关于频谱资源重规划在未来移动通信中的应用研究

2017-05-04 05:57

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1 国内无线频谱资源的应用现状分析

不管是在国外还是国内，频谱都是一种宝贵、稀缺的资源，是承载和发展移动通信业务的基础。之前国内的3G（TD-SCDMA）和4G（LTE）网络在规划建设前，国家相关部门都要先为三大电信运营商划分好频谱资源，即各大电信运营商的基站和手机通信的频率要在国家所分配的频谱范围内，因而所分得的频带越宽，所能承载的移动通信业务量越大、网络规划和优化的工作越好开展。在国外特别是欧洲发达国家，发展移动通信所用的频谱资源都是由其相关组织公开拍卖的，由此可见频谱是非常宝贵的资源。

在国内，目前已被占用的频谱资源涵盖了如下三代共存的移动通信网络：

（1）2G全球移动通信系统：中国移动和中国联通的GSM900M和GSM1800M网络、中国电信的CDMA800M网络。

（2）3G网络：中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA和中国电信的CDMA2000网络。

（3）4G网络：中国移动的TD-LTE网络、中国电信和中国联通的LTE FDD网络。

其他还有如铁路交通等专网的移动无线通信也占用了一些频谱资源，为特定场景下使用，不是广域的移动通信范畴，因而不在本文的研究范围内。当前国内移动通信频谱资源的应用现状如图1所示。

1900 MHz—1920 MHz频段原为PHS（小灵通移动终端）的频段，现已被清理出来，后续可为中国移动的TD-LTE使用，即中国移动TD-LTE中的F频段将扩展为40 MHz（1880 MHz—1920 MHz）。

从图1中可以看来，中国移动3G TD-SCDMA原规划占用的部分F频段资源（1880 MHz—1900 MHz）将被用于支持4G TD-LTE的发展。原来GSM1800频段中分配给中国联通的是1745 MHz—1755 MHz（上行）、1840 MHz—1850 MHz（下行），后来因为部署LTE FDD，调整如图1所示，由此也可分析出未来频谱重规划的依据和趋势。

2 频谱资源重规划的背景需求

目前物联网在国内各行业内的多个领域中规模应用，如教育、医疗、安防、家居、农业、交通、建筑等，很多行业领域对物联网终端的需求持续增加。传统的物联网终端（内置以GPRS为主的2G通信模块）通过接入2G移动通信网络实现与后台的远程通信，占用GSM网络的200 k频段，存在耗电快、频谱利用率低等问题。近期蜂窝物联网技术开始兴起，以如窄带物联网（NB-IoT）等为代表，是一种基于窄带通信的技术方案，为每个物联网终端用户分配如5 kHz或者更小的带宽，可满足超过80%的物联网应用场景的小数据量通信需求，如远程抄表终端（水、电、煤气的抄表）仅需在上报数据时才会通过移动通信网络连接位于Internet内的远程后台，一天连接如两三次或者更少，每次传输数百到数千字节，即终端的通信速率仅为几百bps到数千bps。

蜂窝物联网基于终端芯片的PSM（Power Saving Mode，省电模式）工作模式和窄带宽的通信机制有低功耗、支持海量连接等优势，如在智能可穿戴领域，可有效解决用户每天都要为终端充电的麻烦。因而为了将来蜂窝物联网的应用，需要提前考虑其无线通信频谱的规划。

随着移动互联网业务的日益丰富和多样化，如以手机直播为代表的视频直播、大文件下载、网页浏览等应用的发展，个人用户对手机高速上网有着强烈的需求，这也是移动宽带高速发展的基础。截至2016年11月底，仅中国移动的4G用户数已超过5.1亿，DOU（单用户的月均流量）超过了1G，4G用户渗透率也呈现快速上涨的趋势。

国内的3G网络原是为用户提供上网服务而设计部署的，但随着4G的应用普及，国内的3G手机用户量在持续快速地下降，因而未来3G网络退出个人手机通信领域将是一种趋势，但其在集团客户领域如无线固话（考虑如成本、地理等因素不宜铺专线）等，还有一定的应用市场。目前2G网络主要为个人用户提供语音业务的承载，但随着VoLTE手机的普及、VoLTE网络功能在全网的开通，未来面向个人用户的2G语音网络（GSM、CDMA）也将逐步被4G LTE网络所替代。

综上分析，2G、3G及4G网络的频谱资源需要提前考虑重规划，频谱带宽更倾向承载高流量、多用户的4G网络倾斜。已处于技术实验和探索阶段的5G移动通信网络，目前业界达成的共识是将使用超过10 GHz的频率，不影响现网在用的移动通信频谱资源，因而容易提前规划和快速分配。

3 频谱重规划中需考虑的因素

在国内2G GSM频道配置中，绝对无线频道编号（ARFCN）和频道中心频率的对应关系如下所示：

（1）900M频段（单位：MHz）

手机发，基站收：

F1（n）=890.2+（n-1）×0.2 （1）

基站发，手机收：

Fh（n）=F1（n）+45，n∈（1，124）（2）

（2）1800M频段（单位：MHz）

手机发，基站收：

F1（n）=1710.2+（n-512）×0.2 （3）

基站发，手机收：

Fh（n）=F1（n）+95，n∈（512，685）（4）

由上可见，GSM900系统共124个频点，频点序号（ARFCN）为1～124，在两端保留200 kHz的保护带宽；GSM1800系统共174个频点，频点序号（ARFCN）为512～685。比如中国移动使用GSM900频段范围为890 MHz—909 MHz（上行），对应的频点号范围为1～95；中国联通的频段范围为909 MHz—915 MHz（上行），对应的频点范围是96～124。在实际移动通信网络中，也用到少量几个位于GSM-E频段（即GSM扩展频段，上行为：880 MHz—890 MHz，下行为：925 MHz—935 MHz）内的频点，如890 MHz、889.8 MHz等，但其实际使用的频次非常低。以国内某地市为例，图表为GSM900频段部分频点的现网使用频次示例：

图表为GSM1800频段的部分频点的使用频次示例，其中的相关数值明显比GSM900的要小很多：

3G、4G移动通信网络的频谱资源也是以频点编号来标识，当涉及频段重规划时，可基于单个频点或连续多个频点标识的一段频谱进行调整。对于现网或后续网络发展中基本不用或使用频次很低的频点，可优先作为重新规划的对象。

4 现网频段的重规划分析

随着VoLTE（LTE网络承载语音通话）的应用普及，当前承载大部分语音功能的2G网络在未来将陆续退出服务，其频段可被重新规划使用。据前分析，GSM1800所占频谱可优先考虑被回收利用，如对于中国移动而言，可获得1710 MHz—1735 MHz和1805 MHz—1830 MHz的低频段的TD-LTE频谱资源；对于中国联通而言，可获得1735 MHz—1765 MHz（上行）和1830 MHz—1860 MHz（下行）各30 MHz的连续频谱，可作为LTE FDD网络的资源。

目前GSM-E（GSM扩展频段）的880 MHz—890 MHz（上行）和925 MHz—935 MHz（下行）在现网中基本没有使用，后续可移出规划为蜂窝物联网的载频，同时与现网的GSM工作频点间隔保护带宽（如图2中灰色所示）。蜂窝物联网的频点可为连续或离散的，根据接入需求量的多少进行调整。对于基站硬件的部署，蜂窝物联网未来可共用现网的RRU（远端射频单元）、BBU（基带处理单元）等设备硬件。在江苏省某地市，目前已在规划建设基于NB-IoT的物联网小镇，用于部署和试点相关物联网应用。