Cloud AIR多制式頻率動態共享方案研究

曹廣山 宋春鵬 王 建 李鳳花

1.中國聯通山東省分公司；2.山東省郵電規劃設計院有限公司

0 引言

當前移動網絡多制式多頻段共存已成為常態，中國聯通同時運營著2G/3G/4G多種網絡，頻譜資源相對緊張。目前，中國聯通4G網絡主要部署在1800MHz頻段，該頻段同時承載大量2G業務。隨著5G時代的來臨，頻譜資源將更加緊張,主要表現在以下幾個方面：無線頻譜緊缺，2G網絡占用大量低頻頻譜，導致新制式無法部署；新制式網絡建設投資大、周期長，實施困難；移動寬帶MBB業務發展迅速，導致網絡重載、用戶體驗差，流量被壓抑，需要更大帶寬滿足業務發展訴求；5G部署初期終端占比不足，業務較少，投入大，周期長，投資效率有限，無法快速引入。

就目前來看，900 MHz頻譜具有低頻優勢且繞射、穿透能力強，受到各運營商的青睞。L900能夠低成本實現4G的廣覆蓋，同時解決4G網絡深度覆蓋的問題。那么如何實現網絡制式間、頻段間的空口資源均衡，滿足MBB業務高速發展需求，是運營商面臨的首要問題。為了發揮各自網絡優勢，中國聯通積極采用新的頻譜方案，并對動態頻率共享方案進行了測試分析，為后續的網絡建設提供依據。

1 動態頻譜共享方案

Cloud AIR通過云化技術實現對空口資源（頻譜、功率和通道）的集中調度與高效利用，幫助運營商實現網絡制式間、頻段間空口資源的按需分配，使新老制式最大限度共享頻譜資源，同時新制式快速且低成本引入。

在Cloud AIR動態頻譜共享方案中，我們定義GSM網絡中BSC網元之間的接口為Iur-g接口，此為標準接口；BSC網元與基站BTS/ENODB之間的接口為BE接口，此為設備廠家私有接口，目的是實現GSM網絡和LTE網絡間的協同頻譜調度。不同網絡制式之間接口示意圖如圖1所示。

圖1 不同網絡制式之間接口示意圖

Cloud AIR動態頻譜共享的工作原理如下：

（1）GSM終端上報測量信息MR。

（2）BSC基于GSM/LTE干擾鄰區關系、共享頻點的用戶占用狀況，判斷LTE基站使用共享頻譜是否干擾GSM用戶，并向LTE發送GL同頻復用通知。

（3）eNodeB根據接收到的GL復用通知,計算出LTE在共享頻譜上的可用時頻資源，并進行合理的分配和調度。

Cloud AIR支持頻譜云化、功率云化、通道云化。頻譜云化是指將傳統單制式獨享頻譜轉變為制式間共享頻譜；功率云化是指傳統功率是單制式靜態功率，功率云化后共享的制式間將根據話務量動態調整制式的功率；通道云化也可以叫做上下行解耦，針對上行覆蓋能力受限場景，將主載波切換至低頻段的輔載波，同時，將原主載波配置成新的輔載波，提升高頻段邊緣CA用戶的體驗。

在傳統固定頻率方案中，LTE和GSM在900MHz頻譜上會存在頻率間干擾，動態頻譜共享特性開啟前，LTE網絡在900MHz頻段上只能開啟小一級帶寬。為避免網絡之間頻率干擾，與GSM網絡之間要配置一定的保護帶寬。保護帶寬資源不可被使用，因此造成了頻率資源浪費嚴重，如圖2所示，LTE分配的頻譜兩端都有保護帶寬。

圖2 傳統固定頻率方案

動態頻譜共享特性開啟后，LTE網絡可以開啟更大帶寬，GSM和LTE兩種網絡之間可實現動態共享頻譜資源。頻譜共享是指GSM有部分配置頻點在LTE配置的載波發射帶寬內，與LTE的頻率資源塊有交疊，系統根據實際網絡狀態及業務使用需要，在一定區域范圍內同時只允許一種制式使用。

GSM 網絡以載波間隔為200KHz的頻點進行頻率資源調度，LTE以子載波間隔為180KHz的 RB數為顆粒度進行頻率資源調度。在GSM/LTE之間的動態頻譜共享方案實施中，當GSM話務高時（GSM忙時狀態），GSM除了可占用其專用頻點外，還可同時使用GSM/LTE的共享頻點，而此時LTE不能再使用該共享頻點進行調度，只能使用其自身的專用頻點，如圖3所示，a .GSM忙時，頻譜供GSM使用；當GSM話務低時（GSM閑時狀態），不再需要GL共享頻點，此時LTE可以使用其帶寬范圍內的GL共享頻點進行調度，圖3的b.GSM閑時頻譜供LTE使用。

圖3 GL動態共享頻譜資源示意圖

以10.4MHz帶寬資源為例，GSM可以獨占0.4MHz帶寬，與LTE共享2MHz帶寬，GSM忙時可以最大開啟到2.4MHz，并優先使用共享頻譜。當GSM空閑時，GSM不再使用2MHz的共享帶寬，此時LTE可以最大可開到10MHz。由此可見，通過動態共享頻率能夠充分利用帶寬資源，提高頻率資源利用率。

2 案例分析

2.1 方案選擇

我們選取利津縣整個城區作為Cloud AIR試點區域，該試點區域內無GL900室分系統，測試區域如圖4所示，其中灰色區域是城區和農村的交界區域，無GL900站點，可作為Cloud AIR試點區域與外界的隔離帶。

圖4 CloudAIR方案測試試點區域

測試區域內GL900 SDR共模基站為29個，小區數85個；獨立GSM900基站6個，小區數18個。

考慮到測試區域當前GSM頻點使用了14個子載波，GSM 2.4MHz方案最大能夠提供12個子載波，基本接近現網GSM水平，GSM網絡質量不會明顯下降。另外考慮到目前網絡建設情況，在5G網絡建設初期，LTE容量需求將會進一步提升，10MHz帶寬的LTE相對于5MHz將會大幅提升LTE的容量，因此最終我們選擇GSM 2.4MHz和LTE 10MHz動態共享方案，如圖5和圖6所示。

圖5 LTE10M + GSM 2.4M頻譜共享示意圖（1/2）

圖6 LTE10M + GSM 2.4M頻譜共享示意圖（2/2）

由上圖可知，LTE 900MHz系統開通10 MHz帶寬的動態頻譜共享時，能夠獨享8.4MHz，共享1.6 MHz，中心頻率為954.5MHz，對應的下行頻點號是3745。GSM900MHz系統左側使用1.2MHz帶寬（949.1-950.3MHz），共享0.8MHz帶寬，左側對應的6個頻點號分別為：71、72、73、74、75、76。GSM900MHz系統在右側使用1.2MHz的帶寬（958.7-959.9 MHz），共享0.8 MHz，右側對應的6個頻點號為：119、120、121、122、123、124。

2.2 部署方案效果

（1）拉網測試分析

我們對本方案進行了兩次拉網測試，第一輪測試的目的是對動態頻譜功能開通前的現網情況摸底測試，第二輪的目的是動態CloudAIR開通情況的統計分析。

在兩輪拉網測試中，我們所采用的測試設備、測試軟件及測試路線基本一致，方案測試的基本信息見表1。

表1 方案測試基本信息

通過對兩輪測試數據進行分析，當開啟動態Cloud AIR功能時，L900網絡可動態共享1.6 MHz帶寬，FTP 的RLC層下載速率由5.75 Mbps提升到23.32 Mbps，下載速率提升約305%。FTP的RLC層上傳速率由3.87 Mbps提升到11.51 Mbps，開通Cloud AIR后上傳速率提升197%。相關數據指標見表2所示。

表2 LTE900動態頻譜開通前后關鍵指標對比

測試指標 第一輪 第二輪FTP RLC層上傳速率 3.87Mbps 11.51Mbps RRC建立成功率 100% 100%ERAB建立成功率 100% 100%CSFB建立成功率 100% 100%CSFB端到端時延 6.9s 6.5s主叫切換成功率 93.22% 93.14%被叫切換成功率 90.28% 91.96%主叫VOLTE MOS 3.87 3.98被叫VOLTE MOS 3.9 4.1

從上表LTE900動態頻譜開通前后關鍵指標統計數據可以看出，LTE900MHz網絡在動態頻譜功能開啟前后，網絡的RRC建立成功率、ERAB建立成功率、CSFB建立成功率等KPI指標都正常，未造成網絡掉話、連接失敗等現象。

通過兩輪測試的數據對比分析，我們發現對GSM900網絡覆蓋情況影響很小，基本符合現網GSM網格覆蓋情況。GSM 900網絡運行的關鍵指標如表3所示，動態頻譜方案開啟后，GSM 900網絡語音話務運行正常。

表3 GSM 900動態頻譜開通前后對比

（2）話務數據統計分析

通過提取動態頻譜功能開通前后一段時間內話務量數據，我們對關鍵指標TCH話務量、下行用戶感知速率及下行可用RB數進行了對比分析，測試結果如下：

（1）開通后LTE的吞吐率隨著GSM話務量變小而變大，GSM忙時LTE可用RB數變少，GSM閑時LTE可用RB數變多。

（2）開通后下行平均用戶感知速率為14.55Mbps，開通前平均用戶感知速率為5.45Mbps，用戶速率提升166%。

（3）開通后下行可用RB個數平均為45.33個，遠高于LTE的3MHz標準帶寬的15個RB數，可用資源提升202.2%。

（4）開通動態頻譜共享方案之后，GSM的 KPI指標保持穩定，LTE的網絡指標得到提升。

由此可見，頻率動態共享方案CloudAIR能夠在保障存量2G/3G網絡性能指標的前提下，騰挪更多頻譜帶寬給LTE使用，釋放被壓抑的MBB業務需求，有效提升頻譜利用率。

3 結束語

本文提出的動態頻譜共享方案能夠解決老制式終端長期不退網的問題，提升GSM/LTE網絡制式的頻譜利用率。通過對GSM和LTE頻譜共享配置，在不影響GSM網絡性能的前提下提升LTE在低頻段上的網絡容量與覆蓋。后續隨著頻譜深度云化及共享度逐步提升，可實現在低頻段有限頻譜上部署GSM、UMTS、LTE、NB-IoT，構建全業務廣覆蓋基礎網，加速MBB網絡演進。