UMTS 900 MHz的引入與規劃部署研究

李維佳 ，戴 鵬 ，張 亮 ，陳 柱

（1.中國聯合網絡通信集團有限公司深圳分公司 深圳 518048；2.中國聯合網絡通信集團有限公司廣東分公司 廣州 510627）

1 前言

中國聯合網絡通信集團有限公司深圳分公司（以下簡稱深圳聯通）UMTS網絡已初步在深圳大部分城區部署完成，隨著城市發展步伐的加快，UMTS業務應用和用戶數量的不斷增加，UMTS網絡2 100 MHz核心頻段的資源將趨向飽和，新增的住宅小區、高級辦公樓宇等帶來的信號滲透不足等問題將成為制約網絡發展的瓶頸，網絡深度覆蓋及業務分流的需求日趨迫切。

引入擴展頻段UMTS 900 MHz將是必然的選擇。在增加系統容量的同時，擴展頻段的900 MHz電磁波空間傳播損耗較小，繞射能力強，覆蓋半徑較大，理論上是UMTS 2 100 MHz的2.5~3倍。在市區，室外站點可對建筑進行深度覆蓋，減少室分站點建設，從而可以節省建網成本和維護費用；在進行室內覆蓋時，UMTS 900 MHz的網絡覆蓋性能更好，從而可以提升業務服務質量，增強用戶的業務體驗。由于GSM 900 MHz和UMTS 900 MHz信號具有幾乎相同的傳播特性，因而在建設UMTS 900 MHz網絡時，其可與現有的GSM 900 MHz共站、共天饋系統等，減少新建網的設備和站點成本，同時也可減少維護費用。

2 UMTS 900 MHz方案市場進展

2.1 UMTS 900 MHz引入背景

UMTS作為3G系統的一種主流制式，主要是在歐洲國家的主導下制定的。因此，在3GPP最初的協議制定中，僅考慮在核心頻段2 GHz提供服務。隨著UMTS的發展和協議的完善，除了最初定義的核心頻段外，根據不同地區頻率資源的分配情況，其他頻段的需求也陸續被考慮進來。隨著UMTS業務應用和用戶數量的不斷增加，核心頻段的資源會飽和，引入擴展頻段將是必然的選擇。2009年，歐洲聯盟部長會議同意改變原來的GSM政策，允許電信運營商在900 MHz頻段上提供UMTS服務，這是歐盟電信行業改革的重要事項之一。

將900 MHz頻段用于3G，將會極大地降低運營商的網絡建設成本，在電信網絡中，低頻段具有更大的覆蓋范圍，也就意味著運營商可以建設更少的基站，照樣可以達到預定的目的?；趯θ蚴袌龅姆治?，除了提供針對核心頻段2 GHz的解決方案外，還需要提供完善的擴展頻段解決方案。多頻段解決方案為擁有擴展頻段的運營商提供了一條很好的發展UMTS的途徑，這對于滿足不同區域市場的需求、推動3G產業的成熟具有重要意義。

2.2 UMTS 900 MHz產業鏈成熟度

2.2.1 網絡成熟度

早在2007年，愛立信與芬蘭運營商Elisa公司就在900 MHz頻段上推出了UMTS/HSPA網絡。新網絡與Elisa在2.1 GHz頻段上現有的UMTS/HSPA網絡實現了無縫繼承。UMTS 900 MHz網絡為進一步擴大芬蘭偏遠地區的UMTS覆蓋范圍提供了一種經濟有效的方式。而UMTS 900 MHz作為擴大偏遠地區覆蓋范圍的手段，在各國特別是GSM頻譜資源豐富的歐洲國家和地區廣受青睞。全球UMTS/HSPA頻段分布如圖1所示。

從圖1可看出，UMTS/HSPA的全球通用頻段是2.1 GHz；而900 MHz在歐洲市場比較有應用前景，目前已經有了少數的900 MHz的商用局；1 900 MHz和850 MHz在美洲和澳洲比較有前景并已經有很多應用。根據GSA權威網站的分析，截至2011年7月，已有34個UMTS900 MHz網絡部署運行。截至目前，全球共有51個國家考慮準許在900 MHz頻段上部署UMTS網絡，UMTS900 MHz的網絡應用已頗具規模。

2.2.2 終端產業鏈

UMTS網絡的迅猛發展促進了終端的發展。截至2011年4月，全球已有3 071款HSPA終端，其中支持2.1 GHz的有2318款，支持900MHz的有618款。隨著UMTS900MHz網絡的興起，UMTS900 MHz HSPA終端也將飛速發展。舉世矚目的iPad2就已經引入了900 MHz的工作頻段，在歐洲發布的最新款終端大多把900 MHz作為主要支持頻段。

各終端供貨商的商用終端也針對全球UMTS/HSPA頻譜的分布和商用系統的應用情況提供商用產品，全球主流終端廠商所支持的多頻段終端情況總結見表1。目前，作為測試終端的最大供貨廠商Qualcomm，除了1 800 MHz和2.6 GHz外，其他的頻段都可以支持，而且高通對于美國最新的700 MHz頻段也有了支持樣機，對日本特有的頻段及在歐洲有前景的900 MHz都已經支持，成為業界目前支持范圍最廣、技術最先進的測試終端。

3 UMTS 900 MHz引入可行性

3.1 引入UMTS 900 MHz的技術可行性

3.1.1 UMTS900 MHz對覆蓋的影響

COST231-Hata模型是目前研究3G移動通信系統無線網規劃中使用最多的傳播模型。

圖1 全球UMTS/HSPA頻段分布

表1 部分主流終端廠商支持的多頻段終端情況

當滿足頻率在150～2 000 MHz范圍，基站天線有效高度hte在30～200 m范圍，移動臺天線高度hre在1～10 m范圍時，其路徑損耗的表達式為：

其中，a(hre)=(1.1×log fc-0.7)×hre-(1.56×log fc-0.8)；fc為載波頻率；d為終端到基站的距離，即小區覆蓋半徑；hte為基站天線高度；hre為移動臺天線高度；Cm為地形（clutter）修正因子。

這里采用COST231-Hata傳播模型來分析比較UMTS 900 MHz和UMTS 2 100 MHz系統的覆蓋半徑，其中，最大鏈路損耗由鏈路預算得出：假設天線高度為1.5 m，密集市區和一般市區的天線高度為30 m、郊區鄉鎮和農村為40 m，根據經驗值，密集市區的Cm取3dB、一般市區取0dB、郊區鄉鎮取-8 dB、農村和道路取-15 dB?？梢缘玫骄嚯x和頻率的關系為：

根據不同業務的接收靈敏度以及發射功率，可以得到最大傳輸距離。在網絡規劃中，還需要考慮衰落和穿透因子。此外,不同的頻率會帶來饋線損耗的差別，見表2。

根據以上分析，可以得到UMTS 900 MHz與UMTS 2 100 MHz的覆蓋距離，見表3。

可見UMTS 900 MHz比UMTS 2100 MHz有約2.5倍的覆蓋距離增長，能夠很好地實現低成本、廣覆蓋的應用。

表 2 UMTS 900 MHz與UMTS 2100 MHz的各種損耗對比

表 3 UMTS 900 MHz與UMTS 2 100 MHz的覆蓋距離分析

3.1.2 UMTS900 MHz對容量的影響

（1）上行容量影響

UMTS是多址干擾受限系統，系統容量受到來自本小區用戶和鄰小區用戶干擾的限制，當反向鏈路多址干擾功率超過一個事先定好的可接受的信號質量的干擾電平時，就會發生阻塞。干擾電平與移動用戶在某時刻的位置、傳播路徑損耗的規律、系統的功率控制機理等有關，這些因素使CDMA系統的小區容量具有“軟容量”的特點。上行容量主要取決于干擾，對上行容量的分析可以由式（3）反映。

其中，N為單載頻可同時接入的用戶數；ηUL為上行負載；i為鄰區干擾因子；W為系統帶寬；Eb/No為相應業務解調門限；RC為相應業務的信息速率；ρ為業務的激活因子。對于UMTS無線信號采用不同頻段承載，對應的解調門限幾乎沒有差別。所以，從式（3）可以得到，UMTS不同頻段系統的上行容量可以認為是相同的，即UMTS 900 MHz系統和UMTS 2 100 MHz系統的上行容量相當。

（2）R99 業務下行容量

對于下行容量的分析，可以用式（4）進行計算：

其中，N為單載頻可同時接入的用戶數；Pmax為業務信道最大功率；ηDL為下行負載因子；γC為公共信道功率占基站總功率之比；Eb/No為相應業務解調門限；RC為相應業務的信息速率；W為系統帶寬；ρ為業務的激活因子；α為非正交化因子；f為鄰區干擾因子；Nth為熱噪聲密度；CL為耦合損耗，即發射端至接收端的所有損耗，包括饋線損耗、接頭損耗、合路器損耗、空間傳播損耗、穿透損耗等。

從式（4）可以看出，UMTS不同頻段的系統下行容量的差異，主要體現在耦合損耗CL上。如果小區半徑相同，則耦合損耗的差異主要由穿透損耗和空間傳播損耗的差異造成。下面給出在相同的覆蓋半徑下，UMTS不同頻段的話音業務的下行容量的對比。

對于密集城區、一般城區，一般要求VP（video phone，可視電話）連續覆蓋，場景描述見表4。

表 4 密集城區、一般城區覆蓋場景

將表4的場景代入式（4），可以得到 UMTS 2100 MHz系統和UMTS 900 MHz系統的話音業務的下行容量對比，見表 5。

表 5 UMTS 900 MHz與UMTS 2 100 MHz容量對比

從理論分析可見，基于UMTS 900 MHz系統在傳播特性上的優勢，在相同的覆蓋情況下，UMTS 900 MHz系統的無線信號衰落較小，相當于有更多的能量用于用戶信號的傳輸，使得容量稍大，能提供的下行容量稍微優于UMTS 2 100 MHz系統。

（3）HSDPA 業務下行容量

仿真條件是HSDPA固定分配功率40 dBm，采用PF調度算法。通過仿真得到UMTS900 MHz和UMTS 2 100 MHz的HSDPA流量對比，如圖2所示。

圖 2 UMTS 900 MHz與UMTS 2100 MHz的 HSDPA流量對比

從圖 2可知，引入UMTS 900 MHz，下行的衰落以及穿透損耗降低，低頻段帶來更小路損，無線環境更優，因此會使得HSDPA扇區吞吐量有一定提升。在以上既定的仿真條件下，多用戶時，可以提升350～500 kbit/s的扇區吞吐量，即UMTS 900 MHz比UMTS 2 100 MHz能夠帶來大約10%扇區吞吐量的提升。

3.2 引入UMTS 900 MHz的經濟可行性

3.2.1 節省建網成本

不同頻段的信號的傳播特點不同，低頻段信號在傳播過程中的衰減比高頻段有所減少，同時在建筑物中，信號的穿透率也有所提高。根據前面的理論分析，UMTS900 MHz比UMTS2 100 MHz約有2.5倍的覆蓋距離增長；兩者上行容量相同，下行容量在R99業務上UMTS 900 MHz比UMTS2100MHz略有提高；HSDPA業務上UMTS900MHz比UMTS2 100 MHz能夠帶來大約10%的扇區吞吐率的提升。

針對密集城區（DU）、一般城區（MU）、郊區（SU）和農村（RU）地區，在滿足CS64K可視電話業務連續覆蓋的小區半徑的條件下，鏈路預算結果見表6。

表6 不同區域的覆蓋需求計算結果

此處忽略UMTS基站的頻段對容量的影響，UMTS900MHz和UMTS 2 100 MHz基站的容量都取為100 Erl。表7為容量能力計算結果。

綜合表6和表7，最后的設計值見表8。

假設面積為100 km2的城市，采用UMTS 900 MHz和UMTS 2 100 MHz建網所需的總基站數目見表9。

表 7 不同區域容量需求計算結果

表 8 覆蓋和容量綜合規劃計算結果

表 9 不同頻段基站建網規模計算結果

通過對比可以看出，采用UMTS 900 MHz建網可以比UMTS 2 100 MHz建網減少60%左右的站點數目，很大程度上降低了UMTS網絡的組網成本。

3.2.2 有效共享頻率資源

中國聯通的無線網絡發展趨勢是3G用戶大規模增長，2G用戶保持規模，在一定時間內培養2G用戶的數據業務習慣，逐漸使客戶遷移到3G網絡。這樣才能達到與主要對手差異化競爭的目標，同時可以大規模地擴大運營規模，提升盈利水平。

隨著網絡的發展，GSM 1 800 MHz網絡覆蓋得到不斷完善，逐漸滿足了連續覆蓋的要求。原有GSM網絡占用的900MHz頻段，可以空閑出部分頻段，這樣就可以在900 MHz頻段上運營3G網絡，通過900 MHz頻段的優良性能，提高3G網絡的覆蓋水平，同時達到節省建網成本的目的。

從技術角度，仿真結果、測試及商用結果表明，UMTS可以在900 MHz頻段與GSM共存使用，不會對現有網絡產生影響。

4 深圳聯通UMTS 900 MHz規劃部署研究

深圳聯通UMTS 900 MHz的規劃區域地處深圳南山區南部，位于珠江口東岸、南頭半島，該區域分布有眾多成熟的生活小區、住宅樓盤以及媽灣、蛇口、赤灣等多個港口碼頭，規劃中的南坪快速路與深港西部通道在此交匯，無線場景多樣，覆蓋需求大。

4.1 900 MHz頻率分組策略

4.1.1頻率分配模式

GSM 900 MHz和UMTS 900 MHz的頻率分配主要有兩種模式：邊緣模式和“三明治”模式，如圖3、圖4所示。

圖3 邊緣分配模式

圖 4 “三明治”分配模式

在邊緣分配模式下，UMTS子頻段位于中國聯通所擁有頻譜的邊緣，很可能會與其他運營商的GSM信道相鄰，可能會對UMTS造成干擾，尤其當其邊緣GSM信道用于BCCH（broadcast control channel，廣播控制信道）或PDCH（packet data channel，分組數據信道）時，由于不使用功控，將會對UMTS造成更大的干擾。因此，一般建議采用“三明治”模式。

在“三明治”模式下，針對不同場景，對于頻率間隔f1可采用不同的間隔策略，以提高頻譜利用效率和GSM系統容量。譬如在農村場景下，相對于一般城區場景而言，由于站間距大、話務量低、頻點(TCH)占用率低、站點間干擾相對較小，可適當降低頻率間隔f1，提高頻譜利用效率。

4.1.2 GSM/U M TS900 MHz頻率分組方案

頻率保護間隔的設置直接影響到不同運營商、不同系統或信道間的干擾程度，從而影響相應網絡的覆蓋、容量、用戶感知等性能指標。設置過小的頻率間隔，則均會對GSM 900 MHz和UMTS 900 MHz系統帶來更多的干擾；設置過大的頻率間隔，則會降低頻譜利用效率，降低GSM 900 MHz的系統容量。同時還需考慮在預留保護間隔后，保留給GSM 900 MHz頻率資源是否足夠,在頻率調整后是否會引入GSM 900 MHz網絡C/I的嚴重惡化。因此，設置合理的頻率保護間隔非常重要。

中國聯通目前分配了6 MHz的GSM 900 MHz帶寬，共有30個頻點，密集城區最大站型為S332，郊區典型站型為S222，具體情況如圖5所示。

在沒有新增頻譜分配的情況下，對900 MHz頻點資源按照“三明治”方式進行重組，頻率重組分配方案主要有兩種，介紹如下。

（1）UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz

UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz頻率分組方案如圖6所示。GSM 900 MHz預留1.8 MHz可用帶寬，9個頻點，最大站型配置S111，由于GSM 900 MHz可用頻點較少，適用于GSM網絡負荷較輕的場景。

（2）UMTS 3.8 MHz+GSM 2.2 MHz

圖 6 UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz頻率分組方案

圖 7 UMTS 3.8 MHz+GSM 2.2 MHz頻率分組方案

UMTS 3.8 MHz+GSM 2.2 MHz頻率分組方案如圖7所示。該場景GSM 900 MHz預留2.2 MHz可用帶寬，11個可用頻點，最大配置為S221?？筛鶕礼SM網絡負荷，較靈活地調整GSM 900 MHz站點的配置，以應對潛在話務需求。

本次UMTS 900 MHz規劃，為保障干擾控制，考慮拆除規劃區域內GSM 900 MHz室外站點，故900 MHz頻率分組方案建議“UMTS 4.2 MHz+GSM 1.8 MHz”方式。

4.2 隔離區設置策略

為進行干擾控制，UMTS900 MHz規劃區域需根據地理分布與無線傳播特性，與現網其他非規劃區域間劃定一個隔離區域，通過頻率配置的調整，使兩邊采用不同策略頻率。

通過大量的統計，緩沖區的劃分原則是外圈與內圈的邊緣站點無覆蓋重疊區，或覆蓋重疊區的電平強度小于-102 dBm。緩沖區即隔離帶，實現內外圈的覆蓋隔離。隔離度的寬度需要大于4倍站間距，對于一般城區場景，為2~4km，設置原理如圖8所示。

通過頻率配置的調整，隔離緩沖區兩邊可以采用不同策略頻率來解決頻率沖突問題。規劃區為預翻頻區域，同步建設UMTS 900 MHz；隔離緩沖區采取和規劃區相同的GSM 900 MHz頻率資源，需進行頻率調整，但不建設UMTS900MHz，僅起到隔離的作用；現網區域保持原有頻率配置，不建設UMTS 900 MHz。隔離緩沖區設置策略見表10。

本次規劃區東側以中心路以東為隔離區；北側以東濱路至桂廟路為隔離區；西側以月亮灣以西區域為隔離區。建議后續網優對該區域進行掃頻測試并開展相應網優調整確保該區域無干擾信號。

圖8 隔離緩沖區設置原理

表 10 隔離緩沖區設置策略

4.3 GSM 900 MHz容量遷移策略

4.3.1容量遷移原則

假設頻率重組前的GSM 900 MHz話務量為100%，頻率重組后話務分為X%、Y%、Z%，X%+Y%+Z%=100%，話務流向如圖9所示。

· GSM900MHz吸納部分用戶（X%），涉及GSM900 MHz容量提升手段和抗干擾技術的使用，無論是否存在GSM 1800MHz網絡，都要首先考慮GSM 900 MHz自身的容量提升。

· GSM 1 800 MHz吸收部分用戶 （Y%），涉及GSM 900 MHz/GSM 1 800 MHz雙頻網的話務均衡，存在GSM1800MHz網絡的情況適用，X%+Y%=100%。

· UMTS吸收部分用戶（Z%），涉及GSM/UMTS互操作及UMTS 900/2 100 MHz的話務均衡，對不存在

1 800 MHz網絡的情況適用，X%+Z%=100%。

受限于可支持的多制式終端因素，GSM 900 MHz話務遷移至UMTS網絡的比例無法進行統計與評估，為保證原GSM業務量的平穩遷移，暫不考慮其分流影響，實際操作時需要遵循以下容量遷移原則：

· 在存在 GSM 1 800 MHz的情況下，GSM 900 MHz的話務盡量遷移到GSM 1 800 MHz網絡；

· 不存在GSM1800MHz的情況下，新增GSM1800MHz設備，保障GSM信號的無縫覆蓋及話務分擔；

· 在保證GSM網絡質量的前提下，適當應用一定的容量提升手段和抗干擾技術，以提升GSM網絡容量。

4.3.2 GSM網絡容量提升和抗干擾技術

容量重規劃的主要目的是遷移原網GSM 900 MHz話務量，考慮到DCS 1 800 MHz頻段資源的寶貴，還可通過一定的容量提升手段及抗干擾技術，保障話務的合理遷移。

傳統意義上，可以通過開通半速率或調整半速率門限、采取更加緊密的頻率復用方式、將靜態PDCH配置變為動態PDCH等手段來提升容量；還可以通過開啟不連續發射 （DTX）、跳頻、動態功率控制、低話務小區合并為OTSR組網等手段來提高C/I，從而可以形成更緊密的頻率復用方式，增加頻率復用系數，提高頻譜利用率，從而間接提升系統容量。

（1）Co-BCCH 技術

對于雙頻共站的情況，設置900 MHz小區和1 800 MHz小區共用BCCH，同時把SDCCH、PDCH與BCCH配置在900 MHz小區，節省信道資源，1 800 MHz小區作為TCH載頻使用。假設第一小區900 MHz和第二小區1 800 MHz各有10個信道，在采用Co-BCCH前，總的話務量為10.16Erl，在采用Co-BCCH后，20個信道的話務量為13.2 Erl，話務量提升比例為29%。

（2）IRC

該功能可以提高基站的上行接收靈敏度，尤其適合在較為密集的地區使用。配合中興通訊的下行覆蓋增強技術，可以擴大基站覆蓋范圍、提高網絡質量，達到快速優化網絡的目的。IRC（干擾抑制合并）可以進一步降低干擾，提高基站的上行接收靈敏度，有效地改善接收信號質量，減少不必要的切換，提升BTS上行接收性能。

（3）GPS+IFTA

IFTA（智能頻率時隙分配）是GSM網絡中一種提高頻譜利用率、降低干擾的技術。BTS通過實現GPS的時鐘信號提取，從而實現全網同步。BSC開啟IFTA功能后，在密集區最大系統容量可增益25%，在郊區場景最大系統容量可增益約40%。

為進行干擾控制，UMTS900 MHz規劃區域需根據地理分布與無線傳播特性，與現網其他非規劃區域間劃定一個隔離區域，通過頻率配置的調整，使兩邊采用不同策略頻率。

通過大量的統計，緩沖區的劃分原則是外圈與內圈的邊緣站點無覆蓋重疊區，或覆蓋重疊區的電平強度小于-102 dBm。緩沖區即隔離帶，實現內外圈的覆蓋隔離。隔離度的寬度需要大于4倍站間距，對于一般城區場景，為2~4 km。

5 結束語

本次在南山蛇口區域開展UMTS900 MHz部署，利用低頻信號的繞射能力，實現規劃區域的深度覆蓋，并作為UMTS2 100 MHz業務擴展補充。UMTS900 MHz方案的引入，一方面可保障已有投資的有效利用，另一方面具有低建網成本的優勢，為實現可持續演進等提供了有效保障。

1 涂作鑫,林泉.中國聯通網絡引進UMTS 900 MHz分析.郵電設計技術,2011(11):67~71

2 Qualcomm.UMTS 900 MHz overview&deployment guidelines，http://www.doc88.com/p-14965409527.html,2011

3 3GPP TR 25.816.UMTS 900 MHz Work Item Technical Report,2011

4 張長剛，孫保紅.WCDMA無線網絡規劃原理與實踐.北京：人民郵電出版社，2005