張炎炎 李文祺 王寶聰 李欣

【摘 要】隨著各行各業(yè)無線電業(yè)務(wù)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(duì)于頻譜分配和分配后的頻譜使用效率評(píng)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(dòng)通信（IMT）網(wǎng)絡(luò)頻譜使用效率評(píng)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(guān)結(jié)果已寫入ITU-R相關(guān)建議書，這對(duì)頻譜規(guī)劃和評(píng)估具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】頻譜規(guī)劃；頻譜評(píng)估；頻譜使用效率；單用戶頻譜帶寬

Research on Spectrum Efficiency Evaluation for 5G based IMT System

ZHANG Yanyan， LI Wenqi， WANG Baocong， LI Xin

[Abstract] With the development of radio services and the maturity of 5G systems， the lack of spectrum resources becomes more and more obvious. Therefore， the most important problem is to evaluate the spectrum utilization efficiency after spectrum assignment. We propose a spectrum efficiency evaluation method and system for 5G based IMT system. This method can reflect the main factors which affect the spectrum utilization efficiency of IMT system. This method has been accepted by ITU-R related recommendations. This method has strong guiding significances for the spectrum arrangement and 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(shè)備進(jìn)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來的數(shù)據(jù)流量暴增，各行各業(yè)對(duì)無線電頻譜的需求急劇增加，這使得無線電頻譜資源的稀缺程度不斷加大。特別是我國(guó)的移動(dòng)終端用戶近年來大幅增加，而且移動(dòng)終端智能化帶來了更大的數(shù)據(jù)量，這就使公眾移動(dòng)通信對(duì)頻譜的需求也逐漸加大，因此對(duì)頻譜進(jìn)行合理的分配，以及事后進(jìn)行評(píng)估是增強(qiáng)頻譜使用效率的重要手段。

國(guó)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(shí)指出：“各主管部門應(yīng)努力將所使用的頻譜限制到為滿足使用必要業(yè)務(wù)所需的最低限度。為此，應(yīng)盡力盡快采用最先進(jìn)的技術(shù)；頻譜資源是有限的，必須公平、合理、有效、經(jīng)濟(jì)地使用；所有電臺(tái)不得對(duì)其他合法電臺(tái)產(chǎn)生有害干擾……”。由此可見，頻譜使用的真實(shí)性、合法性、效益（效率）性，是頻譜管理目標(biāo)的重要組成部分。

為進(jìn)一步開展頻譜效率評(píng)估，提高對(duì)頻譜的高效利用，2016年11月29日，國(guó)家無線電辦公室發(fā)文《國(guó)家無線電辦公室關(guān)于開展無線電頻譜使用評(píng)估常態(tài)化試運(yùn)行工作的通知》（國(guó)無辦函〔2016〕17號(hào)），這標(biāo)志著頻譜評(píng)估工作走向常態(tài)化，將成為一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作。

可以看出，無論是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，提高頻譜利用效率，加大頻譜效率評(píng)估能力，是未來無線電頻譜管理的重要發(fā)展方向。對(duì)于IMT業(yè)務(wù)來說，為更多用戶提供基本通信服務(wù)，保障更大范圍和更多人口的信息通信權(quán)是通信運(yùn)營(yíng)商的重要社會(huì)責(zé)任，也是評(píng)估IMT頻率分配和使用合理性的重要指標(biāo)。

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

2 國(guó)內(nèi)外5G頻譜規(guī)劃

根據(jù)我國(guó)頻譜需求的預(yù)測(cè)結(jié)果，我國(guó)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(yīng)用場(chǎng)景的需求，我國(guó)主管部門積極開展相關(guān)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(duì)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(guó)際移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）使用頻率的意見，其中主要針對(duì)24.75 GHz—27.5 GHz及37 GHz—42.5 GHz頻段征詢5G頻率規(guī)劃意見。可以看出，未來5G網(wǎng)絡(luò)將由高中低頻融合組網(wǎng)構(gòu)成。其中低頻段是指1 GHz以下的頻段，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(guó)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(diǎn)，一般無法穿透室內(nèi)，用于小范圍高容量需求場(chǎng)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(luò)效率，打造協(xié)同工作的精品網(wǎng)絡(luò)將是一項(xiàng)重要的工作。國(guó)際上已經(jīng)開始廣泛地關(guān)注如何高效地使用網(wǎng)絡(luò)的問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行滾動(dòng)周期化的評(píng)估以評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的健康程度，而面向5G的頻譜規(guī)劃，對(duì)網(wǎng)絡(luò)使用效率及網(wǎng)絡(luò)健康度評(píng)估將會(huì)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”。該建議書針對(duì)無線電頻譜使用效率展開了評(píng)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(huì)議上完成了建議書的最終發(fā)布。該建議書的完成填補(bǔ)了無線電系統(tǒng)頻譜使用和效率評(píng)估定義相關(guān)方面的空白，是頻譜評(píng)估方面的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)建議書，是全球其他國(guó)家管理機(jī)構(gòu)開展頻譜評(píng)估工作的依據(jù)。本論文的相關(guān)內(nèi)容作為獨(dú)立章節(jié)寫入該建議書，這標(biāo)志著中國(guó)在頻譜管理和頻譜評(píng)估領(lǐng)域邁入了全球領(lǐng)先水平。

3 面向5G的移動(dòng)通信頻譜使用效率評(píng)估

方法和體系

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

首先，為了評(píng)估各網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)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(luò)承載M個(gè)用戶時(shí)平均每用戶的帶寬。

針對(duì)側(cè)重衡量用戶的場(chǎng)景，假設(shè)某網(wǎng)絡(luò)有N個(gè)頻段，其所有頻段在所有地理區(qū)域和時(shí)間內(nèi)均使用時(shí)，其承載M個(gè)用戶時(shí)平均每用戶的帶寬可定義為：

其中，Bi為第i個(gè)載波的帶寬。

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，為協(xié)調(diào)異系統(tǒng)間的干擾、進(jìn)行頻譜的動(dòng)態(tài)共享等，存在某些頻段僅能在部分區(qū)域、場(chǎng)景及時(shí)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(jìn)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(gè)載波在所在區(qū)域被允許使用的面積，Πmax， i表示第i個(gè)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(gè)載波一天內(nèi)被允許使用的時(shí)間，Tmax， i表示第i個(gè)載波可以被使用的最大時(shí)間（一般為24小時(shí)）。J為一取值區(qū)間為[0， 1]的常數(shù)，表示其它因素（如場(chǎng)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)用戶分布情況，定義J值表征由于該限制造成的實(shí)際單用戶帶寬的減少。

為評(píng)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(jìn)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(gè)載波在所在區(qū)域被允許使用的面積中實(shí)際使用的面積?？梢钥闯觯瑢?duì)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(jià)值的區(qū)域，如戈壁、荒漠、無人區(qū)等，該部分面積的統(tǒng)計(jì)將會(huì)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(duì)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(gè)載波在其被實(shí)際使用的面積上的人口數(shù)，Гpmt， i表示第i個(gè)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(duì)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(biāo)體系充分考慮了移動(dòng)通信領(lǐng)域中服務(wù)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(shí)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(shí)間等。因此，采用該體系能夠有效評(píng)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(píng)估體系驗(yàn)證

4.1 單用戶頻譜帶寬評(píng)估驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證以上頻譜效率評(píng)估體系的科學(xué)性和有效性，本文以中國(guó)已分配頻譜的使用情況和可能的5G頻譜分配限制對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

以中國(guó)國(guó)內(nèi)M運(yùn)營(yíng)商、U運(yùn)營(yíng)商和T運(yùn)營(yíng)商為例，目前我國(guó)已將522 MHz頻譜分配給以上運(yùn)營(yíng)商使用，帶寬的具體分配情況如表1所示：

從以上頻譜分配情況可以看出，M運(yùn)營(yíng)商分配的總頻譜最多，U運(yùn)營(yíng)商獲批4G頻譜總量最多。根據(jù)工信部的統(tǒng)計(jì)，截止2017年6月，中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示：

根據(jù)評(píng)估方法公式（1）可得各運(yùn)營(yíng)商的單用戶頻譜帶寬，評(píng)估結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，在單用戶頻譜中，U運(yùn)營(yíng)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(lǐng)先位置。而M運(yùn)營(yíng)商由于服務(wù)用戶較多，單用戶頻譜帶寬明顯處于劣勢(shì)。從圖1可知，T運(yùn)營(yíng)商和U運(yùn)營(yíng)商全網(wǎng)單用戶頻譜總量分別為M運(yùn)營(yíng)商的1.81倍和2.06倍，4G單用戶頻譜總量分別為M運(yùn)營(yíng)商的2.92倍和4.66倍。因此，相較于U運(yùn)營(yíng)商和T運(yùn)營(yíng)商，為滿足用戶體驗(yàn)需求，M運(yùn)營(yíng)商對(duì)新增頻譜的需求更為迫切。

4.2 修正的單用戶頻譜帶寬應(yīng)用分析

在現(xiàn)網(wǎng)頻譜分配中，由于需保護(hù)其它系統(tǒng)室外頻率使用不受干擾，M運(yùn)營(yíng)商和U運(yùn)營(yíng)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捎贓頻段僅限于室內(nèi)使用的影響，相對(duì)于不考慮該因素的單用戶頻譜帶寬，M運(yùn)營(yíng)商和U運(yùn)營(yíng)商修正的單用戶頻譜帶寬分別下降了12%和7%。

4.3 地理歸一化單用戶頻譜帶寬應(yīng)用分析

未來5G頻譜部署可能針對(duì)不同頻段上異系統(tǒng)的保護(hù)準(zhǔn)則在不同地理區(qū)域上進(jìn)行分配。例如：基于某種業(yè)務(wù)特殊區(qū)域干擾保護(hù)的考慮，假設(shè)將某省某區(qū)域作為5G系統(tǒng)部署的排除區(qū)域，假設(shè)該區(qū)域面積占該省面積的0.1%，則在該省5G對(duì)應(yīng)頻段的地理歸一化單用戶頻譜帶寬會(huì)下降0.1%。

4.4 人口歸一化單用戶頻譜帶寬應(yīng)用分析

人口歸一化單用戶頻譜帶寬主要考慮人煙稀少，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(shè)允許覆蓋面積占內(nèi)蒙古自治區(qū)總面積的90%。基于這一假設(shè)，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(jìn)一步假設(shè)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(duì)國(guó)內(nèi)外陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)在頻譜效率評(píng)估中遇到的問題，提出了一整套評(píng)估方法及指標(biāo)，并根據(jù)中國(guó)運(yùn)營(yíng)商頻譜分配情況、5G頻譜分配中遇到的可能性對(duì)以上方法和體系進(jìn)行了驗(yàn)證。本文主要方法已寫入ITU-R SM.1046-2建議書，這極大地提升了我國(guó)頻譜管理方法的國(guó)際影響力。通過分析可以看出，本文提出的頻譜使用效率評(píng)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(qiáng)的實(shí)用性和可推廣性，可以作為未來頻譜評(píng)估的重要方法和手段。

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