未来频谱监测系统需具备三大技术能力

作为频谱管理（各国均非常重视）的“眼睛”和“耳朵”，“频谱监测”主要用于无线频谱资源管理、无线电台站管理、电磁环境管理。随着无线电通信系统持续、快速向前发展，频谱监测系统也需要相应地演进。2016年1月28日，ITU-R（国际电信联盟无线电通信局）发布技术报告“Spectrum monitoring evolution（频谱监测的演进）”，具有较大参考价值，本文及时介绍其中的主要内容。

1、无线电通信系统频谱利用方式演进及对于未来频谱监测系统的能力要求

无线电通信系统正在持续、快速地向前演进（典型代表为软件定义无线电技术及认知无线电系统）。目前，无线电通信系统的频谱利用方式主要为采取自适应频率使用、同频复用、宽带接入、频谱扩展（包括频谱直接序列扩展与跳频）等技术。

因此，相应地，未来的频谱监测系统应具有面向各种新兴无线电通信技术与系统的监测能力，主要包括三大方面：微弱信号检测（detection of weak signal）、同频信号分离（co-frequency signal separation）、多模定位（multi-mode location。基于数字信号处理及各种相关定位技术的组合）。下文分别简要介绍。

2、微弱信号检测能力

当下，越来越多的新兴无线电通信系统采取使用更高的频率、使用更宽的工作带宽、具备更低的功率。但是，在某些情况下，有用信号的功率可能比背景噪声微弱。这样，采用现有的、敏感度有限的频谱监测系统就难以检测出低功率密度的微弱信号并对其进行定位。

因此，未来的频谱监测系统应提高灵敏度，采取先进技术从背景噪声中提取出有用信号，以检测具备低功率密度特性的微弱信号。

该ITU-R技术报告还给出了未来频谱监测系统可用以检测微弱信号的四大技术：锁定放大器（locked-in amplifier，是交叉关联技术于某种程度上的应用）、采样积分（sampled integration）、关联（correlation。又进一步分为交叉关联cross-correlation与自动关联auto-correlation）、自适应噪声消除（adaptive noise cancelling）。每项技术的具体内容描述可进一步查阅文献[1]。

3、同频信号分离（于不同维度）能力

目前，越来越多于现网中部署的新兴无线电通信发射机或系统均在不同维度（如时域、码域、空间域等）共享使用有限的无线频谱资源（比如，很多不同类型的蜂窝移动通信系统及HF（高频）通信系统均采用这种同频工作模式）。所带来的问题是，会出现很多有意或无意的同频干扰。

此外，一些高级无线电通信系统同时采取多种同频复用技术，在此种情况下，一个频谱监测台站就可能会接收到来自于工作在同一频率上的不同发射机的信号，并易造成同频干扰。

该ITU-R技术报告指出，若继续采用现有的、功能有限的频谱监测系统，则很难区分这些同频信号。因此，未来的频谱监测系统就应采取采用先进技术，具备对不同维度（时域、码域、空间域等）的同频信号进行分离的能力。

报告还给出了未来频谱监测系统可用以分离（于不同维度）同频信号的两大技术：单信道分离技术（single-channel separation）和多信道分离技术（multi-channel separation）。前者又可细分为强信号恢复（strong-signal recovery）与单信道独立成分分析（single-channel independent component analysis）技术。后者又可细分为基于空间频谱的波束赋形（spatial spectrum based beam-forming）与多信道ICA（multi-channel ICA）技术。

4、多模定位能力

不同维度（时域、码域、空间域等）的无线电通信信号都承载着地理位置相关信息，从而，可通过采取相关技术及用于信号定位的计算机处理算法来提取此类地理位置信息。

当下，DSP（数字信号处理）与网络能力（networking capability）越来越强大。而且，基于DSP与网络的设备价格也在不断降低，接近承受能力。

该报告指出，未来的频谱监测系统若基于DSP算法与网络技术，则将可更易识别于不同域（包括幅度域、频率域、时域、空间域、码域等）、具备不同特性的无线电通信发射机。

因此，未来的频谱监测系统可采取多模定位技术可对处于不同环境中的发射机进行定位。

该报告还给出了用于多模定位的五大定位技术：到达角（AOA，angle of arrival）、到达时间差（TDOA，time difference of arrival）、到达频率差（FDOA，frequency difference of arrival）、达到功率（POA，power of arrival）、ID辅助（ID-aided）。

5、应加强更先进频谱监测技术及其应用方式的研究

该报告在其“结论”部分指出，为适应各类新兴无线电通信系统快速发展的需求，业界应研究更先进的频谱监测技术及其应用方式。并列举了先进频谱监测技术的应用示例。

参考文献：

[1] ITU-R. Report ITU-R SM.2355-0—Spectrum monitoring evolution[EB/OL].
http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-SM.2355-2015-PDF-E.pdf, 2016-01-28.