5GIMT頻譜效率評(píng)估如何？有什么方法和指標(biāo)？

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(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)估也是增強(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)展方向和待解決的問題。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?，對(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：

表1 中國(guó)運(yùn)營(yíng)商分配頻譜總量統(tǒng)計(jì)

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)三家運(yùn)營(yíng)商的用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示：

表2 三大運(yùn)營(yíng)商用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

注：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2017年6月。

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：

圖1 中國(guó)運(yùn)營(yíng)商單用戶頻譜帶寬分析結(jié)果

圖1縱坐標(biāo)單位為MHz/億用戶

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%。

表3 三大運(yùn)營(yíng)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(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)域區(qū)域作為5G系統(tǒng)部署的排除區(qū)域，假設(shè)該該區(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(shè)允許覆蓋面積占內(nèi)蒙古自治區(qū)總面積的90%?；谶@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(yǔ)

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。為提升我國(guó)頻譜管理方法的國(guó)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(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。