Cloud AIR多制式频率动态共享方案研究

曹广山 宋春鹏 王 建 李凤花

1.中国联通山东省分公司；2.山东省邮电规划设计院有限公司

0 引言

当前移动网络多制式多频段共存已成为常态，中国联通同时运营着2G/3G/4G多种网络，频谱资源相对紧张。目前，中国联通4G网络主要部署在1800MHz频段，该频段同时承载大量2G业务。随着5G时代的来临，频谱资源将更加紧张,主要表现在以下几个方面：无线频谱紧缺，2G网络占用大量低频频谱，导致新制式无法部署；新制式网络建设投资大、周期长，实施困难；移动宽带MBB业务发展迅速，导致网络重载、用户体验差，流量被压抑，需要更大带宽满足业务发展诉求；5G部署初期终端占比不足，业务较少，投入大，周期长，投资效率有限，无法快速引入。

就目前来看，900 MHz频谱具有低频优势且绕射、穿透能力强，受到各运营商的青睐。L900能够低成本实现4G的广覆盖，同时解决4G网络深度覆盖的问题。那么如何实现网络制式间、频段间的空口资源均衡，满足MBB业务高速发展需求，是运营商面临的首要问题。为了发挥各自网络优势，中国联通积极采用新的频谱方案，并对动态频率共享方案进行了测试分析，为后续的网络建设提供依据。

1 动态频谱共享方案

Cloud AIR通过云化技术实现对空口资源（频谱、功率和通道）的集中调度与高效利用，帮助运营商实现网络制式间、频段间空口资源的按需分配，使新老制式最大限度共享频谱资源，同时新制式快速且低成本引入。

在Cloud AIR动态频谱共享方案中，我们定义GSM网络中BSC网元之间的接口为Iur-g接口，此为标准接口；BSC网元与基站BTS/ENODB之间的接口为BE接口，此为设备厂家私有接口，目的是实现GSM网络和LTE网络间的协同频谱调度。不同网络制式之间接口示意图如图1所示。

图1 不同网络制式之间接口示意图

Cloud AIR动态频谱共享的工作原理如下：

（1）GSM终端上报测量信息MR。

（2）BSC基于GSM/LTE干扰邻区关系、共享频点的用户占用状况，判断LTE基站使用共享频谱是否干扰GSM用户，并向LTE发送GL同频复用通知。

（3）eNodeB根据接收到的GL复用通知,计算出LTE在共享频谱上的可用时频资源，并进行合理的分配和调度。

Cloud AIR支持频谱云化、功率云化、通道云化。频谱云化是指将传统单制式独享频谱转变为制式间共享频谱；功率云化是指传统功率是单制式静态功率，功率云化后共享的制式间将根据话务量动态调整制式的功率；通道云化也可以叫做上下行解耦，针对上行覆盖能力受限场景，将主载波切换至低频段的辅载波，同时，将原主载波配置成新的辅载波，提升高频段边缘CA用户的体验。

在传统固定频率方案中，LTE和GSM在900MHz频谱上会存在频率间干扰，动态频谱共享特性开启前，LTE网络在900MHz频段上只能开启小一级带宽。为避免网络之间频率干扰，与GSM网络之间要配置一定的保护带宽。保护带宽资源不可被使用，因此造成了频率资源浪费严重，如图2所示，LTE分配的频谱两端都有保护带宽。

图2 传统固定频率方案

动态频谱共享特性开启后，LTE网络可以开启更大带宽，GSM和LTE两种网络之间可实现动态共享频谱资源。频谱共享是指GSM有部分配置频点在LTE配置的载波发射带宽内，与LTE的频率资源块有交叠，系统根据实际网络状态及业务使用需要，在一定区域范围内同时只允许一种制式使用。

GSM 网络以载波间隔为200KHz的频点进行频率资源调度，LTE以子载波间隔为180KHz的 RB数为颗粒度进行频率资源调度。在GSM/LTE之间的动态频谱共享方案实施中，当GSM话务高时（GSM忙时状态），GSM除了可占用其专用频点外，还可同时使用GSM/LTE的共享频点，而此时LTE不能再使用该共享频点进行调度，只能使用其自身的专用频点，如图3所示，a .GSM忙时，频谱供GSM使用；当GSM话务低时（GSM闲时状态），不再需要GL共享频点，此时LTE可以使用其带宽范围内的GL共享频点进行调度，图3的b.GSM闲时频谱供LTE使用。

图3 GL动态共享频谱资源示意图

以10.4MHz带宽资源为例，GSM可以独占0.4MHz带宽，与LTE共享2MHz带宽，GSM忙时可以最大开启到2.4MHz，并优先使用共享频谱。当GSM空闲时，GSM不再使用2MHz的共享带宽，此时LTE可以最大可开到10MHz。由此可见，通过动态共享频率能够充分利用带宽资源，提高频率资源利用率。

2 案例分析

2.1 方案选择

我们选取利津县整个城区作为Cloud AIR试点区域，该试点区域内无GL900室分系统，测试区域如图4所示，其中灰色区域是城区和农村的交界区域，无GL900站点，可作为Cloud AIR试点区域与外界的隔离带。

图4 CloudAIR方案测试试点区域

测试区域内GL900 SDR共模基站为29个，小区数85个；独立GSM900基站6个，小区数18个。

考虑到测试区域当前GSM频点使用了14个子载波，GSM 2.4MHz方案最大能够提供12个子载波，基本接近现网GSM水平，GSM网络质量不会明显下降。另外考虑到目前网络建设情况，在5G网络建设初期，LTE容量需求将会进一步提升，10MHz带宽的LTE相对于5MHz将会大幅提升LTE的容量，因此最终我们选择GSM 2.4MHz和LTE 10MHz动态共享方案，如图5和图6所示。

图5 LTE10M + GSM 2.4M频谱共享示意图（1/2）

图6 LTE10M + GSM 2.4M频谱共享示意图（2/2）

由上图可知，LTE 900MHz系统开通10 MHz带宽的动态频谱共享时，能够独享8.4MHz，共享1.6 MHz，中心频率为954.5MHz，对应的下行频点号是3745。GSM900MHz系统左侧使用1.2MHz带宽（949.1-950.3MHz），共享0.8MHz带宽，左侧对应的6个频点号分别为：71、72、73、74、75、76。GSM900MHz系统在右侧使用1.2MHz的带宽（958.7-959.9 MHz），共享0.8 MHz，右侧对应的6个频点号为：119、120、121、122、123、124。

2.2 部署方案效果

（1）拉网测试分析

我们对本方案进行了两次拉网测试，第一轮测试的目的是对动态频谱功能开通前的现网情况摸底测试，第二轮的目的是动态CloudAIR开通情况的统计分析。

在两轮拉网测试中，我们所采用的测试设备、测试软件及测试路线基本一致，方案测试的基本信息见表1。

表1 方案测试基本信息

通过对两轮测试数据进行分析，当开启动态Cloud AIR功能时，L900网络可动态共享1.6 MHz带宽，FTP 的RLC层下载速率由5.75 Mbps提升到23.32 Mbps，下载速率提升约305%。FTP的RLC层上传速率由3.87 Mbps提升到11.51 Mbps，开通Cloud AIR后上传速率提升197%。相关数据指标见表2所示。

表2 LTE900动态频谱开通前后关键指标对比

测试指标 第一轮 第二轮FTP RLC层上传速率 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端到端时延 6.9s 6.5s主叫切换成功率 93.22% 93.14%被叫切换成功率 90.28% 91.96%主叫VOLTE MOS 3.87 3.98被叫VOLTE MOS 3.9 4.1

从上表LTE900动态频谱开通前后关键指标统计数据可以看出，LTE900MHz网络在动态频谱功能开启前后，网络的RRC建立成功率、ERAB建立成功率、CSFB建立成功率等KPI指标都正常，未造成网络掉话、连接失败等现象。

通过两轮测试的数据对比分析，我们发现对GSM900网络覆盖情况影响很小，基本符合现网GSM网格覆盖情况。GSM 900网络运行的关键指标如表3所示，动态频谱方案开启后，GSM 900网络语音话务运行正常。

表3 GSM 900动态频谱开通前后对比

（2）话务数据统计分析

通过提取动态频谱功能开通前后一段时间内话务量数据，我们对关键指标TCH话务量、下行用户感知速率及下行可用RB数进行了对比分析，测试结果如下：

（1）开通后LTE的吞吐率随着GSM话务量变小而变大，GSM忙时LTE可用RB数变少，GSM闲时LTE可用RB数变多。

（2）开通后下行平均用户感知速率为14.55Mbps，开通前平均用户感知速率为5.45Mbps，用户速率提升166%。

（3）开通后下行可用RB个数平均为45.33个，远高于LTE的3MHz标准带宽的15个RB数，可用资源提升202.2%。

（4）开通动态频谱共享方案之后，GSM的 KPI指标保持稳定，LTE的网络指标得到提升。

由此可见，频率动态共享方案CloudAIR能够在保障存量2G/3G网络性能指标的前提下，腾挪更多频谱带宽给LTE使用，释放被压抑的MBB业务需求，有效提升频谱利用率。

3 结束语

本文提出的动态频谱共享方案能够解决老制式终端长期不退网的问题，提升GSM/LTE网络制式的频谱利用率。通过对GSM和LTE频谱共享配置，在不影响GSM网络性能的前提下提升LTE在低频段上的网络容量与覆盖。后续随着频谱深度云化及共享度逐步提升，可实现在低频段有限频谱上部署GSM、UMTS、LTE、NB-IoT，构建全业务广覆盖基础网，加速MBB网络演进。