推动TDD获取低频段破解难题研究

推动TDD获取低频段破解难题研究

 由于历史条件的限制，目前国际频率资源划分中TDD方式的频谱资源较少，特别是缺乏1GHz以下的优质频段，日益成为TD-SCDMA/TDLTE发展中的难题。

    TD-SCDMA及TDLTE获取1GHz以下频段的必要性、可行性和迫切性已经凸显，结合TDD网络技术特点和国际国内频率划分趋势，本文提出了可操作的规划建议和策略建议。

    从ITU频谱规划情况和国际上3G运营情况看，3G频谱的国际规划以FDD为主，TDD方式的频谱规划明显较少。在已具体分配频段中（主流分配方式），FDD频谱480MHz（240MHz×2），分布在700MHz～2690MHz范围内；TDD分配只局限于1900～1920MHz、2010～2025MHz和2570～2620MHz的85MHz频段。两者频段资源之比约为6：1，且TDD通信方式主要应用在2GHz频段以上的S波段。

    为TDD划分低频段的必要性、 可行性、迫切性

    我国在频率规划中充分考虑了对TDD技术和产业的支持，在国内已为3G规划的共565MHz之中，TDD共计获得155MHz频率，FDD获得了共计350MHz。但是，TDD划分频段除2010～2025MHz可用外，其他频段均尚存在一定的问题，例如：1880～1900MHz受到PHS一定程度的干扰；1900～1920MHz被PHS所占用；2300～2400MHz目前暂被定位等业务占用。

    1．必要性

    推动TDD获取低频段首先是提高TD-SCDMA及其LTE网络能力的需要。当前，TD-SCDMA网络和业务发展都取得了较大的成绩，但由于种种原因，目前网络还存在着覆盖能力弱、质量不稳定、用户感受需要提升的问题。相比2GHz，400MHz及700MHz频段的覆盖优势十分明显。分析表明，采用700MHz/400MHz频段建设移动通信网络的建站数量大约在2GHz频段建站规模的1/3左右。

    TD-SCDMA/TDLTE系统目前只能使用2GHz的频段，限制了单站覆盖能力的提升，使广域覆盖的建网成本居高不下。对于ITU新规划的IMT2000及IMT-advanced低端备选频段，部分频率预留给TDD非常有意义。

    推动TDD获取低频段也是推动TD-SCDMA及其LTE产业发展壮大的需要。目前FDD与TDD频率分配的不均衡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。如果450～470MHz以及698～862MHz之间的部分频段应用于TDD，可以弥补FDD/TDD频谱分配的不均衡性，避免对技术的发展形成限制。近年来虽然TD-SCDMA在国内取得了长足的发展，但是从国际角度来讲还处在起步阶段，国际产业界观察张望、感兴趣的多，投入实施得少。在中国政府和中国移动等企业推动下，TD-SCDMA与TD-LTE在技术上与FDD方式差距不断缩小接近，TD-SCDMA及其LTE产业发展越来越受到全球频率划分中频段多寡及其优劣的影响。科学前瞻的频率划分方案是动员国际产业各界投入资源共同开展相关研发和产业化、运营应用的鲜明旗帜，必将推动TD-SCDMA及其LTE的国际化进程。

    推动TDD获取低频段也是提高有限频率资源利用率和频率安排灵活性的需要。频谱利用率方面，由于TDD不需要双工间隔，因此可以全部频段都用于传输业务，频谱利用率达到100%。极大方便了运营商根据场景和需求选择合适的带宽，优化该频段的利用。

    2．可行性

    将UHF等频段用于TD-SCDMA及后续演进系统，对技术、设备实现的可行性需要进行客观全面的评估。参考TD-SCDMA的同源系统SCDMA（大灵通）在400MHz频段已经规模应用的经验，从目前FDD/TDDLTE的共硬件平台研发实际来看，低频段用于基于MIMO+OFDM为基础的TD-LTE系统完全可行，TDD使用低频段的可行性的难点主要在于TDSCDMA系统，而核心难点则在于450MHz频段智能天线的小型化。

    （1）TDD基站采用低频段的可行性

    TD-SCDMA基站采用低频段最重要的环节是需要分析智能天线的可用性。

    智能天线技术主要是利用电磁波的干涉原理，通过形成指向目标用户的定向波束，达到提高增益和干扰抑制的目的。根据智能天线技术原理，对于均匀线阵，当各单元之间间距为0.5倍波长时，具有最优性能。现有TD-SCDMA系统工作在2GHz左右的频段，此波段电磁波波长为15cm，8单元的阵列宽度大概为60cm，这在一般情况下，施工难度不大。但如果考虑采用比较低的频率，如400MHz频段，其波长为75cm左右，此情况下如果按照原有的方法设计8单元的定向线阵列天线，其宽度则达到了3m，这无论在施工上还是电磁环境美化上实现难度较大。但是1m直径的圆阵天线尺寸是可以接受的，施工也不复杂，而且用于郊区、农村也比较合适。目前已有基于该方案的较成熟产品面世。

    定向线阵低频段智能天线小型化目前还处于研发阶段，尚无成熟产品，技术难度较大，需要大力推进。笔者认为减小天线尺寸可以考虑如下两种解决思路：一是允许一定的增益损失，减少天线高度和宽度，不改变天线间距的情况下，采用双极化智能天线阵的宽度可降低一半；另外在容量需求不强烈、实施难度较大的场景下甚至可以考虑单天线组网。

    另外，智能天线低频段小型化的工程难度可以暂时回避，在450MHz频段完全可以使用MBMS专用频点组网。使用450MHz开展MBMS专用频点组网也有效地解决了TD-MBMS与TD-SCDMAR4之间的有害干扰问题。

    （2）TDD终端采用低频段的可行性

    对于TDD低频段终端的实现，不同频段对终端基带信号处理和高层协议实现基本没有影响，主要是射频芯片以及天线的重新设计，其中主要是射频芯片的设计，同时要考虑多频段的同时支持，TD/GSM双模终端需要考虑4频以上的支持能力。

    经产业调研，低频段终端射频芯片的设计周期一般为1～2年。设计本身不存在技术难度，主要是电路设计和测试优化的工作。

    综上所述，1GHz以下频段在TD系统的使用具有现实可行性。700MHz频段的智能天线完全可以实现；450MHz的智能天线体积较大，可在有需要的场景选用，而1+1形式的分集天线也完全可以满足农村覆盖的建网需求；使用450MHz和700M频段开展TDLTE则不存在实现难度。

    3．迫切性

    当前，国际标准化组织早已开展了WRCO7新增相关移动通信低频段规划工作，美国、欧洲等无线电管理部门甚至完成了频段的拍卖和指配。ITU-R专门从事3G/4G技术标准及频率分配的5D研究组从去年2月份开始成立了专门的研究组，从事有关电联划分建议草拟工作，并计划在今年10月份完成。

    由于TDD产业阵营弱小，目前严重缺乏TDD的低频段规划，在698～762MHz、450MHz的规划方案中都没有TDD的规划建议安排。

    据了解，其他国家目前都考虑FDD的划分方式。如果我国不能尽快提交相关TDD频率划分建议，TD-SCDMA及其TDLTE将丧失一次公平合理获取优质频段的机会，严重制约TDD产业的发展。

    国内电信业重组并发布3G牌照后，三大运营商都高度重视采用1GHz以下频段建设覆盖全国的3G网络，积极推动低频段的FDD划分方式。中国电信在800MHz频段上建设cdma2000网络，并联合华为等多次向政府主管部门提出cdma450频率规划。中国联通也在积极争取900MHz频段开展WCDMA工作。在行业标准化组织CCSA中，各公司对于1GHz以下频段规划更是讨论激烈，相关研究进展缓慢。

    当前，TD-SCDMA三期建设全面铺开，但是也应看到，TD-SCDMA及其LTE距离商业成功还有较大距离，发展中的不确定性因素增多，TD-SCDMA网络质量提升仍存在较大空间，TD-SCDMA正处于取得市场成功关键时刻，TDLTE研发产业化也正处于赶超FDDLTE的冲刺阶段。如果我们不能抓住国际国内移动通信频率规划关键时期获得TDD发展所需要的足够频率，将加大产业和技术差距，对国家和中国移动的发展产生极其不利的影响。

    TDD低频段规划若干方案建议

    为保护我国自主创新的技术标准TD-SCDMA及其后续技术的发展，考虑促进产业发展、促使TDD/FDD均衡发展及其促进国际化的原则，本文特对上述频率分配方案提出以下建议，供政府和业界考虑。

    1．对450～470MHz频段的划分建议

    频段划分方案一般可分为三种方式：FDD/TDD混合安排方案；全频段用于FDD方案；全频段用于TDD方案。如图1、2、3所示。

    根据研究计算，全部频段用于FDD方案效率较差（不足50%），在不改变FDD双工间隔的条件下不宜采用FDD/TDD混合安排方案；在改变FDD双工间隔的条件下FDD/TDD混合方案最高频谱效率只能到达75%。因此，建议我国450～470MHz频段按照TDD方式进行划分，并向2009年6月份的ITU-RWP5D会议提交文稿，建议直接增加TDD划分。

    2．对698～806MHz频段的划分建议

    基于我国尚未有使用该频段的移动通信技术和设备，本文建议在ITU已有方案基础上，结合我国特点，增加更多的可用于TDD的频谱，有三种方案建议。

    方案1：全部频段划为TDD。

    此方案在698～762MHz频段为TDD划分约100MHz频谱，改善TDD频谱中低频端缺乏的效果明显，可为TDD发展带来前所未有的机遇，可同时建议多家运营商共同运营TDD，增大规模效应，降低公司运营风险。方案1不足之处是与国际方案中主流划分方式不够兼容，不利于形成规模效应。

    方案2：在北美规划的基础上，将部分频谱改为TDD划分，如图4所示。

图4 698～806MHz频段建议规划方案2

    方案2中频段低端与北美接轨，高端增加了60MHzTDD划分，有利于TDD产业链的形成和发展，同时有效避让了与低端与广播系统的干扰。

    方案3：FDD、TDD混合方案，如图5所示。

图5  698-806MHz频段建议规划方案3

    为了便于与低端相邻的广播系统共存，方案3采取“反双工”方式（低端用于下行，高端用于上行）。该方案中FDD/TDD比例可灵活配置，在2个FDD运营商+1个TDD运营商的条件下，每个运营商可各获得30MHz频谱，数量对比均衡，整体保护带开销约20MHz。

    为TD-SCDMA及其LTE规划优质频段本身也是一项系统工程，需要统筹规划，远近兼顾，遵从实事求是的科学精神和事物发展的客观规律。在积极做好国际国内频段规划的同时，建议国家重大科研项目中增加专门课题，广纳社会资源，尽快开展全面深入的研究，并适时开展规模网络技术应用试验。

    （感谢大唐公司蔡跃民高工，中国移动研究院李男工程师、设计院孟的香博士在本写作过程当中给予的有益讨论和帮助。）

    作者简介：

    周猛，中国移动技术部资源处副处长，国际电联ITU-R5D未来移动通信工作组频谱划分研究子组主席，工信部TD-SCDMA专家组成员，电子学会高级会员、IEEE会员、高工。负责新技术试验、无线电管理、无线网技术研究与管理等。