王 坦，黃 標(biāo)，龐 京

（1.國家無線電監(jiān)測中心 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

頻譜資源是國際共用、國家支配的稀缺性戰(zhàn)略資源，被廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(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，隨著無線新技術(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，未來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量將呈現(xiàn)爆炸式增長，如圖1所示[1]，這給新技術(shù)發(fā)展和頻譜資源管理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)龐大的業(yè)務(wù)需求，無線通信技術(shù)體系在加速演進(jìn)。由國際電信聯(lián)盟無線通信部門（ITU-R）定義的國際移動(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，我國也成立了IMT-2020推進(jìn)組，力爭在5G時(shí)代引領(lǐng)國際技術(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)來自熱點(diǎn)地區(qū)[3]；在美國，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正在開展未來IMT系統(tǒng)頻譜需求總量預(yù)測的相關(guān)研究。美國、俄羅斯、日本等國家以及全球移動(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。我國政府與企業(yè)也積極參與其中。

隨著我國工業(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)測頻譜資源，既是解決當(dāng)下重點(diǎn)問題的需要，也可以為其他行業(yè)未來頻譜需求預(yù)測提供參考。

2 頻譜預(yù)測工作現(xiàn)狀

2.1 國際層面

在ITU-R的推動(dòng)下，IMT系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測工作正在國際范圍內(nèi)積極開展。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)測方法。其核心特點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：一是通過調(diào)查研究，對(duì)未來無線通信業(yè)務(wù)種類與市場需求做了詳細(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IMT頻譜需求的主流預(yù)測方法，并逐步針對(duì)未來業(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)算過程較為繁瑣。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出了一種流程簡潔的方法[7]。方法的核心思路是通過業(yè)務(wù)、基站數(shù)與頻譜效率的增長從總體上對(duì)頻譜需求進(jìn)行測算。俄羅斯也提出了類似的預(yù)測方法[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)測方法[9]，通過結(jié)合M.1768與FCC的方法，聯(lián)合考慮宏觀預(yù)測與微觀映射。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 國內(nèi)層面

在我國，IMT頻譜資源預(yù)測工作主要從以下幾個(gè)方面開展。

其一，依托2015年世界無線電通信大會(huì)（WRC-15）的1.1議題，為未來IMT發(fā)展尋找可用頻段。其中，頻譜需求預(yù)測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議題的順利開展，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）無線通信技術(shù)工作委員會(huì)（TG5）頻率組（WG8）針對(duì)該問題進(jìn)行了課題研究。

前兩部分的研究主要針對(duì)國際層面，在ITU-R的框架下，以M.1768方法為主導(dǎo)，其研究成果已通過國家提案的形式在ITU-R 5D工作組以及亞太電信組織（APT）提交，結(jié)果見表1。為了更好地結(jié)合我國實(shí)際國情，我國IMT-2020推進(jìn)組頻率子組也對(duì)該課題進(jìn)行了立項(xiàng)，擬從我國國情出發(fā)，研究更加適合我國實(shí)際情況的IMT頻譜需求預(yù)測方法，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，以反映我國運(yùn)營移動(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)測對(duì)我國3家運(yùn)營商的頻譜需求情況做出了預(yù)測，并給出了一種規(guī)劃方案[10]。國家無線電監(jiān)測中心以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)測方法。方法選取典型密集城區(qū)進(jìn)行預(yù)測，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，我國工業(yè)和信息化部（以下簡稱工信部）電信研究院也提出了一種預(yù)測方法[11]，通過將住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部文件與國內(nèi)3家運(yùn)營商近幾年數(shù)據(jù)報(bào)表相結(jié)合，以擬合等方式對(duì)未來業(yè)務(wù)量與承載能力進(jìn)行了預(yù)測。

3 頻譜預(yù)測關(guān)鍵因素

按照ITU-R 5D工作組計(jì)劃，IMT頻譜需求預(yù)測工作已經(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，從國際層面來看，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，從我國研究進(jìn)展來看，為了充分結(jié)合我國國情，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，預(yù)測工作有待進(jìn)一步推進(jìn)，為中長期頻率規(guī)劃做準(zhǔn)備。通過對(duì)現(xiàn)有預(yù)測方法的歸納與總結(jié)，下文對(duì)頻譜預(yù)測工作中的關(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)最密集場景的平均需求決定。以M.1768為例，其將評(píng)估場景分為“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)測結(jié)果顯示，“城區(qū)”頻譜需求遠(yuǎn)高于后兩種場景。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，再將其分流到城市等多種場景中，那么不同的分流比例會(huì)給結(jié)果帶來較大差別，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)展程度千差萬別，現(xiàn)有方法對(duì)城市場景的定義較為寬泛，難以代表一個(gè)國家或地區(qū)城市頻譜的實(shí)際使用情況。因此，在預(yù)測中對(duì)城市場景進(jìn)行更加深入的分析，將是解決頻譜需求問題的捷徑。

3.2 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)選擇

在未來業(yè)務(wù)量的預(yù)測上，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)量增長倍數(shù)進(jìn)行預(yù)測。因此，基準(zhǔn)年的選擇與業(yè)務(wù)量增長倍數(shù)的預(yù)測相互關(guān)聯(lián)、密不可分。

現(xiàn)有預(yù)測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)量增長倍數(shù)的預(yù)測。部分方法中引入了“平均年度增長”的概念，將未來若干年的業(yè)務(wù)量增長倍數(shù)平均為年度增長。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2012年總業(yè)務(wù)量為目標(biāo)。

·情況一：通過業(yè)務(wù)量預(yù)測，得到2011年業(yè)務(wù)量增長2倍，結(jié)果為2；2012年仍增長2倍，業(yè)務(wù)量為4。此時(shí)，如果使用“平均年度增長”的概念，可以得到年均增長為2倍。此時(shí)，若保持“平均年度增長”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：通過業(yè)務(wù)量預(yù)測，得到2011年業(yè)務(wù)量增長4倍，結(jié)果為4；而2012年無任何增長，業(yè)務(wù)量仍為4。易知“平均年度增長”仍為2倍（即每年增加2倍）。此時(shí)，若以“平均年度增長”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)測方法中普遍認(rèn)為，2010-2020年總業(yè)務(wù)量增長率將呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢。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)增長倍數(shù)進(jìn)行估算，避免因使用“平均年度增長”而引入的誤差。

3.3 總業(yè)務(wù)量增長倍數(shù)

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

表2 業(yè)務(wù)量預(yù)測結(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WLAN對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)的分流比例將占據(jù)15%～30%。近些年來，我國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)測方法對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢考慮仍存在不足，非IMT的寬帶無線接入技術(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)測方法中，基站數(shù)量增加的因素，需要結(jié)合場景進(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年不同場景下的頻譜效率評(píng)估值見表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。以我國為例，當(dāng)前3G商用網(wǎng)絡(luò)頻譜效率僅為過去3G標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估譜效率的40%。因此，在預(yù)測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

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)工作能夠與我國國情更好地結(jié)合。

1 Report ITU-R M.2243.Assessment of the Global Mobile Broadband Deployments and Forecasts for International Mobile Telecommunications,2011

2 Mavrakis D,Kamal-Saadi M.Mobile Broadband Access at Home:the Business Case for Femtocells,UMA and IMS/VCC Dual Mode Solutions.Informa Telecoms and Media,2008

3 De La Roche G,Valcarce A,López-Pérez D,et al.Access control mechanisms for femtocells.IEEE Communication Magazine,2010,48(1):33～39

4 López-Pérez D,Valcarce A,De La Roche G,et al.OFDMA femtocells:a roadmap on interference avoidance.IEEE Communication Magazine,2009,47(9):41～48

5 3GPP Tech Rep TR 36.814 V9.0.0.Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects,2010

6 Report ITU-R M.1768.Methodology for Calculation of Spectrum Requirements for the Future Development of the Terrestrial Component of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-2000,2006

7 Federal Communications Commission.Mobile Broadband:the Benefits of Additional Spectrum,2010

8 Russian Federation Document 5D/118-E.Future IMT Spectrum Requirements Assessment for the Russian Federation,2012

9 GSMA.A New Model for Spectrum Estimation,2012

10 聶博識(shí),馮志勇,馮澤冰等.基于層次化頻譜需求預(yù)測的IMT系統(tǒng)頻率規(guī)劃.電信科學(xué)，2012，28（5）:30～36

11 工業(yè)和信息化部電信研究院.IMT頻譜需求預(yù)測研究.CCSA TC5 WG8第57次會(huì)議，北京,2012

12 工業(yè)和信息化部無函〔2012〕620號(hào).工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布5 150～5 350兆赫茲頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用相關(guān)事宜的通知,2012

13 Qualcomm Inc.Document 5D/266-E Information Related to the Level of Asymmetry Between the Downlink and Uplink for Traffic in Response to Liaison from ITU-R JTG 4-5-6-7 on Spectrum Requirements,2013