劉鵬，李偉，劉斌，王坦，耿綏燕

?

基于時(shí)延差異性約束的LTE-R系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)

劉鵬1，李偉2，劉斌2，王坦2，耿綏燕1

（1. 華北電力大學(xué)，北京 102206；2. 國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

為了科學(xué)地規(guī)劃和分配LTE-R的用頻，需要對(duì)其頻譜需求總量做出合理預(yù)測(cè)。在深入分析ITU-R M.1768方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于時(shí)延差異性約束的LTE-R系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)方法。該方法定義了9種服務(wù)類別和9種服務(wù)環(huán)境，推導(dǎo)給出了LTE-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的計(jì)算表達(dá)式，在業(yè)務(wù)時(shí)延差異性約束條件下利用M/G/1排隊(duì)模型對(duì)我國(guó)LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明，我國(guó)LTE-R系統(tǒng)上行和下行頻譜需求不對(duì)稱，且可能的范圍分別是14~15 MHz和5~6 MHz，若不考慮未來(lái)新增的視頻業(yè)務(wù)量，目前分配給GSM-R系統(tǒng)的頻譜資源即可滿足其帶寬需求。此外，分析了LTE-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)際承載層面的工程頻率效率和基于高帶寬的視頻業(yè)務(wù)量對(duì)LTE-R頻譜帶寬需求總量的影響。該研究為我國(guó)下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃提供了技術(shù)支撐。

LTE-R；頻譜需求；頻率規(guī)劃；ITU-R M.1768

1 引言

近10年來(lái)，我國(guó)高速鐵路及相關(guān)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。截至2016年9月，中國(guó)已經(jīng)開(kāi)通高速鐵路超過(guò)20 000 km?！笆濉逼陂g，我國(guó)還將繼續(xù)建設(shè)10 000 km以上的高速鐵路，到2025年我國(guó)高速鐵路總長(zhǎng)度將達(dá)到38 000 km[1]。除傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)、列控業(yè)務(wù)和調(diào)度業(yè)務(wù)外，未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)還將提供高清視頻監(jiān)控、鐵路多媒體調(diào)度視頻與鐵路物聯(lián)網(wǎng)等更多寬帶業(yè)務(wù)[2]，然而，目前我國(guó)鐵路部門(mén)運(yùn)營(yíng)的GSM-R（GSM-railway）網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)帶寬窄、業(yè)務(wù)承載能力有限、頻譜利用率低，難以承載視頻監(jiān)控等對(duì)帶寬需求較高的業(yè)務(wù)[3]，新業(yè)務(wù)產(chǎn)生的海量移動(dòng)業(yè)務(wù)流量將可能產(chǎn)生一定的頻譜需求缺口。為了應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的鐵路業(yè)務(wù)量，保證鐵路旅客安全，提供實(shí)時(shí)多媒體信息，我國(guó)鐵路部門(mén)決定采用頻譜使用效率更高的LTE-R（LTE-railway）系統(tǒng)作為下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)[4,5]。為了滿足LTE-R系統(tǒng)的用頻需求，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的科學(xué)分配和使用，避免超前分配導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，需要對(duì)其頻譜需求總量做出合理預(yù)測(cè)，以支撐后續(xù)頻譜規(guī)劃與分配工作。

目前關(guān)于LTE-R系統(tǒng)頻譜需求研究的文獻(xiàn)報(bào)道較少，大多數(shù)的頻譜需求研究成果主要針對(duì)IMT系統(tǒng)，其預(yù)測(cè)方法也較為成熟[6-10]。參考文獻(xiàn)[6]提出了一種用于IMT-2000系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)方法，該方法利用了愛(ài)爾蘭-B和愛(ài)爾蘭-C公式對(duì)系統(tǒng)頻譜需求帶寬進(jìn)行了測(cè)算。參考文獻(xiàn)[7]在統(tǒng)計(jì)調(diào)研未來(lái)IMT系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的基礎(chǔ)上，提出了一種用于多制式IMT系統(tǒng)并存情形下的頻譜需求預(yù)測(cè)方法。參考文獻(xiàn)[8]針對(duì)IMT-2000和超IMT-2000系統(tǒng)衛(wèi)星部分在1~6 GHz頻段的頻譜需求，提出了一種基于用戶數(shù)量預(yù)測(cè)與用戶業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)的頻譜需求預(yù)測(cè)方法。參考文獻(xiàn)[9]考慮了高速率業(yè)務(wù)對(duì)業(yè)務(wù)量的影響，利用參考文獻(xiàn)[8]的方法給出了衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)在4~16 GHz頻段的頻譜需求結(jié)果。參考文獻(xiàn)[10]分別在ITU-R M.1390建議書(shū)提供的頻譜需求預(yù)測(cè)方法與PPDR網(wǎng)絡(luò)用戶終端信干噪比（SINR）建模仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合公共保護(hù)與賑災(zāi)系統(tǒng)場(chǎng)景特征和用戶分布特點(diǎn)，提出了面向窄帶、寬帶、超寬帶系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)方法。參考文獻(xiàn)[11]提出了一種基于IMT-2020系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)（key performance indicator，KPI）的頻譜需求預(yù)測(cè)方法，結(jié)合映射到不同部署環(huán)境下（辦公室、密集住宅區(qū)等）的關(guān)鍵性能指標(biāo)（峰值數(shù)據(jù)速率、用戶體驗(yàn)速率、區(qū)域系統(tǒng)容量等），通過(guò)不同場(chǎng)景下的頻譜效率，可以分別計(jì)算得到IMT-2020系統(tǒng)6 GHz以上與6 GHz以下的頻譜需求?？紤]到LTE-R系統(tǒng)中列車(chē)的高速移動(dòng)性和業(yè)務(wù)的可靠性等特殊要求[2,3]，以上方法均無(wú)法直接應(yīng)用于LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)。

2015年底，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）于世界無(wú)線電通信大會(huì)WRC-15期間確立了WRC-19 1.11議題，啟動(dòng)了下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜需求研究[13]。截至目前，國(guó)際電信聯(lián)盟相關(guān)研究工作主要集中在鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的一般架構(gòu)、部署場(chǎng)景、主要應(yīng)用與相關(guān)技術(shù)等方面，關(guān)于頻譜需求尚未輸出任何研究結(jié)果。

基于以上分析，本文以ITU-R M.1768方法為基礎(chǔ)，提出了一種基于時(shí)延差異性約束的LTE-R系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)方法。相比面向公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的ITU-R M.1768方法，該方法主要針對(duì)鐵路下一代專用無(wú)線通信系統(tǒng)LTE-R進(jìn)行頻譜需求預(yù)測(cè)，在綜合分析LTE-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特征、應(yīng)用場(chǎng)景以及服務(wù)質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，對(duì)LTE-R系統(tǒng)的服務(wù)類別和服務(wù)環(huán)境進(jìn)行了定義，推導(dǎo)給出了LTE-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的封閉表達(dá)式，在業(yè)務(wù)時(shí)延差異性約束條件下利用M/G/1排隊(duì)模型初步預(yù)測(cè)了我國(guó)LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求，并對(duì)LTE-R系統(tǒng)工程頻譜效率與視頻業(yè)務(wù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行了分析。

2 基于時(shí)延差異性約束的LTE-R頻譜需求測(cè)算原理

2.1 ITU-R M.1768方法介紹

ITU-R在M.1768建議書(shū)中提出的面向IMT系統(tǒng)頻譜需求的預(yù)測(cè)方法是一套針對(duì)全球范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)方法[7,13]，主要用于同時(shí)存在多種制式的IMT系統(tǒng)的頻譜需求計(jì)算。該方法綜合考慮了服務(wù)類別（service category）、服務(wù)環(huán)境（service environment）、無(wú)線電環(huán)境（radio environment）、無(wú)線接入技術(shù)組（radio access technology group）的影響，具體包括6個(gè)步驟：關(guān)鍵參數(shù)定義、業(yè)務(wù)應(yīng)用與市場(chǎng)需求調(diào)查統(tǒng)計(jì)、業(yè)務(wù)量計(jì)算與分配、系統(tǒng)容量計(jì)算、頻譜需求計(jì)算以及頻譜需求整合。

步驟1 定義服務(wù)類別、服務(wù)環(huán)境、無(wú)線電環(huán)境、無(wú)線接入技術(shù)組。業(yè)務(wù)方面，M.1768方法共包含20種服務(wù)類別、6種服務(wù)環(huán)境和4種無(wú)線電環(huán)境；技術(shù)方面，M.1768方法包含4種無(wú)線接入技術(shù)組。

步驟2 調(diào)查統(tǒng)計(jì)IMT系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用及相關(guān)參數(shù)，并將不同服務(wù)環(huán)境下的業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分歸類到步驟1定義的20種服務(wù)類別之中。

步驟3 計(jì)算每種服務(wù)環(huán)境下每一個(gè)服務(wù)類別的業(yè)務(wù)量需求，基于電路交換與分組交換的業(yè)務(wù)量需求應(yīng)分開(kāi)計(jì)算。由于每種服務(wù)環(huán)境都可以被一種或多種RATG支持，且每種RATG下存在多種無(wú)線電環(huán)境（如宏蜂窩、微蜂窩等），因此需將不同服務(wù)環(huán)境下每一個(gè)服務(wù)類別的業(yè)務(wù)量分配到各RATG的無(wú)線電環(huán)境當(dāng)中。

步驟4 考慮不同服務(wù)類別的QoS要求，結(jié)合步驟3得到的基于電路交換與分組交換的業(yè)務(wù)量，計(jì)算不同RATG下不同無(wú)線電環(huán)境的系統(tǒng)容量。

步驟5 利用步驟4得到的系統(tǒng)容量與不同RATG下每種無(wú)線電環(huán)境的頻譜效率，計(jì)算得到不同RATG下不同無(wú)線電環(huán)境的頻譜需求。

步驟6 考慮到相同RATG下不同無(wú)線電環(huán)境頻率復(fù)用和系統(tǒng)部署帶寬等因素，合并調(diào)整得到每個(gè)RATG在不同服務(wù)環(huán)境下的頻譜需求，將相同電信密度下每個(gè)RATG的頻譜需求加和之后再取最大值，即該RATG的最終頻譜需求，最后將不同RATG的頻譜需求相加得到IMT系統(tǒng)的總頻譜需求。

2.2 LTE-R系統(tǒng)頻譜需求測(cè)算原理

針對(duì)LTE-R系統(tǒng)，本文以M.1768方法為基礎(chǔ)，提出了一種基于時(shí)延差異性約束的頻譜需求預(yù)測(cè)方法。該方法綜合考慮了LTE-R系統(tǒng)所承載業(yè)務(wù)的安全級(jí)別、數(shù)據(jù)速率和時(shí)延要求以及LTE-R系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)對(duì)不同時(shí)延約束限制下的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行了頻譜預(yù)測(cè)分析，具體分為以下5個(gè)步驟。

步驟1 定義LTE-R系統(tǒng)的服務(wù)類別（SC）、服務(wù)環(huán)境（SE）、無(wú)線電環(huán)境（RE）與無(wú)線接入技術(shù)組（RATG）。

經(jīng)調(diào)研分析，相比于GSM-R系統(tǒng)，LTE-R系統(tǒng)將提供更為豐富的服務(wù)應(yīng)用，細(xì)分為33種行車(chē)相關(guān)業(yè)務(wù)、9種運(yùn)營(yíng)維護(hù)業(yè)務(wù)、2種公共安全業(yè)務(wù)與旅客信息共45種業(yè)務(wù)[14]。根據(jù)LTE-R系統(tǒng)對(duì)可靠性（時(shí)延）與安全性的要求，將45種業(yè)務(wù)劃分為會(huì)話類業(yè)務(wù)（含語(yǔ)音視頻）與數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)兩類。會(huì)話類業(yè)務(wù)包括語(yǔ)音業(yè)務(wù)與語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)，其中與調(diào)車(chē)有關(guān)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)定義為Ⅰ類會(huì)話業(yè)務(wù)，無(wú)關(guān)的定義為Ⅱ類會(huì)話業(yè)務(wù)；語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)指實(shí)時(shí)的對(duì)話視頻流，對(duì)于保證比特率（GBR）的語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)定義為Ⅰ類，不保證比特率（non-GBR）的語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)定義為Ⅱ類。安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是指與列控相關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是指除非會(huì)話類業(yè)務(wù)之外且與列控?zé)o關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。根據(jù)LTE-R系統(tǒng)對(duì)服務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率要求，將45種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率劃分為低速數(shù)據(jù)速率（<16 kbit/s）、中速數(shù)據(jù)速率（<144 kbit/s）、高速數(shù)據(jù)速率（<2 Mbit/s）3個(gè)等級(jí)。按照上述的二維分類原則，LTE-R系統(tǒng)的45種業(yè)務(wù)可歸類得到9種服務(wù)類別[14-16]，具體見(jiàn)表1。

表1 LTE-R服務(wù)類別分類

LTE-R系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景可劃分為“線”和“點(diǎn)”兩大類型[4,14]，“線”主要包括：300 km/h及以上等級(jí)線路、200 km/h以下客貨混跑線路、重載鐵路。“點(diǎn)”主要包括：車(chē)站（中間站）、大型客站、編組站和線路區(qū)間。每種場(chǎng)景承擔(dān)的角色和功能不同，其承載的應(yīng)用業(yè)務(wù)也不盡相同，應(yīng)用業(yè)務(wù)占用帶寬的需求也不同。根據(jù)各“點(diǎn)”下各“線”實(shí)際部署情況，LTE-R系統(tǒng)的服務(wù)環(huán)境可以分為9類，具體見(jiàn)表2。

表2 LTE-R系統(tǒng)服務(wù)環(huán)境分類

LTE-R系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)營(yíng)部門(mén)的專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將承載列車(chē)調(diào)度、列車(chē)控制、視頻監(jiān)控、列車(chē)定位等全部無(wú)線業(yè)務(wù)，是未來(lái)鐵路部門(mén)唯一的無(wú)線接入技術(shù)組。因此，LTE-R系統(tǒng)將承擔(dān)鐵路部門(mén)所有的無(wú)線業(yè)務(wù)流量。此外，列車(chē)高速行駛狀態(tài)下，基站間距離很短，會(huì)導(dǎo)致十分頻繁的越區(qū)切換，增加通信時(shí)延，使列車(chē)通信質(zhì)量下降，同時(shí)，也增加了系統(tǒng)的部署成本，因此，LTE-R系統(tǒng)將延續(xù)GSM-R系統(tǒng)采用宏基站的部署方式。

步驟2 分析統(tǒng)計(jì)LTE-R系統(tǒng)用于業(yè)務(wù)量和系統(tǒng)容量計(jì)算的每種業(yè)務(wù)的特征參數(shù)，具體包括用戶密度、進(jìn)程到達(dá)率、平均進(jìn)程持續(xù)時(shí)間、平均服務(wù)比特率、平均分組長(zhǎng)度、分組長(zhǎng)度的二階矩(2)以及平均分組時(shí)延。與LTE-R系統(tǒng)容量計(jì)算相關(guān)的具體參數(shù)見(jiàn)表3[13-17]。

表3 與LTE-R系統(tǒng)容量計(jì)算相關(guān)的具體參數(shù)

步驟3 依據(jù)步驟2中分析統(tǒng)計(jì)得到的特征參數(shù)，計(jì)算LTE-R系統(tǒng)在不同服務(wù)環(huán)境下每種服務(wù)類別的業(yè)務(wù)量。

LTE-R系統(tǒng)為全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)[17]，全部采用分組交換技術(shù)，業(yè)務(wù)量計(jì)算式為[7]：

步驟4 根據(jù)步驟2中分析統(tǒng)計(jì)得到的特征參數(shù)與步驟3中計(jì)算得到的業(yè)務(wù)量，利用M/G/1排隊(duì)模型，計(jì)算時(shí)延差異性約束條件下LTE-R系統(tǒng)在每種服務(wù)環(huán)境下需要的系統(tǒng)容量。服務(wù)類別的平均分組時(shí)延由平均呼叫等待時(shí)間與平均呼叫服務(wù)時(shí)間兩部分組成，平均呼叫等待時(shí)間W包括3個(gè)部分，計(jì)算式為：

其中，0表示新呼叫到達(dá)時(shí)，正在被服務(wù)的呼叫產(chǎn)生的時(shí)延，b表示服務(wù)類別的平均呼叫服務(wù)時(shí)間，表示系統(tǒng)中的服務(wù)類別總數(shù)，L表示新呼叫到達(dá)時(shí)，等待序列中先于該呼叫被服務(wù)的平均呼叫數(shù)量，M表示新呼叫排隊(duì)等待時(shí)，到達(dá)系統(tǒng)且先于該呼叫被服務(wù)的平均呼叫數(shù)量。步驟1定義的服務(wù)類別中，編號(hào)越大，優(yōu)先級(jí)越低，編號(hào)越小，優(yōu)先級(jí)越高。不同等級(jí)業(yè)務(wù)同時(shí)到達(dá)時(shí)，LTE-R系統(tǒng)優(yōu)先服務(wù)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)等待。0、L、M計(jì)算方法分別如下所示[18]：

將式（5）~式（7）代入式（4）后，迭代求解可得到服務(wù)類別的平均呼叫等待時(shí)間W：

服務(wù)類別的平均呼叫服務(wù)時(shí)間利用平均分組長(zhǎng)度除以系統(tǒng)容量計(jì)算得到，因此服務(wù)類別的平均分組時(shí)延由式（9）給出：

（10）

式（10）的解即式（9）中滿足服務(wù)類別時(shí)延約束條件下的系統(tǒng)總?cè)萘?i>C，并且取3個(gè)解中大于同一服務(wù)環(huán)境下所有服務(wù)類別業(yè)務(wù)量之和的解為該類別所求系統(tǒng)容量。若系統(tǒng)總?cè)萘孔畲蟮姆?wù)類別的時(shí)延約束條件能夠滿足，則其他服務(wù)類別的時(shí)延約束條件也能夠滿足，所以，取不同服務(wù)類別下系統(tǒng)容量的最大值即該服務(wù)環(huán)境下最終的系統(tǒng)容量。

步驟5 利用步驟4中得到的系統(tǒng)總?cè)萘坑?jì)算各服務(wù)環(huán)境下的頻譜需求，取最大值作為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)的總頻譜需求。

對(duì)于LTE-R系統(tǒng)，不同服務(wù)環(huán)境下的頻譜需求量F可以按照式（11）求得。其中，腳注代表服務(wù)環(huán)境SE，C表示平均分組時(shí)延受限情形下LTE-R系統(tǒng)在服務(wù)環(huán)境中的系統(tǒng)容量，E表示服務(wù)環(huán)境下LTE-R系統(tǒng)的頻譜效率：

在同一場(chǎng)景（車(chē)站、區(qū)間、編組站、大型客站）下，取不同線路頻譜需求最大值為該場(chǎng)景的頻譜需求，車(chē)站、區(qū)間、編組站與大型客站在空間上互不重疊，取以上各場(chǎng)景中最大的頻譜需求作為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)的總頻譜需求，因此，LTE-R系統(tǒng)最終的頻譜需求可表示為：

在實(shí)際部署中，由于受系統(tǒng)部署帶寬的約束，需要對(duì)式（12）的計(jì)算結(jié)果做出如下修正：

3 LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求預(yù)測(cè)

較GSM-R系統(tǒng)而言，LTE-R系統(tǒng)將提供45種業(yè)務(wù)，依據(jù)LTE-R系統(tǒng)每種業(yè)務(wù)的速率等級(jí)和特征，將這45種業(yè)務(wù)劃分為9類服務(wù)類別SC（見(jiàn)表1），根據(jù)各“點(diǎn)”下各“線”的場(chǎng)景劃分方法，將LTE-R系統(tǒng)的場(chǎng)景劃分為9種服務(wù)環(huán)境SE（見(jiàn)表2），通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到45種業(yè)務(wù)在9種服務(wù)環(huán)境下的用戶密度、進(jìn)程到達(dá)率、平均進(jìn)程持續(xù)時(shí)間和平均服務(wù)服務(wù)比特率，利用式（3）分別計(jì)算得到9類服務(wù)環(huán)境下不同服務(wù)類別的上下行業(yè)務(wù)量，所得結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

根據(jù)表3中不同SC的平均分組長(zhǎng)度和分組長(zhǎng)度的二階矩以及表4和表5中的上下行業(yè)務(wù)量，利用式（10）分別計(jì)算LTE-R系統(tǒng)在平均分組時(shí)延受限情況下的上下行容量，不同服務(wù)環(huán)境SE下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

結(jié)合表6中的系統(tǒng)容量結(jié)果，LTE-R系統(tǒng)在不同服務(wù)環(huán)境下的頻譜需求量F可以按照式（11）求得。由于受通信環(huán)境與列車(chē)速度等因素的影響，LTE-R系統(tǒng)在不同服務(wù)環(huán)境下的頻譜效率會(huì)有所不同。依據(jù)中興通訊公司實(shí)測(cè)所得的LTE-R系統(tǒng)上下行頻譜效率（見(jiàn)表7）[19]，LTE-R在各服務(wù)環(huán)境下的頻譜需求計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

利用式（12）計(jì)算得到LTE-R系統(tǒng)的上行頻譜需求為12.69 MHz，下行頻譜需求為4.21 MHz。利用式（13）對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，LTE-R系統(tǒng)支持多種部署帶寬，分別取部署帶寬為1.4 MHz、3 MHz、5 MHz，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正得到LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求結(jié)果見(jiàn)表8。

表4 LTE-R系統(tǒng)9類SE下SC的上行業(yè)務(wù)量（Mbit/s）

表5 LTE-R系統(tǒng)9類SE下SC的下行業(yè)務(wù)量（Mbit/s）

表6 平均分組時(shí)延受限條件下LTE-R系統(tǒng)的上下行容量（Mbit/s）

表7 LTE-R系統(tǒng)頻譜效率/（bit/(s·Hz)）

圖1 LTE-R在各服務(wù)環(huán)境下的頻譜需求計(jì)算結(jié)果

表8 LTE-R系統(tǒng)上下行頻譜需求帶寬（MHz）

4 關(guān)鍵因素對(duì)測(cè)算結(jié)果的影響分析

4.1 工程頻譜效率的影響分析

頻譜效率與頻譜需求總量約成反比例關(guān)系，它表征單個(gè)基站承載業(yè)務(wù)吞吐量的能力。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，由于受設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、用戶在信號(hào)遠(yuǎn)中近點(diǎn)隨機(jī)分布、基站覆蓋局限性的影響，LTE-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)際承載層面的頻譜效率是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的，即“工程頻譜效率”。下面以普速編組站場(chǎng)景為例分析工程頻譜效率對(duì)頻譜需求結(jié)果的影響，在該場(chǎng)景中，LTE-R上行頻譜效率范圍為1.4~4 bit/(s·Hz)，LTE-R下行頻譜效率為2~4 bit/(s·Hz)[19,20]，根據(jù)表4、表5，利用式（10）計(jì)算得到不考慮視頻業(yè)務(wù)時(shí)的上行系統(tǒng)容量為7.00 Mbit/s，下行系統(tǒng)容量為2.06 Mbit/s，根據(jù)式（11）可得，LTE-R在普速編組站場(chǎng)景下的頻譜需求結(jié)果，具體如圖2所示，圖2中4 MHz為目前分配給GSM-R系統(tǒng)的上行/下行頻譜帶寬。

圖2 頻譜效率對(duì)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)頻譜需求的影響

通過(guò)圖2可以看出，在LTE-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)量、平均分組長(zhǎng)度、時(shí)延要求等參數(shù)不改變的前提下，LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求總量隨工程頻譜效率的增加呈逐步下降的趨勢(shì)。在系統(tǒng)容量相同的前提下，對(duì)比GSM-R和LTE-R的頻譜需求總量可知，系統(tǒng)升級(jí)提高了頻譜效率，從而帶來(lái)了更多的頻譜紅利。

4.2 引入視頻業(yè)務(wù)的影響分析

LTE-R系統(tǒng)的視頻業(yè)務(wù)主要有機(jī)車(chē)自動(dòng)視頻監(jiān)控（AVDR）、特殊區(qū)域線路視頻監(jiān)控、調(diào)機(jī)視頻監(jiān)控、作業(yè)視頻監(jiān)控、列車(chē)安全視頻監(jiān)控和道岔缺口視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)，這些視頻業(yè)務(wù)作為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)鐵路移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的主要增長(zhǎng)點(diǎn)，將會(huì)大幅增加未來(lái)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜帶寬需求。視頻業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量受其進(jìn)程到達(dá)率、平均進(jìn)程持續(xù)時(shí)間等因素的影響，本文主要考慮其平均進(jìn)程到達(dá)率對(duì)頻譜需求的影響。不同服務(wù)環(huán)境下視頻業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)種類以及進(jìn)程到達(dá)率會(huì)有所差別，表9中給出了普速編組站場(chǎng)景下這些視頻業(yè)務(wù)高進(jìn)程到達(dá)率與低進(jìn)程到達(dá)率的取值。

在視頻業(yè)務(wù)進(jìn)程到達(dá)率變化但其他參數(shù)不變的情況下，按照式（3）~式（12）計(jì)算，得到LTE-R系統(tǒng)在不同場(chǎng)景的頻譜需求結(jié)果，具體如圖3所示。

圖3 各場(chǎng)景下視頻業(yè)務(wù)進(jìn)程到達(dá)率對(duì)LTE-R系統(tǒng)頻譜需求的影響分析

通過(guò)圖3可以看出，不考慮視頻業(yè)務(wù)時(shí)，LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求帶寬約為4 MHz，目前已分配給GSM-R系統(tǒng)的頻譜帶寬可以滿足其帶寬需求；考慮視頻業(yè)務(wù)時(shí)，編組站場(chǎng)景下帶寬需求增長(zhǎng)最為明顯，因此LTE-R系統(tǒng)上下行頻譜需求帶寬分別至少需要10 MHz、4.25 MHz，當(dāng)前分配給GSM-R系統(tǒng)的頻譜帶寬無(wú)法滿足其需求。此外還可以發(fā)現(xiàn)，視頻業(yè)務(wù)的引入將致使LTE-R系統(tǒng)的上下行帶寬需求不對(duì)稱的特點(diǎn)更加顯著。

表9 視頻業(yè)務(wù)在普速編組站場(chǎng)景下進(jìn)程到達(dá)率的取值

5 結(jié)束語(yǔ)

LTE-R是下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，為了滿足LTE-R系統(tǒng)的用頻需求，需要對(duì)其頻譜需求總量進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測(cè)。在深入分析ITU-R M.1768方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于時(shí)延差異性約束的LTE-R系統(tǒng)頻譜需求預(yù)測(cè)方法。相比ITU-R M.1768方法，本文提出的頻譜需求預(yù)測(cè)方法做了3個(gè)方面改進(jìn)：研究對(duì)象不同，一個(gè)面向公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)，一個(gè)面向鐵路下一代專用無(wú)線通信系統(tǒng)LTE-R；重新定義了頻譜需求預(yù)測(cè)方法的兩大核心因素：服務(wù)類別（SC）、服務(wù)環(huán)境（SE），根據(jù)LTE-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特征、性能指標(biāo)要求與應(yīng)用場(chǎng)景，定義了9種服務(wù)類別和9種服務(wù)環(huán)境；基于重新定義的SC/SE，分析得出了LTE-R系統(tǒng)不同服務(wù)類別對(duì)時(shí)延的要求，并利用M/G/1排隊(duì)模型測(cè)算了不同時(shí)延約束條件下LTE-R系統(tǒng)在不同服務(wù)環(huán)境下需要的系統(tǒng)頻譜需求。結(jié)果表明，我國(guó)LTE-R系統(tǒng)上行和下行頻譜需求可能的范圍分別是14~15 MHz和5~6 MHz。LTE-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)際承載層面的工程頻率效率和基于高帶寬的視頻業(yè)務(wù)量將是影響頻譜帶寬需求總量的兩個(gè)關(guān)鍵因素。若不考慮未來(lái)新增的視頻業(yè)務(wù)量，LTE-R的頻譜帶寬需求約為4 MHz，目前分配給GSM-R的頻譜資源即可滿足其帶寬需求。

[1] AWG-20. Working document towards a draft APT report on system description of railway radiocommunication system between train and trackside (RSTT): AWG-20/TMP-43 (Rev.1)[S]. 2016.

[2] AI B, GUAN K, RUPP M, et al. Future railway services-oriented mobile communications network[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(10): 78-85.

[3] HE R, AI B, WANG G, et al. High-speed railway communications: from GSM-R to LTE-R[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2016, 11(3): 49-58.

[4] 北京交通大學(xué), 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院, 等. 下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率及制式研究報(bào)告[R]. 2015.

Beijing Jiaotong University, China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., China Academy of Railway Sciences,et al. Research report on frequency and system of next generation railway mobile communication system[R]. 2015.

[5] SNIADY A, SOLER J. LTE for railways: impact on performance of ETCS railway signaling[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2014, 9(2): 69-77.

[6] ITU-R. Methodology for the calculation of IMT-2000 terrestrial spectrum requirements: M 1390-0[S]. 1999.

[7] ITU-R. Methodology for calculation of spectrum requirements for the terrestrial component of International Mobile Telecommunications: M 1768-1[S]. 2013.

[8] ITU-R. Traffic forecasts and estimated spectrum requirements for the satellite component of IMT?2000 and systems beyond IMT-2000 for the period 2010 to 2020: M 2077-0[S]. 2006.

[9] ITU-R. Traffic forecasts and estimated spectrum requirements for future development of the mobile-satellite service in the range 4-16 GHz: M 2218-0[S]. 2011.

[10] ITU-R. Radiocommunication objectives and requirements for Public Protection and Disaster Relief (PPDR): Document 5A/469[S]. 2017.

[11] ITU-R. Spectrum needs for the terrestrial component of IMT in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz: document 5D/TEMP/171[S]. 2016.

[12] ITU. Final acts WRC-15 world radiocommunication conference 2015[S]. 2015.

[13] ITU-R. Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT: M 2290-0[S]. 2013.

[14] 中國(guó)鐵路下一代移動(dòng)通信技術(shù)研究工作組. WG1-2016-001-V1.0.中國(guó)鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率及制式深化研究(V1.0)[S]. 2016.

Research Group of Next Generation Mobile Communication Technology for China Railway. WG1-2016-001-V1.0. Deepening research on frequency and standard of next generation mobile communication system for China railway(V1.0)[S]. 2016.

[15] 3GPP. Technical specification group services and system aspects; policy and charging control architecture: TS23.203 v9.14.0[S]. 2014.

[16] 吳宇. 鐵路站場(chǎng)LTE-R寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)研究[J]. 鐵道通信信號(hào), 2016,52(8): 75-78.

WU Y. Research on LTE-R broadband mobile communication system in railway station[J]. Railway Signaling & Communication, 2016, 52(8): 75-78.

[17] ZHANG Y, XIONG L, JIANG W, et al. Analysis and research on spectrum requirements of LTE for railways[C]//International Conference on Wireless, Mobile and Multi-Media, Nov 20-23, 2015, Beijing, China. New Jersey: IEEE Press, 2016: 83-86.

[18] HIDEAKI T, BERNHARD H W. Spectrum requirement planning in wireless communications model and methodology for IMT-Advanced[M]. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2008.

[19] ITU-R. Study on spectrum of railway radiocommunication between train and trackside (RSTT) with respect to the train radio applications: Document 5A/439[S]. 2017.

[20] 李文宇, 宋麗娜, 何秀淼, 等. LTE產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析和展望[J]. 電信科學(xué), 2014, 30(3): 6-11.

LI W Y, SONG L N, HE X M, et al. Development analysis and perspective on LTE current status[J]. Telecommunications Science, 2014, 30(3): 6-11.

Spectrum demand prediction of LTE-R system based on delay difference constraint

LIU Peng1, LI Wei2, LIU Bin2, WANG Tan2, GENG Suiyan1

1. North China Electric Power University, Beijing 102206, China2. State Radio Regulatory Commission, Beijing 100037, China

In order to plan and allocate the spectrum resources of LTE-R scientifically, it is necessary to make reasonable forecast of total spectrum demand for LTE-R.After deep analysis of ITU-R M.1768 method, a spectrum demand forecasting method based on different delay constraints for LTE-R system was provided. This method defined nine kinds of service categories, nine kinds of service environments, and derived the expression of LTE-R system traffic. Under different delay constraints condition of different services, the M/G/1 queuing model was used to analyze the spectrum requirements of LTE-R system preliminarily. The results show that the uplink and downlink spectrum demand of China’s LTE-R system is asymmetric and the possible range is 14~15 MHz uplink and 5~6 MHz downlink, respectively. If new video traffic in the future is not considered, the current spectrum resources distributed to GSM-R system spectrum can meet the bandwidth requirements of LTE-R system. In addition, the influence of engineering frequency efficiency of LTE-R network and high-bandwidth video traffic on LTE-R spectrum total bandwidth demand was analyzed. This study provides technical support for the frequency planning of China’s next generation railway mobile communication system.

LTE-R, spectrum demand, frequency planning, ITU-R M.1768

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017330

2017?08?08；

2017?12?08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No. 2015ZX03002008）

The National Science and Technology Major Project of China (No. 2015ZX03002008)

劉鵬（1992?），男，華北電力大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與新技術(shù)、無(wú)線通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃等。

李偉（1984?），男，博士，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轭l譜需求預(yù)測(cè)、電磁兼容分析、頻譜管理技術(shù)等。

劉斌（1980?）男，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心副處長(zhǎng)、高級(jí)工程師，主要從事無(wú)線電頻譜管理技術(shù)和政策研究工作，擔(dān)任ITU-R和APT關(guān)于鐵路無(wú)線電通信系統(tǒng)的WRC議題相關(guān)研究工作組主席。

王坦（1985?），男，博士，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轭l率規(guī)劃、頻率評(píng)估和5G頻率管理研究等。

耿綏燕（1966?），女，博士，華北電力大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹撩撞∕IMO無(wú)線通信信道實(shí)驗(yàn)與建模、UWB短距離通信技術(shù)及應(yīng)用、無(wú)線通信系統(tǒng)鏈路分析等。