IMT 系統頻率使用情況評估方法研究

丁家昕，伉沛川

（國家無線電監測中心，北京 100037）

1 引言

我國經濟發展步入新常態，信息技術與社會深度融合，無線電頻譜資源的戰略地位更加凸顯，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濟價值的無線電應用，國際電聯研究表明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 頻率規劃等工作提供科學依據。

國際電聯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 系統頻率使用現狀及無線電管理現狀，提出了以頻譜利用指標為核心，以臺站建設指標、業務效果指標為輔助的二級頻率評估體系，綜合頻率、臺站、業務等多方面因素，全面評估IMT 系統頻率使用情況。同時，文中給出了評估指標中各數據要素的獲取方法及綜合評估指數的計算方法。

2 評估指標體系的建立

以下從頻譜利用、臺站建設、業務效果三個方面建立IMT系統頻率評估指標體系。

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計，是指一個掃描周期內，該頻段內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格內進行統計，網格頻段占用度是指地理網格內所有頻段占用度的平均值；信號覆蓋率為空域維度的統計，是指某一監測區域內，針對同一信道測量得到的占用次數除以總掃描次數，同一信道內，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計，是指在一段時間內，單一固定監測站上針對同一固定信道測量得到的占用次數除以該時間內的總掃描次數，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 基站覆蓋與合規性進行評估，分為臺站數量、臺站覆蓋率和臺站合規性三個二級指標。臺站數量是指評估對象在單位頻譜上所建設的臺站數量總和，單位為萬臺站數/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；臺站合規率是指符合規定的臺站數量與總臺站數量之比。

業務效果指標在系統運營方面對IMT 系統進行評估，分為用戶量、話務量、數據量三個二級指標。用戶量是指系統單位頻譜上承載的每月活躍用戶數量，單位為（用戶/月/MHz），反映系統用戶使用情況，按每月和單位頻譜做歸一化，使得不同系統之間的用戶數量可進行比較；話務量是指系統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，使得不同系統之間的話務量可進行比較。其中，4G 系統由于沒有電路域語音的設計，因此該指標加權系數放在數據量中體現；數據量，是指系統單位頻譜上單個用戶每月的數據流量，單位為（Gbit/月/用戶/MHz），反映系統在數據流量方面的使用情況，按每月、每用戶和單位頻譜做歸一化，使得不同系統之間的數據量可進行比較。

為綜合評價IMT 系統的頻譜利用情況，可進一步對頻譜利用指標、臺站建設指標和業務效果指標進行加權計算，建立頻率使用綜合評價指數。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體系

3 評估數據的獲取

在頻率使用評估過程中，不同評估指標所需的原始數據可通過無線電監測、比對無線電臺站數據庫和查閱運營企業年報等方式獲得。

對于頻譜利用指標，以及臺站合規率指標，可采用無線電監測方法獲取評估數據。無線電監測通過固定監測站、移動監測站和可搬移監測設備進行數據的采集、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據庫和無線電頻率庫獲取原始數據，并按照技術體制進行統計，頻率臺站合規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；對于系統業務效果指標，一般通過運營企業公開發布的年報或相關報告獲取數據。

無線電監測是獲取評價數據的主要方式，因此對監測方法做簡要介紹。監測系統應在執行監測任務前進行校準，系統的場強測量誤差應控制在±3dB 之間。監測天線應具有明確的方向圖，天線系數或增益應已知。根據工作需要，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測。主要記錄信號的頻率、場強值、測試時間、經緯度等相關信息。

固定監測站可提供每小時測試頻段內的信道占用度。移動監測車可提供單次掃頻結果的頻段占用度、網格頻段占用度，以及整個監測區域典型通信載波的信號覆蓋率。對于固定監測站，可采用全頻段掃描和離散頻點掃描監測，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目。對于移動監測車，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 或北斗系統至少每5s 觸發一次。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 系統相應頻段不超過500kHz。監測時間要兼顧IMT 業務忙時、非忙時的差異。采用固定監測站監測時，每次測試的時間不少于連續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，以提高數據分析的準確性。

4 典型IMT 系統測試方法

下面分別以GSM、WCDMA、TD-LTE 系統為例，描述監測數據采集方法。

4.1 GSM 系統時隙占用率測試方法

（1）在測試點開啟衛星定位儀記錄測試點經緯度，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（包括要監測的小區的運營商、頻點、以及監測時長等）；

（3）按照配置的工作參數，監測儀表掃描網絡取得空口同步并測量小區的RSSI；

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

（5）監測儀表根據讀取的GSM 小區信息，監測下行時隙占用情況，并統計時隙利用率；

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

4.2 WCDMA 碼字占用率測試方法

（1）在測試點開啟衛星定位儀記錄測試點經緯度，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（包括要監測的小區的運營商、頻點、主擾碼以及監測時長等）；

（3）按照配置的工作參數，監測儀表掃描網絡獲取空口同步并測量小區的RSSI、PCCPCH、RSCP；

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

（5）監測儀表根據讀取的WCDMA 小區信息，監測下行碼道占用情況，并統計碼道利用率；

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

4.3 TD-LTE 資源塊占用率測試方法

（1）在測試點開啟衛星定位儀記錄測試點經緯度，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（包括要監測的小區的運營商、頻點、PCI 以及監測時長等）；

（3）按照配置的工作參數，監測儀表掃描網絡獲取空口同步并測量小區的RSSI、RSRP、RSRQ；

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

（5）監測儀表根據讀取的LTE 小區信息，監測下行子幀的PRB 占用情況，并統計輸出PRB 利用率；

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

5 綜合評價指數計算方法

為了更直觀地比較各IMT 系統間的頻率使用情況，本文建立了頻率使用綜合評價指數，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。具體計算方法如表2所示。

表2 頻率使用綜合評價指數計算方法

需要說明的是，對于臺站建設指標中的臺站數量、業務效果指標中的用戶量、話務量和數據量等指標的閾值，是對所有評估對象每個月的數據進行“平均值+2×標準差”運算得到的。此閾值在統計學中相當于正態分布的樣本95%置信區間，反映的是在當下時間范圍內，所有評估對象的指標應該達到的“理想結果”。閾值的設定是根據技術發展、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量、臺站覆蓋、臺站違規情況三個指標；在業務效果層面，主要考慮單位頻譜用戶量、話務量和業務量三個指標。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 系統的頻率利用情況。