TD-LTE頻率資源研究

TD-LTE頻率資源研究

摘要：目前國(guó)內(nèi)TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)主要在2G頻段建設(shè)，即F頻段和D頻段，但這兩個(gè)頻段均不能很好地滿(mǎn)足TD-LTE未來(lái)建設(shè)發(fā)展需求。分析了目前的TD-LTE發(fā)展現(xiàn)狀和世界范圍內(nèi)開(kāi)展LTE建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)TD-LTE在F頻段、D頻段以及700MHz頻段的建設(shè)做了實(shí)例仿真分析和投資估算，最后提出了盡快確定TD-LTE建設(shè)頻段的必要性。關(guān)鍵詞：TD-LTE，700MHz頻段，室內(nèi)覆蓋1引言1.1世界范圍內(nèi)LTE建設(shè)應(yīng)用情況截至2013年2月19日，全球已有67個(gè)國(guó)家的150個(gè)運(yùn)營(yíng)商提供LTE商用服務(wù)，其中在之前的5個(gè)月開(kāi)通LTE服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商為50個(gè)。到2013年底，商用LTE網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將達(dá)到256個(gè)，其中大部分采用FDD制式，全球有TD-LTE商用網(wǎng)14張。從地域來(lái)看，北美、日本和韓國(guó)等已先行發(fā)展LTE，其中美國(guó)已在LTE網(wǎng)絡(luò)上有明顯收益，歐洲運(yùn)營(yíng)商在LTE上的規(guī)模部署才剛剛起步。全球共有87個(gè)廠商提供666款LTE終端，其中，31家制造商提供的125款終端支持TD-LTE。1.2TD-LTE在中國(guó)的建設(shè)發(fā)展情況2012年，中國(guó)移動(dòng)在杭州、廣州、深圳等15座城市開(kāi)展了TD-LTE擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)，年內(nèi)覆蓋了2萬(wàn)TD-LTE基站。同年12月底，中國(guó)移動(dòng)在香港推出了TD-LTE/LTEFDD融合網(wǎng)絡(luò)。2013年，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)將覆蓋到包括地級(jí)市在內(nèi)的100座城市，部署超過(guò)20萬(wàn)個(gè)基站，可以服務(wù)5億人口，這將是全球最大的LTE網(wǎng)絡(luò)。2013年中國(guó)移動(dòng)的TD-LTE終端采購(gòu)量將超過(guò)100萬(wàn)部。1.3頻率資源的重要性在頻譜資源異常緊張的今天，科學(xué)利用頻譜越來(lái)越重要。如果把發(fā)展我國(guó)TD-LTE事業(yè)比作蓋樓，那么，頻譜分配則是蓋樓前的征地工作。如果沒(méi)有確定土地，就算樓房規(guī)劃得再好也只是空中樓閣。2頻段分配現(xiàn)狀2.1國(guó)際TD-LTE頻段分配現(xiàn)狀國(guó)際電聯(lián)給LTE劃分了四個(gè)頻段：3.4～3.6GHz的200MHz、2.3～2.4GHz的100MHz、698～806MHz的108MHz和450～470MHz的20MHz。按照通信原理，在越低的載波上，信號(hào)的傳輸距離越長(zhǎng)，基站的覆蓋面積也就越大，所以后兩個(gè)低頻段更有利于建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)。但是，450MHz頻段已經(jīng)定為公共頻段，主要用于對(duì)講機(jī)、集群通信，所以其中只有700MHz是LTE的最佳頻段。2.2國(guó)內(nèi)TD-LTE頻段分配現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)主要在2G頻段建設(shè)，即F頻段和D頻段，如表1所示。F頻段頻率1880～1920MHz，其中后20MHz目前由小靈通占用，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備可以直接升級(jí)，布網(wǎng)快，但是僅有20MHz；D頻段頻率2500～2690MHz，帶寬足夠，但是建設(shè)周期比較長(zhǎng)。目前的頻率均不能很好地滿(mǎn)足TD-LTE未來(lái)建設(shè)發(fā)展需求。因此，盡快分配合適的頻段用于TD-LTE建設(shè)成為至關(guān)重要的問(wèn)題。2.3700MHz頻段是“數(shù)字紅利頻譜”根據(jù)全球模擬電視數(shù)字化進(jìn)程，2007年WRC-07世界無(wú)線電大會(huì)上新分配給陸地移動(dòng)通信業(yè)務(wù)4段頻率，它們分別是450～470MHz、698～862MHz、2300～2400MHz、3.4～3.6GHz。其中，700MHz頻段是模擬電視轉(zhuǎn)換成數(shù)字電視后在UHF頻段空出的頻率，能夠被廣播電視之外的系統(tǒng)使用，因此也被成為“數(shù)字紅利頻譜”。世界各國(guó)紛紛開(kāi)展“數(shù)字紅利頻譜”的再分配工作，大量國(guó)家將其用于LTE建設(shè)，如圖1所示。在我國(guó)，2013年廣電已經(jīng)完成全部地市和大部分縣90%以上人口地面數(shù)字電視覆蓋，并已經(jīng)基本同意2015年釋放出700MHz頻譜資源(698～806MHz)。但是就LTE的發(fā)展來(lái)看，這一時(shí)間點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿(mǎn)足需要。表1國(guó)內(nèi)所有已規(guī)劃的TDD頻段及候選頻段表頻段/MHz基本情況存在的問(wèn)題已規(guī)劃/規(guī)劃中的頻段F頻段1900(1880～1920)共40M可用，前20M歸TD-LTE使用，后20M歸TD-SCDMA使用。PHS現(xiàn)存用戶(hù)多1900～1920MHz頻段會(huì)存在較多干擾給未來(lái)TDS擴(kuò)容帶來(lái)影響。E頻段2300(2320～2370)最早聲頻率復(fù)只用于室內(nèi)。公共頻率，會(huì)和現(xiàn)存WLAN存在一定干擾。D頻段2600(2500～2690)作為規(guī)模試驗(yàn)頻率國(guó)際上用得較多的LTE頻段。覆蓋較差建網(wǎng)成本高需新增大量新站址。A頻段(2010～2025)TD-SCDMA現(xiàn)網(wǎng)使用頻段?，F(xiàn)網(wǎng)使用頻段資源較少可暫時(shí)不考慮。候選頻段700(698～806)政府在國(guó)際上支持分給移動(dòng)業(yè)目前廣電表態(tài)2015年前不愿釋有引入TD-LTE的空間。暫時(shí)難以獲得可做長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮。450～470世界無(wú)國(guó)支持劃分給移動(dòng)業(yè)務(wù)鐵路森林防用對(duì)講、CDMA450使用。干擾情況復(fù)雜帶寬有限頻率可用性較差。1785～1805入SCDMA大靈通使用重點(diǎn)是行業(yè)工間隔GSM1800的區(qū)域使用。與GSM1800干擾嚴(yán)重不適合作為室外連續(xù)覆蓋頻率。3采用700MHz頻段建設(shè)的優(yōu)勢(shì)3.1鏈路預(yù)算自由空間傳播模型：圖1“數(shù)字紅利頻譜”再分配與LTE建網(wǎng)使用已在全球蓬勃開(kāi)展PL(dB)=32.44+201gd(km)+201gf(1)Okumura-Hata傳播模型公式：LOku=69.55+26.161gf-13.821ghb+[44.9-6.551ghb]*lgda(hm)-Cm(2)COST231-Hata傳播模型公式：PL(dB)=46.3+33.91gf-13.821ghb+(44.9+6.551ghb)*lgd-α(hs)+Cm(3)在自由空間傳播模型下，空間耦合損耗的差異：700MHz相對(duì)F頻段少8dB，相對(duì)D頻段少10.8dB。在密集城區(qū)經(jīng)驗(yàn)傳播模型下，空間耦合損耗的差異：700MHz相對(duì)F頻段少15.6dB，相對(duì)D頻段少20.3dB。因此，基于700MHz的傳播特性，如果采用該頻段建設(shè)TD-LTE，將減少站址及設(shè)備投入，減少室分系統(tǒng)的建設(shè)，相對(duì)高頻段來(lái)說(shuō)成本比較低。3.2站數(shù)對(duì)比從表2可以看出，以某城市的密集城區(qū)為例，在初期只滿(mǎn)足覆蓋需求的情況下，覆蓋面積為18.84km2的主城區(qū)，如果采用1900MHz頻段，需要221個(gè)宏基站；如果采用2.6GHz頻段，需要462個(gè)宏基站；如果采用700MHz頻段，僅需要約53個(gè)宏基站。事實(shí)上，因?yàn)橹鞒菂^(qū)的GSM網(wǎng)容量受限，該區(qū)域現(xiàn)有基站89個(gè)，完全滿(mǎn)足700MHz頻段的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)初期覆蓋需求，無(wú)需新建基站。3.3仿真比較選取某城市的密集城區(qū)進(jìn)行仿真結(jié)果比對(duì)。密集城區(qū)面積18.84km2，89個(gè)TD-LTE基站，平均站間距494m。仿真結(jié)果如圖2所示，不難發(fā)現(xiàn)，700MHz的仿真結(jié)果顯著優(yōu)于D頻段與F頻段的仿真結(jié)果。700MHz的仿真結(jié)果RSRP平均約為-70dBm，邊緣場(chǎng)強(qiáng)為-80dBm，D頻段與F頻段仿真均存在弱覆蓋區(qū)域，從仿真結(jié)果來(lái)推斷，700MHz的組網(wǎng)格局仍需減站，而D頻段與F頻段的組網(wǎng)格局需新建部分站點(diǎn)才能滿(mǎn)足覆蓋需求。3.4投資比較由表3可知，采用700MHz大約需要投資3594萬(wàn)元；采用1900MHz頻段需要投資約1.67億元；采用2.6GHz頻段需要投資約3.47億元。表2不同頻段需要的站數(shù)對(duì)比表制式(頻段)TD-LTE(700MHz)TD-LTE(1900MHz)TD-LTE(2600MHz)業(yè)務(wù)類(lèi)型500kbps(10RB)天線類(lèi)型雙極化天線8通道智能天線頻率/MHz70019002600LP(最大允許的108.8109.3107.3r/km0.430.210.14S/km20.360.090.04站距D/km0.640.310.22規(guī)劃站數(shù)/個(gè)53221462注：定向三扇區(qū)基站，覆蓋半徑為r，兩個(gè)基站之間的間距D為1.5r，單站覆蓋面積。圖2不同頻段仿真結(jié)果圖表3不同頻段需要的宏站投資對(duì)比表宏站數(shù)共址新址設(shè)備費(fèi)/萬(wàn)元配/萬(wàn)元宏站投資/萬(wàn)元單站投資/700MHz535304242120254448F(1900MHz)221891321768101601192854D(2600MHz)4628937336962221025906563.5室內(nèi)覆蓋比較根據(jù)電磁波的傳播特性，低頻信號(hào)穿透能力差，但繞射能力強(qiáng)，空間傳播損耗小。實(shí)驗(yàn)表明，頻率越高，穿透損耗越高。同時(shí)TD-SCDMA的工程實(shí)踐也告訴我們，使用F頻段做宏站廣覆蓋的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，比900MHz的GSM網(wǎng)絡(luò)需要更多的室內(nèi)分布系統(tǒng)。仍以上面的密集市區(qū)為例，室內(nèi)分布系統(tǒng)預(yù)計(jì)投資如表4所示：表4不同頻段需要的室分投資對(duì)比表(萬(wàn)元)室分室分投資700MHz301050F(1900MHz)1374808D(2600MHz)2528836綜上所述，采用700MHz頻段建設(shè)TD-LTE的成本較低，約為2600MHz頻段的1/3。因此如果建設(shè)初期就采用700MHz頻段進(jìn)行TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋，尤其是廣大農(nóng)村的覆蓋，可以節(jié)省大量的國(guó)有資產(chǎn)投資。3.6節(jié)能環(huán)保700MHz頻段空間損耗較小，可以用較小的發(fā)射功率獲得較好的信噪比，比較節(jié)能環(huán)保，能夠?yàn)樯鐣?huì)營(yíng)造一個(gè)更加綠色的無(wú)線環(huán)境。4盡早確定采用700MHz頻段建設(shè)的必要性4.1有利于TD-LTE產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展頻譜的不確定除了對(duì)運(yùn)營(yíng)商建設(shè)進(jìn)度的影響外，還影響到設(shè)備商產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程。目前700MHz頻段產(chǎn)業(yè)支持情況不理想，預(yù)計(jì)在提出明確需求后6～9個(gè)月，TDDLTE產(chǎn)業(yè)界可以提供支持700MHz的基站設(shè)備和終端設(shè)備。如果要終端和基站設(shè)備支持包括700MHz在內(nèi)的多個(gè)TD-LTE頻段，則需要中國(guó)移動(dòng)提出詳細(xì)的技術(shù)要求，綜合終端特性、具體頻點(diǎn)、射頻器件現(xiàn)狀、芯片能力等多個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估。頻率的不確定性已經(jīng)構(gòu)成了對(duì)技術(shù)發(fā)展的限制和制約，嚴(yán)重影響了TDD技術(shù)的發(fā)展和普及，特別是不利于吸引更多的國(guó)際力量壯大TDD陣營(yíng)。因此，推動(dòng)TDD獲取低頻段也是推動(dòng)TD-LTE產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大的需要。4.2國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明優(yōu)勢(shì)明顯在美國(guó)，VerizonWireless2008年就擁有了覆蓋全美的高質(zhì)量700MHz頻段，從2010年開(kāi)始VerizonWireless逐步商用LTE，為用戶(hù)提供了高速的4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為Verizon利潤(rùn)率的主要提升來(lái)源，其用戶(hù)的滿(mǎn)意度始終保持全美最高。而在歐洲，因?yàn)榈投祟l譜遲遲不能確定，已經(jīng)嚴(yán)重影響了LTE的發(fā)展，歐洲在LTE部署規(guī)模上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于北美市場(chǎng)。根據(jù)歐盟委員會(huì)無(wú)線電頻譜政策計(jì)劃(RSPP)，所有27個(gè)成員國(guó)均應(yīng)該在2013年1月1日前將數(shù)字紅利頻譜中的800MHz頻段用于移動(dòng)寬帶服務(wù)。然而，到2013年2月，只有9個(gè)國(guó)家確認(rèn)已經(jīng)分配了數(shù)字紅利頻譜，其余18個(gè)國(guó)家宣布他們將不能在最后期限前完成這項(xiàng)工作。拖延為L(zhǎng)TE服務(wù)分配800MHz頻段頻率意味著覆蓋范圍受到限制，歐盟27國(guó)的運(yùn)營(yíng)商只能有效地覆蓋數(shù)據(jù)流量密集的主要城區(qū)，難以為主要城區(qū)以外的其他地區(qū)提供足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5結(jié)論通過(guò)以上分析表明，700MHz頻段具備傳播特性上的優(yōu)勢(shì)，如果用于TD-LTE建設(shè)，在節(jié)省大量的國(guó)有資產(chǎn)投資的同時(shí)，還將大大縮短建設(shè)周期。國(guó)內(nèi)LTE發(fā)展較遲，如果能夠吸納國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)展之初就采用合適的頻段，將有力推動(dòng)我國(guó)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的快速進(jìn)步。參考文獻(xiàn)：[1]楚佩斯，李小玉，趙培.LTE典型頻段室外傳播特性研究[A].