【摘 要】

通過對中國聯(lián)通頻譜現(xiàn)狀、全球低頻段頻譜重耕情況的分析，詳細論述了中國聯(lián)通900 MHz頻譜的重耕策略，包括重耕方向、覆蓋、容量、終端和戰(zhàn)略價值，提出利用LTE帶寬壓縮、共譜調(diào)度和2T4R技術進行LTE 900 MHz重耕的方案。

【關鍵詞】900 MHz頻段；頻譜重耕；帶寬壓縮；共譜調(diào)度；2T4R

On Re-Farming Strategy of 900MHz Frequency Band for China Unicom

DONG Dilang

[Abstract] The spectrum status and the worldwide re-farming of low frequency band are analyzed. The re-farming strategies of 900 MHz for China Unicom including the direction， coverage， capacity， terminal and strategic value are elaborated. A re-farming scheme which uses LTE to compress bandwidth and co-spectrum scheduling and 2T4R techniques to re-farm LTE 900 MHz is put forward.

[Key words]900 MHz frequency band； frequency re-farming； bandwidth compression； spectrum share scheduling； 2T4R

1 引言

中國聯(lián)通經(jīng)過多年的網(wǎng)絡建設目前已經(jīng)擁有GSM、WCDMA、LTE這3張網(wǎng)絡，5G的腳步越來越近，再建設一張5G網(wǎng)絡的話，中國聯(lián)通將同時擁有4張網(wǎng)絡。多張網(wǎng)絡的同時運營使網(wǎng)絡的復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，GSM網(wǎng)絡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，該頻段對于無線網(wǎng)絡建設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。

隨著近幾年LTE網(wǎng)絡和市場的發(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)絡競爭力將有很大的幫助。

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;表示正式關閉其2G網(wǎng)絡，并將對2G網(wǎng)絡使用的700 MHz低頻段的頻譜進行重耕，用于LTE網(wǎng)絡，部署VoLTE和eMTC業(yè)務，同時作為數(shù)據(jù)業(yè)務的底層網(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宣布關閉GSM網(wǎng)絡，并把GSM網(wǎng)絡使用的900 MHz和1 800 MHz頻段重耕到LTE網(wǎng)絡，提升LTE的覆蓋能力。

中國電信啟動了800 MHz頻段的重耕，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)絡部署開通VoLTE，同時在有業(yè)務需求的地區(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，使得其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)絡低頻段的減頻和重耕LTE，并按業(yè)務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，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，作為4G網(wǎng)絡的底層網(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，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)務和應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，基本上選擇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)絡時延及可靠性要求很高的應用，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同設備部署。

在以高通為主的終端產(chǎn)業(yè)鏈方面，預計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。

1 800 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1 800 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 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1 800 MHz強3.43 dB。

對于市區(qū)來說，考慮到900 MHz比1 800 MHz有10 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 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1 800 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1 800 MHz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)務的主力承載，更多地作為數(shù)據(jù)業(yè)務底層網(wǎng)。同時如果900 MHz作為VoLTE承載網(wǎng)絡，最高可以支持128個用戶，容量還是比較大的。LTE不同帶寬的容量如表4所示：

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，23張L800網(wǎng)絡，41張L2100網(wǎng)絡，305張L1800網(wǎng)絡。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)務的主力承載和容量吸熱網(wǎng)絡。根據(jù)GSMA2017年11月的分析報告（如圖1），支持L900（Band8）的手機終端達到8 361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)品技術和性能越來越成熟和穩(wěn)定，且時尚耐用，導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（如圖2）。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、終端的選擇和更換，L900終端的滲透率將在2018年快速提升。

4.5 900 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)絡使用的主要頻段以1 800 MHz為主，隨著多年來LTE網(wǎng)絡的建設和優(yōu)化，已經(jīng)形成覆蓋和質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)業(yè)務網(wǎng)絡，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LTE網(wǎng)絡。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)絡多年的耕耘，WCDMA網(wǎng)絡已經(jīng)作為語音的主力承載網(wǎng)，在LTE網(wǎng)絡的終端進行語音呼叫基本上都能CSFB到3G網(wǎng)絡[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)絡有良好的覆蓋，那么基于該頻段來部署NB-IoT網(wǎng)絡都能實現(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

5.1 LTE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，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)絡制式使用。這種協(xié)同共譜調(diào)度技術在頻率資源的調(diào)度上粒度更小，可以根據(jù)話務情況進行調(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)架構上采用跨制式的協(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鍵技術。

5.3 2T4R

分集接收技術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的特點，通過接收合并技術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，降低建設成本[10]。

現(xiàn)場實測結果表明，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技術來提高900 MHz頻段的頻譜效率，來改善數(shù)據(jù)業(yè)務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，結合LTE帶寬壓縮、共譜調(diào)度和2T4R技術，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：

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)絡逐步考慮退網(wǎng)，900 MHz頻段只用于NL900。

6 結束語

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)絡演進的過程中，各個城市由于網(wǎng)絡部署情況及用戶規(guī)模不同，在900 MHz的頻率重耕應該因地制宜地調(diào)整。

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