IMT系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)方法

王曉鹿 郭志瑜 童鑫

【摘? 要】為了推動(dòng)我國IMT產(chǎn)業(yè)發(fā)展并為我國頻率規(guī)劃工作提供重要依據(jù)，系統(tǒng)地介紹了四種IMT系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)方法，包括基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的ITU-R M.1768方法、FCC預(yù)測(cè)方法和GSMA預(yù)測(cè)方法以及基于關(guān)鍵技術(shù)能力的預(yù)測(cè)方法。分析了不同預(yù)測(cè)方法的基本原理、預(yù)測(cè)流程和詳細(xì)步驟。并給出了基于ITU-R M.1768方法和基于關(guān)鍵技術(shù)能力方法的中國未來IMT系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)結(jié)果。此外，本論文還對(duì)比了四種方法的差異，給出了各方法的適用性建議。

【關(guān)鍵詞】IMT系統(tǒng);頻譜需求預(yù)測(cè);基于業(yè)務(wù)量的方法;基于KPI的方法

1? ?引言

中國信科大唐電信集團(tuán)長(zhǎng)期牽頭開展中國未來IMT（International Mobile Telecommunications，國際移動(dòng)通信）系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)工作，并分別于2013年和2016年向ITU工作組輸出了我國未來IMT系統(tǒng)（4G/5G系統(tǒng)）的頻譜需求預(yù)測(cè)情況，相關(guān)預(yù)測(cè)方法與結(jié)果得到會(huì)議認(rèn)可并寫入ITU-R M.2290報(bào)告[1]及ITU-R TG5/1主席報(bào)告[2]，為世界無線電通信大會(huì)WRC-15和WRC-19的IMT頻率確定提供了依據(jù)。

頻譜需求預(yù)測(cè)的基本原則是既要充分考慮當(dāng)前業(yè)務(wù)在目前及未來一定時(shí)間內(nèi)的客觀需求和發(fā)展趨勢(shì)，也要注意到其他各種無線電業(yè)務(wù)在相同或相近目標(biāo)頻段上的用頻需求。針對(duì)IMT系統(tǒng)而言，目前常見的頻譜需求預(yù)測(cè)方法主要分為兩大類：基于業(yè)務(wù)量的預(yù)測(cè)方法和基于KPI的預(yù)測(cè)方法。不同的方法適用于不同的場(chǎng)景和不同的任務(wù)需求，同時(shí)不同的方法需要的輸入?yún)?shù)種類和輸出結(jié)果呈現(xiàn)形式也有所不同，需要根據(jù)具體需求來進(jìn)行選取。

2? ?基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的方法

2.1? ITU-R M.1768預(yù)測(cè)方法

ITU-R M.1768方法[3]是一種基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的頻譜需求預(yù)測(cè)方法，該方法基于實(shí)際的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)開展，可以較為準(zhǔn)確和全面地預(yù)測(cè)各種不同部署場(chǎng)景下的頻譜需求，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。M.1768方法預(yù)測(cè)頻譜需求的基本流程如圖1所示：

（1）服務(wù)類別

服務(wù)類別（SC， Service Category）包含了服務(wù)類型和業(yè)務(wù)量等級(jí)兩個(gè)概念，其中服務(wù)類型主要體現(xiàn)速率要求，而業(yè)務(wù)量等級(jí)主要體現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量要求。在該方法中分別定義了5種服務(wù)類型和4種業(yè)務(wù)量等級(jí)，將二者對(duì)應(yīng)起來從而形成了總計(jì)20種服務(wù)類別，映射關(guān)系如表1所示：

（2）電信密度（Teledensity）

電信密度即通常所說的部署場(chǎng)景，該方法定義了三種部署場(chǎng)景：密集城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村。

（3）服務(wù)環(huán)境（SE， Service Environment）

服務(wù)環(huán)境包含了服務(wù)使用模式和電信密度兩個(gè)概念。服務(wù)使用模式主要體現(xiàn)了在某一區(qū)域內(nèi)用戶共同的使用特性。該方法規(guī)定了3種服務(wù)使用模式，結(jié)合前述的3種電信密度。將二者對(duì)應(yīng)起來共形成6種服務(wù)環(huán)境，映射關(guān)系如表2所示：

（4）無線環(huán)境（RE， Radio Environment）

無線環(huán)境可以理解為通常所說的基站類型。該方法定義了4種RE，不同RE在不同電信密度條件下對(duì)應(yīng)的小區(qū)面積（單位：平方千米）的示例如表3所示。

（5）無線接入技術(shù)組（RATG， Radio Access Technology Group）

該方法基于技術(shù)中立的原則，在業(yè)務(wù)量分流時(shí)考慮了4種不同的RATG，RATG映射表如表4所示。

基于圖1所示的步驟2和步驟3，可以獲取不同服務(wù)環(huán)境和不同服務(wù)類型下的業(yè)務(wù)量需求。但是這些業(yè)務(wù)量是承載在所有不同的RATG及RE上的，為計(jì)算出最終的頻譜需求，需要將業(yè)務(wù)量分流到不同的RATG上，然后進(jìn)一步分流到不同的RE上。具體的分流方如圖2所示。

如圖2所示，通過上述的多重業(yè)務(wù)量分流即可以得出RATG1和RATG2對(duì)應(yīng)的頻譜需求。需要注意的是，該方法中總的業(yè)務(wù)量是承載在4種不同的RATG上的，但是僅有RATG1和RATG2是IMT或IMT演進(jìn)系統(tǒng)，因此在預(yù)測(cè)IMT系統(tǒng)的頻譜需求時(shí)，僅需要考慮RATG1和RATG2。

完成了初步的頻譜需求計(jì)算后，還需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，主要包括3個(gè)方面：

（1）實(shí)際的頻譜分配是基于一定的分辨率進(jìn)行的，最終計(jì)算出的頻譜需求應(yīng)該是最小分辨率的整數(shù)倍，因此需要對(duì)圖2的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（2）圖2給出了兩個(gè)RATG和3種RE下的頻譜需求，在確定最終的頻譜需求時(shí)，需要考慮RATG之間是否存在頻率復(fù)用的可能性。如果二者可以復(fù)用，則應(yīng)取二者的最大值作為最終結(jié)果;如果不可以復(fù)用，則應(yīng)取二者之和作為最終結(jié)果;對(duì)于不同的RE也應(yīng)該采取相似的處理方法。

（3）如果考慮同一地理區(qū)域有多個(gè)運(yùn)營商同時(shí)覆蓋，則需要考慮不同運(yùn)營商頻譜之間的保護(hù)帶。

ITU-R M.1768方法是ITU-R WRC-15周期1.1議題的官方推薦方法，2013年中國信科大唐電信集團(tuán)牽頭開展了中國IMT系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)工作并向ITU-R WP5D工作組輸出，給出了我國IMT系統(tǒng)的頻譜需求，預(yù)計(jì)到2015年約為570 MHz～690 MHz;預(yù)計(jì)到2020年約為1 490 MHz～1 810MHz。相關(guān)預(yù)測(cè)結(jié)果得到會(huì)議認(rèn)可并寫入ITU-R M.2290報(bào)告。

2.2? FCC預(yù)測(cè)方法

FCC預(yù)測(cè)方法[4]是一種基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的非常簡(jiǎn)單直觀的方法，如圖3所示，該方法的基本核心包括了三重預(yù)測(cè)：

（1）業(yè)務(wù)需求預(yù)測(cè);

（2）頻譜效率預(yù)測(cè);

（3）基站數(shù)目/小區(qū)數(shù)目預(yù)測(cè)。

FCC預(yù)測(cè)方法的總體流程圖如圖4所示。

如圖4所示，F(xiàn)CC預(yù)測(cè)方法中假設(shè)未來的語音業(yè)務(wù)量不會(huì)繼續(xù)增加，因此重點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量導(dǎo)致的頻譜需求增加。所有的預(yù)測(cè)都需要基于某一確定的基準(zhǔn)年份展開。在此基礎(chǔ)上可以分別預(yù)測(cè)出目標(biāo)年份的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求、總基站數(shù)目、頻譜效率三個(gè)參數(shù)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的需求可以基于多組參考源來做平均值獲得平均數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求。結(jié)合平均數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求和預(yù)測(cè)的基站數(shù)目可以得到每站的業(yè)務(wù)量需求。緊接著通過預(yù)測(cè)的頻譜效率即可得到目標(biāo)年份的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)頻譜需求，在此基礎(chǔ)上疊加語音業(yè)務(wù)的頻譜需求即可獲得最終的頻譜需求。

容易看出，F(xiàn)CC預(yù)測(cè)方法是基于下面的一些基本假設(shè)進(jìn)行的：

（1）不考慮不同的部署場(chǎng)景，如城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村等;

（2）不考慮不同的基站類型，如宏站、微站等。

如果希望得出更精細(xì)的預(yù)測(cè)結(jié)果，則需要對(duì)該方法進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。

2.3? GSMA預(yù)測(cè)方法

GSMA預(yù)測(cè)方法也是一種基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的頻譜需求預(yù)測(cè)方法，該方法考慮了三種不同的部署場(chǎng)景（城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村）以及兩種不同的基站類型（宏站和微站）。因此在頻譜需求計(jì)算過程中需要對(duì)總的業(yè)務(wù)量進(jìn)行兩次分流。GSMA預(yù)測(cè)方法的總體流程如圖5所示。

如圖5所示，預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)量包括三個(gè)部分，即數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量、語音業(yè)務(wù)量和信令開銷業(yè)務(wù)量。如公式（1）所示：

通常而言，業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)需要基于一定的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)來獲取，市場(chǎng)調(diào)研的業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)常以TB/month形式給出，為便于后續(xù)計(jì)算，可以將該業(yè)務(wù)量轉(zhuǎn)換為忙時(shí)業(yè)務(wù)量，如式（2）所示：

式（2）中，DLratio表示總業(yè)務(wù)流量中下行業(yè)務(wù)量的占比;BHratio表示忙時(shí)業(yè)務(wù)量占總業(yè)務(wù)量的比例。

忙時(shí)業(yè)務(wù)量需要按照一定的比例分流到不同的部署場(chǎng)景中，分流因子可以根據(jù)不同的需求來進(jìn)行選取，典型的可以考慮采用人口分布作為分流因子。每個(gè)部署場(chǎng)景的業(yè)務(wù)量需求可以由公式（3）計(jì)算：

上式中，Traffic（U/S/R）分別代表城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)量;DRatio（U/S/R）分別代表城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)量分配比例。

在GSMA方法中，考慮了Macro和Micro兩種站型，需要注意的是，Micro站型僅用于為Macro基站進(jìn)行業(yè)務(wù)分流，因此它必須依賴于Macro基站而存在。為了體現(xiàn)不同基站承載的業(yè)務(wù)量的差異性，在該方法中假設(shè)將所有的Macro基站等分為N份，每一份承載的業(yè)務(wù)量比例不同。由此，每個(gè)Macro基站需要承載的業(yè)務(wù)量就可能出現(xiàn)顯著差異，當(dāng)某個(gè)Macro基站承載的業(yè)務(wù)量過大時(shí)，就需要Micro基站來進(jìn)行分流。

Micro基站的設(shè)置需要滿足如下幾個(gè)基本原則：

（1）僅當(dāng)某個(gè)Macro基站的業(yè)務(wù)量密度超過一定門限時(shí)，才設(shè)置分流的Micro基站;

（2）每個(gè)Micro基站的帶寬固定為5 MHz;

（3）如果一個(gè)Macro基站需要設(shè)置Micro基站進(jìn)行分流，則它能擁有的Micro基站數(shù)量是固定的。

基于上述描述可以確定出每個(gè)Macro基站所需的頻譜資源如式（4）所示（以城區(qū)場(chǎng)景為例）：

上式中，BWU-Macro（i）表示第i組宏基站中每個(gè)宏基站所需的頻譜資源;TR（i）表示第i組宏基站分流的業(yè)務(wù)量占總業(yè)務(wù)量的比例;TrafficU-Micro（i）表示第i組宏基站中所有微基站分流的業(yè)務(wù)量;MaTU表示每個(gè)宏基站在單位帶寬上能承載的業(yè)務(wù)量;fuMacro（i）表示第i組宏基站中每個(gè)宏基站的頻譜有效利用率;NmacroU（i）表示第i組宏基站的個(gè)數(shù)。其中，第i組Macro基站中Micro基站分流的業(yè)務(wù)量由公式（5）來確定：

最終Urban場(chǎng)景所需的頻譜資源由公式（6）來確定：

式（6）中，BWU（i）表示第i組宏基站對(duì)應(yīng)的總頻譜需求，如果有Micro基站分流，還包括Micro的頻譜需求。

通過上述計(jì)算過程可以依次獲得城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村三種場(chǎng)景下的頻譜需求，接下來可能還需要進(jìn)一步地調(diào)整以獲得最終的頻譜需求。比如，這三種部署場(chǎng)景是否采用不同的頻段，如果采用不同的頻段，則應(yīng)當(dāng)將三個(gè)頻譜需求相加或給出各個(gè)頻段上的頻譜需求。如果三個(gè)場(chǎng)景的頻譜可以完全復(fù)用，則最終的頻譜需求應(yīng)當(dāng)選取三者之中的最大值。

3? ?基于KPI的預(yù)測(cè)方法

當(dāng)無法獲取較為準(zhǔn)確的市場(chǎng)參數(shù)，比如業(yè)務(wù)量需求、基站數(shù)目等時(shí)，可以采用基于系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)KPI的預(yù)測(cè)方法。此外，針對(duì)某些特定的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，更關(guān)注某些特定KPI對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的影響，這時(shí)候也更適于采用基于KPI的預(yù)測(cè)方法，比如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等專有網(wǎng)絡(luò)的頻譜需求預(yù)測(cè)。

基于KPI的預(yù)測(cè)方法與所選取的KPI密切相關(guān)，下面以ITU-R WRC-19周期1.13議題中國未來IMT-2020頻譜需求預(yù)測(cè)為例來簡(jiǎn)要說明具體的流程和步驟。該方法的總體流程如圖6所示。

該方法分析了基于3個(gè)不同KPI指標(biāo)[5]（用戶體驗(yàn)速率、業(yè)務(wù)容量、峰值速率）的頻譜需求預(yù)測(cè)數(shù)值，并將三者的最大值作為最終輸出結(jié)果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，用戶體驗(yàn)速率作為KPI指標(biāo)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻譜需求數(shù)值最大，因此后續(xù)如無特殊說明均默認(rèn)選取用戶體驗(yàn)速率作為KPI。

IMT-2020系統(tǒng)通過低頻段（小于6 GHz）部署形成有效的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，來滿足宏蜂窩等場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn)需求;同時(shí)利用高頻段豐富的頻段資源，來滿足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶體驗(yàn)速率和系統(tǒng)容量需求，其中室外熱點(diǎn)場(chǎng)景可用24.25 GHz～43.5 GHz頻段來承載，室內(nèi)熱點(diǎn)場(chǎng)景可用24.25 GHz～86 GHz頻段來承載。

基于KPI的頻譜需求預(yù)測(cè)方法流程如圖7所示。

圖7中所述的小區(qū)邊緣頻譜效率其基準(zhǔn)值來自于ITU-R M.2134報(bào)告[6]，該基準(zhǔn)值是在每小區(qū)同時(shí)服務(wù)10個(gè)激活用戶條件下得到的，如果每個(gè)小區(qū)的實(shí)際激活用戶數(shù)大于或小于10個(gè)，則需要通過相應(yīng)的折算來得到等效的小區(qū)邊緣頻譜效率。

每個(gè)部署場(chǎng)景的下行頻譜需求可以通過公式（7）來確定：

每個(gè)部署場(chǎng)景的總頻譜需求是通過公式（7）所確定的下行頻譜需求折算而得到，折算公式如下所示：

需要特別指出的是，如果IMT系統(tǒng)為FDD系統(tǒng)，則公式（9）中的φ應(yīng)等于0.5。

2016年，基于上述的KPI預(yù)測(cè)方法，中國信科大唐電信集團(tuán)牽頭，中國開展了ITU-R WRC-19周期1.13議題——中國未來IMT-2020（5G）系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)的相關(guān)工作，并向ITU-R WP5D工作組輸出，相關(guān)研究結(jié)果被會(huì)議接收并寫入工作報(bào)告，具體預(yù)測(cè)數(shù)值如表5所示。

4? ?結(jié)束語

本文系統(tǒng)地介紹了4種不同的IMT系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)方法，這4種方法可以分為兩大類，基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的方法和基于KPI關(guān)鍵能力的預(yù)測(cè)方法。

一般來說，針對(duì)較為通用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如傳統(tǒng)的IMT網(wǎng)絡(luò)，且可以獲取較為準(zhǔn)確和全面的市場(chǎng)調(diào)研與業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，則可以優(yōu)先考慮基于業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的方法。其中FCC方法最為簡(jiǎn)單，所需輸入?yún)?shù)也最少，但對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果也最為粗略，且無法區(qū)分不同的部署場(chǎng)景。而ITU-R M.1768方法最為復(fù)雜，所需的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)類型繁多，對(duì)應(yīng)的各種映射關(guān)系也較為豐富，因此可以給出相對(duì)精細(xì)和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，但如果輸入數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確則容易對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。GSMA方法介于二者之間。如果無法獲取準(zhǔn)確和全面的市場(chǎng)調(diào)研與業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，或者主要關(guān)心的是某一個(gè)或某幾個(gè)KPI指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，則可以優(yōu)先考慮基于KPI的預(yù)測(cè)方法。此外，該方法還特別適用于一些專用網(wǎng)絡(luò)的頻譜需求預(yù)測(cè)，如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。

通過上述頻譜需求預(yù)測(cè)方法的介紹，本文進(jìn)一步給出了我國未來面向IMT包括IMT-2020系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)結(jié)果，該研究結(jié)果為我國在ITU為IMT爭(zhēng)取更多的頻率資源提供了重要的支撐。

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