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中国联通900MHz频段的重耕策略

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分享到: 本站编辑:gengxin 日期: 2018-04-04 09:58 点击:

 

 

 

【摘 要】 
  通过对中国联通频谱现状、全球低频段频谱重耕情况的分析,详细论述了中国联通900 MHz频谱的重耕策略,包括重耕方向、覆盖、容量、终端和战略价值,提出利用LTE带宽压缩、共谱调度和2T4R技术进行LTE 900 MHz重耕的方案。 
  【关键词】900 MHz频段;频谱重耕;带宽压缩;共谱调度;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 
  中国联通经过多年的网络建设目前已经拥有GSM、WCDMA、LTE这3张网络,5G的脚步越来越近,再建设一张5G网络的话,中国联通将同时拥有4张网络。多张网络的同时运营使网络的复杂度和运营成本不断攀升。随着用户对数据流量需求的增加,越来越多的用户选择高速的LTE网络,GSM网络承载的语音和流量急剧减少,未来GSM将会退出历史舞台,900 MHz频段的重耕利用将是大势所趋。900 MHz频段由于频率低、覆盖能力强,被称为黄金频段,该频段对于无线网络建设具有非常重要的意义。 
  2 中国联通频谱现状 
  频率资源是无线通信最宝贵的资源,国家给中国移动分配了233 MHz的频谱资源,给中国联通分配了162 MHz的频谱资源,给中国电信分配了130 MHz的频谱资源,虽然中国联通分配的频谱资源介于中国移动和中国电信之间,但是在1 GHz以下的低频段频谱最少[1]。表1为国内三家运营商频段分布。 
  随着近几年LTE网络和市场的发展、经营,中国联通已经形成了WCDMA语音承载网和LTE数据流量承载网的形态,以表2某地市的语音流量占比来看,使用了32 MHz频谱资源的GSM网络只承载语音8.64%,流量0.08%,极大地浪费了宝贵的频谱资源。因此,如果能把GSM的频谱资源进行重耕利用,特别是GSM中极为宝贵的低频段900 MHz频率资源,这对于提升中国联通网络竞争力将有很大的帮助。 
  3 国内外低频段频谱重耕情况 
  2017年1月1日美国运营商AT&T表示正式关闭其2G网络,并将对2G网络使用的700 MHz低频段的频谱进行重耕,用于LTE网络,部署VoLTE和eMTC业务,同时作为数据业务的底层网,来提升用户感知,增强了市场竞争力。 
  2017年4月新加坡运营商Singtel宣布关闭GSM网络,并把GSM网络使用的900 MHz和1 800 MHz频段重耕到LTE网络,提升LTE的覆盖能力。 
  中国电信启动了800 MHz频段的重耕,采用三明治方式,根据频率腾退的情况部署以3 MHz或者5 MHz带宽为主的LTE载波[2],并且依托低频LTE网络部署开通VoLTE,同时在有业务需求的地区利用800 MHz低频段采用独立工作模式部署NB-IoT。 
  中国移动由于TD-LTE的频段太高,使得其在城市中深度覆盖效果不佳,也影响了VoLTE用户的感知。同时由于900 MHz低频段资源比较丰富,因此中国移动积极推进GSM网络低频段的减频和重耕LTE,并按业务的需求进行部署独立方式的NB-IoT和按需开通eMTC。为了更好地避免GSM和LTE的互调干扰影响到LTE的上行网络,中国移动LTE FDD频率重耕主要采用三明治方式,將LTE FDD的中心频点放置在943.6 MHz,根据GSM900的减容情况,LTE900带宽可以从5 MHz到10 MHz进行频谱扩展[3]。 
  从国外到国内的运营商频率重耕的经验来看,低频段的频谱重耕都是选择重耕到LTE网络,作为4G网络的底层网,并且用于承载物联网的需求。 
  4 900 MHz频率重耕的分析 
  4.1 重耕4G的选择 
  随着3GPP第一个5G版本R15的冻结,5G系统已经越来越近,2017年11月份工信部已经发文指出3 300 MHz—3 400 MHz和4 800 MHz—4 990 MHz作为5G的中低频段。5G的业务和应用主要分增强移动宽带(eMBB)、海量机器通信(mMTC)和超高可靠低时延通信(uRLLC)三大类。 
  eMBB是5G最基本的需求,目前的R15都是基于eMBB开展研究的,可以实现峰值速率10 Gb/s的要求,同时也需要有非常大的频谱带宽,基本上选择3.5 GHz或6 GHz以上频段。mMTC针对的是物联网,虽然5G对mMTC的工作还没开展,但是在4G已有成熟的eMTC和NB-IoT可供使用[4],未来将不着急部署。uRLLC用于自动驾驶、远程控制等对网络时延及可靠性要求很高的应用,要求端到端的时延1 ms,只有5G新空口(NR)才能满足,考虑到投资效益,将与eMBB同设备部署。
 
 在以高通为主的终端产业链方面,预计2019年推出符合5G新空口的标准商用终端,采用3.5 GHz频段。目前中国联通的900 MHz频段只有6 MHz,不适合重耕到5G,未来国家如果能释放出470 MHz—700 MHz频段用于5G,将能对5G的投资效益起到很好的作用。 
  4.2 覆盖性能分析 
  在分析无线通信网络覆盖性能时,经常利用传播模型来计算空间的传播损耗。在不同的频率范围会使用不同的传播模型,对于900 MHz频段来说,比较常用的是Hata-Okumura模型,其传播损耗公式如下: 
  Lb=69.55+26.2lgf-13.82lgHb-α(Hm)+(44.9-6.55lgHb)lgd (1) 
  式(1)中Lb表示基本传播损耗值,f表示工作频率,Hb表示基站天线的有效高度,Hm表示手机终端天线的有效高度,α(Hm)表示终端天线高度修正因子,d表示基站与手机终端的距离。 
  1 800 MHz频段适用于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,中等城市及郊区取值为0 dB,大城市取值为3 dB。 
  根据这两个传播模型公式,在相同的传播环境下,基站高度和手机终端天线高度的取值相同的情况下,在同一位置从理论上可以计算900 MHz相对于1 800 MHz的频段增益为Lb(900)-Lb(1800)=33.9lg1800-26.26lg900+Cm-23.25,可以得到在大城市频段的相对增益为12.5 dB,在中等城市和郊区频段的相对增益为9.5 dB[5]。 
  在实际测试中,900 MHz的增益并没有达到理论的增益,基本上比1 800 MHz有7~10 dB的增益,如表3所示。900 MHz室外会比1 800 MHz强7.3 dB,900 MHz室内会比1 800 MHz强10.73 dB,在穿透损耗方面900 MHz也比1 800 MHz强3.43 dB。 
  对于市区来说,考虑到900 MHz比1 800 MHz有10 dB的增益,通过以上的传播模式计算,覆盖距离是1 800 MHz的2倍,覆盖面积是1 800 MHz的4倍,为了达到更好的覆盖能力建议900 MHz與1 800 MHz以1:3的形式组网。对于郊区农村来说,考虑到900 MHz比1 800 MHz有7 dB的增益,通过以上的传播模式计算,覆盖距离是1 800 MHz的1.6倍,覆盖面积是1 800 MHz的2.5倍,为了达到更好的覆盖能力建议900 MHz与1 800 MHz以1:2的形式组网。 
  4.3 容量分析 
  目前中国联通900 MHz频段只有6 MHz,重耕为LTE最高只能用5 MHz,共有25个PRB,可支持小区下行吞吐率只有30 Mb/s。和1 800 MHz频段的主要数据承载网来比较,差距较远,因此900 MHz频段将不作为数据业务的主力承载,更多地作为数据业务底层网。同时如果900 MHz作为VoLTE承载网络,最高可以支持128个用户,容量还是比较大的。LTE不同带宽的容量如表4所示: 
  4.4 终端分析 
  根据GSA报告,截止至2017年7月,全球已商用26张L900网络,23张L800网络,41张L2100网络,305张L1800网络。1 800 MHz由于频段相对较低、频率资源丰富,已经作为全球LTE的主要承载频段,作为数据业务的主力承载和容量吸热网络。根据GSMA2017年11月的分析报告(如图1),支持L900(Band8)的手机终端达到8 361款,占比41.42%。现网4G终端中,硬件支持L900的终端比例约45.1%,软件支持L900比例约23.4%,通过市场手段推动用户升级解锁可以提高L900终端的占比。 
  图1 GSMA 2017年11月的LTE手机款数 
  由于智能手机产品技术和性能越来越成熟和稳定,且时尚耐用,导致用户换机周期不断延长。来自第一手机界研究院线下渠道数据的综合统计,2017年第一季度用户换机周期已达到21.2个月(如图2)。2015年可能因为4G高发期造成终端更换频繁,按照用户换机周期大约两年将会是终端更替高峰期,中国联通互联网套餐的推广,也将促进用户对于网络、终端的选择和更换,L900终端的渗透率将在2018年快速提升。 
  4.5 900 MHz重耕对中国联通的战略意义 
  目前中国联通LTE网络使用的主要频段以1 800 MHz为主,随着多年来LTE网络的建设和优化,已经形成覆盖和质量较好的数据业务网络,但在城区由于建筑物的影响存在深度覆盖的问题,而且一些边远农村还未建设LTE网络。利用900 MHz低频段的覆盖能力可以进一步提高城区的深度覆盖,而且可以通过较低成本提高农村的广度覆盖。 
  由于中国联通对WCDMA网络多年的耕耘,WCDMA网络已经作为语音的主力承载网,在LTE网络的终端进行语音呼叫基本上都能CSFB到3G网络[6],这使得目前中国联通绝大部分城市还未部署VoLTE。随着5G的到来,5G时代的语音解决方案仍以VoIP为主,包括VoNR和回落到VoLTE,但是在没有VoLTE的情况下,5G用户只能从5G回落到4G再CSFB到3G,或者利用类似微信语音的VoOTT的方式,长远来看VoLTE将是绕不开的选择。VoLTE到时候将会部署在现有的1 800 MHz频段,同时利用900 MHz重耕的机会部署VoLTE能进一步提升VoLTE的覆盖能力。 
  NB-IoT通过提高功率谱密度、发送重复和上行Inter-site COMP等方式实现覆盖能力提升20 dB。不管是在哪个频段,只要网络有良好的覆盖,那么基于该频段来部署NB-IoT网络都能实现广覆盖和深度覆盖的目标,如果NB-IoT部署在低频段将能取得更好的广度覆盖、深度覆盖效果[7]。
 5 中国联通900 MHz频谱提升及重耕方案 
  5.1 LTE带宽压缩 
  LTE标准定义的载波带宽比实际可用的资源块占用带宽要大,和其他网络一样,LTE系统考虑了一定的保护带宽。根据3GPP标准的规定,LTE系統20 MHz带宽可用的RB数为100个,有效带宽为18 MHz,左右各有1 MHz的保护带宽,共计2 MHz。同样10 MHz带宽的LTE可用RB为50个,它的有效带宽为9 Hz,左右各有500 kHz的保护带宽。5 MHz带宽的LTE可用RB为25个,它的有效带宽为4.5 Hz,左右各有250 kHz的保护带宽。LTE采用正交频分复用(OFDM)的调制方式,每一个子载波之间紧密相邻且相互正交,通过正交复用方式避免干扰,实现对每个子载波的正确解调,再通过提高滤波器性能来减少GSM和LTE之间的保护间隔,可以实现将GSM载波放在LTE的保护带宽内[8]。 
  5.2 共谱调度 
  在GSM和LTE共频段组网的时候,通过GL协同共谱调度技术,GSM和LTE可动态地共享部分重合的频谱资源。其中,GSM网络以200 kHz粒度进行频率共享,LTE则以RBG(180 kHz)为粒度进行动态扩展或缩减,考虑到GSM和LTE的共谱颗粒度不一致,LTE将要以2个180 kHz的频段提供给GSM进行频率共享。GL协同共谱调度技术在实现时将GSM需要共享的频点配置在LTE配置的有效带宽内,跟LTE的资源块重叠,通过后台跨GSM和LTE的调度系统,根据实际的使用需要,同时只允许一种网络制式使用。这种协同共谱调度技术在频率资源的调度上粒度更小,可以根据话务情况进行调整,调度更加灵活[9]。 
  在GL协同共谱调度中,需要根据GSM和LTE的话务情况和变化趋势进行分析,同时协调GSM和LTE之间的频谱使用,因此需要在系统架构上采用跨制式的协同调度模块来实现。新增的协同调度模块,打通了与GSM的BSC和LTE的eNodeB之间的接口,可以实现消息传送以及物理部署方式等关键技术。 
  5.3 2T4R 
  分集接收技术是克服多径衰落的最有效的方法之一,它利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点,通过接收合并技术使得无线接收信号进行合并,来提高接收性能,抵抗衰落引起的影响。 
  2T2R和2T4R在下行基本无区别,但在上行2T4R采用分集接收,理论上有3 dB的增益。在覆盖范围不变的前提下,可以降低误码率和终端发射功率,提高上行速率,这对于边缘地区的用户很有帮助。在覆盖质量不变的前提下,可以扩大覆盖范围,降低建设成本[10]。 
  现场实测结果表明,在相同上行速率的情况下,4R相比2R覆盖距离能提升21.27%,深度覆盖效果比较明显。在相同覆盖下的定点测试,中点提升18.8%,远点提升效果更为明显,达到60%。 
  5.4 中国联通900 MHz频谱重耕及提升方案 
  目前中国联通还缺少一张面向未来演进的低频段底层网,可以通过900 MHz频段重耕,再辅以LTE带宽压缩、共谱调度和2T4R技术来提高900 MHz频段的频谱效率,来改善数据业务深度覆盖和扩大广度覆盖,以及用于承载语音和物联网。 
  在5G还未商用前,推进GSM清频退网,按需部署N900,语音仍然建议由WCDMA网络承载,在适当的时候考虑引入VoLTE,并在5G推出前完善VoLTE。在已部署U900的区域,建议优先增加N900,不急于把U900升级为L900。未部署U900的区域主要把900 MHz重耕为LTE,按GSM的清频情况,结合LTE带宽压缩、共谱调度和2T4R技术,把GSM900重耕为GLN900。在6 MHz的频段LTE占用5 MHz,剩下的1 MHz可以部署NB-IoT,占用1个频点和2个GSM频点,再利用LTE带宽压缩技术用保护带宽部署2个GSM频点,如果GSM频点还不够用的话,再利用共谱调度技术增加2个GSM频点。这样就达到6 MHz带宽部署5 MHz的LTE,1个频点NB-IoT,6个频点的GSM,具体如图3所示: 
  随着5G的部署及商用,GSM已经全部清频,语音承载在VoLTE也比较稳定和成熟,WCDMA网络逐步考虑退网,900 MHz频段只用于NL900。 
  6 结束语 
  频谱对运营商而言是非常珍贵的资源,如何最大化利用有限的频谱资源是运营商不断追求的目标。本文对900 MHz频段重耕的研究主要针对现网中国联通已有的6 MHz带宽,目前有消息表明中国联通900 MHz的带宽将扩展到11 MHz,这对后续L900从5 MHz扩展到10 MHz将非常有意义。在网络演进的过程中,各个城市由于网络部署情况及用户规模不同,在900 MHz的频率重耕应该因地制宜地调整。 
  参考文献: 
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  [5] 王伟,冷俊,聂昌,等. 城区900 MHz LTE部署方案研究[J]. 邮电设计技术, 2017(6): 22-25. 
  [6] 董帝烺. LTE网络CSFB的优化思路和方法探讨[J]. 邮电设计技术, 2017(2): 28-32. 
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  [8] 王伟,荣耀,聂昌. LTE压缩带宽载波聚合及与GSM频谱共享方案研究[J]. 邮电设计技术, 2016(9): 24-28. 
  [9] 董帝烺. LTE和GSM网络动态频谱的研究和应用[J]. 移动通信, 2017,41(21): 70-75. 
  [10] 罗哲,马晨,谭路加. LTE 2T4R应用探讨[J]. 邮电设计技术, 2015(5): 48-51.

 


  

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