面向5G的IMT频谱使用效率评估

张炎炎 李文祺 王宝聪 李欣

【摘 要】随着各行各业无线电业务的发展和5G系统的成熟，频谱资源不足的问题越来越突出。因此，对于频谱分配和分配后的频谱使用效率评估成为提高频谱利用效率的重要问题之一。提出了一种面向5G系统的地面移动通信（IMT）网络频谱使用效率评估方法和体系，能够有效地反映影响IMT系统频谱使用效率的主要因素，相关结果已写入ITU-R相关建议书，这对频谱规划和评估具有较强的指导意义。

【关键词】频谱规划；频谱评估；频谱使用效率；单用户频谱带宽

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

无线电频谱作为承载各种无线电设备进行通信的通路，是一种无形的，却又极其重要的战略资源。近年来，随着各种无线电技术的发展以及移动互联网带来的数据流量暴增，各行各业对无线电频谱的需求急剧增加，这使得无线电频谱资源的稀缺程度不断加大。特别是我国的移动终端用户近年来大幅增加，而且移动终端智能化带来了更大的数据量，这就使公众移动通信对频谱的需求也逐渐加大，因此对频谱进行合理的分配，以及事后进行评估是增强频谱使用效率的重要手段。

国际电信联盟（ITU）在《无线电规则》前言中提到频谱管理的原则时指出：“各主管部门应努力将所使用的频谱限制到为满足使用必要业务所需的最低限度。为此，应尽力尽快采用最先进的技术；频谱资源是有限的，必须公平、合理、有效、经济地使用；所有电台不得对其他合法电台产生有害干扰……”。由此可见，频谱使用的真实性、合法性、效益（效率）性，是频谱管理目标的重要组成部分。

为进一步开展频谱效率评估，提高对频谱的高效利用，2016年11月29日，国家无线电办公室发文《国家无线电办公室关于开展无线电频谱使用评估常态化试运行工作的通知》（国无办函〔2016〕17号），这标志着频谱评估工作走向常态化，将成为一项长期的工作。

可以看出，无论是国际还是国内，提高频谱利用效率，加大频谱效率评估能力，是未来无线电频谱管理的重要发展方向。对于IMT业务来说，为更多用户提供基本通信服务，保障更大范围和更多人口的信息通信权是通信运营商的重要社会责任，也是评估IMT频率分配和使用合理性的重要指标。

本文针对以上问题，提出了一种面向5G系统的IMT网络频谱使用效率評估方法和体系，将移动通信网络服务用户数、覆盖范围、覆盖人口以及分配频率在时间、地点上的受限情况等重要因素引入无线电评估体系，相关结果已代表中国写入ITU-R SM.1046-2建议书，为更加公正合理地进行频谱分配和事后评估提供了重要的参考和依据。

2 国内外5G频谱规划

根据我国频谱需求的预测结果，我国5G发展在高中低频上均有频谱缺口，为了保障5G能够满足三大应用场景的需求，我国主管部门积极开展相关协调工作，为5G频谱规划铺路。2017年，工信部公开征集了对5G使用3 400 MHz—3 600 MHz及4 800 MHz—5 000 MHz频段的使用建议，明确5G中低频分配方向。无线电管理局也公开征集在毫米波段规划第五代国际移动通信系统（5G）使用频率的意见，其中主要针对24.75 GHz—27.5 GHz及37 GHz—42.5 GHz频段征询5G频率规划意见。可以看出，未来5G网络将由高中低频融合组网构成。其中低频段是指1 GHz以下的频段，主要包括700 MHz、800 MHz、900 MHz等，主要用于深度覆盖和广度覆盖；中频段指1 GHz—6 GHz频段，目前国际频段主要包括3.3 GHz—3.6 GHz、4 GHz—5 GHz等，主要用于5G城市主覆盖和速率保障；高频段主要是指毫米波频段，具有带宽很宽但传播范围很小的特点，一般无法穿透室内，用于小范围高容量需求场景。

面临未来5G高中低频结合的频谱资源，如何高效地保证网络效率，打造协同工作的精品网络将是一项重要的工作。国际上已经开始广泛地关注如何高效地使用网络的问题，对网络进行滚动周期化的评估以评价网络的健康程度，而面向5G的频谱规划，对网络使用效率及网络健康度评估将会有新维度的考虑。

ITU-R在第1工作组（SG1）中起草了建议书“SM.1046-2：Definition of spectrum use and efficiency of a radio system”。该建议书针对无线电频谱使用效率展开了评估，2017年6月13日至6月22日期间，在日内瓦召开的SG1工作组会议上完成了建议书的最终发布。该建议书的完成填补了无线电系统频谱使用和效率评估定义相关方面的空白，是频谱评估方面的第一个国际标准化相关建议书，是全球其他国家管理机构开展频谱评估工作的依据。本论文的相关内容作为独立章节写入该建议书，这标志着中国在频谱管理和频谱评估领域迈入了全球领先水平。

3 面向5G的移动通信频谱使用效率评估

方法和体系

本文基于5G频谱规划的动向及5G频谱使用场景的不同，提出了面向5G的频谱使用效率评估方法。该方法将移动通信网络服务用户数、覆盖范围、覆盖人口以及分配频率在时间、地点上的受限情况等重要因素引入无线电评估体系，为更加公正合理地进行频谱分配和事后评估提供了重要参考和依据。

首先，为了评估各网络相应频段投放频率的使用效率，定义单用户频谱带宽λ为某网络承载M个用户时平均每用户的带宽。

针对侧重衡量用户的场景，假设某网络有N个频段，其所有频段在所有地理区域和时间内均使用时，其承载M个用户时平均每用户的带宽可定义为：

其中，Bi为第i个载波的带宽。

在实际网络部署时，为协调异系统间的干扰、进行频谱的动态共享等，存在某些频段仅能在部分区域、场景及时间部署的情况。为体现这种情况在单用户频谱带宽中的作用，进一步定义“修正的单用户频谱带宽”，该参数可以定义为：

其中，Πpmt， i表示第i个载波在所在区域被允许使用的面积，Πmax， i表示第i个载波可以被使用的最大面积（一般为所在区域的总面积）。Tpmt， i表示第i个载波一天内被允许使用的时间，Tmax， i表示第i个载波可以被使用的最大時间（一般为24小时）。J为一取值区间为[0， 1]的常数，表示其它因素（如场景等）造成的影响因子。例如，如果某一载波仅被允许在室内使用，则可根据实际网络用户分布情况，定义J值表征由于该限制造成的实际单用户带宽的减少。

为评估用户在多大地理面积上能够使用以上单用户频谱带宽，进一步定义地理归一化单用户频谱带宽ξ，其定义为：

其中，Πact， i表示在第i个载波在所在区域被允许使用的面积中实际使用的面积。可以看出，对于完全覆盖允许覆盖全部面积的载波，地理归一化单用户频谱带宽同单用户频谱带宽相等。

由于部分区域属于被允许使用但不具备覆盖价值的区域，如戈壁、荒漠、无人区等，该部分面积的统计将会使地理归一化单用户频谱带宽的参考意义降低。因此，将绝对面积替换为区域内的人口数，定义人口归一化单用户频谱带宽ψ，其定义为：

其中，Гact， i表示第i个载波在其被实际使用的面积上的人口数，Гpmt， i表示第i个载波在其被允许使用的面积上的总人口数。类似地，可以看出，对于完全覆盖允许覆盖全部面积的载波，人口归一化单用户频谱带宽同单用户频谱带宽相等。

可以看出，以上指标体系充分考虑了移动通信领域中服务更多用户的基本要求中的主要因素，包括但不限于用户数、覆盖面积及覆盖人口数，同时考虑了频谱分配中不同频率所受到的特殊限制，如频率适用范围、频率使用时间等。因此，采用该体系能够有效评估频谱利用率，为频谱管理和公正分配提供更好的方法和手段。

4 频谱使用效率评估体系验证

4.1 单用户频谱带宽评估验证

为进一步验证以上频谱效率评估体系的科学性和有效性，本文以中国已分配频谱的使用情况和可能的5G频谱分配限制对评估结果的影响进行验证。

以中国国内M运营商、U运营商和T运营商为例，目前我国已将522 MHz频谱分配给以上运营商使用，带宽的具体分配情况如表1所示：

从以上频谱分配情况可以看出，M运营商分配的总频谱最多，U运营商获批4G频谱总量最多。根据工信部的统计，截止2017年6月，中国三大运营商的用户数统计情况如表2所示：

根据评估方法公式（1）可得各运营商的单用户频谱带宽，评估结果如图1所示。

如图1所示，在单用户频谱中，U运营商无论在总频谱单用户分配方面还是4G频谱单用户分配方面，均处于领先位置。而M运营商由于服务用户较多，单用户频谱带宽明显处于劣势。从图1可知，T运营商和U运营商全网单用户频谱总量分别为M运营商的1.81倍和2.06倍，4G单用户频谱总量分别为M运营商的2.92倍和4.66倍。因此，相较于U运营商和T运营商，为满足用户体验需求，M运营商对新增频谱的需求更为迫切。

4.2 修正的单用户频谱带宽应用分析

在现网频谱分配中，由于需保护其它系统室外频率使用不受干扰，M运营商和U运营商已分配的2 320 MHz—2 370 MHz和2 300 MHz—2 320 MHz频谱仅能在室内使用，因此适用于地理归一化单用户频谱带宽。考虑到城市中室内用户比例约为总用户数的30%～50%，取中值40%代入公式（2），可得修正的单用户频谱带宽如表3所示。可以看出，由于E频段仅限于室内使用的影响，相对于不考虑该因素的单用户频谱带宽，M运营商和U运营商修正的单用户频谱带宽分别下降了12%和7%。

4.3 地理归一化单用户频谱带宽应用分析

未来5G频谱部署可能针对不同频段上异系统的保护准则在不同地理区域上进行分配。例如：基于某种业务特殊区域干扰保护的考虑，假设将某省某区域作为5G系统部署的排除区域，假设该区域面积占该省面积的0.1%，则在该省5G对应频段的地理归一化单用户频谱带宽会下降0.1%。

4.4 人口归一化单用户频谱带宽应用分析

人口归一化单用户频谱带宽主要考虑人烟稀少，无需全部覆盖的区域。以内蒙古自治区为例，在自治区行政面积内，假设允许覆盖面积占内蒙古自治区总面积的90%。基于这一假设，内蒙古自治区的地理归一化单用户频谱带宽为单用户频谱带宽的50%。进一步假设适合覆盖区域人口与不适合覆盖区域人口占比為9：1，可得出的人口归一化单用户频谱带宽为单用户频谱带宽的0.81%。

5 结束语

本文针对国内外陆地移动通信系统在频谱效率评估中遇到的问题，提出了一整套评估方法及指标，并根据中国运营商频谱分配情况、5G频谱分配中遇到的可能性对以上方法和体系进行了验证。本文主要方法已写入ITU-R SM.1046-2建议书，这极大地提升了我国频谱管理方法的国际影响力。通过分析可以看出，本文提出的频谱使用效率评估方法和体系能够充分考虑各种影响效率的因素，具有较强的实用性和可推广性，可以作为未来频谱评估的重要方法和手段。

参考文献：

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