頻譜資源重規(guī)劃在未來移動(dòng)通信中的研究與實(shí)踐

邵建　沈彩鳳

隨著物聯(lián)網(wǎng)終端用戶量的快速增長、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的興起和對5G移動(dòng)通信的探索，目前國內(nèi)對頻譜資源的重規(guī)劃變得日益迫切和重要，因此通過對國內(nèi)移動(dòng)通信頻譜資源的當(dāng)下利用情況、可行性重規(guī)劃等方面進(jìn)行研究和分析，為未來蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的頻譜分配、4G移動(dòng)通信網(wǎng)的頻譜擴(kuò)展提出建議。

頻譜資源 無線頻譜 頻譜規(guī)劃

1 國內(nèi)無線頻譜資源的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

不管是在國外還是國內(nèi)，頻譜都是一種寶貴、稀缺的資源，是承載和發(fā)展移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。之前國內(nèi)的3G（TD-SCDMA）和4G（LTE）網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃建設(shè)前，國家相關(guān)部門都要先為三大電信運(yùn)營商劃分好頻譜資源，即各大電信運(yùn)營商的基站和手機(jī)通信的頻率要在國家所分配的頻譜范圍內(nèi)，因而所分得的頻帶越寬，所能承載的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量越大、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的工作越好開展。在國外特別是歐洲發(fā)達(dá)國家，發(fā)展移動(dòng)通信所用的頻譜資源都是由其相關(guān)組織公開拍賣的，由此可見頻譜是非常寶貴的資源。

在國內(nèi)，目前已被占用的頻譜資源涵蓋了如下三代共存的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)：

（1）2G全球移動(dòng)通信系統(tǒng)：中國移動(dòng)和中國聯(lián)通的GSM900M和GSM1800M網(wǎng)絡(luò)、中國電信的CDMA800M網(wǎng)絡(luò)。

（2）3G網(wǎng)絡(luò)：中國移動(dòng)的TD-SCDMA、中國聯(lián)通的WCDMA和中國電信的CDMA2000網(wǎng)絡(luò)。

（3）4G網(wǎng)絡(luò)：中國移動(dòng)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)、中國電信和中國聯(lián)通的LTE FDD網(wǎng)絡(luò)。

其他還有如鐵路交通等專網(wǎng)的移動(dòng)無線通信也占用了一些頻譜資源，為特定場景下使用，不是廣域的移動(dòng)通信范疇，因而不在本文的研究范圍內(nèi)。當(dāng)前國內(nèi)移動(dòng)通信頻譜資源的應(yīng)用現(xiàn)狀如圖1所示。

1900 MHz—1920 MHz頻段原為PHS（小靈通移動(dòng)終端）的頻段，現(xiàn)已被清理出來，后續(xù)可為中國移動(dòng)的TD-LTE使用，即中國移動(dòng)TD-LTE中的F頻段將擴(kuò)展為40 MHz（1880 MHz—1920 MHz）。

從圖1中可以看來，中國移動(dòng)3G TD-SCDMA原規(guī)劃占用的部分F頻段資源（1880 MHz—1900 MHz）將被用于支持4G TD-LTE的發(fā)展。原來GSM1800頻段中分配給中國聯(lián)通的是1745 MHz—1755 MHz（上行）、1840 MHz—1850 MHz（下行），后來因?yàn)椴渴餖TE FDD，調(diào)整如圖1所示，由此也可分析出未來頻譜重規(guī)劃的依據(jù)和趨勢。

2 頻譜資源重規(guī)劃的背景需求

目前物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)各行業(yè)內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域中規(guī)模應(yīng)用，如教育、醫(yī)療、安防、家居、農(nóng)業(yè)、交通、建筑等，很多行業(yè)領(lǐng)域?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)終端的需求持續(xù)增加。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端（內(nèi)置以GPRS為主的2G通信模塊）通過接入2G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與后臺的遠(yuǎn)程通信，占用GSM網(wǎng)絡(luò)的200 k頻段，存在耗電快、頻譜利用率低等問題。近期蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始興起，以如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等為代表，是一種基于窄帶通信的技術(shù)方案，為每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端用戶分配如5 kHz或者更小的帶寬，可滿足超過80%的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的小數(shù)據(jù)量通信需求，如遠(yuǎn)程抄表終端（水、電、煤氣的抄表）僅需在上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接位于Internet內(nèi)的遠(yuǎn)程后臺，一天連接如兩三次或者更少，每次傳輸數(shù)百到數(shù)千字節(jié)，即終端的通信速率僅為幾百bps到數(shù)千bps。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基于終端芯片的PSM（Power Saving Mode，省電模式）工作模式和窄帶寬的通信機(jī)制有低功耗、支持海量連接等優(yōu)勢，如在智能可穿戴領(lǐng)域，可有效解決用戶每天都要為終端充電的麻煩。因而為了將來蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，需要提前考慮其無線通信頻譜的規(guī)劃。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的日益豐富和多樣化，如以手機(jī)直播為代表的視頻直播、大文件下載、網(wǎng)頁瀏覽等應(yīng)用的發(fā)展，個(gè)人用戶對手機(jī)高速上網(wǎng)有著強(qiáng)烈的需求，這也是移動(dòng)寬帶高速發(fā)展的基礎(chǔ)。截至2016年11月底，僅中國移動(dòng)的4G用戶數(shù)已超過5.1億，DOU（單用戶的月均流量）超過了1G，4G用戶滲透率也呈現(xiàn)快速上漲的趨勢。

國內(nèi)的3G網(wǎng)絡(luò)原是為用戶提供上網(wǎng)服務(wù)而設(shè)計(jì)部署的，但隨著4G的應(yīng)用普及，國內(nèi)的3G手機(jī)用戶量在持續(xù)快速地下降，因而未來3G網(wǎng)絡(luò)退出個(gè)人手機(jī)通信領(lǐng)域?qū)⑹且环N趨勢，但其在集團(tuán)客戶領(lǐng)域如無線固話（考慮如成本、地理等因素不宜鋪專線）等，還有一定的應(yīng)用市場。目前2G網(wǎng)絡(luò)主要為個(gè)人用戶提供語音業(yè)務(wù)的承載，但隨著VoLTE手機(jī)的普及、VoLTE網(wǎng)絡(luò)功能在全網(wǎng)的開通，未來面向個(gè)人用戶的2G語音網(wǎng)絡(luò)（GSM、CDMA）也將逐步被4G LTE網(wǎng)絡(luò)所替代。

綜上分析，2G、3G及4G網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源需要提前考慮重規(guī)劃，頻譜帶寬更傾向承載高流量、多用戶的4G網(wǎng)絡(luò)傾斜。已處于技術(shù)實(shí)驗(yàn)和探索階段的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，目前業(yè)界達(dá)成的共識是將使用超過10 GHz的頻率，不影響現(xiàn)網(wǎng)在用的移動(dòng)通信頻譜資源，因而容易提前規(guī)劃和快速分配。

3 頻譜重規(guī)劃中需考慮的因素

在國內(nèi)2G GSM頻道配置中，絕對無線頻道編號（ARFCN）和頻道中心頻率的對應(yīng)關(guān)系如下所示：

（1）900M頻段（單位：MHz）

手機(jī)發(fā)，基站收：

F1（n）=890.2+（n-1）×0.2 （1）

基站發(fā)，手機(jī)收：

Fh（n）=F1（n）+45，n∈（1， 124） （2）

（2）1800M頻段（單位：MHz）

手機(jī)發(fā)，基站收：

F1（n）=1710.2+（n-512）×0.2 （3）

基站發(fā)，手機(jī)收：

Fh（n）=F1（n）+95，n∈（512， 685） （4）

由上可見，GSM900系統(tǒng)共124個(gè)頻點(diǎn)，頻點(diǎn)序號（ARFCN）為1～124，在兩端保留200 kHz的保護(hù)帶寬；GSM1800系統(tǒng)共174個(gè)頻點(diǎn)，頻點(diǎn)序號（ARFCN）為512～685。比如中國移動(dòng)使用GSM900頻段范圍為890 MHz—909 MHz（上行），對應(yīng)的頻點(diǎn)號范圍為1～95；中國聯(lián)通的頻段范圍為909 MHz—915 MHz（上行），對應(yīng)的頻點(diǎn)范圍是96～124。在實(shí)際移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，也用到少量幾個(gè)位于GSM-E頻段（即GSM擴(kuò)展頻段，上行為：880 MHz—890 MHz，下行為：925 MHz—935 MHz）內(nèi)的頻點(diǎn)，如890 MHz、889.8 MHz等，但其實(shí)際使用的頻次非常低。以國內(nèi)某地市為例，表1為GSM900頻段部分頻點(diǎn)的現(xiàn)網(wǎng)使用頻次示例：