頻譜資源重規劃在未來移動通信中的研究與實踐

邵建　沈彩鳳

隨著物聯網終端用戶量的快速增長、蜂窩物聯網的興起和對5G移動通信的探索，目前國內對頻譜資源的重規劃變得日益迫切和重要，因此通過對國內移動通信頻譜資源的當下利用情況、可行性重規劃等方面進行研究和分析，為未來蜂窩物聯網的頻譜分配、4G移動通信網的頻譜擴展提出建議。

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1 國內無線頻譜資源的應用現狀分析

不管是在國外還是國內，頻譜都是一種寶貴、稀缺的資源，是承載和發展移動通信業務的基礎。之前國內的3G（TD-SCDMA）和4G（LTE）網絡在規劃建設前，國家相關部門都要先為三大電信運營商劃分好頻譜資源，即各大電信運營商的基站和手機通信的頻率要在國家所分配的頻譜范圍內，因而所分得的頻帶越寬，所能承載的移動通信業務量越大、網絡規劃和優化的工作越好開展。在國外特別是歐洲發達國家，發展移動通信所用的頻譜資源都是由其相關組織公開拍賣的，由此可見頻譜是非常寶貴的資源。

在國內，目前已被占用的頻譜資源涵蓋了如下三代共存的移動通信網絡：

（1）2G全球移動通信系統：中國移動和中國聯通的GSM900M和GSM1800M網絡、中國電信的CDMA800M網絡。

（2）3G網絡：中國移動的TD-SCDMA、中國聯通的WCDMA和中國電信的CDMA2000網絡。

（3）4G網絡：中國移動的TD-LTE網絡、中國電信和中國聯通的LTE FDD網絡。

其他還有如鐵路交通等專網的移動無線通信也占用了一些頻譜資源，為特定場景下使用，不是廣域的移動通信范疇，因而不在本文的研究范圍內。當前國內移動通信頻譜資源的應用現狀如圖1所示。

1900 MHz—1920 MHz頻段原為PHS（小靈通移動終端）的頻段，現已被清理出來，后續可為中國移動的TD-LTE使用，即中國移動TD-LTE中的F頻段將擴展為40 MHz（1880 MHz—1920 MHz）。

從圖1中可以看來，中國移動3G TD-SCDMA原規劃占用的部分F頻段資源（1880 MHz—1900 MHz）將被用于支持4G TD-LTE的發展。原來GSM1800頻段中分配給中國聯通的是1745 MHz—1755 MHz（上行）、1840 MHz—1850 MHz（下行），后來因為部署LTE FDD，調整如圖1所示，由此也可分析出未來頻譜重規劃的依據和趨勢。

2 頻譜資源重規劃的背景需求

目前物聯網在國內各行業內的多個領域中規模應用，如教育、醫療、安防、家居、農業、交通、建筑等，很多行業領域對物聯網終端的需求持續增加。傳統的物聯網終端（內置以GPRS為主的2G通信模塊）通過接入2G移動通信網絡實現與后臺的遠程通信，占用GSM網絡的200 k頻段，存在耗電快、頻譜利用率低等問題。近期蜂窩物聯網技術開始興起，以如窄帶物聯網（NB-IoT）等為代表，是一種基于窄帶通信的技術方案，為每個物聯網終端用戶分配如5 kHz或者更小的帶寬，可滿足超過80%的物聯網應用場景的小數據量通信需求，如遠程抄表終端（水、電、煤氣的抄表）僅需在上報數據時才會通過移動通信網絡連接位于Internet內的遠程后臺，一天連接如兩三次或者更少，每次傳輸數百到數千字節，即終端的通信速率僅為幾百bps到數千bps。

蜂窩物聯網基于終端芯片的PSM（Power Saving Mode，省電模式）工作模式和窄帶寬的通信機制有低功耗、支持海量連接等優勢，如在智能可穿戴領域，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網的應用，需要提前考慮其無線通信頻譜的規劃。

隨著移動互聯網業務的日益豐富和多樣化，如以手機直播為代表的視頻直播、大文件下載、網頁瀏覽等應用的發展，個人用戶對手機高速上網有著強烈的需求，這也是移動寬帶高速發展的基礎。截至2016年11月底，僅中國移動的4G用戶數已超過5.1億，DOU（單用戶的月均流量）超過了1G，4G用戶滲透率也呈現快速上漲的趨勢。

國內的3G網絡原是為用戶提供上網服務而設計部署的，但隨著4G的應用普及，國內的3G手機用戶量在持續快速地下降，因而未來3G網絡退出個人手機通信領域將是一種趨勢，但其在集團客戶領域如無線固話（考慮如成本、地理等因素不宜鋪專線）等，還有一定的應用市場。目前2G網絡主要為個人用戶提供語音業務的承載，但隨著VoLTE手機的普及、VoLTE網絡功能在全網的開通，未來面向個人用戶的2G語音網絡（GSM、CDMA）也將逐步被4G LTE網絡所替代。

綜上分析，2G、3G及4G網絡的頻譜資源需要提前考慮重規劃，頻譜帶寬更傾向承載高流量、多用戶的4G網絡傾斜。已處于技術實驗和探索階段的5G移動通信網絡，目前業界達成的共識是將使用超過10 GHz的頻率，不影響現網在用的移動通信頻譜資源，因而容易提前規劃和快速分配。

3 頻譜重規劃中需考慮的因素

在國內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關系如下所示：

（1）900M頻段（單位：MHz）

手機發，基站收：

F1（n）=890.2+（n-1）×0.2 （1）

基站發，手機收：

Fh（n）=F1（n）+45，n∈（1， 124） （2）

（2）1800M頻段（單位：MHz）

手機發，基站收：

F1（n）=1710.2+（n-512）×0.2 （3）

基站發，手機收：

Fh（n）=F1（n）+95，n∈（512， 685） （4）

由上可見，GSM900系統共124個頻點，頻點序號（ARFCN）為1～124，在兩端保留200 kHz的保護帶寬；GSM1800系統共174個頻點，頻點序號（ARFCN）為512～685。比如中國移動使用GSM900頻段范圍為890 MHz—909 MHz（上行），對應的頻點號范圍為1～95；中國聯通的頻段范圍為909 MHz—915 MHz（上行），對應的頻點范圍是96～124。在實際移動通信網絡中，也用到少量幾個位于GSM-E頻段（即GSM擴展頻段，上行為：880 MHz—890 MHz，下行為：925 MHz—935 MHz）內的頻點，如890 MHz、889.8 MHz等，但其實際使用的頻次非常低。以國內某地市為例，表1為GSM900頻段部分頻點的現網使用頻次示例：