TD-SCDMA集群通信系統(tǒng)會(huì)話類業(yè)務(wù)模型分析

李 強(qiáng)，于 游，孫瑞杰，李偉博

（重慶郵電大學(xué) 信號(hào)與信息處理重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

0 引言

話務(wù)模型包括用戶行為和業(yè)務(wù)模型，用戶行為的研究主要是預(yù)測(cè)通信系統(tǒng)可以提供哪些業(yè)務(wù)、每種業(yè)務(wù)的用戶使用率、用戶使用業(yè)務(wù)的頻繁程度和用戶分布密度等；而業(yè)務(wù)模型則主要是從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葋矸治龅模糠N業(yè)務(wù)具有怎樣的容量特性，用戶使用某業(yè)務(wù)時(shí)期望的服務(wù)質(zhì)量等。由于業(yè)務(wù)類型的變化日新月異以及模型的準(zhǔn)確性將直接影響到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和設(shè)備需求的估算，因此需要對(duì)話務(wù)模型進(jìn)行專門研究和分析。

集群系統(tǒng)[1]主要用作調(diào)度通信，以單工或半雙工通信方式為主，用戶的話務(wù)模型和服務(wù)質(zhì)量等級(jí)與針對(duì)個(gè)人用戶服務(wù)的公眾蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)有所不同。因此不能照搬公眾蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)話務(wù)模型分析的方式來分析集群通信系統(tǒng)。本文在分析語音業(yè)務(wù)和可視電話業(yè)務(wù)特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)TD-SCDMA集群系統(tǒng)（下面簡(jiǎn)稱“TD集群系統(tǒng)”）的會(huì)話類業(yè)務(wù)進(jìn)行建模分析。同時(shí)，還提出一種分析TD集群系統(tǒng)會(huì)話類業(yè)務(wù)容量的改進(jìn)坎貝爾（Campbell）算法，有效地描述不同業(yè)務(wù)對(duì)TD集群系統(tǒng)容量的影響。

1 TD集群會(huì)話類業(yè)務(wù)用戶行為分析

語音和可視電話屬于實(shí)時(shí)會(huì)話類業(yè)務(wù)[2]，主要的QoS特性是較小的延時(shí)容限和上下行對(duì)稱的數(shù)據(jù)速率。會(huì)話類業(yè)務(wù)主要包括語音業(yè)務(wù)和可視電話業(yè)務(wù)。語音業(yè)務(wù)仍然是TD集群系統(tǒng)中最主要的業(yè)務(wù)，有兩種主要類型[3]：一是支持單工或半雙工PTT按下講話式的調(diào)度呼叫業(yè)務(wù)，支持一對(duì)—私密呼叫和—對(duì)多的組呼；二是雙工通話的電話互聯(lián)呼叫業(yè)務(wù)，支持移動(dòng)用戶之間、移動(dòng)用戶與公共電話網(wǎng)或?qū)Ｓ秒娫捑W(wǎng)用戶之間的通信。而移動(dòng)可視電話業(yè)務(wù)是一種集圖像、語音于一體的多媒體通信業(yè)務(wù)，目前主要通過電路域（CS）承載來實(shí)現(xiàn)[4]，具有恒定比特速率特征，但用戶在使用上也有著類似分組域（PS）業(yè)務(wù)的行為特性。對(duì)于移動(dòng)可視電話業(yè)務(wù)，目前還沒有成熟的商用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但在TD集群系統(tǒng)上仍然有很廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 業(yè)務(wù)分布特性分析

通信系統(tǒng)一般按話務(wù)的疏密程度將不同的區(qū)域進(jìn)行分類，一般分布情況見表1。

表1 業(yè)務(wù)分布

1.2 容量目標(biāo)和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)

參考現(xiàn)有集群網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)數(shù)據(jù)可以確定各類區(qū)域的容量目標(biāo)，參考數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)于各類區(qū)域的用戶數(shù)可以由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)建網(wǎng)目標(biāo)、各區(qū)域面積和原有集群網(wǎng)絡(luò)用戶密度來確定。對(duì)于會(huì)話類業(yè)務(wù)，反映性能的主要指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)擁塞率，表3列出了各類區(qū)域使用某個(gè)業(yè)務(wù)所期望的服務(wù)等級(jí)。

表2 系統(tǒng)容量規(guī)劃

表3 不同地區(qū)使用某業(yè)務(wù)時(shí)期望的服務(wù)質(zhì)量

1.3 時(shí)延

集群系統(tǒng)主要應(yīng)用于政府、公安、交通等特殊部門或行業(yè)專網(wǎng)中，常用來處理一些緊急的事務(wù)，因此對(duì)時(shí)延的要求很高。語音和可視電話業(yè)務(wù)的時(shí)延要求如表4所示，其中可視電話的呼叫時(shí)延是參考公眾蜂窩通信系統(tǒng)得到的。

表4 會(huì)話業(yè)務(wù)時(shí)延特性

1.4 業(yè)務(wù)占用系統(tǒng)資源需求

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，一個(gè)信道是載波、時(shí)隙與擴(kuò)頻碼的組合，也稱一個(gè)基本資源單位（BRU）[6]。一個(gè)載頻所能提供的最大BRU數(shù)是固定的，而不同業(yè)務(wù)占用的BRU個(gè)數(shù)則不同。表5是根據(jù)TD-SCDMA無線資源分配原理，上下行時(shí)隙分配為3∶3時(shí)，得出的會(huì)話類業(yè)務(wù)的資源占用情況。

表5 單業(yè)務(wù)資源占用表

2 TD集群語音和可視電話混合業(yè)務(wù)模型

2.1 集群通信系統(tǒng)信道分配方式

集群通信系統(tǒng)的信道分配方式可分為信息集群、發(fā)射集群和準(zhǔn)發(fā)射集群3種[7]。信息集群是指雙方在通話過程中始終占用同一個(gè)信道（信道的保留時(shí)間一般為2 s），直至通話結(jié)束釋放PTT鍵。這種方式的無線信道不能被充分利用，效率較低。發(fā)射集群是用戶每次發(fā)話時(shí)按下PTT鍵，系統(tǒng)為其分配一個(gè)信道，只要用戶釋放發(fā)話鍵，系統(tǒng)將立即收回該信道。也就是說，在整個(gè)通話過程中，用戶所使用的不一定是同一個(gè)話音信道。這種方式優(yōu)點(diǎn)是避免了信道資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，提高了信道利用率。缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致通話出現(xiàn)不連續(xù)和不完整[8]。而準(zhǔn)傳輸集群兼顧了上述兩種集群方式的優(yōu)點(diǎn)，在傳輸集群方式的基礎(chǔ)上，增加了每次松開PTT開關(guān)時(shí)信道的保留時(shí)間（一般為0.5～1 s）。這種方式信道利用率比傳輸集群要低，但保證了通話的完整性。

2.2 TD集群會(huì)話業(yè)務(wù)的用戶平均話務(wù)量分析

TD集群系統(tǒng)的調(diào)度呼叫業(yè)務(wù)采用的是隊(duì)列機(jī)制，即呼叫等待制。當(dāng)話務(wù)信道全忙時(shí)，新發(fā)起的呼叫進(jìn)入排隊(duì)系統(tǒng)，當(dāng)信道空閑后，按照FIFO的原則為呼叫申請(qǐng)分配信道。等待制系統(tǒng)比呼損制系統(tǒng)的信道利用率高，用戶的平均話務(wù)量也不同，容量計(jì)算方法也不相同。而電話互連呼叫業(yè)務(wù)和可視電話與蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相同。

TD集群的調(diào)度呼叫業(yè)務(wù)的話務(wù)量模型一般為：一個(gè)典型的調(diào)度通話由4個(gè)半雙工傳輸組成，移動(dòng)臺(tái)A發(fā)射4 s，移動(dòng)臺(tái)B回答4 s，兩個(gè)用戶各通話2次，通話時(shí)間共計(jì)為16 s，忙時(shí)呼叫次數(shù)為1.2次。針對(duì)發(fā)射集群、準(zhǔn)發(fā)射集群和信息集群3種集群方式，系統(tǒng)的平均話務(wù)量可分別取值為0.0054 Erl，0.006 Erl和0.0094 Erl。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃從嚴(yán)要求，也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。TD集群調(diào)度呼叫用戶的平均忙時(shí)話務(wù)量可取值為0.0075 Erl[9]。

對(duì)于電話互聯(lián)呼叫業(yè)務(wù)，可以參考公眾蜂窩通信系統(tǒng)話音業(yè)務(wù)的平均話務(wù)量。用戶忙時(shí)話務(wù)量一般為0.01～0.03 Erl，具體數(shù)值需針對(duì)不同區(qū)域、不同用戶群分別預(yù)測(cè)。

由于可視電話業(yè)務(wù)還沒有成熟的商用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，每用戶忙時(shí)話務(wù)量按照語音業(yè)務(wù)忙時(shí)話務(wù)量的5%～10%估算。

TD集群會(huì)話類業(yè)務(wù)忙時(shí)話務(wù)量的數(shù)據(jù)見表6，表中的業(yè)務(wù)滲透率是指經(jīng)常使用該業(yè)務(wù)的用戶占總用戶數(shù)的比例；用戶比例是用戶業(yè)務(wù)通信量占整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量比例，與業(yè)務(wù)滲透率以及用戶在忙時(shí)實(shí)際使用各種業(yè)務(wù)的比例有關(guān)[9-10]。

表6 TD集群會(huì)話業(yè)務(wù)忙時(shí)話務(wù)量

2.3 單基站需要承載的會(huì)話業(yè)務(wù)量

基站所承載的話務(wù)量與用戶密度、基站覆蓋面積、業(yè)務(wù)用戶比例等參數(shù)有關(guān)，其參考取值見表7。

表7 單基站需要承載的會(huì)話業(yè)務(wù)量

2.4 TD集群混合業(yè)務(wù)容量特性分析

計(jì)算業(yè)務(wù)容量的方法主要有等效愛爾蘭法、后愛爾蘭法、坎貝爾（Campbell）法和隨機(jī)背包算法4種[10]。由于TD集群系統(tǒng)所支持的業(yè)務(wù)特性不完全相同，因此不能采用上述的方法對(duì)TD集群會(huì)話業(yè)務(wù)容量進(jìn)行分析。本文提出了一種新的建模方法——改進(jìn)的坎貝爾算法。

2.4.1 坎貝爾算法

3G網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)并存，不同業(yè)務(wù)的承載速率和所需Eb/No是不同的，對(duì)系統(tǒng)負(fù)載產(chǎn)生的影響也不同。坎貝爾算法在綜合考慮所有業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了一個(gè)等效的業(yè)務(wù)（也被稱為“中間業(yè)務(wù)”或“虛擬業(yè)務(wù)”），計(jì)算系統(tǒng)提供該業(yè)務(wù)的信道數(shù)和總的等效業(yè)務(wù)話務(wù)量，然后得到混合業(yè)務(wù)的容量。坎貝爾法計(jì)算式如下

其中，Ai表示第i種業(yè)務(wù)的話務(wù)量；ai表示第i種業(yè)務(wù)的單用戶負(fù)載；c表示虛擬業(yè)務(wù)的容量因子；OfferedTraffic表示單用戶的虛擬話務(wù)量。

2.4.2 改進(jìn)的坎貝爾法算法

坎貝爾算法綜合考慮了混合業(yè)務(wù)系統(tǒng)中各種業(yè)務(wù)量的大小以及不同業(yè)務(wù)占用信道資源的情況，計(jì)算精度比較高。由于TD集群系統(tǒng)針對(duì)不同業(yè)務(wù)采用了不同的呼損制度，如調(diào)度業(yè)務(wù)采用等待制，電話互聯(lián)業(yè)務(wù)及可視電話則采用呼損制，使用坎貝爾算法則無法精確描述不同業(yè)務(wù)的容量需求特性，并且當(dāng)以不同業(yè)務(wù)做衡量時(shí)會(huì)得到不同的容量需求。針對(duì)上述情況，本文對(duì)坎貝爾算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后算法步驟如下：

1）按照每種業(yè)務(wù)的用戶比例計(jì)算實(shí)際的業(yè)務(wù)話務(wù)量；

2）電話互聯(lián)業(yè)務(wù)和可視電話業(yè)務(wù)采用的是呼損制，按照等效業(yè)務(wù)算法計(jì)算這兩種業(yè)務(wù)混合后的虛擬業(yè)務(wù)話務(wù)量；由于可視電話業(yè)務(wù)在會(huì)話類業(yè)務(wù)中業(yè)務(wù)量只占了很小一部分，虛擬業(yè)務(wù)話務(wù)量以電話互聯(lián)業(yè)務(wù)做衡量基準(zhǔn)來計(jì)算虛擬業(yè)務(wù)的容量需求；

3）按照條件呼損概率計(jì)算調(diào)度業(yè)務(wù)的容量需求；

4）最后通過將不同業(yè)務(wù)所需容量相加，得到會(huì)話類業(yè)務(wù)的容量需求。

2.4.3 改進(jìn)坎貝爾算法的應(yīng)用

1）業(yè)務(wù)實(shí)際話務(wù)量

以一般市區(qū)為例說明改進(jìn)坎貝爾算法的應(yīng)用，根據(jù)表7可得調(diào)度業(yè)務(wù)話務(wù)量為2.8461 Erl，電話互聯(lián)業(yè)務(wù)話務(wù)量為3.2436 Erl，可視電話話務(wù)量為0.0318 Erl。按表5可知語音業(yè)務(wù)每次連接需要2個(gè)BRU，可視電話每次連接需要8個(gè)BRU。

2）電話互聯(lián)業(yè)務(wù)以及可視電話業(yè)務(wù)混合虛擬業(yè)務(wù)話務(wù)量，計(jì)算如下

以電話互聯(lián)業(yè)務(wù)為基準(zhǔn)來計(jì)算虛擬業(yè)務(wù)的容量需求，參考表3得到一般市區(qū)的集群系統(tǒng)要求的呼損率為2%，再按照Erlang-B[11]公式得到虛擬業(yè)務(wù)需要的容量為8個(gè)連接，則所需容量為2.2×8+2≈20個(gè)BRU。

3）調(diào)度業(yè)務(wù)的容量需求

對(duì)于調(diào)度業(yè)務(wù)的容量需求的計(jì)算，按照Erlang-C[11]公式，調(diào)度業(yè)務(wù)2.8461 Erl需要8個(gè)連接，所需的容量為8×2=16個(gè)BRU。

4）會(huì)話類業(yè)務(wù)的容量需求

由上述分析結(jié)果，可得到會(huì)話類業(yè)務(wù)的容量需求為20+16=36個(gè)BRU。

2.5 改進(jìn)坎貝爾算法對(duì)會(huì)話類業(yè)務(wù)容量的估算

根據(jù)會(huì)話業(yè)務(wù)的話務(wù)量，查詢Erlang-B表和Er?lang-C表[11]，可得會(huì)話類業(yè)務(wù)所需BRU數(shù)量，從而求得基站需要的載波數(shù)量。會(huì)話類業(yè)務(wù)容量估算表見表8。

表8 會(huì)話類業(yè)務(wù)容量估算表

3 小結(jié)及展望

本文從用戶行為和業(yè)務(wù)模型兩個(gè)方面分析了TD集群會(huì)話類業(yè)務(wù)的話務(wù)模型。從業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)特性、集群用戶分布特點(diǎn)、業(yè)務(wù)資源數(shù)需求等方面描述了TD集群用戶的行為特性。在分析不同類型會(huì)話類業(yè)務(wù)話務(wù)量的基礎(chǔ)上，再根據(jù)用戶比例而不是單純使用了文獻(xiàn)[5-6]的業(yè)務(wù)滲透率來分析基站處的會(huì)話類業(yè)務(wù)量，并采用改進(jìn)的坎貝爾算法估計(jì)出混合業(yè)務(wù)的容量。

隨著我國自主研發(fā)的TD-SCDMA系統(tǒng)設(shè)備的日趨成熟和成功的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，在TD-SCDMA的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)已成為國內(nèi)通信專家和通信設(shè)備制造商的研究熱點(diǎn)。TD-SCDMA技術(shù)和集群技術(shù)的結(jié)合不僅能滿足集群語音業(yè)務(wù)的特殊要求，還可承載可視電話及多媒體分組業(yè)務(wù)，但目前的研究還處于關(guān)鍵技術(shù)的攻堅(jiān)和試驗(yàn)網(wǎng)階段，沒有實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。而業(yè)務(wù)模型的建立需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的分析統(tǒng)計(jì)才能完成，因此混合業(yè)務(wù)的話務(wù)模型還沒有語音業(yè)務(wù)那樣的經(jīng)典模型參數(shù)，容量估算的算法仍然需要不斷地發(fā)展和改進(jìn)。隨著TD集群技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)的使用，其業(yè)務(wù)模型中的各種業(yè)務(wù)話務(wù)量及業(yè)務(wù)滲透率等參數(shù)將會(huì)更準(zhǔn)確，業(yè)務(wù)模型也將更完善。

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