1   引言 
　　GSM等2G网络的频谱资源必将逐步腾出用于3G、4G甚至5G这些更先进的网络技术，这就是频谱重耕（Frequency Re-farming）的概念。从2008年开始至今，全球掀起了频谱重耕的热潮，低效率网络制式（如GPRS等）的用户和业务被迁移到更为先进的网络制式上面（如UMTS、HSPA、LTE和LTE-Advanced等），逐步关闭原有的2G网络，利用2G网络的频谱资源去部署3G甚至4G网络。 
　　2007年芬兰运营商Elisa利用原GSM网络900MHz频率开通首个UMTS900网络对UMTS2100进行补充，UMTS900可节省50%～70%的UMTS2100运营成本。2010年和2014年澳洲的运营商Telstra先后在1.8GHz和900MHz上完成了LTE的频谱重耕。爱立信、NTT DoCoMo（日本通信运营商，下面简称“NTT”在2.1GHz上部署4G网络。 
　　中国用于移动通信的总频谱资源有687MHz，目前三大运营商获得的频谱带宽为527MHz。从部署频段上看，1GHz以下的频谱资源共有72MHz，占已分配频谱资源的13.67%，其主要部署CDMA2000和GSM网络。从部署网络制式上看，在已分配的频谱资源中，假设中国电信1x和EV-DO的频段各占一半，部署低制式网络的频谱带宽共有152MHz（3G以下），占总规划频谱的22.13%。2G网络覆盖深度大，但频谱效率低且占用优质频段。根据中国移动2013年年报，其GSM的网络平均利用率为71.0%，部分业务繁重的重点城市的GSM无线综合利用率接近90%，而TD-SCDMA网络利用率为27.1%。因此，我国2G网络的负荷是偏高的。 
　　随着全球4G网络的商用以及2G、3G和4G等异构网络的并存，频谱重耕不仅有利于提升频谱使用效率，还为未来在全球范围内选择合适的频段展开国际漫游打下基础。本文将分析我国开展频谱重耕的必要性及重要意义，并提出了符合国情的频谱重耕实施策略。 
2   频谱重耕的必要性 
2.1  无线频谱的需求 
　　随着移动互联网的发展，尤其是iPhone等智能终端设备的出现，移动通信业务正从以语音为中心向数据为中心发生转变。根据思科VNI对数据流量的预测，2018年全球移动数据总流量预计将增长至15.9艾字节/月，比2013年的1.5艾字节/月增长近11倍，移动数据流量将以61%的CAGR（Compound Annual Growth Rate，年复合增长率）增长。 
　　数据流量的飞速增长表现出人们对于更高带宽的移动互联网接入的需求，无线频谱作为不可再生资源，其对移动通信的业务质量产生了深刻影响。频谱价值同频段高低、空中接口技术、国际漫游等因素相关。在今天蜂窝网络接近“临界点”的情况下，采用更先进、频谱效率更高的无线技术来提升频谱效率（如4G、MIMO等）或获得额外的频谱资源之外，频谱价值的体现关键在于利用1GHz以下的低频段频谱资源（如700MHz，850MHz，900MHz）来扩大网络覆盖的范围以及利用高频段的频谱资源（如1.8GHz，2.1GHz，2.6GHz等）来提升通信系统的峰值传输速率。 
2.2  频谱效率的局限性 
　　因为频谱资源有限，故提升频谱效率一直是业内关注的焦点。如图1所示，LTE的频谱效率约为GPRS的50倍，因此大大提升了频谱价值。 

　　相对于以前的网络制式，4G技术大大提升了频谱效率。假定下行链路的传输带宽为10MHz，链路的信噪比为7dB，根据香农极限定理得到信道容量为25.0Mbps。而LTE R8的吞吐量已经达到了15.0Mbps，LTE-A R10的吞吐量更是达到了24.0Mbps，可以说当前LTE系统在频带利用率上已经非常接近香农极限，在未来5年通过网络制式的创新与改进来提升吞吐量是困难的[6]。若要进一步提高系统吞吐量，除了提高系统信噪比，为先进网络制式获得额外频谱带宽也是非常重要的。

2.3  频谱重耕的经济效益 
　　无线频谱的高低决定了电波的传播能力，根据链路预算和传播模型可以得到用户终端与基站之间的最大路径损耗和基站的覆盖半径。假设基站天线的高度为35m，利用自由空间传输模型、Hata Model for Urban Areas以及Cost Hata231 Model，可以得到不同频段下的电波传输损耗、基站覆盖半径之比和站点数量之比，具体如表1所示。

 
　　如表1所示，覆盖相同面积，700MHz频段所需的基站数量比2.6GHz减少了15倍左右，这是在没有考虑室内覆盖及穿透、馈线和接头等损耗的情况下的理论分析。根据电波传播理论可知，随着频段的降低，传输损耗越小，相应的建网投资就越低。这可从目前三大运营商的3G网络建设情况得以体现。根据运营商2013年的运营年报，CDMA2000基站约为25万个，TD-SCDMA基站约为45万个，WCDMA基站约为40.7万个，中国电信3G基站的数量明显小于其余两家，直接原因在于电信的3G网络部署在更低的800MHz频段上。 
　　除了中国电信的CDMA2000-EVDO，我国3G、4G网络主要部署在1.8GHz以上，如中国移动的TD-LTE部署在2.6GHz附近，而2G网络的频段在1GHz以内，频段规划不符合LTE网络广覆盖的规划宗旨。采用频谱重耕可以扩大LTE网络的覆盖，降低建设和运营维护成本。 
3   频谱重耕的实施方案 
　　由于2G网络的用户基数大，所以应统筹规划，分步实施，采取多网协同的频段部署、站点规划、终端芯片升级等步骤依次开展频谱重耕这项系统工程。 
3.1  频段部署 
　　通信网络的演进是持续的，不同制式网络的基站、终端数量呈动态变化趋势。未来移动通信是多网络融合部署，即我国GSM/UMTS/LTE网络将长期共存。本文结合三大运营商的现阶段频谱部署状况，对多网协同的频段部署提出如下建议： 
　　（1）利用900MHz、850MHz频段进行HSPA的部署，压缩2G频谱以部署3G网络，并逐步完成从GPRS/EDGE到UMTS的过渡。 
　　（2）协调1.8GHz频段（UL：1 735—1 755MHz， 
　　DL：1 830—1 850MHz）不同设备厂商的频率干扰，逐步关闭该频段的GSM网络，释放出的频谱用于城市地区的4G网络部署。 
　　（3）尽快结束小灵通频段（1 900—1 920MHz）的清网工作，腾出20MHz的频谱资源用于4G网络的部署。 
　　（4）适时调整频谱资源的监管政策，灵活推进频谱重耕，加快LTE FDD的部署和业务发展，并考虑LTE FDD/TDD的混合组网。 
　　（5）释放数字红利（700MHz）频段以用于城郊地区4G网络的部署。 
3.2  站点规划及仿真优化 
　　对现有进行LTE FDD/TDD网络部署的城市，通过无线规划软件仿真得出现阶段城市LTE网络RSRP的覆盖情况，导入低频段2G、3G网络的覆盖和载频利用情况。对LTE覆盖不足的山区或郊区地区设置频率缓冲带，在缓冲区内进行站点规划，以便将原来部署2G、3G网络频段的部分载频点腾出用于LTE的部署。随后对腾出载频点进行LTE部署仿真，给出异构网络共享接入策略下的网络理论性能，如成功接入概率、平均频谱利用效率、能量效率等。仿真、评估同频干扰的强度，设置调优目标值，利用无线规划软件的仿真调优功能进行网络优化，进一步实现频谱重耕。 
3.3  移动终端芯片升级 
　　我国GSM、UMTS各部署在3到4个频段上，LTE FDD/TDD的部署频段更是参差不齐。目前我国通信行业的2G/3G/4G网络制式繁多，LTE FDD/TDD需要有与3家运营商不同制式的3G甚至2G（GSM/CDMA）相互兼容的市场格局。 
　　中国移动如今已经实现TD-LTE和LTE-FDD的融合组网，并推出了5模10频、5模13频、6模多频等终端。中国电信将先采取TDD、FDD混合组网方式，并逐步实行融合组网。鉴于设备商对移动通信网络发展的预测，为了满足多网协同的网络部署，开展国际漫游，未来终端拥有“多模多频”芯片将是有效的解决方案。 
　　此外，4G时代传统电信业务（如语音通话、彩/短信等）与互联网业务的矛盾越发明显，VoLTE技术成为传统电信业务发展的新方向。根据GSA在2014年3月份的统计报告，全球1 563款LTE手机支持VoLTE的共有57款，比2013年年底增长35%[10]。芯片集成VoLTE通信功能的终端在一定程度上能提升传统语言通话的业务质量。随着芯片产业整体进入28nm时代，低功耗和高工艺成为终端芯片的持续演进方式。 
4   结束语 
　　中国国土面积大，人口分布广，需利用低频段资源以较低成本，快速推进LTE网络的广覆盖。我国按照运营商业务规划方案来分配频谱资源，该方式使得运营商拥有的频谱资源与业务规模相匹配，但频谱资源和技术制式相捆绑，无法适应移动通信的迅猛发展。因此，除获得额外频谱资源外，采取更灵活的频谱监管政策以加快部署频谱重耕工程是必要的。 
　　目前，中国电信浙江公司已通过城市规模的试验网在几个试点城市开展700MHz频段TD-LTE的组网测试，积极探索适合中国电信的700M TD-LTE商业化运作模式。

作者简介：

史俊潇：硕士研究生就读于杭州电子科技大学，研究方向为移动互联网、信息与信号处理。

赵知劲：教授，博士生导师，博士毕业于西安电子科技大学，现任职于杭州电子科技大学，研究方向为认知无线电、通信信号处理、自适应信号处理。

朱东照：硕士毕业于清华大学，现任华信咨询设计研究院有限公司总工程师，主要研究方向为移动通信网络的咨询、规划、设计和优化。