2G频率重耕关键问题研究

张冬晨，王首峰

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

频谱是无线通信数据载体，是无线网络发展的重要战略资源。近年来，随着智能终端和移动互联网的迅猛发展，无线通信数据量呈现出爆炸式的增长态势，虽然移动通信技术的发展已大幅提高了频谱使用效率，但巨大的用户需求，依然使得移动通信频谱资源短缺的状况日益突出。未来移动通信频谱需求的研究表明，我国宽带移动通信频谱需求在2015年将达到580～680 MHz，2020年将达到1.49～1.81 GHz。

为满足地面移动通信系统对无线频谱资源的需求，国内外已开展大量寻找新的适合频段的研究工作。众所周知，3 GHz以下频率在相同站点资源下可实现比高频段更大范围的网络覆盖，并具有更好的穿透特性，因此受到全球移动运营商的重点关注。但是目前，3 GHz以下频谱已分配殆尽，特别是1 GHz以下的黄金频段，难以再为移动通信新增频谱资源。另一方面，由于我国广播电视数模转换进程缓慢等原因，2012年世界无线电大会划分用于移动通信系统的700 MHz数字红利频段，预计在2020年前也很难全部规划落地。因此，充分挖掘已有频谱资源的能力，开展2G频率重耕，服务宽带移动发展需求，成为我国通信运营商解决近期频谱资源短缺问题和业务发展压力的重要途径。

1 900/1 800 MHz频段支持度分析

设备及终端支持度对实施频率重耕的投资具有较大的影响。本节详细研究了国际、国内GSM网络设备资源及终端支持情况，重点分析900/1 800 MHz频段重耕的可实现性。

1.1 网络侧主设备支持度分析

国际上900/1 800 MHz频率重耕案例可作为我国开展相应频段重耕的参考。如图1所示，全球71个国家已商用150张LTE 1 800网络，此外还有23张LTE 1 800网络正在试商用。LTE 900商用网络还未大规模兴起，多数国家的GSM 900于2007年逐步向UMTS 900演进，目前已有58个国家共计87张UMTS 900网络，仅个别运营商将此频段同时应用LTE。

图1 GSMA统计国际各频段LTE网络数量

在我国，目前900/1 800 MHz频段尚未重规划为4G频段，尚无商用网络，但国内2G主设备向4G网络升级已具备较高的支持度。根据对国内移动通信主设备厂商的调研统计，目前，包括BBU和RRU在内的主设备支持软硬件升级（RRU需软件升级，BBU新增基带及主控板）的比例近80%。因此，考虑到GSM的庞大站址规模，若国内开启2G频率重耕，将能够快速铺建一张覆盖全国的宽带4G网络，并由于主设备升级和天馈、站址重用大幅减少建网成本。

1.2 终端支持度分析

保有基数庞大、种类繁多的在网终端是移动通信产业良性发展的必备条件。对于900/1 800 MHz频段开展重耕来说，国内外该频段LTE制式终端的支持情况尤为重要。

GSMA统计数据表明，全球各频段的LTE终端种类迅速增加，全球LTE终端种类增长迅猛。2015年4月已达2919款，年增长率87%，如图2所示。

终端对不同频段的支持程度方面，LTE终端也呈现了以往其它制式终端未曾出现的多样性特征。从图3给出的LTE FDD终端在相应频段上的终端种类可以看出，在LTE FDD终端中，支持1 800 MHz频段的种类最多，2 600 MHz频段和2 100 MHz频段上支持终端种类分别位居第二第三。900MHz频段在国际上由于早期已开展向UMTS演进，所以该频段上LTE FDD终端种类排名居中，支持终端种类数量达到1 800 MHz频段上终端种类的近50%。

另一方面，国内运营商均持有TD-LTE频谱，同时支持TDD和FDD制式的LTE终端更能满足实际运营和漫游需求。但根据目前的统计，同时支持TDD及FDD制式的LTE终端对应频段组合较少。截至2014年10月， 200款终端支持Band 7、Band 40，187款终端支持Band 3、Band 38。此外，中国移动前期提出的LTE五模十频终端目前暂不支持LTE 900 MHz频段。因此，尽管国际上LTE FDD及TD-LTE终端支持的种类和数量与日俱增，但同时支持FDD及TDD模式的终端种类目前仍较为有限。在未来我国开展900/1 800 MHz频率重耕的同时，需加大推动相应的终端发展力度。

图2 2015年4月全球LTE终端已达2919款

2 现网频率重耕的问题研究

本节结合运营商的网络实际，对GSM现网频率重耕的可用带宽及组网方案两个问题进行了研究。首先，从目前中国移动的2G网络运营情况看，2G网络还保有较大业务量和用户规模，现网2G网络可以腾出频谱资源量是各省公司考虑频谱资源再利用中最为关注的问题之一。其次，我国频率重耕的实施过程将不可避免的存在2G与4G系统在同一地区邻频部署的阶段。为保证重耕后2G及4G网络性能，需评估频率重耕过程中的系统共存状况及组网方案。本节分别就上述两个问题提出相应的解决方案以供国内开展频率重耕参考。

图3 GSMA统计各频段支持LTE终端种类

2.1 可用带宽分析

由于现网2G仍存在大量活跃用户，短期内预计难以按照先清频再重耕的思路实现2G向4G的升级。因此，在重耕实施的前期和中期将通过部分2G频率资源重耕、2G与4G邻频共存的方式，逐步由2G转向4G。本节首先分析影响可用带宽关键因素，其次提出现网评估可用带宽方法，最后利用该方法对13个城市2G现网数据进行了分析。

2.1.1 GSM网络可再用频谱分析的关键因素

2.1.1.1 频率复用度

为了解决大区集群通信的容量瓶颈，上个世纪70年代末提出的蜂窝移动通信系统通过空间复用频率的思想，突破了原有的有限频率资源对系统可容纳最大用户数的限制，最终使得蜂窝移动通信成为近10年来通信领域最热门的方向之一。频率复用的基本思想是降低基站的发射功率，使得小区半径收缩，只覆盖相对较小的一片区域，相隔若干个小区后再重复利用相同的频率。蜂窝移动通信系统通过空间频率复用，能够有效提高频率的使用效率和系统容量。

网络设计规划中，一般按照六边形或三叶草模型进行频点规划。但是，如图所示，现网站址环境复杂，直接套用六边形或三叶草模型不能准确评估现网中GSM各频点的使用情况。因此在评估GSM现网资源使用程度时，需按照区域进行划分，评估具有共性的一片区域内的总体频率使用情况。本文提出 “区域平均复用度”作为分区域评估GSM频点利用程度的方法，其计算公式为：

2.1.1.2 忙时无线利用率

忙时无线利用率主要考虑在无线资源使用最紧张的时段内，网络的无线资源消耗程度。该指标体现了现网无线资源配置在资源使用忙时的表现。在本文的使用中，针对评估区域（城市、行政区、场景等）内各小区，重点分析其在资源消耗忙时的总无线资源消耗量与配置的资源总量占比的关系，并以占比分布区间综合评估区域整体的忙时无线资源占用情况。计算公式为：

无线资源利用率公式中考虑了中继容量的网络负荷，间接反应资源占用比例。GSM网络负荷的分析可以直接参考这一指标，忙时无线利用率作为衡量已配频点在现网忙时利用是否充足，若利用度过低则考虑进一步减配，增大可再用频谱量；若利用度过高则需预留更多GSM频点，减少可再用频谱量。

2.1.2 GSM网络使用的频谱量估算方法

本文提出的可用频谱量估算方法分为3个步骤，首先根据现网GSM频点配置数量和区域平均复用度进行可再用频谱概算，随后根据现网忙时无线利用率判定现网载频配置是否需要调整，并根据无线利用率的情况对概算结果进行微调，得到对应区域的可再用频谱量。最后，汇总统计整体城市可再用频谱情况。下面分别描述每个步骤的具体实现。

2.1.2.1 可再用频谱概算

该步骤根据现网GSM频点配置数量和区域平均复用度进行可再用频谱概算。基本原理是利用了GSM频点规划中使用的频率复用度标准，根据现网小区载频配置数量评估当前未配置频点数。该步骤具体实施如下。

（1）按区域统计平均频率复用度。利用公式（1）对“区域”内全部小区总体的频率复用度进行计算。在选择“区域”时，可考虑以同一区域具备一定共性为原则。一种与现网实际选址建站相呼应的方式是利用小区覆盖区域特性进行划分，如商场、办公区、学校等。该类划分相同区域内的小区一般具备业务需求和分布相似的特征。

（2）确定区域内可配的最小频率复用度值。频率复用度值越小，代表频率使用越充分。区域内由于传播环境具有一定共性，GSM频点在同一个区域内的传播特征、GSM系统在同一个区域内受干扰的分布都具有相似性。在网络规划中，一般根据GSM系统忍受干扰的限值计算一个可以工作的理论最小复用度值。在实际网络建设中，受到实地传播环境影响，一般会根据区域特征给定该区域合适的最小复用度值。

（3）计算区域内可再用频谱估值。计算区域内单小区载频最高配置值，乘以实际组网可使用的最小频率复用度，得到区域内已配置载频占用的带宽。对比区域内拟重耕总GSM带宽，得到可再用频谱估值。

2.1.2.2 可再用频谱量修正

由于上一步骤中仅考虑了GSM已配置频点情况，并未对现网GSM频点实际使用的程度进行分析，因此可能存在现网2G频点过度使用或大量闲置的情况，需要进行结果修正。本步骤基于概算的带宽结果，基于现网忙时无线利用率进行修正，具体步骤如下。

（1）分区域计算各小区是否需增减频点。区域内各小区的忙时无线利用率与GSM扩容门限进行比较。若明显低于扩容标准，说明存在扩容空间。计算该小区减少频点后忙时无线利用率与扩容门限的关系，直至减少x频点后该小区忙时无线利用率符合2G网络充分利用的判定标准。若与上述情况相反，假设需要增加y频点满足小区忙时无线利用率符合2G网络充分利用的判定标准，则对应小区频点配置加y。

（2）参考区域最小复用度，更新概算结果。因现网重耕更实际的是分区域统一规划，而不是单小区频率规划，因此修正结果需进一步以某一准则进行区域统一，如以区域内90%小区满足单一频段清频为评估准则，参考概算步骤，依照更新后的频点配置数值，计算区域可用频谱量。

2.1.3 现网GSM网络可再用频谱分析

为验证可再用频谱分析方法可行性，本节结合某省份现网实际数据，对13个发展程度和规模不同城市2G网络进行了可再用频谱量估算（本分析例假设不同城市内满足宏观网络特性一致，将该省份的不同城市划分为不同区域进行分析），下面就实际网络数据的计算结果进行分析。

2.1.3.1 现网平均频率复用度分析

GSM规划设计中一般以3×3复用规划TCH频点、4×3复用规划BCCH频点。对各省和地市公司GSM频点实际配置分析表明，尽管2G频点已全部规划使用，但从其平均复用度统计来看，总体平均复用度并未达到规划的低值，空间上频率还存在较大的扩展空间，如图4所示。

2.1.3.2 忙时最大无线利用率分析

小区配置资源是否使用充分，可通过忙时最大无线利用率评估，如图5所示。

由上述数据分析可知，13个区域/城市中9个城市85%以上小区忙时最大无线利用率不足60%。其中，城市5、城市9、城市13共3个城市小区忙时最大无线利用率不足60%的小区占本市小区总数比例低于80%。此外，各城市均存在不同比例忙时最大无线利用率超过90%及以上的小区。其中，城市12、城市13两城市此比例小区占本市小区总数10%以上。因此，从小区忙时最大无线利用率分布情况来看，13个被测区域总体忙时最大无线利用率相对较低，总体网络负荷居中，大部分城市忙时最大无线利用率超过90%小区占比不超过小区总量的10%。

2.1.3.3 可再用频谱量分析

应用本文提出的可再用频谱分析方法，计算被测各城市2G网络可再用频谱资源量分布，结果如图6所示。

综合现网站点规模和基于实际数据的计算结果可以发现，被测的13个城市GSM频谱资源均存在不同程度的再利用空间。以城市1和8为例，城市1属于GSM建网密集型城市，GSM业务量大，忙时资源利用率适中，全区域可再用5 MHz资源的小区比例在93%以上，可再用10 MHz的小区比例大于60%，因此该区域目前可直接腾挪5 MHz用于发展LTE FDD；城市8则相反，GSM站点较稀疏，虽然忙时资源利用率适中，但全区域可再用5 MHz资源的小区比例仅20%左右，因此该频段暂时无法进行全区域的清退重耕。

2.2 重耕区域组网方案研究

本节首先提出基于现网情况不选择900/1 800 MHz频段的一些考虑，其次就重耕区与非重耕区的干扰处理给出组网建议。

2.2.1 重耕频率的选取

正如前所述，从产业成熟度和国际部署上看，目前1 800 MHz频段相比900 MHz频段具有很强的优势。但是，900 MHz频段在我国农村覆盖和深入覆盖方面拥有1 800 MHz无法比拟的优势，如采用LTE 900能够解决高频段VoLTE深度覆盖的瓶颈问题等。而这其中，快速、低成本的实现农村宽带覆盖又是国内运营商进行频率重耕的主要驱动力，因此，笔者认为在大的频段选取策略上，GSM900频段应该是进行频率重耕的首选。

图4 分析城市总体GSM室内平均复用度

图5 部分城市GSM单小区忙时最大无线利用率

图6 GSM单小区存在5MHz以上可再用频率资源分布

在分阶段重耕过程中，针对GSM900和DCS1800

共覆盖区域，若经评估该区域GSM900的可重耕带宽不能满足需要，可考虑将该区域局部小区改为900/1 800 MHz共小区方式，配置更多1 800 MHz频点，从而空闲出足够GSM900频点用于重耕。需要说明的是，由非共小区改为共小区，需要对2G进行重新频点规划。但对于局部重耕区域，因重耕本身需进行区域内的频点重规划，因此在重耕区域进行共小区配置更改不会产生额外的现网工作复杂度。

2.2.2 重耕区与非重耕区的隔离与频点使用建议

GSM与LTE系统邻频共存问题在APT及CCSA已开展相关研究。相关研究运用确定性计算以及系统级仿真两种方法分析了GSM与LTE的干扰共存场景，仿真频点为1 800 MHz。从计算以及仿真结果可知，如果GSM与LTE系统不共站址，保护带为200 kHz时，两系统可以共存。同时，依据3GPP RAN4曾经给ECC PT1联络函文稿“ECC PT1（09)178”，可知1 800 MHz的仿真结果结论可扩展到900 MHz的共存情况，原因是两种情况下由于频点发生变化导致路损发生变化，对于有用信号和干扰信号都一样，从而导致信干比变化不大，两个系统的评估准则都和信干比相关，故两种频点下的结论可相互扩展。参考共存研究结论，共覆盖场景LTE与GSM间需保留至少200 kHz频率保护，共站场景可紧邻频部署。实际组网中，为便于频点设置，防止邻频干扰，可将GSM与LTE统一设置200 kHz频率保护间隔。

GSM与LTE的同频干扰场景在部分区域先进行重耕的实施策略下存在，主要发生在GSM基站与边缘LTE终端间以及LTE基站与边缘GSM终端间。基站与终端间的同频干扰一般建议采用距离隔离的方式确保共存，即在重耕区域与非重耕区域的边界设置缓冲带，缓冲带内小区不使用LTE FDD占用频率。经过确定性分析，GSM基站对LTE终端的干扰和GSM终端对LTE基站的干扰最为严重，需提供约140 dB的隔离。缓冲区的实际大小主要受到部署FDD LTE900的小区数量及覆盖区域是否连续、传播环境（传播模型）、站间距、基站高度、发射功率、天线增益和下倾角等因素的影响。根据现网测算，部署约2～3圈站点作为缓冲区能提供约140 dB左右的共存隔离度。其中，农村因站间距大，越区覆盖少，缓冲区相比城区更容易配置。

3 小结

GSM现有频谱资源如何有效利用是现阶段国内研究的热点问题之一。本文首先分析了我国2G频率资源进行重耕的重要意义，随后对900/1 800 MHz频段上主设备和终端对重耕的支持情况进行研究分析。针对我国2G网络的实际负荷特点，分别就2G频率重耕可用带宽、重耕区组网方案等重耕实施过程中的重点问题进行研究，为我国未来开展2G频率重耕提供参考。

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