王 坦，黃 標，龐 京

（1.國家無線電監(jiān)測中心 北京100037；2.河北工業(yè)大學信息工程學院 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，被廣泛應用到國民經(jīng)濟和國防建設的各個方面。移動通信行業(yè)是依托于頻譜資源的重要行業(yè)之一。近年來，隨著無線新技術的發(fā)展和人們對數(shù)據(jù)多媒體業(yè)務的渴望，多家機構研究顯示，未來移動通信業(yè)務量將呈現(xiàn)爆炸式增長，如圖1所示[1]，這給新技術發(fā)展和頻譜資源管理帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

為應對龐大的業(yè)務需求，無線通信技術體系在加速演進。由國際電信聯(lián)盟無線通信部門（ITU-R）定義的國際移動通信（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。相應地，我國也成立了IMT-2020推進組，力爭在5G時代引領國際技術發(fā)展走向。在該范圍內，多項關鍵技術以及新的網(wǎng)絡架構相繼涌現(xiàn)。研究表明，下一代無線通信業(yè)務的發(fā)生地將有較強的集聚性，如家庭、辦公室等[2]。報告顯示，在歐洲，預計有2/3的話音業(yè)務和90%的數(shù)據(jù)業(yè)務來自熱點地區(qū)[3]；在美國，預計有50%的話音業(yè)務和70%的數(shù)據(jù)業(yè)務來自熱點地區(qū)[4]。新的業(yè)務分布特征將有力地推動熱點地區(qū)覆蓋策略的發(fā)展，如第三代合作伙伴計劃（3GPP）倡導的小基站（small cell）等技術[5]。

在IMT系統(tǒng)進行技術革新的同時，海量移動數(shù)據(jù)業(yè)務對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)頻譜需求總量預測的相關研究。美國、俄羅斯、日本等國家以及全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）等組織都一同參與到相關研究中。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。為了實現(xiàn)頻譜資源的科學管理，一方面，要為新的頻譜需求及時規(guī)劃分配資源，以促進相關行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；另一方面，也要對頻譜需求做出合理估計，避免超前分配導致的資源浪費。為IMT合理預測頻譜資源，既是解決當下重點問題的需要，也可以為其他行業(yè)未來頻譜需求預測提供參考。

2 頻譜預測工作現(xiàn)狀

2.1 國際層面

在ITU-R的推動下，IMT系統(tǒng)頻譜需求預測工作正在國際范圍內積極開展。ITU-R在建議書M.1768[6]中提出了一套針對全球范圍內的、較為完備的頻譜預測方法。其核心特點主要包括兩個方面：一是通過調查研究，對未來無線通信業(yè)務種類與市場需求做了詳細的調查統(tǒng)計工作；二是依據(jù)乘法原理建立了一整套“業(yè)務需求—業(yè)務環(huán)境—部署場景—接入技術”的映射關系，如圖2所示。ITU-R將M.1768方法作為未來IMT頻譜需求的主流預測方法，并逐步針對未來業(yè)務需求和技術特征等對方法做出改進。

M.1768方法兼具完備性與復雜性，計算過程較為繁瑣。美國聯(lián)邦通信委員會（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、基站數(shù)與頻譜效率的增長從總體上對頻譜需求進行測算。俄羅斯也提出了類似的預測方法[8]，認為到2020年，所有小區(qū)將部署當前最先進的通信標準，實現(xiàn)較高的頻譜利用率。此外，GSMA提出了一種頻譜預測方法[9]，通過結合M.1768與FCC的方法，聯(lián)合考慮宏觀預測與微觀映射。表1匯總了ITU-R 5D工作組最近兩次會議上的各方輸入文稿結果。

表1 ITU-R 5D工作組輸入文稿結果匯總

2.2 國內層面

在我國，IMT頻譜資源預測工作主要從以下幾個方面開展。

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

其二，為了推動WRC-15的1.1議題的順利開展，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）無線通信技術工作委員會（TG5）頻率組（WG8）針對該問題進行了課題研究。

前兩部分的研究主要針對國際層面，在ITU-R的框架下，以M.1768方法為主導，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，結果見表1。為了更好地結合我國實際國情，我國IMT-2020推進組頻率子組也對該課題進行了立項，擬從我國國情出發(fā)，研究更加適合我國實際情況的IMT頻譜需求預測方法，在方法建模中加強對現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，力求更加直觀、精確，以反映我國運營移動通信網(wǎng)絡的實際需求，為后續(xù)頻率規(guī)劃工作提供參考。

在預測方法上，北京郵電大學在M.1768方法的基礎上，使用博弈論和灰度預測對我國3家運營商的頻譜需求情況做出了預測，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，提出了一種基于密集城區(qū)分析的預測方法。方法選取典型密集城區(qū)進行預測，充分考慮了業(yè)務量與基站數(shù)量在所選取密集區(qū)內從不同接入技術到不同部署小區(qū)下的映射關系。在GSMA方法的基礎上，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測方法[11]，通過將住房和城鄉(xiāng)建設部文件與國內3家運營商近幾年數(shù)據(jù)報表相結合，以擬合等方式對未來業(yè)務量與承載能力進行了預測。

3 頻譜預測關鍵因素

按照ITU-R 5D工作組計劃，IMT頻譜需求預測工作已經(jīng)進入關鍵階段，并將于2013年7月份向上級機構提交初步結果。一方面，從國際層面來看，現(xiàn)有研究結論有待進一步精細化、準確化、合理化；另一方面，從我國研究進展來看，為了充分結合我國國情，加強對現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，預測工作有待進一步推進，為中長期頻率規(guī)劃做準備。通過對現(xiàn)有預測方法的歸納與總結，下文對頻譜預測工作中的關鍵因素進行分析，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)務密集程度緊密相關。通常情況下頻譜需求大體上由業(yè)務最密集場景的平均需求決定。以M.1768為例，其將評估場景分為“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。預測結果顯示，“城區(qū)”頻譜需求遠高于后兩種場景。俄羅斯和GSMA的方法也具有相似結論。

在這種情況下，可以推斷，郊區(qū)與鄉(xiāng)村等地區(qū)業(yè)務量的增加不會對頻譜需求總量產(chǎn)生實質性的影響。相反，還可能引入誤差。其一，如果先對業(yè)務總量進行預測，再將其分流到城市等多種場景中，那么不同的分流比例會給結果帶來較大差別，精確的分流比例難以計算，這將不利于獲得城市場景的真實業(yè)務需求情況；其二，城市的發(fā)展程度千差萬別，現(xiàn)有方法對城市場景的定義較為寬泛，難以代表一個國家或地區(qū)城市頻譜的實際使用情況。因此，在預測中對城市場景進行更加深入的分析，將是解決頻譜需求問題的捷徑。

3.2 基準數(shù)據(jù)選擇

在未來業(yè)務量的預測上，通常方法是先確定基準年（或月等其他時間周期），獲得基準年的業(yè)務統(tǒng)計數(shù)據(jù)，然后以基準年為起點，對業(yè)務量增長倍數(shù)進行預測。因此，基準年的選擇與業(yè)務量增長倍數(shù)的預測相互關聯(lián)、密不可分。

現(xiàn)有預測方法通常是將歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、社會調查與曲線擬合算法相結合，完成業(yè)務量增長倍數(shù)的預測。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值，但在計算中要對數(shù)值大小保持謹慎。尤其是當相鄰幾年增長率波動較大時，這種方式會引入誤差。

例如，假設以2010年為基準年，總業(yè)務量為單位1，以預測2012年總業(yè)務量為目標。

·情況一：通過業(yè)務量預測，得到2011年業(yè)務量增長2倍，結果為2；2012年仍增長2倍，業(yè)務量為4。此時，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，若保持“平均年度增長”不變，選擇2011年為基準年，以總業(yè)務量2為基準數(shù)據(jù)，那么2012年的業(yè)務量仍為4，與上述結論相同。

·情況二：通過業(yè)務量預測，得到2011年業(yè)務量增長4倍，結果為4；而2012年無任何增長，業(yè)務量仍為4。易知“平均年度增長”仍為2倍（即每年增加2倍）。此時，若以“平均年度增長”為準則，選擇2011年為基準年，以業(yè)務量4為基準數(shù)據(jù)，那么2012年數(shù)據(jù)將為4×2=8倍，這與前者結論相差較大。

當前，各預測方法中普遍認為，2010-2020年總業(yè)務量增長率將呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢。因此，在計算中應當首先確定基準年與基準數(shù)據(jù)，再對增長倍數(shù)進行估算，避免因使用“平均年度增長”而引入的誤差。

3.3 總業(yè)務量增長倍數(shù)

合理、準確地預測總業(yè)務量增長倍數(shù)是預測工作的重要前提?？倶I(yè)務量的增長倍數(shù)與頻譜需求的最終預測結果大體上呈線性正相關，是任何一個預測方法的關鍵輸入?yún)?shù)之一。表2給出了部分預測結果示例。在2013年1月的ITU-R 5D工作組會議上，愛立信、英特爾、諾基亞和諾西等公司提案認為，2020年全球總業(yè)務量較2010年的增長倍數(shù)為44～87倍，日本提案預測該倍數(shù)為43.9～80.3倍。相比之下，我國人口眾多，未來IMT業(yè)務量發(fā)展?jié)摿O大。依據(jù)CCSA的預測報告，我國總業(yè)務量在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測方法中對我國2020年業(yè)務量較2010年增長倍數(shù)的預測約為621倍。由此可見，不同國家或組織機構的業(yè)務量預測結果范圍跨度較大。

表2 業(yè)務量預測結果示例

3.4 業(yè)務量到部署的分流

部署分流是從“總業(yè)務量”到“3G/4G等接入技術組”，再到“宏基站（Macro）、微基站（Micro）、毫微基站（Pico）、熱點基站（Hot Spot）”的映射關系，如圖4所示。不同的接入技術組在不同部署小區(qū)的承載能力各不相同。因此，同樣的總業(yè)務量配合不同的分流系數(shù)，將會對結果帶來較大的差別。例如，將所有業(yè)務都由宏基站承擔或將所有業(yè)務都由熱點基站承擔，前者的頻譜總需求可能是后者的數(shù)倍。引言中的參考文獻顯示了熱點地區(qū)業(yè)務量將至少占據(jù)總業(yè)務量的70%，未來小基站技術的發(fā)展將會不斷推動熱點地區(qū)覆蓋能力的進步，這些研究與結論在分流計算中應當給予充分考慮。

3.5 WLAN占總業(yè)務量的比例

WLAN作為一種非IMT的主流寬帶無線接入技術，在步行/靜止等室內外熱點的承載能力日益凸顯。大體上，其對業(yè)務量的分流比例與IMT的頻譜需求反相關。當前一些觀點認為，未來WLAN對熱點地區(qū)的分流比例將占據(jù)15%～30%。近些年來，我國WLAN業(yè)務迅猛發(fā)展，管理部門為WLAN規(guī)劃的頻段資源也在增加[12]?，F(xiàn)有預測方法對未來網(wǎng)絡融合的趨勢考慮仍存在不足，非IMT的寬帶無線接入技術對業(yè)務量的分流能力有待進一步挖掘。

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)量的絕對增長難以與頻譜需求建立直接聯(lián)系。基站數(shù)量與覆蓋面積是體現(xiàn)不同部署場景對業(yè)務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）>熱點基站（約10 m）。

事實上，運營商基站數(shù)量的持續(xù)增加，需要綜合考慮兩點：一方面，城區(qū)密集地區(qū)的基站建設密度已經(jīng)較高，難以繼續(xù)部署宏基站或微基站，未來或將僅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，這些地區(qū)將會建設一批數(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)務量，遠不及頻譜需求最強烈的大城市地區(qū)，即這類地區(qū)新增的基站數(shù)量并未對總頻譜需求產(chǎn)生實質性影響。因此，在預測方法中，基站數(shù)量增加的因素，需要結合場景進行更深入的分析。

3.7 頻譜效率

頻譜效率與頻譜需求約呈反比關系。頻譜效率是表征單位基站承載業(yè)務吞吐量的能力。ITU-R給出的2020年不同場景下的頻譜效率評估值見表3[6]。

表3 2020年城市頻譜效率評估結果

然而，在實際應用中，頻譜效率受到站址部署難、環(huán)境復雜度高等因素的影響，能夠達到的數(shù)值往往低于理論評估結果。以我國為例，當前3G商用網(wǎng)絡頻譜效率僅為過去3G標準化評估譜效率的40%。因此，在預測中要充分考慮理論評估結果與實際部署結果的差距。

3.8 上下行配比

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

在此背景下，假設在2015年，為滿足下行業(yè)務量，需要x的頻譜資源，若必須上下行對稱配置資源，則將共需要2x的頻譜總需求；若實現(xiàn)理想下行補充技術或上下行時隙靈活配比，依據(jù)高通公司10∶1的預測結果，根據(jù)當前FDD與TDD技術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，在預測中應適當考慮這些為解決上下行業(yè)務量不對稱而發(fā)展的新技術。

4 結束語

對頻譜資源進行科學、合理的規(guī)劃，既是技術、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)作為未來移動通信的主要承載，對頻譜資源總量具有較高的需求。對其需求進行合理預測和評估具有重要意義。本文在對現(xiàn)有工作分析的基礎上，對IMT頻譜需求預測的關鍵因素提出了若干考慮，以期后續(xù)相關工作能夠與我國國情更好地結合。

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

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

12 工業(yè)和信息化部無函〔2012〕620號.工業(yè)和信息化部關于發(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