IMT 系统频率使用情况评估方法研究

丁家昕，伉沛川

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 引言

我国经济发展步入新常态，信息技术与社会深度融合，无线电频谱资源的战略地位更加凸显，对频谱资源的利用效率提出了更高的要求。公众移动通信是具有较高经济价值的无线电应用，国际电联研究表明2020 年全球移动通信频谱需求总量为1340-1960 MHz[1-2]，我国虽然已对移动通信规划了1089MHz 频率资源，但仍存在需求缺口。所以，开展公众移动通信频段的频谱使用评估研究，能够为我国2G、3G、4G 频率资源调整，以及5G甚至6G 频率规划等工作提供科学依据。

国际电联为了评估频率利用率，从时域和频域维度提出了信道占用度和频段占用度的评价指标，但针对IMT 系统频率使用情况，这样的评估方法过于简单，评估手段相对单一。本文结合我国IMT 系统频率使用现状及无线电管理现状，提出了以频谱利用指标为核心，以台站建设指标、业务效果指标为辅助的二级频率评估体系，综合频率、台站、业务等多方面因素，全面评估IMT 系统频率使用情况。同时，文中给出了评估指标中各数据要素的获取方法及综合评估指数的计算方法。

2 评估指标体系的建立

以下从频谱利用、台站建设、业务效果三个方面建立IMT系统频率评估指标体系。

频谱利用指标可分为频段占用度、信号覆盖率和信道占用度三个二级指标。其中，频段占用度是频域维度的统计，是指一个扫描周期内，该频段内超过门限的采样点除以总采样点的值，频段占用度还可在地理网格内进行统计，网格频段占用度是指地理网格内所有频段占用度的平均值；信号覆盖率为空域维度的统计，是指某一监测区域内，针对同一信道测量得到的占用次数除以总扫描次数，同一信道内，单次扫描的多个采样值只要有一个采样值超过门限，即认为该信道被占用；信道占用度为时域维度的统计，是指在一段时间内，单一固定监测站上针对同一固定信道测量得到的占用次数除以该时间内的总扫描次数，单次扫描的多个采样值只要有一个采样值超过门限，即认为该信道被占用。

台站建设指标在台站使用方面对IMT 基站覆盖与合规性进行评估，分为台站数量、台站覆盖率和台站合规性三个二级指标。台站数量是指评估对象在单位频谱上所建设的台站数量总和，单位为万台站数/MHz；台站覆盖率是指台站理论覆盖面积与台站实际覆盖面积之比，理论覆盖面积通过台站设站参数和基于地理信息的传播模型计算而得，实际覆盖面积通过实际路测得到；台站合规率是指符合规定的台站数量与总台站数量之比。

业务效果指标在系统运营方面对IMT 系统进行评估，分为用户量、话务量、数据量三个二级指标。用户量是指系统单位频谱上承载的每月活跃用户数量，单位为（用户/月/MHz），反映系统用户使用情况，按每月和单位频谱做归一化，使得不同系统之间的用户数量可进行比较；话务量是指系统单位频谱上单个用户每月的通话时长，单位为（分钟/月/用户/MHz），反映系统在通话方面使用情况，按每月、每用户和单位频谱做归一化，使得不同系统之间的话务量可进行比较。其中，4G 系统由于没有电路域语音的设计，因此该指标加权系数放在数据量中体现；数据量，是指系统单位频谱上单个用户每月的数据流量，单位为（Gbit/月/用户/MHz），反映系统在数据流量方面的使用情况，按每月、每用户和单位频谱做归一化，使得不同系统之间的数据量可进行比较。

为综合评价IMT 系统的频谱利用情况，可进一步对频谱利用指标、台站建设指标和业务效果指标进行加权计算，建立频率使用综合评价指数。每项指标的具体权重可如下表所示：

表1 频率使用综合评价指数体系

3 评估数据的获取

在频率使用评估过程中，不同评估指标所需的原始数据可通过无线电监测、比对无线电台站数据库和查阅运营企业年报等方式获得。

对于频谱利用指标，以及台站合规率指标，可采用无线电监测方法获取评估数据。无线电监测通过固定监测站、移动监测站和可搬移监测设备进行数据的采集、存储、交换或实时传输；对于台站建设指标，通过查询无线电台站数据库和无线电频率库获取原始数据，并按照技术体制进行统计，频率台站合规使用情况通过比对实测信号场强分布与台站注册位置，及比对实测与指配的中心频率和带宽进行评价。开展台站场强分布的理论评估时，所采用的传播模型包括但不限于：自由空间模型、奥村-哈塔模型、COST231-哈塔模型、LEE 模型及其他自定义模型；对于系统业务效果指标，一般通过运营企业公开发布的年报或相关报告获取数据。

无线电监测是获取评价数据的主要方式，因此对监测方法做简要介绍。监测系统应在执行监测任务前进行校准，系统的场强测量误差应控制在±3dB 之间。监测天线应具有明确的方向图，天线系数或增益应已知。根据工作需要，接收机应具有峰值检波或准峰值检波功能，应能采用全频段扫描、分频段扫描、离散频点扫描或固定频段测试等模式进行监测。主要记录信号的频率、场强值、测试时间、经纬度等相关信息。

固定监测站可提供每小时测试频段内的信道占用度。移动监测车可提供单次扫频结果的频段占用度、网格频段占用度，以及整个监测区域典型通信载波的信号覆盖率。对于固定监测站，可采用全频段扫描和离散频点扫描监测，每两次扫频测量时间间隔不超过20s；如不能满足要求，应采用部分频段扫描或减少离散频点数目。对于移动监测车，车辆速度一般不大于30km/h，每两次扫频测量时间间隔不超过5s，GPS 或北斗系统至少每5s 触发一次。测量带宽应大于信号必要带宽，各频段的中频带宽或扫描步进为25kHz，对于LTE 系统相应频段不超过500kHz。监测时间要兼顾IMT 业务忙时、非忙时的差异。采用固定监测站监测时，每次测试的时间不少于连续3天。在条件允许情况下，应适当增加测试时段、延长单次测试时间，以提高数据分析的准确性。

4 典型IMT 系统测试方法

下面分别以GSM、WCDMA、TD-LTE 系统为例，描述监测数据采集方法。

4.1 GSM 系统时隙占用率测试方法

（1）在测试点开启卫星定位仪记录测试点经纬度，结合地形记录测试点海拔高度；

（2）设置测试仪器的工作参数（包括要监测的小区的运营商、频点、以及监测时长等）；

（3）按照配置的工作参数，监测仪表扫描网络取得空口同步并测量小区的RSSI；

（4）如该测试点信号质量满足监测要求，监测仪表读取GSM 网络的系统消息，包括系统消息1、系统消息3等；

（5）监测仪表根据读取的GSM 小区信息，监测下行时隙占用情况，并统计时隙利用率；

（6）在同一测试地点，选取不同的监测小区及不同的监测时段，重复步骤（1）-（5）。

4.2 WCDMA 码字占用率测试方法

（1）在测试点开启卫星定位仪记录测试点经纬度，结合地形记录测试点海拔高度；

（2）设置测试仪器的工作参数（包括要监测的小区的运营商、频点、主扰码以及监测时长等）；

（3）按照配置的工作参数，监测仪表扫描网络获取空口同步并测量小区的RSSI、PCCPCH、RSCP；

（4）如该测试点信号质量满足监测要求，监测仪表读取WCDMA 网络的系统消息，包括MIB、SIB1、SIB5等；

（5）监测仪表根据读取的WCDMA 小区信息，监测下行码道占用情况，并统计码道利用率；

（6）在同一测试地点，选取不同的监测小区及不同的监测时段，重复步骤（1）-（5）。

4.3 TD-LTE 资源块占用率测试方法

（1）在测试点开启卫星定位仪记录测试点经纬度，结合地形记录测试点海拔高度；

（2）设置测试仪器的工作参数（包括要监测的小区的运营商、频点、PCI 以及监测时长等）；

（3）按照配置的工作参数，监测仪表扫描网络获取空口同步并测量小区的RSSI、RSRP、RSRQ；

（4）如该测试点信号质量满足监测要求，监测仪表读取LTE网络的系统消息，包括MIB、SIB1、SIB2、SIB3等；

（5）监测仪表根据读取的LTE 小区信息，监测下行子帧的PRB 占用情况，并统计输出PRB 利用率；

（6）在同一测试地点，选取不同的监测小区及不同的监测时段，重复步骤（1）-（5）。

5 综合评价指数计算方法

为了更直观地比较各IMT 系统间的频率使用情况，本文建立了频率使用综合评价指数，通过设置不同二级指标的阈值，将二级指标进行归一化，再利用不同权重得到最终的综合评价指数。具体计算方法如表2所示。

表2 频率使用综合评价指数计算方法

需要说明的是，对于台站建设指标中的台站数量、业务效果指标中的用户量、话务量和数据量等指标的阈值，是对所有评估对象每个月的数据进行“平均值+2×标准差”运算得到的。此阈值在统计学中相当于正态分布的样本95%置信区间，反映的是在当下时间范围内，所有评估对象的指标应该达到的“理想结果”。阈值的设定是根据技术发展、用户需求增长等因素不断变化的。

6 结束语

本文提出了一种IMT 系统频率使用情况综合评估方法，该方法建立了以频谱利用指标为核心，以台站建设指标、业务效果指标为辅助的二级频率评估体系。其中，在频谱利用方面，主要考虑信道占用度、频段占用度、信号覆盖率三个指标；在台站建设方面，主要考虑单位频谱台站数量、台站覆盖、台站违规情况三个指标；在业务效果层面，主要考虑单位频谱用户量、话务量和业务量三个指标。文中给出了各个指标的获取方法及综合评价指数的计算方法。利用本文的方法，可以客观、全面、相对简单的评价各IMT 系统的频率利用情况。