专利名称：频谱占用度的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及频谱占用度的测量方法及装置。
背景技术：
无线电频谱资源是不可再生的重要资源，在频谱管理中频谱的有效利用是应当考虑的重要因素之一。频谱占用度是频谱有效利用的体现，频谱占用度的测量结果不仅可以为频谱管理人员提供有关频谱实际使用情况的信息，方便频谱管理人员指配频率，同时还可以为频率主管部门提供频谱使用趋势的信息。频谱占用度测量是日常无线电频谱监测工作中的一项重要内容。
目前，关于频谱占用度的测量方法有很多，大多数的测量方法是在长时间的测量基础上求出占用度的数值。但是这些测量方法有两个问题没有考虑，即一、占用度的可信程度，即置信区间，所测得的占用度的可靠性无法判断；二、占用度的精确程度，即相对精度。对实际监测工作来说，占用度的意义在于在保证一定可信度的情况下，如何用尽可能少的工作去获得尽可能多的频率占用信息。根据统计学原理，国际电联(ITU)提出了关于占用度测量的指导方法，明确了可信程度和精确程度的概念。置信区间、相对精度能让测试人员知道测试的结果可靠程度，在保证一定置信水平和相对精度的条件下，可以大大缩短测量时间，提高设备的使用效益。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术存在如下不足 在实际测量中，ITU的测量方法采用泊松分布的数学模型进行频谱占用度测量，有一定的局限性ITU的测量方法适用于占用度小的情况，对于占用度大的情况，置信区间上限会出现大于100％的不合理情况，并且，采样点的数量较多，使测量过程较为复杂繁锁。
发明内容
本发明实施例提供一种频谱占用度的测量方法，用以保证所测量的频谱占用度具有合理的置信区间，在相同置信水平和相对精度的条件下，减少采样点的数量，该方法包括 检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列； 根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。
较佳的，所述比较结果序列为随机过程X(n) X(n)＝Xi，X(n)服从参数为ρ的0-1分布，X(n)的概率密度函数为 f(x，ρ)＝ρx(1-ρ)1-x，其中x＝0，1，0＜ρ＜1，n为正整数。
较佳的，根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度，包括 根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)；其中，
表示样本均值，即频谱占用度的估计值。
较佳的，根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度的置信区间，包括 确定其中
是均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值；1-α为置信水平； 等价于 若 则b2-4ac≥0，获得A≤ρ≤B，其中[A，B]为ρ的区间估计； 根据求根公式，获得 较佳的，根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度的相对精度，包括 获得相对精度Y 本发明实施例还提供一种频谱占用度的测量装置，用以保证所测量的频谱占用度具有合理的置信区间，在相同置信水平和相对精度的条件下，减少采样点的数量，特别是对于大占用的情况，该装置包括 检测模块，用于检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列； 估计模块，用于根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。
较佳的，所述检测模块获得的比较结果序列为随机过程X(n) X(n)＝Xi，X(n)服从参数为ρ的0-1分布，X(n)的概率密度函数为 f(x，ρ)＝ρx(1-ρ)1-x，其中x＝0，1，0＜ρ＜1，n为正整数。
较佳的，所述估计模块具体用于 根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)；其中，
表示样本均值，即频谱占用度的估计值。
较佳的，所述估计模块具体用于 确定其中
是均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值；1-α为置信水平； 等价于 若 则b2-4ac≥0，获得A≤ρ≤B，其中[A，B]为ρ的区间估计； 根据求根公式，获得 较佳的，所述估计模块具体用于 获得相对精度Y 本发明实施例中，检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列；根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度；不同于现有技术中采用泊松分布的数学模型进行频谱占用度测量，可以保证所测量的频谱占用度具有合理的置信区间，并且，在相同置信水平和相对精度的条件下，采样点数量比现有技术的采样点数量少很多，特别是对于大占用的情况。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中 图1为本发明实施例中频谱占用度的测量方法的流程图； 图2为本发明实施例中随机过程的示意图； 图3为本发明实施例中相对精度随采样点变化的情况示意图； 图4为本发明实施例中占用度与采样点的关系示意图； 图5为本发明实施例中频谱占用度的测量装置的结构示意图。
具体实施例方式 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为清楚说明本发明实施例方法，先简要说明频谱占用度的统计学内涵 占用度是一个统计值或者说是估计值。在监测时间内，信号场强超过某一给定门限，则称为占用；反之信号场强低于门限则称为未占用，所以给定信道的发射占用情况是一个2状态的随机过程。因为信道状态是随机的，所以无法确定任意给定时刻的状态，但是信道状态能用一定概率来描述。
连续测量某一个信道一段时间，占用的时间百分比就是占用度。假如连续测量某一信道一个小时，算出来占用度是25％，那么对于这个信道在这一个小时内25％的占用度是准确的；如果在这小时内只做了有限次的观测(或测量)，就不能完全准确的给出占用度，但是可以去估计占用度。从统计学的角度，对占用度的描述是通过有限个样本对总体进行估计。
根据上述频谱占用度的统计学内涵，本发明实施例提供一种频谱占用度的测量方法，该方法不同于现有技术中采用泊松分布的数学模型进行频谱占用度测量，而是如图1所示，包括 步骤101、检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列； 步骤103、根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。
由图1所示流程可以得知，本发明实施例中，在获得比较结果序列后，是根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度，与现有技术相比，能够使所测量的频谱占用度具有合理的置信区间，并且，在相同置信水平和相对精度的条件下，采样点数量比现有技术的采样点数量少很多，特别是对于大占用的情况。下面将对此作进一步详细说明。
如图2所示，定义随机变量V和W。V是发射时间，是在监测时间T内，信号场强连续超过门限Li的持续时间。W是在发射之间的时间间隔。T是监测时间。假设T远大于V和W的平均值。
定义随机过程X(t)是一个2值的随机过程，该随机过程X(t)即是图1中所述信号场强与门限的比较结果 X(t)＝1，表示信号场强在t时刻超过门限Li； X(t)＝0，表示信号场强在t时刻未超过门限Li。
因此，随机变量V可以看作是随机过程X(t)连续取1的时间；W可以看作是随机过程X(t)连续取0的时间。
这里定义分数β(Li，T)，表示在T时间内，X(t)在取1的时间，占总时间T的比例。这里β(Li，T)就是占用度。因为W和V都是随机变量，所以β(Li，T)也是一个随机变量，且为连续型随机变量。
假设随机变量W和V相互独立，V+W具有连续的分布。
所以根据极限定理 而在0到T时刻内，β(Li，T)符合渐进正态分布，所以 这里，μ是随机变量β(Li，T)的数学期望，也就是占用度的平均值；σ是β(Li，T)的方差。可以证明 这里，E(V)表示随机变量V的数学期望，D(V)表示随机变量V的方差。
由此可见，只要掌握了μ和σ，那么随机变量β(Li，T)的分布也就确定了。而μ＝P[X(t)＝1]＝ρ，ρ是取1的概率，也就是信号超过门限的概率。
因此，通过定义2值随机过程X(t)，将占用度问题转化为对ρ值的估计问题。测量结果是一系列的0-1序列，测量结果之间相互独立，这属于伯努利(Bernoulli)试验。
在实际测试中，对频谱占用度的测量通过接收机快速扫描完成。相当于对X(t)进行抽样，然后计算β(Li，T)，即在实施步骤101检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列；该比较结果序列可以记为随机过程X(n) 令X(n)＝Xi，则比较结果序列X1，X2，X3，…Xi可以表示为0和1组成的序列。这里1表示检测到的信道内信号场强超过门限，0表示检测到的信道内信号场强未超过门限。
为对比说明本发明实施例方法及其有益效果，下面将现有技术中ITU的测量方法与本发明实施例方法进行对比说明 一、估计频谱占用度 现有技术的ITU测量方法中 假设在n次测试中，信道被占用次数为c。则占用度的最大似然估计为 本发明实施例的测量方法中 比较结果序列X(n)服从参数为ρ的0-1分布，X(n)的概率密度函数为 f(x，ρ)＝ρx(1-ρ)1-x，其中x＝0，1，0＜ρ＜1，n为正整数。
根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)；其中，
表示样本均值，即频谱占用度的估计值。
二、估计频谱占用度的置信区间，以确定频谱占用度的可信程度 现有技术的ITU测量方法中 对于每一次扫描，信道被占用的次数服从伯努利分布；对于M次扫描中，信道被占用次数m则服从二项分布 所以在M次扫描中，至少检测到信道被占用一次的概率为 P＝1-P(X＝0)＝1-(1-ρ)M(7) 所以 这里P是要求的置信水平。
令P＝0.99，便可得到在99％置信水平下，判定指定信道被占用所需要的测量点数，见表一。当然，这些测量是独立的。
表一 表一说明，如果在给定信道做了4603次测量，但是没有检测到信号。那么可以以99％的置信水平相信该信道占用度在0.1％以下。
由于在监测时间一定的条件下(即测试点数一定)，ρ值越小，对ρ的估计越不精确，所以采用置信区间的方法对占用度很小的情况进行分析。也就是说不仅要知道ρ的近似值，还要知道对ρ进行估计的精确程度。这里需要注意的是 现有技术中讨论的是小概率事件，这里ρ≤0.1，有了这个前提才能使用泊松分布的结论； 置信区间是一组随机的区间，不管ρ取何值，这个区间都以一定的概率(又叫做置信水平)包含ρ。这里置信水平为1-α。
令U和L分别为泊松分布的上、下置信界限，则利用已知公式有
为均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值。
而均值为0、方差为1的正态分布上、下边界上的值可以查表二得到 表二
再令pU和pL分别为p的上、下置信界限，则利用已知公式有 举个例子，假设测量了4000次，其中有80次检测到信道被占用，即n＝4000，c＝80。
则信道占用度的最大似然估计为 令1-α＝0.9，即设定置信水平为90％，则查N(0，1)正态分布的置信界限表，可以得到U＝96.3，L＝65.8，所以根据公式(14)可以得到pU＝0.0240，pL＝0.0165。
所以可以得出结论以90％的置信水平判定信道占用度在1.65％到2.4％之间。
而本发明实施例的测量方法中 在根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)后，可以估计频谱占用度的置信区间，包括确定其中
是均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值；1-α为置信水平； 等价于 若 则b2-4ac≥0，获得A≤ρ≤B，其中[A，B]为ρ的区间估计； 根据求根公式，获得 三、上述实施例给出了置信区间，这是一个绝对量，在实际测量中，相对的精度也需要考虑。下面估计频谱占用度的相对精度，以确定频谱占用度的精确程度 现有技术中ITU的测量方法中 相对精度可以定义为 相对精度可理解为给定置信水平条件下的相对精确程度。对于上面的例子，置信水平为90％，而c＝80，所以所以相对精度为19％。如果c＝8，则(U-L)/16＝0.656，此时的相对精度为66％。
在ITU的建议以及《频谱监测手册》中，都是规定了置信水平和相对精度条件下，给出测量点数的建议。例如在95％置信水平条件下，如果要达到10％的相对精度，根据公式可以算出c＝390，也就是说测到信道被占用的次数要达到390次，结合信道占用度则可以算出n，即所需要测试的总的点数。假如信道占用度为10％，则n＝c/ρ＝3900，即需要3900个独立点；假如信道占用度为15％，则n＝c/ρ＝2600，即需要2600个独立采样点。
而本发明实施例的测量方法中 设接收机扫描测量了n次，检测出m次被占用，已知在95％置信水平条件下，即而 相对精度Y 如果已知，即占用度已知，则相对精度随采样点变化的情况如图3所示。若给定相对精度为10％，在95％置信水平条件下，即 图4示出了在10％相对精度和95％置信水平下，占用度与采样点之间的关系。由图4可以看出，在10％相对精度和95％置信水平条件下，占用度和需要的独立采样点数之间的关系，如表三 表三 对比表三与ITU-R建议.185-2是有区别的，这种区别的原因在于ITU-R建议.185-2采用的是泊松分布的数学模型，本发明实施例中根据大数中心极限定理采用的是正态分布的数学模型。因为泊松分布用于描述小概率事件，即ρ很小的情况，也即占用度
很小的情况。从表三也可以看出在占用度较低的条件下，独立采样点的数量相差不大，而随着占用度的增大，独立采样点的数量差异越来越大，对于非独立采用点同样如此。在相同置信水平和相对精度的条件下，本发明实施例中采样点数量比现有技术的采样点数量少很多，特别是对于大占用的情况。
在实际工作中，进行占用度测试之前，还可以设置一些参数，例如，首先可以估计发射时长，然后可以根据发射时长设置能够接受的回扫时间，同时也可以考虑设置需要监测的频段宽度以及扫描步长(即信道的宽度)。接下来可以设置门限电平，在保证接收系统具有一定灵敏度的条件下，门限电平可以设置得尽可能的低，但是要注意避免记录噪声。特别是对于小信号比较多的情况，门限设置高了容易漏掉信号，门限设置低了容易把噪声算进来，引入测量误差。另外，还可以记录的信息有测试位置、回扫时间、测试时间、频率、以及占用度数值等。
测试用接收机的中频滤波器可以有高选择性，其形状因子可以为2∶1或者更好。出于速度上的要求，也可以使用高斯滤波器。为了不漏掉信号，通常分辨率带宽的设置可以比扫描步长略大。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可以包括上述实施例方法中的全部或部分步骤，所述的存储介质可以包括ROM、RAM、磁盘、光盘等。
本发明实施例中还提供了一种频谱占用度的测量装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与频谱占用度的测量方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
如图5所示，本发明实施例中频谱占用度的测量装置可以包括 检测模块501，用于检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列； 估计模块502，用于根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。
一个实施例中，检测模块501获得的比较结果序列为随机过程X(n) X(n)＝Xi，X(n)服从参数为ρ的0-1分布，X(n)的概率密度函数为 f(x，ρ)＝ρx(1-ρ)1-x，其中x＝0，1，0＜ρ＜1，n为正整数。
一个实施例中，估计模块502具体可用于 根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)；其中，
表示样本均值，即频谱占用度的估计值。
一个实施例中，估计模块502具体可以用于 确定其中
是均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值；1-α为置信水平； 等价于 若 则b2-4ac≥0，获得A≤ρ≤B，其中[A，B]为ρ的区间估计； 根据求根公式，获得 一个实施例中，估计模块503具体可以用于 获得相对精度Y 综上所述，本发明实施例中，检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列；根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计出频谱占用度；不同于现有技术中采用泊松分布的数学模型进行频谱占用度测量，可以保证所测量的频谱占用度具有合理的置信区间。并且，本发明实施例中，在相同置信水平和相对精度的条件下，采样点数量比现有技术的采样点数量少很多，特别是对于大占用的情况，简化了频谱占用度的测量过程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种频谱占用度的测量方法，其特征在于，该方法包括
检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列；
根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比较结果序列为随机过程X(n)
X(n)＝Xi，X(n)服从参数为ρ的0-1分布，X(n)的概率密度函数为
f(x，ρ)＝ρx(1-ρ)1-x，其中x＝0，1，0＜ρ＜1，n为正整数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度，包括
根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)；其中，
表示样本均值，即频谱占用度的估计值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度的置信区间，包括
确定其中
是均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值；1-α为置信水平；
等价于
若
则b2-4ac≥0，获得A≤ρ≤B，其中[A，B]为ρ的区间估计；
根据求根公式，获得
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计出频谱占用度的相对精度，包括
获得相对精度Y
6.一种频谱占用度的测量装置，其特征在于，该装置包括
检测模块，用于检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列；
估计模块，用于根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测模块获得的比较结果序列为随机过程X(n)
X(n)＝Xi，X(n)服从参数为ρ的0-1分布，X(n)的概率密度函数为
f(x，ρ)＝ρx(1-ρ)1-x，其中x＝0，1，0＜ρ＜1，n为正整数。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述估计模块具体用于
根据大数中心极限定理，确定近似服从N(0，1)；其中，
表示样本均值，即频谱占用度的估计值。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述估计模块具体用于
确定其中
是均值为0、方差为1的正态分布
处的上边界值；1-α为置信水平；
等价于
若
则b2-4ac≥0，获得A≤ρ≤B，其中[A，B]为ρ的区间估计；
根据求根公式，获得
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述估计模块具体用于
获得相对精度Y
全文摘要
本发明公开了一种频谱占用度的测量方法，该方法包括检测信道内信号场强，并将检测到的信号场强与门限进行大小比较，获得比较结果序列；根据大数中心极限定理，将所述比较结果序列按照服从正态分布规律进行分析，估计频谱占用度及其置信区间和相对精度。本发明同时公开一种频谱占用度的测量装置。采用本发明可以保证所测量的频谱占用度具有合理的置信区间，并且，在相同置信水平和相对精度的条件下，采样点数量比现有技术的采样点数量少很多，特别是对于大占用的情况。
文档编号H04B17/00GK101789835SQ20101010360
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者段洪涛, 李景春, 曾繁声, 方箭, 崔晓曼 申请人:国家无线电监测中心