LTE和GSM网络动态频谱的研究和应用

董帝烺

（中国联合网络通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

LTE和GSM网络动态频谱的研究和应用

董帝烺

（中国联合网络通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

为了更好地实现频谱资源的高效利用，针对GL频谱重耕中存在的问题，通过把GL带宽间隔最小化、GL协同共谱调度、载波聚合的功能进行组合，提出了GL动态频谱方案，通过实施该方案，原本需要34.8 MHz（20 MHz和10 MHz的LTE载波聚合以及4.6 MHz的GSM网络）频谱资源才能达到的网络效果，仅需30 MHz即可实现，网络性能测试结果表明，性能基本不受影响，LTE的峰值速率提升45%。

频谱重耕 GL带宽间隔最小化 GL协同共谱调度 载波聚合 GL网络动态频谱

1 引言

随着4G终端的普及，以及面对互联网和个人客户业务（to internet & to customer，简称2I2C）的快速发展，4G网络数据业务流量成倍增长。与此同时，GSM业务逐渐萎缩，全网的话务量、流量呈急速下降趋势。对于中国联通来说，由于FDD的频谱资源有限，GL频谱重耕或将是未来趋势。但国内现网中的实际情况显示，目前仍存在有相当比例的纯GSM终端，消费水平及其它一些因素决定这部分终端还会在相当长一段时间内驻留在GSM网络，这样就提出了在GL频谱重耕过程中，在提升LTE用户体验的同时，仍需保障GSM终端客户的话务功能及用户体验的要求，需在兼顾两者的基础上有效地提升频谱效率。为了解决以上问题，以提升频谱效率及用户体验为主线，立足中国联通的网络现状和未来业务的发展需求，通过大量技术研究和现网测试验证，提供GL频谱重耕过程中，提升频谱利用率，改善LTE用户体验的同时保证GSM网络质量的解决方案。

2 GL动态频谱的技术原理

2.1 GL带宽间隔最小化

LTE标准定义的载波带宽比其实际可用的资源块占用带宽要大，和其他网络一样，LTE系统考虑了一定的保护带宽。以LTE 20 MHz系统为例，可用带宽计算得出：100×15 kHz×12=18 MHz，左右各有大约1 MHz属于保护带宽，共计2 MHz。并且在现实组网中，LTE与GSM网络还有200 kHz的保护间隔。因此，通过提高滤波器性能来减少GSM和LTE之间的保护间隔，甚至GSM占用LTE标准带宽内保护带的部分频率资源，将有助于LTE频谱利用率的提升。

中兴多模基站通过提升GSM和LTE的收发滤波器的性能，可以将GSM和LTE间保护频率间隔最小化，使得GSM和LTE共站时可以同时占用部分相同频率资源，从而大大提升GL频谱重耕后的频谱效率。具体的频率间隔如表1所示：

表1 频率间隔表

通过利用GL带宽间隔最小化（MGB, Minimum Gap Bandwidth）技术，可以在同频双模组网时最大限度地节约频率资源，提升频谱效率。可以实现从200 kHz的保护间隔到零保护间隔和负间隔，对设备性能没有影响。

2.2 GL协同共谱调度

传统的GSM/LTE共组网中，在GSM语音业务空闲时段，LTE无法使用处于闲置状态的频谱资源，造成资源浪费。通过GL协同共谱调度（CSS, Cooperation Sharing Schedule）技术，GSM/LTE可动态地共享部分频谱资源，其中GSM以200 k（一个载频）为粒度进行共享，LTE则以资源块组（RBG, Resource Block Group）为粒度进行动态扩展或缩减。GL协同共谱调度技术考虑了将GSM部分频点配置在LTE配置的载波发射带宽内，与LTE的资源块交叠，系统根据实际的使用需要，在一定区域范围内只允许一种制式使用。这种技术使频率资源的调度粒度更小，调度更加灵活。

在GSM带宽范围内挑选2 MHz带宽（10个频点）放在LTE 20 MHz带宽范围内用做动态频点，则节省出的这2 MHz带宽分给原3 MHz LTE小区，将其配置为5 MHz小区，如图1所示：

图1 GL协同共谱调度示意图

2.3 跨制式的频谱资源调度

在GL协同共谱调度中，需要对GSM和LTE的话务量趋势进行分析并协调GL之间的频谱使用，因此考虑在系统架构上采用跨制式的协同调度模块。基于协同调度模块的工作模式，与GSM的BSC和LTE的eNodeB之间的接口方案，把信令消息及网管性能都传送到协同调度模块，由协同调度模块根据GSM和LTE网络当前话务的使用状况，决定是否进行跨制式的频谱调度，并按调度的结果通知GSM和LTE网络进行频率资源的调度。目前，GL协同共谱调度只支持同一个频段的调度，还不支持不同频段的调度。

2.4 载波聚合

3GPP在Release 10 (TR 36.913)阶段引入载波聚合技术，载波聚合是将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽，该技术可大幅提升整网资源利用率，改善用户峰值速率体验，同时还可以提高离散频谱的利用率。

载波聚合是LTE-A的一个关键技术，具备在频段内及跨频段整合无线信道的基本特性，用以提升用户的数据传输速率，从而达到成倍提升用户峰值速率的目的。载波聚合技术使运营商可利用现有的网络硬件资源，在无需进行大量投资的前提下实现网络容量的成倍提升，从而为更多用户提供更好更快的网络体验，故得到了各运营商的积极推广应用。

载波聚合分频段内和频段间聚合，目前中国联通的FDD-LTE有1.8 G和2.1 G频段，考虑到带内载波聚合的终端支持度比较高，且在1.8 G频段内可采用共RRU内部聚合，无需再添加RRU，实现比较容易，故在GSM网络比较闲的时候把1.8 G的GSM频段拿来做载波聚合，是个非常好的选择。

3 GL动态频谱方案

通过对以上相关关键技术进行分析、验证、应用部署及综合利用，可实现“GL协同共谱调度+带宽间隔最小化+载波聚合”组合应用的GL动态频谱解决方案，有效动态提升4G网络频谱效率。

“CSS+MGB+CA”组合的GL动态频谱方案，即通过CA技术将LTE的20 MHz小区与LTE的10 MHz小区在频带内紧密相连，LTE两个小区中心频点间隔为13.5 MHz，LTE频带两端加入MGB配置的GSM网络BCCH载波（BCCH频点部分位于MGB带内），LTE 10 MHz带宽内再插入GSM网络业务信道（TCH）频点，形成GL协同共谱调度。将“CSS+MGB+CA”主要功能同时开启，可完成在30 MHz带宽内同时部署LTE网络20 MHz+10 MHz载波聚合、GSM网络23个频点，则在满足GSM话务的同时，进一步提升了“CSS+MGB+CA”功能带来的频谱收益。

现网改造前为LTE网络配置20 MHz，GSM网络配置10 MHz，如图2所示：

图2 现网1.8 G频段频率分配图

GL动态频谱方案将原来的LTE网络20 MHz和GSM网络10 MHz改造成“CSS+MGB+CA”三明治频谱方案，如图3所示。

GL动态频谱方案中，GSM/LTE配置的主要无线参数如下：

◆GSM网络配置：BCCH下行频段为1 830.1 MHz—1 831.8 MHz和1 859.2 MHz—1 859.9 MHz，共11个频点。

◆LTE网络配置：LTE 10 MHz下行频段为1 832 MHz—1 841 MHz，共9 MHz，LTE 20 MHz下行频段为1 841 MHz—1 859 MHz，共18 MHz。

上述频段中，1 831.9 MHz—1 832.9 MHz和1 839.5 MHz—1 840.9 MHz为GL CSS动态频段，GSM共12个TCH频点。

图3 GL动态频谱方案频谱“三明治”图

在GL动态频谱方案中，LTE的10 MHz载波由于插入了GSM的12个TCH频点，则相当于共占用LTE 8个RBG频点。这12个TCH频点和8个RBG是协同共谱调度的。当GSM网络处于闲置状态时，该频谱调度给LTE使用，即此时LTE的用户可以分配到这8个RBG；当GSM网络负荷较重时，该频谱回收给GSM使用，即此时LTE的这8个RBG不会调度给用户使用。

GL动态频谱方案的实现在硬件上需要新安装一块SBCX单板用作iCS服务器，整体的部署组网如图4所示。

将本GL动态频谱方案应用于华侨大学往东区域和往南扩大区域，在部 署区域内共有50个GSM1800和LTE共站站点，其中缓冲区内有6个，实施区内有44个。区域内整体话务量较大，GSM/LTE话务高峰错开，存在潮汐效应。GL动态频谱方案实施范围如图5所示。

4 GL动态频谱方案实施效果

4.1 协同共谱调度对网络性能指标的影响

在GL动态频谱方案中，由于存在GSM网络的12个TCH频点与LTE的8个RBG频点协同共谱调度。在共享调度的频谱里面，12个TCH频点共谱调度给GSM网络使用，或者8个RBG频点共谱调度给LTE网络使用，会对LTE网络的速率产生一定的影响。通过呼叫质量拨打测试（CQT, Call Quality Test），以SINR值来衡量极好点、近点、中点和远点，进行下载速率的比较，如表2所示：

图5 GL动态频谱方案实施范围示意图

表2 GL动态频谱方案CQT测试

图4 GL动态频谱组网图

通过CQT测试可以清晰看到，原来LTE网络20 MHz带宽的理论峰值速率大约为150 Mbit/s，通过GL动态频谱方案后，当共谱调度给LTE网络时峰值速率可以达到220 Mbit/s，即使是共谱调度给GSM网络，峰值速率也能达到182 Mbit/s。

测试区域内的驱车测试（DT, Drive Test）情况如表3所示，GL动态频谱方案实施后，LTE的无线网络指标处于正常波动范围，掉话和切换指标正常，下载速率有较大提升。在共谱调度给GSM网络时，GSM网络的语音呼叫测试显示接受信号质量（RQ, RXQUAL）指标会有一些下降，TCH载频上还是存在一些干扰，但不严重，而数据业务测试因为分组数据业务信道（PDTCH）都在BCCH载频上，不会有来自LTE的带内干扰，因此分组业务（PS）指标处于正常波动范围。

4.2 LTE峰值速率和频谱效率提升

通过本方案的频率重耕，在保障2G网络用户感知的前提下，可以大幅度提升4G网络的下载速率，提升用户感知。LTE用户的峰值速率可从150 Mbit/s提升到220 Mbit/s，提升幅度达45%。

如果不实施GL动态频谱方案，为了达到相应的网络效果，则需要34.8 MHz的频谱资源（用于LTE 20 M+10 M，GSM网络4.6 M），而实施GL动态频谱方案后只需30 MHz带宽，频谱效率收益明显。

4.3 方案总结

在泉州实施G L动态频谱方案的效果显示，GSM网络可正常共享和回收GL共用的频谱，LTE 10 MHz小区可相应地使用和释放对应的RB资源，“CSS+MGB+CA”功能运行正常，GSM/LTE均无异常告警产生，GSM/LTE各网元运行稳定。如果不实施GL动态频谱方案，则需要34.6 MHz带宽才能达到相应网络性能指标，而实施该方案后只需30 MHz带宽资源，效率频谱收益明显。在合理的频谱规划和GSM无线参数配置下，除去早忙时和晚忙时的突发话务时段频谱回收，GSM基本上可全天处于频谱共享状态，10 MHz LTE有50个RB处于可用状态。测试区域20 MHz+10 MHz的CA激活时LTE用户的下行最大速率可提升到220 Mbit/s，极大地提升了用户体验。

综上，GL动态频谱方案可有效实现GSM频谱的动态共享，将其用于LTE网络，通过“CSS+MGB+CA”功能的组合应用可将频谱资源高效利用，增益效果明显，具备商用条件。

表3 GL动态频谱方案DT测试

5 GL动态频谱方案部署建议

GSM/LTE共频段同区域组网时，GSM话务量变化较明显且和LTE话务有一定的潮汐效应。若LTE话务和GSM话务潮汐效应较小，需通过合理的GSM频谱规划和GSM无线参数配置使“CSS+MGB+CA”功能稳定生效。

建议分析该区域各个GSM小区的话务规律，挑选合适的GSM频谱共享小区。建议BCCH载频时隙配置为TCH全动态，配合合理的CS预留门限和PS信道预留资源，避免GSM频谱共享时可能造成的拥塞。建议部署的场景包括商场、学校、企业等LTE业务非常繁忙的地区，提升用户体验。

6 结束语

频谱对运营商而言是最为稀缺的资源，在大部分国家，频谱资源的使用是有偿的，且牌照费用高昂，最大化利用有限的频谱资源是运营商不断追求的目标。GSM系统的突出优势体现在语音业务和全球互联互通上，LTE网络则以其高速数据承载能力成为运营商网络发展的必然趋势。在900 MHz/1 800 MHz频段实现GSM/LTE双模，使这两种移动通信制式有效互补，既可以满足GSM语音业务和低速业务的大覆盖和全球连通性，又可以为区域内的用户提供高速数据业务，最大程度降低网络的建设和运维成本。

GSM和LTE虽然可以在同频段部署，但是需要二者之间留出一定的频率保护间隔。LTE的带宽变化的粒度很粗，一般为5 MHz，而现网GSM频谱资源释放仍是一个缓慢渐进的过程，这导致部分频谱不能得到有效利用。GL动态频谱方案的实现使频谱效率提升和多网融合有了进一步的突破，在900 MHz/1 800 MHz频段上进行GSM/LTE多模部署时，可更灵活使用相同频谱，最大程度提升频谱使用效率，为运营商带来便利的网络部署和可观的投资缩减。

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Research and Application of Dynamic Spectrum for LTE and GSM Networks

DONG Dilang
(China United Network Communications Limited Fujian Branch, Quanzhou 362000, China)

In order to better realize the high-efficiency utilization of spectrum resources, in view of the drawback of GL spectrum re-farming, a GL dynamic spectrum solution was proposed by combining the GL bandwidth interval minimization, GL cooperative spectrum sharing scheduling, carrier aggregation and 4.6MHz GSM networks. On the 30MHz spectrum at the 1800MHz frequency, the LTE subcarrier aggregations of 20MHz and 10MHz, as well as the 4.6MHz GSM networks were deployed. The results of the network performance testing demonstrate that the performance is basically unin fl uenced and LTE peak rate is increased by 45%.

frequency re-farming GL bandwidth interval minimization GL cooperative spectrum sharing scheduling carrier aggregation GL network dynamic spectrum

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.014

TN929.5

A

1006-1010(2017)21-0070-06

董帝烺. LTE和GSM网络动态频谱的研究和应用[J]. 移动通信, 2017,41(21): 70-75.

2017-07-25

文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

董帝烺：高级工程师，毕业于厦门大学通信工程专业，现任中国联合网络通信有限公司福建省分公司运维部泉州片区优化中心主任，主要从事WCDMA/LTE网络优化，及移动网无线新技术研究工作。