基于場景篩選的頻譜需求預(yù)測算法

王首峰，張冬晨，汪汀嵐，孟德香

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 引言

近期眾多預(yù)測研究組織和部門分別研究了不同國家和地區(qū)未來長期業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢。預(yù)測結(jié)果表明，未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將迅速增加，新的業(yè)務(wù)類型和新型終端將明顯刺激業(yè)務(wù)量增長。移動通信已分配的頻譜資源有限，迅速增長的業(yè)務(wù)需求，對現(xiàn)有的移動通信頻譜提出了新的挑戰(zhàn)。

目前，頻譜需求預(yù)測方法中，ITU-R M.1768方法和美國FCC方法應(yīng)用較廣。由于現(xiàn)有研究方法一般將業(yè)務(wù)模型劃分非常細致，在基于大量的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理過程中存在多環(huán)節(jié)的近似處理，因此得到的輸入?yún)?shù)往往精度較低。同時，現(xiàn)有的估算中將全部區(qū)域的統(tǒng)計量作為估算輸入，忽略了不同區(qū)域之間的差異性。此外，現(xiàn)有的評估中往往忽視不同種類網(wǎng)絡(luò)性能的差異，近似地將多種譜效率存在明顯差異的網(wǎng)絡(luò)歸為一類計算。

綜上所述，本文針對現(xiàn)有頻譜需求研究中輸入?yún)?shù)過于復(fù)雜、精度問題及運算量等方面，提出一種基于場景篩選的頻譜需求計算方法（scenario based spectrum requirement calculating algorithm, SSRA)。

2 基于場景篩選的頻譜需求算法（SSRA）

本文提出一種基于場景篩選的頻譜需求計算的方法SSRA，用于評估IMT系統(tǒng)頻譜需求。整體方案與裝置包括計算場景篩選、網(wǎng)絡(luò)極限承載能力評估、承載資源需求測算、頻譜需求總量計算4個流程。

場景篩選用于分析輸入的業(yè)務(wù)量與網(wǎng)絡(luò)配置、選擇頻譜需求瓶頸場景，并確定計算所需場景及對應(yīng)輸入?yún)?shù)值。

網(wǎng)絡(luò)極限承載能力評估用于根據(jù)輸入的具體網(wǎng)絡(luò)種類和當前網(wǎng)絡(luò)配置情況評估在場景篩選模塊選定的場景下相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的極限承載能力。

承載資源需求測算用于根據(jù)場景下的業(yè)務(wù)量在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的承載關(guān)系，測算承載全部業(yè)務(wù)量所需的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量。

圖1 場景篩選模塊示意圖

頻譜需求總量計算用于根據(jù)承載資源需求測算給出的所需網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量、相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式及頻率復(fù)用程度等，計算所需的頻譜總量。

下面分別詳述各模塊的設(shè)計組成，如圖1所示。

場景篩選模塊包括當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量分析模塊和基于業(yè)務(wù)密度分布進行地理場景劃分兩個核心模塊。

當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量分析模塊接收當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量輸入值和當前終端組成及業(yè)務(wù)占比輸入值。當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量來自于現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)量采集，包括忙時話音業(yè)務(wù)量、忙時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量。現(xiàn)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)是根據(jù)實際承載網(wǎng)絡(luò)分類統(tǒng)計的。當前終端組成及業(yè)務(wù)占比根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)忙時業(yè)務(wù)量按不同終端產(chǎn)生進行分類匯總。當前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量分析模塊根據(jù)輸入的上述值，按小區(qū)的分布位置，對全網(wǎng)輸入的業(yè)務(wù)量進行計算，并計算當前業(yè)務(wù)量下各個區(qū)域的平均業(yè)務(wù)密度。

基于業(yè)務(wù)密度分布的地理場景劃分模塊，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展預(yù)測輸入的預(yù)測業(yè)務(wù)量和預(yù)測終端業(yè)務(wù)組成比例，計算相應(yīng)區(qū)域的預(yù)期業(yè)務(wù)密度。選取倍數(shù)最大的場景與預(yù)測業(yè)務(wù)密度最大場景進行比較。優(yōu)選預(yù)測業(yè)務(wù)密度最大且業(yè)務(wù)增長倍數(shù)較大的場景作為頻譜需求瓶頸的場景輸出。同時，該模塊負責將選中場景對應(yīng)小區(qū)承載的當前業(yè)務(wù)量、預(yù)測業(yè)務(wù)量等輸入?yún)?shù)單獨提取供后續(xù)計算使用。

網(wǎng)絡(luò)極限承載能力評估模塊接收來自場景篩選模塊與裝置輸出的計算場景及對應(yīng)場景下的業(yè)務(wù)量與網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)。如圖2所示，已知網(wǎng)絡(luò)類型承載效率庫是該模塊的內(nèi)建數(shù)據(jù)庫，保存有已有IMT通信網(wǎng)絡(luò)承載效率的基本參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)對不同業(yè)務(wù)的承載方式等信息可供計算選用。該模塊將待計算的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)類型匹配，提取待計算網(wǎng)絡(luò)的承載效率信息。根據(jù)選定場景提取頻率復(fù)用等組網(wǎng)配置信息。最終，該模塊將上述信息匯總輸出。

承載資源需求測算模塊根據(jù)所屬網(wǎng)絡(luò)類型確定話音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中由電路域承載或由分組域承載。根據(jù)預(yù)測業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)極限配置計算該場景下平均單小區(qū)話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量。按承載機制不同，分別計算電路域承載和分組域承載所需的網(wǎng)絡(luò)資源量并輸出模塊。

頻譜需求總量計算模塊根據(jù)計算的網(wǎng)絡(luò)類型換算每小區(qū)的單位資源對應(yīng)的頻譜帶寬，根據(jù)計算的具體場景獲知網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)頻率復(fù)用方式。單網(wǎng)絡(luò)的頻譜需求量=（電路域消耗資源量+分組域消耗資源量)×單位資源頻譜帶寬×頻率復(fù)用度。總的頻譜需求量為場景下各網(wǎng)絡(luò)頻譜需求量的總和。

3 中國頻譜需求預(yù)測分析

中國經(jīng)濟快速發(fā)展，移動業(yè)務(wù)同樣發(fā)展迅猛。盡管運營商努力提升網(wǎng)絡(luò)能力，但迅速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求仍然使得移動網(wǎng)絡(luò)不堪重負。因此有必要進行未來移動通信頻譜需求的預(yù)測研究。

圖2 網(wǎng)絡(luò)極限承載能力評估模塊示意圖

我國IMTA-2020（5G）推進組關(guān)于我國業(yè)務(wù)發(fā)展預(yù)測進行了評估，認為未來話音業(yè)務(wù)量緩慢增長，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量近年保持較高增長速率，連年持續(xù)快速增長。圖3和圖4分別為話音業(yè)務(wù)量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量預(yù)測數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢關(guān)系作為頻譜需求評估中業(yè)務(wù)增長率關(guān)系使用。

圖3 全國典型城市的話音業(yè)務(wù)總時長（億分鐘/月）

圖4 全國數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總流量（PB/月）

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，需要頻譜量最大場景為密集城區(qū)，而SSRA獲取各無線通信網(wǎng)絡(luò)組頻譜需求為各場景下頻譜需求量最大場景值，因此將分析場景確定為密集城區(qū)（含室內(nèi)、室外）。

頻譜效率直接影響未來頻譜需求預(yù)測數(shù)值結(jié)果，本方法中所提到的“頻譜效率”，特指運營商網(wǎng)絡(luò)實際承載層面的“工程頻譜效率”，而不是技術(shù)研發(fā)層面的“頻譜效率”。本方法依據(jù)ITU預(yù)測的2020年IMT系統(tǒng)的頻譜效率數(shù)據(jù)，結(jié)合3家運營商提供的實際網(wǎng)絡(luò)運行情況，進行有針對性的調(diào)整，從而得到我國2020年IMT系統(tǒng)的頻譜效率數(shù)據(jù)。根據(jù)工程依據(jù)，調(diào)整結(jié)果如表1所示。

表1 預(yù)期譜效率（綜合結(jié)果）

最終，依據(jù)SSRA方法基于我國IMTA-2020（5G）推進組關(guān)于我國業(yè)務(wù)發(fā)展預(yù)測結(jié)果，結(jié)合業(yè)務(wù)預(yù)測及數(shù)據(jù)調(diào)研分析，預(yù)計我國2015年頻譜需求580～670 MHz，我國2020年頻譜需求1 510～1 790 MHz。