中国移动LTE FDD频率选择分析

张炎炎，徐德平，程日涛，邓安达（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）



中国移动LTE FDD频率选择分析

张炎炎，徐德平，程日涛，邓安达
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘 要随着中国移动TD-LTE全国网络覆盖建设的基本完成，TD-LTE由于频段较高及国际化程度相对较低所带来的深度覆盖、广度覆盖、上行容量不足以及国漫等问题逐步成为中国移动4G网络的短板。未来中国移动GSM频谱使用率下降后可能重用LTE FDD的频谱选择，本文从覆盖、上行速率、终端支持能力、容量、国际漫入以及干扰等多方面影响因素进行了分析。通过本文的研究，将对中国移动未来LTE及GSM网络发展均可起到一定的借鉴作用。

关键词LTE FDD；TD-LTE；Refarming；频段选择

1　引言

LTE（Long Term Evolution，长期演进）根据双工方式的不同可以分为FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两种制式。这两种制式从标准制定之初就同时获得了国际主流运营商和设备供应商的广泛支持。随着中国移动TD-LTE网络建设全覆盖的完成，进一步扩展广度覆盖，加强深度覆盖将成为中国移动未来LTE网络建设的主要目标。同时，GSM网络利用率也将逐步下降，其FDD频谱可用于LTE网络。

虽然中国移动在4G时代通过TD-LTE网络的先发优势和快速网络建设，取得了一定的领先优势。但是，由于制式和频率的限制，TD-LTE网络仍存在一定问题，如深度覆盖能力差、广度覆盖能力差、上行带宽不足、国际漫游能力不足等，这些问题正可以应用LTE FDD解决。因此，积极做好LTE FDD网络建设的准备工作，成为中国移动未来网络规划建设重要期望。同时，在进行LTE FDD频率选择时，同TD-LTE网络存在的问题相结合进行分析，实现LTE FDD/TD-LTE融合组网，是进行策略选择的重要出发点和落脚点。因此，在工信部对联通电信发放LTE FDD/TD-LTE混合组网实验牌照的背景上，研究中国移动GSM Refarming（重用）于LTE FDD网络的可行性及频率选择分析具有较强的现实意义和价值。

如表1所示，中国移动现有900 MHz频率20 MHz合作，1800 MHz频率25 MHz合作，此外还有2.1 GHz未分配的LTE FDD频谱。中国移动可用于LTE FDD的频谱可能有以下两种方式：一是Refarming GSM现有900 MHz和1800 MHz频率用于LTE FDD；二是积极申请新频段，如2.1 GHz频率等，但目前政策尚不明确。因此，本文对于频率选择主要针对现有GSM频谱Refarming中的900 MHz和1800 MHz进行分析。

表1　中国移动FDD/TDD频谱分配及使用情况

2　不同频段覆盖优劣势对比

随着中国移动TD-LTE网络建设的逐步深入，目前已形成了TD-LTE连续覆盖。但是，受制于频段和国际化程度不足的影响，TD-LTE网络仍存在的一定问题。

2015年，中国移动提出了4G网络“三领先一确保”的网络质量要求，将城市深度覆盖和农村广度覆盖领先作为4G网络建设的基本要求。对于城市深度覆盖，TD-LTE由于频段较高，其穿透损耗相对较大，造成室内覆盖不足，由此造成以下两大问题：一是室内用户感知较差，无论是VoLTE还是数据业务感知均不佳；二是由于VoLTE室内吸收话务差，因此难以利用VoLTE吸收室内GSM语音用户，进一步造成GSM频率使用率较高，难以进一步Refarming用于LTE。如图1所示，目前某城市TD-LTE网络测试中，LTE路测占网时长占比已接近 100%，4G流量驻留比越91%～96%，但4G时长驻留仅为68%～90%，显示出城市室内深度覆盖不足的问题仍较为严重。

图1　4G驻留时长占比

对于农村广度覆盖问题，在中国移动现有基站布局中，农村通常采用GSM 900建站，布局较市区稀疏，站间距较大。但是，在目前中国移动TD-LTE建网策略中，由于频段较高（最低频段为F频段1.9 GHz），信号传播空间损耗远大于900 MHz，因此要达到同GSM相同的覆盖水平，需要大规模提升建站数量，考虑到农村广覆盖地区对容量需求并不迫切，该方案造成大量投资浪费。因此，同GSM900共址建设LTE FDD900网络成为最佳选择。

综合以上分析，解决TD-LTE城市深度覆盖和农村广度覆盖问题是LTE FDD建设初期需要考虑的首要因素，因此，本文结合理论分析和测试，对不同频段的覆盖能力和室外覆盖室内能力进行分析。

900 MHz/1800 MHz/F频段/D频段的传播损耗差异可根据传播模型进行测算。根据电磁传播理论，其中900 MHz采用Okumuru-Hata模型，1800 M/F/ D采用Cost231-Hata模型，在不考虑天线增益、穿透损耗等实际影响因素，仅考虑空间传播损耗得基础上，以900 MHz为基线，一般城区场景，各频段在相同传播距离下，传播损耗差异如表2所示。

表2　不同频段传播损耗差异

通过表2结果可知，在密集城区，相同的基站EIRP情况下，相同传播距离，不同频段信号接收场强差异，以900 MHz为基线，1800 MHz将低9.8 dB，F/D分别低10.53 dB和15.23 dB。

通过对不同频段的TD-LTE/LTE FDD理论进行链路预算，如表3所示，LTE FDD 900覆盖半径远大于LTE FDD1800和TD-LTE F频段，具有最好的覆盖性能；LTE FDD1800和TD-LTE F频段覆盖能力相当，均优于TD-LTE D频段。综上可知，在同一场景下TD-LTE/LTE FDD覆盖能力主要影响因素为频段，同频段下二者差异较小。

表3　不同频段覆盖半径链路预算

在城市深度覆盖中，除了路径损耗差异外，室外覆盖室内的穿透损耗也是影响用户感知的重要指标之一。如表4所示，在江苏、福建、浙江等省多个外场对同一站点上的FDD900、FDD1800和TD-LTE F频段的信号在不同场景和外墙介质下进行了室内RSRP对比，用以模拟实际宏站上不同制式的信号在室内覆盖的信号强度。从测试结果可以看出：（1）900 MHz的室内覆盖水平远远超过1800 MHz和F频段，平均优势达到11.32 dB；（2）FDD 1800 MHz较TD-LTE F频段室内覆盖信号强2.75 dB，而造成该结果主要是由于LTE FDD较TDLTE的EIRP高3 dB造成；（3）从测试中结果也可以看出，不同场景和介质的穿透损耗存在一定区别。

表4　室外覆盖室内RSRP差测试

从以上结果可以看出，900 MHz由于其频段较低，因此覆盖能力和深度覆盖水平均远远超过1800 MHz和F频段。对于室内深度覆盖，除了采用小基站进行抵近覆盖外，利用FDD 900的覆盖和穿透优势，实现同GSM相同的深度覆盖能力是重要解决手段之一，同样，采用900 MHz建网对于解决中国移动TD-LTE农村站点密度不足具有重要意义。

3　解决TD-LTE上行容量短板

除了覆盖问题之外，TD-LTE的上行容量受限问题也影响较大。从图2可以看出， 新加坡新年夜上行吞吐量在凌晨出现超过下行的情况。此外，在体育馆、歌剧院以及旅游景点等特殊场景，由于实时视频业务和大量的图片及视频上传，易出现TD-LTE上行容量不足需要扩容的情况。因此，LTE不仅对下行流量需求较大，不少典型场景上行流量需求短板明显高于下行。

图2　新加坡新年夜上下行吞吐量对比

如图3所示，由于TD-LTE上下行采用了1:3的时隙配比，采用20 MHz带宽的TD-LTE系统上行峰值速率在2:2特殊子帧配比下为20 Mbit/s，在实际现网配置下的1:3特殊子帧配比下为10 Mbit/s。而对比LTE FDD，由于其对称的上下行频谱配置，在2×10 MHz带宽下上行峰值速率为25 Mbit/s，单载波20 MHz TD-LTE甚至低于2×5 MHz的LTE FDD系统上行速率，因此上行容量相对LTE FDD有较大劣势。针对互联网+时代如实时视频等对称性业务，上行更易成为瓶颈。此外，在市场竞争中，竞争对手会采用强调上行峰值速率的方式对中国移动4G业务进行比较，造成移动的市场压力。

图3　LTE FDD同TD-LTE上下行峰值速率对比

在LTE FDD网络建设初期，考虑到GSM系统900 MHz的频率使用率较高，因此密集城区预计只能退频2×5 MHz左右用于LTE FDD，而1800 MHz相对频率使用率略低，具备退频2×10 MHz甚至更高的可能。从总频率资源上看，FDD 1800拥有2×25 MHz频谱，FDD900拥有2×19 MHz频谱，考虑到未来GSM 900会留一层薄网，1800 MHz在提升容量上具有明显优势。因此，对于存在上行容量需求较高需要扩容的特殊场景，可考虑采用LTE FDD 1800进行扩容。

4　终端产业链支持程度分析

由于LTE FDD主设备在国内外均已大规模商用，因此无论是900 MHz还是1800 MHz的主设备支持能力已不是制约LTE FDD网络发展的主要因素。而终端由于受到准入许可和成本压力的限制，其产业链支持程度要落后于主设备，特别是存量终端的支持程度对LTE FDD网络建设初期用户感知存在较大影响。

从全球终端产业链支持程度上来看，支持FDD 1800的终端数最多。支持FDD 900的终端数约为其一半。国内来看，由于联通电信对FDD 1800的支持，因此除移动定制机外，其它支持LTE FDD的4G终端均支持1800 MHz。由于中国移动对于定制终端的白皮书中未要求支持FDD 900的制式频率组合，同时FDD 900在国内尚没有商用网络，其它渠道的主流终端也不支持FDD900，因此该频段的终端支持程度较低。

在存量终端中，支持FDD 900主要为苹果终端，通过对某沿海二线城市IMEI型号的统计，在全部4G终端中，支持FDD 1800的终端占比为53%。在支持FDD 1800且同时支持FDD 900的终端中，有91.9%为苹果终端，排名第二的为三星，占比为7.3%。基于相同的统计口径，该城市全部4G终端中，苹果终端的占比为34.9%。因此，若保持现有终端支持程度不变，在LTE FDD建网初期，FDD 900的支持程度明显低于FDD 1800。但是考虑到苹果用户ARPU值和单用户数据流量相对较高，且城市高ARPU值安卓用户换机周期相对较短，随着牌照发放前存量终端比例的变化，FDD 900在终端支持程度上的劣势将有望改善。

5　其它影响频率选择的因素分析

5.1容量需求

从中国移动GSM现网频率分配情况可以看出，1800 MHz（2×25 MHz）比900 MHz（2×20 MHz）频率更多。在LTE FDD牌照发放初期，由于GSM语音主要承载在GSM 900网络上，因此GSM可退频带宽相对较低，且900 MHz还将有一层薄网长期存在，因此从补充容量的角度，1800 MHz更有优势。

5.2国际漫入需求

如图4所示，现网LTE终端中，FDD 1800 MHz支持程度最高，FDD 2600 MHz次之，900 MHz支持率仅为1800 MHz的一半左右。因此，考虑漫入用户需求，在如国际机场、边境口岸以及其它国际漫游用户较多的区域，可建设FDD 1800网络用于国际漫入。

5.3系统间干扰

通过对现网GSM系统间干扰测试和FDD试验干扰测试发现，900 MHz城区场景由于私装直放站会存在一定干扰，且这种干扰相对来说难以治理。相对而言，1800 MHz频率干扰较弱，易于干扰治理。

图4　国际终端支持情况分析

6　总结

本文针对未来中国移动可能引入LTE FDD后的频率选择进行全面分析，从覆盖、上行速率、终端支持能力、容量、国际漫入以及干扰等多方面影响因素进行了研究。从论文中可以看出，900 MHz在解决中国移动目前面临的城市深度覆盖不足以及农村广度覆盖受限的主要问题中起到重要作用，因此建议在网络建设初期全网部署。1800 MHz在容量、终端支持程度以及国际漫入等方面存在明显优势，因此建议在有扩容需求（尤其是上行扩容需求）以及国际漫入用户较多的场景建设。因此，LTE FDD应针对不同频段的特点并结合TD-LTE已有网络的问题进行频率选择，实现LTE FDD/TD-LTE多频段融合组网，为用户提供最佳的网络体验。

Analysis of LTE FDD frequency selection for China Mobile

ZHANG Yan-yan, XU De-ping, CHENG Ri-tao, DENG An-da
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractThe construction for coverage of China Mobile (CM) TD-LTE network was basically completed. However, owing to defect ofhigher frequency and poorer international compatibility, the CM network is now facing a series of network issues, such as insufficient network deepness coverage, incomplete network breadth coverage, insufficient uplink capacity and International roaming. In this article, with multidimensional estimate and analysis, such as the current status of network coverage, uplink transmission rate, support level of mobile terminal network capacity, international roaming and network interference, we propose that within fell off in usage of GSM frequency band, CM may refarm band source of GSM for LTE FDD. The research result can offer reference to the development strategy of LTE and GSM of CM.

KeywordsLTE FDD; TD-LTE; refarming; frequency selection

收稿日期：2015-12-28

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）01-0007-05