未來(lái)IMT系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀與展望*

王 坦，黃 標(biāo)，龐 京

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 北京100037；2.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 天津300401）

1 引言

頻譜資源是國(guó)際共用、國(guó)家支配的稀缺性戰(zhàn)略資源，被廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)方面。移動(dòng)通信行業(yè)是依托于頻譜資源的重要行業(yè)之一。近年來(lái)，隨著無(wú)線新技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)數(shù)據(jù)多媒體業(yè)務(wù)的渴望，多家機(jī)構(gòu)研究顯示，未來(lái)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，如圖1所示[1]，這給新技術(shù)發(fā)展和頻譜資源管理帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)龐大的業(yè)務(wù)需求，無(wú)線通信技術(shù)體系在加速演進(jìn)。由國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線通信部門（ITU-R）定義的國(guó)際移動(dòng)通信（international mobile telecommunication，IMT）系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第四代（4G），并逐步向第五代（5G）推進(jìn)。相應(yīng)地，我國(guó)也成立了IMT-2020推進(jìn)組，力爭(zhēng)在5G時(shí)代引領(lǐng)國(guó)際技術(shù)發(fā)展走向。在該范圍內(nèi)，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)以及新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相繼涌現(xiàn)。研究表明，下一代無(wú)線通信業(yè)務(wù)的發(fā)生地將有較強(qiáng)的集聚性，如家庭、辦公室等[2]。報(bào)告顯示，在歐洲，預(yù)計(jì)有2/3的話音業(yè)務(wù)和90%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)自熱點(diǎn)地區(qū)[3]；在美國(guó)，預(yù)計(jì)有50%的話音業(yè)務(wù)和70%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)自熱點(diǎn)地區(qū)[4]。新的業(yè)務(wù)分布特征將有力地推動(dòng)熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋策略的發(fā)展，如第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）倡導(dǎo)的小基站（small cell）等技術(shù)[5]。

在IMT系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)革新的同時(shí)，海量移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)頻譜的需求力度也在不斷增加。目前，ITU-R正在開(kāi)展未來(lái)IMT系統(tǒng)頻譜需求總量預(yù)測(cè)的相關(guān)研究。美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家以及全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSMA）等組織都一同參與到相關(guān)研究中。我國(guó)政府與企業(yè)也積極參與其中。

隨著我國(guó)工業(yè)化和信息化融合的加深，頻譜供需矛盾日益凸顯。為了實(shí)現(xiàn)頻譜資源的科學(xué)管理，一方面，要為新的頻譜需求及時(shí)規(guī)劃分配資源，以促進(jìn)相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；另一方面，也要對(duì)頻譜需求做出合理估計(jì)，避免超前分配導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。為IMT合理預(yù)測(cè)頻譜資源，既是解決當(dāng)下重點(diǎn)問(wèn)題的需要，也可以為其他行業(yè)未來(lái)頻譜需求預(yù)測(cè)提供參考。

2 頻譜預(yù)測(cè)工作現(xiàn)狀

2.1 國(guó)際層面

在ITU-R的推動(dòng)下，IMT系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)工作正在國(guó)際范圍內(nèi)積極開(kāi)展。ITU-R在建議書M.1768[6]中提出了一套針對(duì)全球范圍內(nèi)的、較為完備的頻譜預(yù)測(cè)方法。其核心特點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：一是通過(guò)調(diào)查研究，對(duì)未來(lái)無(wú)線通信業(yè)務(wù)種類與市場(chǎng)需求做了詳細(xì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)工作；二是依據(jù)乘法原理建立了一整套“業(yè)務(wù)需求—業(yè)務(wù)環(huán)境—部署場(chǎng)景—接入技術(shù)”的映射關(guān)系，如圖2所示。ITU-R將M.1768方法作為未來(lái)IMT頻譜需求的主流預(yù)測(cè)方法，并逐步針對(duì)未來(lái)業(yè)務(wù)需求和技術(shù)特征等對(duì)方法做出改進(jìn)。

M.1768方法兼具完備性與復(fù)雜性，計(jì)算過(guò)程較為繁瑣。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出了一種流程簡(jiǎn)潔的方法[7]。方法的核心思路是通過(guò)業(yè)務(wù)、基站數(shù)與頻譜效率的增長(zhǎng)從總體上對(duì)頻譜需求進(jìn)行測(cè)算。俄羅斯也提出了類似的預(yù)測(cè)方法[8]，認(rèn)為到2020年，所有小區(qū)將部署當(dāng)前最先進(jìn)的通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)較高的頻譜利用率。此外，GSMA提出了一種頻譜預(yù)測(cè)方法[9]，通過(guò)結(jié)合M.1768與FCC的方法，聯(lián)合考慮宏觀預(yù)測(cè)與微觀映射。表1匯總了ITU-R 5D工作組最近兩次會(huì)議上的各方輸入文稿結(jié)果。

表1 ITU-R 5D工作組輸入文稿結(jié)果匯總

2.2 國(guó)內(nèi)層面

在我國(guó)，IMT頻譜資源預(yù)測(cè)工作主要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展。

其一，依托2015年世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC-15）的1.1議題，為未來(lái)IMT發(fā)展尋找可用頻段。其中，頻譜需求預(yù)測(cè)是尋找可用頻段的前提和首要工作。

其二，為了推動(dòng)WRC-15的1.1議題的順利開(kāi)展，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）無(wú)線通信技術(shù)工作委員會(huì)（TG5）頻率組（WG8）針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了課題研究。

前兩部分的研究主要針對(duì)國(guó)際層面，在ITU-R的框架下，以M.1768方法為主導(dǎo)，其研究成果已通過(guò)國(guó)家提案的形式在ITU-R 5D工作組以及亞太電信組織（APT）提交，結(jié)果見(jiàn)表1。為了更好地結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情，我國(guó)IMT-2020推進(jìn)組頻率子組也對(duì)該課題進(jìn)行了立項(xiàng)，擬從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，研究更加適合我國(guó)實(shí)際情況的IMT頻譜需求預(yù)測(cè)方法，在方法建模中加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，力求更加直觀、精確，以反映我國(guó)運(yùn)營(yíng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求，為后續(xù)頻率規(guī)劃工作提供參考。

在預(yù)測(cè)方法上，北京郵電大學(xué)在M.1768方法的基礎(chǔ)上，使用博弈論和灰度預(yù)測(cè)對(duì)我國(guó)3家運(yùn)營(yíng)商的頻譜需求情況做出了預(yù)測(cè)，并給出了一種規(guī)劃方案[10]。國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心以M.1768方法為基礎(chǔ)，提出了一種基于密集城區(qū)分析的預(yù)測(cè)方法。方法選取典型密集城區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，充分考慮了業(yè)務(wù)量與基站數(shù)量在所選取密集區(qū)內(nèi)從不同接入技術(shù)到不同部署小區(qū)下的映射關(guān)系。在GSMA方法的基礎(chǔ)上，我國(guó)工業(yè)和信息化部（以下簡(jiǎn)稱工信部）電信研究院也提出了一種預(yù)測(cè)方法[11]，通過(guò)將住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部文件與國(guó)內(nèi)3家運(yùn)營(yíng)商近幾年數(shù)據(jù)報(bào)表相結(jié)合，以擬合等方式對(duì)未來(lái)業(yè)務(wù)量與承載能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

3 頻譜預(yù)測(cè)關(guān)鍵因素

按照ITU-R 5D工作組計(jì)劃，IMT頻譜需求預(yù)測(cè)工作已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵階段，并將于2013年7月份向上級(jí)機(jī)構(gòu)提交初步結(jié)果。一方面，從國(guó)際層面來(lái)看，現(xiàn)有研究結(jié)論有待進(jìn)一步精細(xì)化、準(zhǔn)確化、合理化；另一方面，從我國(guó)研究進(jìn)展來(lái)看，為了充分結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，預(yù)測(cè)工作有待進(jìn)一步推進(jìn)，為中長(zhǎng)期頻率規(guī)劃做準(zhǔn)備。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法的歸納與總結(jié)，下文對(duì)頻譜預(yù)測(cè)工作中的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，以期為后續(xù)研究工作提供借鑒意義。

3.1 場(chǎng)景選擇

頻譜資源的需求量與業(yè)務(wù)密集程度緊密相關(guān)。通常情況下頻譜需求大體上由業(yè)務(wù)最密集場(chǎng)景的平均需求決定。以M.1768為例，其將評(píng)估場(chǎng)景分為“城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村”，如圖3所示，在三者的頻譜需求中求得最大值，作為總的頻譜需求。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，“城區(qū)”頻譜需求遠(yuǎn)高于后兩種場(chǎng)景。俄羅斯和GSMA的方法也具有相似結(jié)論。

在這種情況下，可以推斷，郊區(qū)與鄉(xiāng)村等地區(qū)業(yè)務(wù)量的增加不會(huì)對(duì)頻譜需求總量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。相反，還可能引入誤差。其一，如果先對(duì)業(yè)務(wù)總量進(jìn)行預(yù)測(cè)，再將其分流到城市等多種場(chǎng)景中，那么不同的分流比例會(huì)給結(jié)果帶來(lái)較大差別，精確的分流比例難以計(jì)算，這將不利于獲得城市場(chǎng)景的真實(shí)業(yè)務(wù)需求情況；其二，城市的發(fā)展程度千差萬(wàn)別，現(xiàn)有方法對(duì)城市場(chǎng)景的定義較為寬泛，難以代表一個(gè)國(guó)家或地區(qū)城市頻譜的實(shí)際使用情況。因此，在預(yù)測(cè)中對(duì)城市場(chǎng)景進(jìn)行更加深入的分析，將是解決頻譜需求問(wèn)題的捷徑。

3.2 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)選擇

在未來(lái)業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)上，通常方法是先確定基準(zhǔn)年（或月等其他時(shí)間周期），獲得基準(zhǔn)年的業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，然后以基準(zhǔn)年為起點(diǎn)，對(duì)業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)倍數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，基準(zhǔn)年的選擇與業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)倍數(shù)的預(yù)測(cè)相互關(guān)聯(lián)、密不可分。

現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法通常是將歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、社會(huì)調(diào)查與曲線擬合算法相結(jié)合，完成業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)倍數(shù)的預(yù)測(cè)。部分方法中引入了“平均年度增長(zhǎng)”的概念，將未來(lái)若干年的業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)倍數(shù)平均為年度增長(zhǎng)。這種方式具有一定的參考價(jià)值，但在計(jì)算中要對(duì)數(shù)值大小保持謹(jǐn)慎。尤其是當(dāng)相鄰幾年增長(zhǎng)率波動(dòng)較大時(shí)，這種方式會(huì)引入誤差。

例如，假設(shè)以2010年為基準(zhǔn)年，總業(yè)務(wù)量為單位1，以預(yù)測(cè)2012年總業(yè)務(wù)量為目標(biāo)。

·情況一：通過(guò)業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)，得到2011年業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)2倍，結(jié)果為2；2012年仍增長(zhǎng)2倍，業(yè)務(wù)量為4。此時(shí)，如果使用“平均年度增長(zhǎng)”的概念，可以得到年均增長(zhǎng)為2倍。此時(shí)，若保持“平均年度增長(zhǎng)”不變，選擇2011年為基準(zhǔn)年，以總業(yè)務(wù)量2為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，那么2012年的業(yè)務(wù)量仍為4，與上述結(jié)論相同。

·情況二：通過(guò)業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)，得到2011年業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)4倍，結(jié)果為4；而2012年無(wú)任何增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)量仍為4。易知“平均年度增長(zhǎng)”仍為2倍（即每年增加2倍）。此時(shí)，若以“平均年度增長(zhǎng)”為準(zhǔn)則，選擇2011年為基準(zhǔn)年，以業(yè)務(wù)量4為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，那么2012年數(shù)據(jù)將為4×2=8倍，這與前者結(jié)論相差較大。

當(dāng)前，各預(yù)測(cè)方法中普遍認(rèn)為，2010-2020年總業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)率將呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢(shì)。因此，在計(jì)算中應(yīng)當(dāng)首先確定基準(zhǔn)年與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，再對(duì)增長(zhǎng)倍數(shù)進(jìn)行估算，避免因使用“平均年度增長(zhǎng)”而引入的誤差。

3.3 總業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)倍數(shù)

合理、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)總業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)倍數(shù)是預(yù)測(cè)工作的重要前提?？倶I(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)倍數(shù)與頻譜需求的最終預(yù)測(cè)結(jié)果大體上呈線性正相關(guān)，是任何一個(gè)預(yù)測(cè)方法的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)之一。表2給出了部分預(yù)測(cè)結(jié)果示例。在2013年1月的ITU-R 5D工作組會(huì)議上，愛(ài)立信、英特爾、諾基亞和諾西等公司提案認(rèn)為，2020年全球總業(yè)務(wù)量較2010年的增長(zhǎng)倍數(shù)為44～87倍，日本提案預(yù)測(cè)該倍數(shù)為43.9～80.3倍。相比之下，我國(guó)人口眾多，未來(lái)IMT業(yè)務(wù)量發(fā)展?jié)摿O大。依據(jù)CCSA的預(yù)測(cè)報(bào)告，我國(guó)總業(yè)務(wù)量在2010-2015年增長(zhǎng)35～40倍，在2015-2020年增長(zhǎng)15～20倍。類似的，工信部電信研究院預(yù)測(cè)方法中對(duì)我國(guó)2020年業(yè)務(wù)量較2010年增長(zhǎng)倍數(shù)的預(yù)測(cè)約為621倍。由此可見(jiàn)，不同國(guó)家或組織機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)結(jié)果范圍跨度較大。

表2 業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)結(jié)果示例

3.4 業(yè)務(wù)量到部署的分流

部署分流是從“總業(yè)務(wù)量”到“3G/4G等接入技術(shù)組”，再到“宏基站（Macro）、微基站（Micro）、毫微基站（Pico）、熱點(diǎn)基站（Hot Spot）”的映射關(guān)系，如圖4所示。不同的接入技術(shù)組在不同部署小區(qū)的承載能力各不相同。因此，同樣的總業(yè)務(wù)量配合不同的分流系數(shù)，將會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)較大的差別。例如，將所有業(yè)務(wù)都由宏基站承擔(dān)或?qū)⑺袠I(yè)務(wù)都由熱點(diǎn)基站承擔(dān)，前者的頻譜總需求可能是后者的數(shù)倍。引言中的參考文獻(xiàn)顯示了熱點(diǎn)地區(qū)業(yè)務(wù)量將至少占據(jù)總業(yè)務(wù)量的70%，未來(lái)小基站技術(shù)的發(fā)展將會(huì)不斷推動(dòng)熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋能力的進(jìn)步，這些研究與結(jié)論在分流計(jì)算中應(yīng)當(dāng)給予充分考慮。

3.5 WLAN占總業(yè)務(wù)量的比例

WLAN作為一種非IMT的主流寬帶無(wú)線接入技術(shù)，在步行/靜止等室內(nèi)外熱點(diǎn)的承載能力日益凸顯。大體上，其對(duì)業(yè)務(wù)量的分流比例與IMT的頻譜需求反相關(guān)。當(dāng)前一些觀點(diǎn)認(rèn)為，未來(lái)WLAN對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)的分流比例將占據(jù)15%～30%。近些年來(lái)，我國(guó)WLAN業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，管理部門為WLAN規(guī)劃的頻段資源也在增加[12]?，F(xiàn)有預(yù)測(cè)方法對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)考慮仍存在不足，非IMT的寬帶無(wú)線接入技術(shù)對(duì)業(yè)務(wù)量的分流能力有待進(jìn)一步挖掘。

3.6 基站數(shù)與覆蓋面積

基站數(shù)量的增加是緩解頻譜需求的重要手段，然而，基站數(shù)量的絕對(duì)增長(zhǎng)難以與頻譜需求建立直接聯(lián)系?；緮?shù)量與覆蓋面積是體現(xiàn)不同部署場(chǎng)景對(duì)業(yè)務(wù)量承載能力的重要因素。在部署分流一定的前提下，每種部署類型的基站數(shù)量越少，單位覆蓋面積越大，則頻率復(fù)用就越少，頻譜需求越高。在典型城區(qū)環(huán)境中，不同類基站的覆蓋距離情況大概如下：宏基站（約400 m）>微基站（約200 m）>毫微基站（約40 m）>熱點(diǎn)基站（約10 m）。

事實(shí)上，運(yùn)營(yíng)商基站數(shù)量的持續(xù)增加，需要綜合考慮兩點(diǎn)：一方面，城區(qū)密集地區(qū)的基站建設(shè)密度已經(jīng)較高，難以繼續(xù)部署宏基站或微基站，未來(lái)或?qū)H部署小基站等類型的基站；另一方面，隨著郊區(qū)、鄉(xiāng)村的城市化建設(shè)，這些地區(qū)將會(huì)建設(shè)一批數(shù)量可觀的基站，使得全國(guó)基站總數(shù)顯著增加。然而，這些地區(qū)的業(yè)務(wù)量，遠(yuǎn)不及頻譜需求最強(qiáng)烈的大城市地區(qū)，即這類地區(qū)新增的基站數(shù)量并未對(duì)總頻譜需求產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。因此，在預(yù)測(cè)方法中，基站數(shù)量增加的因素，需要結(jié)合場(chǎng)景進(jìn)行更深入的分析。

3.7 頻譜效率

頻譜效率與頻譜需求約呈反比關(guān)系。頻譜效率是表征單位基站承載業(yè)務(wù)吞吐量的能力。ITU-R給出的2020年不同場(chǎng)景下的頻譜效率評(píng)估值見(jiàn)表3[6]。

表3 2020年城市頻譜效率評(píng)估結(jié)果

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，頻譜效率受到站址部署難、環(huán)境復(fù)雜度高等因素的影響，能夠達(dá)到的數(shù)值往往低于理論評(píng)估結(jié)果。以我國(guó)為例，當(dāng)前3G商用網(wǎng)絡(luò)頻譜效率僅為過(guò)去3G標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估譜效率的40%。因此，在預(yù)測(cè)中要充分考慮理論評(píng)估結(jié)果與實(shí)際部署結(jié)果的差距。

3.8 上下行配比

高通公司的調(diào)查研究表明，IMT系統(tǒng)上行與下行業(yè)務(wù)量不對(duì)稱的情況將長(zhǎng)期存在且差距不斷加大。在2010年，下行業(yè)務(wù)量是上行的6倍；預(yù)計(jì)到2015年，該倍數(shù)將上升到10倍[13]。目前，頻分雙工（FDD）系統(tǒng)的下行補(bǔ)充技術(shù)（SDL）和時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)本身具備的上下行時(shí)隙配比等能力是解決上下行業(yè)務(wù)量不對(duì)稱問(wèn)題的主要途徑。

在此背景下，假設(shè)在2015年，為滿足下行業(yè)務(wù)量，需要x的頻譜資源，若必須上下行對(duì)稱配置資源，則將共需要2x的頻譜總需求；若實(shí)現(xiàn)理想下行補(bǔ)充技術(shù)或上下行時(shí)隙靈活配比，依據(jù)高通公司10∶1的預(yù)測(cè)結(jié)果，根據(jù)當(dāng)前FDD與TDD技術(shù)的不同以及控制信道開(kāi)銷等因素，上行的頻譜需求可能下降到0.2x左右，這極大地節(jié)約了頻譜資源。因此，在預(yù)測(cè)中應(yīng)適當(dāng)考慮這些為解決上下行業(yè)務(wù)量不對(duì)稱而發(fā)展的新技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)頻譜資源進(jìn)行科學(xué)、合理的規(guī)劃，既是技術(shù)、行業(yè)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，又是提高資源利用率的必然要求。IMT系統(tǒng)作為未來(lái)移動(dòng)通信的主要承載，對(duì)頻譜資源總量具有較高的需求。對(duì)其需求進(jìn)行合理預(yù)測(cè)和評(píng)估具有重要意義。本文在對(duì)現(xiàn)有工作分析的基礎(chǔ)上，對(duì)IMT頻譜需求預(yù)測(cè)的關(guān)鍵因素提出了若干考慮，以期后續(xù)相關(guān)工作能夠與我國(guó)國(guó)情更好地結(jié)合。

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