UMTS 900 MHz的引入与规划部署研究

2013-08-10李维佳

电信科学 2013年2期

李维佳，戴鹏，张亮，陈柱

（1.中国联合网络通信集团有限公司深圳分公司深圳 518048；2.中国联合网络通信集团有限公司广东分公司广州 510627）

1 前言

中国联合网络通信集团有限公司深圳分公司（以下简称深圳联通）UMTS网络已初步在深圳大部分城区部署完成，随着城市发展步伐的加快，UMTS业务应用和用户数量的不断增加，UMTS网络2 100 MHz核心频段的资源将趋向饱和，新增的住宅小区、高级办公楼宇等带来的信号渗透不足等问题将成为制约网络发展的瓶颈，网络深度覆盖及业务分流的需求日趋迫切。

引入扩展频段UMTS 900 MHz将是必然的选择。在增加系统容量的同时，扩展频段的900 MHz电磁波空间传播损耗较小，绕射能力强，覆盖半径较大，理论上是UMTS 2 100 MHz的2.5~3倍。在市区，室外站点可对建筑进行深度覆盖，减少室分站点建设，从而可以节省建网成本和维护费用；在进行室内覆盖时，UMTS 900 MHz的网络覆盖性能更好，从而可以提升业务服务质量，增强用户的业务体验。由于GSM 900 MHz和UMTS 900 MHz信号具有几乎相同的传播特性，因而在建设UMTS 900 MHz网络时，其可与现有的GSM 900 MHz共站、共天馈系统等，减少新建网的设备和站点成本，同时也可减少维护费用。

2 UMTS 900 MHz方案市场进展

2.1 UMTS 900 MHz引入背景

UMTS作为3G系统的一种主流制式，主要是在欧洲国家的主导下制定的。因此，在3GPP最初的协议制定中，仅考虑在核心频段2 GHz提供服务。随着UMTS的发展和协议的完善，除了最初定义的核心频段外，根据不同地区频率资源的分配情况，其他频段的需求也陆续被考虑进来。随着UMTS业务应用和用户数量的不断增加，核心频段的资源会饱和，引入扩展频段将是必然的选择。2009年，欧洲联盟部长会议同意改变原来的GSM政策，允许电信运营商在900 MHz频段上提供UMTS服务，这是欧盟电信行业改革的重要事项之一。

将900 MHz频段用于3G，将会极大地降低运营商的网络建设成本，在电信网络中，低频段具有更大的覆盖范围，也就意味着运营商可以建设更少的基站，照样可以达到预定的目的。基于对全球市场的分析，除了提供针对核心频段2 GHz的解决方案外，还需要提供完善的扩展频段解决方案。多频段解决方案为拥有扩展频段的运营商提供了一条很好的发展UMTS的途径，这对于满足不同区域市场的需求、推动3G产业的成熟具有重要意义。

2.2 UMTS 900 MHz产业链成熟度

2.2.1 网络成熟度

早在2007年，爱立信与芬兰运营商Elisa公司就在900 MHz频段上推出了UMTS/HSPA网络。新网络与Elisa在2.1 GHz频段上现有的UMTS/HSPA网络实现了无缝继承。UMTS 900 MHz网络为进一步扩大芬兰偏远地区的UMTS覆盖范围提供了一种经济有效的方式。而UMTS 900 MHz作为扩大偏远地区覆盖范围的手段，在各国特别是GSM频谱资源丰富的欧洲国家和地区广受青睐。全球UMTS/HSPA频段分布如图1所示。

从图1可看出，UMTS/HSPA的全球通用频段是2.1 GHz；而900 MHz在欧洲市场比较有应用前景，目前已经有了少数的900 MHz的商用局；1 900 MHz和850 MHz在美洲和澳洲比较有前景并已经有很多应用。根据GSA权威网站的分析，截至2011年7月，已有34个UMTS900 MHz网络部署运行。截至目前，全球共有51个国家考虑准许在900 MHz频段上部署UMTS网络，UMTS900 MHz的网络应用已颇具规模。

2.2.2 终端产业链

UMTS网络的迅猛发展促进了终端的发展。截至2011年4月，全球已有3 071款HSPA终端，其中支持2.1 GHz的有2318款，支持900MHz的有618款。随着UMTS900MHz网络的兴起，UMTS900 MHz HSPA终端也将飞速发展。举世瞩目的iPad2就已经引入了900 MHz的工作频段，在欧洲发布的最新款终端大多把900 MHz作为主要支持频段。

各终端供货商的商用终端也针对全球UMTS/HSPA频谱的分布和商用系统的应用情况提供商用产品，全球主流终端厂商所支持的多频段终端情况总结见表1。目前，作为测试终端的最大供货厂商Qualcomm，除了1 800 MHz和2.6 GHz外，其他的频段都可以支持，而且高通对于美国最新的700 MHz频段也有了支持样机，对日本特有的频段及在欧洲有前景的900 MHz都已经支持，成为业界目前支持范围最广、技术最先进的测试终端。

3 UMTS 900 MHz引入可行性

3.1 引入UMTS 900 MHz的技术可行性

3.1.1 UMTS900 MHz对覆盖的影响

COST231-Hata模型是目前研究3G移动通信系统无线网规划中使用最多的传播模型。

图1 全球UMTS/HSPA频段分布

表1 部分主流终端厂商支持的多频段终端情况

当满足频率在150～2 000 MHz范围，基站天线有效高度hte在30～200 m范围，移动台天线高度hre在1～10 m范围时，其路径损耗的表达式为：

其中，a(hre)=(1.1×log fc-0.7)×hre-(1.56×log fc-0.8)；fc为载波频率；d为终端到基站的距离，即小区覆盖半径；hte为基站天线高度；hre为移动台天线高度；Cm为地形（clutter）修正因子。

这里采用COST231-Hata传播模型来分析比较UMTS 900 MHz和UMTS 2 100 MHz系统的覆盖半径，其中，最大链路损耗由链路预算得出：假设天线高度为1.5 m，密集市区和一般市区的天线高度为30 m、郊区乡镇和农村为40 m，根据经验值，密集市区的Cm取3dB、一般市区取0dB、郊区乡镇取-8 dB、农村和道路取-15 dB。可以得到距离和频率的关系为：

根据不同业务的接收灵敏度以及发射功率，可以得到最大传输距离。在网络规划中，还需要考虑衰落和穿透因子。此外,不同的频率会带来馈线损耗的差别，见表2。

根据以上分析，可以得到UMTS 900 MHz与UMTS 2 100 MHz的覆盖距离，见表3。

可见UMTS 900 MHz比UMTS 2100 MHz有约2.5倍的覆盖距离增长，能够很好地实现低成本、广覆盖的应用。

表 2 UMTS 900 MHz与UMTS 2100 MHz的各种损耗对比

表 3 UMTS 900 MHz与UMTS 2 100 MHz的覆盖距离分析

3.1.2 UMTS900 MHz对容量的影响

（1）上行容量影响

UMTS是多址干扰受限系统，系统容量受到来自本小区用户和邻小区用户干扰的限制，当反向链路多址干扰功率超过一个事先定好的可接受的信号质量的干扰电平时，就会发生阻塞。干扰电平与移动用户在某时刻的位置、传播路径损耗的规律、系统的功率控制机理等有关，这些因素使CDMA系统的小区容量具有“软容量”的特点。上行容量主要取决于干扰，对上行容量的分析可以由式（3）反映。

其中，N为单载频可同时接入的用户数；ηUL为上行负载；i为邻区干扰因子；W为系统带宽；Eb/No为相应业务解调门限；RC为相应业务的信息速率；ρ为业务的激活因子。对于UMTS无线信号采用不同频段承载，对应的解调门限几乎没有差别。所以，从式（3）可以得到，UMTS不同频段系统的上行容量可以认为是相同的，即UMTS 900 MHz系统和UMTS 2 100 MHz系统的上行容量相当。

（2）R99 业务下行容量

对于下行容量的分析，可以用式（4）进行计算：

其中，N为单载频可同时接入的用户数；Pmax为业务信道最大功率；ηDL为下行负载因子；γC为公共信道功率占基站总功率之比；Eb/No为相应业务解调门限；RC为相应业务的信息速率；W为系统带宽；ρ为业务的激活因子；α为非正交化因子；f为邻区干扰因子；Nth为热噪声密度；CL为耦合损耗，即发射端至接收端的所有损耗，包括馈线损耗、接头损耗、合路器损耗、空间传播损耗、穿透损耗等。

从式（4）可以看出，UMTS不同频段的系统下行容量的差异，主要体现在耦合损耗CL上。如果小区半径相同，则耦合损耗的差异主要由穿透损耗和空间传播损耗的差异造成。下面给出在相同的覆盖半径下，UMTS不同频段的话音业务的下行容量的对比。

对于密集城区、一般城区，一般要求VP（video phone，可视电话）连续覆盖，场景描述见表4。

表 4 密集城区、一般城区覆盖场景

将表4的场景代入式（4），可以得到 UMTS 2100 MHz系统和UMTS 900 MHz系统的话音业务的下行容量对比，见表 5。

表 5 UMTS 900 MHz与UMTS 2 100 MHz容量对比

从理论分析可见，基于UMTS 900 MHz系统在传播特性上的优势，在相同的覆盖情况下，UMTS 900 MHz系统的无线信号衰落较小，相当于有更多的能量用于用户信号的传输，使得容量稍大，能提供的下行容量稍微优于UMTS 2 100 MHz系统。

（3）HSDPA 业务下行容量

仿真条件是HSDPA固定分配功率40 dBm，采用PF调度算法。通过仿真得到UMTS900 MHz和UMTS 2 100 MHz的HSDPA流量对比，如图2所示。

图 2 UMTS 900 MHz与UMTS 2100 MHz的 HSDPA流量对比

从图 2可知，引入UMTS 900 MHz，下行的衰落以及穿透损耗降低，低频段带来更小路损，无线环境更优，因此会使得HSDPA扇区吞吐量有一定提升。在以上既定的仿真条件下，多用户时，可以提升350～500 kbit/s的扇区吞吐量，即UMTS 900 MHz比UMTS 2 100 MHz能够带来大约10%扇区吞吐量的提升。

3.2 引入UMTS 900 MHz的经济可行性

3.2.1 节省建网成本

不同频段的信号的传播特点不同，低频段信号在传播过程中的衰减比高频段有所减少，同时在建筑物中，信号的穿透率也有所提高。根据前面的理论分析，UMTS900 MHz比UMTS2 100 MHz约有2.5倍的覆盖距离增长；两者上行容量相同，下行容量在R99业务上UMTS 900 MHz比UMTS2100MHz略有提高；HSDPA业务上UMTS900MHz比UMTS2 100 MHz能够带来大约10%的扇区吞吐率的提升。

针对密集城区（DU）、一般城区（MU）、郊区（SU）和农村（RU）地区，在满足CS64K可视电话业务连续覆盖的小区半径的条件下，链路预算结果见表6。

表6 不同区域的覆盖需求计算结果

此处忽略UMTS基站的频段对容量的影响，UMTS900MHz和UMTS 2 100 MHz基站的容量都取为100 Erl。表7为容量能力计算结果。

综合表6和表7，最后的设计值见表8。

假设面积为100 km2的城市，采用UMTS 900 MHz和UMTS 2 100 MHz建网所需的总基站数目见表9。

表 7 不同区域容量需求计算结果

表 8 覆盖和容量综合规划计算结果

表 9 不同频段基站建网规模计算结果

通过对比可以看出，采用UMTS 900 MHz建网可以比UMTS 2 100 MHz建网减少60%左右的站点数目，很大程度上降低了UMTS网络的组网成本。

3.2.2 有效共享频率资源

中国联通的无线网络发展趋势是3G用户大规模增长，2G用户保持规模，在一定时间内培养2G用户的数据业务习惯，逐渐使客户迁移到3G网络。这样才能达到与主要对手差异化竞争的目标，同时可以大规模地扩大运营规模，提升盈利水平。

随着网络的发展，GSM 1 800 MHz网络覆盖得到不断完善，逐渐满足了连续覆盖的要求。原有GSM网络占用的900MHz频段，可以空闲出部分频段，这样就可以在900 MHz频段上运营3G网络，通过900 MHz频段的优良性能，提高3G网络的覆盖水平，同时达到节省建网成本的目的。

从技术角度，仿真结果、测试及商用结果表明，UMTS可以在900 MHz频段与GSM共存使用，不会对现有网络产生影响。

4 深圳联通UMTS 900 MHz规划部署研究

深圳联通UMTS 900 MHz的规划区域地处深圳南山区南部，位于珠江口东岸、南头半岛，该区域分布有众多成熟的生活小区、住宅楼盘以及妈湾、蛇口、赤湾等多个港口码头，规划中的南坪快速路与深港西部通道在此交汇，无线场景多样，覆盖需求大。

4.1 900 MHz频率分组策略

4.1.1频率分配模式

GSM 900 MHz和UMTS 900 MHz的频率分配主要有两种模式：边缘模式和“三明治”模式，如图3、图4所示。

图3 边缘分配模式

图 4 “三明治”分配模式

在边缘分配模式下，UMTS子频段位于中国联通所拥有频谱的边缘，很可能会与其他运营商的GSM信道相邻，可能会对UMTS造成干扰，尤其当其边缘GSM信道用于BCCH（broadcast control channel，广播控制信道）或PDCH（packet data channel，分组数据信道）时，由于不使用功控，将会对UMTS造成更大的干扰。因此，一般建议采用“三明治”模式。

在“三明治”模式下，针对不同场景，对于频率间隔f1可采用不同的间隔策略，以提高频谱利用效率和GSM系统容量。譬如在农村场景下，相对于一般城区场景而言，由于站间距大、话务量低、频点(TCH)占用率低、站点间干扰相对较小，可适当降低频率间隔f1，提高频谱利用效率。

4.1.2 GSM/U M TS900 MHz频率分组方案

频率保护间隔的设置直接影响到不同运营商、不同系统或信道间的干扰程度，从而影响相应网络的覆盖、容量、用户感知等性能指标。设置过小的频率间隔，则均会对GSM 900 MHz和UMTS 900 MHz系统带来更多的干扰；设置过大的频率间隔，则会降低频谱利用效率，降低GSM 900 MHz的系统容量。同时还需考虑在预留保护间隔后，保留给GSM 900 MHz频率资源是否足够,在频率调整后是否会引入GSM 900 MHz网络C/I的严重恶化。因此，设置合理的频率保护间隔非常重要。

中国联通目前分配了6 MHz的GSM 900 MHz带宽，共有30个频点，密集城区最大站型为S332，郊区典型站型为S222，具体情况如图5所示。

在没有新增频谱分配的情况下，对900 MHz频点资源按照“三明治”方式进行重组，频率重组分配方案主要有两种，介绍如下。

（1）UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz

UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz频率分组方案如图6所示。GSM 900 MHz预留1.8 MHz可用带宽，9个频点，最大站型配置S111，由于GSM 900 MHz可用频点较少，适用于GSM网络负荷较轻的场景。

（2）UMTS 3.8 MHz+GSM 2.2 MHz

图 6 UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz频率分组方案

图 7 UMTS 3.8 MHz+GSM 2.2 MHz频率分组方案

UMTS 3.8 MHz+GSM 2.2 MHz频率分组方案如图7所示。该场景GSM 900 MHz预留2.2 MHz可用带宽，11个可用频点，最大配置为S221。可根据GSM网络负荷，较灵活地调整GSM 900 MHz站点的配置，以应对潜在话务需求。

本次UMTS 900 MHz规划，为保障干扰控制，考虑拆除规划区域内GSM 900 MHz室外站点，故900 MHz频率分组方案建议“UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz”方式。

4.2 隔离区设置策略

为进行干扰控制，UMTS900 MHz规划区域需根据地理分布与无线传播特性，与现网其他非规划区域间划定一个隔离区域，通过频率配置的调整，使两边采用不同策略频率。

通过大量的统计，缓冲区的划分原则是外圈与内圈的边缘站点无覆盖重叠区，或覆盖重叠区的电平强度小于-102 dBm。缓冲区即隔离带，实现内外圈的覆盖隔离。隔离度的宽度需要大于4倍站间距，对于一般城区场景，为2~4km，设置原理如图8所示。

通过频率配置的调整，隔离缓冲区两边可以采用不同策略频率来解决频率冲突问题。规划区为预翻频区域，同步建设UMTS 900 MHz；隔离缓冲区采取和规划区相同的GSM 900 MHz频率资源，需进行频率调整，但不建设UMTS900MHz，仅起到隔离的作用；现网区域保持原有频率配置，不建设UMTS 900 MHz。隔离缓冲区设置策略见表10。

本次规划区东侧以中心路以东为隔离区；北侧以东滨路至桂庙路为隔离区；西侧以月亮湾以西区域为隔离区。建议后续网优对该区域进行扫频测试并开展相应网优调整确保该区域无干扰信号。

图8 隔离缓冲区设置原理

表 10 隔离缓冲区设置策略

4.3 GSM 900 MHz容量迁移策略

4.3.1容量迁移原则

假设频率重组前的GSM 900 MHz话务量为100%，频率重组后话务分为X%、Y%、Z%，X%+Y%+Z%=100%，话务流向如图9所示。

· GSM900MHz吸纳部分用户（X%），涉及GSM900 MHz容量提升手段和抗干扰技术的使用，无论是否存在GSM 1800MHz网络，都要首先考虑GSM 900 MHz自身的容量提升。

· GSM 1 800 MHz吸收部分用户（Y%），涉及GSM 900 MHz/GSM 1 800 MHz双频网的话务均衡，存在GSM1800MHz网络的情况适用，X%+Y%=100%。

· UMTS吸收部分用户（Z%），涉及GSM/UMTS互操作及UMTS 900/2 100 MHz的话务均衡，对不存在

1 800 MHz网络的情况适用，X%+Z%=100%。

受限于可支持的多制式终端因素，GSM 900 MHz话务迁移至UMTS网络的比例无法进行统计与评估，为保证原GSM业务量的平稳迁移，暂不考虑其分流影响，实际操作时需要遵循以下容量迁移原则：

· 在存在 GSM 1 800 MHz的情况下，GSM 900 MHz的话务尽量迁移到GSM 1 800 MHz网络；

· 不存在GSM1800MHz的情况下，新增GSM1800MHz设备，保障GSM信号的无缝覆盖及话务分担；

· 在保证GSM网络质量的前提下，适当应用一定的容量提升手段和抗干扰技术，以提升GSM网络容量。

4.3.2 GSM网络容量提升和抗干扰技术

容量重规划的主要目的是迁移原网GSM 900 MHz话务量，考虑到DCS 1 800 MHz频段资源的宝贵，还可通过一定的容量提升手段及抗干扰技术，保障话务的合理迁移。

传统意义上，可以通过开通半速率或调整半速率门限、采取更加紧密的频率复用方式、将静态PDCH配置变为动态PDCH等手段来提升容量；还可以通过开启不连续发射（DTX）、跳频、动态功率控制、低话务小区合并为OTSR组网等手段来提高C/I，从而可以形成更紧密的频率复用方式，增加频率复用系数，提高频谱利用率，从而间接提升系统容量。

（1）Co-BCCH 技术

对于双频共站的情况，设置900 MHz小区和1 800 MHz小区共用BCCH，同时把SDCCH、PDCH与BCCH配置在900 MHz小区，节省信道资源，1 800 MHz小区作为TCH载频使用。假设第一小区900 MHz和第二小区1 800 MHz各有10个信道，在采用Co-BCCH前，总的话务量为10.16Erl，在采用Co-BCCH后，20个信道的话务量为13.2 Erl，话务量提升比例为29%。

（2）IRC

该功能可以提高基站的上行接收灵敏度，尤其适合在较为密集的地区使用。配合中兴通讯的下行覆盖增强技术，可以扩大基站覆盖范围、提高网络质量，达到快速优化网络的目的。IRC（干扰抑制合并）可以进一步降低干扰，提高基站的上行接收灵敏度，有效地改善接收信号质量，减少不必要的切换，提升BTS上行接收性能。

（3）GPS+IFTA

IFTA（智能频率时隙分配）是GSM网络中一种提高频谱利用率、降低干扰的技术。BTS通过实现GPS的时钟信号提取，从而实现全网同步。BSC开启IFTA功能后，在密集区最大系统容量可增益25%，在郊区场景最大系统容量可增益约40%。

通过大量的统计，缓冲区的划分原则是外圈与内圈的边缘站点无覆盖重叠区，或覆盖重叠区的电平强度小于-102 dBm。缓冲区即隔离带，实现内外圈的覆盖隔离。隔离度的宽度需要大于4倍站间距，对于一般城区场景，为2~4 km。