基于層次化頻譜需求預(yù)測的IMT系統(tǒng)頻率規(guī)劃*

聶博識，馮志勇，馮澤冰，宋心剛

（北京郵電大學(xué)無線新技術(shù)研究所 北京 100876）

1 引言

新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的頻譜需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出已規(guī)劃的移動通信頻段，目前國內(nèi)規(guī)劃的頻譜資源已無法為新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)絡(luò)提供滿足其需求的專用頻譜資源，可以說頻譜資源的供需矛盾已經(jīng)成為制約無線移動通信技術(shù)發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的瓶頸，因此無線電頻譜規(guī)劃面臨巨大挑戰(zhàn)。

頻譜規(guī)劃的第一階段便是對未分配頻段的系統(tǒng)進(jìn)行精確的頻譜需求預(yù)測，是未來寬帶無線移動通信頻譜規(guī)劃工作的基礎(chǔ)和前提。此前關(guān)于頻譜需求預(yù)測的研究主要有：參考文獻(xiàn)[1]介紹了IMT-2000和超IMT-2000系統(tǒng)未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)；參考文獻(xiàn)[2]對世界未來移動通信市場的發(fā)展情況做出預(yù)測；參考文獻(xiàn)[3]主要描述了一種估算IMT-2000及超IMT-2000系統(tǒng)未來發(fā)展的地面頻譜需求的方法。

通過以上參考文獻(xiàn)中介紹的方法和數(shù)據(jù)，可以對世界不同地區(qū)未來5～10年的IMT系統(tǒng)頻譜總需求進(jìn)行預(yù)測，因此可以計算我國IMT系統(tǒng)在未來一段時間內(nèi)的頻譜需求總量，作為無線電頻率總體規(guī)劃的參考意見。頻譜規(guī)劃的最終目的不能僅局限在總體規(guī)劃層面，要落實在頻段劃分上，因此本文提出了基于層次化頻譜需求預(yù)測的頻率規(guī)劃方法。該方法不僅對IMT系統(tǒng)未來的頻譜總需求進(jìn)行預(yù)測，在宏觀層面為總體無線電未用或在用的頻率規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)；還可以根據(jù)新系統(tǒng)的技術(shù)特點對總需求量的組成比例進(jìn)行預(yù)測，在微觀層面為候選頻段的劃分指配提供理論依據(jù)。

2 層次化頻譜需求預(yù)測概述

一般來說，無線電頻譜規(guī)劃大致分為3個階段：頻譜規(guī)劃、頻譜劃分、頻譜指配。頻譜規(guī)劃是指在候選頻段中選擇適合新系統(tǒng)運行、滿足新系統(tǒng)頻譜需求的一段頻率；頻譜劃分是指在規(guī)劃的頻段上進(jìn)行頻率切分，以適應(yīng)不同技術(shù)體制的需要；頻譜指配則指最終國家決策層將劃分的頻段指配給相應(yīng)的運營企業(yè)。本文所研究的頻譜需求預(yù)測正是遵循頻譜規(guī)劃的邏輯階段而進(jìn)行的，頻譜總需求預(yù)測指導(dǎo)頻譜規(guī)劃階段的工作，網(wǎng)絡(luò)制式需求比例指導(dǎo)頻譜劃分階段的工作，雙層次化的頻譜需求預(yù)測共同為有限的頻率資源的科學(xué)合理規(guī)劃提供指導(dǎo)性建議。

3 我國IMT系統(tǒng)未來頻譜總需求預(yù)測

[3]介紹了一種通用的頻譜需求預(yù)測方法，可用于不同的市場以及多種蜂窩系統(tǒng)架構(gòu)，這里對其原理不再贅述。當(dāng)預(yù)測特定國家或區(qū)域的頻譜需求時，需要輸入用于表現(xiàn)該地區(qū)特征的市場參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行特定預(yù)測。預(yù)測我國IMT系統(tǒng)的頻率總需求時，我國市場特征參數(shù)中影響比重較大的是用戶密度、服務(wù)類型以及接入服務(wù)不同系統(tǒng)比例等。

3.1 總用戶密度預(yù)測

用戶密度在農(nóng)村、郊區(qū)、城區(qū)等不同地區(qū)存在差別，由于頻譜總需求與用戶密度基本呈正比例關(guān)系，因此用戶密度最大的地區(qū)環(huán)境的預(yù)測結(jié)果基本可以滿足其他地區(qū)的頻譜需求。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中的數(shù)據(jù)，在2015年和2020年，我國總?cè)丝跀?shù)分別會達(dá)到14.17億和14.60億，密集城區(qū)人口分布比例會達(dá)到23%和25%，移動用戶滲透率會達(dá)到85%和89%。

利用計算式“用戶密度（密集城區(qū)）=總?cè)丝跀?shù)×人口分布比例（密集城區(qū)）×移動用戶滲透率（密集城區(qū)）÷我國國土總面積”，可以得到我國密集城區(qū)IMT系統(tǒng)用戶密度的預(yù)測結(jié)果：2015 年，185 300 人/km2；2020 年，219 830 人/km2。

3.2 不同服務(wù)類型使用率與其用戶密度預(yù)測

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展、移動智能終端的廣泛普及，未來IMT系統(tǒng)除了將滿足用戶日常需要的話音會話、低速傳輸?shù)确?wù)類型的需求，還會逐漸增加高速、超高速多媒體等服務(wù)類型，以滿足用戶對在線高清視頻、高速下載等業(yè)務(wù)的需求。我國2015年和2020年各種服務(wù)使用率的預(yù)測結(jié)果[2]見表1。

結(jié)合3.1節(jié)的用戶密度預(yù)測結(jié)果和表1數(shù)據(jù)，可以得到不同服務(wù)類型的用戶密度示意，如圖1所示。

3.3 接入服務(wù)比例預(yù)測結(jié)果

對于密集城區(qū)內(nèi)不同類型服務(wù)的業(yè)務(wù)量，當(dāng)多種IMT系統(tǒng)可同時支持某種服務(wù)時，如話音業(yè)務(wù)可同時接入2G、3G或IMT-A系統(tǒng)，以計算不同接入系統(tǒng)的頻譜需求，應(yīng)該把這種服務(wù)的業(yè)務(wù)量按一定比例分配至不同系統(tǒng)中，從而獲得不同系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測結(jié)果，更具實際意義。

表1 我國未來IMT系統(tǒng)服務(wù)類型使用率預(yù)測

根據(jù)我國國情和發(fā)展趨勢分析，參考文獻(xiàn)[4]給出了當(dāng)2G、3G、3G-LTE 與 Beyond-3G（B3G）、4G 兩類系統(tǒng)共存時相應(yīng)的分配比率預(yù)測結(jié)果，見表2。

表2 我國IMT系統(tǒng)接入服務(wù)比例預(yù)測結(jié)果

3.4 總頻譜需求預(yù)測結(jié)果

根據(jù)ITU關(guān)于頻譜需求的預(yù)測方法，對我國IMT頻譜需求進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測流程如圖2所示。以上內(nèi)容旨在完成步驟(2)～(4)中關(guān)于我國IMT系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的完善和補(bǔ)充，利用不同服務(wù)類型的用戶密度、參數(shù)指標(biāo)以及分配比例，可以計算出不同服務(wù)類型在密集城區(qū)環(huán)境下的業(yè)務(wù)量需求。利用這些數(shù)據(jù)經(jīng)過步驟(5)～(8)可得出我國IMT系統(tǒng)總頻譜需求的預(yù)測結(jié)果。

通過步驟(5)～(8)，計算在密集城區(qū)環(huán)境下宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)容量，該系統(tǒng)容量是在滿足每一服務(wù)種類的QoS要求的情況下，得出“提供基本業(yè)務(wù)量”所必需的。

對于采用電路交換的業(yè)務(wù)量，所需的系統(tǒng)容量是由為達(dá)到一個規(guī)定阻塞概率而必需的服務(wù)信道數(shù)目和信道數(shù)據(jù)速率確定的。利用愛爾蘭理論，通過輸入之前計算的每種電路交換服務(wù)的業(yè)務(wù)量以及服務(wù)確定的數(shù)據(jù)速率、最大阻塞率，可以計算出電路交換服務(wù)所需的系統(tǒng)容量C電路。

對于采用分組交換的業(yè)務(wù)量，采用“先到先服務(wù)”的排隊模型，通過輸入之前計算的每種分組交換服務(wù)的業(yè)務(wù)量以及服務(wù)確定的IP分組長度分布、平均延遲和優(yōu)先級等級，可以計算出分組交換服務(wù)所需的系統(tǒng)容量C分組。

利用以上結(jié)果，通過 f=（C電路+C分組）/η，其中，η 為頻譜效率，可以計算出頻譜需求初始預(yù)測結(jié)果，再通過設(shè)置運營商間的保護(hù)頻帶、系統(tǒng)最小實現(xiàn)頻譜、運營商個數(shù)，得出我國2015年和2020年IMT系統(tǒng)頻譜總需求預(yù)測結(jié)果，見表 3。

4 我國不同技術(shù)體制未來頻譜需求比例預(yù)測

通過以上對我國IMT系統(tǒng)未來頻譜總需求的宏觀預(yù)測可以看出，目前的頻譜規(guī)劃無法滿足未來移動通信發(fā)展的頻譜需求，規(guī)劃新的頻段成為我國電信發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

未來一段時間，以蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)為代表的移動通信技術(shù)將在我國繼續(xù)發(fā)展，該技術(shù)在頻譜規(guī)劃方面最大的不同在于使用哪種復(fù)用方式，即TDD方式還是FDD方式。TDD方式可以為其規(guī)劃一段連續(xù)的或零碎的頻譜，而FDD方式需要為其上下行分別規(guī)劃一段頻譜。為使新的頻譜規(guī)劃更科學(xué)、更合理，將頻譜總需求預(yù)測結(jié)果作為新頻段規(guī)劃的依據(jù)，以對TDD與FDD頻譜需求的預(yù)測作為新頻段更細(xì)劃分的重要依據(jù)。

表3 我國未來IMT系統(tǒng)頻譜總需求預(yù)測結(jié)果

4.1 影響我國IMT系統(tǒng)TDD與FDD方式頻譜需求的因素

（1）我國已分配頻譜中TDD與FDD的頻譜劃分信息

對未來TDD與FDD頻譜分配比率進(jìn)行預(yù)測時，首先要著眼于現(xiàn)狀，考慮已分配頻譜中TDD與FDD頻譜的劃分情況。從已分配頻段的劃分信息中，不僅可以直接獲得該分配比率數(shù)據(jù)，還可以間接獲得國家對于不同技術(shù)發(fā)展所持的態(tài)度，這些信息都是未來預(yù)測分配比率不可或缺的重要依據(jù)。此外，通過對已分配頻段劃分信息的梳理，可以為進(jìn)一步明確頻譜價值密度、頻譜利用度等權(quán)重決策信息奠定堅實基礎(chǔ)。

（2）未來發(fā)展中TDD與FDD用戶、市場份額的預(yù)測信息

由于電磁頻譜與土地、礦產(chǎn)、石油等同屬于國家所有的自然資源，開發(fā)商利用這些自然資源創(chuàng)造了一定的市場價值，同樣，運營商在利用電磁頻譜的過程中也創(chuàng)造了市場價值。假設(shè)每單位資源創(chuàng)造的市場價值是一定的，可以通過各開發(fā)商資源分配的大小粗略獲得市場價值份額數(shù)據(jù)，反過來，通過各開發(fā)商市場份額的比例可以粗略獲得其資源分配的比例。運用到電磁頻譜中，上述分析仍然成立，即可以將對運營商市場份額比例的預(yù)測分析，作為電磁頻譜比例分配的依據(jù)。

（3）LTE的TDD與FDD方式的地理與覆蓋范圍信息

FDD與TDD技術(shù)不同，其各種場景下的覆蓋范圍與支撐能力不同。使用TDD技術(shù)時，只要基站和移動臺之間的上下行時間間隔不大，小于信道相干時間，就可以比較簡單地根據(jù)對方的信號估計信道特征；而對于FDD技術(shù)，一般上下行頻率間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道相干帶寬，幾乎無法利用對方信號估計信道特征。這一特點使得TDD方式的移動通信體制在功率控制以及智能天線技術(shù)的使用方面有明顯的優(yōu)勢，但也造成TDD系統(tǒng)的覆蓋半徑偏小。滿足同樣大小的區(qū)域面積的TDD基站比FDD多，這樣帶來的TDD之間的干擾因素會影響頻譜載波的選取，同時對相應(yīng)頻譜需求也會有一定的要求。

以上3點因素共同對FDD與TDD的頻譜分配產(chǎn)生影響，建議 TDD 的分配比例因子分別為 p1、p2、p3。

根據(jù)權(quán)重 u1、u2、u3可以對FDD與 TDD的頻譜需求比例做一個加權(quán)處理，即總分配比率為：P=p1×u1+p2×u2+p3×u3。

需要說明的是，在進(jìn)行p3預(yù)測時，只有在業(yè)務(wù)總量很低時才會主要考慮覆蓋差異的影響，因此密集城區(qū)用戶密度、服務(wù)到達(dá)率和持續(xù)率較高，這種差異偏小甚至不明顯。在本文第3節(jié)中，已經(jīng)對密集城區(qū)的頻譜總需求進(jìn)行預(yù)測，因此這里不考慮地理與覆蓋范圍的影響，令p3近似為50%。

綜上，TDD與FDD方式分配比率的重點影響因素在于現(xiàn)有頻段TDD與FDD頻譜的分配比率參考和未來市場發(fā)展預(yù)測，從這兩點入手可以預(yù)測兩者在現(xiàn)有頻段分配基礎(chǔ)上的頻譜需求趨勢，從而分析兩者對頻譜的需求比例。

4.2 我國現(xiàn)有IMT系統(tǒng)規(guī)劃頻段的分配比例

我國2G頻譜劃分情況為：中國移動，90 MHz；中國聯(lián)通，52 MHz；中國電信，48 MHz；共計 190 MHz，均為 FDD方式。

根據(jù)2002年10月原國家信息產(chǎn)業(yè)部下發(fā)文件《關(guān)于第三代公眾移動通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃問題的通知》（信息產(chǎn)業(yè)部[2002]479號）中的規(guī)定，我國3G頻譜劃分情況如下。

·FDD方式：1 920～1 980 MHz和 2 110～2 170 MHz，補(bǔ)充工作頻段1 755～1 785 MHz和1 850～1 880 MHz，共計（60+30）×2=180 MHz。

·TDD方式：1 880～1 920 MHz和 2 010～2 025 MHz，補(bǔ)充工作頻段2 300～2 400 MHz（與無線電定位業(yè)務(wù)共用），共計 40+15+100=155 MHz。

可以看出，自3G頻譜規(guī)劃以來，我國非常重視自主技術(shù)的扶植力度，TDD獲得的可用頻譜數(shù)量明顯增加，所占總頻譜分配大小的比例趨近于50%（為46.27%），印證了我國TDD與FDD協(xié)同發(fā)展的主張。因此，B3G、4G頻段規(guī)劃中的TDD比例p1估計將達(dá)到50%。

4.3 運營商市場份額預(yù)測與分配比例

基于層次預(yù)測法的理念，研究B3G、4G中TDD、FDD的市場份額，首先從運營商各自總市場份額入手，做出相應(yīng)的分析與預(yù)測，再通過分析運營商內(nèi)不同系統(tǒng)的市場份額，最終獲得TDD與FDD市場份額的預(yù)測結(jié)果。

4.3.1 基于動態(tài)博弈的不同運營商總市場份額預(yù)測

假設(shè)市場上有兩家企業(yè)，分別為企業(yè)1、企業(yè)2，它們提供質(zhì)量相同的產(chǎn)品投放市場。設(shè)企業(yè)1、企業(yè)2的產(chǎn)量分別為 q1、q2，總供給Q=q1+q2。令表示市場量價關(guān)系，說明市場上的產(chǎn)品數(shù)量越大，產(chǎn)品的價格就越低。設(shè)企業(yè)i生產(chǎn)q1的總成本為Ci(qi)=cqi(i=1,2)，即企業(yè)不存在固定成本，生產(chǎn)每單位產(chǎn)品的邊際成本為常數(shù)c。兩個企業(yè)的收益函數(shù)為：u1(q1,q2)=q1(a-q1-q2-c),u2(q1,q2)=q2(a-q1-q2-c)。雙方對彼此的產(chǎn)品、產(chǎn)量等信息都十分清楚，屬于完全信息市場。在動態(tài)博弈模型中，占優(yōu)勢的企業(yè)首選自己的產(chǎn)量q1，追隨的企業(yè)觀測到q1，選擇自己的產(chǎn)量q2，占優(yōu)勢的企業(yè)選擇q1時知道追隨企業(yè)會選擇產(chǎn)量q2，屬于完全且完美信息兩階段的動態(tài)博弈。

該模型適用于市場上各方之間的信息是透明的，雙方在價格、產(chǎn)量、技術(shù)、市場營銷等方面想做到互相隱瞞是不可能的，因此適用于我國移動通信市場。由于通信企業(yè)的成本具有固定成本比重大、邊際成本較小的特征，因此對動態(tài)博弈模型進(jìn)行修正。設(shè)固定成本為c1，邊際成本為c2，將上述收益函數(shù)改進(jìn)為：u1(q1,q2)=q1(a-q1-q2-c2)-c1，u2(q1,q2)=q2(a-q1-q2-c2)-c1。

2008年我國電信行業(yè)重組，中國移動、中國聯(lián)通、中國電信分別占據(jù)移動通信市場份額的70%、22%和8%。在重組初期，三大巨頭會按照慣性運作，中國移動仍具有絕對優(yōu)勢，中國聯(lián)通占第二位，中國電信是尾隨者。根據(jù)完全信息動態(tài)博弈模型中占優(yōu)勢企業(yè)先行動的思想，假設(shè)中國移動先選擇產(chǎn)量q1，中國聯(lián)通觀測到q1后選擇自己的產(chǎn)量q2，中國電信觀測到q1和q2后選擇自己的產(chǎn)量q3，根據(jù)前面分析的結(jié)果，若市場上有n個寡頭，子博弈精煉納什均衡產(chǎn)量為所以均衡解為 4∶2∶1。

當(dāng)三大寡頭進(jìn)入角色后，會通過整合資源努力發(fā)展自己，特別是中國電信明白完全信息動態(tài)博弈下的“先動優(yōu)勢”，所以假設(shè)在重組后期，中國移動仍首選產(chǎn)量q1，而中國電信和中國聯(lián)通同時選擇各自的產(chǎn)量q2和q3，通過求解收益函數(shù)的最大值，得出q2=q3=（a-q1-c2）/3。由于中國移動也會知道這個結(jié)果，所以在博弈第一階段，中國移動的決策問題即求解最優(yōu)化問題，可得均衡解為 3∶1∶1。

通過以上分析，我國移動通信市場份額的預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

4.3.2 基于灰色預(yù)測的單一運營商內(nèi)不同系統(tǒng)的市場份額預(yù)測

灰色預(yù)測法是指通過分析系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的相關(guān)程度，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的生成處理過程來尋求系統(tǒng)變化規(guī)律，以此建立微分方程模型，從而預(yù)測市場發(fā)展趨勢。灰色預(yù)測的本質(zhì)是將隨機(jī)過程中的隨機(jī)變量當(dāng)作灰色理論中的“灰變量”，利用灰度的概念處理變化規(guī)律并不明顯的事件，并以灰色系統(tǒng)理論中的GM(1,1)模型進(jìn)行處理[5]。

灰色預(yù)測法處理的基本流程如下。

利用如上所述灰色預(yù)測的基本方法，根據(jù)2008-2011年每月三大運營商不同制式用戶數(shù)折算的市場份額，對每個運營商內(nèi)不同系統(tǒng)的市場份額做出預(yù)測，如圖4所示。

以上預(yù)測均假設(shè)：中國移動4G技術(shù)將采用TDD方式，中國聯(lián)通和中國電信4G技術(shù)將采用FDD方式；我國電信行業(yè)不再重組，保持三寡頭壟斷模式；運營商提供的年報數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確；我國4G商業(yè)化時間初步定為2015年并基本遵循3G市場發(fā)展規(guī)律及特點等。根據(jù)市場份額的預(yù)測，IMT-A頻段劃分中TDD比例p2約為21.98%/(15.23%+21.98%+13.90%)=43%。

4.3.3 權(quán)重分析與比例預(yù)測結(jié)果

權(quán)重的定量主要采用主客觀聯(lián)合打分法。主客觀聯(lián)合打分法是指通過匿名方式征詢相關(guān)專家和業(yè)內(nèi)人士的主觀意見，對專家意見進(jìn)行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，形成主觀參考，再客觀地運用數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)方法綜合多數(shù)專家的經(jīng)驗與主觀判斷，對大量難以采用技術(shù)方法進(jìn)行定量分析的因素做出合理估算，經(jīng)過多輪意見征詢、反饋和調(diào)整后，對因素影響程度進(jìn)行分析[6]。通過聯(lián)合打分法可以較科學(xué)地得出 3 部分的權(quán)重 u1、u2、u3，再根據(jù) P=p1×u1+p2×u2+p3×u3，得出最終TDD所占總頻譜需求比率。

4.4 候選頻段劃分建議

利用前面的預(yù)測結(jié)果，假設(shè)主客觀聯(lián)合打分法得出的3部分權(quán)重依次為0.4、0.5、0.1，則可得出最終TDD所占總B3G、4G 頻譜需求的比例為 P=0.5×0.4+0.43×0.5+0.5×0.1=0.465，以此作為我國候選頻段進(jìn)行TDD、FDD劃分的依據(jù)。以一段100 MHz頻段為例，得到如圖5所示的頻段規(guī)劃建議。

5 結(jié)束語

本文提出的基于層次化頻譜需求預(yù)測的頻譜規(guī)劃理念，包括宏觀層面的頻譜總需求預(yù)測和微觀層面的頻段劃分比例預(yù)測。在宏觀預(yù)測過程中，主要采用國際通用的IMT頻譜需求預(yù)測方法，針對我國市場特點做出頻譜總需求預(yù)測；在微觀預(yù)測過程中，主要分析了影響頻段中TDD、FDD劃分比例的因素，并以我國運營商實際情況為背景對每種因素進(jìn)行了相應(yīng)預(yù)測，得出候選頻段的劃分比例。本方法旨在科學(xué)、全面地進(jìn)行頻譜需求預(yù)測分析，為緊迫的無線電頻譜規(guī)劃工作提供參考建議，加快我國寬帶無線移動通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

1 ITU-R M.1645.Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-2000,2003

2 ITU-R M.2072.World Mobile Telecommunication Market Forecast,2005

3 ITU-R M.1768.Methodology forCalculation ofSpectrum Requirements for the Future Development of the Terrestrial Component of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-2000,2006

4 郎保真.IMT-Advanced頻率需求計算方法及結(jié)果.移動通信,2006(10):27～31

5 曾波,孟偉.面向特殊序列的灰色預(yù)測建模方法.重慶:重慶大學(xué)出版社,2011

6 徐澤水.不確定多屬性決策方法及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2004