淺析中國聯(lián)通900MHz頻率重耕方案

1 引言

中國聯(lián)通經(jīng)過多年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目前已經(jīng)擁有GSM、WCDMA、LTE這3張網(wǎng)絡(luò)，5G的腳步越來越近，再建設(shè)一張5G網(wǎng)絡(luò)的話，中國聯(lián)通將同時擁有4張網(wǎng)絡(luò)。多張網(wǎng)絡(luò)的同時運營使網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和運營成本不斷攀升。隨著用戶對數(shù)據(jù)流量需求的增加，越來越多的用戶選擇高速的LTE網(wǎng)絡(luò)，GSM網(wǎng)絡(luò)承載的語音和流量急劇減少，未來GSM將會退出歷史舞臺，900 MHz頻段的重耕利用將是大勢所趨。900 MHz頻段由于頻率低、覆蓋能力強，被稱為黃金頻段，對于無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有非常重要的意義。

2 中國聯(lián)通頻譜現(xiàn)狀

頻率資源是無線通信最寶貴的資源，國家給中國移動分配了233 MHz的頻譜資源，給中國聯(lián)通分配了162 MHz的頻譜資源，給中國電信分配了130 MHz的頻譜資源，雖然中國聯(lián)通分配的頻譜資源介于中國移動和中國電信之間，但是在1 GHz以下的低頻段頻譜最少[1]。表1為國內(nèi)三家運營商頻段分布：

表1 國內(nèi)三家運營商頻段分布

隨著近幾年LTE網(wǎng)絡(luò)和市場的發(fā)展、經(jīng)營，中國聯(lián)通已經(jīng)形成了WCDMA語音承載網(wǎng)和LTE數(shù)據(jù)流量承載網(wǎng)的形態(tài)，以表2某地市的語音流量占比來看，使用了32 MHz頻譜資源的GSM網(wǎng)絡(luò)只承載語音8.64%，流量0.08%，極大地浪費了寶貴的頻譜資源。因此，如果能把GSM的頻譜資源進行重耕利用，特別是GSM中極為寶貴的低頻段900 MHz頻率資源，這對于提升中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)競爭力將有很大的幫助。

表2 某地市2G、3G、4G的語音流量占比

3 國內(nèi)外低頻段頻譜重耕情況

2017年1月1日美國運營商AT&T表示正式關(guān)閉其2G網(wǎng)絡(luò)，并將對2G網(wǎng)絡(luò)使用700 MHz低頻段的頻譜進行重耕，用于LTE網(wǎng)絡(luò)，部署VoLTE和eMTC業(yè)務(wù)，同時作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的底層網(wǎng)，來提升用戶感知，增強了市場競爭力。

2017年4月新加坡運營商Singtel宣布關(guān)閉GSM網(wǎng)絡(luò)，并把GSM網(wǎng)絡(luò)使用的900 MHz和1800 MHz頻段重耕到LTE網(wǎng)絡(luò)，提升LTE的覆蓋能力。

中國電信啟動了800 MHz頻段頻率的重耕，采用三明治方式，根據(jù)頻率騰退的情況部署以3 MHz或者5 MHz帶寬為主的LTE載波[2]，并且依托低頻LTE網(wǎng)絡(luò)部署開通VoLTE，同時在有業(yè)務(wù)需求的地區(qū)利用800 MHz低頻段采用獨立工作模式部署NB-IoT。

中國移動由于TD-LTE的頻段太高，使得在城市中深度覆蓋效果不佳，也影響了VoLTE用戶的感知，同時由于900 MHz低頻段資源比較豐富，因此中國移動積極推進GSM網(wǎng)絡(luò)低頻段的減頻和重耕LTE，并按業(yè)務(wù)的需求進行部署獨立方式的NB-IoT和按需開通eMTC。為了更好地避免GSM和LTE的互調(diào)干擾影響到LTE的上行網(wǎng)絡(luò)，中國移動LTE FDD頻率重耕主要采用三明治方式，將LTE FDD的中心頻點放置在943.6 MHz，根據(jù)GSM900的減容情況，LTE900帶寬可以從5 MHz到10 MHz進行頻譜擴展[3]。

從國外到國內(nèi)的運營商頻率重耕的經(jīng)驗來看，低頻段的頻譜重耕都是選擇重耕到LTE網(wǎng)絡(luò)，作為4G網(wǎng)絡(luò)的底層網(wǎng)，并且用于承載物聯(lián)網(wǎng)的需求。

4 900 MHz頻率重耕的分析

4.1重耕4G的選擇

隨著3GPP第一個5G版本R15的凍結(jié)，5G系統(tǒng)已經(jīng)越來越近，2017年11月份工信部已經(jīng)發(fā)文指出3 300 MHz—3 400 MHz和4 800 MHz—4 990 MHz作為5G的中低頻段。5G的業(yè)務(wù)和應(yīng)用主要分增強移動寬帶（eMBB）、海量機器通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）三大類。

eMBB是5G最基本的需求，目前的R15都是基于eMBB開展研究的，可以實現(xiàn)峰值速率10 Gb/s的要求，同時也需要有非常大的頻譜帶寬，基本上頻段選擇在3.5 GHz或6 GHz以上頻段。mMTC針對的是物聯(lián)網(wǎng)，雖然5G對mMTC的工作還沒開展，但是在4G已有成熟的eMTC和NB-IoT可供使用[4]，未來將不著急部署。uRLLC用于自動駕駛、遠程控制等對網(wǎng)絡(luò)時延及可靠性要求很高的應(yīng)用，要求端到端的時延1 ms，只有5G新空口（NR）才能滿足，考慮到投資效益，將與eMBB同設(shè)備部署。

在以高通為主的終端產(chǎn)業(yè)鏈方面，預(yù)計2019年推出符合5G新空口的標準商用終端，采用3.5 GHz頻段。目前中國聯(lián)通的900 MHz頻段只有6 MHz，不適合重耕到5G，未來國家如果能釋放出470 MHz—700 MHz頻段用于5G，將能對5G的投資效益起到很好的作用。

4.2覆蓋性能分析

在分析無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能時，經(jīng)常利用傳播模型來計算空間的傳播損耗。在不同的頻率范圍會使用不同的傳播模型，對于900 MHz頻段來說，比較常用的是Hata-Okumura模型，其傳播損耗公式如下：

Lb=69.55+26.2lgf-13.82lgHb-α(Hm)+(44.9-6.55lgHb)lgd (1)

式（1）中Lb表示基本傳播損耗值，f表示工作頻率，Hb表示基站天線的有效高度，Hm表示手機終端天線的有效高度，α(Hm)表示終端天線高度修正因子，d表示基站與手機終端的距離。

1800 MHz頻段適用于COST231 Hata模型，基本公式如下：

Lb=46.3+33.9lgf-13.82lghb-α(Hm)+(44.9-6.55lgHb)lgd+Cm (2)

式（2）中Cm表示城市修正因子，中等城市及郊區(qū)取值為0 dB，大城市取值為3 dB。

根據(jù)這兩個傳播模型公式，在相同的傳播環(huán)境下，基站高度和手機終端天線高度的取值相同的情況下，在同一位置從理論上可以計算900 MHz相對于1800 MHz的頻段增益為Lb(900)-Lb(1800)=33.9lg1800-26.26lg900+Cm-23.25，可以得到在大城市頻段的相對增益為12.5 dB，在中等城市和郊區(qū)頻段的相對增益為9.5 dB[5]。

在實際測試中，900 MHz的增益并沒有達到理論的增益，基本上比1 800 MHz有7~10個dB的增益，如表3所示。900 MHz室外會比1 800 MHz強7.3 dB，900 MHz室內(nèi)會比1 800 MHz強10.73 dB，在穿透損耗方面900 MHz也比1800 MHz強3.43 dB。

表3 L900相比L1800的增益

對于市區(qū)來說，考慮到900 MHz比1 800 MHz有10個dB的增益，通過以上的傳播模式計算，覆蓋距離是1 800 MHz的2倍，覆蓋面積是1 800 MHz的4倍，為了達到更好的覆蓋能力建議900 MHz與1 800 MHz以1:3的形式組網(wǎng)。對于郊區(qū)農(nóng)村來說，考慮到900 MHz比1 800 MHz有7個dB的增益，通過以上的傳播模式計算，覆蓋距離是1 800 MHz的1.6倍，覆蓋面積是1800 MHz的2.5倍，為了達到更好的覆蓋能力建議900 MHz與1 800 MHz以1:2的形式組網(wǎng)。

4.3容量分析

目前中國聯(lián)通900 MHz頻段只有6 MHz，重耕為LTE最高只能用5 MHz，共有25個PRB，可支持小區(qū)下行吞吐率只有30 Mb/s。和1 800MHz頻段的主要數(shù)據(jù)承載網(wǎng)來比較，差距較遠，因此900 MHz頻段將不作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的主力承載，更多地作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)底層網(wǎng)。同時如果900 MHz作為VoLTE承載網(wǎng)絡(luò)，最高可以支持128個用戶，容量還是比較大的。

表4 LTE不同帶寬的容量

4.4終端分析

根據(jù)GSA報告，截止至2017年7月，全球已商用26張L900網(wǎng)絡(luò)，23張L800網(wǎng)絡(luò)，41張L2100網(wǎng)絡(luò)，305張L1800網(wǎng)絡(luò)。1 800 MHz由于頻段相對較低、頻率資源豐富，已經(jīng)作為全球LTE的主要承載頻段，作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的主力承載和容量吸熱網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)GSMA2017年11月的分析報告，支持L900（Band8）的手機終端達到8361款，占比41.42%?，F(xiàn)網(wǎng)4G終端中，硬件支持L900的終端比例約45.1%，軟件支持L900比例約23.4%，通過市場手段推動用戶升級解鎖可以提高L900終端的占比。

圖1 GSMA 2017年11月的LTE手機款數(shù)

由于智能手機產(chǎn)品技術(shù)和性能越來越成熟和穩(wěn)定，且時尚耐用，導(dǎo)致用戶換機周期不斷延長。來自第一手機界研究院線下渠道數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計，2017年第一季度用戶換機周期已達到21.2個月。2015年可能因為4G高發(fā)期造成終端更換頻繁，按照用戶換機周期大約兩年將會是終端更替高峰期，中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)套餐的推廣，也將促進用戶對于網(wǎng)絡(luò)、終端的選擇和更換，L900終端的滲透率將在2018年快速提升。

圖2 第一手機界研究院2017年第一季度用戶換機周期

4.5900 MHz重耕對中國聯(lián)通的戰(zhàn)略意義

目前中國聯(lián)通LTE網(wǎng)絡(luò)使用的主要頻段以1 800 MHz為主，隨著多年來LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和優(yōu)化，已經(jīng)形成覆蓋和質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，但在城區(qū)由于建筑物的影響存在深度覆蓋的問題，而且一些邊遠農(nóng)村還未建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)。利用900 MHz低頻段的覆蓋能力可以進一步提高城區(qū)的深度覆蓋，而且可以通過較低成本提高農(nóng)村的廣度覆蓋。

由于中國聯(lián)通對WCDMA網(wǎng)絡(luò)多年的耕耘，WCDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)作為語音的主力承載網(wǎng)，在LTE網(wǎng)絡(luò)的終端進行語音呼叫基本上都能CSFB到3G網(wǎng)絡(luò)[6]，這使得目前中國聯(lián)通絕大部分城市還未部署VoLTE。隨著5G的到來，5G時代的語音解決方案仍以VoIP為主，包括VoNR和回落到VoLTE，但是在沒有VoLTE的情況下，5G用戶只能從5G回落到4G再CSFB到3G，或者利用類似微信語音的VoOTT的方式，長遠來看VoLTE將是繞不開的選擇。VoLTE到時候?qū)渴鹪诂F(xiàn)有的1 800 MHz頻段，同時利用900 MHz重耕的機會部署VoLTE能進一步提升VoLTE的覆蓋能力。

NB-IoT通過提高功率譜密度、發(fā)送重復(fù)和上行Inter-site COMP等方式實現(xiàn)覆蓋能力提升20 dB。不管是在哪個頻段，只要網(wǎng)絡(luò)有良好的覆蓋，那么基于該頻段來部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)廣覆蓋和深度覆蓋的目標，如果NB-IoT部署在低頻段將能取得更好的廣度覆蓋、深度覆蓋效果[7]。

5 中國聯(lián)通900 MHz頻譜提升及重耕方案

5.1LTE帶寬壓縮

LTE標準定義的載波帶寬比實際可用的資源塊占用帶寬要大，和其他網(wǎng)絡(luò)一樣，LTE系統(tǒng)考慮了一定的保護帶寬。根據(jù)3GPP標準的規(guī)定，LTE系統(tǒng)20 MHz帶寬可用的RB數(shù)為100個，有效帶寬為18 MHz，左右各有1 MHz的保護帶寬，共計2 MHz。同樣10 MHz帶寬的LTE可用RB為50個，它的有效帶寬為9 Hz，左右各有500 kHz的保護帶寬。5 MHz帶寬的LTE可用RB為25個，它的有效帶寬為4.5 Hz，左右各有250 kHz的保護帶寬。LTE采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的調(diào)制方式，每一個子載波之間緊密相鄰且相互正交，通過正交復(fù)用方式避免干擾，實現(xiàn)對每個子載波的正確解調(diào)，再通過提高濾波器性能來減少GSM和LTE之間的保護間隔，可以實現(xiàn)將GSM載波放在LTE的保護帶寬內(nèi)[8]。

5.2共譜調(diào)度

在GSM和LTE共頻段組網(wǎng)的時候，通過GL協(xié)同共譜調(diào)度技術(shù)，GSM和LTE可動態(tài)地共享部分重合的頻譜資源。其中，GSM網(wǎng)絡(luò)以200 kHz粒度進行頻率共享，LTE則以RBG（180 kHz）為粒度進行動態(tài)擴展或縮減，考慮到GSM和LTE的共譜顆粒度不一致，LTE將要以2個180 kHz的頻段提供給GSM進行頻率共享。GL協(xié)同共譜調(diào)度技術(shù)在實現(xiàn)時將GSM需要共享的頻點配置在LTE配置的有效帶寬內(nèi)，跟LTE的資源塊重疊，通過后臺跨GSM和LTE的調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)實際的使用需要，同時只允許一種網(wǎng)絡(luò)制式使用。這種協(xié)同共譜調(diào)度技術(shù)在頻率資源的調(diào)度上粒度更小，可以根據(jù)話務(wù)情況進行調(diào)整，調(diào)度更加靈活[9]。

在GL協(xié)同共譜調(diào)度中，需要根據(jù)GSM和LTE的話務(wù)情況和變化趨勢進行分析，同時協(xié)調(diào)GSM和LTE之間的頻譜使用，因此需要在系統(tǒng)架構(gòu)上增加采用跨制式的協(xié)同調(diào)度模塊來實現(xiàn)。新增的協(xié)同調(diào)度模塊，打通了與GSM的BSC和LTE的eNodeB之間的接口，可以實現(xiàn)消息傳送以及物理部署方式等關(guān)鍵技術(shù)。

5.32T4R

分集接收技術(shù)是克服多徑衰落的最有效的方法之一，它利用無線傳播環(huán)境中同一信號的獨立樣本之間不相關(guān)的特點，通過接收合并技術(shù)使得無線接收信號進行合并，來提高接收性能，抵抗衰落引起的影響。

2T2R和2T4R在下行基本無區(qū)別，但在上行2T4R采用分集接收，理論上有3 dB的增益。在覆蓋范圍不變的前提下，可以降低誤碼率和終端發(fā)射功率，提高上行速率，這對于邊緣地區(qū)的用戶很有幫助。在覆蓋質(zhì)量不變的前提下，可以擴大覆蓋范圍，降低建設(shè)成本[10]。

現(xiàn)場實測表明，在相同上行速率的情況下，4R相比2R覆蓋距離能提升21.27%，深度覆蓋效果比較明顯。在相同覆蓋下的定點測試，中點提升18.8%，遠點提升效果更為明顯達到60%。

5.4中國聯(lián)通900 MHz頻譜重耕及提升方案

目前中國聯(lián)通還缺少一張面向未來演進的低頻段底層網(wǎng)，可以通過900 MHz頻段重耕，再輔以LTE帶寬壓縮、共譜調(diào)度和2T4R技術(shù)來提高900 MHz頻段的頻譜效率，來改善數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)深度覆蓋和擴大廣度覆蓋，以及用于承載語音和物聯(lián)網(wǎng)。

在5G還未商用前，推進GSM清頻退網(wǎng)，按需部署N900，語音仍然建議由WCDMA網(wǎng)絡(luò)承載，在適當?shù)臅r候考慮引入VoLTE，并在5G推出前完善VoLTE。在已部署U900的區(qū)域，建議優(yōu)先增加N900，不急于把U900升級為L900。未部署U900的區(qū)域主要把900 MHz重耕為LTE，按GSM的清頻情況，結(jié)合LTE帶寬壓縮、共譜調(diào)度和2T4R技術(shù)，把GSM900重耕為GLN900。在6 MHz的頻段LTE占用5 MHz，剩下的1 MHz可以部署NB-IoT，占用1個頻點和2個GSM頻點，再利用LTE帶寬壓縮技術(shù)用保護帶寬部署2個GSM頻點，如果GSM頻點還不夠用的話，再利用共譜調(diào)度技術(shù)增加2個GSM頻點。這樣就達到6 MHz帶寬部署5 MHz的LTE，1個頻點NB-IoT，6個頻點的GSM，具體如圖3所示。

圖3 900 MHz頻率重耕方案

隨著5G的部署及商用，GSM已經(jīng)全部清頻，語音承載在VoLTE也比較穩(wěn)定和成熟，WCDMA網(wǎng)絡(luò)逐步考慮退網(wǎng)，900 MHz頻段只用于NL900。

6 結(jié)束語

頻譜對運營商而言是非常珍貴的資源，如何最大化利用有限的頻譜資源是運營商不斷追求的目標。本文對900 MHz頻段重耕的研究主要針對現(xiàn)網(wǎng)中國聯(lián)通已有的6 MHz帶寬，目前有消息表明中國聯(lián)通900 MHz的帶寬將擴展到11 MHz，這對后續(xù)L900從5 MHz擴展到10 MHz將非常有意義。在網(wǎng)絡(luò)演進的過程中，各個城市由于網(wǎng)絡(luò)部署情況及用戶規(guī)模不同，在900 MHz的頻率重耕應(yīng)該因地制宜地調(diào)整。