TD-LTE频率资源研究

TD-LTE频率资源研究

摘要：目前国内TD-LTE实验网主要在2G频段建设，即F频段和D频段，但这两个频段均不能很好地满足TD-LTE未来建设发展需求。分析了目前的TD-LTE发展现状和世界范围内开展LTE建设的经验，对TD-LTE在F频段、D频段以及700MHz频段的建设做了实例仿真分析和投资估算，最后提出了尽快确定TD-LTE建设频段的必要性。关键词：TD-LTE，700MHz频段，室内覆盖1引言1.1世界范围内LTE建设应用情况截至2013年2月19日，全球已有67个国家的150个运营商提供LTE商用服务，其中在之前的5个月开通LTE服务的运营商为50个。到2013年底，商用LTE网络预计将达到256个，其中大部分采用FDD制式，全球有TD-LTE商用网14张。从地域来看，北美、日本和韩国等已先行发展LTE，其中美国已在LTE网络上有明显收益，欧洲运营商在LTE上的规模部署才刚刚起步。全球共有87个厂商提供666款LTE终端，其中，31家制造商提供的125款终端支持TD-LTE。1.2TD-LTE在中国的建设发展情况2012年，中国移动在杭州、广州、深圳等15座城市开展了TD-LTE扩大规模试验，年内覆盖了2万TD-LTE基站。同年12月底，中国移动在香港推出了TD-LTE/LTEFDD融合网络。2013年，TD-LTE网络将覆盖到包括地级市在内的100座城市，部署超过20万个基站，可以服务5亿人口，这将是全球最大的LTE网络。2013年中国移动的TD-LTE终端采购量将超过100万部。1.3频率资源的重要性在频谱资源异常紧张的今天，科学利用频谱越来越重要。如果把发展我国TD-LTE事业比作盖楼，那么，频谱分配则是盖楼前的征地工作。如果没有确定土地，就算楼房规划得再好也只是空中楼阁。2频段分配现状2.1国际TD-LTE频段分配现状国际电联给LTE划分了四个频段：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，在越低的载波上，信号的传输距离越长，基站的覆盖面积也就越大，所以后两个低频段更有利于建设LTE网络。但是，450MHz频段已经定为公共频段，主要用于对讲机、集群通信，所以其中只有700MHz是LTE的最佳频段。2.2国内TD-LTE频段分配现状目前国内实验网主要在2G频段建设，即F频段和D频段，如表1所示。F频段频率1880～1920MHz，其中后20MHz目前由小灵通占用，现网设备可以直接升级，布网快，但是仅有20MHz；D频段频率2500～2690MHz，带宽足够，但是建设周期比较长。目前的频率均不能很好地满足TD-LTE未来建设发展需求。因此，尽快分配合适的频段用于TD-LTE建设成为至关重要的问题。2.3700MHz频段是“数字红利频谱”根据全球模拟电视数字化进程，2007年WRC-07世界无线电大会上新分配给陆地移动通信业务4段频率，它们分别是450～470MHz、698～862MHz、2300～2400MHz、3.4～3.6GHz。其中，700MHz频段是模拟电视转换成数字电视后在UHF频段空出的频率，能够被广播电视之外的系统使用，因此也被成为“数字红利频谱”。世界各国纷纷开展“数字红利频谱”的再分配工作，大量国家将其用于LTE建设，如图1所示。在我国，2013年广电已经完成全部地市和大部分县90%以上人口地面数字电视覆盖，并已经基本同意2015年释放出700MHz频谱资源(698～806MHz)。但是就LTE的发展来看，这一时间点远远不足以满足需要。表1国内所有已规划的TDD频段及候选频段表频段/MHz基本情况存在的问题已规划/规划中的频段F频段1900(1880～1920)共40M可用，前20M归TD-LTE使用，后20M归TD-SCDMA使用。PHS现存用户多1900～1920MHz频段会存在较多干扰给未来TDS扩容带来影响。E频段2300(2320～2370)最早声频率复只用于室内。公共频率，会和现存WLAN存在一定干扰。D频段2600(2500～2690)作为规模试验频率国际上用得较多的LTE频段。覆盖较差建网成本高需新增大量新站址。A频段(2010～2025)TD-SCDMA现网使用频段。现网使用频段资源较少可暂时不考虑。候选频段700(698～806)政府在国际上支持分给移动业目前广电表态2015年前不愿释有引入TD-LTE的空间。暂时难以获得可做长远考虑。450～470世界无国支持划分给移动业务铁路森林防用对讲、CDMA450使用。干扰情况复杂带宽有限频率可用性较差。1785～1805入SCDMA大灵通使用重点是行业工间隔GSM1800的区域使用。与GSM1800干扰严重不适合作为室外连续覆盖频率。3采用700MHz频段建设的优势3.1链路预算自由空间传播模型：图1“数字红利频谱”再分配与LTE建网使用已在全球蓬勃开展PL(dB)=32.44+201gd(km)+201gf(1)Okumura-Hata传播模型公式：LOku=69.55+26.161gf-13.821ghb+[44.9-6.551ghb]*lgda(hm)-Cm(2)COST231-Hata传播模型公式：PL(dB)=46.3+33.91gf-13.821ghb+(44.9+6.551ghb)*lgd-α(hs)+Cm(3)在自由空间传播模型下，空间耦合损耗的差异：700MHz相对F频段少8dB，相对D频段少10.8dB。在密集城区经验传播模型下，空间耦合损耗的差异：700MHz相对F频段少15.6dB，相对D频段少20.3dB。因此，基于700MHz的传播特性，如果采用该频段建设TD-LTE，将减少站址及设备投入，减少室分系统的建设，相对高频段来说成本比较低。3.2站数对比从表2可以看出，以某城市的密集城区为例，在初期只满足覆盖需求的情况下，覆盖面积为18.84km2的主城区，如果采用1900MHz频段，需要221个宏基站；如果采用2.6GHz频段，需要462个宏基站；如果采用700MHz频段，仅需要约53个宏基站。事实上，因为主城区的GSM网容量受限，该区域现有基站89个，完全满足700MHz频段的TD-LTE网络初期覆盖需求，无需新建基站。3.3仿真比较选取某城市的密集城区进行仿真结果比对。密集城区面积18.84km2，89个TD-LTE基站，平均站间距494m。仿真结果如图2所示，不难发现，700MHz的仿真结果显著优于D频段与F频段的仿真结果。700MHz的仿真结果RSRP平均约为-70dBm，边缘场强为-80dBm，D频段与F频段仿真均存在弱覆盖区域，从仿真结果来推断，700MHz的组网格局仍需减站，而D频段与F频段的组网格局需新建部分站点才能满足覆盖需求。3.4投资比较由表3可知，采用700MHz大约需要投资3594万元；采用1900MHz频段需要投资约1.67亿元；采用2.6GHz频段需要投资约3.47亿元。表2不同频段需要的站数对比表制式(频段)TD-LTE(700MHz)TD-LTE(1900MHz)TD-LTE(2600MHz)业务类型500kbps(10RB)天线类型双极化天线8通道智能天线频率/MHz70019002600LP(最大允许的108.8109.3107.3r/km0.430.210.14S/km20.360.090.04站距D/km0.640.310.22规划站数/个53221462注：定向三扇区基站，覆盖半径为r，两个基站之间的间距D为1.5r，单站覆盖面积。图2不同频段仿真结果图表3不同频段需要的宏站投资对比表宏站数共址新址设备费/万元配/万元宏站投资/万元单站投资/700MHz535304242120254448F(1900MHz)221891321768101601192854D(2600MHz)4628937336962221025906563.5室内覆盖比较根据电磁波的传播特性，低频信号穿透能力差，但绕射能力强，空间传播损耗小。实验表明，频率越高，穿透损耗越高。同时TD-SCDMA的工程实践也告诉我们，使用F频段做宏站广覆盖的TD-SCDMA网络，比900MHz的GSM网络需要更多的室内分布系统。仍以上面的密集市区为例，室内分布系统预计投资如表4所示：表4不同频段需要的室分投资对比表(万元)室分室分投资700MHz301050F(1900MHz)1374808D(2600MHz)2528836综上所述，采用700MHz频段建设TD-LTE的成本较低，约为2600MHz频段的1/3。因此如果建设初期就采用700MHz频段进行TD-LTE网络覆盖，尤其是广大农村的覆盖，可以节省大量的国有资产投资。3.6节能环保700MHz频段空间损耗较小，可以用较小的发射功率获得较好的信噪比，比较节能环保，能够为社会营造一个更加绿色的无线环境。4尽早确定采用700MHz频段建设的必要性4.1有利于TD-LTE产业链发展频谱的不确定除了对运营商建设进度的影响外，还影响到设备商产品的研发进程。目前700MHz频段产业支持情况不理想，预计在提出明确需求后6～9个月，TDDLTE产业界可以提供支持700MHz的基站设备和终端设备。如果要终端和基站设备支持包括700MHz在内的多个TD-LTE频段，则需要中国移动提出详细的技术要求，综合终端特性、具体频点、射频器件现状、芯片能力等多个维度进行评估。频率的不确定性已经构成了对技术发展的限制和制约，严重影响了TDD技术的发展和普及，特别是不利于吸引更多的国际力量壮大TDD阵营。因此，推动TDD获取低频段也是推动TD-LTE产业发展壮大的需要。4.2国际经验表明优势明显在美国，VerizonWireless2008年就拥有了覆盖全美的高质量700MHz频段，从2010年开始VerizonWireless逐步商用LTE，为用户提供了高速的4G数据业务。LTE数据业务已经成为Verizon利润率的主要提升来源，其用户的满意度始终保持全美最高。而在欧洲，因为低端频谱迟迟不能确定，已经严重影响了LTE的发展，欧洲在LTE部署规模上要远远小于北美市场。根据欧盟委员会无线电频谱政策计划(RSPP)，所有27个成员国均应该在2013年1月1日前将数字红利频谱中的800MHz频段用于移动宽带服务。然而，到2013年2月，只有9个国家确认已经分配了数字红利频谱，其余18个国家宣布他们将不能在最后期限前完成这项工作。拖延为LTE服务分配800MHz频段频率意味着覆盖范围受到限制，欧盟27国的运营商只能有效地覆盖数据流量密集的主要城区，难以为主要城区以外的其他地区提供足够的网络覆盖。5结论通过以上分析表明，700MHz频段具备传播特性上的优势，如果用于TD-LTE建设，在节省大量的国有资产投资的同时，还将大大缩短建设周期。国内LTE发展较迟，如果能够吸纳国际先进经验，在发展之初就采用合适的频段，将有力推动我国移动通信产业的快速进步。参考文献：[1]楚佩斯，李小玉，赵培.LTE典型频段室外传播特性研究[A].