浅析中国联通900MHz频率重耕方案

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，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、3G、4G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。