基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测

刘鹏，李伟，刘斌，王坦，耿绥燕



基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测

刘鹏1，李伟2，刘斌2，王坦2，耿绥燕1

（1. 华北电力大学，北京 102206；2. 国家无线电监测中心，北京 100037）

为了科学地规划和分配LTE-R的用频，需要对其频谱需求总量做出合理预测。在深入分析ITU-R M.1768方法的基础上，提出了一种基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测方法。该方法定义了9种服务类别和9种服务环境，推导给出了LTE-R系统业务量的计算表达式，在业务时延差异性约束条件下利用M/G/1排队模型对我国LTE-R系统的频谱需求进行了初步预测。研究结果表明，我国LTE-R系统上行和下行频谱需求不对称，且可能的范围分别是14~15 MHz和5~6 MHz，若不考虑未来新增的视频业务量，目前分配给GSM-R系统的频谱资源即可满足其带宽需求。此外，分析了LTE-R网络实际承载层面的工程频率效率和基于高带宽的视频业务量对LTE-R频谱带宽需求总量的影响。该研究为我国下一代铁路移动通信系统的频率规划提供了技术支撑。

LTE-R；频谱需求；频率规划；ITU-R M.1768

1 引言

近10年来，我国高速铁路及相关产业飞速发展。截至2016年9月，中国已经开通高速铁路超过20 000 km。“十三五”期间，我国还将继续建设10 000 km以上的高速铁路，到2025年我国高速铁路总长度将达到38 000 km[1]。除传统的语音业务、列控业务和调度业务外，未来铁路移动通信系统还将提供高清视频监控、铁路多媒体调度视频与铁路物联网等更多宽带业务[2]，然而，目前我国铁路部门运营的GSM-R（GSM-railway）网络的系统带宽窄、业务承载能力有限、频谱利用率低，难以承载视频监控等对带宽需求较高的业务[3]，新业务产生的海量移动业务流量将可能产生一定的频谱需求缺口。为了应对日益增长的铁路业务量，保证铁路旅客安全，提供实时多媒体信息，我国铁路部门决定采用频谱使用效率更高的LTE-R（LTE-railway）系统作为下一代铁路移动通信系统[4,5]。为了满足LTE-R系统的用频需求，实现频谱资源的科学分配和使用，避免超前分配导致的资源浪费，需要对其频谱需求总量做出合理预测，以支撑后续频谱规划与分配工作。

目前关于LTE-R系统频谱需求研究的文献报道较少，大多数的频谱需求研究成果主要针对IMT系统，其预测方法也较为成熟[6-10]。参考文献[6]提出了一种用于IMT-2000系统的频谱需求预测方法，该方法利用了爱尔兰-B和爱尔兰-C公式对系统频谱需求带宽进行了测算。参考文献[7]在统计调研未来IMT系统业务量的基础上，提出了一种用于多制式IMT系统并存情形下的频谱需求预测方法。参考文献[8]针对IMT-2000和超IMT-2000系统卫星部分在1~6 GHz频段的频谱需求，提出了一种基于用户数量预测与用户业务量预测的频谱需求预测方法。参考文献[9]考虑了高速率业务对业务量的影响，利用参考文献[8]的方法给出了卫星移动业务在4~16 GHz频段的频谱需求结果。参考文献[10]分别在ITU-R M.1390建议书提供的频谱需求预测方法与PPDR网络用户终端信干噪比（SINR）建模仿真的基础上，结合公共保护与赈灾系统场景特征和用户分布特点，提出了面向窄带、宽带、超宽带系统的频谱需求预测方法。参考文献[11]提出了一种基于IMT-2020系统关键性能指标（key performance indicator，KPI）的频谱需求预测方法，结合映射到不同部署环境下（办公室、密集住宅区等）的关键性能指标（峰值数据速率、用户体验速率、区域系统容量等），通过不同场景下的频谱效率，可以分别计算得到IMT-2020系统6 GHz以上与6 GHz以下的频谱需求。考虑到LTE-R系统中列车的高速移动性和业务的可靠性等特殊要求[2,3]，以上方法均无法直接应用于LTE-R系统的频谱需求预测。

2015年底，国际电信联盟（ITU）于世界无线电通信大会WRC-15期间确立了WRC-19 1.11议题，启动了下一代铁路移动通信系统的频谱需求研究[13]。截至目前，国际电信联盟相关研究工作主要集中在铁路移动通信系统的一般架构、部署场景、主要应用与相关技术等方面，关于频谱需求尚未输出任何研究结果。

基于以上分析，本文以ITU-R M.1768方法为基础，提出了一种基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测方法。相比面向公众移动通信系统的ITU-R M.1768方法，该方法主要针对铁路下一代专用无线通信系统LTE-R进行频谱需求预测，在综合分析LTE-R系统的业务特征、应用场景以及服务质量要求的基础上，对LTE-R系统的服务类别和服务环境进行了定义，推导给出了LTE-R系统业务量的封闭表达式，在业务时延差异性约束条件下利用M/G/1排队模型初步预测了我国LTE-R系统的频谱需求，并对LTE-R系统工程频谱效率与视频业务对预测结果的影响进行了分析。

2 基于时延差异性约束的LTE-R频谱需求测算原理

2.1 ITU-R M.1768方法介绍

ITU-R在M.1768建议书中提出的面向IMT系统频谱需求的预测方法是一套针对全球范围内的预测方法[7,13]，主要用于同时存在多种制式的IMT系统的频谱需求计算。该方法综合考虑了服务类别（service category）、服务环境（service environment）、无线电环境（radio environment）、无线接入技术组（radio access technology group）的影响，具体包括6个步骤：关键参数定义、业务应用与市场需求调查统计、业务量计算与分配、系统容量计算、频谱需求计算以及频谱需求整合。

步骤1 定义服务类别、服务环境、无线电环境、无线接入技术组。业务方面，M.1768方法共包含20种服务类别、6种服务环境和4种无线电环境；技术方面，M.1768方法包含4种无线接入技术组。

步骤2 调查统计IMT系统的业务应用及相关参数，并将不同服务环境下的业务应用划分归类到步骤1定义的20种服务类别之中。

步骤3 计算每种服务环境下每一个服务类别的业务量需求，基于电路交换与分组交换的业务量需求应分开计算。由于每种服务环境都可以被一种或多种RATG支持，且每种RATG下存在多种无线电环境（如宏蜂窝、微蜂窝等），因此需将不同服务环境下每一个服务类别的业务量分配到各RATG的无线电环境当中。

步骤4 考虑不同服务类别的QoS要求，结合步骤3得到的基于电路交换与分组交换的业务量，计算不同RATG下不同无线电环境的系统容量。

步骤5 利用步骤4得到的系统容量与不同RATG下每种无线电环境的频谱效率，计算得到不同RATG下不同无线电环境的频谱需求。

步骤6 考虑到相同RATG下不同无线电环境频率复用和系统部署带宽等因素，合并调整得到每个RATG在不同服务环境下的频谱需求，将相同电信密度下每个RATG的频谱需求加和之后再取最大值，即该RATG的最终频谱需求，最后将不同RATG的频谱需求相加得到IMT系统的总频谱需求。

2.2 LTE-R系统频谱需求测算原理

针对LTE-R系统，本文以M.1768方法为基础，提出了一种基于时延差异性约束的频谱需求预测方法。该方法综合考虑了LTE-R系统所承载业务的安全级别、数据速率和时延要求以及LTE-R系统的应用场景，重点对不同时延约束限制下的业务应用进行了频谱预测分析，具体分为以下5个步骤。

步骤1 定义LTE-R系统的服务类别（SC）、服务环境（SE）、无线电环境（RE）与无线接入技术组（RATG）。

经调研分析，相比于GSM-R系统，LTE-R系统将提供更为丰富的服务应用，细分为33种行车相关业务、9种运营维护业务、2种公共安全业务与旅客信息共45种业务[14]。根据LTE-R系统对可靠性（时延）与安全性的要求，将45种业务划分为会话类业务（含语音视频）与数据类业务两类。会话类业务包括语音业务与语音视频业务，其中与调车有关的语音业务定义为Ⅰ类会话业务，无关的定义为Ⅱ类会话业务；语音视频业务指实时的对话视频流，对于保证比特率（GBR）的语音视频业务定义为Ⅰ类，不保证比特率（non-GBR）的语音视频业务定义为Ⅱ类。安全类数据业务是指与列控相关的数据业务，非安全类数据业务是指除非会话类业务之外且与列控无关的数据业务。根据LTE-R系统对服务应用的数据速率要求，将45种业务的数据速率划分为低速数据速率（<16 kbit/s）、中速数据速率（<144 kbit/s）、高速数据速率（<2 Mbit/s）3个等级。按照上述的二维分类原则，LTE-R系统的45种业务可归类得到9种服务类别[14-16]，具体见表1。

表1 LTE-R服务类别分类

LTE-R系统的应用场景可划分为“线”和“点”两大类型[4,14]，“线”主要包括：300 km/h及以上等级线路、200 km/h以下客货混跑线路、重载铁路。“点”主要包括：车站（中间站）、大型客站、编组站和线路区间。每种场景承担的角色和功能不同，其承载的应用业务也不尽相同，应用业务占用带宽的需求也不同。根据各“点”下各“线”实际部署情况，LTE-R系统的服务环境可以分为9类，具体见表2。

表2 LTE-R系统服务环境分类

LTE-R系统作为铁路运营部门的专用无线网络，将承载列车调度、列车控制、视频监控、列车定位等全部无线业务，是未来铁路部门唯一的无线接入技术组。因此，LTE-R系统将承担铁路部门所有的无线业务流量。此外，列车高速行驶状态下，基站间距离很短，会导致十分频繁的越区切换，增加通信时延，使列车通信质量下降，同时，也增加了系统的部署成本，因此，LTE-R系统将延续GSM-R系统采用宏基站的部署方式。

步骤2 分析统计LTE-R系统用于业务量和系统容量计算的每种业务的特征参数，具体包括用户密度、进程到达率、平均进程持续时间、平均服务比特率、平均分组长度、分组长度的二阶矩(2)以及平均分组时延。与LTE-R系统容量计算相关的具体参数见表3[13-17]。

表3 与LTE-R系统容量计算相关的具体参数

步骤3 依据步骤2中分析统计得到的特征参数，计算LTE-R系统在不同服务环境下每种服务类别的业务量。

LTE-R系统为全IP网络[17]，全部采用分组交换技术，业务量计算式为[7]：

步骤4 根据步骤2中分析统计得到的特征参数与步骤3中计算得到的业务量，利用M/G/1排队模型，计算时延差异性约束条件下LTE-R系统在每种服务环境下需要的系统容量。服务类别的平均分组时延由平均呼叫等待时间与平均呼叫服务时间两部分组成，平均呼叫等待时间W包括3个部分，计算式为：

其中，0表示新呼叫到达时，正在被服务的呼叫产生的时延，b表示服务类别的平均呼叫服务时间，表示系统中的服务类别总数，L表示新呼叫到达时，等待序列中先于该呼叫被服务的平均呼叫数量，M表示新呼叫排队等待时，到达系统且先于该呼叫被服务的平均呼叫数量。步骤1定义的服务类别中，编号越大，优先级越低，编号越小，优先级越高。不同等级业务同时到达时，LTE-R系统优先服务高优先级业务，低优先级业务排队等待。0、L、M计算方法分别如下所示[18]：

将式（5）~式（7）代入式（4）后，迭代求解可得到服务类别的平均呼叫等待时间W：

服务类别的平均呼叫服务时间利用平均分组长度除以系统容量计算得到，因此服务类别的平均分组时延由式（9）给出：

（10）

式（10）的解即式（9）中满足服务类别时延约束条件下的系统总容量C，并且取3个解中大于同一服务环境下所有服务类别业务量之和的解为该类别所求系统容量。若系统总容量最大的服务类别的时延约束条件能够满足，则其他服务类别的时延约束条件也能够满足，所以，取不同服务类别下系统容量的最大值即该服务环境下最终的系统容量。

步骤5 利用步骤4中得到的系统总容量计算各服务环境下的频谱需求，取最大值作为LTE-R系统的总频谱需求。

对于LTE-R系统，不同服务环境下的频谱需求量F可以按照式（11）求得。其中，脚注代表服务环境SE，C表示平均分组时延受限情形下LTE-R系统在服务环境中的系统容量，E表示服务环境下LTE-R系统的频谱效率：

在同一场景（车站、区间、编组站、大型客站）下，取不同线路频谱需求最大值为该场景的频谱需求，车站、区间、编组站与大型客站在空间上互不重叠，取以上各场景中最大的频谱需求作为LTE-R系统的总频谱需求，因此，LTE-R系统最终的频谱需求可表示为：

在实际部署中，由于受系统部署带宽的约束，需要对式（12）的计算结果做出如下修正：

3 LTE-R系统的频谱需求预测

较GSM-R系统而言，LTE-R系统将提供45种业务，依据LTE-R系统每种业务的速率等级和特征，将这45种业务划分为9类服务类别SC（见表1），根据各“点”下各“线”的场景划分方法，将LTE-R系统的场景划分为9种服务环境SE（见表2），通过统计分析得到45种业务在9种服务环境下的用户密度、进程到达率、平均进程持续时间和平均服务服务比特率，利用式（3）分别计算得到9类服务环境下不同服务类别的上下行业务量，所得结果见表4和表5。

根据表3中不同SC的平均分组长度和分组长度的二阶矩以及表4和表5中的上下行业务量，利用式（10）分别计算LTE-R系统在平均分组时延受限情况下的上下行容量，不同服务环境SE下的计算结果见表6。

结合表6中的系统容量结果，LTE-R系统在不同服务环境下的频谱需求量F可以按照式（11）求得。由于受通信环境与列车速度等因素的影响，LTE-R系统在不同服务环境下的频谱效率会有所不同。依据中兴通讯公司实测所得的LTE-R系统上下行频谱效率（见表7）[19]，LTE-R在各服务环境下的频谱需求计算结果如图1所示。

利用式（12）计算得到LTE-R系统的上行频谱需求为12.69 MHz，下行频谱需求为4.21 MHz。利用式（13）对上述结果进行调整，LTE-R系统支持多种部署带宽，分别取部署带宽为1.4 MHz、3 MHz、5 MHz，对计算结果进行修正得到LTE-R系统的频谱需求结果见表8。

表4 LTE-R系统9类SE下SC的上行业务量（Mbit/s）

表5 LTE-R系统9类SE下SC的下行业务量（Mbit/s）

表6 平均分组时延受限条件下LTE-R系统的上下行容量（Mbit/s）

表7 LTE-R系统频谱效率/（bit/(s·Hz)）

图1 LTE-R在各服务环境下的频谱需求计算结果

表8 LTE-R系统上下行频谱需求带宽（MHz）

4 关键因素对测算结果的影响分析

4.1 工程频谱效率的影响分析

频谱效率与频谱需求总量约成反比例关系，它表征单个基站承载业务吞吐量的能力。在实际网络运行过程中，由于受设备满负荷运转、用户在信号远中近点随机分布、基站覆盖局限性的影响，LTE-R网络实际承载层面的频谱效率是在一定范围内波动的，即“工程频谱效率”。下面以普速编组站场景为例分析工程频谱效率对频谱需求结果的影响，在该场景中，LTE-R上行频谱效率范围为1.4~4 bit/(s·Hz)，LTE-R下行频谱效率为2~4 bit/(s·Hz)[19,20]，根据表4、表5，利用式（10）计算得到不考虑视频业务时的上行系统容量为7.00 Mbit/s，下行系统容量为2.06 Mbit/s，根据式（11）可得，LTE-R在普速编组站场景下的频谱需求结果，具体如图2所示，图2中4 MHz为目前分配给GSM-R系统的上行/下行频谱带宽。

图2 频谱效率对铁路移动通信系统频谱需求的影响

通过图2可以看出，在LTE-R系统业务量、平均分组长度、时延要求等参数不改变的前提下，LTE-R系统的频谱需求总量随工程频谱效率的增加呈逐步下降的趋势。在系统容量相同的前提下，对比GSM-R和LTE-R的频谱需求总量可知，系统升级提高了频谱效率，从而带来了更多的频谱红利。

4.2 引入视频业务的影响分析

LTE-R系统的视频业务主要有机车自动视频监控（AVDR）、特殊区域线路视频监控、调机视频监控、作业视频监控、列车安全视频监控和道岔缺口视频监控等业务，这些视频业务作为LTE-R系统铁路移动通信业务量的主要增长点，将会大幅增加未来铁路移动通信系统的频谱带宽需求。视频业务的业务量受其进程到达率、平均进程持续时间等因素的影响，本文主要考虑其平均进程到达率对频谱需求的影响。不同服务环境下视频业务的业务种类以及进程到达率会有所差别，表9中给出了普速编组站场景下这些视频业务高进程到达率与低进程到达率的取值。

在视频业务进程到达率变化但其他参数不变的情况下，按照式（3）~式（12）计算，得到LTE-R系统在不同场景的频谱需求结果，具体如图3所示。

图3 各场景下视频业务进程到达率对LTE-R系统频谱需求的影响分析

通过图3可以看出，不考虑视频业务时，LTE-R系统的频谱需求带宽约为4 MHz，目前已分配给GSM-R系统的频谱带宽可以满足其带宽需求；考虑视频业务时，编组站场景下带宽需求增长最为明显，因此LTE-R系统上下行频谱需求带宽分别至少需要10 MHz、4.25 MHz，当前分配给GSM-R系统的频谱带宽无法满足其需求。此外还可以发现，视频业务的引入将致使LTE-R系统的上下行带宽需求不对称的特点更加显著。

表9 视频业务在普速编组站场景下进程到达率的取值

5 结束语

LTE-R是下一代铁路移动通信系统，为了满足LTE-R系统的用频需求，需要对其频谱需求总量进行科学合理的预测。在深入分析ITU-R M.1768方法的基础上，本文提出了一种基于时延差异性约束的LTE-R系统频谱需求预测方法。相比ITU-R M.1768方法，本文提出的频谱需求预测方法做了3个方面改进：研究对象不同，一个面向公众移动通信系统，一个面向铁路下一代专用无线通信系统LTE-R；重新定义了频谱需求预测方法的两大核心因素：服务类别（SC）、服务环境（SE），根据LTE-R系统的业务特征、性能指标要求与应用场景，定义了9种服务类别和9种服务环境；基于重新定义的SC/SE，分析得出了LTE-R系统不同服务类别对时延的要求，并利用M/G/1排队模型测算了不同时延约束条件下LTE-R系统在不同服务环境下需要的系统频谱需求。结果表明，我国LTE-R系统上行和下行频谱需求可能的范围分别是14~15 MHz和5~6 MHz。LTE-R网络实际承载层面的工程频率效率和基于高带宽的视频业务量将是影响频谱带宽需求总量的两个关键因素。若不考虑未来新增的视频业务量，LTE-R的频谱带宽需求约为4 MHz，目前分配给GSM-R的频谱资源即可满足其带宽需求。

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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

国家科技重大专项基金资助项目（No. 2015ZX03002008）

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

刘鹏（1992−），男，华北电力大学硕士生，主要研究方向为无线通信网络与新技术、无线通信系统频率规划等。

李伟（1984−），男，博士，国家无线电监测中心高级工程师，主要研究方向为频谱需求预测、电磁兼容分析、频谱管理技术等。

刘斌（1980−）男，国家无线电监测中心副处长、高级工程师，主要从事无线电频谱管理技术和政策研究工作，担任ITU-R和APT关于铁路无线电通信系统的WRC议题相关研究工作组主席。

王坦（1985−），男，博士，国家无线电监测中心高级工程师，主要研究方向为频率规划、频率评估和5G频率管理研究等。

耿绥燕（1966−），女，博士，华北电力大学副教授、硕士生导师，主要研究方向为毫米波MIMO无线通信信道实验与建模、UWB短距离通信技术及应用、无线通信系统链路分析等。