IMT-Advanced频率需求计算方法及结果

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摘要　ITU-R SG8 WP8F按照WRC03确立的WRC07大会的议题1.4和ITU-R 228号决议对IMT-Advanced的频率需求计算方法和201O、2015及2020年的频率需求进行了计算。文章介绍了这一方法的产生的背景，并对WP8F的IMT-Advanced计算方法PDNR的主要流程、重要参数和取值以及计算结果进行了介绍，并给出了我国的估算结果和分析。
1、简介
　　为了满足不断发展的移动无线通信以及更高的数据速率的需求，作为研究开始的第一步，ITU-R M.1645建议定义了IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的框架和总体目标。此框架是基于全球用户和技术趋势，并且也包含了发展中国家的需求。
　　另外，基于ITU-R228号决议，WRC-03确立了WRC07大会的议题1.4，考虑IMT-2000未来发展和IMT-Advanced相关的频率事宜。ITU-R 228号决议要求ITU-R在IMT-Advanced的频谱需求和潜在的适宜的频段范围方面研究结论的基础上，及时向WRC-07提供相关的技术研究报告。在上述条件的基础上，ITU-R SG8 WP8F开始研究与IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的频率相关的事宜，其与频谱计算方法和需求测算结果相关的报告包括：Report ITU-R M.[IMT.MARKET]，Report ITU-R M.[IMT.RAD_ASPECTS]，Report ITU-R M.[IMT.METH]和Report ITU-R M.[IMT.ESTIMATE]。Report ITU-R M.[IMT.MARKET]研究未来系统的市场趋势，如2010年以后的业务总量。这些数据将决定需求带宽的计算以及潜在的适宜的频段范围的选择。报告ITU-R M.[IMT.MARKET]主要解决IMT-Advanced的业务和市场问题。Report ITU-R M.[IMT.RAD_ASPECTS]是无线部分的研究，如对2010年以后的技术趋势的研究，也是对IMT-Advanced的需求带宽的计算以及潜在的适宜的频段范围进行选择必不可少的。这些研究应当技术中立且包含技术参数，例如：无线环境传播参数和频谱效率。报告ITU-R M.[IMT.RAD_ASPECTS]主要考虑IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的技术和覆盖因素，从技术角度和频谱效率立场出发解决业务在不同的无线环境间的分配比例的问题。Report ITU-R M.[IMT.METH]定义了IMT-Advanced的计算方法。Report ITU-R M.[IMT.ESTIMATE]主要解决的是IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的频率需求的问题。频率需求是按照在ITU-R M.[IMT.METH]建议中定义的计算方法计算得出的。在计算IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的频率方法中引入了一些新的定义包括：业务、多种补充系统和无线接入技术分组的综合参数。
2、主计算流程
　　以往进行频谱估算一般采用的是ITU-R M.1390，M.1390是用于计算2G系统以及IMT-2000系统的计算方法，主要考虑到语音基础业务的系统频率需求。在Report ITU-R M.2023中，以M.1390为计算方法，得出了2005年和2010年的频率需求。在WP8F新的M.1645建议中提出未来的业务将由以语音业务为主转变为以多媒体通信业务为主。以IP为基础的数据业务将主导未来的通信网络。如果用M.1390计算IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的频率需求，还存在以下的局限性：
　　（1）仅局限于蜂窝网络；
　　（2）忙时概念；
　　（3）未充分考虑分组交换应用；
　　（4）对于所有的应用环境和移动性的系统容量没有变化；
　　（5）独立处理不同的应用环境。
　　由此，WP8F决定研究新的计算方法用于计算IMT-2000未来发展和IMT-Advanced的频率需求。经过10次会议的讨论，WP8F已经形成了新的Report ITU-R M.[IMT.METH]建议。

图1　频率需求计算方法流程图

　　新的计算方法的流程图如图1所示。
　　图1中，步骤1为确定计算方法中的定义。
　　步骤2为分析市场数据，市场数据来源于Report ITU-R M.[IMT.MARKET]报告。
　　步骤3通过业务环境和业务类别计算业务量。
　　步骤4分配业务到不同的RATG和每个RATG中的无线环境。
　　步骤5分析系统容量，对于电路交换和分组交换业务使用不同的计算方法。
　　步骤6计算RATG1和RATG2的频谱需求。
　　步骤7考虑到实际网络的情况进行必要的调整。
　　步骤8计算频谱需求的总数。
　　步骤9输出RATG1和RATG2的频谱需求。
3、计算中主要的定义和参数
　　3.1　业务类别
　　业务类别（SC）是用业务类型和业务级别定义的。如表1所示：

表1　业务类别

　　其中，非常低速的数据包含语音和SMS。
　　3.2　业务类型
　　业务类型是用峰值比特率来定义的，不同的业务被划分为5种业务类型。如表2所示：

表2　业务类型及对应的峰值速率

　　在上表中，非常低速的数据业务类型指的是峰值比特率最高达到16 kb/s的数据业务。其典型的应用是语音业务和简单的消息类业务，另外，传感器通信和低比特率的数据电信测绘业务也属于这种业务类型的应用。低速数据&低速多媒体业务类型指的是峰值比特率低于144 kb/s的数据业务。一般指的是IMT-2000之前的系统的业务应用。中速多媒体业务类型指的是峰值比特率最高达到2Mb/s的数据业务。一般指的是IMT-2000系统的业务应用。高速多媒体业务类型指的是峰值比特率最高达到30Mb/s的数据业务。其典型应用包含多媒体视频流式业务，类似于固定无线接入通信提供的xDSL业务。超高速多媒体业务类型指的是速率非常高的多媒体数据，其典型应用类似于有线通信系统的光纤到户（FTTH）的业务。
　　3.3　业务等级
　　业务等级采用了ITU-R建议M.1079-2的分级方法，从用户观点将业务分为四个QoS等级：
　　◆会话业务
　　◆交互式业务
　　◆流式业务
　　◆后台处理式业务
　　这四类业务的主要区别是其业务对时延的敏感性，会话业务是对时延最敏感的业务，而后台处理式业务是对时延最不敏感的业务。按照ITU-R M.1079-2建议，会话业务和流式业务属于电路交换型业务，而后台处理式业务和交互式业务属于分组类业务。
　　在上述的四种业务分级中，会话业务最著名的应用场景就是电话语音业务，但随着VoIP和视频电话的等新的应用的产生，这些新的业务也具有了会话业务的特点。交互式业务就是用户或者终端在线请求远端设备响应，典型的应用场景就是Web浏览，数据库检索和服务器接入等。流式业务是指用户收听实时的音频广播或者观看实时的视频广播，是一种单方向的数据传输。后台处理式业务指终端用户，一般是一台电脑，以后台处理方式发送或者接受数据文件，这种业务的典型应用包括发送E-MAIL、SMS、下载数据库文件或者接收测量的结果。
　　3.4　业务类别参数
　　依照ITU-R M.[IMT.MARKET]的建议，业务类别主要的参数为：
　　◆用户密度（用户/km2）
　　◆每个用户的进程到达率（进程/（s*user））
　　◆平均业务比特率（bit/s）
　　◆平均进程持续时间（s/进程）
　　◆移动性比率
　　前四个参数描述了不同的业务类别的需求，移动性参数用于业务分配，在后面的文字中还会有进一步的描述。在以前的ITU-R M.1390建议中是将移动性定义为（i）室内（ii）步行和（iii）车载，但在新的ITU-R M.[IMT.MARKET]报告中，对移动性的定义进行了更新，移动性分级为以下级别：
　　◆固定（0km/h）
　　◆低（＞0km/h and＜4km/h）
　　◆高（＞4km/h and＜100km/h）
　　◆非常高（＞100km/h and＜250km/h）
　　由于典型的数字蜂窝系统要求用户停留在小区中的时间要远大于切换的发起时间和执行时间，因此小区的大小就限制了小区所支持的速度类型。因此pico小区仅能支持步行速率（达到3km/h～10km/h），micro小区支持城市车辆速率50km/h，而macro小区支持其它类型的移动性应用。因此为了在计算方法中便于应用，所以在计算方法中将移动性重新划分为如下类型：
　　◆固定/步行（O～4km/h）
　　◆低（＞4km/hand＜50km/h）
　　◆高（＞50km／h）
　　3.5　RATG定义
　　RATG是计算方法中最重要的一个定义，在ITU-R M.1645建议中用户使用趋势以及业务和应用，将无线通信技术分为如下的三种能力：IMT-2000系统能力；新的移动接入能力和；游牧/本地无线接入能力。最后两种能力是IMT-Advanced提供的新的能力。
　　RATG的划分既考虑了M.1645建议，也同时考虑了WRC1.4议题和228决议（WRC2003）的内容，将RATG划分为如下四种分组：
　　◆RATG1：Pre-IMT系统，IMT-2000和IMT-2000增强型系统（这一分组包括了数字蜂窝移动系统，IMT-2000系统和IMT-2000增强型系统）。
　　◆RATG2：IMT-Advanced系统（如ITU-R M-1645所描述的新的移动接入和新的游牧/本地无线接入能力，但不包括其它任何已经包含在其它RATG中的系统）。
　　◆RATG3：现有的无线LAN和其增强型系统。
　　◆RATG4：数字移动广播系统和其增强型系统（这一分组包含了对移动和手持终端进行广播的系统）。
　　3.6　频谱计算中的无线参数取值
　　表3～表6分别给出了RATG1、RATG2、RATG3和RATG4的输入参数取值。

表3　RATG1无线参数

表4　RATG2无线参数

表5　RATG3无线参数

表6　RATG4无线参数

　　3.7　频谱效率矩阵
　　从频谱需求计算中使用的区域的频谱效率（b/s/cell）可以转换得到单位Hz上的频谱需求。RATG1/RATG2的频谱效率根据预测年份的不同而不同，表7～表12分别给出了2010、2015和2020RATG1、RATG2的频谱效率。

表7　2010年RATG1频谱效率

表8　2015年RATG1频谱效率

表9　2020年RATG1频谱效率

表10　2010年RATG2频谱效率

表11　2015年RATG2频谱效率

表12　2020年RATG2频谱效率

　　3.8　RATG间的业务分配比率
　　业务在RATG间在每种无线和业务环境中的分配比率是和可应用的RATG的数量有关的。随着市场的发展，新的RATG技术的不断增长的应用，RATG间的业务分配比率在不同的年份有所不同。表13～表15分别给出了2010、2015和2020年的RATG间的业务分配比率。

表13　2010年RATG间的业务分配比率

表14　2015年RATG间的业务分配比率

表15　2020年RATG间的业务分配比率

4、全球不同市场的频谱需求时间趋势
　　由于全球市场的不平衡发展，图2给出了全球不同的市场的发展趋势和频谱需求的关系的定性描述。一些国家希望尽可能快的实现IMT-Advanced通信系统，其系统的部署如图2中最上面的蓝色曲线描述，此类市场被称为“先进型市场”。也有的国家其IMT-Advanced通信系统会晚于蓝色曲线描述的市场，这种市场的描述如淡蓝色曲线描述，此类市场是中等发展的市场，称为“平均型市场”；还有一些国家其IMT-Advanced通信系统发展很慢，则其市场为最底下的红紫色曲线描述的市场；此类市场称为“后进型市场”。三类市场的划分是基于不同的市场预测情况，最大的不同是在2010和2015年的市场发展情况，因此2010和2015年间的市场趋势用虚线标出。

图2　不同市场系统部署趋势图

5、结论
　RATG1（Pre-IMT，IMT-2000和IMT-2000增强型系统）和RATG2（IMT-Advanced）在2010，2015和2020年的计算结果如表16所示。

表16　2010、2015和2020年RATG1和RATG2的计算结果

　　上表的需求是一个运营商的情况，不同数量的网络，会有不同的频谱需求，表17（a）和表17（b）是不同数量网络情况下的频谱需求。

表17（a）　后进型市场不同网络频率需求情况

表17（b）　先进型市场不同网络频率需求情况

　　从报告的结果可以看出，到2020年，总和按照两个运营商计算，RATG1和RATG2总的频谱需求范围是1440MHz～1760MHz，最低的频谱需求也要1440MHz。按照我国的业务和市场预测情况，信息产业部电信研究院按照WP8F提出的ITU-R M.[IMT.METH]建议中定义的计算方法计算得出了我国的2020年的频率需求，总的频谱需求为1360MHz。其中RATG1的频谱需求为560MHz，RATG2的频谱需求达到了800MHz。
　　目前在我国已经分配给RAT1的频谱总量在500MHz左右，因此我国在2020年的新增的频谱需求至少应当是860MHz左右，这个需求接近现在分配给蜂窝移动通信频率总量的两倍!从现在就开始对我国5GHz频段以下的频率使用情况进行研究，调查我国哪些5GHz以下的频段可以用于移动通信系统已经非常必要。