1.8 GHz行業運用帶寬指配技術研究

湯建東 李燕春

【摘? 要】TD-LTE以其技術和產業優勢成為無線專網寬帶技術的選擇。為了充分發揮頻譜資源使用效益，科學合理配置頻率資源，促進相關技術和產業發展，避免在頻率、臺站使用中與已有系統產生有害干擾因素，2015年2月，工業和信息化部重新發布了1785MHz—1805MHz頻段用于寬帶集群本地無線接入。無線頻率管理機構，在審核批準前，通過對頻率占用單位的業務類型、無線環境和寬帶數字集群系統承載能力進行分析，分配合理的帶寬，在滿足各申請單位的業務需求的同時提高頻率資源利用率，在技術層面把好頻率審核關。

【關鍵詞】寬帶集群通信;行業運用;頻譜管理;寬帶指配

1? ?引言

寬帶集群技術是集寬帶數據傳輸、集群語音、短數據、視頻等多媒體集群調度應用業務于一體的專網無線技術。該技術實現了各個領域數字集群通信的數字化、寬帶化的要求，利用LTE專網大帶寬、頻譜利用率高、呼叫時延短、覆蓋廣的特點，LTE數字集群專網能在智能制造、軌道交通、能源生產、智慧機場等領域提供高速、可靠的網絡保證，為智慧礦山、智慧城市的建設提供有效支撐。面對日益復雜的行業運用，無線電管理機構已無法通過經濟手段有效地約束用頻單位，這將造成1.8 GHz寬帶數字集群系統頻率資源利用率低，給無線電頻譜資源造成了極大的浪費。為充分提高頻譜資源使用效益，科學合理配置頻率資源，促進相關技術和產業發展，避免在頻率、臺站使用中與已有系統產生有害干擾，急需建立一套基于不同業務類型的容量評估體系。目前國內外相關的研究很少，且涉及知識面廣，計算過程復雜，這給無線電頻譜管理人員的專業技能提出了很大的挑戰。本論文在深入研究TD-LTE技術的基礎上，結合工程組網經驗，總結出一套適用于寬帶集群的容量評估體系，在技術層面把好頻率審核關，真正實現頻譜精細化管理機制。

2? ?寬帶集群系統帶寬指配

寬帶集群系統支持集語音、數據、視頻等多媒體集群調度應用業務于一體的專網無線技術。各話務模型估算方法差異明顯，除傳統語音點對點的呼叫外，更多的需要考慮集群呼叫帶來的點對多點的帶寬需求。而視頻、導調等大包業務則更多考慮的是上行帶寬需求，各類控制、傳感器等中小包業務則重點評估系統調度能力和時延是否滿足業務需要。因此需將不同業務類型按照ITU-RM.2377模型頻譜測算方法，結合工程實踐經驗，通過多維度的創新評估方法建立一套標準化的評估模型。利用寬帶集群B-TrunC技術系統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，頻譜管理人員可在滿足覆蓋、容量需求的前提下靈活地規劃授權帶寬，在最大程度上規避用戶間干擾，提升頻譜利用率。

2.1? 寬帶集群業務帶寬指配

寬帶集群系統承載的業務類型可劃分為語音業務（小包業務）、中包業務（圖像類）、大包業務（視頻類），將三項典型業務類型的上下行帶寬需求進行算術累加，得到系統總帶寬需求。

（1）語音業務傳輸帶寬計算

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

其中，Bvoice表示語音傳輸總帶寬，Bv-up表示上行語音傳輸帶寬，Bdown（p-p）表示下行語音點對點呼叫傳輸帶寬，Bdown（p-m）表示下行語音點對多點呼叫傳輸帶寬。

語音帶寬包括上行的點對點帶寬需求、下行點對點和下行點對多點的集群呼叫業務。

（2）數據業務傳輸的帶寬計算

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

其中，Bdata表示短數據業務傳輸總帶寬，Bdata-up表示上行短數據業務傳輸帶寬，Bdata-down表示下行短數據業務傳輸帶寬。

（3）視頻業務包括上下行數據傳輸的帶寬需求

Bmedia=Σ（Bmedia-up， Bmedia-down）? （3）

其中，Bmedia表示視頻業務傳輸總帶寬，Bmedia-up表示上行視頻業務傳輸帶寬，Bmedia-down表示下行視頻業務傳輸帶寬。

2.2? 語音集群業務帶寬指配

在集群系統語音業務帶寬計算建模時，除關注傳統的忙時單小區用戶總業務量外，重點解決集群語音呼叫中單呼、組呼和全網呼叫的比例，上下行頻譜效率的取值，計算過程如下：

（1）集群上行語音帶寬Bv-up 計算方法

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表示忙時單用戶平均呼叫次數，t表示忙時單次呼叫平均持續時間（s）。Nuser表示單小區用戶數，N是目標區域內的集群語音用戶總數，A表示覆蓋目標區域面積（km2），R表示基站覆蓋半徑（km），Qos表示服務等級，集群語音系統通常取1.5，f為激活因子，集群語音系統中通常取1，α為權重因子，β為調整因子，Φ為頻譜效率（每赫茲在單位時間內承載的比特數），即寬帶集群系統承載語音業務時的頻譜效率，它的計算方法為：

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

其中，RBn是語音調用所需的RB資源，若下行采用MCS18，1 RB對應的資源塊為376 bit，空分復用后還能翻倍，所以1個RB資源塊承載1個標清語音數據包是足夠的。BRB是一個RB資源的帶寬，取值180 000 Hz。Vp是語音包占用的比特數，12.2 k標清語音包塊大小為335 bit。T為語音包調用周期（s），VoLTE語音包調用周期為20 ms。

（2）下行點對點帶寬Bdown（p-p）計算方法

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

其中，Bdown（p-p）表示下行點對點語音通信帶寬需求，?表示寬帶集群點對點呼叫的占比，依據工程經驗取定10%。

（3）下行點對多點帶寬Bdown（p-m）計算方法

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

（8）

其中，NTrunking為組群內用戶數量。

δ是組群呼叫比例，則全網呼叫比例為1-δ，按照二八原則取值，組群呼叫占比為20%，則全網呼叫占比為80%。把公式（4）、公式（7）、公式（8）計算的上行帶寬需求代入公式（1）進行累計即可得出寬帶集群語音上下行帶寬總量。以上方法是建立在集群組呼業務分布在不同小區上，一般情況下，組呼用戶分布在多個小區內，空中接口適宜采用小區級的組播技術，即在有組用戶所在的小區建立下行共享組播信道，最大程度提高頻譜利用效率，因此需要根據行業用戶分布、站點建設規模等因素進行折算。

2.3? 窄帶數據業務帶寬指配

在行業運用中，寬帶集群系統主要承載傳感類、短信、圖像以及控制指令等信息，通過這類數據實現設備的檢測、管理和控制。這類中小包業務突發性強、分布廣、數量多，在此情況下需要從二個維度來評估系統容量能力。一方面，系統整體吞吐率是否滿足業務需求。在系統吞吐率評估時，窄帶數據業務寬帶計算過程與語音一致，主要區別在于上下行數據業務的頻譜效率變化，如子幀配比為1：3，系統帶寬為20 MHz時，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，數據上行頻譜效率約為1.3 bit/Hz，下行頻譜效率約為2.6 bit/Hz。另一方面，寬帶集群系統支持的最大并發用戶數會受到限制，雖然單用戶吞吐量低但用戶集中，這就需要分析業務模式和系統參數配置，評估出系統最大的調度能力。寬帶集群系統同時能夠調度的用戶數目受限于控制信道的可用資源數目，如PDCCH（包括PHICH、PCFICH）可用的CCE數及PDSCH和PUSCH業務信道數量。受制的因素多，計算過程復雜，以PDCCH信道調度能力為例進行簡單的評估，設系統帶寬20 MHz，上下行子幀配比為3：1，特殊子幀9：3：2，PDCCH信道調度能力如圖1所示：

（1）普通時隙

1）一般情況下，普通時隙PDCCH最多占用3個OFDM符號，則公共控制區域占用1 200×3=3 600 RE。

2）每個RB中參考信號占用4個RE，則20 MHz帶寬占用400 RE。

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

4）一般PCFICH占用4個REG，占用的RE數為4×4=16。

NCCE=（NCCN-NCRS-NPCFICH-NPHICH）/36

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

根據公式計算可用的CCE數，即CCE=（3 600-400-16-156）/36≈84，現網中PDCCH信道不僅承載用戶面資源的分配與調度，控制消息也需要占用PDCCH，上面也提到了控制消息包括系統消息、尋呼消息、PRACH接入響應、上行TPC功控命令等，實際調度的用戶數小于84個（因控制消息的CCE聚合等級為4或者8），若公共開銷比例為20%，則可用于調度的CCE數量為84×0.8≈67個（聚合等級為1）。

（2）特殊時隙

PDCCH最多占2個OFDM符號，設PHICH Group為13，則CCE=（2400-400-16-156）/36≈50;若公共開銷比例為20%，則可用的CCE為50×0.8=40個，則可調度上行、下行用戶數為34個（聚合等級為1）。

（3）整體調度能力

第3、第8時隙調度上行用戶，其它時隙調度下行用戶，則在20 ms周期內可調度用戶數為（67×3+40）×4=964個，20 ms可調度下行用戶數約為964×4/5≈771個，上行調度用戶數193個，對時延敏感的業務需綜合考慮上下行用戶數量、調度周期，利用優化系統參數的方式來解決。

2.4? 視頻業務帶寬指配

傳輸視頻需要多大的寬帶，衡量的指標主要有分辨率、幀速和視頻格式。幀速是確定每秒鐘要傳輸多大的數據，在確定分辨率和幀速的前提下，再考慮視頻文件的壓縮比，可以計算出單路傳輸所需的比特率。國內PAL活動圖像是每秒傳輸25幀，數字動態圖像是由I幀/B幀/P幀構成。其中I幀是參考幀，可以認為是一幅真實的圖像照片，B幀和P幀可簡單地理解為預測幀，主要是圖像的增量變化數據，數據量一般較小，極限情況下，25幀均為I幀，即每幀傳輸的圖像完全不同。在視頻監控應用中，由于有固定場景，多數以傳輸增量數據為主（傳輸以B幀和P幀為主），一般在10%～40%，40%為變化較多的會議場景。以720P高清圖像為例，每個圖像用24比特表示，則720P（1 280×720）單幅圖像照片的數據量為：