移動通信頻譜重耕的實施策略探討

史俊瀟，趙知勁，朱東照

（1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

GSM等2G網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源必將逐步騰出用于3G、4G甚至5G這些更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這就是頻譜重耕（Frequency Re-farming）的概念[1]。從2008年開始至今，全球掀起了頻譜重耕的熱潮，低效率網(wǎng)絡(luò)制式（如GPRS等）的用戶和業(yè)務(wù)被遷移到更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)制式上面（如UMTS、HSPA、LTE和LTE-Advanced等），逐步關(guān)閉原有的2G網(wǎng)絡(luò)，利用2G網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源去部署3G甚至4G網(wǎng)絡(luò)。

2007年芬蘭運營商Elisa利用原GSM網(wǎng)絡(luò)900MHz頻率開通首個UMTS900網(wǎng)絡(luò)對UMTS2100進(jìn)行補(bǔ)充，UMTS900可節(jié)省50%～70%的UMTS2100運營成本[2]。2010年和2014年澳洲的運營商Telstra先后在1.8GHz和900MHz上完成了LTE的頻譜重耕。愛立信、NTT DoCoMo（日本通信運營商，下面簡稱“NTT”在2.1GHz上部署4G網(wǎng)絡(luò)。

中國用于移動通信的總頻譜資源有687MHz，目前三大運營商獲得的頻譜帶寬為527MHz。從部署頻段上看，1GHz以下的頻譜資源共有72MHz，占已分配頻譜資源的13.67%，其主要部署CDMA2000和GSM網(wǎng)絡(luò)。從部署網(wǎng)絡(luò)制式上看，在已分配的頻譜資源中，假設(shè)中國電信1x和EV-DO的頻段各占一半，部署低制式網(wǎng)絡(luò)的頻譜帶寬共有152MHz（3G以下），占總規(guī)劃頻譜的22.13%。2G網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度大，但頻譜效率低且占用優(yōu)質(zhì)頻段。根據(jù)中國移動2013年年報[3]，其GSM的網(wǎng)絡(luò)平均利用率為71.0%，部分業(yè)務(wù)繁重的重點城市的GSM無線綜合利用率接近90%，而TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)利用率為27.1%。因此，我國2G網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷是偏高的。

隨著全球4G網(wǎng)絡(luò)的商用以及2G、3G和4G等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的并存，頻譜重耕不僅有利于提升頻譜使用效率，還為未來在全球范圍內(nèi)選擇合適的頻段展開國際漫游打下基礎(chǔ)。本文將分析我國開展頻譜重耕的必要性及重要意義，并提出了符合國情的頻譜重耕實施策略。

2 頻譜重耕的必要性

2.1 無線頻譜的需求

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是iPhone等智能終端設(shè)備的出現(xiàn)，移動通信業(yè)務(wù)正從以語音為中心向數(shù)據(jù)為中心發(fā)生轉(zhuǎn)變。根據(jù)思科VNI對數(shù)據(jù)流量的預(yù)測，2018年全球移動數(shù)據(jù)總流量預(yù)計將增長至15.9艾字節(jié)/月，比2013年的1.5艾字節(jié)/月增長近11倍，移動數(shù)據(jù)流量將以61%的CAGR（Compound Annual Growth Rate，年復(fù)合增長率）增長[4]。

數(shù)據(jù)流量的飛速增長表現(xiàn)出人們對于更高帶寬的移動互聯(lián)網(wǎng)接入的需求，無線頻譜作為不可再生資源，其對移動通信的業(yè)務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生了深刻影響。頻譜價值同頻段高低、空中接口技術(shù)、國際漫游等因素相關(guān)。在今天蜂窩網(wǎng)絡(luò)接近“臨界點”的情況下，采用更先進(jìn)、頻譜效率更高的無線技術(shù)來提升頻譜效率（如4G、MIMO等）或獲得額外的頻譜資源之外，頻譜價值的體現(xiàn)關(guān)鍵在于利用1GHz以下的低頻段頻譜資源（如700MHz，850MHz，900MHz）來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍以及利用高頻段的頻譜資源（如1.8GHz，2.1GHz，2.6GHz等）來提升通信系統(tǒng)的峰值傳輸速率。

2.2 頻譜效率的局限性

因為頻譜資源有限，故提升頻譜效率一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。如圖1所示，LTE的頻譜效率約為GPRS的50倍，因此大大提升了頻譜價值。

圖1 下行頻譜效率的演進(jìn)[5]（單位：bps/Hz）

相對于以前的網(wǎng)絡(luò)制式，4G技術(shù)大大提升了頻譜效率。假定下行鏈路的傳輸帶寬為10MHz，鏈路的信噪比為7dB，根據(jù)香農(nóng)極限定理得到信道容量為25.0Mbps。而LTE R8的吞吐量已經(jīng)達(dá)到了15.0Mbps，LTE-A R10的吞吐量更是達(dá)到了24.0Mbps，可以說當(dāng)前LTE系統(tǒng)在頻帶利用率上已經(jīng)非常接近香農(nóng)極限，在未來5年通過網(wǎng)絡(luò)制式的創(chuàng)新與改進(jìn)來提升吞吐量是困難的[6]。若要進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量，除了提高系統(tǒng)信噪比，為先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)制式獲得額外頻譜帶寬也是非常重要的。

2.3 頻譜重耕的經(jīng)濟(jì)效益

無線頻譜的高低決定了電波的傳播能力，根據(jù)鏈路預(yù)算和傳播模型可以得到用戶終端與基站之間的最大路徑損耗和基站的覆蓋半徑。假設(shè)基站天線的高度為35m，利用自由空間傳輸模型、Hata Model for Urban Areas以及Cost Hata231 Model，可以得到不同頻段下的電波傳輸損耗、基站覆蓋半徑之比和站點數(shù)量之比，具體如表1所示。

如表1所示，覆蓋相同面積，700MHz頻段所需的基站數(shù)量比2.6GHz減少了15倍左右，這是在沒有考慮室內(nèi)覆蓋及穿透、饋線和接頭等損耗的情況下的理論分析。根據(jù)電波傳播理論可知，隨著頻段的降低，傳輸損耗越小，相應(yīng)的建網(wǎng)投資就越低。這可從目前三大運營商的3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況得以體現(xiàn)。根據(jù)運營商2013年的運營年報，CDMA2000基站約為25萬個[7]，TD-SCDMA基站約為45萬個[3]，WCDMA基站約為40.7萬個[8]，中國電信3G基站的數(shù)量明顯小于其余兩家，直接原因在于電信的3G網(wǎng)絡(luò)部署在更低的800MHz頻段上。

表1 不同頻段下無線電波傳播性能對比

除了中國電信的CDMA2000-EVDO，我國3G、4G網(wǎng)絡(luò)主要部署在1.8GHz以上，如中國移動的TDLTE部署在2.6GHz附近，而2G網(wǎng)絡(luò)的頻段在1GHz以內(nèi)，頻段規(guī)劃不符合LTE網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋的規(guī)劃宗旨。采用頻譜重耕可以擴(kuò)大LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，降低建設(shè)和運營維護(hù)成本。

3 頻譜重耕的實施方案

由于2G網(wǎng)絡(luò)的用戶基數(shù)大，所以應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實施，采取多網(wǎng)協(xié)同的頻段部署、站點規(guī)劃、終端芯片升級等步驟依次開展頻譜重耕這項系統(tǒng)工程。

3.1 頻段部署

通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)是持續(xù)的，不同制式網(wǎng)絡(luò)的基站、終端數(shù)量呈動態(tài)變化趨勢。未來移動通信是多網(wǎng)絡(luò)融合部署，即我國GSM/UMTS/LTE網(wǎng)絡(luò)將長期共存。本文結(jié)合三大運營商的現(xiàn)階段頻譜部署狀況，對多網(wǎng)協(xié)同的頻段部署提出如下建議：

（1）利用900MHz、850MHz頻段進(jìn)行HSPA的部署，壓縮2G頻譜以部署3G網(wǎng)絡(luò)，并逐步完成從GPRS/EDGE到UMTS的過渡。

（2）協(xié)調(diào)1.8GHz頻段（UL：1 735—1 755MHz，DL：1 830—1 850MHz）不同設(shè)備廠商的頻率干擾，逐步關(guān)閉該頻段的GSM網(wǎng)絡(luò)，釋放出的頻譜用于城市地區(qū)的4G網(wǎng)絡(luò)部署。

（3）盡快結(jié)束小靈通頻段（1 900—1 920MHz）的清網(wǎng)工作，騰出20MHz的頻譜資源用于4G網(wǎng)絡(luò)的部署。

（4）適時調(diào)整頻譜資源的監(jiān)管政策，靈活推進(jìn)頻譜重耕，加快LTE FDD的部署和業(yè)務(wù)發(fā)展，并考慮LTE FDD/TDD的混合組網(wǎng)。

（5）釋放數(shù)字紅利（700MHz）頻段以用于城郊地區(qū)4G網(wǎng)絡(luò)的部署。

3.2 站點規(guī)劃及仿真優(yōu)化

對現(xiàn)有進(jìn)行LTE FDD/TDD網(wǎng)絡(luò)部署的城市，通過無線規(guī)劃軟件仿真得出現(xiàn)階段城市LTE網(wǎng)絡(luò)RSRP的覆蓋情況，導(dǎo)入低頻段2G、3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和載頻利用情況。對LTE覆蓋不足的山區(qū)或郊區(qū)地區(qū)設(shè)置頻率緩沖帶，在緩沖區(qū)內(nèi)進(jìn)行站點規(guī)劃，以便將原來部署2G、3G網(wǎng)絡(luò)頻段的部分載頻點騰出用于LTE的部署。隨后對騰出載頻點進(jìn)行LTE部署仿真，給出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共享接入策略下的網(wǎng)絡(luò)理論性能，如成功接入概率、平均頻譜利用效率、能量效率等。仿真、評估同頻干擾的強(qiáng)度，設(shè)置調(diào)優(yōu)目標(biāo)值，利用無線規(guī)劃軟件的仿真調(diào)優(yōu)功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，進(jìn)一步實現(xiàn)頻譜重耕。

3.3 移動終端芯片升級

我國GSM、UMTS各部署在3到4個頻段上，LTE FDD/TDD的部署頻段更是參差不齊。目前我國通信行業(yè)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式繁多，LTE FDD/TDD需要有與3家運營商不同制式的3G甚至2G（GSM/CDMA）相互兼容的市場格局[9]。

中國移動如今已經(jīng)實現(xiàn)TD-LTE和LTE-FDD的融合組網(wǎng)，并推出了5模10頻、5模13頻、6模多頻等終端。中國電信將先采取TDD、FDD混合組網(wǎng)方式，并逐步實行融合組網(wǎng)。鑒于設(shè)備商對移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的預(yù)測，為了滿足多網(wǎng)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)部署，開展國際漫游，未來終端擁有“多模多頻”芯片將是有效的解決方案。

此外，4G時代傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)（如語音通話、彩/短信等）與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的矛盾越發(fā)明顯，VoLTE技術(shù)成為傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)發(fā)展的新方向。根據(jù)GSA在2014年3月份的統(tǒng)計報告，全球1 563款LTE手機(jī)支持VoLTE的共有57款，比2013年年底增長35%[10]。芯片集成VoLTE通信功能的終端在一定程度上能提升傳統(tǒng)語言通話的業(yè)務(wù)質(zhì)量。隨著芯片產(chǎn)業(yè)整體進(jìn)入28nm時代，低功耗和高工藝成為終端芯片的持續(xù)演進(jìn)方式。

4 結(jié)束語

中國國土面積大，人口分布廣，需利用低頻段資源以較低成本，快速推進(jìn)LTE網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋。我國按照運營商業(yè)務(wù)規(guī)劃方案來分配頻譜資源，該方式使得運營商擁有的頻譜資源與業(yè)務(wù)規(guī)模相匹配，但頻譜資源和技術(shù)制式相捆綁，無法適應(yīng)移動通信的迅猛發(fā)展。因此，除獲得額外頻譜資源外，采取更靈活的頻譜監(jiān)管政策以加快部署頻譜重耕工程是必要的。

目前，中國電信浙江公司已通過城市規(guī)模的試驗網(wǎng)在幾個試點城市開展700MHz頻段TD-LTE的組網(wǎng)測試，積極探索適合中國電信的 700M TD-LTE商業(yè)化運作模式。

[1]朱東照.移動寬帶的協(xié)調(diào)發(fā)展[J].移動通信, 2014,38(15): 24-26.

[2]朱東照,史俊瀟,余毅.我國移動通信頻譜重耕的價值探討和實施策略[J].電信科學(xué), 2015(1): 122-127.

[3]中國移動有限公司.中國移動有限公司2013年年報[EB/OL].[2014-07-09].http://www.chinamobileltd.com/tc/ir/reports/ar2013.pdf.

[4]思科視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù).2013-2018年全球移動數(shù)據(jù)流量預(yù)測更新[EB/OL].[2014-08-08].http://www.cisco.com/web/CN/assets/pdf/cisco_vni_forecast_qa.pdf.

[5]Federal Communications Commission.Mobile Broadband:The Benefits of Additional Spectrum[EB/OL].[2014-11-12].http://www.fcc.gov/document/mobile-broadbandbenefits-additional-spectrum.

[6]International Telecommunications Union.Estimated spectrum bandwidth requirements for the future development of IMT-2000 and IMT-Advanced[R].2006.

[7]中國電信股份有限公司.中國電信股份有限公司二零一三年年報[EB/OL].[2014-08-13].http://www.chinatelecom-h.com/sc/ir/report/annual2013.pdf.

[8]中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信（香港）股份有限公司.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信股份有限公司2013年年度報告[EB/OL].[2014-12-08].http://www.chinaunicom.com.hk/sc/ir/ir_reports.html.

[9]右舍.2014年終端芯片：多模多頻在挑戰(zhàn)中走向普及[J].通信世界, 2014(34): 1-3.

[10]宋麗娜,陳曦,梁張華,等.移動芯片及終端熱點技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[EB/OL].(2014-12-17).http://view.cttl.cn/jshqsh/201412/t20141217_2035687.html.