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2018/8/13 14:44

中国联通900MHz频段的重耕策略

《移动通信》2018年2月  董帝烺

【摘要】通过对中国联通频谱现状、全球低频段频率重耕情况的分析,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;频率重耕;带宽压缩;共谱调度;2T4R

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000      中图分类号:TN929.5      文献标志码:A      文章编号:1006-1010(2018)02-0000-00

引用格式:董帝烺. 中国联通900 MHz频段的重耕策略[J]. 移动通信, 2018,42(2): 00-00.

Analysis on the 900MHz Frequency Re-Farming of China Unicom

DONG Dilang

(China Unicom Fujian Branch, Quanzhou 362000, China)

[Abstract] Through the current status of China Unicom spectrum and global low-frequency re-farming ,discussed in detail China Unicom frequency re-farming,including the direction, coverage, capacity, terminal and strategic value of China Unicom's 900MHz spectrum.finally proposed a scheme of LTE900 frequency re-farming ,Used of LTE bandwidth compression, spectrum share scheduling and 2T4R technology.

[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GSMWCDMA、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,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:

表1    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。

表2    某地市2G、3G4G的语音流量占比

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1800 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频段频率的重耕,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,将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,基本上频段选择在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。

1800 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1800 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个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1800 MHz强3.43 dB。

表3    L900相比L1800的增益

对于市区来说,考虑到900 MHz比1 800 MHz有10个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与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个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1800 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 800MHz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。

表4    LTE不同带宽的容量

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,支持L900(Band8)的手机终端达到8361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。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。

图2    第一手机界研究院2017年第一季度用户换机周期

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系统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增加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。

图3    900 MHz频率重耕方案

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:

[1] 冯毅,聂昌,王伟. 中国联通频谱演进及2G/3G减容减频方案探讨[J]. 邮电设计技术, 2017(6): 26-31.

[2] 李建军,黎建波. 中国电信城市800M LTE网络建设方案研究[J]. 移动通信, 2017,41(11): 90-95.

[3] 石月. 2G网络资源的规划和利旧问题探讨[J]. 移动通信, 2017,41(9): 54-58.

[4] 朱红梅,林奕琳,刘洁. 5G URLLC标准、关键技术及网络架构的研究[J]. 移动通信, 2017,41(17): 28-33.

[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.

[7] 彭雄根,李新,陈旭奇. NB-IoT技术的发展及网络部署策略研究[J]. 邮电设计技术, 2017(3): 58-61.

[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.★

作者简介

董帝烺:高级工程师,毕业于厦门大学通信工程专业,现任中国联合网络通信有限公司福建省分公司运维部泉州片区优化中心主任,主要从事和研究WCDMA、LTE的网络优化,移动网无线新技术。

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