基于時延差異性約束的LTE-R系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測中心，北京 100037）

為了科學地規(guī)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(tǒng)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(huán)境，推導給出了LTE-R系統(tǒng)業(yè)務量的計算表達式，在業(yè)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(tǒng)的頻譜需求進行了初步預測。研究結(jié)果表明，我國LTE-R系統(tǒng)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(yè)務量，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)絡實際承載層面的工程頻率效率和基于高帶寬的視頻業(yè)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(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，我國高速鐵路及相關(guān)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。截至2016年9月，中國已經(jīng)開通高速鐵路超過20 000 km?！笆濉逼陂g，我國還將繼續(xù)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(tǒng)的語音業(yè)務、列控業(yè)務和調(diào)度業(yè)務外，未來鐵路移動通信系統(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[2]，然而，目前我國鐵路部門運營的GSM-R（GSM-railway）網(wǎng)絡的系統(tǒng)帶寬窄、業(yè)務承載能力有限、頻譜利用率低，難以承載視頻監(jiān)控等對帶寬需求較高的業(yè)務[3]，新業(yè)務產(chǎn)生的海量移動業(yè)務流量將可能產(chǎn)生一定的頻譜需求缺口。為了應對日益增長的鐵路業(yè)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(tǒng)作為下一代鐵路移動通信系統(tǒng)[4,5]。為了滿足LTE-R系統(tǒng)的用頻需求，實現(xiàn)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(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報道較少，大多數(shù)的頻譜需求研究成果主要針對IMT系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)頻譜需求帶寬進行了測算。參考文獻[7]在統(tǒng)計調(diào)研未來IMT系統(tǒng)業(yè)務量的基礎上，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測方法。參考文獻[8]針對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)量預測與用戶業(yè)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(yè)務對業(yè)務量的影響，利用參考文獻[8]的方法給出了衛(wèi)星移動業(yè)務在4~16 GHz頻段的頻譜需求結(jié)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(wǎng)絡用戶終端信干噪比（SINR）建模仿真的基礎上，結(jié)合公共保護與賑災系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)關(guān)鍵性能指標（key performance indicator，KPI）的頻譜需求預測方法，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（峰值數(shù)據(jù)速率、用戶體驗速率、區(qū)域系統(tǒng)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(tǒng)6 GHz以上與6 GHz以下的頻譜需求?？紤]到LTE-R系統(tǒng)中列車的高速移動性和業(yè)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(tǒng)的頻譜需求預測。

2015年底，國際電信聯(lián)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(tǒng)的頻譜需求研究[13]。截至目前，國際電信聯(lián)盟相關(guān)研究工作主要集中在鐵路移動通信系統(tǒng)的一般架構(gòu)、部署場景、主要應用與相關(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，提出了一種基于時延差異性約束的LTE-R系統(tǒng)頻譜需求預測方法。相比面向公眾移動通信系統(tǒng)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(tǒng)LTE-R進行頻譜需求預測，在綜合分析LTE-R系統(tǒng)的業(yè)務特征、應用場景以及服務質(zhì)量要求的基礎上，對LTE-R系統(tǒng)的服務類別和服務環(huán)境進行了定義，推導給出了LTE-R系統(tǒng)業(yè)務量的封閉表達式，在業(yè)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(tǒng)的頻譜需求，并對LTE-R系統(tǒng)工程頻譜效率與視頻業(yè)務對預測結(jié)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(tǒng)頻譜需求的預測方法是一套針對全球范圍內(nèi)的預測方法[7,13]，主要用于同時存在多種制式的IMT系統(tǒng)的頻譜需求計算。該方法綜合考慮了服務類別（service category）、服務環(huán)境（service environment）、無線電環(huán)境（radio environment）、無線接入技術(shù)組（radio access technology group）的影響，具體包括6個步驟：關(guān)鍵參數(shù)定義、業(yè)務應用與市場需求調(diào)查統(tǒng)計、業(yè)務量計算與分配、系統(tǒng)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(huán)境、無線電環(huán)境、無線接入技術(shù)組。業(yè)務方面，M.1768方法共包含20種服務類別、6種服務環(huán)境和4種無線電環(huán)境；技術(shù)方面，M.1768方法包含4種無線接入技術(shù)組。

步驟2 調(diào)查統(tǒng)計IMT系統(tǒng)的業(yè)務應用及相關(guān)參數(shù)，并將不同服務環(huán)境下的業(yè)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(huán)境下每一個服務類別的業(yè)務量需求，基于電路交換與分組交換的業(yè)務量需求應分開計算。由于每種服務環(huán)境都可以被一種或多種RATG支持，且每種RATG下存在多種無線電環(huán)境（如宏蜂窩、微蜂窩等），因此需將不同服務環(huán)境下每一個服務類別的業(yè)務量分配到各RATG的無線電環(huán)境當中。

步驟4 考慮不同服務類別的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)務量，計算不同RATG下不同無線電環(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下每種無線電環(huán)境的頻譜效率，計算得到不同RATG下不同無線電環(huán)境的頻譜需求。

步驟6 考慮到相同RATG下不同無線電環(huán)境頻率復用和系統(tǒng)部署帶寬等因素，合并調(diào)整得到每個RATG在不同服務環(huán)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(tǒng)的總頻譜需求。

2.2 LTE-R系統(tǒng)頻譜需求測算原理

針對LTE-R系統(tǒng)，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(tǒng)所承載業(yè)務的安全級別、數(shù)據(jù)速率和時延要求以及LTE-R系統(tǒng)的應用場景，重點對不同時延約束限制下的業(yè)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(tǒng)的服務類別（SC）、服務環(huán)境（SE）、無線電環(huán)境（RE）與無線接入技術(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應用，細分為33種行車相關(guān)業(yè)務、9種運營維護業(yè)務、2種公共安全業(yè)務與旅客信息共45種業(yè)務[14]。根據(jù)LTE-R系統(tǒng)對可靠性（時延）與安全性的要求，將45種業(yè)務劃分為會話類業(yè)務（含語音視頻）與數(shù)據(jù)類業(yè)務兩類。會話類業(yè)務包括語音業(yè)務與語音視頻業(yè)務，其中與調(diào)車有關(guān)的語音業(yè)務定義為Ⅰ類會話業(yè)務，無關(guān)的定義為Ⅱ類會話業(yè)務；語音視頻業(yè)務指實時的對話視頻流，對于保證比特率（GBR）的語音視頻業(yè)務定義為Ⅰ類，不保證比特率（non-GBR）的語音視頻業(yè)務定義為Ⅱ類。安全類數(shù)據(jù)業(yè)務是指與列控相關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務，非安全類數(shù)據(jù)業(yè)務是指除非會話類業(yè)務之外且與列控無關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務。根據(jù)LTE-R系統(tǒng)對服務應用的數(shù)據(jù)速率要求，將45種業(yè)務的數(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個等級。按照上述的二維分類原則，LTE-R系統(tǒng)的45種業(yè)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(tǒng)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(qū)間。每種場景承擔的角色和功能不同，其承載的應用業(yè)務也不盡相同，應用業(yè)務占用帶寬的需求也不同。根據(jù)各“點”下各“線”實際部署情況，LTE-R系統(tǒng)的服務環(huán)境可以分為9類，具體見表2。

表2 LTE-R系統(tǒng)服務環(huán)境分類

LTE-R系統(tǒng)作為鐵路運營部門的專用無線網(wǎng)絡，將承載列車調(diào)度、列車控制、視頻監(jiān)控、列車定位等全部無線業(yè)務，是未來鐵路部門唯一的無線接入技術(shù)組。因此，LTE-R系統(tǒng)將承擔鐵路部門所有的無線業(yè)務流量。此外，列車高速行駛狀態(tài)下，基站間距離很短，會導致十分頻繁的越區(qū)切換，增加通信時延，使列車通信質(zhì)量下降，同時，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LTE-R系統(tǒng)用于業(yè)務量和系統(tǒng)容量計算的每種業(yè)務的特征參數(shù)，具體包括用戶密度、進程到達率、平均進程持續(xù)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(tǒng)容量計算相關(guān)的具體參數(shù)見表3[13-17]。

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

步驟3 依據(jù)步驟2中分析統(tǒng)計得到的特征參數(shù)，計算LTE-R系統(tǒng)在不同服務環(huán)境下每種服務類別的業(yè)務量。

LTE-R系統(tǒng)為全IP網(wǎng)絡[17]，全部采用分組交換技術(shù)，業(yè)務量計算式為[7]：

步驟4 根據(jù)步驟2中分析統(tǒng)計得到的特征參數(shù)與步驟3中計算得到的業(yè)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(tǒng)在每種服務環(huán)境下需要的系統(tǒng)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(chǎn)生的時延，b表示服務類別的平均呼叫服務時間，表示系統(tǒng)中的服務類別總數(shù)，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(shù)量，M表示新呼叫排隊等待時，到達系統(tǒng)且先于該呼叫被服務的平均呼叫數(shù)量。步驟1定義的服務類別中，編號越大，優(yōu)先級越低，編號越小，優(yōu)先級越高。不同等級業(yè)務同時到達時，LTE-R系統(tǒng)優(yōu)先服務高優(yōu)先級業(yè)務，低優(yōu)先級業(yè)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(tǒng)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(tǒng)總?cè)萘?i>C，并且取3個解中大于同一服務環(huán)境下所有服務類別業(yè)務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疹悇e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(tǒng)容量的最大值即該服務環(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)萘坑嬎愀鞣窄h(huán)境下的頻譜需求，取最大值作為LTE-R系統(tǒng)的總頻譜需求。

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

在同一場景（車站、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景的頻譜需求，車站、區(qū)間、編組站與大型客站在空間上互不重疊，取以上各場景中最大的頻譜需求作為LTE-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：

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

3 LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求預測

較GSM-R系統(tǒng)而言，LTE-R系統(tǒng)將提供45種業(yè)務，依據(jù)LTE-R系統(tǒng)每種業(yè)務的速率等級和特征，將這45種業(yè)務劃分為9類服務類別SC（見表1），根據(jù)各“點”下各“線”的場景劃分方法，將LTE-R系統(tǒng)的場景劃分為9種服務環(huán)境SE（見表2），通過統(tǒng)計分析得到45種業(yè)務在9種服務環(huán)境下的用戶密度、進程到達率、平均進程持續(xù)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(huán)境下不同服務類別的上下行業(yè)務量，所得結(jié)果見表4和表5。

根據(jù)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(yè)務量，利用式（10）分別計算LTE-R系統(tǒng)在平均分組時延受限情況下的上下行容量，不同服務環(huán)境SE下的計算結(jié)果見表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)境與列車速度等因素的影響，LTE-R系統(tǒng)在不同服務環(huán)境下的頻譜效率會有所不同。依據(jù)中興通訊公司實測所得的LTE-R系統(tǒng)上下行頻譜效率（見表7）[19]，LTE-R在各服務環(huán)境下的頻譜需求計算結(jié)果如圖1所示。

利用式（12）計算得到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）對上述結(jié)果進行調(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，對計算結(jié)果進行修正得到LTE-R系統(tǒng)的頻譜需求結(jié)果見表8。

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

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

表6 平均分組時延受限條件下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在各服務環(huán)境下的頻譜需求計算結(jié)果

表8 LTE-R系統(tǒng)上下行頻譜需求帶寬（MHz）

4 關(guān)鍵因素對測算結(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，它表征單個基站承載業(yè)務吞吐量的能力。在實際網(wǎng)絡運行過程中，由于受設備滿負荷運轉(zhuǎn)、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(wǎng)絡實際承載層面的頻譜效率是在一定范圍內(nèi)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(jié)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(jù)表4、表5，利用式（10）計算得到不考慮視頻業(yè)務時的上行系統(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 頻譜效率對鐵路移動通信系統(tǒng)頻譜需求的影響

通過圖2可以看出，在LTE-R系統(tǒng)業(yè)務量、平均分組長度、時延要求等參數(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。在系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)務的影響分析

LTE-R系統(tǒng)的視頻業(yè)務主要有機車自動視頻監(jiān)控（AVDR）、特殊區(qū)域線路視頻監(jiān)控、調(diào)機視頻監(jiān)控、作業(yè)視頻監(jiān)控、列車安全視頻監(jiān)控和道岔缺口視頻監(jiān)控等業(yè)務，這些視頻業(yè)務作為LTE-R系統(tǒng)鐵路移動通信業(yè)務量的主要增長點，將會大幅增加未來鐵路移動通信系統(tǒng)的頻譜帶寬需求。視頻業(yè)務的業(yè)務量受其進程到達率、平均進程持續(xù)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(huán)境下視頻業(yè)務的業(yè)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(yè)務高進程到達率與低進程到達率的取值。

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

圖3 各場景下視頻業(yè)務進程到達率對LTE-R系統(tǒng)頻譜需求的影響分析

通過圖3可以看出，不考慮視頻業(yè)務時，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)務時，編組站場景下帶寬需求增長最為明顯，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，當前分配給GSM-R系統(tǒng)的頻譜帶寬無法滿足其需求。此外還可以發(fā)現(xiàn)，視頻業(yè)務的引入將致使LTE-R系統(tǒng)的上下行帶寬需求不對稱的特點更加顯著。

表9 視頻業(yè)務在普速編組站場景下進程到達率的取值

5 結(jié)束語

LTE-R是下一代鐵路移動通信系統(tǒng)，為了滿足LTE-R系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，一個面向鐵路下一代專用無線通信系統(tǒng)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(huán)境（SE），根據(jù)LTE-R系統(tǒng)的業(yè)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(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(tǒng)在不同服務環(huán)境下需要的系統(tǒng)頻譜需求。結(jié)果表明，我國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)絡實際承載層面的工程頻率效率和基于高帶寬的視頻業(yè)務量將是影響頻譜帶寬需求總量的兩個關(guān)鍵因素。若不考慮未來新增的視頻業(yè)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。

[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, 中國中鐵二院工程集團有限責任公司, 中國鐵道科學研究院, 等. 下一代鐵路移動通信系統(tǒng)頻率及制式研究報告[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] 中國鐵路下一代移動通信技術(shù)研究工作組. WG1-2016-001-V1.0.中國鐵路下一代移動通信系統(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LTE-R寬帶移動通信系統(tǒng)研究[J]. 鐵道通信信號, 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, 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(wǎng)絡與新技術(shù)、無線通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃等。

李偉（1984?），男，博士，國家無線電監(jiān)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(shù)等。

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

王坦（1985?），男，博士，國家無線電監(jiān)測中心高級工程師，主要研究方向為頻率規(guī)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(shù)及應用、無線通信系統(tǒng)鏈路分析等。