2G頻率重耕關鍵問題研究

張冬晨，王首峰

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

頻譜是無線通信數據載體，是無線網絡發展的重要戰略資源。近年來，隨著智能終端和移動互聯網的迅猛發展，無線通信數據量呈現出爆炸式的增長態勢，雖然移動通信技術的發展已大幅提高了頻譜使用效率，但巨大的用戶需求，依然使得移動通信頻譜資源短缺的狀況日益突出。未來移動通信頻譜需求的研究表明，我國寬帶移動通信頻譜需求在2015年將達到580～680 MHz，2020年將達到1.49～1.81 GHz。

為滿足地面移動通信系統對無線頻譜資源的需求，國內外已開展大量尋找新的適合頻段的研究工作。眾所周知，3 GHz以下頻率在相同站點資源下可實現比高頻段更大范圍的網絡覆蓋，并具有更好的穿透特性，因此受到全球移動運營商的重點關注。但是目前，3 GHz以下頻譜已分配殆盡，特別是1 GHz以下的黃金頻段，難以再為移動通信新增頻譜資源。另一方面，由于我國廣播電視數模轉換進程緩慢等原因，2012年世界無線電大會劃分用于移動通信系統的700 MHz數字紅利頻段，預計在2020年前也很難全部規劃落地。因此，充分挖掘已有頻譜資源的能力，開展2G頻率重耕，服務寬帶移動發展需求，成為我國通信運營商解決近期頻譜資源短缺問題和業務發展壓力的重要途徑。

1 900/1 800 MHz頻段支持度分析

設備及終端支持度對實施頻率重耕的投資具有較大的影響。本節詳細研究了國際、國內GSM網絡設備資源及終端支持情況，重點分析900/1 800 MHz頻段重耕的可實現性。

1.1 網絡側主設備支持度分析

國際上900/1 800 MHz頻率重耕案例可作為我國開展相應頻段重耕的參考。如圖1所示，全球71個國家已商用150張LTE 1 800網絡，此外還有23張LTE 1 800網絡正在試商用。LTE 900商用網絡還未大規模興起，多數國家的GSM 900于2007年逐步向UMTS 900演進，目前已有58個國家共計87張UMTS 900網絡，僅個別運營商將此頻段同時應用LTE。

圖1 GSMA統計國際各頻段LTE網絡數量

在我國，目前900/1 800 MHz頻段尚未重規劃為4G頻段，尚無商用網絡，但國內2G主設備向4G網絡升級已具備較高的支持度。根據對國內移動通信主設備廠商的調研統計，目前，包括BBU和RRU在內的主設備支持軟硬件升級（RRU需軟件升級，BBU新增基帶及主控板）的比例近80%。因此，考慮到GSM的龐大站址規模，若國內開啟2G頻率重耕，將能夠快速鋪建一張覆蓋全國的寬帶4G網絡，并由于主設備升級和天饋、站址重用大幅減少建網成本。

1.2 終端支持度分析

保有基數龐大、種類繁多的在網終端是移動通信產業良性發展的必備條件。對于900/1 800 MHz頻段開展重耕來說，國內外該頻段LTE制式終端的支持情況尤為重要。

GSMA統計數據表明，全球各頻段的LTE終端種類迅速增加，全球LTE終端種類增長迅猛。2015年4月已達2919款，年增長率87%，如圖2所示。

終端對不同頻段的支持程度方面，LTE終端也呈現了以往其它制式終端未曾出現的多樣性特征。從圖3給出的LTE FDD終端在相應頻段上的終端種類可以看出，在LTE FDD終端中，支持1 800 MHz頻段的種類最多，2 600 MHz頻段和2 100 MHz頻段上支持終端種類分別位居第二第三。900MHz頻段在國際上由于早期已開展向UMTS演進，所以該頻段上LTE FDD終端種類排名居中，支持終端種類數量達到1 800 MHz頻段上終端種類的近50%。

另一方面，國內運營商均持有TD-LTE頻譜，同時支持TDD和FDD制式的LTE終端更能滿足實際運營和漫游需求。但根據目前的統計，同時支持TDD及FDD制式的LTE終端對應頻段組合較少。截至2014年10月， 200款終端支持Band 7、Band 40，187款終端支持Band 3、Band 38。此外，中國移動前期提出的LTE五模十頻終端目前暫不支持LTE 900 MHz頻段。因此，盡管國際上LTE FDD及TD-LTE終端支持的種類和數量與日俱增，但同時支持FDD及TDD模式的終端種類目前仍較為有限。在未來我國開展900/1 800 MHz頻率重耕的同時，需加大推動相應的終端發展力度。

圖2 2015年4月全球LTE終端已達2919款

2 現網頻率重耕的問題研究

本節結合運營商的網絡實際，對GSM現網頻率重耕的可用帶寬及組網方案兩個問題進行了研究。首先，從目前中國移動的2G網絡運營情況看，2G網絡還保有較大業務量和用戶規模，現網2G網絡可以騰出頻譜資源量是各省公司考慮頻譜資源再利用中最為關注的問題之一。其次，我國頻率重耕的實施過程將不可避免的存在2G與4G系統在同一地區鄰頻部署的階段。為保證重耕后2G及4G網絡性能，需評估頻率重耕過程中的系統共存狀況及組網方案。本節分別就上述兩個問題提出相應的解決方案以供國內開展頻率重耕參考。

圖3 GSMA統計各頻段支持LTE終端種類

2.1 可用帶寬分析

由于現網2G仍存在大量活躍用戶，短期內預計難以按照先清頻再重耕的思路實現2G向4G的升級。因此，在重耕實施的前期和中期將通過部分2G頻率資源重耕、2G與4G鄰頻共存的方式，逐步由2G轉向4G。本節首先分析影響可用帶寬關鍵因素，其次提出現網評估可用帶寬方法，最后利用該方法對13個城市2G現網數據進行了分析。

2.1.1 GSM網絡可再用頻譜分析的關鍵因素

2.1.1.1 頻率復用度

為了解決大區集群通信的容量瓶頸，上個世紀70年代末提出的蜂窩移動通信系統通過空間復用頻率的思想，突破了原有的有限頻率資源對系統可容納最大用戶數的限制，最終使得蜂窩移動通信成為近10年來通信領域最熱門的方向之一。頻率復用的基本思想是降低基站的發射功率，使得小區半徑收縮，只覆蓋相對較小的一片區域，相隔若干個小區后再重復利用相同的頻率。蜂窩移動通信系統通過空間頻率復用，能夠有效提高頻率的使用效率和系統容量。

網絡設計規劃中，一般按照六邊形或三葉草模型進行頻點規劃。但是，如圖所示，現網站址環境復雜，直接套用六邊形或三葉草模型不能準確評估現網中GSM各頻點的使用情況。因此在評估GSM現網資源使用程度時，需按照區域進行劃分，評估具有共性的一片區域內的總體頻率使用情況。本文提出 “區域平均復用度”作為分區域評估GSM頻點利用程度的方法，其計算公式為：

2.1.1.2 忙時無線利用率

忙時無線利用率主要考慮在無線資源使用最緊張的時段內，網絡的無線資源消耗程度。該指標體現了現網無線資源配置在資源使用忙時的表現。在本文的使用中，針對評估區域（城市、行政區、場景等）內各小區，重點分析其在資源消耗忙時的總無線資源消耗量與配置的資源總量占比的關系，并以占比分布區間綜合評估區域整體的忙時無線資源占用情況。計算公式為：

無線資源利用率公式中考慮了中繼容量的網絡負荷，間接反應資源占用比例。GSM網絡負荷的分析可以直接參考這一指標，忙時無線利用率作為衡量已配頻點在現網忙時利用是否充足，若利用度過低則考慮進一步減配，增大可再用頻譜量；若利用度過高則需預留更多GSM頻點，減少可再用頻譜量。

2.1.2 GSM網絡使用的頻譜量估算方法

本文提出的可用頻譜量估算方法分為3個步驟，首先根據現網GSM頻點配置數量和區域平均復用度進行可再用頻譜概算，隨后根據現網忙時無線利用率判定現網載頻配置是否需要調整，并根據無線利用率的情況對概算結果進行微調，得到對應區域的可再用頻譜量。最后，匯總統計整體城市可再用頻譜情況。下面分別描述每個步驟的具體實現。

2.1.2.1 可再用頻譜概算

該步驟根據現網GSM頻點配置數量和區域平均復用度進行可再用頻譜概算?；驹硎抢昧薌SM頻點規劃中使用的頻率復用度標準，根據現網小區載頻配置數量評估當前未配置頻點數。該步驟具體實施如下。

（1）按區域統計平均頻率復用度。利用公式（1）對“區域”內全部小區總體的頻率復用度進行計算。在選擇“區域”時，可考慮以同一區域具備一定共性為原則。一種與現網實際選址建站相呼應的方式是利用小區覆蓋區域特性進行劃分，如商場、辦公區、學校等。該類劃分相同區域內的小區一般具備業務需求和分布相似的特征。

（2）確定區域內可配的最小頻率復用度值。頻率復用度值越小，代表頻率使用越充分。區域內由于傳播環境具有一定共性，GSM頻點在同一個區域內的傳播特征、GSM系統在同一個區域內受干擾的分布都具有相似性。在網絡規劃中，一般根據GSM系統忍受干擾的限值計算一個可以工作的理論最小復用度值。在實際網絡建設中，受到實地傳播環境影響，一般會根據區域特征給定該區域合適的最小復用度值。

（3）計算區域內可再用頻譜估值。計算區域內單小區載頻最高配置值，乘以實際組網可使用的最小頻率復用度，得到區域內已配置載頻占用的帶寬。對比區域內擬重耕總GSM帶寬，得到可再用頻譜估值。

2.1.2.2 可再用頻譜量修正

由于上一步驟中僅考慮了GSM已配置頻點情況，并未對現網GSM頻點實際使用的程度進行分析，因此可能存在現網2G頻點過度使用或大量閑置的情況，需要進行結果修正。本步驟基于概算的帶寬結果，基于現網忙時無線利用率進行修正，具體步驟如下。

（1）分區域計算各小區是否需增減頻點。區域內各小區的忙時無線利用率與GSM擴容門限進行比較。若明顯低于擴容標準，說明存在擴容空間。計算該小區減少頻點后忙時無線利用率與擴容門限的關系，直至減少x頻點后該小區忙時無線利用率符合2G網絡充分利用的判定標準。若與上述情況相反，假設需要增加y頻點滿足小區忙時無線利用率符合2G網絡充分利用的判定標準，則對應小區頻點配置加y。

（2）參考區域最小復用度，更新概算結果。因現網重耕更實際的是分區域統一規劃，而不是單小區頻率規劃，因此修正結果需進一步以某一準則進行區域統一，如以區域內90%小區滿足單一頻段清頻為評估準則，參考概算步驟，依照更新后的頻點配置數值，計算區域可用頻譜量。

2.1.3 現網GSM網絡可再用頻譜分析

為驗證可再用頻譜分析方法可行性，本節結合某省份現網實際數據，對13個發展程度和規模不同城市2G網絡進行了可再用頻譜量估算（本分析例假設不同城市內滿足宏觀網絡特性一致，將該省份的不同城市劃分為不同區域進行分析），下面就實際網絡數據的計算結果進行分析。

2.1.3.1 現網平均頻率復用度分析

GSM規劃設計中一般以3×3復用規劃TCH頻點、4×3復用規劃BCCH頻點。對各省和地市公司GSM頻點實際配置分析表明，盡管2G頻點已全部規劃使用，但從其平均復用度統計來看，總體平均復用度并未達到規劃的低值，空間上頻率還存在較大的擴展空間，如圖4所示。

2.1.3.2 忙時最大無線利用率分析

小區配置資源是否使用充分，可通過忙時最大無線利用率評估，如圖5所示。

由上述數據分析可知，13個區域/城市中9個城市85%以上小區忙時最大無線利用率不足60%。其中，城市5、城市9、城市13共3個城市小區忙時最大無線利用率不足60%的小區占本市小區總數比例低于80%。此外，各城市均存在不同比例忙時最大無線利用率超過90%及以上的小區。其中，城市12、城市13兩城市此比例小區占本市小區總數10%以上。因此，從小區忙時最大無線利用率分布情況來看，13個被測區域總體忙時最大無線利用率相對較低，總體網絡負荷居中，大部分城市忙時最大無線利用率超過90%小區占比不超過小區總量的10%。

2.1.3.3 可再用頻譜量分析

應用本文提出的可再用頻譜分析方法，計算被測各城市2G網絡可再用頻譜資源量分布，結果如圖6所示。

綜合現網站點規模和基于實際數據的計算結果可以發現，被測的13個城市GSM頻譜資源均存在不同程度的再利用空間。以城市1和8為例，城市1屬于GSM建網密集型城市，GSM業務量大，忙時資源利用率適中，全區域可再用5 MHz資源的小區比例在93%以上，可再用10 MHz的小區比例大于60%，因此該區域目前可直接騰挪5 MHz用于發展LTE FDD；城市8則相反，GSM站點較稀疏，雖然忙時資源利用率適中，但全區域可再用5 MHz資源的小區比例僅20%左右，因此該頻段暫時無法進行全區域的清退重耕。

2.2 重耕區域組網方案研究

本節首先提出基于現網情況不選擇900/1 800 MHz頻段的一些考慮，其次就重耕區與非重耕區的干擾處理給出組網建議。

2.2.1 重耕頻率的選取

正如前所述，從產業成熟度和國際部署上看，目前1 800 MHz頻段相比900 MHz頻段具有很強的優勢。但是，900 MHz頻段在我國農村覆蓋和深入覆蓋方面擁有1 800 MHz無法比擬的優勢，如采用LTE 900能夠解決高頻段VoLTE深度覆蓋的瓶頸問題等。而這其中，快速、低成本的實現農村寬帶覆蓋又是國內運營商進行頻率重耕的主要驅動力，因此，筆者認為在大的頻段選取策略上，GSM900頻段應該是進行頻率重耕的首選。

圖4 分析城市總體GSM室內平均復用度

圖5 部分城市GSM單小區忙時最大無線利用率

圖6 GSM單小區存在5MHz以上可再用頻率資源分布

在分階段重耕過程中，針對GSM900和DCS1800

共覆蓋區域，若經評估該區域GSM900的可重耕帶寬不能滿足需要，可考慮將該區域局部小區改為900/1 800 MHz共小區方式，配置更多1 800 MHz頻點，從而空閑出足夠GSM900頻點用于重耕。需要說明的是，由非共小區改為共小區，需要對2G進行重新頻點規劃。但對于局部重耕區域，因重耕本身需進行區域內的頻點重規劃，因此在重耕區域進行共小區配置更改不會產生額外的現網工作復雜度。

2.2.2 重耕區與非重耕區的隔離與頻點使用建議

GSM與LTE系統鄰頻共存問題在APT及CCSA已開展相關研究。相關研究運用確定性計算以及系統級仿真兩種方法分析了GSM與LTE的干擾共存場景，仿真頻點為1 800 MHz。從計算以及仿真結果可知，如果GSM與LTE系統不共站址，保護帶為200 kHz時，兩系統可以共存。同時，依據3GPP RAN4曾經給ECC PT1聯絡函文稿“ECC PT1（09)178”，可知1 800 MHz的仿真結果結論可擴展到900 MHz的共存情況，原因是兩種情況下由于頻點發生變化導致路損發生變化，對于有用信號和干擾信號都一樣，從而導致信干比變化不大，兩個系統的評估準則都和信干比相關，故兩種頻點下的結論可相互擴展。參考共存研究結論，共覆蓋場景LTE與GSM間需保留至少200 kHz頻率保護，共站場景可緊鄰頻部署。實際組網中，為便于頻點設置，防止鄰頻干擾，可將GSM與LTE統一設置200 kHz頻率保護間隔。

GSM與LTE的同頻干擾場景在部分區域先進行重耕的實施策略下存在，主要發生在GSM基站與邊緣LTE終端間以及LTE基站與邊緣GSM終端間?；九c終端間的同頻干擾一般建議采用距離隔離的方式確保共存，即在重耕區域與非重耕區域的邊界設置緩沖帶，緩沖帶內小區不使用LTE FDD占用頻率。經過確定性分析，GSM基站對LTE終端的干擾和GSM終端對LTE基站的干擾最為嚴重，需提供約140 dB的隔離。緩沖區的實際大小主要受到部署FDD LTE900的小區數量及覆蓋區域是否連續、傳播環境（傳播模型）、站間距、基站高度、發射功率、天線增益和下傾角等因素的影響。根據現網測算，部署約2～3圈站點作為緩沖區能提供約140 dB左右的共存隔離度。其中，農村因站間距大，越區覆蓋少，緩沖區相比城區更容易配置。

3 小結

GSM現有頻譜資源如何有效利用是現階段國內研究的熱點問題之一。本文首先分析了我國2G頻率資源進行重耕的重要意義，隨后對900/1 800 MHz頻段上主設備和終端對重耕的支持情況進行研究分析。針對我國2G網絡的實際負荷特點，分別就2G頻率重耕可用帶寬、重耕區組網方案等重耕實施過程中的重點問題進行研究，為我國未來開展2G頻率重耕提供參考。

[1]王首峰, 唐顯莉, 程楠.TD-SCDMA向TD-LTE平滑演進的關鍵技術措施[J].電信工程技術與標準化, 2013（9).

[2]Dongchen Zhang, Shoufeng Wang, Xiaoyan Xu, et al.A Novel Long Term Traffic Forecast Algorithm[R].Proceedings of the 2nd BCS Internatioanl IT Conference,2014.

[3]AWG15/OUT-11.Report on regional spectrum requirements estimates related to WRC-15 agenda item 1.1[R].The 15th Meeting of APT Wireless Group （AWG-15), 2013.

[4]5D TEMP 267-E.Draft liaison statement to joint task group 4-5-6-7: Spectrum requirements for IMT related to WRC-15 Agenda item 1.1[R].16th Meeting of Working Party 5D,2013.

[5]黃標, 郎保真, 王坦, 等.頻譜需求預測白皮書（2020年)[Z].IMT-2020（5G）推進組頻率組第15次會議, IMT-2020_SPEC_14015, 2013.12.

[6]GSA.Status of the LTE Ecosystem[R].English: GSA, 2014.

[7]張冬晨, 孟德香, 孫超.頻譜共享應用中的動態頻率規劃方案探討[J].電信工程技術與標準化, 2012（5).