1.8 GHz行業(yè)運(yùn)用帶寬指配技術(shù)研究

湯建東 李燕春

【摘? 要】TD-LTE以其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)成為無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)寬帶技術(shù)的選擇。為了充分發(fā)揮頻譜資源使用效益，科學(xué)合理配置頻率資源，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，避免在頻率、臺(tái)站使用中與已有系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾因素，2015年2月，工業(yè)和信息化部重新發(fā)布了1785MHz—1805MHz頻段用于寬帶集群本地?zé)o線接入。無(wú)線頻率管理機(jī)構(gòu)，在審核批準(zhǔn)前，通過(guò)對(duì)頻率占用單位的業(yè)務(wù)類(lèi)型、無(wú)線環(huán)境和寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)承載能力進(jìn)行分析，分配合理的帶寬，在滿(mǎn)足各申請(qǐng)單位的業(yè)務(wù)需求的同時(shí)提高頻率資源利用率，在技術(shù)層面把好頻率審核關(guān)。

【關(guān)鍵詞】寬帶集群通信;行業(yè)運(yùn)用;頻譜管理;寬帶指配

1? ?引言

寬帶集群技術(shù)是集寬帶數(shù)據(jù)傳輸、集群語(yǔ)音、短數(shù)據(jù)、視頻等多媒體集群調(diào)度應(yīng)用業(yè)務(wù)于一體的專(zhuān)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)領(lǐng)域數(shù)字集群通信的數(shù)字化、寬帶化的要求，利用LTE專(zhuān)網(wǎng)大帶寬、頻譜利用率高、呼叫時(shí)延短、覆蓋廣的特點(diǎn)，LTE數(shù)字集群專(zhuān)網(wǎng)能在智能制造、軌道交通、能源生產(chǎn)、智慧機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域提供高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)保證，為智慧礦山、智慧城市的建設(shè)提供有效支撐。面對(duì)日益復(fù)雜的行業(yè)運(yùn)用，無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)已無(wú)法通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段有效地約束用頻單位，這將造成1.8 GHz寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)頻率資源利用率低，給無(wú)線電頻譜資源造成了極大的浪費(fèi)。為充分提高頻譜資源使用效益，科學(xué)合理配置頻率資源，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，避免在頻率、臺(tái)站使用中與已有系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾，急需建立一套基于不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的容量評(píng)估體系。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究很少，且涉及知識(shí)面廣，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，這給無(wú)線電頻譜管理人員的專(zhuān)業(yè)技能提出了很大的挑戰(zhàn)。本論文在深入研究TD-LTE技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程組網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套適用于寬帶集群的容量評(píng)估體系，在技術(shù)層面把好頻率審核關(guān)，真正實(shí)現(xiàn)頻譜精細(xì)化管理機(jī)制。

2? ?寬帶集群系統(tǒng)帶寬指配

寬帶集群系統(tǒng)支持集語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等多媒體集群調(diào)度應(yīng)用業(yè)務(wù)于一體的專(zhuān)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)。各話務(wù)模型估算方法差異明顯，除傳統(tǒng)語(yǔ)音點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的呼叫外，更多的需要考慮集群呼叫帶來(lái)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的帶寬需求。而視頻、導(dǎo)調(diào)等大包業(yè)務(wù)則更多考慮的是上行帶寬需求，各類(lèi)控制、傳感器等中小包業(yè)務(wù)則重點(diǎn)評(píng)估系統(tǒng)調(diào)度能力和時(shí)延是否滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需要。因此需將不同業(yè)務(wù)類(lèi)型按照ITU-RM.2377模型頻譜測(cè)算方法，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)多維度的創(chuàng)新評(píng)估方法建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估模型。利用寬帶集群B-TrunC技術(shù)系統(tǒng)帶寬靈活可變的特性，在1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz等可變帶寬內(nèi)，頻譜管理人員可在滿(mǎn)足覆蓋、容量需求的前提下靈活地規(guī)劃授權(quán)帶寬，在最大程度上規(guī)避用戶(hù)間干擾，提升頻譜利用率。

2.1? 寬帶集群業(yè)務(wù)帶寬指配

寬帶集群系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型可劃分為語(yǔ)音業(yè)務(wù)（小包業(yè)務(wù)）、中包業(yè)務(wù)（圖像類(lèi)）、大包業(yè)務(wù)（視頻類(lèi)），將三項(xiàng)典型業(yè)務(wù)類(lèi)型的上下行帶寬需求進(jìn)行算術(shù)累加，得到系統(tǒng)總帶寬需求。

（1）語(yǔ)音業(yè)務(wù)傳輸帶寬計(jì)算

Bvoice=Σ（Bv-up， Bdown（p-p）， Bdown（p-m））? （1）

其中，Bvoice表示語(yǔ)音傳輸總帶寬，Bv-up表示上行語(yǔ)音傳輸帶寬，Bdown（p-p）表示下行語(yǔ)音點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫傳輸帶寬，Bdown（p-m）表示下行語(yǔ)音點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)呼叫傳輸帶寬。

語(yǔ)音帶寬包括上行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)帶寬需求、下行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和下行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的集群呼叫業(yè)務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膸捰?jì)算

Bdata=Σ（Bdata-up， Bdata-down）? ? ? ?（2）

其中，Bdata表示短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸總帶寬，Bdata-up表示上行短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸帶寬，Bdata-down表示下行短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸帶寬。

（3）視頻業(yè)務(wù)包括上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨?/p>

Bmedia=Σ（Bmedia-up， Bmedia-down）? （3）

其中，Bmedia表示視頻業(yè)務(wù)傳輸總帶寬，Bmedia-up表示上行視頻業(yè)務(wù)傳輸帶寬，Bmedia-down表示下行視頻業(yè)務(wù)傳輸帶寬。

2.2? 語(yǔ)音集群業(yè)務(wù)帶寬指配

在集群系統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)帶寬計(jì)算建模時(shí)，除關(guān)注傳統(tǒng)的忙時(shí)單小區(qū)用戶(hù)總業(yè)務(wù)量外，重點(diǎn)解決集群語(yǔ)音呼叫中單呼、組呼和全網(wǎng)呼叫的比例，上下行頻譜效率的取值，計(jì)算過(guò)程如下：

（1）集群上行語(yǔ)音帶寬Bv-up 計(jì)算方法

Bv-up=（VBHCA×f×Nuser×Qos）/（Vkbps×1 000×3 600×Φ）×α×β

（4）

Nuser=A/1.95×R2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

其中，VBHCA=n×t，n表示忙時(shí)單用戶(hù)平均呼叫次數(shù)，t表示忙時(shí)單次呼叫平均持續(xù)時(shí)間（s）。Nuser表示單小區(qū)用戶(hù)數(shù)，N是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的集群語(yǔ)音用戶(hù)總數(shù)，A表示覆蓋目標(biāo)區(qū)域面積（km2），R表示基站覆蓋半徑（km），Qos表示服務(wù)等級(jí)，集群語(yǔ)音系統(tǒng)通常取1.5，f為激活因子，集群語(yǔ)音系統(tǒng)中通常取1，α為權(quán)重因子，β為調(diào)整因子，Φ為頻譜效率（每赫茲在單位時(shí)間內(nèi)承載的比特?cái)?shù)），即寬帶集群系統(tǒng)承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)的頻譜效率，它的計(jì)算方法為：

Φ=（Vp×T）/（RBn×BRB）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

其中，RBn是語(yǔ)音調(diào)用所需的RB資源，若下行采用MCS18，1 RB對(duì)應(yīng)的資源塊為376 bit，空分復(fù)用后還能翻倍，所以1個(gè)RB資源塊承載1個(gè)標(biāo)清語(yǔ)音數(shù)據(jù)包是足夠的。BRB是一個(gè)RB資源的帶寬，取值180 000 Hz。Vp是語(yǔ)音包占用的比特?cái)?shù)，12.2 k標(biāo)清語(yǔ)音包塊大小為335 bit。T為語(yǔ)音包調(diào)用周期（s），VoLTE語(yǔ)音包調(diào)用周期為20 ms。

（2）下行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)帶寬Bdown（p-p）計(jì)算方法

Bdown（p-p）= ?×Bv-up? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

其中，Bdown（p-p）表示下行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)語(yǔ)音通信帶寬需求，?表示寬帶集群點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫的占比，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取定10%。

（3）下行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)帶寬Bdown（p-m）計(jì)算方法

Bdown（p-m）={（1-θ）×Bv-up×{δ×（NTrunking/Nuser）+（1-δ）}+1}×δ×n

（8）

其中，NTrunking為組群內(nèi)用戶(hù)數(shù)量。

δ是組群呼叫比例，則全網(wǎng)呼叫比例為1-δ，按照二八原則取值，組群呼叫占比為20%，則全網(wǎng)呼叫占比為80%。把公式（4）、公式（7）、公式（8）計(jì)算的上行帶寬需求代入公式（1）進(jìn)行累計(jì)即可得出寬帶集群語(yǔ)音上下行帶寬總量。以上方法是建立在集群組呼業(yè)務(wù)分布在不同小區(qū)上，一般情況下，組呼用戶(hù)分布在多個(gè)小區(qū)內(nèi)，空中接口適宜采用小區(qū)級(jí)的組播技術(shù)，即在有組用戶(hù)所在的小區(qū)建立下行共享組播信道，最大程度提高頻譜利用效率，因此需要根據(jù)行業(yè)用戶(hù)分布、站點(diǎn)建設(shè)規(guī)模等因素進(jìn)行折算。

2.3? 窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬指配

在行業(yè)運(yùn)用中，寬帶集群系統(tǒng)主要承載傳感類(lèi)、短信、圖像以及控制指令等信息，通過(guò)這類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的檢測(cè)、管理和控制。這類(lèi)中小包業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng)、分布廣、數(shù)量多，在此情況下需要從二個(gè)維度來(lái)評(píng)估系統(tǒng)容量能力。一方面，系統(tǒng)整體吞吐率是否滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求。在系統(tǒng)吞吐率評(píng)估時(shí)，窄帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶計(jì)算過(guò)程與語(yǔ)音一致，主要區(qū)別在于上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的頻譜效率變化，如子幀配比為1：3，系統(tǒng)帶寬為20 MHz時(shí)，則上行峰值速率約為26.29 Mb/s，下行峰值速率約為44.27 Mb/s，數(shù)據(jù)上行頻譜效率約為1.3 bit/Hz，下行頻譜效率約為2.6 bit/Hz。另一方面，寬帶集群系統(tǒng)支持的最大并發(fā)用戶(hù)數(shù)會(huì)受到限制，雖然單用戶(hù)吞吐量低但用戶(hù)集中，這就需要分析業(yè)務(wù)模式和系統(tǒng)參數(shù)配置，評(píng)估出系統(tǒng)最大的調(diào)度能力。寬帶集群系統(tǒng)同時(shí)能夠調(diào)度的用戶(hù)數(shù)目受限于控制信道的可用資源數(shù)目，如PDCCH（包括PHICH、PCFICH）可用的CCE數(shù)及PDSCH和PUSCH業(yè)務(wù)信道數(shù)量。受制的因素多，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，以PDCCH信道調(diào)度能力為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)估，設(shè)系統(tǒng)帶寬20 MHz，上下行子幀配比為3：1，特殊子幀9：3：2，PDCCH信道調(diào)度能力如圖1所示：

（1）普通時(shí)隙

1）一般情況下，普通時(shí)隙PDCCH最多占用3個(gè)OFDM符號(hào)，則公共控制區(qū)域占用1 200×3=3 600 RE。

2）每個(gè)RB中參考信號(hào)占用4個(gè)RE，則20 MHz帶寬占用400 RE。

3）PHICH Group=Ng×（100/8）（整數(shù)，取上限），設(shè)Ng=1，則PHICH Group=13，每個(gè)PHICH Group有3個(gè)REG，則占用RE總數(shù)為13×3×4=156。

4）一般PCFICH占用4個(gè)REG，占用的RE數(shù)為4×4=16。

NCCE=（NCCN-NCRS-NPCFICH-NPHICH）/36

其中，NCCE為可用CCE總數(shù)，NCCN為PDCCH占用的符號(hào)數(shù)，NCRS為參考信號(hào)CRS占用的符號(hào)數(shù)，NPCFICH為PCFICH信道占用的符號(hào)數(shù)，NPHICH為PHICH信道占用的符號(hào)數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)算可用的CCE數(shù)，即CCE=（3 600-400-16-156）/36≈84，現(xiàn)網(wǎng)中PDCCH信道不僅承載用戶(hù)面資源的分配與調(diào)度，控制消息也需要占用PDCCH，上面也提到了控制消息包括系統(tǒng)消息、尋呼消息、PRACH接入響應(yīng)、上行TPC功控命令等，實(shí)際調(diào)度的用戶(hù)數(shù)小于84個(gè)（因控制消息的CCE聚合等級(jí)為4或者8），若公共開(kāi)銷(xiāo)比例為20%，則可用于調(diào)度的CCE數(shù)量為84×0.8≈67個(gè)（聚合等級(jí)為1）。

（2）特殊時(shí)隙

PDCCH最多占2個(gè)OFDM符號(hào)，設(shè)PHICH Group為13，則CCE=（2400-400-16-156）/36≈50;若公共開(kāi)銷(xiāo)比例為20%，則可用的CCE為50×0.8=40個(gè)，則可調(diào)度上行、下行用戶(hù)數(shù)為34個(gè)（聚合等級(jí)為1）。

（3）整體調(diào)度能力

第3、第8時(shí)隙調(diào)度上行用戶(hù)，其它時(shí)隙調(diào)度下行用戶(hù)，則在20 ms周期內(nèi)可調(diào)度用戶(hù)數(shù)為（67×3+40）×4=964個(gè)，20 ms可調(diào)度下行用戶(hù)數(shù)約為964×4/5≈771個(gè)，上行調(diào)度用戶(hù)數(shù)193個(gè)，對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)需綜合考慮上下行用戶(hù)數(shù)量、調(diào)度周期，利用優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)的方式來(lái)解決。

2.4? 視頻業(yè)務(wù)帶寬指配

傳輸視頻需要多大的寬帶，衡量的指標(biāo)主要有分辨率、幀速和視頻格式。幀速是確定每秒鐘要傳輸多大的數(shù)據(jù)，在確定分辨率和幀速的前提下，再考慮視頻文件的壓縮比，可以計(jì)算出單路傳輸所需的比特率。國(guó)內(nèi)PAL活動(dòng)圖像是每秒傳輸25幀，數(shù)字動(dòng)態(tài)圖像是由I幀/B幀/P幀構(gòu)成。其中I幀是參考幀，可以認(rèn)為是一幅真實(shí)的圖像照片，B幀和P幀可簡(jiǎn)單地理解為預(yù)測(cè)幀，主要是圖像的增量變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量一般較小，極限情況下，25幀均為I幀，即每幀傳輸?shù)膱D像完全不同。在視頻監(jiān)控應(yīng)用中，由于有固定場(chǎng)景，多數(shù)以傳輸增量數(shù)據(jù)為主（傳輸以B幀和P幀為主），一般在10%～40%，40%為變化較多的會(huì)議場(chǎng)景。以720P高清圖像為例，每個(gè)圖像用24比特表示，則720P（1 280×720）單幅圖像照片的數(shù)據(jù)量為：