王晓鹿 郭志瑜 童鑫

【摘  要】为了推动我国IMT产业发展并为我国频率规划工作提供重要依据，系统地介绍了四种IMT系统的频谱需求预测方法，包括基于业务量预测的ITU-R M.1768方法、FCC预测方法和GSMA预测方法以及基于关键技术能力的预测方法。分析了不同预测方法的基本原理、预测流程和详细步骤。并给出了基于ITU-R M.1768方法和基于关键技术能力方法的中国未来IMT系统频谱需求预测结果。此外，本论文还对比了四种方法的差异，给出了各方法的适用性建议。

【关键词】IMT系统;频谱需求预测;基于业务量的方法;基于KPI的方法

1   引言

中国信科大唐电信集团长期牵头开展中国未来IMT（International Mobile Telecommunications，国际移动通信）系统的频谱需求预测工作，并分别于2013年和2016年向ITU工作组输出了我国未来IMT系统（4G/5G系统）的频谱需求预测情况，相关预测方法与结果得到会议认可并写入ITU-R M.2290报告[1]及ITU-R TG5/1主席报告[2]，为世界无线电通信大会WRC-15和WRC-19的IMT频率确定提供了依据。

频谱需求预测的基本原则是既要充分考虑当前业务在目前及未来一定时间内的客观需求和发展趋势，也要注意到其他各种无线电业务在相同或相近目标频段上的用频需求。针对IMT系统而言，目前常见的频谱需求预测方法主要分为两大类：基于业务量的预测方法和基于KPI的预测方法。不同的方法适用于不同的场景和不同的任务需求，同时不同的方法需要的输入参数种类和输出结果呈现形式也有所不同，需要根据具体需求来进行选取。

2   基于业务量预测的方法

2.1  ITU-R M.1768预测方法

ITU-R M.1768方法[3]是一种基于业务量预测的频谱需求预测方法，该方法基于实际的市场调研数据开展，可以较为准确和全面地预测各种不同部署场景下的频谱需求，但实现复杂度较高。M.1768方法预测频谱需求的基本流程如图1所示：

（1）服务类别

服务类别（SC， Service Category）包含了服务类型和业务量等级两个概念，其中服务类型主要体现速率要求，而业务量等级主要体现服务质量要求。在该方法中分别定义了5种服务类型和4种业务量等级，将二者对应起来从而形成了总计20种服务类别，映射关系如表1所示：

（2）电信密度（Teledensity）

电信密度即通常所说的部署场景，该方法定义了三种部署场景：密集城区、郊區、农村。

（3）服务环境（SE， Service Environment）

服务环境包含了服务使用模式和电信密度两个概念。服务使用模式主要体现了在某一区域内用户共同的使用特性。该方法规定了3种服务使用模式，结合前述的3种电信密度。将二者对应起来共形成6种服务环境，映射关系如表2所示：

（4）无线环境（RE， Radio Environment）

无线环境可以理解为通常所说的基站类型。该方法定义了4种RE，不同RE在不同电信密度条件下对应的小区面积（单位：平方千米）的示例如表3所示。

（5）无线接入技术组（RATG， Radio Access Technology Group）

该方法基于技术中立的原则，在业务量分流时考虑了4种不同的RATG，RATG映射表如表4所示。

基于图1所示的步骤2和步骤3，可以获取不同服务环境和不同服务类型下的业务量需求。但是这些业务量是承载在所有不同的RATG及RE上的，为计算出最终的频谱需求，需要将业务量分流到不同的RATG上，然后进一步分流到不同的RE上。具体的分流方如图2所示。

如图2所示，通过上述的多重业务量分流即可以得出RATG1和RATG2对应的频谱需求。需要注意的是，该方法中总的业务量是承载在4种不同的RATG上的，但是仅有RATG1和RATG2是IMT或IMT演进系统，因此在预测IMT系统的频谱需求时，仅需要考虑RATG1和RATG2。

完成了初步的频谱需求计算后，还需要根据实际需求进行适当调整，主要包括3个方面：

（1）实际的频谱分配是基于一定的分辨率进行的，最终计算出的频谱需求应该是最小分辨率的整数倍，因此需要对图2的计算结果进行相应调整。

（2）图2给出了两个RATG和3种RE下的频谱需求，在确定最终的频谱需求时，需要考虑RATG之间是否存在频率复用的可能性。如果二者可以复用，则应取二者的最大值作为最终结果;如果不可以复用，则应取二者之和作为最终结果;对于不同的RE也应该采取相似的处理方法。

（3）如果考虑同一地理区域有多个运营商同时覆盖，则需要考虑不同运营商频谱之间的保护带。

ITU-R M.1768方法是ITU-R WRC-15周期1.1议题的官方推荐方法，2013年中国信科大唐电信集团牵头开展了中国IMT系统的频谱需求预测工作并向ITU-R WP5D工作组输出，给出了我国IMT系统的频谱需求，预计到2015年约为570 MHz～690 MHz;预计到2020年约为1 490 MHz～1 810MHz。相关预测结果得到会议认可并写入ITU-R M.2290报告。

2.2  FCC预测方法

FCC预测方法[4]是一种基于业务量预测的非常简单直观的方法，如图3所示，该方法的基本核心包括了三重预测：

（1）业务需求预测;

（2）频谱效率预测;

（3）基站数目/小区数目预测。

FCC预测方法的总体流程图如图4所示。

如图4所示，FCC预测方法中假设未来的语音业务量不会继续增加，因此重点计算数据业务量导致的频谱需求增加。所有的预测都需要基于某一确定的基准年份展开。在此基础上可以分别预测出目标年份的数据业务量需求、总基站数目、频谱效率三个参数。数据业务量的需求可以基于多组参考源来做平均值获得平均数据业务量需求。结合平均数据业务量需求和预测的基站数目可以得到每站的业务量需求。紧接着通过预测的频谱效率即可得到目标年份的数据业务频谱需求，在此基础上叠加语音业务的频谱需求即可获得最终的频谱需求。

容易看出，FCC预测方法是基于下面的一些基本假设进行的：

（1）不考虑不同的部署场景，如城区、郊区和农村等;

（2）不考虑不同的基站类型，如宏站、微站等。

如果希望得出更精细的预测结果，则需要对该方法进行适当扩展。

2.3  GSMA预测方法

GSMA预测方法也是一种基于业务量预测的频谱需求预测方法，该方法考虑了三种不同的部署场景（城区、郊区和农村）以及两种不同的基站类型（宏站和微站）。因此在频谱需求计算过程中需要对总的业务量进行两次分流。GSMA预测方法的总体流程如图5所示。

如图5所示，预测的业务量包括三个部分，即数据业务量、语音业务量和信令开销业务量。如公式（1）所示：

通常而言，业务量预测需要基于一定的市场调研数据来获取，市场调研的业务量数据常以TB/month形式给出，为便于后续计算，可以将该业务量转换为忙时业务量，如式（2）所示：

式（2）中，DLratio表示总业务流量中下行业务量的占比;BHratio表示忙时业务量占总业务量的比例。

忙时业务量需要按照一定的比例分流到不同的部署场景中，分流因子可以根据不同的需求来进行选取，典型的可以考虑采用人口分布作为分流因子。每个部署场景的业务量需求可以由公式（3）计算：

上式中，Traffic（U/S/R）分别代表城区、郊区和农村场景下的业务量;DRatio（U/S/R）分别代表城区、郊区和农村场景下的业务量分配比例。

在GSMA方法中，考虑了Macro和Micro两种站型，需要注意的是，Micro站型仅用于为Macro基站进行业务分流，因此它必须依赖于Macro基站而存在。为了体现不同基站承载的业务量的差异性，在该方法中假设将所有的Macro基站等分为N份，每一份承载的业务量比例不同。由此，每个Macro基站需要承载的业务量就可能出现显著差异，当某个Macro基站承载的业务量过大时，就需要Micro基站来进行分流。

Micro基站的设置需要满足如下几个基本原则：

（1）仅当某个Macro基站的业务量密度超过一定门限时，才设置分流的Micro基站;

（2）每个Micro基站的带宽固定为5 MHz;

（3）如果一个Macro基站需要设置Micro基站进行分流，则它能拥有的Micro基站数量是固定的。

基于上述描述可以确定出每个Macro基站所需的频谱资源如式（4）所示（以城区场景为例）：

上式中，BWU-Macro（i）表示第i组宏基站中每个宏基站所需的频谱资源;TR（i）表示第i组宏基站分流的业务量占总业务量的比例;TrafficU-Micro（i）表示第i组宏基站中所有微基站分流的业务量;MaTU表示每个宏基站在单位带宽上能承载的业务量;fuMacro（i）表示第i组宏基站中每个宏基站的频谱有效利用率;NmacroU（i）表示第i组宏基站的个数。其中，第i组Macro基站中Micro基站分流的业务量由公式（5）来确定：

最终Urban场景所需的频谱资源由公式（6）来确定：

式（6）中，BWU（i）表示第i组宏基站对应的总频谱需求，如果有Micro基站分流，还包括Micro的频谱需求。

通过上述计算过程可以依次获得城区、郊区和农村三种场景下的频谱需求，接下来可能还需要进一步地调整以获得最终的频谱需求。比如，这三种部署场景是否采用不同的频段，如果采用不同的频段，则应当将三个频谱需求相加或给出各个频段上的频谱需求。如果三个场景的频谱可以完全复用，则最终的频谱需求应当选取三者之中的最大值。

3   基于KPI的预测方法

当无法获取较为准确的市场参数，比如业务量需求、基站数目等时，可以采用基于系统关键性能指标KPI的预测方法。此外，针对某些特定的专业网络，更关注某些特定KPI对网络特性的影响，这时候也更适于采用基于KPI的预测方法，比如车联网、物联网等专有网络的频谱需求预测。

基于KPI的预测方法与所选取的KPI密切相关，下面以ITU-R WRC-19周期1.13议题中国未来IMT-2020频谱需求预测为例来简要说明具体的流程和步骤。该方法的總体流程如图6所示。

该方法分析了基于3个不同KPI指标[5]（用户体验速率、业务容量、峰值速率）的频谱需求预测数值，并将三者的最大值作为最终输出结果。经分析发现，用户体验速率作为KPI指标时对应的频谱需求数值最大，因此后续如无特殊说明均默认选取用户体验速率作为KPI。

IMT-2020系统通过低频段（小于6 GHz）部署形成有效的连续网络覆盖，来满足宏蜂窝等场景下的用户体验需求;同时利用高频段丰富的频段资源，来满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求，其中室外热点场景可用24.25 GHz～43.5 GHz频段来承载，室内热点场景可用24.25 GHz～86 GHz频段来承载。

基于KPI的频谱需求预测方法流程如图7所示。

图7中所述的小区边缘频谱效率其基准值来自于ITU-R M.2134报告[6]，该基准值是在每小区同时服务10个激活用户条件下得到的，如果每个小区的实际激活用户数大于或小于10个，则需要通过相应的折算来得到等效的小区边缘频谱效率。

每個部署场景的下行频谱需求可以通过公式（7）来确定：

每个部署场景的总频谱需求是通过公式（7）所确定的下行频谱需求折算而得到，折算公式如下所示：

需要特别指出的是，如果IMT系统为FDD系统，则公式（9）中的φ应等于0.5。

2016年，基于上述的KPI预测方法，中国信科大唐电信集团牵头，中国开展了ITU-R WRC-19周期1.13议题——中国未来IMT-2020（5G）系统频谱需求预测的相关工作，并向ITU-R WP5D工作组输出，相关研究结果被会议接收并写入工作报告，具体预测数值如表5所示。

4   结束语

本文系统地介绍了4种不同的IMT系统频谱需求预测方法，这4种方法可以分为两大类，基于业务量预测的方法和基于KPI关键能力的预测方法。

一般来说，针对较为通用的网络系统，如传统的IMT网络，且可以获取较为准确和全面的市场调研与业务预测数据，则可以优先考虑基于业务量预测的方法。其中FCC方法最为简单，所需输入参数也最少，但对应的输出结果也最为粗略，且无法区分不同的部署场景。而ITU-R M.1768方法最为复杂，所需的市场调研数据类型繁多，对应的各种映射关系也较为丰富，因此可以给出相对精细和准确的预测结果，但如果输入数据不够准确则容易对结果的准确性产生影响。GSMA方法介于二者之间。如果无法获取准确和全面的市场调研与业务预测数据，或者主要关心的是某一个或某几个KPI指标对网络的影响，则可以优先考虑基于KPI的预测方法。此外，该方法还特别适用于一些专用网络的频谱需求预测，如车联网、物联网等。

通过上述频谱需求预测方法的介绍，本文进一步给出了我国未来面向IMT包括IMT-2020系统的频谱需求预测结果，该研究结果为我国在ITU为IMT争取更多的频率资源提供了重要的支撑。

参考文献：

[1] Report ITU-R M.2292-0. Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT[R]. 2013.

[2] Liaison statement to Task Group 5/1 - Spectrum needs and characteristics for the terrestrial component of IMT in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz[Z]. 2017.

[3] Recommendation ITU-R M.1768-1. Methodology for calculation of spectrum requirements for the terrestrial component of International Mobile Telecommunications[S]. 2013.

[4] Federal Communications Commission. Mobile broadband： the benefits of additional spectrum OBI technical paper series[S]. 2010.

[5] Recommendation ITU-R M.2083. IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015.

[6] Report ITU-R M.2134. Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface[R]. 2008.