1.8 GHz行业运用带宽指配技术研究

汤建东 李燕春

【摘  要】TD-LTE以其技术和产业优势成为无线专网宽带技术的选择。为了充分发挥频谱资源使用效益，科学合理配置频率资源，促进相关技术和产业发展，避免在频率、台站使用中与已有系统产生有害干扰因素，2015年2月，工业和信息化部重新发布了1785MHz—1805MHz频段用于宽带集群本地无线接入。无线频率管理机构，在审核批准前，通过对频率占用单位的业务类型、无线环境和宽带数字集群系统承载能力进行分析，分配合理的带宽，在满足各申请单位的业务需求的同时提高频率资源利用率，在技术层面把好频率审核关。

【关键词】宽带集群通信;行业运用;频谱管理;宽带指配

1   引言

宽带集群技术是集宽带数据传输、集群语音、短数据、视频等多媒体集群调度应用业务于一体的专网无线技术。该技术实现了各个领域数字集群通信的数字化、宽带化的要求，利用LTE专网大带宽、频谱利用率高、呼叫时延短、覆盖广的特点，LTE数字集群专网能在智能制造、轨道交通、能源生产、智慧机场等领域提供高速、可靠的网络保证，为智慧矿山、智慧城市的建设提供有效支撑。面对日益复杂的行业运用，无线电管理机构已无法通过经济手段有效地约束用频单位，这将造成1.8 GHz宽带数字集群系统频率资源利用率低，给无线电频谱资源造成了极大的浪费。为充分提高频谱资源使用效益，科学合理配置頻率资源，促进相关技术和产业发展，避免在频率、台站使用中与已有系统产生有害干扰，急需建立一套基于不同业务类型的容量评估体系。目前国内外相关的研究很少，且涉及知识面广，计算过程复杂，这给无线电频谱管理人员的专业技能提出了很大的挑战。本论文在深入研究TD-LTE技术的基础上，结合工程组网经验，总结出一套适用于宽带集群的容量评估体系，在技术层面把好频率审核关，真正实现频谱精细化管理机制。

2   宽带集群系统带宽指配

宽带集群系统支持集语音、数据、视频等多媒体集群调度应用业务于一体的专网无线技术。各话务模型估算方法差异明显，除传统语音点对点的呼叫外，更多的需要考虑集群呼叫带来的点对多点的带宽需求。而视频、导调等大包业务则更多考虑的是上行带宽需求，各类控制、传感器等中小包业务则重点评估系统调度能力和时延是否满足业务需要。因此需将不同业务类型按照ITU-RM.2377模型频谱测算方法，结合工程实践经验，通过多维度的创新评估方法建立一套标准化的评估模型。利用宽带集群B-TrunC技术系统带宽灵活可变的特性，在1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz等可变带宽内，频谱管理人员可在满足覆盖、容量需求的前提下灵活地规划授权带宽，在最大程度上规避用户间干扰，提升频谱利用率。

2.1  宽带集群业务带宽指配

宽带集群系统承载的业务类型可划分为语音业务（小包业务）、中包业务（图像类）、大包业务（视频类），将三项典型业务类型的上下行带宽需求进行算术累加，得到系统总带宽需求。

（1）语音业务传输带宽计算

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

其中，Bvoice表示语音传输总带宽，Bv-up表示上行语音传输带宽，Bdown（p-p）表示下行语音点对点呼叫传输带宽，Bdown（p-m）表示下行语音点对多点呼叫传输带宽。

语音带宽包括上行的点对点带宽需求、下行点对点和下行点对多点的集群呼叫业务。

（2）数据业务传输的带宽计算

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

其中，Bdata表示短数据业务传输总带宽，Bdata-up表示上行短数据业务传输带宽，Bdata-down表示下行短数据业务传输带宽。

（3）视频业务包括上下行数据传输的带宽需求

Bmedia=Σ（Bmedia-up， Bmedia-down）  （3）

其中，Bmedia表示视频业务传输总带宽，Bmedia-up表示上行视频业务传输带宽，Bmedia-down表示下行视频业务传输带宽。

2.2  语音集群业务带宽指配

在集群系统语音业务带宽计算建模时，除关注传统的忙时单小区用户总业务量外，重点解决集群语音呼叫中单呼、组呼和全网呼叫的比例，上下行频谱效率的取值，计算过程如下：

（1）集群上行语音带宽Bv-up 计算方法

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表示忙时单用户平均呼叫次数，t表示忙时单次呼叫平均持续时间（s）。Nuser表示单小区用户数，N是目标区域内的集群语音用户总数，A表示覆盖目标区域面积（km2），R表示基站覆盖半径（km），Qos表示服务等级，集群语音系统通常取1.5，f为激活因子，集群语音系统中通常取1，α为权重因子，β为调整因子，Φ为频谱效率（每赫兹在单位时间内承载的比特数），即宽带集群系统承载语音业务时的频谱效率，它的计算方法为：

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

其中，RBn是语音调用所需的RB资源，若下行采用MCS18，1 RB对应的资源块为376 bit，空分复用后还能翻倍，所以1个RB资源块承载1个标清语音数据包是足够的。BRB是一个RB资源的带宽，取值180 000 Hz。Vp是语音包占用的比特数，12.2 k标清语音包块大小为335 bit。T为语音包调用周期（s），VoLTE语音包调用周期为20 ms。

（2）下行点对点带宽Bdown（p-p）计算方法

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

其中，Bdown（p-p）表示下行点对点语音通信带宽需求，?表示宽带集群点对点呼叫的占比，依据工程经验取定10%。

（3）下行点对多点带宽Bdown（p-m）计算方法

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

（8）

其中，NTrunking为组群内用户数量。

δ是组群呼叫比例，则全网呼叫比例为1-δ，按照二八原则取值，组群呼叫占比为20%，则全网呼叫占比为80%。把公式（4）、公式（7）、公式（8）计算的上行带宽需求代入公式（1）进行累计即可得出宽带集群语音上下行带宽总量。以上方法是建立在集群组呼业务分布在不同小区上，一般情况下，组呼用户分布在多个小区内，空中接口适宜采用小区级的组播技术，即在有组用户所在的小区建立下行共享组播信道，最大程度提高频谱利用效率，因此需要根据行业用户分布、站点建设规模等因素进行折算。

2.3  窄带数据业务带宽指配

在行业运用中，宽带集群系统主要承载传感类、短信、图像以及控制指令等信息，通过这类数据实现设备的检测、管理和控制。这类中小包业务突发性强、分布广、数量多，在此情况下需要从二个维度来评估系统容量能力。一方面，系统整体吞吐率是否满足业务需求。在系统吞吐率评估时，窄带数据业务宽带计算过程与语音一致，主要区别在于上下行数据业务的频谱效率变化，如子帧配比为1：3，系统带宽为20 MHz时，则上行峰值速率约为26.29 Mb/s，下行峰值速率约为44.27 Mb/s，数据上行频谱效率约为1.3 bit/Hz，下行频谱效率约为2.6 bit/Hz。另一方面，宽带集群系统支持的最大并发用户数会受到限制，虽然单用户吞吐量低但用户集中，这就需要分析业务模式和系统参数配置，评估出系统最大的调度能力。宽带集群系统同时能够调度的用户数目受限于控制信道的可用资源数目，如PDCCH（包括PHICH、PCFICH）可用的CCE数及PDSCH和PUSCH业务信道数量。受制的因素多，计算过程复杂，以PDCCH信道调度能力为例进行简单的评估，设系统带宽20 MHz，上下行子帧配比为3：1，特殊子帧9：3：2，PDCCH信道调度能力如图1所示：

（1）普通时隙

1）一般情况下，普通时隙PDCCH最多占用3个OFDM符号，则公共控制区域占用1 200×3=3 600 RE。

2）每个RB中参考信号占用4个RE，则20 MHz带宽占用400 RE。

3）PHICH Group=Ng×（100/8）（整数，取上限），设Ng=1，则PHICH Group=13，每个PHICH Group有3个REG，则占用RE总数为13×3×4=156。

4）一般PCFICH占用4个REG，占用的RE數为4×4=16。

NCCE=（NCCN-NCRS-NPCFICH-NPHICH）/36

其中，NCCE为可用CCE总数，NCCN为PDCCH占用的符号数，NCRS为参考信号CRS占用的符号数，NPCFICH为PCFICH信道占用的符号数，NPHICH为PHICH信道占用的符号数。

根据公式计算可用的CCE数，即CCE=（3 600-400-16-156）/36≈84，现网中PDCCH信道不仅承载用户面资源的分配与调度，控制消息也需要占用PDCCH，上面也提到了控制消息包括系统消息、寻呼消息、PRACH接入响应、上行TPC功控命令等，实际调度的用户数小于84个（因控制消息的CCE聚合等级为4或者8），若公共开销比例为20%，则可用于调度的CCE数量为84×0.8≈67个（聚合等级为1）。

（2）特殊时隙

PDCCH最多占2个OFDM符号，设PHICH Group为13，则CCE=（2400-400-16-156）/36≈50;若公共开销比例为20%，则可用的CCE为50×0.8=40个，则可调度上行、下行用户数为34个（聚合等级为1）。

（3）整体调度能力

第3、第8时隙调度上行用户，其它时隙调度下行用户，则在20 ms周期内可调度用户数为（67×3+40）×4=964个，20 ms可调度下行用户数约为964×4/5≈771个，上行调度用户数193个，对时延敏感的业务需综合考虑上下行用户数量、调度周期，利用优化系统参数的方式来解决。

2.4  视频业务带宽指配

传输视频需要多大的宽带，衡量的指标主要有分辨率、帧速和视频格式。帧速是确定每秒钟要传输多大的数据，在确定分辨率和帧速的前提下，再考虑视频文件的压缩比，可以计算出单路传输所需的比特率。国内PAL活动图像是每秒传输25帧，数字动态图像是由I帧/B帧/P帧构成。其中I帧是参考帧，可以认为是一幅真实的图像照片，B帧和P帧可简单地理解为预测帧，主要是图像的增量变化数据，数据量一般较小，极限情况下，25帧均为I帧，即每帧传输的图像完全不同。在视频监控应用中，由于有固定场景，多数以传输增量数据为主（传输以B帧和P帧为主），一般在10%～40%，40%为变化较多的会议场景。以720P高清图像为例，每个图像用24比特表示，则720P（1 280×720）单幅图像照片的数据量为：