TD-SCDMA集群通信系統會話類業務模型分析

李 強，于 游，孫瑞杰，李偉博

（重慶郵電大學 信號與信息處理重慶重點實驗室，重慶 400065）

0 引言

話務模型包括用戶行為和業務模型，用戶行為的研究主要是預測通信系統可以提供哪些業務、每種業務的用戶使用率、用戶使用業務的頻繁程度和用戶分布密度等；而業務模型則主要是從數據傳輸的角度來分析的，每種業務具有怎樣的容量特性，用戶使用某業務時期望的服務質量等。由于業務類型的變化日新月異以及模型的準確性將直接影響到網絡規模和設備需求的估算，因此需要對話務模型進行專門研究和分析。

集群系統[1]主要用作調度通信，以單工或半雙工通信方式為主，用戶的話務模型和服務質量等級與針對個人用戶服務的公眾蜂窩移動通信系統有所不同。因此不能照搬公眾蜂窩移動通信系統話務模型分析的方式來分析集群通信系統。本文在分析語音業務和可視電話業務特性的基礎上，針對TD-SCDMA集群系統（下面簡稱“TD集群系統”）的會話類業務進行建模分析。同時，還提出一種分析TD集群系統會話類業務容量的改進坎貝爾（Campbell）算法，有效地描述不同業務對TD集群系統容量的影響。

1 TD集群會話類業務用戶行為分析

語音和可視電話屬于實時會話類業務[2]，主要的QoS特性是較小的延時容限和上下行對稱的數據速率。會話類業務主要包括語音業務和可視電話業務。語音業務仍然是TD集群系統中最主要的業務，有兩種主要類型[3]：一是支持單工或半雙工PTT按下講話式的調度呼叫業務，支持一對—私密呼叫和—對多的組呼；二是雙工通話的電話互聯呼叫業務，支持移動用戶之間、移動用戶與公共電話網或專用電話網用戶之間的通信。而移動可視電話業務是一種集圖像、語音于一體的多媒體通信業務，目前主要通過電路域（CS）承載來實現[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）業務的行為特性。對于移動可視電話業務，目前還沒有成熟的商用網絡經驗參數，但在TD集群系統上仍然有很廣闊的應用前景。

1.1 業務分布特性分析

通信系統一般按話務的疏密程度將不同的區域進行分類，一般分布情況見表1。

表1 業務分布

1.2 容量目標和業務服務質量等級

參考現有集群網絡的話務數據可以確定各類區域的容量目標，參考數據如表2所示。對于各類區域的用戶數可以由運營商根據建網目標、各區域面積和原有集群網絡用戶密度來確定。對于會話類業務，反映性能的主要指標為網絡擁塞率，表3列出了各類區域使用某個業務所期望的服務等級。

表2 系統容量規劃

表3 不同地區使用某業務時期望的服務質量

1.3 時延

集群系統主要應用于政府、公安、交通等特殊部門或行業專網中，常用來處理一些緊急的事務，因此對時延的要求很高。語音和可視電話業務的時延要求如表4所示，其中可視電話的呼叫時延是參考公眾蜂窩通信系統得到的。

表4 會話業務時延特性

1.4 業務占用系統資源需求

在TD-SCDMA系統中，一個信道是載波、時隙與擴頻碼的組合，也稱一個基本資源單位（BRU）[6]。一個載頻所能提供的最大BRU數是固定的，而不同業務占用的BRU個數則不同。表5是根據TD-SCDMA無線資源分配原理，上下行時隙分配為3∶3時，得出的會話類業務的資源占用情況。

表5 單業務資源占用表

2 TD集群語音和可視電話混合業務模型

2.1 集群通信系統信道分配方式

集群通信系統的信道分配方式可分為信息集群、發射集群和準發射集群3種[7]。信息集群是指雙方在通話過程中始終占用同一個信道（信道的保留時間一般為2 s），直至通話結束釋放PTT鍵。這種方式的無線信道不能被充分利用，效率較低。發射集群是用戶每次發話時按下PTT鍵，系統為其分配一個信道，只要用戶釋放發話鍵，系統將立即收回該信道。也就是說，在整個通話過程中，用戶所使用的不一定是同一個話音信道。這種方式優點是避免了信道資源浪費的現象，提高了信道利用率。缺點是會導致通話出現不連續和不完整[8]。而準傳輸集群兼顧了上述兩種集群方式的優點，在傳輸集群方式的基礎上，增加了每次松開PTT開關時信道的保留時間（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集群會話業務的用戶平均話務量分析

TD集群系統的調度呼叫業務采用的是隊列機制，即呼叫等待制。當話務信道全忙時，新發起的呼叫進入排隊系統，當信道空閑后，按照FIFO的原則為呼叫申請分配信道。等待制系統比呼損制系統的信道利用率高，用戶的平均話務量也不同，容量計算方法也不相同。而電話互連呼叫業務和可視電話與蜂窩移動通信系統相同。

TD集群的調度呼叫業務的話務量模型一般為：一個典型的調度通話由4個半雙工傳輸組成，移動臺A發射4 s，移動臺B回答4 s，兩個用戶各通話2次，通話時間共計為16 s，忙時呼叫次數為1.2次。針對發射集群、準發射集群和信息集群3種集群方式，系統的平均話務量可分別取值為0.0054 Erl，0.006 Erl和0.0094 Erl。如果網絡規劃從嚴要求，也可根據實際情況進行調整。TD集群調度呼叫用戶的平均忙時話務量可取值為0.0075 Erl[9]。

對于電話互聯呼叫業務，可以參考公眾蜂窩通信系統話音業務的平均話務量。用戶忙時話務量一般為0.01～0.03 Erl，具體數值需針對不同區域、不同用戶群分別預測。

由于可視電話業務還沒有成熟的商用網絡經驗參數，每用戶忙時話務量按照語音業務忙時話務量的5%～10%估算。

TD集群會話類業務忙時話務量的數據見表6，表中的業務滲透率是指經常使用該業務的用戶占總用戶數的比例；用戶比例是用戶業務通信量占整個系統業務量比例，與業務滲透率以及用戶在忙時實際使用各種業務的比例有關[9-10]。

表6 TD集群會話業務忙時話務量

2.3 單基站需要承載的會話業務量

基站所承載的話務量與用戶密度、基站覆蓋面積、業務用戶比例等參數有關，其參考取值見表7。

表7 單基站需要承載的會話業務量

2.4 TD集群混合業務容量特性分析

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

2.4.1 坎貝爾算法

3G網絡多業務并存，不同業務的承載速率和所需Eb/No是不同的，對系統負載產生的影響也不同。坎貝爾算法在綜合考慮所有業務的基礎上，構造了一個等效的業務（也被稱為“中間業務”或“虛擬業務”），計算系統提供該業務的信道數和總的等效業務話務量，然后得到混合業務的容量。坎貝爾法計算式如下

其中，Ai表示第i種業務的話務量；ai表示第i種業務的單用戶負載；c表示虛擬業務的容量因子；OfferedTraffic表示單用戶的虛擬話務量。

2.4.2 改進的坎貝爾法算法

坎貝爾算法綜合考慮了混合業務系統中各種業務量的大小以及不同業務占用信道資源的情況，計算精度比較高。由于TD集群系統針對不同業務采用了不同的呼損制度，如調度業務采用等待制，電話互聯業務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務的容量需求特性，并且當以不同業務做衡量時會得到不同的容量需求。針對上述情況，本文對坎貝爾算法進行了改進，改進后算法步驟如下：

1）按照每種業務的用戶比例計算實際的業務話務量；

2）電話互聯業務和可視電話業務采用的是呼損制，按照等效業務算法計算這兩種業務混合后的虛擬業務話務量；由于可視電話業務在會話類業務中業務量只占了很小一部分，虛擬業務話務量以電話互聯業務做衡量基準來計算虛擬業務的容量需求；

3）按照條件呼損概率計算調度業務的容量需求；

4）最后通過將不同業務所需容量相加，得到會話類業務的容量需求。

2.4.3 改進坎貝爾算法的應用

1）業務實際話務量

以一般市區為例說明改進坎貝爾算法的應用，根據表7可得調度業務話務量為2.8461 Erl，電話互聯業務話務量為3.2436 Erl，可視電話話務量為0.0318 Erl。按表5可知語音業務每次連接需要2個BRU，可視電話每次連接需要8個BRU。

2）電話互聯業務以及可視電話業務混合虛擬業務話務量，計算如下

以電話互聯業務為基準來計算虛擬業務的容量需求，參考表3得到一般市區的集群系統要求的呼損率為2%，再按照Erlang-B[11]公式得到虛擬業務需要的容量為8個連接，則所需容量為2.2×8+2≈20個BRU。

3）調度業務的容量需求

對于調度業務的容量需求的計算，按照Erlang-C[11]公式，調度業務2.8461 Erl需要8個連接，所需的容量為8×2=16個BRU。

4）會話類業務的容量需求

由上述分析結果，可得到會話類業務的容量需求為20+16=36個BRU。

2.5 改進坎貝爾算法對會話類業務容量的估算

根據會話業務的話務量，查詢Erlang-B表和Er?lang-C表[11]，可得會話類業務所需BRU數量，從而求得基站需要的載波數量。會話類業務容量估算表見表8。

表8 會話類業務容量估算表

3 小結及展望

本文從用戶行為和業務模型兩個方面分析了TD集群會話類業務的話務模型。從業務類型、業務特性、集群用戶分布特點、業務資源數需求等方面描述了TD集群用戶的行為特性。在分析不同類型會話類業務話務量的基礎上，再根據用戶比例而不是單純使用了文獻[5-6]的業務滲透率來分析基站處的會話類業務量，并采用改進的坎貝爾算法估計出混合業務的容量。

隨著我國自主研發的TD-SCDMA系統設備的日趨成熟和成功的商業運營，在TD-SCDMA的基礎上實現數字集群移動通信系統已成為國內通信專家和通信設備制造商的研究熱點。TD-SCDMA技術和集群技術的結合不僅能滿足集群語音業務的特殊要求，還可承載可視電話及多媒體分組業務，但目前的研究還處于關鍵技術的攻堅和試驗網階段，沒有實現真正的商業運營。而業務模型的建立需要對現網的數據進行大量的分析統計才能完成，因此混合業務的話務模型還沒有語音業務那樣的經典模型參數，容量估算的算法仍然需要不斷地發展和改進。隨著TD集群技術的發展和業務的使用，其業務模型中的各種業務話務量及業務滲透率等參數將會更準確，業務模型也將更完善。

[1] 唐宏，何春燕，吳財生，等.TD-SCDMA集群系統切換研究[J].電視技術，2010，34（11）：86-89.

[2] 3GPP TS 23.107 V9.0.0，Technical specification group services and system aspects；quality of service（QoS）concept and architecture[S].2009.

[3] 鄭祖輝，陸錦華，丁銳，等.數字集群移動通信系統[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] YD/T 1511-2007.2GHz TD-SCDMA/WCDMA，數字蜂窩移動通信網電路域可視電話業務技術要求[S].2007.

[5] 季亞屏.公安集群移動通信技術介紹（一）[J].警察技術，2002（6）：37-43.

[6] 段紅光，畢敏，羅一靜.TD-SCDMA第三代移動通信系統協議體系與信令流程[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[7] 馮錫山，趙冬梅，張維鋼.集群無線通信系統話務工程計算機模擬[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[8] 劉陽，楊宜.數字集群通信網共網設計[J].郵電設計技術，2003（7）：1-8.

[9] 王兵.四川省數字集群移動通信網的網絡規劃[J].移動通信，2002，26（4）：55-58.

[10] 朱東照，羅建迪，汪丁鼎，等.TD-SCDMA無線網絡規劃設計與優化[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[11] 馮錫生，趙冬梅，張維剛.集群無線通信系統話務工程計算機模擬[M].北京：中國鐵道出版社，1994.