无线电通信频率方法研究

1国际频率需求研究方法

1.1公众移动通信该方法考虑了业务种类、无线通信系统、业务应用场景的综合影响，将不同业务种类的业务量在不同应用场景和不同无线通信系统中分别承载，具体测算可以概括为以下几步：①分别对业务种类(SCs)、业务环境（SEs）、无线电环境（REs）和无线电接入技术组（RATGs）进行定义；②参考步骤①中分类，对收集到的市场数据进行归类分析，市场数据可以由问卷调查的形式采集统计；③根据不同的业务环境以及业务种类进行分组分析，即可以得到每个业务环境下每一个业务种类的流量需求；④进行RATG间的业务量分配工作，由于每一个业务环境都被一个或多个RATG支持，由步骤②和步骤③得到的某业务环境、时间间隔、业务种类下的流量需求可以分配到不同的RATG和无线电环境中，其中需要注意电路交换和分组交换流量分别计算；⑤确定每个RATG的系统容量，对电路交换和分组交换的数据分别分析；⑥计算得出各RATG的频谱需求；⑦加入可能实现的最小频谱、必要的保护频带以及多个运营商的影响因素的考虑，对步骤⑥得到的结果进行调整；⑧将各RATG的频谱需求进行累加，最终得到总的频谱需求。该方法在业务方面包括不同种类的业务模型，需要分别按照6种场景提供输入数据。在网络技术方面，将各无线通信网络分为4组，其中2G和3G系统划分为第一组、4G系统划分为第二组；网络支持的最大传输速率和平均频谱效率通过不同的无线通信网络组体现。在业务承载方面，分为分组域承载和电路域承载，分别计算所需频谱资源量。计算得到不同的无线通信网络组在不同场景下的频谱需求后，选取其中频谱需求量最大者作为该无线通信网络组的频谱需求量。总的频谱需求量为各无线通信网络组的总和。1.2民航ITU-R于2007年了M.2120报告《新航空航天移动业务频谱需求的初步估算》，对航空移动业务的频率需求进行了估算，考虑将960MHz～1164MHz和5000MHz～5150MHz中部分频率分配给航空移动业务。航空移动业务有两种不同应用：一种是目前的VHF频段业务，要求非视距远距离、中等带宽的应用，考虑分配频段为960MHz～1164MHz；另一种是机场地面应用，包括数据传输等要求高数据速率、中等距离的应用应用的频率可以实现空间复用，考虑分配频段为5000MHz～5150MHz。对于5000MHz～5150MHz机场地面通信的频率需求，ITU在《5GHz频段机场地面应用的频谱需求》（ITU-RM.2232）[2]报告中进行了分析。通信的业务种类主要有两类，一类是塔台与飞机之间的通信，另一类是机场地面通信。第一类业务主要包括视频流、VoIP语音、RFID数据、4D天气数据、飞机除冰数据、机场位置提示信息、航空控制信息数据（AOC）、电子飞行包裹数据（EFB）、机场地图数据库（AMDB）、综合飞行器健康管理数据等；第二类业务主要包括监测数据（雷达信息）、传感器数据（视频监控等）、天气数据（气象雷达等）、空中流量控制塔台数据等。

2频率需求分析通用方法研究

总结ITU有关频率需求测算的报告可以发现，计算频率需求主要包括业务分析和技术分析两部分。本研究基于这一思路，建立一套通用的频率需求测算方法。2.1无线电频谱需求测算的总体思路业务分析不但要对无线电应用的业务类型、业务特征、业务现状进行分析，还要对业务发展作出预测。其中业务类型主要针对通信业务的内容，例如语音通话、短消息、多媒体视频传输、天气信息、导航信息，定位信息、控制指令等。业务特征则包括业务的应用场景、传输速率、用户密度、使用频段等内容。业务未来发展预测则主要针对各业务未来的发展趋势、业务量及数据流量的发展情况作出预测（见图1）。技术分析主要内容包括通信技术、通信模式、网络结构等内容的分析。目前我国公众移动通信行业已经完全采用了数字通信技术，正在从2G/3G向着4G方向演进，但是公安、广播等行业还存在着大量的模拟设备。不同通信技术的频谱效率是不同的，正确预测频率需求，需要了解行业中当前的通信技术水平，了解不同技术使用现状。同时，还要根据不同的通信模式、网络结构对通信技术进行综合分析。频率需求分析包括的业务分析和技术分析两部分并不是相互独立的。由于不同的通信技术承载着不同无线电应用的业务，不同业务的发展又决定了技术的需求和演进。因此要基于业务和技术两者分析的基础上对频率需求进行整体的判断，才能确保频率分配的准确性。2.2无线电频谱需求测算流程做好无线电频率需求的预测，离不开无线电应用的业务分析和对承载业务的无线电技术的分析。本文总结归纳出一个具有普适性的测算方法，具体流程见图2。其中包括6个主要步骤：①分析行业中无线电业务的使用特征；②研究各种业务发展现状（及发展趋势）；③根据无线电技术发展因素，考虑技术组数量及各技术组的相关参数；④确定（或假设）应用的业务量在各技术组中的配比；⑤建立业务模型，计算各种场景的业务量；⑥建立业务与频率转化模型，计算频率需求。本文基于上述流程，对业务需求和技术分析进行建模，并根据国内外已有频率需求测算方法，对本课题提出的测算方法进行验证。2.3无线电频谱需求测算模型建立根据上述频率需求测算流程，我们需要建立两个模型，即业务模型和频率转化模型。业务模型主要是对无线电应用中各种业务的特点进行分析，最终得到无线电业务的业务量信息；频率转化模型则基于承载技术将得到的业务量大小转化为最终的频率需求。2.3.1业务模型业务模型是建立在信息传递的基础上的，正确地计算行业频率需求，需要分析及预测行业的业务量情况。业务量的研究离不开各种业务场景、通信质量等因素，因此，需要确定业务模型输入参数。如果将模型理想化，假设行业当前无线电应用中共有M种通信业务，其中，第i种业务的数据率为Vi、忙时单位区域使用业务i的进程数为Yi，根据数据率和进程数计算得到忙时业务量Tbusy，具体公式见公式（1）。（1）在实际计算过程中应考虑业务量与各种业务特征的关系，例如，用户密度、覆盖面积、平均进程持续时间、业务质量因子、网络容量、移动速率等诸多因素。因此，针对不同行业，需要建立业务特征与通信忙时业务量的关系，如公式（2）所示。（2）由于各行业无线电应用的业务特征不尽相同，输入参数也存在差别，因此，在使用该模型时，应根据实际场景进行细化。2.3.2频率转化模型正如前文中提到的，在行业中的无线电应用包括多种通信业务。这些业务与无线电技术的关系可能是一一对应，也可能是一种业务对应多个技术组，还有可能是多种通信业务在一个技术组中承载。因此，在建立频率转化模型时，我们以无线电技术组为主。假设技术组数量为Q，将其中的技术组排序，序号分别为1，2，…，t，…，Q。忙时业务量Tbusy在不同技术组中的配比为Pt。因此，可以将通信忙时业务量Tbusy根据不同的占比Pt，分配到不同技术组中。各技术组影响频率需求的因素不但包括技术组配比，还包括不同无线电承载技术的频谱效率Et、频率复用因子λt、频率冗余系数ηt以及其他参数x对频率的影响f(x)。因此，第t技术组频率需求SRt（未考虑信道带宽）可根据公式（3）得出。（3）由于不同的无线电技术使用的信道带宽不同，因此引入参数Bt，表示第i组的信道带宽。根据第t技术组频率需求SRt和信道带宽Bt可以得到该技术组频率需求Wt，如公式（4）所示（中括号表示取整运算）。（4）综合考虑Q个技术组的频率需求，最终可以统计得到总频谱需求W，如公式（5）所示。

3重点行业频率需求测算模型的实例验证

为了便于验证频率需求研究方法的正确性，本文在公众移动通信、航空移动通信两个行业对频率需求模型进行了验证。3.1公众移动通信频谱需求验证ITU-RM.1768中对公众移动通信频率需求的计算，主要分为参数输入、模型计算和结论输出3个部分。参数输入主要包括输入的业务共分成20×6=120种类型、每种类型下的用户密度（用户/km2）、每用户进程到达速率（进程/<s用户>）、平均服务比特率（bit/s）、平均进程持续时间（s/进程）、移动性比率。模型计算时主要分为业务量计算和网络容量计算。业务量计算是针对每种类型计算上行/下行用户密度、区域业务到达速率、进程数量等业务量关键指标。网络容量计算考虑基于不同技术组和交换域的情况，主要分CS域的RATG1和RATG2以及PS域的RATG1和RATG2的容量情况。输出结论：频率需求计算是综合不同场景下不同域的网络容量要求，结合RATG频率效率情况分别计算不同技术组的频率需求数量。频率需求总量计算是根据满足业务需求的网络频率带宽，考虑多个运营商部署多张网络的情况，对频率需求总量进行调整计算，分年度分RATG输出。根据我国移动通信技术演进及网络特点，将技术组分为两组：第1组为IMT-2000及其增强型系统，第2组为超IMT-2000系统（4G）。关于本方法和ITU-RM.1768报告中的其他输入参数，需要根据我国移动通信行业的现状及未来发展预测给出，本课题不再进行逐一叙述。本课题提出的频率需求方法可以很好地应用在公众移动通信的频率需求分析中。通过对频率需求方法的细化，明确相关模型参数，可以转化为ITU-RM.1768报告中提出的对移动通信行业频率需求测算方法。经过测算我国2015年IMT系统频率总需求为570MHz～690MHz，2020年频率总需求为1490MHz～1810MHz。3.2航空移动通信频率需求验证进行机场地面频率需求预测时，本方法可以直接转化为ITU-RM.2232报告中提到的以下步骤：①列举机场网络通信业务数据量及飞机数量（包括2020年以前和2020年以后两个阶段）；②决定机场满足通信所需的业务量（传输速率）；③更新基于网络分配的假设，确保降低频率需求；④更新网络通道结构（10MHz和20MHz带宽）和通道负载的假设；⑤基于上述假设，评估频率需求。在预测过程中，作出以下假设：采用WiMAX技术(IEEE802.16e)；机场区域部署了相应的无线网络；信道带宽分为10MHz和20MHz两种情况；分别采用扇区天线和全向天线；5×5km2的机场面积。预测过程中，涉及的飞机数量（单位：架）如表2所示。针对5000MHz～5150MHz机场地面通信的频率情况，课题对其频率需求进行了分析及预测。假设采用WiMAX技术进行通信，技术组为1个，网络配比为100%；信道带宽可设为10MHz和20MHz两种情况；频谱效率假设为1.06bit/s/Hz；20MHz带宽使用全向天线、10MHz带宽使用3扇区定向天线。基于对本课题提出的频率需求方法的细化，考虑到5GHz频段机场地面通信的具体内容、业务量、频谱效率和WiMAX技术的相关参数，可以实现ITU-RM.2232报告中提出的对5GHz频段机场地面通信的频谱需求预测。预计在2020年最大数据率为91.4Mbit/s，频率需求为90MHz～100MHz，到2035年，最大数据率为130.3Mbit/s，频率需求为130MHz，与M.2232报告的结论一致。

4结束语

本文根据国际上多种业务无线电通信频率需求研究成果，总结提炼了一套通用的无线电通信频率需求测算方法，并进行了验证。本方法准确可靠，并具有很强的实用性。结合各行业通信业务情况、技术水平，细化相关参数，可以测算不同无线电通信的频率需求，为我国频谱测算等无线电管理工作服务。

作者：李策 刘琪 陈宇 王永斌 单位：工业和信息化部电信规划研究院