扩充和深耕频率，保障无线宽带发展

2015-07-03徐小超

电信工程技术与标准化 2015年6期

徐小超

（中国移动通信集团公司，北京 100033）

1 频谱资源是发展无线宽带的基础

2013年，我国发布了“宽带中国”战略。近期，国务院办公厅发布《关于加快高速宽带网络建设推进网络提速降费的指导意见》首次提出，“宽带网络是国家战略性公共基础设施”，要“加快基础设施建设，大幅提高网络速率”。宽带网络作为国家战略性的公共基础设施，是支撑移动互联网、云计算、大数据、物联网等新一代信息技术发展的基础。作为宽带发展的两个重要方向之一，无线宽带与光纤宽带同等重要，并且在移动性上更具有优势。

频谱作为无线宽带的数据载体，是发展无线宽带的必备条件，是不可再生的战略资源。近年来，随着移动互联网的高速发展，无线通信数据量呈现出爆炸式的增长态势。根据IMT-2020（5G)推进组发布的《5G愿景与需求白皮书》，预计我国2010～2020年移动数据流量将增长300倍以上，2010～2030年将增长超4万倍。发达城市及热点地区的移动数据流量增速更大，2010～2020年上海的增长率可达600倍，北京热点区域的增长率可达1 000倍。

10年间数据流量增长1 000倍是全球性的趋势，满足流量增长的总体思路可以概括为频谱数量扩充10倍、新技术提升效率10倍、网络优化挖潜10倍。因此，除了移动技术向5G演进外，通信产业面临前所未有的频谱短缺困境，迫切需要为移动通信划分更多的频谱资源；同时，运营商也需要对已建网络进一步优化，对已有频谱采用效率更高的技术，深耕细作，才能满足飞速发展的业务需求。本文主要从加大规划力度、扩充移动频谱资源和深耕频率资源、挖掘潜力两个方面展开论述。

2 我国移动通信频谱资源现状

我国政府一直在频率资源上支持移动通信产业的发展，特别在TDD频谱资源上，有力的推动了我国主导的创新技术TD-SCDMA和TD-LTE产业的发展和壮大。截至目前，我国已规划了687 MHz的带宽资源供国际移动通信（IMT）系统使用，其中包括了FDD频率342 MHz、TDD频率345 MHz。在规划的基础上，我国政府为3家运营商共分配了477 MHz频率（FDD频率272 MHz、TDD频率205 MHz），具体频段以及使用制式如表1所示。

正是这些频段资源的有效利用，促进了我国10多年来移动通信大发展的局面，然而与全球其他国家运营商比较，我国运营商在大致相同的频谱数量上承载了远远大于其他国家的用户数量，最直接的结果就是我国的基站密度全球最高，大城市站间距在100～150 m的比重非常之高。

我国在资源方面总量和配置存在几方面较为突出的问题。第一，我国的未来移动通信频谱资源数量缺口巨大。根据国际电联WRC-15议题频谱需求国内研究组的研究结果，我国2020年频谱需求预测结论为1 490～1 810 MHz，我国目前规划了687 MHz的带宽，缺口在800～1 100 MHz的规模，将远不能满足我国5年后的移动通信发展，迫切需要为移动通信寻找更多的频率资源。国际电联WRC-15在本届大会的最重要议题就是为移动通信寻找新的频谱资源。第二，虽然TDD频谱在规划总量上已超过FDD频谱，但目前已分配TDD频谱中有70 MHz仅室内使用（占已分配总量的34%），无法用于室外宏覆盖，使用场景非常有限；并且TDD频谱全部集中在高频段，缺乏1 GHz以下的低端频率。第三，我国1 GHz以下的优质移动频谱资源主要用于GSM等2G网络，而4G网络则采用1.8 GHz以上的更高频谱，这十分不利于LTE网络的快速部署和广覆盖。

3 扩充频谱资源，保障宽带战略基础

根据上文分析，我国的IMT频谱需求仍存在800～1 100 MHz的巨大缺口，移动通信产业即将面临前所未有的频谱资源短缺的困境，迫切需要挖掘更多的频谱资源用于移动通信产业。

国际上很多国家在面临频谱短缺时都明确了相应的计划，美国2020年新增500 MHz用于无线宽带；英国2020年前新增500 MHz；日本2020年前新增1 700 MHz；韩国2023年前新增1 000 MHz频谱给移动宽带。这些发达国家正是认识到频谱是国家宽带战略的基础资源，才从国家战略的高度为无线宽带发展划分充足的频谱。

为了使我国宽带网络的战略性基础设施地位得到落实，国家必须从战略的高度，统筹协调需求不断增长的通信行业与业务重要但需求渐弱的卫星、广播等行业矛盾以破解频谱规划困局。作者认为可以采用以下的解决方式：在近中期，完成我国已标识IMT频谱的规划和分配，满足近中期业务发展；远期，加大力度协调国内卫星、广播、定位等业务部门，大力推进新的专用IMT频谱国际划分和国内规划，同时推动与其它业务高效共存新技术的发展。

3.1 已标识IMT频谱的国内规划

在2007年世界无线电大会（WRC-07）上，698～862 MHz（UHF）频段，3 400～3 600 MHz（3.5 GHz）频段以及450～470 MHz频段被标识给了IMT系统,我国也以增加脚注等方式将这3段列为IMT频谱。当前应加大与卫星、广播部门的协调力度，尽快完成这3段频谱的国内规划。

3.1.1 UHF频段

我国的UHF频段主要为698～806 MHz（700 MHz）频段，从我国目前现有的频率资源分布来看，UHF频段不仅提供了大带宽，又由于其频段低、覆盖性能好，因此是最适合多快好省发展4G网络的优质频段。

根据单站法线拉网的实测对比结果（如图1所示），700 MHz在相同位置上的平均信号强度比同站2.6 GHz频段在室外高20 dB、室内高25 dB。因此使用700 MHz频段建设宽带网络，可以有效的减少运营商的建网成本，提供更优质的深度覆盖，同时也可以快速为农村等欠发达地区提供移动互联网和宽带信息服务，快速消除城乡数字鸿沟。

700 MHz频段可选的规划方案主要是亚太FDD规划（703～748 MHz/758～803 MHz）和亚太TDD规划（703～803 MHz）。亚太FDD方案目前受到较多国家的支持，已完成拍卖并开展部署的国家和地区有日本、澳大利亚、新西兰、智利等，产业链也初具规模；亚太TDD方案由我国主要推动，产业链仍处于起步阶段。如果我国尽快给TD-LTE规划优质的700 MHz频率，将会促进TD-LTE市场的迅速发展，构造TD-LTE在全球市场和产业的竞争优势，并且让我国广大用户尽快享受优质的宽带移动服务，尤其是欠发达地区可以尽快通过提升信息化水平促进经济发展。

图1 700 MHz与2.6 GHz的覆盖对比

3.1.2 3.5 GHz频段

WRC-07上，3 400～3 600 MHz频段通过脚注的形式标识给了IMT，我国也是加入脚注的国家之一。3.5 GHz频段由于带宽优势已成为全球极具潜力的宽带移动频段。国际上，日本已将3 480～3 600 MHz总计120 MHz TDD频谱分配给3家运营商，欧洲CEPT完成了3 400～3600 MHz的IMT规划方案，TDD和FDD两种规划方案并存。加拿大分配3 475～3 650 MHz共计175 MHz为IMT使用频段。在全球范围内，3.5 GHz频段有可能成为全球统一规划的TDD频段，是TDLTE未来发展的关键点。

虽然大多数国家都认为3.5 GHz频段更适用于TDD，但现有已部署3.5 GHz频段TD-LTE网络规模较小，且传统FDD运营商和厂商正在欧洲管理机构积极推动将3.5 GHz频段用于FDD扩展下行，未来3.5 GHz频段是否可大规模用于TD-LTE存在较大风险。为抓住3.5 GHz频段TD-LTE发展的关键时间窗口，我国迫切应该加大与卫星部门的协调工作，尽早完成该频段的规划方案，以争取占据国际移动通信产业发展的先机。

3.1.3 450 ～470 MHz频段

450～470 MHz频段是更适合作为广覆盖的低端频谱，特别适合在农村等偏远地区的部署，但由于带宽限制并且在我国457.2～458.675 MHz/467.2～468.675 MHz频率为铁路调度系统，短期之内不太可能全部规划为IMT业务使用，因此能提供的容量较为有限。

3.2 已规划尚未分配IMT频谱的应用

当前，我国已规划但未分配的频谱仍有210 MHz的频率资源，除去保护带等因素的考虑，可分配频谱仍有100 MHz以上的频谱可用，重点集中在1.9 GHz频段（Band 39）和2.6 GHz（Band 38）的TDD频段以及2.1 GHz（Band 1）的FDD频段，特别需要指出的2.1 GHz频段是我国规划未分配频段中的最后一段未分配的FDD优质频段。

上述3段频谱目前都是潜在的4G网络使用频段，并且已具有非常好的产业链基础。网络设备方面，截至目前，中国移动利用1.9 GHz频段和2.6 GHz频段建设TD-LTE基站超过86万个，已充分推动这两个频段TDLTE设备的成熟。此外，截至2015年4月，世界范围内已经共有2.1 GHz商用LTE FDD网络11张，已拥有非常高的国际产业支持度。终端方面，截至2015年4月，全球共发布终端2 919款；而Band 1、Band 39和Band 38的终端分别为998款、570款和685款；特别是Band 1终端数已位列前3，因此终端产业链也已完全具备支撑这3段频谱进一步发展4G网络。

这3段剩余频谱若分配给运营商，将很快能得到迅速应用，以进一步扩展我国4G网络的承载能力。

3.3 远期IMT频谱推进

ITU把为移动通信寻找新的频谱资源，列为2015年世界无线电通信大会（WRC-15)的首要议题。该议题对各国的移动通信发展具有极为重要的意义，在全球或者区域范围内争取统一的频谱划分，有利于降低移动通信系统的研发成本、形成规模效应、促进宽带移动通信产业发展。同时频谱划分实际暗藏着各个国家在相关技术上的布局，当前频谱划分不仅能为迅速发展的4G系统找到新的突破口，也可以为未来5G系统知识产权布局和产业化奠定基础。

我国的远期频谱推进目标应该是一方面在未来5年内规划出800～1 100 MHz新的IMT频谱，一方面考虑5G方面的布局。当前我国向ITU提交了包括3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等候选频段的建议。除此之外，考虑到卫星固定业务逐步升级到Ku和Ka频段的国际大趋势以及IMT产业的规模效应，C波段下行的其余频段，如3 600～3 800 MHz频段等也是非常适合作为移动通信的候选频段。随着C波段下行频率资源逐步转移到IMT产业，对应的C波段上行频率（5 925～7 025 MHz）资源也将逐步释放，我国未来进一步也可考虑释放C波段上行作为IMT候选频段。

WRC-15完成1.1议题的同时，还将讨论WRC-19的相关议题设置。WRC-19的频谱规划将直接会为2020年后到来的5G服务。5G时代吉比特量级的用户速率体验对IMT网络的部署带宽提出较高的要求，此时除了低频段频率外，后续必须引入高频段频率（毫米波频段)才能满足频谱需求。

3.4 频谱共享技术的推进分析

随着各项业务对频率需求越来越多，未来可能很难再通过授权分配的方式获取新的IMT频率资源。此时，频谱共享技术是更远期IMT获取新频谱的有效补充方式。

3.5 授权频谱接入（LSA）

LSA通过授权的方式，使得IMT系统灵活的使用尚未分配给移动通信业务的频谱，并有一定的QoS保证。IMT系统可以通过LSA数据库与管理机构或第三方监管机构系统相连接，获知何时、何地、何频率可以使用的信息，与原有业务在时、空、频域等维度上进行协调使用。比较适合应用LSA频谱包括被ITU规划为IMT使用，并且已经在一些国家地区被IMT使用，但原有业务清频需要较长时间的频谱；以及共用业务的使用率较低，并且有明显的时间和地域特性的频谱。

LSA已成为国际频谱领域的热点问题之一，对运营商而言，采用LSA技术，能够在保证网络质量的情况下，及时获得已规划但未分配的频谱，大大降低运营商使用频谱的协调、时间成本，具有应用前景和实际意义。但同时该技术仍需要得到广泛的验证，并且与频谱管理政策息息相关，因此我国引入该技术目前还需要较长时间。

3.6 免授权的频谱共享（LTE-U）

LTE-Unlicensed（LTE-U）是将LTE系统部署在5 GHz非授权频段上的一种技术手段，未来也将是扩充频率资源的研究热点，将有望成为运营商的低成本、高性能／收益比的数据分流方案。当前，包括中国在内的众多国家都为WLAN规划了大量非授权频段，但是WLAN系统采用基于竞争方式，运营商密集部署时干扰导致性能急剧下降，热点区域用户体验较差，频谱利用率低且WLAN业务收费普遍较低，利润低下。

LTE技术比WLAN系统可靠性和性能都更高，可以为用户提供更高的业务速率，并且LTE干扰协调技术更具有优势，可以有效保证多用户同时高效通信。在应用上，运营商可以将非授权频率与已有的授权频率使用载波聚合技术有机结合起来使用，利用授权频率保证用户的基本业务质量，非授权频率提供额外的增值体验。

4 深耕频率资源，支撑运营

频谱资源归根到底仍是有限资源，运营商用新的频谱资源扩充缺口的同时，更重要的是深耕频率资源，打造精品网络,保障用户随时、随地接入网络，为用户提供优质的覆盖和容量服务。

4.1 加速网络演进，推动融合组网

运营商深耕频率的一个主要手段是通过加速网络演进，推动TDD/FDD的融合组网，提升频率利用率。ITU在WRC-07大会上通过决议，确定新划分的IMT频率不再区分具体技术，统一划分给IMT技术使用，后续各国政府和管理机构大都逐渐放松对频率使用技术的管控，也使得运营商纷纷开始频率重耕，向频谱利用更高的制式演进。频率重耕的驱动力还在于运营商可以充分利用原有2G网络l GHz以下优质的频率来加快新网络部署，扩大和完善网络覆盖，降低建设和运维成本。表2是根据理论计算各频段之间在覆盖农村时所需的站点对比，可以发现900 MHz的覆盖优势明显。

我国也可借鉴相关经验，采用更加宽松、灵活的频谱管理手段，政府管理机构只指定频段间、运营商间的共存管理指标和建站要求等，不再管理具体频谱使用技术，允许运营商根据市场需求灵活选择更有竞争力的技术，全面挖掘频谱效力，促进市场竞争，也进一步促进TDD/FDD融合网络的发展。

FDD/TDD融合发展是未来频率利用的重要趋势。FDD/TDD融合发展也是同时拥有FDD和TDD频率运营商的必然选择。通过融合可以更好地发挥FDD和TDD各自的频率和技术优势。如利用成对的FDD频率承载话音等上下行对称业务，利用TDD频率承载视频点播等非对称数据业务，发挥TDD上下行时隙灵活配置的优势，可最大限度地提升已有频率的利用效率。图2是典型的高低频段应用的TDD/FDD融合网络方案，FDD 900 MHz频段保证覆盖，2.6 GHz频率提供热点容量，同时TDD和FDD载波采用载波聚合技术，为用户提供高速网络服务。

表2 各频段的覆盖对比（900 MHz为基准）

图2 典型的高低频段应用的TDD/FDD融合网络

4.2 挖掘网络效力、降低干扰影响

运营商深耕频率的另一主要手段是通过网络的不断优化，挖掘网络的效率，确保频率的有效使用，使得优化后的网络达到最佳的系统覆盖、合理的邻区优化、均匀合理的基站负荷等目标。同时，未来组网的趋势必定会改变传统的仅有宏基站组网的组网方式，而是用宏基站（Macro)、微基站（Micro)、微微基站（Pico)、家庭基站（Nanocell)的混合布局形成异构网络，这种LTE异构网络将实现容量的下沉，更高效的利用频率，更能为用户提供更优质的宽带使用体验。

同时，各运营商部署了大量各种制式的无线网络，小区半径也越来越小，网络底噪不断抬升，干扰问题也越来越复杂，同时4G系统对干扰更加敏感，干扰将直接造成大量的容量损失。目前系统面临着较多的外部干扰，外部干扰主要来源有阻塞干扰、杂散干扰、谐波干扰和互调干扰等类型，而产生上述干扰的根源主要有包括频率因素、设备因素和工程因素等。

以中国移动的1 800～1 900 MHz频段的TD-LTE为例，潜在受到的干扰包括了邻频1.8 GHz频段GSM系统以及LTE FDD系统的杂散干扰、LTE FDD系统的阻塞干扰、GSM900系统的互调和谐波干扰等。与这些系统共站建设时，就有可能发生TD-LTE系统被干扰的风险，但如果各运营商及铁塔公司在网络建设规划和日常优化时，做好设计和协调，保证系统间的隔离度，就可以避免相关干扰风险，从而保证网络容量，提升用户体验。