無線電頻譜管理電磁兼容分析系統(tǒng)建設初探
曹陽????吳俊杰???吉善兵 為了幫助更多的無線電管理工作者了解無線電頻譜管理電磁兼容分析系統(tǒng)，充分認識電磁兼容分析系統(tǒng)在無線電管理中的重要作用，并希望能夠積極參與電磁兼容分析系統(tǒng)的建設，故撰寫此文與大家共同探討。
???一、概述
???隨著社會經濟發(fā)展和科學技術進步，無線電通信事業(yè)蒸蒸日上，無線電新技術、新業(yè)務和新產品層出不窮，各類臺站數(shù)量高速增長，電磁環(huán)境日益復雜，對頻譜資源實施有效管理的難度愈來愈大。特別是在中國入世和政府轉變職能的新形勢下，無線電管理工作的要求和標準越來越高，利用傳統(tǒng)的手工方式管理臺站，憑借傳統(tǒng)的經驗審批頻率以及被動式查找干擾等管理行為，已不能適應新形勢、新任務的要求。因此建立電磁兼容分析系統(tǒng)并將其應用到頻譜管理中，正是提高無線電管理科學化、自動化水平的重要技術手段，也是適應無線電通信事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
????國外發(fā)達國家早在60、70年代就已將電磁兼容分析技術應用于無線電頻譜管理工作中，取得了很好的成效，并積累了大量可借鑒的成功經驗和資料。進入90年代，隨著無線通信和計算機技術的飛速發(fā)展，計算機仿真技術已經成為電磁兼容分析必不可少的手段之一，出現(xiàn)了不少專業(yè)化的制作公司以及成熟的電磁兼容分析軟件產品，如法國ATDI公司的ICS軟件、CRIL公司的ELLIPSE軟件、德國LS公司的通用EMC軟件、瑞典AerotechTelub公司的WRAP軟件等，為頻譜管理和網(wǎng)絡規(guī)劃提供了較為全面的解決方案。我國電磁兼容分析系統(tǒng)建設雖然起步較晚，但得到了國家、省、市各級無線電管理機構的高度重視，國家無線電管理機構在“十五”期間已正式將電磁兼容分析系統(tǒng)建設作為無線電管理技術設施建設的一項重要內容納入計劃之中。目前國家以及福建、河北等省已著手建立并嘗試使用電磁兼容分析系統(tǒng)，國內的一些軟件公司如深圳現(xiàn)代公司、清華同方公司等也相繼開發(fā)出具有自主知識產權的軟件產品，為我國電磁兼容分析系統(tǒng)的建設起到了積極的引導和推動作用。

???二、電磁兼容分析系統(tǒng)的主要應用和關鍵因素
????1、基于頻譜管理的電磁兼容分析的內涵
????電磁兼容分析（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）是指無線電通信設備或系統(tǒng)在一個公共的電磁環(huán)境中完成其本身設計功能的同時，對于同一個環(huán)境中的其它設備既不會產生也不會遭受到因電磁干擾而引起的不可接受的通信質量劣化，為使之共存和評價其共存能力而進行的技術分析計算。
????頻譜管理中的電磁兼容分析是以頻譜資源數(shù)據(jù)庫和臺站數(shù)據(jù)庫為基礎，以三維地理信息系統(tǒng)為依托，通過選擇合理的電波傳播模型，利用計算機系統(tǒng)來完成大量復雜而繁瑣的無線電場強預測與分析、覆蓋區(qū)分析、干擾分析、頻率指配、頻率與臺站協(xié)調以及邊界協(xié)調等頻譜共用的分析計算工作，達到合理指配無線電頻率，減少臺站間的干擾，提高無線電頻譜使用效率的目的。

????2、電磁兼容分析系統(tǒng)在頻譜管理中的主要應用
????對于無線電管理部門而言，為使各類無線電業(yè)務之間以及系統(tǒng)之間實現(xiàn)頻譜共用，通信系統(tǒng)和無線電電臺的通信質量得到切實的保障，應盡力避免有害干擾的產生。為此，必須在頻率規(guī)劃、分配、指配和協(xié)調過程中綜合考慮時間、空間、地理、頻率和設備特性等各種因素，分析產生干擾的大小及影響范圍，評價干擾的危害程度，為頻譜管理提供可靠的技術依據(jù)。
????電磁兼容分析系統(tǒng)在無線電頻譜管理中主要應用概括起來有以下三個方面：
????一是解決無線電通信系統(tǒng)之間或臺站之間潛在的干擾問題，對可能受到或產生的干擾進行預測、分析并評估干擾的影響和危害程度，對已形成的干擾分析原因，提供解決干擾的有效辦法；
????二是為頻率的規(guī)劃、指配以及頻率協(xié)調提供科學依據(jù)，有效提高頻率管理的效率和審批的質量；
三是評估和審查無線電通信系統(tǒng)的技術設計網(wǎng)絡規(guī)劃方案，確定臺站的覆蓋范圍和核定合理的工作參數(shù)，以確定最佳頻譜利用方案。

3、建立有效的電磁兼容分析系統(tǒng)的關鍵因素
????電磁兼容分析系統(tǒng)的核心問題是研究解決不同無線電通信系統(tǒng)間頻譜共用問題。建立有效的電磁兼容分析系統(tǒng)決定于三個關鍵因素：
????（1）要建立與之相配的頻譜管理數(shù)據(jù)庫。頻譜管理數(shù)據(jù)庫是利用計算機系統(tǒng)進行公共電磁環(huán)境仿真和電磁兼容分析的基礎，它主要由三部分組成：一是頻率資源數(shù)據(jù)庫，其內容包括國際國內頻率劃分數(shù)據(jù)，國家頻率規(guī)劃和分配數(shù)據(jù)，國家、軍隊、專業(yè)系統(tǒng)和省、市頻率指配數(shù)據(jù)等；二是臺站數(shù)據(jù)庫，包括1）臺站行政管理數(shù)據(jù)，如設臺單位、臺站類別、站址信息、執(zhí)照信息、使用設備和天線等；2）臺站技術特性數(shù)據(jù)，如使用發(fā)射和接收設備技術特性參數(shù)、天線特性參數(shù)等；3）臺站使用頻率、收/發(fā)設備和天線等對應關系數(shù)據(jù)。三是頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，包含反映現(xiàn)實無線電頻譜占用情況數(shù)據(jù)和空中無線信號特性測試結果，用于與電磁兼容分析和覆蓋預測計算的結果進行比對驗證。頻譜管理數(shù)據(jù)庫結構關系的合理性、數(shù)據(jù)的完整性和內容的準確性，直接關系到電磁兼容分析系統(tǒng)的有效使用和分析計算結果的正確性。
????（2）要具備一整套科學的涵蓋主要頻段、適用于不同無線電業(yè)務的電波傳播模型，如用于VHF/UHF業(yè)務的奧村模型和用于廣播業(yè)務的ITU-R-REC.370-5模型等。電波傳播模型的科學性和選用的正確性以及必要的修正和好的算法設計，直接關系到電磁兼容分析計算的效率和預測結果的可信度。
????（3）要構筑適當精度和圖層的專用地理信息系統(tǒng)平臺，提供用于EMC分析計算的地形地貌圖層、用于標識地理屬性的矢量圖層和用于背景顯示的行政、交通圖層等數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)中數(shù)字地圖的精度、圖層和數(shù)據(jù)格式的確定以及數(shù)據(jù)應用技術至關重要，這些因素與所要分析的業(yè)務和選擇的分析軟件密切相關，直接影響到系統(tǒng)分析計算精度和效率以及地理信息系統(tǒng)建設成本，必須結合實際綜合考慮。
???下圖1、2分別給出了常見無線電業(yè)務與EMC適用圖層的對應關系和與EMC適用圖層的對應分辯率的關系，以便大家選擇參考。

圖1、常見無線電業(yè)務與EMC適用圖層的對應關系
　無線電業(yè)務類型圖層類型 衛(wèi)星覆蓋區(qū) 衛(wèi)星干擾計算 監(jiān)??測 陸地移動(VHF、UHF等) 短??波 電視和調頻廣播 微 波 接 力 無線接入(WLL、LMDS等) GSM、CDMA 3 G
背景地圖（行政區(qū)劃） ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★
背景地圖（道路交通） ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★
衛(wèi)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

圖2：常見無線電業(yè)務與EMC適用圖層的對應分辨率的關系
　???無線電業(yè)務類型圖層分辨率 衛(wèi)星覆蓋區(qū) 衛(wèi)星干擾計算 監(jiān)??測 陸地移動(VHF、UHF等) 短??波 電視和調頻廣播 微 波 鏈 路 無線接入(WLL、LMDS等) GSM、CDMA 3 G
非柵格數(shù)據(jù) ★
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、電磁兼容分析系統(tǒng)建設的目標和原則

1、建設目標：
????按照國家無線電管理技術設施建設“十五”規(guī)劃的要求，結合當?shù)責o線電管理工作實際和應用水平，借鑒采用先進成熟的技術，開發(fā)建設基于無線電管理信息系統(tǒng)頻譜管理數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)平臺的電磁兼容分析系統(tǒng)，加速推進本地區(qū)無線電頻譜管理的科學化、自動化和現(xiàn)代化進程。

2、建設要求：
????1、能與無線電管理信息系統(tǒng)有機結合，整個系統(tǒng)的總體構架設計應基于Client/Server結構，可在本地廣域網(wǎng)絡環(huán)境下運行。
????2、系統(tǒng)適用于不同頻段的主要無線電業(yè)務類型，如陸地移動業(yè)務，微波固定業(yè)務，衛(wèi)星通信業(yè)務等。
????3、擁有符合國際ITU標準基本傳播模型和經過驗證的專用傳播模型，適用于不同地形地貌特征；
????5、能進行符合國際/國內標準的主要無線電業(yè)務間的干擾分析和互調計算；
????6、能提供方便、快捷的頻率自動選擇，提高頻率審批科學性和頻譜的利用率。
????7、具備常用無線電通信系統(tǒng)的場強計算和覆蓋預測，無線電鏈路設計和分析，系統(tǒng)內、系統(tǒng)間干擾協(xié)調計算。
????8、具有圖形化的統(tǒng)一操作界面，與GIS系統(tǒng)有機集成，實現(xiàn)無縫連接，能夠提供三維數(shù)字地圖顯示，具備在二維和三維數(shù)字化地圖上顯示頻率臺站數(shù)據(jù)，分析計算結果等。
9、能生成符合要求的完整的分析圖表、結果報告。

3、建設原則
????1、先進性與經濟實用相結合原則。采用先進、成熟的技術和產品，滿足當前及今后一段時間對電磁兼容分析的需求。
????2、與無線電管理信息系統(tǒng)相結合原則。作為應用軟件的電磁兼容分析系統(tǒng)納入無線電管理信息系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)與信息系統(tǒng)總體集成。
????3、可擴展原則。EMC系統(tǒng)軟件結構要具有充分的可擴展能力，以適應無線電管理發(fā)展的需要。
????4、可升級原則。在開發(fā)過程中應考慮軟件的移植和升級。
????5、開放性原則。充分考慮到與其它系統(tǒng)（如臺站數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測測向系統(tǒng)、頻率規(guī)劃管理系統(tǒng)等）之間的互連互通，通過信息交換機制實現(xiàn)資源共享。
6、易操作性原則。采用GUI圖形界面接口，遵循通用標準和規(guī)范，界面設計力求簡潔、美觀，盡量減少鍵盤輸入以方便操作。

????
四、電磁兼容分析系統(tǒng)的結構
1、基于信息系統(tǒng)平臺上的EMC系統(tǒng)結構圖
2、EMC系統(tǒng)與信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關系圖
3、EMC與業(yè)務管理系統(tǒng)的關系說明
????（1）頻率管理系統(tǒng)生成的頻率劃分、規(guī)劃、分配等數(shù)據(jù)存儲在基礎數(shù)據(jù)庫中，EMC系統(tǒng)可以按需調用數(shù)據(jù)，但不能更改。
????（2）臺站管理系統(tǒng)在設臺過程中，需要進行電磁兼容性分析。EMC系統(tǒng)需要調用臺站管理系統(tǒng)中的臺站數(shù)據(jù)，包括發(fā)射機、接收機、天饋線以及設備數(shù)據(jù)等，但不能更改。
????（3）監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，EMC系統(tǒng)可以按需調用數(shù)據(jù)，并將場強預測結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析比較，調整相關參數(shù)以便更精確的做出場強預測。
????（4）地理信息系統(tǒng)（GIS）實現(xiàn)對數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)的存取以及相關操作，EMC系統(tǒng)進行技術分析計算時，可直接從地理信息系統(tǒng)調用相關的基礎地理信息數(shù)據(jù)（如地形、地貌等），并可集成和拓展GIS具有的基本功能，EMC系統(tǒng)不對數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)進行更改（專用數(shù)字化地圖的制作不包括在內）。
????（5）設備參數(shù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)對各種臺站設備的基礎技術參數(shù)進行管理，如發(fā)射信機、接收機和饋線等，且與臺站數(shù)據(jù)庫建立關聯(lián)，間接為EMC系統(tǒng)提供技術參數(shù)。
????（6）天線參數(shù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)對各類天線的技術參數(shù)收集、存儲和管理等，包括天線的頻率范圍、口徑、極化、天線方向性圖以及垂直面（E）的各向增益值和水平面（H）的各向增益值等，且與臺站數(shù)據(jù)庫建立關聯(lián)，間接為EMC系統(tǒng)提供技術參數(shù)。

五、電磁兼容分析系統(tǒng)描述

1、主要功能描述
????
???（1）同、鄰頻干擾分析
????主要依據(jù)發(fā)射機功率譜密度特性、接收機選擇性特性、地形和地理氣候條件、臺站的位置、發(fā)射機和接受機的各項電氣參數(shù)等，然后使用合理的傳播模型與算法等，從而模擬出實際在接收端收到的干擾信號功率或場強，以及載波干擾比C/I。在分析不同業(yè)務類型（包括頻段的不同，覆蓋區(qū)的不同等）時應采用不同的干擾分析模型，干擾的判別標準應以國際電聯(lián)（ITU）和國家標準為依據(jù)。，
???（2）無線鏈路性能分析（含微波鏈路）
????基于數(shù)字地圖和相應的傳播模型，可進行路徑剖面、鏈路空間場強分布以及微波菲涅爾區(qū)顯示。在微波鏈路設計中，可以對微波鏈路的通路情況進行分析，包括微波站址選擇是否合理、臺站技術參數(shù)的審核以及微波站接收電平的計算等；在短波通信中，可確定電離層反射鏈路的最佳工作頻率FOT，最高可用頻率MUF以及最低工作頻率等關鍵參數(shù)。
???（3）互調分析
????同站址、鄰站址臺站的互調干擾分析?；フ{分析包括2信號和3信號二階與三階互調分析和五階互調；互調分析既包括發(fā)射機互調也包含接收機互調分析。對某一受干擾信號或預指配頻率，考慮各種互調類型并基于傳播模型與互調門限電平，計算出對其可能產生互調干擾的各種臺站、頻率組合，并自動生成報告。
???（4）頻率自動選擇（輔助頻率指配）
????在新設臺站預指配頻率過程中，進行信道質量預測，分析預選頻率對已存在頻率、臺站的影響，并為各種臺站的頻率指配提供技術支持。
???（5）場強覆蓋預測
????根據(jù)已設臺站或擬設臺站提供的技術資料，調用相關的傳播模型算法進行場強覆蓋預測，包括區(qū)域覆蓋和覆蓋等值線計算等。分析計算結果在地圖上進行顯示，并以不同的顏色表示場強大小。
???（6）邊界協(xié)調
????對在不同行政區(qū)邊界附近設臺進行協(xié)調指導，達到己方設臺不會對相鄰行政區(qū)內臺站造成干擾；同時分析相鄰行政區(qū)內的臺站是否對本區(qū)域內臺站造成干擾。
???（7）微波與衛(wèi)星地球站系統(tǒng)設計和干擾協(xié)調分析
????即點對點、點對多點微波系統(tǒng)的分析和頻率分配以及微波站與地球站之間的干擾與協(xié)調計算。
????微波通信系統(tǒng)的設計與分析功能應包括地形剖面分析，通路分析與設計，天線高度和EIRP的優(yōu)化設計，接收電平的模擬仿真，大氣吸收損耗計算、雨衰減預測、多徑衰落預測、衰落儲備計算等。
????根據(jù)最新的ITU－R SM.1448方法或ITU附錄S7方法提供衛(wèi)星地球站與地面業(yè)務的協(xié)調、干擾分析，確定衛(wèi)星地球站的協(xié)調區(qū)范圍并圖形化顯示；既要考慮干擾信號的大圓傳播模式，也應考慮雨散射下的傳播模式，包括與微波鏈路的干擾協(xié)調等。
???（8）GIS功能
????在EMC系統(tǒng)中嵌入實現(xiàn)地圖的一系列操作，包括地圖的縮放、漫游、圖層管理、圖幅管理以及應用圖生成、保存和管理等功能。它不僅包括GIS工具提供的基本功能，還應根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，擴展新的功能，如提供完全3D地圖顯現(xiàn)，支持多種投影坐標系統(tǒng)變換等。
???（9）報告自動生成功能
????允許用戶自定義報告格式，包括LOGO 圖標以及頁眉頁腳，并保存報表格式，以便多次使用，全局共享。報告可以多種格式的文件存儲。
???（10）圖形制作功能
運行EMC系統(tǒng)的相關功能模塊之后，可以在電子地圖上生成以下圖形：場強分布圖、場強等值線圖、業(yè)務區(qū)（覆蓋區(qū)）圖、通信可靠度等值線圖、C/I等值線圖、地形剖面圖、微波鏈路連接圖、微波電路通路圖、同頻站址分布圖、鄰頻站址分布圖、地球站協(xié)調區(qū)圖等各種實用圖形。

2．EMC系統(tǒng)分析模型
????（1）常用無線電傳播模型
傳播模型名稱 適用頻率范圍 適用業(yè)務 特????點
自由空間模型（Free-Space） 0Hz-300GHz 通用 最簡單的幾何光學模型
航空模型（Aeronautical） 30MHz-30GHz 航空 適用于航空器與航空器，或航空器與地面之間的分析計算
Flat-Earth 30MHz-10GHz 通用 平滑地形，考慮多徑影響
奧村（Okumura） -Hata 1 150MHz-1.5GHz 陸地移動 包括多種天線有效高度計算方法
奧村（Okumura）-Hata 2 1.5GHz-2GHz 陸地移動 包括多種天線有效高度計算方法;在原形基礎上對1800MHz進行擴展
Longley Rice 20MHz-40GHz 通用 區(qū)分視通區(qū)，衍射區(qū)以及遠區(qū)
Egli城區(qū)模型 30MHz-10GHz 通用 城市環(huán)境
ITU 370 30MHz-1GHz 廣播 370-5、370-6、370-7可選
ITU 567 30MHz-1GHz 廣播 ITU 370的簡化版本，考慮時間概率以及空間概率
ITU 533 2MHz-30MHz 短波 可指定工作月份，時間，太陽黑子活動因子等；包括一定的天線數(shù)據(jù)
ITU 530 800MHz-70GHz 微波 時間概率、濕度、溫度、降雨概率等
ITU 452 >0.7GHz 微波衛(wèi)星 衍射、對流層散射、時間概率、濕度、溫度等
ITU 368 10kHz-30MHz 短波通信短波廣播 遠區(qū)場、近區(qū)場分別考慮，可指定介電常數(shù)與電導率；
ITU 1147 150kHz-1.7MHz 中、長波通信 可指定工作月份、時間、太陽黑子活動因子等
????除以上模型外，EMC系統(tǒng)也可以采用其它經過實際應用并得到檢驗，基于詳細地理信息或統(tǒng)計信息的傳播模型，但必須保證分析結果的合理性。
????（2）發(fā)射機模型
????包括中心頻率、頻率下限、頻率上限、帶寬、信道編號、功率密度曲線等。
????（3）接收機模型
????包括中心頻率,頻率下限,頻率上限,帶寬,信道編碼,頻響曲線等。
????（4）天線模型
????包括天線增益、架設高度、類型、俯仰角、方位角、主瓣方向、水平代碼、垂直代碼、極化方式、水平面同極化方向圖、垂直面同極化方向圖、水平面交叉極化方向圖、垂直面交叉極化方向圖等。

3、EMC系統(tǒng)接口要求
??系統(tǒng)應具備靈活的數(shù)據(jù)訪問接口，與其他相關系統(tǒng)包括臺站數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以及頻率資源數(shù)據(jù)庫進行方便的連接、訪問與數(shù)據(jù)調用。具體可以從臺站數(shù)據(jù)庫導入發(fā)射機、接收機、天線方向圖以及天線有效高度數(shù)據(jù)，從頻率資源數(shù)據(jù)庫導入頻率數(shù)據(jù)，從監(jiān)測數(shù)據(jù)庫導入如電平、占用度、測向等監(jiān)測數(shù)據(jù)；也可以將EMC系統(tǒng)分析的結果數(shù)據(jù)分發(fā)到OA系統(tǒng)。數(shù)據(jù)接口采用開放式標準格式，比如XML等。