无线电频谱管理电磁兼容分析系统

无线电频谱管理电磁兼容分析系统建设初探
曹阳    吴俊杰   吉善兵 为了帮助更多的无线电管理工作者了解无线电频谱管理电磁兼容分析系统，充分认识电磁兼容分析系统在无线电管理中的重要作用，并希望能够积极参与电磁兼容分析系统的建设，故撰写此文与大家共同探讨。
   一、概述
   随着社会经济发展和科学技术进步，无线电通信事业蒸蒸日上，无线电新技术、新业务和新产品层出不穷，各类台站数量高速增长，电磁环境日益复杂，对频谱资源实施有效管理的难度愈来愈大。特别是在中国入世和政府转变职能的新形势下，无线电管理工作的要求和标准越来越高，利用传统的手工方式管理台站，凭借传统的经验审批频率以及被动式查找干扰等管理行为，已不能适应新形势、新任务的要求。因此建立电磁兼容分析系统并将其应用到频谱管理中，正是提高无线电管理科学化、自动化水平的重要技术手段，也是适应无线电通信事业发展的必然趋势。
    国外发达国家早在60、70年代就已将电磁兼容分析技术应用于无线电频谱管理工作中，取得了很好的成效，并积累了大量可借鉴的成功经验和资料。进入90年代，随着无线通信和计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术已经成为电磁兼容分析必不可少的手段之一，出现了不少专业化的制作公司以及成熟的电磁兼容分析软件产品，如法国ATDI公司的ICS软件、CRIL公司的ELLIPSE软件、德国LS公司的通用EMC软件、瑞典AerotechTelub公司的WRAP软件等，为频谱管理和网络规划提供了较为全面的解决方案。我国电磁兼容分析系统建设虽然起步较晚，但得到了国家、省、市各级无线电管理机构的高度重视，国家无线电管理机构在“十五”期间已正式将电磁兼容分析系统建设作为无线电管理技术设施建设的一项重要内容纳入计划之中。目前国家以及福建、河北等省已着手建立并尝试使用电磁兼容分析系统，国内的一些软件公司如深圳现代公司、清华同方公司等也相继开发出具有自主知识产权的软件产品，为我国电磁兼容分析系统的建设起到了积极的引导和推动作用。

   二、电磁兼容分析系统的主要应用和关键因素
    1、基于频谱管理的电磁兼容分析的内涵
    电磁兼容分析（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是指无线电通信设备或系统在一个公共的电磁环境中完成其本身设计功能的同时，对于同一个环境中的其它设备既不会产生也不会遭受到因电磁干扰而引起的不可接受的通信质量劣化，为使之共存和评价其共存能力而进行的技术分析计算。
    频谱管理中的电磁兼容分析是以频谱资源数据库和台站数据库为基础，以三维地理信息系统为依托，通过选择合理的电波传播模型，利用计算机系统来完成大量复杂而繁琐的无线电场强预测与分析、覆盖区分析、干扰分析、频率指配、频率与台站协调以及边界协调等频谱共用的分析计算工作，达到合理指配无线电频率，减少台站间的干扰，提高无线电频谱使用效率的目的。

    2、电磁兼容分析系统在频谱管理中的主要应用
    对于无线电管理部门而言，为使各类无线电业务之间以及系统之间实现频谱共用，通信系统和无线电电台的通信质量得到切实的保障，应尽力避免有害干扰的产生。为此，必须在频率规划、分配、指配和协调过程中综合考虑时间、空间、地理、频率和设备特性等各种因素，分析产生干扰的大小及影响范围，评价干扰的危害程度，为频谱管理提供可靠的技术依据。
    电磁兼容分析系统在无线电频谱管理中主要应用概括起来有以下三个方面：
    一是解决无线电通信系统之间或台站之间潜在的干扰问题，对可能受到或产生的干扰进行预测、分析并评估干扰的影响和危害程度，对已形成的干扰分析原因，提供解决干扰的有效办法；
    二是为频率的规划、指配以及频率协调提供科学依据，有效提高频率管理的效率和审批的质量；
三是评估和审查无线电通信系统的技术设计网络规划方案，确定台站的覆盖范围和核定合理的工作参数，以确定最佳频谱利用方案。

3、建立有效的电磁兼容分析系统的关键因素
    电磁兼容分析系统的核心问题是研究解决不同无线电通信系统间频谱共用问题。建立有效的电磁兼容分析系统决定于三个关键因素：
    （1）要建立与之相配的频谱管理数据库。频谱管理数据库是利用计算机系统进行公共电磁环境仿真和电磁兼容分析的基础，它主要由三部分组成：一是频率资源数据库，其内容包括国际国内频率划分数据，国家频率规划和分配数据，国家、军队、专业系统和省、市频率指配数据等；二是台站数据库，包括1）台站行政管理数据，如设台单位、台站类别、站址信息、执照信息、使用设备和天线等；2）台站技术特性数据，如使用发射和接收设备技术特性参数、天线特性参数等；3）台站使用频率、收/发设备和天线等对应关系数据。三是频谱监测数据库，包含反映现实无线电频谱占用情况数据和空中无线信号特性测试结果，用于与电磁兼容分析和覆盖预测计算的结果进行比对验证。频谱管理数据库结构关系的合理性、数据的完整性和内容的准确性，直接关系到电磁兼容分析系统的有效使用和分析计算结果的正确性。
    （2）要具备一整套科学的涵盖主要频段、适用于不同无线电业务的电波传播模型，如用于VHF/UHF业务的奥村模型和用于广播业务的ITU-R-REC.370-5模型等。电波传播模型的科学性和选用的正确性以及必要的修正和好的算法设计，直接关系到电磁兼容分析计算的效率和预测结果的可信度。
    （3）要构筑适当精度和图层的专用地理信息系统平台，提供用于EMC分析计算的地形地貌图层、用于标识地理属性的矢量图层和用于背景显示的行政、交通图层等数据。地理信息系统中数字地图的精度、图层和数据格式的确定以及数据应用技术至关重要，这些因素与所要分析的业务和选择的分析软件密切相关，直接影响到系统分析计算精度和效率以及地理信息系统建设成本，必须结合实际综合考虑。
   下图1、2分别给出了常见无线电业务与EMC适用图层的对应关系和与EMC适用图层的对应分辩率的关系，以便大家选择参考。

图1、常见无线电业务与EMC适用图层的对应关系
　无线电业务类型图层类型 卫星覆盖区 卫星干扰计算 监  测 陆地移动(VHF、UHF等) 短  波 电视和调频广播 微 波 接 力 无线接入(WLL、LMDS等) GSM、CDMA 3 G
背景地图（行政区划） ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★
背景地图（道路交通） ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★
卫星正射影像 ★★ ★★ ★★ ★★
DTM(地形高度) ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★
DEM(地面高度含建筑物) ★ ★ ★★ ★★ ★★ ★ ★★
地貌 ★ ★ ★★ ★ ★ ★ ★★ ★★
人口密度 ★ ★ ★★ ★★ ★★
★★ 非常有用;★ 有用

图2：常见无线电业务与EMC适用图层的对应分辨率的关系
　   无线电业务类型图层分辨率 卫星覆盖区 卫星干扰计算 监  测 陆地移动(VHF、UHF等) 短  波 电视和调频广播 微 波 链 路 无线接入(WLL、LMDS等) GSM、CDMA 3 G
非栅格数据 ★
1000米 ★★
500米 ★
200米 ★★ ★ ★ ★★ ★
100米 ★ ★★ ★★ ★★ ★
50米 ★★ ★★ ★ ★★ ★★
20米 ★ ★ ★★ ★ ★★ ★★
10米 ★ ★★ ★ ★★
5米 ★★ ★
1米
★★ 非常有用; ★有用
   三、电磁兼容分析系统建设的目标和原则

1、建设目标：
    按照国家无线电管理技术设施建设“十五”规划的要求，结合当地无线电管理工作实际和应用水平，借鉴采用先进成熟的技术，开发建设基于无线电管理信息系统频谱管理数据库和地理信息系统平台的电磁兼容分析系统，加速推进本地区无线电频谱管理的科学化、自动化和现代化进程。

2、建设要求：
    1、能与无线电管理信息系统有机结合，整个系统的总体构架设计应基于Client/Server结构，可在本地广域网络环境下运行。
    2、系统适用于不同频段的主要无线电业务类型，如陆地移动业务，微波固定业务，卫星通信业务等。
    3、拥有符合国际ITU标准基本传播模型和经过验证的专用传播模型，适用于不同地形地貌特征；
    5、能进行符合国际/国内标准的主要无线电业务间的干扰分析和互调计算；
    6、能提供方便、快捷的频率自动选择，提高频率审批科学性和频谱的利用率。
    7、具备常用无线电通信系统的场强计算和覆盖预测，无线电链路设计和分析，系统内、系统间干扰协调计算。
    8、具有图形化的统一操作界面，与GIS系统有机集成，实现无缝连接，能够提供三维数字地图显示，具备在二维和三维数字化地图上显示频率台站数据，分析计算结果等。
9、能生成符合要求的完整的分析图表、结果报告。

3、建设原则
    1、先进性与经济实用相结合原则。采用先进、成熟的技术和产品，满足当前及今后一段时间对电磁兼容分析的需求。
    2、与无线电管理信息系统相结合原则。作为应用软件的电磁兼容分析系统纳入无线电管理信息系统平台，实现与信息系统总体集成。
    3、可扩展原则。EMC系统软件结构要具有充分的可扩展能力，以适应无线电管理发展的需要。
    4、可升级原则。在开发过程中应考虑软件的移植和升级。
    5、开放性原则。充分考虑到与其它系统（如台站数据库、监测测向系统、频率规划管理系统等）之间的互连互通，通过信息交换机制实现资源共享。
6、易操作性原则。采用GUI图形界面接口，遵循通用标准和规范，界面设计力求简洁、美观，尽量减少键盘输入以方便操作。

    
四、电磁兼容分析系统的结构
1、基于信息系统平台上的EMC系统结构图
2、EMC系统与信息系统数据库关系图
3、EMC与业务管理系统的关系说明
    （1）频率管理系统生成的频率划分、规划、分配等数据存储在基础数据库中，EMC系统可以按需调用数据，但不能更改。
    （2）台站管理系统在设台过程中，需要进行电磁兼容性分析。EMC系统需要调用台站管理系统中的台站数据，包括发射机、接收机、天馈线以及设备数据等，但不能更改。
    （3）监测系统将监测数据存储在数据库中，EMC系统可以按需调用数据，并将场强预测结果与实际监测数据进行分析比较，调整相关参数以便更精确的做出场强预测。
    （4）地理信息系统（GIS）实现对数字化地图数据的存取以及相关操作，EMC系统进行技术分析计算时，可直接从地理信息系统调用相关的基础地理信息数据（如地形、地貌等），并可集成和拓展GIS具有的基本功能，EMC系统不对数字化地图数据进行更改（专用数字化地图的制作不包括在内）。
    （5）设备参数管理系统实现对各种台站设备的基础技术参数进行管理，如发射信机、接收机和馈线等，且与台站数据库建立关联，间接为EMC系统提供技术参数。
    （6）天线参数管理系统实现对各类天线的技术参数收集、存储和管理等，包括天线的频率范围、口径、极化、天线方向性图以及垂直面（E）的各向增益值和水平面（H）的各向增益值等，且与台站数据库建立关联，间接为EMC系统提供技术参数。

五、电磁兼容分析系统描述

1、主要功能描述
    
   （1）同、邻频干扰分析
    主要依据发射机功率谱密度特性、接收机选择性特性、地形和地理气候条件、台站的位置、发射机和接受机的各项电气参数等，然后使用合理的传播模型与算法等，从而模拟出实际在接收端收到的干扰信号功率或场强，以及载波干扰比C/I。在分析不同业务类型（包括频段的不同，覆盖区的不同等）时应采用不同的干扰分析模型，干扰的判别标准应以国际电联（ITU）和国家标准为依据。，
   （2）无线链路性能分析（含微波链路）
    基于数字地图和相应的传播模型，可进行路径剖面、链路空间场强分布以及微波菲涅尔区显示。在微波链路设计中，可以对微波链路的通路情况进行分析，包括微波站址选择是否合理、台站技术参数的审核以及微波站接收电平的计算等；在短波通信中，可确定电离层反射链路的最佳工作频率FOT，最高可用频率MUF以及最低工作频率等关键参数。
   （3）互调分析
    同站址、邻站址台站的互调干扰分析。互调分析包括2信号和3信号二阶与三阶互调分析和五阶互调；互调分析既包括发射机互调也包含接收机互调分析。对某一受干扰信号或预指配频率，考虑各种互调类型并基于传播模型与互调门限电平，计算出对其可能产生互调干扰的各种台站、频率组合，并自动生成报告。
   （4）频率自动选择（辅助频率指配）
    在新设台站预指配频率过程中，进行信道质量预测，分析预选频率对已存在频率、台站的影响，并为各种台站的频率指配提供技术支持。
   （5）场强覆盖预测
    根据已设台站或拟设台站提供的技术资料，调用相关的传播模型算法进行场强覆盖预测，包括区域覆盖和覆盖等值线计算等。分析计算结果在地图上进行显示，并以不同的颜色表示场强大小。
   （6）边界协调
    对在不同行政区边界附近设台进行协调指导，达到己方设台不会对相邻行政区内台站造成干扰；同时分析相邻行政区内的台站是否对本区域内台站造成干扰。
   （7）微波与卫星地球站系统设计和干扰协调分析
    即点对点、点对多点微波系统的分析和频率分配以及微波站与地球站之间的干扰与协调计算。
    微波通信系统的设计与分析功能应包括地形剖面分析，通路分析与设计，天线高度和EIRP的优化设计，接收电平的模拟仿真，大气吸收损耗计算、雨衰减预测、多径衰落预测、衰落储备计算等。
    根据最新的ITU－R SM.1448方法或ITU附录S7方法提供卫星地球站与地面业务的协调、干扰分析，确定卫星地球站的协调区范围并图形化显示；既要考虑干扰信号的大圆传播模式，也应考虑雨散射下的传播模式，包括与微波链路的干扰协调等。
   （8）GIS功能
    在EMC系统中嵌入实现地图的一系列操作，包括地图的缩放、漫游、图层管理、图幅管理以及应用图生成、保存和管理等功能。它不仅包括GIS工具提供的基本功能，还应根据系统的实际需要，扩展新的功能，如提供完全3D地图显现，支持多种投影坐标系统变换等。
   （9）报告自动生成功能
    允许用户自定义报告格式，包括LOGO 图标以及页眉页脚，并保存报表格式，以便多次使用，全局共享。报告可以多种格式的文件存储。
   （10）图形制作功能
运行EMC系统的相关功能模块之后，可以在电子地图上生成以下图形：场强分布图、场强等值线图、业务区（覆盖区）图、通信可靠度等值线图、C/I等值线图、地形剖面图、微波链路连接图、微波电路通路图、同频站址分布图、邻频站址分布图、地球站协调区图等各种实用图形。

2．EMC系统分析模型
    （1）常用无线电传播模型
传播模型名称 适用频率范围 适用业务 特    点
自由空间模型（Free-Space） 0Hz-300GHz 通用 最简单的几何光学模型
航空模型（Aeronautical） 30MHz-30GHz 航空 适用于航空器与航空器，或航空器与地面之间的分析计算
Flat-Earth 30MHz-10GHz 通用 平滑地形，考虑多径影响
奥村（Okumura） -Hata 1 150MHz-1.5GHz 陆地移动 包括多种天线有效高度计算方法
奥村（Okumura）-Hata 2 1.5GHz-2GHz 陆地移动 包括多种天线有效高度计算方法;在原形基础上对1800MHz进行扩展
Longley Rice 20MHz-40GHz 通用 区分视通区，衍射区以及远区
Egli城区模型 30MHz-10GHz 通用 城市环境
ITU 370 30MHz-1GHz 广播 370-5、370-6、370-7可选
ITU 567 30MHz-1GHz 广播 ITU 370的简化版本，考虑时间概率以及空间概率
ITU 533 2MHz-30MHz 短波 可指定工作月份，时间，太阳黑子活动因子等；包括一定的天线数据
ITU 530 800MHz-70GHz 微波 时间概率、湿度、温度、降雨概率等
ITU 452 >0.7GHz 微波卫星 衍射、对流层散射、时间概率、湿度、温度等
ITU 368 10kHz-30MHz 短波通信短波广播 远区场、近区场分别考虑，可指定介电常数与电导率；
ITU 1147 150kHz-1.7MHz 中、长波通信 可指定工作月份、时间、太阳黑子活动因子等
    除以上模型外，EMC系统也可以采用其它经过实际应用并得到检验，基于详细地理信息或统计信息的传播模型，但必须保证分析结果的合理性。
    （2）发射机模型
    包括中心频率、频率下限、频率上限、带宽、信道编号、功率密度曲线等。
    （3）接收机模型
    包括中心频率,频率下限,频率上限,带宽,信道编码,频响曲线等。
    （4）天线模型
    包括天线增益、架设高度、类型、俯仰角、方位角、主瓣方向、水平代码、垂直代码、极化方式、水平面同极化方向图、垂直面同极化方向图、水平面交叉极化方向图、垂直面交叉极化方向图等。

3、EMC系统接口要求
  系统应具备灵活的数据访问接口，与其他相关系统包括台站数据库、监测数据库以及频率资源数据库进行方便的连接、访问与数据调用。具体可以从台站数据库导入发射机、接收机、天线方向图以及天线有效高度数据，从频率资源数据库导入频率数据，从监测数据库导入如电平、占用度、测向等监测数据；也可以将EMC系统分析的结果数据分发到OA系统。数据接口采用开放式标准格式，比如XML等。