基于時延差異性約束的LTE-R系統頻譜需求預測

劉鵬，李偉，劉斌，王坦，耿綏燕

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基于時延差異性約束的LTE-R系統頻譜需求預測

劉鵬1，李偉2，劉斌2，王坦2，耿綏燕1

（1. 華北電力大學，北京 102206；2. 國家無線電監測中心，北京 100037）

為了科學地規劃和分配LTE-R的用頻，需要對其頻譜需求總量做出合理預測。在深入分析ITU-R M.1768方法的基礎上，提出了一種基于時延差異性約束的LTE-R系統頻譜需求預測方法。該方法定義了9種服務類別和9種服務環境，推導給出了LTE-R系統業務量的計算表達式，在業務時延差異性約束條件下利用M/G/1排隊模型對我國LTE-R系統的頻譜需求進行了初步預測。研究結果表明，我國LTE-R系統上行和下行頻譜需求不對稱，且可能的范圍分別是14~15 MHz和5~6 MHz，若不考慮未來新增的視頻業務量，目前分配給GSM-R系統的頻譜資源即可滿足其帶寬需求。此外，分析了LTE-R網絡實際承載層面的工程頻率效率和基于高帶寬的視頻業務量對LTE-R頻譜帶寬需求總量的影響。該研究為我國下一代鐵路移動通信系統的頻率規劃提供了技術支撐。

LTE-R；頻譜需求；頻率規劃；ITU-R M.1768

1 引言

近10年來，我國高速鐵路及相關產業飛速發展。截至2016年9月，中國已經開通高速鐵路超過20 000 km。“十三五”期間，我國還將繼續建設10 000 km以上的高速鐵路，到2025年我國高速鐵路總長度將達到38 000 km[1]。除傳統的語音業務、列控業務和調度業務外，未來鐵路移動通信系統還將提供高清視頻監控、鐵路多媒體調度視頻與鐵路物聯網等更多寬帶業務[2]，然而，目前我國鐵路部門運營的GSM-R（GSM-railway）網絡的系統帶寬窄、業務承載能力有限、頻譜利用率低，難以承載視頻監控等對帶寬需求較高的業務[3]，新業務產生的海量移動業務流量將可能產生一定的頻譜需求缺口。為了應對日益增長的鐵路業務量，保證鐵路旅客安全，提供實時多媒體信息，我國鐵路部門決定采用頻譜使用效率更高的LTE-R（LTE-railway）系統作為下一代鐵路移動通信系統[4,5]。為了滿足LTE-R系統的用頻需求，實現頻譜資源的科學分配和使用，避免超前分配導致的資源浪費，需要對其頻譜需求總量做出合理預測，以支撐后續頻譜規劃與分配工作。

目前關于LTE-R系統頻譜需求研究的文獻報道較少，大多數的頻譜需求研究成果主要針對IMT系統，其預測方法也較為成熟[6-10]。參考文獻[6]提出了一種用于IMT-2000系統的頻譜需求預測方法，該方法利用了愛爾蘭-B和愛爾蘭-C公式對系統頻譜需求帶寬進行了測算。參考文獻[7]在統計調研未來IMT系統業務量的基礎上，提出了一種用于多制式IMT系統并存情形下的頻譜需求預測方法。參考文獻[8]針對IMT-2000和超IMT-2000系統衛星部分在1~6 GHz頻段的頻譜需求，提出了一種基于用戶數量預測與用戶業務量預測的頻譜需求預測方法。參考文獻[9]考慮了高速率業務對業務量的影響，利用參考文獻[8]的方法給出了衛星移動業務在4~16 GHz頻段的頻譜需求結果。參考文獻[10]分別在ITU-R M.1390建議書提供的頻譜需求預測方法與PPDR網絡用戶終端信干噪比（SINR）建模仿真的基礎上，結合公共保護與賑災系統場景特征和用戶分布特點，提出了面向窄帶、寬帶、超寬帶系統的頻譜需求預測方法。參考文獻[11]提出了一種基于IMT-2020系統關鍵性能指標（key performance indicator，KPI）的頻譜需求預測方法，結合映射到不同部署環境下（辦公室、密集住宅區等）的關鍵性能指標（峰值數據速率、用戶體驗速率、區域系統容量等），通過不同場景下的頻譜效率，可以分別計算得到IMT-2020系統6 GHz以上與6 GHz以下的頻譜需求。考慮到LTE-R系統中列車的高速移動性和業務的可靠性等特殊要求[2,3]，以上方法均無法直接應用于LTE-R系統的頻譜需求預測。

2015年底，國際電信聯盟（ITU）于世界無線電通信大會WRC-15期間確立了WRC-19 1.11議題，啟動了下一代鐵路移動通信系統的頻譜需求研究[13]。截至目前，國際電信聯盟相關研究工作主要集中在鐵路移動通信系統的一般架構、部署場景、主要應用與相關技術等方面，關于頻譜需求尚未輸出任何研究結果。

基于以上分析，本文以ITU-R M.1768方法為基礎，提出了一種基于時延差異性約束的LTE-R系統頻譜需求預測方法。相比面向公眾移動通信系統的ITU-R M.1768方法，該方法主要針對鐵路下一代專用無線通信系統LTE-R進行頻譜需求預測，在綜合分析LTE-R系統的業務特征、應用場景以及服務質量要求的基礎上，對LTE-R系統的服務類別和服務環境進行了定義，推導給出了LTE-R系統業務量的封閉表達式，在業務時延差異性約束條件下利用M/G/1排隊模型初步預測了我國LTE-R系統的頻譜需求，并對LTE-R系統工程頻譜效率與視頻業務對預測結果的影響進行了分析。

2 基于時延差異性約束的LTE-R頻譜需求測算原理

2.1 ITU-R M.1768方法介紹

ITU-R在M.1768建議書中提出的面向IMT系統頻譜需求的預測方法是一套針對全球范圍內的預測方法[7,13]，主要用于同時存在多種制式的IMT系統的頻譜需求計算。該方法綜合考慮了服務類別（service category）、服務環境（service environment）、無線電環境（radio environment）、無線接入技術組（radio access technology group）的影響，具體包括6個步驟：關鍵參數定義、業務應用與市場需求調查統計、業務量計算與分配、系統容量計算、頻譜需求計算以及頻譜需求整合。

步驟1 定義服務類別、服務環境、無線電環境、無線接入技術組。業務方面，M.1768方法共包含20種服務類別、6種服務環境和4種無線電環境；技術方面，M.1768方法包含4種無線接入技術組。

步驟2 調查統計IMT系統的業務應用及相關參數，并將不同服務環境下的業務應用劃分歸類到步驟1定義的20種服務類別之中。

步驟3 計算每種服務環境下每一個服務類別的業務量需求，基于電路交換與分組交換的業務量需求應分開計算。由于每種服務環境都可以被一種或多種RATG支持，且每種RATG下存在多種無線電環境（如宏蜂窩、微蜂窩等），因此需將不同服務環境下每一個服務類別的業務量分配到各RATG的無線電環境當中。

步驟4 考慮不同服務類別的QoS要求，結合步驟3得到的基于電路交換與分組交換的業務量，計算不同RATG下不同無線電環境的系統容量。

步驟5 利用步驟4得到的系統容量與不同RATG下每種無線電環境的頻譜效率，計算得到不同RATG下不同無線電環境的頻譜需求。

步驟6 考慮到相同RATG下不同無線電環境頻率復用和系統部署帶寬等因素，合并調整得到每個RATG在不同服務環境下的頻譜需求，將相同電信密度下每個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系統的總頻譜需求。

2.2 LTE-R系統頻譜需求測算原理

針對LTE-R系統，本文以M.1768方法為基礎，提出了一種基于時延差異性約束的頻譜需求預測方法。該方法綜合考慮了LTE-R系統所承載業務的安全級別、數據速率和時延要求以及LTE-R系統的應用場景，重點對不同時延約束限制下的業務應用進行了頻譜預測分析，具體分為以下5個步驟。

步驟1 定義LTE-R系統的服務類別（SC）、服務環境（SE）、無線電環境（RE）與無線接入技術組（RATG）。

經調研分析，相比于GSM-R系統，LTE-R系統將提供更為豐富的服務應用，細分為33種行車相關業務、9種運營維護業務、2種公共安全業務與旅客信息共45種業務[14]。根據LTE-R系統對可靠性（時延）與安全性的要求，將45種業務劃分為會話類業務（含語音視頻）與數據類業務兩類。會話類業務包括語音業務與語音視頻業務，其中與調車有關的語音業務定義為Ⅰ類會話業務，無關的定義為Ⅱ類會話業務；語音視頻業務指實時的對話視頻流，對于保證比特率（GBR）的語音視頻業務定義為Ⅰ類，不保證比特率（non-GBR）的語音視頻業務定義為Ⅱ類。安全類數據業務是指與列控相關的數據業務，非安全類數據業務是指除非會話類業務之外且與列控無關的數據業務。根據LTE-R系統對服務應用的數據速率要求，將45種業務的數據速率劃分為低速數據速率（<16 kbit/s）、中速數據速率（<144 kbit/s）、高速數據速率（<2 Mbit/s）3個等級。按照上述的二維分類原則，LTE-R系統的45種業務可歸類得到9種服務類別[14-16]，具體見表1。

表1 LTE-R服務類別分類

LTE-R系統的應用場景可劃分為“線”和“點”兩大類型[4,14]，“線”主要包括：300 km/h及以上等級線路、200 km/h以下客貨混跑線路、重載鐵路。“點”主要包括：車站（中間站）、大型客站、編組站和線路區間。每種場景承擔的角色和功能不同，其承載的應用業務也不盡相同，應用業務占用帶寬的需求也不同。根據各“點”下各“線”實際部署情況，LTE-R系統的服務環境可以分為9類，具體見表2。

表2 LTE-R系統服務環境分類

LTE-R系統作為鐵路運營部門的專用無線網絡，將承載列車調度、列車控制、視頻監控、列車定位等全部無線業務，是未來鐵路部門唯一的無線接入技術組。因此，LTE-R系統將承擔鐵路部門所有的無線業務流量。此外，列車高速行駛狀態下，基站間距離很短，會導致十分頻繁的越區切換，增加通信時延，使列車通信質量下降，同時，也增加了系統的部署成本，因此，LTE-R系統將延續GSM-R系統采用宏基站的部署方式。

步驟2 分析統計LTE-R系統用于業務量和系統容量計算的每種業務的特征參數，具體包括用戶密度、進程到達率、平均進程持續時間、平均服務比特率、平均分組長度、分組長度的二階矩(2)以及平均分組時延。與LTE-R系統容量計算相關的具體參數見表3[13-17]。

表3 與LTE-R系統容量計算相關的具體參數

步驟3 依據步驟2中分析統計得到的特征參數，計算LTE-R系統在不同服務環境下每種服務類別的業務量。

LTE-R系統為全IP網絡[17]，全部采用分組交換技術，業務量計算式為[7]：

步驟4 根據步驟2中分析統計得到的特征參數與步驟3中計算得到的業務量，利用M/G/1排隊模型，計算時延差異性約束條件下LTE-R系統在每種服務環境下需要的系統容量。服務類別的平均分組時延由平均呼叫等待時間與平均呼叫服務時間兩部分組成，平均呼叫等待時間W包括3個部分，計算式為：

其中，0表示新呼叫到達時，正在被服務的呼叫產生的時延，b表示服務類別的平均呼叫服務時間，表示系統中的服務類別總數，L表示新呼叫到達時，等待序列中先于該呼叫被服務的平均呼叫數量，M表示新呼叫排隊等待時，到達系統且先于該呼叫被服務的平均呼叫數量。步驟1定義的服務類別中，編號越大，優先級越低，編號越小，優先級越高。不同等級業務同時到達時，LTE-R系統優先服務高優先級業務，低優先級業務排隊等待。0、L、M計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類別的平均呼叫等待時間W：

服務類別的平均呼叫服務時間利用平均分組長度除以系統容量計算得到，因此服務類別的平均分組時延由式（9）給出：

（10）

式（10）的解即式（9）中滿足服務類別時延約束條件下的系統總容量C，并且取3個解中大于同一服務環境下所有服務類別業務量之和的解為該類別所求系統容量。若系統總容量最大的服務類別的時延約束條件能夠滿足，則其他服務類別的時延約束條件也能夠滿足，所以，取不同服務類別下系統容量的最大值即該服務環境下最終的系統容量。

步驟5 利用步驟4中得到的系統總容量計算各服務環境下的頻譜需求，取最大值作為LTE-R系統的總頻譜需求。

對于LTE-R系統，不同服務環境下的頻譜需求量F可以按照式（11）求得。其中，腳注代表服務環境SE，C表示平均分組時延受限情形下LTE-R系統在服務環境中的系統容量，E表示服務環境下LTE-R系統的頻譜效率：

在同一場景（車站、區間、編組站、大型客站）下，取不同線路頻譜需求最大值為該場景的頻譜需求，車站、區間、編組站與大型客站在空間上互不重疊，取以上各場景中最大的頻譜需求作為LTE-R系統的總頻譜需求，因此，LTE-R系統最終的頻譜需求可表示為：

在實際部署中，由于受系統部署帶寬的約束，需要對式（12）的計算結果做出如下修正：

3 LTE-R系統的頻譜需求預測

較GSM-R系統而言，LTE-R系統將提供45種業務，依據LTE-R系統每種業務的速率等級和特征，將這45種業務劃分為9類服務類別SC（見表1），根據各“點”下各“線”的場景劃分方法，將LTE-R系統的場景劃分為9種服務環境SE（見表2），通過統計分析得到45種業務在9種服務環境下的用戶密度、進程到達率、平均進程持續時間和平均服務服務比特率，利用式（3）分別計算得到9類服務環境下不同服務類別的上下行業務量，所得結果見表4和表5。

根據表3中不同SC的平均分組長度和分組長度的二階矩以及表4和表5中的上下行業務量，利用式（10）分別計算LTE-R系統在平均分組時延受限情況下的上下行容量，不同服務環境SE下的計算結果見表6。

結合表6中的系統容量結果，LTE-R系統在不同服務環境下的頻譜需求量F可以按照式（11）求得。由于受通信環境與列車速度等因素的影響，LTE-R系統在不同服務環境下的頻譜效率會有所不同。依據中興通訊公司實測所得的LTE-R系統上下行頻譜效率（見表7）[19]，LTE-R在各服務環境下的頻譜需求計算結果如圖1所示。

利用式（12）計算得到LTE-R系統的上行頻譜需求為12.69 MHz，下行頻譜需求為4.21 MHz。利用式（13）對上述結果進行調整，LTE-R系統支持多種部署帶寬，分別取部署帶寬為1.4 MHz、3 MHz、5 MHz，對計算結果進行修正得到LTE-R系統的頻譜需求結果見表8。

表4 LTE-R系統9類SE下SC的上行業務量（Mbit/s）

表5 LTE-R系統9類SE下SC的下行業務量（Mbit/s）

表6 平均分組時延受限條件下LTE-R系統的上下行容量（Mbit/s）

表7 LTE-R系統頻譜效率/（bit/(s·Hz)）

圖1 LTE-R在各服務環境下的頻譜需求計算結果

表8 LTE-R系統上下行頻譜需求帶寬（MHz）

4 關鍵因素對測算結果的影響分析

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系，它表征單個基站承載業務吞吐量的能力。在實際網絡運行過程中，由于受設備滿負荷運轉、用戶在信號遠中近點隨機分布、基站覆蓋局限性的影響，LTE-R網絡實際承載層面的頻譜效率是在一定范圍內波動的，即“工程頻譜效率”。下面以普速編組站場景為例分析工程頻譜效率對頻譜需求結果的影響，在該場景中，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]，根據表4、表5，利用式（10）計算得到不考慮視頻業務時的上行系統容量為7.00 Mbit/s，下行系統容量為2.06 Mbit/s，根據式（11）可得，LTE-R在普速編組站場景下的頻譜需求結果，具體如圖2所示，圖2中4 MHz為目前分配給GSM-R系統的上行/下行頻譜帶寬。

圖2 頻譜效率對鐵路移動通信系統頻譜需求的影響

通過圖2可以看出，在LTE-R系統業務量、平均分組長度、時延要求等參數不改變的前提下，LTE-R系統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。在系統容量相同的前提下，對比GSM-R和LTE-R的頻譜需求總量可知，系統升級提高了頻譜效率，從而帶來了更多的頻譜紅利。

4.2 引入視頻業務的影響分析

LTE-R系統的視頻業務主要有機車自動視頻監控（AVDR）、特殊區域線路視頻監控、調機視頻監控、作業視頻監控、列車安全視頻監控和道岔缺口視頻監控等業務，這些視頻業務作為LTE-R系統鐵路移動通信業務量的主要增長點，將會大幅增加未來鐵路移動通信系統的頻譜帶寬需求。視頻業務的業務量受其進程到達率、平均進程持續時間等因素的影響，本文主要考慮其平均進程到達率對頻譜需求的影響。不同服務環境下視頻業務的業務種類以及進程到達率會有所差別，表9中給出了普速編組站場景下這些視頻業務高進程到達率與低進程到達率的取值。

在視頻業務進程到達率變化但其他參數不變的情況下，按照式（3）~式（12）計算，得到LTE-R系統在不同場景的頻譜需求結果，具體如圖3所示。

圖3 各場景下視頻業務進程到達率對LTE-R系統頻譜需求的影響分析

通過圖3可以看出，不考慮視頻業務時，LTE-R系統的頻譜需求帶寬約為4 MHz，目前已分配給GSM-R系統的頻譜帶寬可以滿足其帶寬需求；考慮視頻業務時，編組站場景下帶寬需求增長最為明顯，因此LTE-R系統上下行頻譜需求帶寬分別至少需要10 MHz、4.25 MHz，當前分配給GSM-R系統的頻譜帶寬無法滿足其需求。此外還可以發現，視頻業務的引入將致使LTE-R系統的上下行帶寬需求不對稱的特點更加顯著。

表9 視頻業務在普速編組站場景下進程到達率的取值

5 結束語

LTE-R是下一代鐵路移動通信系統，為了滿足LTE-R系統的用頻需求，需要對其頻譜需求總量進行科學合理的預測。在深入分析ITU-R M.1768方法的基礎上，本文提出了一種基于時延差異性約束的LTE-R系統頻譜需求預測方法。相比ITU-R M.1768方法，本文提出的頻譜需求預測方法做了3個方面改進：研究對象不同，一個面向公眾移動通信系統，一個面向鐵路下一代專用無線通信系統LTE-R；重新定義了頻譜需求預測方法的兩大核心因素：服務類別（SC）、服務環境（SE），根據LTE-R系統的業務特征、性能指標要求與應用場景，定義了9種服務類別和9種服務環境；基于重新定義的SC/SE，分析得出了LTE-R系統不同服務類別對時延的要求，并利用M/G/1排隊模型測算了不同時延約束條件下LTE-R系統在不同服務環境下需要的系統頻譜需求。結果表明，我國LTE-R系統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網絡實際承載層面的工程頻率效率和基于高帶寬的視頻業務量將是影響頻譜帶寬需求總量的兩個關鍵因素。若不考慮未來新增的視頻業務量，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。

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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

國家科技重大專項基金資助項目（No. 2015ZX03002008）

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

劉鵬（1992?），男，華北電力大學碩士生，主要研究方向為無線通信網絡與新技術、無線通信系統頻率規劃等。

李偉（1984?），男，博士，國家無線電監測中心高級工程師，主要研究方向為頻譜需求預測、電磁兼容分析、頻譜管理技術等。

劉斌（1980?）男，國家無線電監測中心副處長、高級工程師，主要從事無線電頻譜管理技術和政策研究工作，擔任ITU-R和APT關于鐵路無線電通信系統的WRC議題相關研究工作組主席。

王坦（1985?），男，博士，國家無線電監測中心高級工程師，主要研究方向為頻率規劃、頻率評估和5G頻率管理研究等。

耿綏燕（1966?），女，博士，華北電力大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為毫米波MIMO無線通信信道實驗與建模、UWB短距離通信技術及應用、無線通信系統鏈路分析等。