面向5G的IMT頻譜使用效率評估

【摘要】隨著各行各業(yè)無線電業(yè)務的發(fā)展和5G系統(tǒng)的成熟，頻譜資源不足的問題越來越突出。因此，對于頻譜分配和分配后的頻譜使用效率評估成為提高頻譜利用效率的重要問題之一。提出了一種面向5G系統(tǒng)的地面移動通信（IMT）網(wǎng)絡頻譜使用效率評估方法和體系，能夠有效地反映影響IMT系統(tǒng)頻譜使用效率的主要因素，相關結(jié)果已寫入ITU-R相關建議書，對頻譜規(guī)劃和評估具有較強的指導意義。

【關鍵詞】頻譜規(guī)劃；頻譜評估；頻譜使用效率；單用戶頻譜帶寬

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)02-0000-00

引用格式：張炎炎,李文祺,王寶聰,等. 面向5G的IMT頻譜使用效率評估[J]. 移動通信, 2018,42(2): 00-00.

Research on Spectrum Efficiency Evaluation for 5G based IMT System

ZHANG Yanyan, LI Wenqi, WANG Baocong, LI Xin

[Abstract] As the development of radio services among different industries and the mature of the 5G system, the issue of spectrum resources shortage is more and more obvious. Therefore, the most important problem is to evaluate the spectrum utilization efficiency after spectrum assignment. In this research, it provides a new method to evaluate the spectrum efficiency in 5G time. This method can reflect the main factors which could influence the spectrum use efficiency of IMT system. This method has been accepted by ITU-R related recommendations. Completion of this method is meaningful for the spectrum arrangement and the spectrum evaluation.

[Key words] spectrum arrangement; spectrum evaluation; spectrum utilization efficiency; single user spectrum utilization status

1 引言

無線電頻譜作為承載各種無線電設備進行通信的通路，是一種無形的，卻又極其重要的戰(zhàn)略資源。近年來，隨著各種無線電技術(shù)的發(fā)展以及移動互聯(lián)網(wǎng)帶來的數(shù)據(jù)流量暴增，各行各業(yè)對無線電頻譜的需求急劇膨脹，這使得無線電頻譜資源的稀缺程度不斷加大。特別是我國的移動終端用戶近年來大幅增加，而且移動終端智能化帶來了更大的數(shù)據(jù)量，這就使公眾移動通信對頻譜的需求也逐漸加大，因此對頻譜進行合理的分配，以及事后進行評估也是增強頻譜使用效率的重要手段。

國際電信聯(lián)盟（ITU）在《無線電規(guī)則》前言中提到頻譜管理的原則時指出：“各主管部門應努力將所使用的頻譜限制到為滿足使用必要業(yè)務所需的最低限度。為此，應盡力盡快采用最先進的技術(shù)；頻譜資源是有限的，必須公平、合理、有效、經(jīng)濟地使用；所有電臺不得對其他合法電臺產(chǎn)生有害干擾……”[1]。由此可見，頻譜使用的真實性、合法性、效益（效率）性，是頻譜管理目標的重要組成部分。

為進一步開展頻譜效率評估，提高對頻譜的高效利用，2016年11月29日，國家無線電辦公室發(fā)文《國家無線電辦公室關于開展無線電頻譜使用評估常態(tài)化試運行工作的通知》（國無辦函〔2016〕17號），這標志著頻譜評估工作走向常態(tài)化，將成為一項長期的工作。

可以看出，無論是國際還是國內(nèi)，提高頻譜利用效率，加大頻譜效率評估能力，是未來無線電頻譜管理的重要發(fā)展方向和待解決的問題。對于IMT業(yè)務來說，為更多用戶提供基本通信服務，保障更大范圍和更多人口的信息通信權(quán)是通信運營商的重要社會責任，也是評估IMT頻率分配和使用合理性的重要指標。

本文針對以上問題，提出了一種面向5G系統(tǒng)的IMT網(wǎng)絡頻譜使用效率評估方法和體系，將移動通信網(wǎng)絡服務用戶數(shù)、覆蓋范圍、覆蓋人口以及分配頻率在時間、地點上的受限情況等重要因素引入無線電評估體系，相關結(jié)果已代表中國寫入ITU-R SM.1046-2建議書，為更加公正合理地進行頻譜分配和事后評估提供了重要的參考和依據(jù)。

2 國內(nèi)外5G頻譜規(guī)劃

根據(jù)我國頻譜需求的預測結(jié)果，我國5G發(fā)展在高中低頻上均有頻譜缺口，為了保障5G能夠滿足三大應用場景的需求，我國主管部門積極開展相關協(xié)調(diào)工作，為5G頻譜規(guī)劃鋪路。2017年，工信部公開征集了對5G使用3 400 MHz—3 600 MHz及4 800 MHz—5 000 MHz頻段的使用建議，明確5G中低頻分配方向。無線電管理局也公開征集在毫米波段規(guī)劃第五代國際移動通信系統(tǒng)（5G）使用頻率的意見，其中主要針對24.75 GHz—27.5 GHz及37 GHz—42.5 GHz頻段征詢5G頻率規(guī)劃意見�？梢钥闯�，未來5G網(wǎng)絡將由高中低頻融合組網(wǎng)構(gòu)成。其中低頻段是指1 GHz以下頻段，主要包括700 MHz、800 MHz、900 MHz等，主要用于深度覆蓋和廣度覆蓋；中頻段指1 GHz—6 GHz頻段，目前國際頻段主要包括3.3 GHz—3.6 GHz、4 GHz—5 GHz等，主要用于5G城市主覆蓋和速率保障；高頻段主要是指毫米波頻段，具有帶寬很寬但傳播范圍很小的特點，一般無法穿透室內(nèi)，用于小范圍高容量需求場景。

面臨未來5G高中低頻結(jié)合的頻譜資源，如何高效地保證網(wǎng)絡效率，打造協(xié)同工作的精品網(wǎng)絡將是一項重要的工作。國際上已經(jīng)開始廣泛地關注如何高效地使用網(wǎng)絡的問題，對網(wǎng)絡進行滾動周期化的評估以評價網(wǎng)絡的健康程度，而面向5G的頻譜規(guī)劃，對網(wǎng)絡使用效率及網(wǎng)絡健康度評估將會有新維度的考慮。

ITU-R在第1工作組（SG1）中起草了建議書“SM.1046-2：Definition of spectrum use and efficiency of a radio system”[2]。該建議書針對無線電頻譜使用效率展開了評估，2017年6月13日至6月22日期間，在日內(nèi)瓦召開的SG1工作組會議上完成了建議書的最終發(fā)布。該建議書的完成填補了無線電系統(tǒng)頻譜使用和效率評估定義相關方面的空白，是頻譜評估方面的第一個國際標準化相關建議書，是全球其他國家管理機構(gòu)開展頻譜評估工作的依據(jù)。本論文的相關內(nèi)容作為獨立章節(jié)寫入該建議書，這標志著中國在頻譜管理和頻譜評估領域邁入了全球領先水平。

3 面向5G的移動通信頻譜使用效率評估方法和體系

本文基于5G頻譜規(guī)劃的動向及5G頻譜使用場景的不同，提出了面向5G的頻譜使用效率評估方法。該方法將移動通信網(wǎng)絡服務用戶數(shù)、覆蓋范圍、覆蓋人口以及分配頻率在時間、地點上的受限情況等重要因素引入無線電評估體系，為更加公正合理地進行頻譜分配和事后評估提供了重要參考和依據(jù)。

首先，為了評估各網(wǎng)絡相應頻段投放頻率的使用效率，定義單用戶頻譜帶寬λ為某網(wǎng)絡承載M個用戶時平均每用戶的帶寬。

針對側(cè)重衡量用戶的場景，假設某網(wǎng)絡有N個頻段，其所有頻段在所有地理區(qū)域和時間內(nèi)均使用時，其承載M個用戶時平均每用戶的帶寬可定義為：

其中，Bi為第i個載波的帶寬。

在實際網(wǎng)絡部署時，為協(xié)調(diào)異系統(tǒng)間的干擾、進行頻譜的動態(tài)共享等，存在某些頻段僅能在部分區(qū)域、場景及時間部署的情況。為體現(xiàn)這種情況在單用戶頻譜帶寬中的作用，進一步定義“修正的單用戶頻譜帶寬”，該參數(shù)可以定義為：

其中，Πpmt, i表示第i個載波在所在區(qū)域被允許使用的面積，Πmax, i表示第i個載波可以被使用的最大面積（一般為所在區(qū)域的總面積）。Tpmt, i表示第i個載波一天內(nèi)被允許使用的時間，Tmax, i表示第i個載波可以被使用的最大時間（一般為24小時）。J為一取值區(qū)間為[0, 1]的常數(shù)，表示其它因素（如場景等）造成的影響因子。例如，如果某一載波僅被允許在室內(nèi)使用，則可根據(jù)實際網(wǎng)絡用戶分布情況，定義J值表征由于該限制造成的實際單用戶帶寬的減少。

為評估用戶在多大地理面積上能夠使用以上單用戶頻譜帶寬，進一步定義地理歸一化單用戶頻譜帶寬ξ，其定義為：

其中，Πact, i表示在第i個載波在所在區(qū)域被允許使用的面積中實際使用的面積�？梢钥闯�，對于完全覆蓋允許覆蓋全部面積的載波，地理歸一化單用戶頻譜帶寬同單用戶頻譜帶寬相等。

由于部分區(qū)域?qū)儆诒辉试S使用但不具備覆蓋價值的區(qū)域，如戈壁、荒漠、無人區(qū)等，該部分面積的統(tǒng)計將會使地理歸一化單用戶頻譜帶寬的參考意義降低。因此，將絕對面積替換為區(qū)域內(nèi)的人口數(shù)，定義人口歸一化單用戶頻譜帶寬ψ，其定義為：

其中，Гact, i表示第i個載波在其被實際使用的面積上的人口數(shù)，Гpmt, i表示第i個載波在其被允許使用的面積上的總?cè)丝跀?shù)。類似地，可以看出，對于完全覆蓋允許覆蓋全部面積的載波，人口歸一化單用戶頻譜帶寬同單用戶頻譜帶寬相等。

可以看出，以上指標體系充分考慮了移動通信領域中服務更多用戶的基本要求中的主要因素，包括但不限于用戶數(shù)、覆蓋面積及覆蓋人口數(shù)，同時考慮了頻譜分配中不同頻率所受到的特殊限制，如頻率適用范圍、頻率使用時間等。因此，采用該體系能夠有效評估頻譜利用率，為頻譜管理和公正分配提供更好的方法和手段。

4 頻譜使用效率評估體系驗證

4.1 單用戶頻譜帶寬評估驗證

為進一步驗證以上頻譜效率評估體系的科學性和有效性，本文以中國已分配頻譜的使用情況和可能的5G頻譜分配限制對評估結(jié)果的影響進行驗證。

以中國國內(nèi)M運營商、U運營商和T運營商為例，目前我國已將522 MHz頻譜分配給以上運營商使用，帶寬的具體分配情況如表1所示：

表1 中國運營商分配頻譜總量統(tǒng)計

從以上頻譜分配情況可以看出，M運營商分配的總頻譜最多，U運營商獲批4G頻譜總量最多。根據(jù)工信部的統(tǒng)計，截止2017年6月，中國三家運營商的用戶數(shù)統(tǒng)計情況如表2所示：

表2 三大運營商用戶數(shù)統(tǒng)計情況

注：數(shù)據(jù)統(tǒng)計截至2017年6月。

根據(jù)評估方法公式（1）可得各運營商的單用戶頻譜帶寬，評估結(jié)果如圖1所示：

圖1 中國運營商單用戶頻譜帶寬分析結(jié)果

圖1縱坐標單位為MHz/億用戶

如圖1所示，在單用戶頻譜中，U運營商無論在總頻譜單用戶分配方面還是4G頻譜單用戶分配方面，均處于領先位置。而M運營商由于服務用戶較多，單用戶頻譜帶寬明顯處于劣勢。從圖1可知，T運營商和U運營商全網(wǎng)單用戶頻譜總量分別為M運營商的1.81倍和2.06倍，4G單用戶頻譜總量分別為M運營商的2.92倍和4.66倍。因此，相較于U運營商和T運營商，為滿足用戶體驗需求，M運營商對新增頻譜的需求更為迫切。

4.2 修正的單用戶頻譜帶寬應用分析

在現(xiàn)網(wǎng)頻譜分配中，由于需保護其它系統(tǒng)室外頻率使用不受干擾，M運營商和U運營商已分配的2 320 MHz—2 370 MHz和2 300 MHz—2 320 MHz頻譜僅能在室內(nèi)使用，因此適用于地理歸一化單用戶頻譜帶寬�？紤]到城市中室內(nèi)用戶比例約為總用戶數(shù)的30%~50%，取中值40%代入公式（2），可得修正的單用戶頻譜帶寬如表3所示�？梢钥闯觯�由于E頻段僅限于室內(nèi)使用的影響，相對于不考慮該因素的單用戶頻譜帶寬，M運營商和U運營商修正的單用戶頻譜帶寬分別下降了12%和7%。

表3 三大運營商修正的單用戶頻譜帶寬

4.3 地理歸一化單用戶頻譜帶寬應用分析

未來5G頻譜部署可能針對不同頻段上異系統(tǒng)的保護準則在不同地理區(qū)域上進行分配。例如：基于某種業(yè)務特殊區(qū)域干擾保護的考慮，假設將某省某區(qū)域區(qū)域作為5G系統(tǒng)部署的排除區(qū)域，假設該該區(qū)域面積占該省面積的0.1%，則在該省5G對應頻段的地理歸一化單用戶頻譜帶寬會下降0.1%。

4.4 人口歸一化單用戶頻譜帶寬應用分析

人口歸一化單用戶頻譜帶寬主要需考慮人煙稀少無需全部覆蓋的區(qū)域。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，在自治區(qū)行政面積內(nèi)，假設允許覆蓋面積占內(nèi)蒙古自治區(qū)總面積的90%�；�于這一假設，內(nèi)蒙古自治區(qū)的地理歸一化單用戶頻譜帶寬為單用戶頻譜帶寬的50%。進一步假設適合覆蓋區(qū)域人口與不適合覆蓋區(qū)域人口占比為9:1，可得出的人口歸一化單用戶頻譜帶寬為單用戶頻譜帶寬的0.81%。

5 結(jié)束語

本文針對國內(nèi)外陸地移動通信系統(tǒng)在頻譜效率評估中遇到的問題，提出了一整套評估方法及指標，并根據(jù)中國運營商頻譜分配情況、5G頻譜分配中遇到的可能性對以上方法和體系進行了驗證。為提升我國頻譜管理方法的國際影響力，本文主要方法已寫入ITU-R SM.1046-2建議書。通過本文的分析可以看出，本文提出的頻譜使用效率評估方法和體系能夠充分考慮各種影響效率的因素，具有較強的實用性和可推廣性，可以作為未來頻譜評估的重要方法和手段。

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作者簡介

張炎炎：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設計院有限公司，研究方向包括無線電頻譜、5G/LTE組網(wǎng)關鍵技術(shù)、HAPS及物聯(lián)網(wǎng)等。

王寶聰：碩士，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設計院有限公司，主要研究方向為信息系統(tǒng)研發(fā)與集成。

李文祺：碩士，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設計院有限公司，主要研究方向為頻譜工程。

李欣：碩士，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設計院有限公司，主要研究方向為信息系統(tǒng)研發(fā)與集成。

作者：張炎炎 李文祺 王寶聰 李欣 來源：《移動通信》2018年2月