基于层次化频谱需求预测的IMT系统频率规划*

聂博识，冯志勇，冯泽冰，宋心刚

（北京邮电大学无线新技术研究所 北京 100876）

1 引言

新一代宽带无线移动通信网络系统的频谱需求远远超出已规划的移动通信频段，目前国内规划的频谱资源已无法为新一代宽带无线移动通信网络提供满足其需求的专用频谱资源，可以说频谱资源的供需矛盾已经成为制约无线移动通信技术发展及其产业化进程的瓶颈，因此无线电频谱规划面临巨大挑战。

频谱规划的第一阶段便是对未分配频段的系统进行精确的频谱需求预测，是未来宽带无线移动通信频谱规划工作的基础和前提。此前关于频谱需求预测的研究主要有：参考文献[1]介绍了IMT-2000和超IMT-2000系统未来发展的框架和总体目标；参考文献[2]对世界未来移动通信市场的发展情况做出预测；参考文献[3]主要描述了一种估算IMT-2000及超IMT-2000系统未来发展的地面频谱需求的方法。

通过以上参考文献中介绍的方法和数据，可以对世界不同地区未来5～10年的IMT系统频谱总需求进行预测，因此可以计算我国IMT系统在未来一段时间内的频谱需求总量，作为无线电频率总体规划的参考意见。频谱规划的最终目的不能仅局限在总体规划层面，要落实在频段划分上，因此本文提出了基于层次化频谱需求预测的频率规划方法。该方法不仅对IMT系统未来的频谱总需求进行预测，在宏观层面为总体无线电未用或在用的频率规划提供科学指导；还可以根据新系统的技术特点对总需求量的组成比例进行预测，在微观层面为候选频段的划分指配提供理论依据。

2 层次化频谱需求预测概述

一般来说，无线电频谱规划大致分为3个阶段：频谱规划、频谱划分、频谱指配。频谱规划是指在候选频段中选择适合新系统运行、满足新系统频谱需求的一段频率；频谱划分是指在规划的频段上进行频率切分，以适应不同技术体制的需要；频谱指配则指最终国家决策层将划分的频段指配给相应的运营企业。本文所研究的频谱需求预测正是遵循频谱规划的逻辑阶段而进行的，频谱总需求预测指导频谱规划阶段的工作，网络制式需求比例指导频谱划分阶段的工作，双层次化的频谱需求预测共同为有限的频率资源的科学合理规划提供指导性建议。

3 我国IMT系统未来频谱总需求预测

[3]介绍了一种通用的频谱需求预测方法，可用于不同的市场以及多种蜂窝系统架构，这里对其原理不再赘述。当预测特定国家或区域的频谱需求时，需要输入用于表现该地区特征的市场参数和数据进行特定预测。预测我国IMT系统的频率总需求时，我国市场特征参数中影响比重较大的是用户密度、服务类型以及接入服务不同系统比例等。

3.1 总用户密度预测

用户密度在农村、郊区、城区等不同地区存在差别，由于频谱总需求与用户密度基本呈正比例关系，因此用户密度最大的地区环境的预测结果基本可以满足其他地区的频谱需求。

根据参考文献[2]中的数据，在2015年和2020年，我国总人口数分别会达到14.17亿和14.60亿，密集城区人口分布比例会达到23%和25%，移动用户渗透率会达到85%和89%。

利用计算式“用户密度（密集城区）=总人口数×人口分布比例（密集城区）×移动用户渗透率（密集城区）÷我国国土总面积”，可以得到我国密集城区IMT系统用户密度的预测结果：2015 年，185 300 人/km2；2020 年，219 830 人/km2。

3.2 不同服务类型使用率与其用户密度预测

随着移动互联网业务的飞速发展、移动智能终端的广泛普及，未来IMT系统除了将满足用户日常需要的话音会话、低速传输等服务类型的需求，还会逐渐增加高速、超高速多媒体等服务类型，以满足用户对在线高清视频、高速下载等业务的需求。我国2015年和2020年各种服务使用率的预测结果[2]见表1。

结合3.1节的用户密度预测结果和表1数据，可以得到不同服务类型的用户密度示意，如图1所示。

3.3 接入服务比例预测结果

对于密集城区内不同类型服务的业务量，当多种IMT系统可同时支持某种服务时，如话音业务可同时接入2G、3G或IMT-A系统，以计算不同接入系统的频谱需求，应该把这种服务的业务量按一定比例分配至不同系统中，从而获得不同系统的频谱需求预测结果，更具实际意义。

表1 我国未来IMT系统服务类型使用率预测

根据我国国情和发展趋势分析，参考文献[4]给出了当2G、3G、3G-LTE 与 Beyond-3G（B3G）、4G 两类系统共存时相应的分配比率预测结果，见表2。

表2 我国IMT系统接入服务比例预测结果

3.4 总频谱需求预测结果

根据ITU关于频谱需求的预测方法，对我国IMT频谱需求进行预测，预测流程如图2所示。以上内容旨在完成步骤(2)～(4)中关于我国IMT系统相关数据的完善和补充，利用不同服务类型的用户密度、参数指标以及分配比例，可以计算出不同服务类型在密集城区环境下的业务量需求。利用这些数据经过步骤(5)～(8)可得出我国IMT系统总频谱需求的预测结果。

通过步骤(5)～(8)，计算在密集城区环境下宏蜂窝网络所需的系统容量，该系统容量是在满足每一服务种类的QoS要求的情况下，得出“提供基本业务量”所必需的。

对于采用电路交换的业务量，所需的系统容量是由为达到一个规定阻塞概率而必需的服务信道数目和信道数据速率确定的。利用爱尔兰理论，通过输入之前计算的每种电路交换服务的业务量以及服务确定的数据速率、最大阻塞率，可以计算出电路交换服务所需的系统容量C电路。

对于采用分组交换的业务量，采用“先到先服务”的排队模型，通过输入之前计算的每种分组交换服务的业务量以及服务确定的IP分组长度分布、平均延迟和优先级等级，可以计算出分组交换服务所需的系统容量C分组。

利用以上结果，通过 f=（C电路+C分组）/η，其中，η 为频谱效率，可以计算出频谱需求初始预测结果，再通过设置运营商间的保护频带、系统最小实现频谱、运营商个数，得出我国2015年和2020年IMT系统频谱总需求预测结果，见表 3。

4 我国不同技术体制未来频谱需求比例预测

通过以上对我国IMT系统未来频谱总需求的宏观预测可以看出，目前的频谱规划无法满足未来移动通信发展的频谱需求，规划新的频段成为我国电信发展的当务之急。

未来一段时间，以蜂窝无线网络为代表的移动通信技术将在我国继续发展，该技术在频谱规划方面最大的不同在于使用哪种复用方式，即TDD方式还是FDD方式。TDD方式可以为其规划一段连续的或零碎的频谱，而FDD方式需要为其上下行分别规划一段频谱。为使新的频谱规划更科学、更合理，将频谱总需求预测结果作为新频段规划的依据，以对TDD与FDD频谱需求的预测作为新频段更细划分的重要依据。

表3 我国未来IMT系统频谱总需求预测结果

4.1 影响我国IMT系统TDD与FDD方式频谱需求的因素

（1）我国已分配频谱中TDD与FDD的频谱划分信息

对未来TDD与FDD频谱分配比率进行预测时，首先要着眼于现状，考虑已分配频谱中TDD与FDD频谱的划分情况。从已分配频段的划分信息中，不仅可以直接获得该分配比率数据，还可以间接获得国家对于不同技术发展所持的态度，这些信息都是未来预测分配比率不可或缺的重要依据。此外，通过对已分配频段划分信息的梳理，可以为进一步明确频谱价值密度、频谱利用度等权重决策信息奠定坚实基础。

（2）未来发展中TDD与FDD用户、市场份额的预测信息

由于电磁频谱与土地、矿产、石油等同属于国家所有的自然资源，开发商利用这些自然资源创造了一定的市场价值，同样，运营商在利用电磁频谱的过程中也创造了市场价值。假设每单位资源创造的市场价值是一定的，可以通过各开发商资源分配的大小粗略获得市场价值份额数据，反过来，通过各开发商市场份额的比例可以粗略获得其资源分配的比例。运用到电磁频谱中，上述分析仍然成立，即可以将对运营商市场份额比例的预测分析，作为电磁频谱比例分配的依据。

（3）LTE的TDD与FDD方式的地理与覆盖范围信息

FDD与TDD技术不同，其各种场景下的覆盖范围与支撑能力不同。使用TDD技术时，只要基站和移动台之间的上下行时间间隔不大，小于信道相干时间，就可以比较简单地根据对方的信号估计信道特征；而对于FDD技术，一般上下行频率间隔远远大于信道相干带宽，几乎无法利用对方信号估计信道特征。这一特点使得TDD方式的移动通信体制在功率控制以及智能天线技术的使用方面有明显的优势，但也造成TDD系统的覆盖半径偏小。满足同样大小的区域面积的TDD基站比FDD多，这样带来的TDD之间的干扰因素会影响频谱载波的选取，同时对相应频谱需求也会有一定的要求。

以上3点因素共同对FDD与TDD的频谱分配产生影响，建议 TDD 的分配比例因子分别为 p1、p2、p3。

根据权重 u1、u2、u3可以对FDD与 TDD的频谱需求比例做一个加权处理，即总分配比率为：P=p1×u1+p2×u2+p3×u3。

需要说明的是，在进行p3预测时，只有在业务总量很低时才会主要考虑覆盖差异的影响，因此密集城区用户密度、服务到达率和持续率较高，这种差异偏小甚至不明显。在本文第3节中，已经对密集城区的频谱总需求进行预测，因此这里不考虑地理与覆盖范围的影响，令p3近似为50%。

综上，TDD与FDD方式分配比率的重点影响因素在于现有频段TDD与FDD频谱的分配比率参考和未来市场发展预测，从这两点入手可以预测两者在现有频段分配基础上的频谱需求趋势，从而分析两者对频谱的需求比例。

4.2 我国现有IMT系统规划频段的分配比例

我国2G频谱划分情况为：中国移动，90 MHz；中国联通，52 MHz；中国电信，48 MHz；共计 190 MHz，均为 FDD方式。

根据2002年10月原国家信息产业部下发文件《关于第三代公众移动通信系统频率规划问题的通知》（信息产业部[2002]479号）中的规定，我国3G频谱划分情况如下。

·FDD方式：1 920～1 980 MHz和 2 110～2 170 MHz，补充工作频段1 755～1 785 MHz和1 850～1 880 MHz，共计（60+30）×2=180 MHz。

·TDD方式：1 880～1 920 MHz和 2 010～2 025 MHz，补充工作频段2 300～2 400 MHz（与无线电定位业务共用），共计 40+15+100=155 MHz。

可以看出，自3G频谱规划以来，我国非常重视自主技术的扶植力度，TDD获得的可用频谱数量明显增加，所占总频谱分配大小的比例趋近于50%（为46.27%），印证了我国TDD与FDD协同发展的主张。因此，B3G、4G频段规划中的TDD比例p1估计将达到50%。

4.3 运营商市场份额预测与分配比例

基于层次预测法的理念，研究B3G、4G中TDD、FDD的市场份额，首先从运营商各自总市场份额入手，做出相应的分析与预测，再通过分析运营商内不同系统的市场份额，最终获得TDD与FDD市场份额的预测结果。

4.3.1 基于动态博弈的不同运营商总市场份额预测

假设市场上有两家企业，分别为企业1、企业2，它们提供质量相同的产品投放市场。设企业1、企业2的产量分别为 q1、q2，总供给Q=q1+q2。令表示市场量价关系，说明市场上的产品数量越大，产品的价格就越低。设企业i生产q1的总成本为Ci(qi)=cqi(i=1,2)，即企业不存在固定成本，生产每单位产品的边际成本为常数c。两个企业的收益函数为：u1(q1,q2)=q1(a-q1-q2-c),u2(q1,q2)=q2(a-q1-q2-c)。双方对彼此的产品、产量等信息都十分清楚，属于完全信息市场。在动态博弈模型中，占优势的企业首选自己的产量q1，追随的企业观测到q1，选择自己的产量q2，占优势的企业选择q1时知道追随企业会选择产量q2，属于完全且完美信息两阶段的动态博弈。

该模型适用于市场上各方之间的信息是透明的，双方在价格、产量、技术、市场营销等方面想做到互相隐瞒是不可能的，因此适用于我国移动通信市场。由于通信企业的成本具有固定成本比重大、边际成本较小的特征，因此对动态博弈模型进行修正。设固定成本为c1，边际成本为c2，将上述收益函数改进为：u1(q1,q2)=q1(a-q1-q2-c2)-c1，u2(q1,q2)=q2(a-q1-q2-c2)-c1。

2008年我国电信行业重组，中国移动、中国联通、中国电信分别占据移动通信市场份额的70%、22%和8%。在重组初期，三大巨头会按照惯性运作，中国移动仍具有绝对优势，中国联通占第二位，中国电信是尾随者。根据完全信息动态博弈模型中占优势企业先行动的思想，假设中国移动先选择产量q1，中国联通观测到q1后选择自己的产量q2，中国电信观测到q1和q2后选择自己的产量q3，根据前面分析的结果，若市场上有n个寡头，子博弈精炼纳什均衡产量为所以均衡解为 4∶2∶1。

当三大寡头进入角色后，会通过整合资源努力发展自己，特别是中国电信明白完全信息动态博弈下的“先动优势”，所以假设在重组后期，中国移动仍首选产量q1，而中国电信和中国联通同时选择各自的产量q2和q3，通过求解收益函数的最大值，得出q2=q3=（a-q1-c2）/3。由于中国移动也会知道这个结果，所以在博弈第一阶段，中国移动的决策问题即求解最优化问题，可得均衡解为 3∶1∶1。

通过以上分析，我国移动通信市场份额的预测结果如图3所示。

4.3.2 基于灰色预测的单一运营商内不同系统的市场份额预测

灰色预测法是指通过分析系统内部各因素之间的相关程度，根据原始数据的生成处理过程来寻求系统变化规律，以此建立微分方程模型，从而预测市场发展趋势。灰色预测的本质是将随机过程中的随机变量当作灰色理论中的“灰变量”，利用灰度的概念处理变化规律并不明显的事件，并以灰色系统理论中的GM(1,1)模型进行处理[5]。

灰色预测法处理的基本流程如下。

利用如上所述灰色预测的基本方法，根据2008-2011年每月三大运营商不同制式用户数折算的市场份额，对每个运营商内不同系统的市场份额做出预测，如图4所示。

以上预测均假设：中国移动4G技术将采用TDD方式，中国联通和中国电信4G技术将采用FDD方式；我国电信行业不再重组，保持三寡头垄断模式；运营商提供的年报数据客观准确；我国4G商业化时间初步定为2015年并基本遵循3G市场发展规律及特点等。根据市场份额的预测，IMT-A频段划分中TDD比例p2约为21.98%/(15.23%+21.98%+13.90%)=43%。

4.3.3 权重分析与比例预测结果

权重的定量主要采用主客观联合打分法。主客观联合打分法是指通过匿名方式征询相关专家和业内人士的主观意见，对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，形成主观参考，再客观地运用数理统计等数学方法综合多数专家的经验与主观判断，对大量难以采用技术方法进行定量分析的因素做出合理估算，经过多轮意见征询、反馈和调整后，对因素影响程度进行分析[6]。通过联合打分法可以较科学地得出 3 部分的权重 u1、u2、u3，再根据 P=p1×u1+p2×u2+p3×u3，得出最终TDD所占总频谱需求比率。

4.4 候选频段划分建议

利用前面的预测结果，假设主客观联合打分法得出的3部分权重依次为0.4、0.5、0.1，则可得出最终TDD所占总B3G、4G 频谱需求的比例为 P=0.5×0.4+0.43×0.5+0.5×0.1=0.465，以此作为我国候选频段进行TDD、FDD划分的依据。以一段100 MHz频段为例，得到如图5所示的频段规划建议。

5 结束语

本文提出的基于层次化频谱需求预测的频谱规划理念，包括宏观层面的频谱总需求预测和微观层面的频段划分比例预测。在宏观预测过程中，主要采用国际通用的IMT频谱需求预测方法，针对我国市场特点做出频谱总需求预测；在微观预测过程中，主要分析了影响频段中TDD、FDD划分比例的因素，并以我国运营商实际情况为背景对每种因素进行了相应预测，得出候选频段的划分比例。本方法旨在科学、全面地进行频谱需求预测分析，为紧迫的无线电频谱规划工作提供参考建议，加快我国宽带无线移动通信产业的发展。

参考文献

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频率需求计算方法及结果.移动通信,2006(10):27～31

5 曾波,孟伟.面向特殊序列的灰色预测建模方法.重庆:重庆大学出版社,2011

6 徐泽水.不确定多属性决策方法及应用.北京:清华大学出版社,2004