IMT 系統(tǒng)頻率使用情況評估方法研究

丁家昕，伉沛川

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 引言

我國經(jīng)濟發(fā)展步入新常態(tài)，信息技術與社會深度融合，無線電頻譜資源的戰(zhàn)略地位更加凸顯，對頻譜資源的利用效率提出了更高的要求。公眾移動通信是具有較高經(jīng)濟價值的無線電應用，國際電聯(lián)研究表明2020 年全球移動通信頻譜需求總量為1340-1960 MHz[1-2]，我國雖然已對移動通信規(guī)劃了1089MHz 頻率資源，但仍存在需求缺口。所以，開展公眾移動通信頻段的頻譜使用評估研究，能夠為我國2G、3G、4G 頻率資源調整，以及5G甚至6G 頻率規(guī)劃等工作提供科學依據(jù)。

國際電聯(lián)為了評估頻率利用率，從時域和頻域維度提出了信道占用度和頻段占用度的評價指標，但針對IMT 系統(tǒng)頻率使用情況，這樣的評估方法過于簡單，評估手段相對單一。本文結合我國IMT 系統(tǒng)頻率使用現(xiàn)狀及無線電管理現(xiàn)狀，提出了以頻譜利用指標為核心，以臺站建設指標、業(yè)務效果指標為輔助的二級頻率評估體系，綜合頻率、臺站、業(yè)務等多方面因素，全面評估IMT 系統(tǒng)頻率使用情況。同時，文中給出了評估指標中各數(shù)據(jù)要素的獲取方法及綜合評估指數(shù)的計算方法。

2 評估指標體系的建立

以下從頻譜利用、臺站建設、業(yè)務效果三個方面建立IMT系統(tǒng)頻率評估指標體系。

頻譜利用指標可分為頻段占用度、信號覆蓋率和信道占用度三個二級指標。其中，頻段占用度是頻域維度的統(tǒng)計，是指一個掃描周期內(nèi)，該頻段內(nèi)超過門限的采樣點除以總采樣點的值，頻段占用度還可在地理網(wǎng)格內(nèi)進行統(tǒng)計，網(wǎng)格頻段占用度是指地理網(wǎng)格內(nèi)所有頻段占用度的平均值；信號覆蓋率為空域維度的統(tǒng)計，是指某一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，針對同一信道測量得到的占用次數(shù)除以總掃描次數(shù)，同一信道內(nèi)，單次掃描的多個采樣值只要有一個采樣值超過門限，即認為該信道被占用；信道占用度為時域維度的統(tǒng)計，是指在一段時間內(nèi)，單一固定監(jiān)測站上針對同一固定信道測量得到的占用次數(shù)除以該時間內(nèi)的總掃描次數(shù)，單次掃描的多個采樣值只要有一個采樣值超過門限，即認為該信道被占用。

臺站建設指標在臺站使用方面對IMT 基站覆蓋與合規(guī)性進行評估，分為臺站數(shù)量、臺站覆蓋率和臺站合規(guī)性三個二級指標。臺站數(shù)量是指評估對象在單位頻譜上所建設的臺站數(shù)量總和，單位為萬臺站數(shù)/MHz；臺站覆蓋率是指臺站理論覆蓋面積與臺站實際覆蓋面積之比，理論覆蓋面積通過臺站設站參數(shù)和基于地理信息的傳播模型計算而得，實際覆蓋面積通過實際路測得到；臺站合規(guī)率是指符合規(guī)定的臺站數(shù)量與總臺站數(shù)量之比。

業(yè)務效果指標在系統(tǒng)運營方面對IMT 系統(tǒng)進行評估，分為用戶量、話務量、數(shù)據(jù)量三個二級指標。用戶量是指系統(tǒng)單位頻譜上承載的每月活躍用戶數(shù)量，單位為（用戶/月/MHz），反映系統(tǒng)用戶使用情況，按每月和單位頻譜做歸一化，使得不同系統(tǒng)之間的用戶數(shù)量可進行比較；話務量是指系統(tǒng)單位頻譜上單個用戶每月的通話時長，單位為（分鐘/月/用戶/MHz），反映系統(tǒng)在通話方面使用情況，按每月、每用戶和單位頻譜做歸一化，使得不同系統(tǒng)之間的話務量可進行比較。其中，4G 系統(tǒng)由于沒有電路域語音的設計，因此該指標加權系數(shù)放在數(shù)據(jù)量中體現(xiàn)；數(shù)據(jù)量，是指系統(tǒng)單位頻譜上單個用戶每月的數(shù)據(jù)流量，單位為（Gbit/月/用戶/MHz），反映系統(tǒng)在數(shù)據(jù)流量方面的使用情況，按每月、每用戶和單位頻譜做歸一化，使得不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)量可進行比較。

為綜合評價IMT 系統(tǒng)的頻譜利用情況，可進一步對頻譜利用指標、臺站建設指標和業(yè)務效果指標進行加權計算，建立頻率使用綜合評價指數(shù)。每項指標的具體權重可如下表所示：

表1 頻率使用綜合評價指數(shù)體系

3 評估數(shù)據(jù)的獲取

在頻率使用評估過程中，不同評估指標所需的原始數(shù)據(jù)可通過無線電監(jiān)測、比對無線電臺站數(shù)據(jù)庫和查閱運營企業(yè)年報等方式獲得。

對于頻譜利用指標，以及臺站合規(guī)率指標，可采用無線電監(jiān)測方法獲取評估數(shù)據(jù)。無線電監(jiān)測通過固定監(jiān)測站、移動監(jiān)測站和可搬移監(jiān)測設備進行數(shù)據(jù)的采集、存儲、交換或實時傳輸；對于臺站建設指標，通過查詢無線電臺站數(shù)據(jù)庫和無線電頻率庫獲取原始數(shù)據(jù)，并按照技術體制進行統(tǒng)計，頻率臺站合規(guī)使用情況通過比對實測信號場強分布與臺站注冊位置，及比對實測與指配的中心頻率和帶寬進行評價。開展臺站場強分布的理論評估時，所采用的傳播模型包括但不限于：自由空間模型、奧村-哈塔模型、COST231-哈塔模型、LEE 模型及其他自定義模型；對于系統(tǒng)業(yè)務效果指標，一般通過運營企業(yè)公開發(fā)布的年報或相關報告獲取數(shù)據(jù)。

無線電監(jiān)測是獲取評價數(shù)據(jù)的主要方式，因此對監(jiān)測方法做簡要介紹。監(jiān)測系統(tǒng)應在執(zhí)行監(jiān)測任務前進行校準，系統(tǒng)的場強測量誤差應控制在±3dB 之間。監(jiān)測天線應具有明確的方向圖，天線系數(shù)或增益應已知。根據(jù)工作需要，接收機應具有峰值檢波或準峰值檢波功能，應能采用全頻段掃描、分頻段掃描、離散頻點掃描或固定頻段測試等模式進行監(jiān)測。主要記錄信號的頻率、場強值、測試時間、經(jīng)緯度等相關信息。

固定監(jiān)測站可提供每小時測試頻段內(nèi)的信道占用度。移動監(jiān)測車可提供單次掃頻結果的頻段占用度、網(wǎng)格頻段占用度，以及整個監(jiān)測區(qū)域典型通信載波的信號覆蓋率。對于固定監(jiān)測站，可采用全頻段掃描和離散頻點掃描監(jiān)測，每兩次掃頻測量時間間隔不超過20s；如不能滿足要求，應采用部分頻段掃描或減少離散頻點數(shù)目。對于移動監(jiān)測車，車輛速度一般不大于30km/h，每兩次掃頻測量時間間隔不超過5s，GPS 或北斗系統(tǒng)至少每5s 觸發(fā)一次。測量帶寬應大于信號必要帶寬，各頻段的中頻帶寬或掃描步進為25kHz，對于LTE 系統(tǒng)相應頻段不超過500kHz。監(jiān)測時間要兼顧IMT 業(yè)務忙時、非忙時的差異。采用固定監(jiān)測站監(jiān)測時，每次測試的時間不少于連續(xù)3天。在條件允許情況下，應適當增加測試時段、延長單次測試時間，以提高數(shù)據(jù)分析的準確性。

4 典型IMT 系統(tǒng)測試方法

下面分別以GSM、WCDMA、TD-LTE 系統(tǒng)為例，描述監(jiān)測數(shù)據(jù)采集方法。

4.1 GSM 系統(tǒng)時隙占用率測試方法

（1）在測試點開啟衛(wèi)星定位儀記錄測試點經(jīng)緯度，結合地形記錄測試點海拔高度；

（2）設置測試儀器的工作參數(shù)（包括要監(jiān)測的小區(qū)的運營商、頻點、以及監(jiān)測時長等）；

（3）按照配置的工作參數(shù)，監(jiān)測儀表掃描網(wǎng)絡取得空口同步并測量小區(qū)的RSSI；

（4）如該測試點信號質量滿足監(jiān)測要求，監(jiān)測儀表讀取GSM 網(wǎng)絡的系統(tǒng)消息，包括系統(tǒng)消息1、系統(tǒng)消息3等；

（5）監(jiān)測儀表根據(jù)讀取的GSM 小區(qū)信息，監(jiān)測下行時隙占用情況，并統(tǒng)計時隙利用率；

（6）在同一測試地點，選取不同的監(jiān)測小區(qū)及不同的監(jiān)測時段，重復步驟（1）-（5）。

4.2 WCDMA 碼字占用率測試方法

（1）在測試點開啟衛(wèi)星定位儀記錄測試點經(jīng)緯度，結合地形記錄測試點海拔高度；

（2）設置測試儀器的工作參數(shù)（包括要監(jiān)測的小區(qū)的運營商、頻點、主擾碼以及監(jiān)測時長等）；

（3）按照配置的工作參數(shù)，監(jiān)測儀表掃描網(wǎng)絡獲取空口同步并測量小區(qū)的RSSI、PCCPCH、RSCP；

（4）如該測試點信號質量滿足監(jiān)測要求，監(jiān)測儀表讀取WCDMA 網(wǎng)絡的系統(tǒng)消息，包括MIB、SIB1、SIB5等；

（5）監(jiān)測儀表根據(jù)讀取的WCDMA 小區(qū)信息，監(jiān)測下行碼道占用情況，并統(tǒng)計碼道利用率；

（6）在同一測試地點，選取不同的監(jiān)測小區(qū)及不同的監(jiān)測時段，重復步驟（1）-（5）。

4.3 TD-LTE 資源塊占用率測試方法

（1）在測試點開啟衛(wèi)星定位儀記錄測試點經(jīng)緯度，結合地形記錄測試點海拔高度；

（2）設置測試儀器的工作參數(shù)（包括要監(jiān)測的小區(qū)的運營商、頻點、PCI 以及監(jiān)測時長等）；

（3）按照配置的工作參數(shù)，監(jiān)測儀表掃描網(wǎng)絡獲取空口同步并測量小區(qū)的RSSI、RSRP、RSRQ；

（4）如該測試點信號質量滿足監(jiān)測要求，監(jiān)測儀表讀取LTE網(wǎng)絡的系統(tǒng)消息，包括MIB、SIB1、SIB2、SIB3等；

（5）監(jiān)測儀表根據(jù)讀取的LTE 小區(qū)信息，監(jiān)測下行子幀的PRB 占用情況，并統(tǒng)計輸出PRB 利用率；

（6）在同一測試地點，選取不同的監(jiān)測小區(qū)及不同的監(jiān)測時段，重復步驟（1）-（5）。

5 綜合評價指數(shù)計算方法

為了更直觀地比較各IMT 系統(tǒng)間的頻率使用情況，本文建立了頻率使用綜合評價指數(shù)，通過設置不同二級指標的閾值，將二級指標進行歸一化，再利用不同權重得到最終的綜合評價指數(shù)。具體計算方法如表2所示。

表2 頻率使用綜合評價指數(shù)計算方法

需要說明的是，對于臺站建設指標中的臺站數(shù)量、業(yè)務效果指標中的用戶量、話務量和數(shù)據(jù)量等指標的閾值，是對所有評估對象每個月的數(shù)據(jù)進行“平均值+2×標準差”運算得到的。此閾值在統(tǒng)計學中相當于正態(tài)分布的樣本95%置信區(qū)間，反映的是在當下時間范圍內(nèi)，所有評估對象的指標應該達到的“理想結果”。閾值的設定是根據(jù)技術發(fā)展、用戶需求增長等因素不斷變化的。

6 結束語

本文提出了一種IMT 系統(tǒng)頻率使用情況綜合評估方法，該方法建立了以頻譜利用指標為核心，以臺站建設指標、業(yè)務效果指標為輔助的二級頻率評估體系。其中，在頻譜利用方面，主要考慮信道占用度、頻段占用度、信號覆蓋率三個指標；在臺站建設方面，主要考慮單位頻譜臺站數(shù)量、臺站覆蓋、臺站違規(guī)情況三個指標；在業(yè)務效果層面，主要考慮單位頻譜用戶量、話務量和業(yè)務量三個指標。文中給出了各個指標的獲取方法及綜合評價指數(shù)的計算方法。利用本文的方法，可以客觀、全面、相對簡單的評價各IMT 系統(tǒng)的頻率利用情況。