的基础上适当降低叠加运算量；
步骤五二、叠加统计处理，针对宽带解调数据，以频率为基准，以帧为单位，执行叠加计算处理，统计所测各信号在该时间段内的出现次数，并平均计算各频点幅度值；针对解调数据，以频率为基准，按照时间顺序来统计和梳理其对应信号在这段时间内的在发信息，比如公众移动业务信号的制式、国家代码、网络代码、运营商代码等；
步骤五三、频谱数据叠加过程中的底噪处理。在叠加过程中，可依据信号发生及识别的经验概率(即二八定律)，对底噪统计次数做80％的降次处理，以突出真实信号的分布统计；
步骤五四、数据相关及标记处理。经叠加统计处理后的宽带频谱数据和解调数据，在频率和时间(帧)两个维度上具备了相关性，进而具备了特征标记的条件。具体的说，可将频率作为基准，利用解调数据为频谱数据中所对应的某个信号进行标记，以利用解调信息来区分频谱中性质不同的信号，而两类数据在时间维度上蕴含的信息，一方面能够体现出某个基准频率(即某个信号)在某一时刻的瞬时在用状态，另一方面也能体现出对应时间范围内该频率被两方竞争使用的阶段性态势。
步骤五五、完成上述处理后，对相应数据做二次存储。
6.根据权利要求5所述的面向用频竞争态势的宽带频谱重构方法，其特征在于步骤五中，对步骤四获得的叠加及相关处理后的数据进行赋色及拆分翻折处理的具体方法是：
步骤六一、以频率为X轴，幅度为Y轴，建立坐标系；
步骤六二、以频率、幅度为基准，将叠加统计处理后的宽带频谱数据搬移至坐标系第一象限中，绘制得到搬移后的宽带频谱坐标系图。
步骤六三、根据信号出现次数统计结果和底噪降次处理结果，对搬移后的宽带频谱坐标系图中的所有频点所在列执行差异化的渲染赋色操作，以利用不同颜色来表征不同信道的被占用程度，绘制得到赋色后的宽带频谱坐标系图
步骤六四、以解调数据标记信息作为判定条件，对赋色后的宽带频谱坐标系图实施拆分操作。以边境地区公众移动业务为例，若将解调信息中的“国家代码”数据作为信号标记的条件，那么可将频谱判定拆分为“我国信号”与“邻国信号”两类；以广播电视业务为例，若将解调信息中的“调制方式”数据作为信号标记的条件，那么可将频谱判定拆分为“模拟电视”与“数字电视”两类；
步骤六五、以X轴为对称轴，将拆分后的其中一类频谱翻折到坐标系第四象限中，另一类仍保留在第一象限。对于翻折后在第一象限图中产生的频谱空挡，使用平均底噪值进行画图填补；
步骤六六、完成重构，得到宽带频谱应用态势及用频竞争态势图。
完成一次面向用频竞争态势的宽带频谱重构。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6426983B1 (en) * | 1998-09-14 | 2002-07-30 | Terayon Communication Systems, Inc. | Method and apparatus of using a bank of filters for excision of narrow band interference signal from CDMA signal |
| CN103487134A (zh) * | 2012-06-08 | 2014-01-01 | 通用电气公司 | 坎贝尔图显示装置及其实施方法和系统 |
| US20140232581A1 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Raytheon Company | System and method for reconstruction of sparse frequency spectrum from ambiguous under-sampled time domain data |
| CN109902076A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-06-18 | 上海创远仪器技术股份有限公司 | 针对长曝光对比频谱图进行大数据处理的系统及其方法 |
-
2020
- 2020-07-30 CN CN202010754073.5A patent/CN112105033A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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