评估未来联邦陆地移动无线电系统的替代方案

本页特意留空 替代未来联邦陆地移动无线电系统评估 金凯·贝尔纳德·琼斯 罗伯特·马修森 爱德华·德罗塞拉 格雷·帕特里克 戴维·安德森 美国商务部 卡洛斯·M·古铁雷斯部长 梅雷迪思·A·贝克代理通信与信息助理部长 2007年12月 本页特意留空 执行摘要 2003年5月，布什总统成立了频谱政策倡议计划，旨在推动制定和实施21世纪的美国频谱政策。为响应频谱政策倡议计划，商 mại部长成立了联邦政府频谱工作组，并启动了一系列公共会议，以讨论影响联邦政府、州和地方政府以及私营部门频谱使用的政策。2004年6月，商 mại部长发布了包含这些活动所产生建议的两份报告。2004年11月，总统指示联邦机构制定实施报告中建议的计划。其中一项建议要求国家电信和信息管理局（NTIA）制定分析方法、软件工具和工程技术，用于评估和改进联邦频谱使用的效率与效果。 为评估联邦频谱使用效率，美国国家电信和信息管理局（NTIA）进行了一项研究，比较了几种采用集群无线电技术的替代陆地移动无线电（LMR）系统架构所使用的频谱资源与当前传统LMR系统所使用的频谱资源。这项研究考虑了华盛顿特区的162-174 MHz联邦LMR频段。NTIA选择华盛顿特区是因为它代表了一个频谱拥挤的环境，选择162-174 MHz频段是因为它代表了使用最广泛的联邦陆地移动频率频段。 LMR系统采用常规和/或集群方式运行。常规LMR系统为特定用户组分配单个信道（射频信道），该组用户共享该信道。由于常规LMR系统中的无线电设备在单个信道上收发，如果信道被其他用户占用，用户必须等待。集群技术是一项成熟的技术，允许大量用户共享相对较少的信道。与常规LMR技术不同，集群允许自动共享多个信道。集群系统动态地为移动用户分配可用信道的接入权限。目前，大多数联邦机构使用162-174 MHz频段的常规LMR系统。然而，一些机构正在部署集群LMR系统。 NTIA研究报告提出了三种替代性的集群式LMR系统架构。这三种系统架构的区别在于与集群式系统基站相关联的服务区域大小。服务区域是指基站支持与移动用户进行无线电通信的区域。NTIA考虑了三种系统架构。第一种系统架构在整个覆盖区域内使用大服务区域（仅大服务区域）。第二种系统架构结合了中服务区域（用户高度集中）和大服务区域（用户中等或低度集中）（大中服务区域混合）。第三种系统架构是大服务区域和小服务区域的组合，其中小服务区域用于用户高度集中（大小服务区域重叠）。NTIA还考虑了三种联邦机构参与水平的潜在方案：30%的机构参与代表当前传统LMR系统联邦用户的部分参与；100%的机构参与代表当前传统LMR系统联邦用户的完全参与；以及300%的机构参与代表联邦用户未来的扩展使用。这三种系统架构与三种机构参与水平相结合，提供了九种独特的集群场景。NTIA研究了在100英里覆盖范围内每种集群场景。 以华盛顿特区为中心的区域。由美国国家电信和信息管理局（NTIA）电信科学研究所（ITS）进行的GMF频率分配数据和信道占用测量，使NTIA能够为每个基站的服务区域推导出以厄尔兰为单位的业务量水平。这些业务量水平为确定不同中继场景所需的信道数量（频谱需求）提供了依据。NTIA根据162-174 MHz频段内的12.5 kHz信道间隔，以及联邦通信委员会（FCC）为LMR系统采用的70英里（113千米）频率复用距离标准，为每个中继场景制定了频谱需求。下表总结了本研究中考虑的九种中继场景各自所需的频率分配数量。 截至2002年11月，GMF在华盛顿特区100英里半径范围内，于162-174 MHz频段内特定地点的基站关联了524个频率分配。这524个频率分配不包括区域频率分配（例如，基站不限于特定位置）或其他非LMR频率分配（例如，气象频道）。如上表所示，九种集群场景的频率需求远低于目前传统LMR系统在特定地点基站所使用的524个频率分配。本研究中包含的集群场景的频率需求还考虑了额外的信道使用，以支持应急情况和未来的增长，如300%的机构参与水平所示。 对于100%的代理参与水平，仅限大服务区系统需要GMF中的约32%或524个频率中的166个，大约37 大型中服务区混合系统需要百分之一百九十四或194个，而大型小服务区重叠系统则需要大约百分之三十八或200个。由于机构参与率为百分之三十和百分之三百的水平与现有用户并不直接对应，因此NTIA无法从GMF中确定传统LMR系统所需的实际频段数量，也无法在这两个水平上对集群LMR系统的频段需求进行直接比较。然而，与现有传统LMR系统所需的频段数量相比，对于机构参与率为百分之三十和百分之三百的水平，所有三种集群系统架构所需的频段都更少。 报告得出结论， trunked LMR 系统比传统 LMR 系统使用的频谱资源更少。此外，由于可用信道的共享效率更高，服务大量用户的 trunked LMR 系统比服务少量用户的 trunked LMR系统在频谱效率上更高。在本研究中，与参与率为 30% 时使用的频数相比，在参与率达到 100% 时，每个频率的用户数量增加了 2.5 倍；在参与率达到 300% 时，每个频率的用户数量增加了 4.7 倍。 该报告还得出结论，在用户高度集中的地区合理设计基站频率使用是获得高频复用率的关键考虑因素。这种复用减少了必要的频谱资源。如果在美国首都地区实施共享中继LMR系统，NTIA认为162-174 MHz频段将有足够的频率，通过适当的频率复用方案支持更多用户。例如，机构参与率达到300%（即当前用户数的3倍）需要大约30%的该频段960个可分配的12.5 kHz信道。由联邦机构共享的中继LMR系统将是一种更有效利用162-174 MHz频段的方法。 如报告所示，与单个传统LMR系统相比，共享干线路由LMR系统可以被设计为使用更少的频谱资源，同时仍能满足相同的服务等级要求（呼叫阻塞概率和呼叫等待时间）。因此，可以在保持相同运营效率水平的同时提高频谱效率。 本报告研究了假设性的LMR系统设计，并未提供详细的设计规范。相反，报告比较了替代型集群LMR系统设计与传统LMR系统所使用的频谱资源。尽管本研究仅针对华盛顿特区的162-174 MHz LMR频段，但NTIA认为本报告中提出的方法论可应用于频谱拥挤的其他LMR频段。 本页特意留空 目录 i执行摘要 目录表目录图例列表术语表和定义第一部分 简介1.1 背景 1-11.2 目标 1-2 vi Ⅶ - 1 1 2-1第二节 未来替代性物流管理系统设计方法 2.12-12.22-12.2.12-22.2.22-3干路技术基础使用专网无线电系统的理由中继无线电系统中的频谱效率**干线无线电系统特点** 2.42-52.4.12-62.4.22-72.4.32-72.4.42-8替代型集线器LMR系统的设计方法学平均信号容量图设计频道占用率服务区域定义信道需求方法学 3-1第三节LMR系统替代未来设计方案 3.2 初始频率要求 3-133.3 设计概述与分析 3-173.3.1 概要表 3-17 附录A 骨干网效率与混合系统 A-1第四部分 结论 表目录 表 2-1.样例中继 LMR 系统尺寸计算 ........................................................................... 2-10 表A-1.忙时平均呼叫尝试次数和平均通话时长统计数据................................................. A-1 图例列表 图 2-1.转接无线电系统的典型配置 ................................................................................. 2-2 图A-1. 总线式无线电网络规划........................................................ A-5 术语表和定义 天线相对于自由零分贝增益的分贝增益平均信号容量 ASC基站 BS控制信道 CCH载干比 C/I设计信道占用率 DCO分贝 dB分贝毫瓦 dBm微伏每米dBV/m联邦通信委员会 FCC政府主文件 GMF网络业务等级 Gn业务等级 GoS电信科学研究所 ITS千赫 kHz千米 km陆地移动无线电 LMR兆赫 MHz网络管理系统 NMS网络运营中心 NOC国家海洋和大气管理局 NOAA国家电信和信息管理局 NTIA公共安全通信官员协会 P25 国际项目25 PCS个人通信服务 PSTN公共安全无线顾问委员会 PSWAC公共安全无线网络 PSWN一键通 PTT反向信道功率控制 RCPC无线电频谱测量系统 RSMS接收 RX信号容量 SC信号容量分析程序 SCAP业务信道 TCH发射 TX甚高频 VHF（30至300兆赫）微伏每米V/m 本页特意留空 第一部分 简介 1.1 背景 国家电信与信息管理局（NTIA）是美国政府负责制定和阐述国内外电信政策的执行机构。NTIA是总统在涉及国家经济和技术发展以及电信行业监管的电信政策方面的主要顾问。因此，NTIA开展研究工作，就电信政策提出建议，并向国会、联邦通信委员会（FCC）及公众阐述政府部门的电信事务立场。此外，NTIA还负责管理联邦无线电频谱的使用。 2003年5月，布什总统成立了频谱政策倡议计划，旨在推动制定和实施21世纪的美国频谱政策。为响应频谱政策倡议计划，商务部长成立了一个联邦政府频谱工作组，并启动了一系列公共会议，以讨论影响联邦政府、州和地方政府以及私营部门频谱使用的政策。这些活动产生的建议被包含在商务部长于2004年6月发布的两份报告中。1 2004年11月，总统指示联邦机构制定计划，以实施报告中包含的建议。2 其中一项建议要求NTIA（国家电信和信息管理局）制定分析方法、软件工具和工程技术，用于评估和改进联邦频谱使用的效率与效果。 正如频谱政策倡议报告中所讨论的，无线电频谱是联邦政府执行国会授权任务所使用的关键资源。频谱的有效利用是获得可用频谱最大利用率的基础之一。美国联邦通信委员会（NTIA）和联邦机构认识到，满足地面移动无线电（LMR）频段日益增长的频谱需求的主要方式是采用更频谱高效的技术的。例如，为响应国会立法，NTIA制定了一项计划，该计划为重新分配162-174 MHz和406.1-420 MHz的联邦LMR频段选择了12.5 kHz的信道宽度，从而有效地将可用信道数量增加了一倍。3 除了发射机性能标准外，NTIA还采用了LMR接收机性能标准。 为提高频谱效率而研发系统。4 本报告评估了在联邦陆地移动无线电（LMR）频段中使用集群无线电技术以提高频谱效率的情况。 1.2 目标 本报告旨在比较采用 trunked radio 技术的几种替代 LMR 系统设计所使用的频谱资源与当前传统 LMR 系统所使用的频谱资源，以确定提高联邦政府运营频谱效率的方法。 1.3 方法 本报告所呈现的研究使用了先前两个NTIA研究的成果。首项研究创建了政府主文件（GMF）在162-174 MHz频段内、华盛顿特区100英里半径范围内的频率分配数据库。NTIA选择华盛顿特区大都会地区，因为它代表了一个频谱拥挤的环境，并选择162-174 MHz频段，因为它代表了联邦陆地移动频率中使用最密集的频段。作为首项研究的一部分，NTIA开发了一个称为平均信号容量（ASC）的指标，用于评估在162-174 MHz频段内运行的基站的地域覆盖能力。第二项研究使用现场测量来表征162-174 MHz频段内联邦陆地移动频道的使用情况。本报告中的研究利用先前两项研究的成果，推导出设计替代共享骨干陆地移动系统所需的地理覆盖和话务量等级规范（以厄尔兰为单位），这些系统旨在以更高效的频谱方式提供与传统陆地移动系统相同性能和覆盖水平。 为评估和提升联邦频