數字集群通信系統的接入分析與容量估算

郭俊利

（河北遠東通信系統工程有限公司，河北石家莊050200）

0 引言

TETRA數字集群以其優良的可用性和豐富的功能成為專用無線通信（PMR）領域的主流和熱點。國內TETRA網絡在建設初期用戶數量較少，往往有很大的系統余量，在進行系統設計時對容量規劃缺少足夠重視。隨著網內用戶的增加，如何準確估算系統容量，控制和節約系統建設和運行成本成為現實的問題。由于缺乏專業的理論分析和成熟的工程方法，一般的做法是參照移動電話系統的容量規劃策略進行估算，誤差較大。移動電話系統的業務比較單一，而PMR的業務和功能要豐富的多，系統操作具有自身特點，影響PMR容量規劃的關鍵因素與移動電話系統存在許多差別。下面從業務統計模型、組呼業務與電話業務的歸一化處理、隨機接入對系統容量的影響、業務處理模型等方面對TETRA系統容量估算問題做一簡要探討。

1 TETRA的業務處理模型

在移動電話系統中，用戶對接入過程造成的損失和時延的容忍度比較高，在容量規劃中一般不考慮接入性能的影響;在數字集群通信系統中，系統服務等級（GoS）對呼損和延時高度敏感，是一個不能忽視的問題。數字集群對系統可用性的要求也遠高于移動電話系統，必須保障高優先級用戶在極端話務量條件下也能正常通信，對于一般用戶，在系統規劃的話務量強度下也不能采取明顯呼損制進行服務。

無線通信系統中移動終端要經常主動向系統發送消息，這種發送是一種隨機事件，這個發送過程就是隨機接入過程，在覆蓋區內當發送沒有沖突時，系統就能正確接收到這個信息（由于捕獲效應，部分沖突發送也能被正確接收）。TETRA系統中這些隨機接入都是在主控信道（MCCH）的上行突發中進行的，MCCH的隨機接入信道是任何用戶接入系統的必然起點，MCCH被一個基站下的所有用戶終端共享，該信道的吞吐能力是決定系統容量的第一個瓶頸。

MCCH的隨機接入信道承載著呼叫請求（包括組呼、單呼和電話業務）、短數據（SDS）、狀態信息（包括緊急告警信息）、組附著管理、移動性管理以及注冊管理等多種消息。在這些消息中，呼叫請求需要分配業務信道，稱作語音接入;其他消息用作管理和控制，不需要分配業務信道，稱作控制接入。受到隨機接入消息幀長的限制，有些消息不能一次發送完畢，系統收到這些消息的接入請求后，會在隨后的接入信道上預留一個或多個接入時隙用于剩余消息的發送，這些預留時隙不會發生接入沖突，但占用接入帶寬，降低了接入信道的能力，對系統的容量會產生影響。在圖1的業務處理模型中，消息處理模塊對接入處理模塊的反饋通路表示出了預留接入時隙對隨機接入過程的影響，預留時隙的數量正比于相關原始消息的數量。

呼叫請求等業務接入消息是產生話務量的根源，這些消息被處理后進行業務信道的分配。TETRA系統的信道分配采用等待制策略，當呼叫來臨時，如果信道資源滿足本次呼叫請求需要，系統將分配資源并建立通話;如果信道資源不能滿足本次呼叫的需要，本次呼叫將被放入等待隊列，直到所需資源具備后系統才分配資源并建立呼叫。因此，計算系統的話務容量時應該使用Erlang C公式。

根據以上分析，圖1給出了單基站TETRA系統的業務處理模型，這個模型反映了隨機接入吞吐率和業務信道分配策略兩個因素對系統容量的影響。

圖1 業務處理模型

圖1的模型是對單基站系統的描述，了解了單基站的情況，對于多基站的情況，應用現代話務量理論和概率論工具是不難解決的。

2 TETRA系統的業務統計模型及話務量計算

業務模型用來表示呼叫分布規律、呼叫頻度、呼叫持續時間等特征，進行系統容量計算時話務模型及其參數是統計話務量的重要依據，業務模型的建立首先需要分析系統的業務特點，TETRA系統的業務特點主要表現在如下方面:

·以組呼業務為主，組呼是一對多的半雙工通信，一次組呼包含多次發射;

·支持一對一的私密呼叫，私密呼叫可以是雙工，也可以是半雙工業務;

·支持與PLMN類似的全雙工電話業務;

·平均呼叫持續時間很短;

·通話具有多個優先級;

·通話建立時，如果不具備無線資源，呼叫進行排隊等候;

·短數據業務占用MCCH的帶寬，其到達率對系統隨機接入能力會造成影響;

·轉換用戶組時需要向系統報告，轉換頻率對系統的隨機接入能力會造成影響;

·越區切換是由終端發起，移動性管理消息到達率會影響系統隨機接入能力。

通過對上述業務特點歸納出表1和表2的業務模型參數，表1是需要分配業務信道的語音參數。

表1 業務模型參數（語音業務）

TETRA系統中為了保證語音業務的正常操作和組呼業務的特殊需求，用戶終端還需要許多附加業務，如移動性管理和組管理，這些操作對系統的容量同樣會造成影響，表2給出了相應的業務模型參數。表中的參數取值來自于軌道交通應用的忙時統計結果。

根據TETRA協議的規定，表1列出的參數都對應終端的隨機接入事件，其中部分隨機接入需要占用預留接入子時隙，相關的接入時間及所需預留時隙的數量分別為:開機注冊2個預留，小區重選2個預留，組依附1個預留，私密呼叫1個預留，電話互聯1個預留，60字節短數據消息4個預留。

表2 業務模型參數（控制業務）

根據上述業務模型參數可以分別計算出如下系統忙時參數:每個用戶的忙時接入次數為17.397，平均忙時呼叫次數為10.9，平均通話時長為8.6s，平均忙時話務量為0.024Erl。這一模型表明了集群系統的特點:平均呼叫次數多，平均通話時長短。忙時接入次數是所有終端的隨機接入次數，與接入信道的容量有關，忙時平均呼叫次數是忙時接入次數的一部分，與話務量有關，產生對業務信道的需求。

下面將通過這一業務模型參數來計算單控制信道基站的接入容量，以及在達到系統最大接入容量且條件呼損B2=0.1（即10%用戶需要排隊等待服務）時的業務信道配置及平均等待時長。

3 接入分析及接入容量

TETRA標準的空中協議規定，MCCH位于第一個載頻的第一時隙，物理信道結構按復幀循環重復，周期為1.02s，每個復幀包含18個幀，每幀包含一個MCCH時隙，每個MCCH時隙又被分為2個子時隙，因此，在一個1.02s周期內共有36個原始接入時機。

根據建立的處理模型，接入信道中傳輸兩類消息，一類是隨機接入消息（包含重發消息），一類是預留接入消息（非隨機消息）。從給出的話務模型參數可以計算出一個小時內隨機接入的平均次數為17.397，需要的預留接入時隙為4.4個，隨機接入時隙比例為（17.397－4.4）/17.397=74.7%，MCCH上行信道的隨機接入時機為36×74.7%=26.89個。

TETRA系統采用時隙ALOHA隨機接入協議，在移動通信網中，一般情況下都假設接入消息的到達服從泊松分布，根據已知理論，一個消息包成功發送的概率為:

接入信道的平均通過量為:

式中，P為成功發送概率，S為平均吞吐率，G為信道負荷率（包含重發負荷）。

S的最大值為1/e，約0.3678，當超過這個值時，由于沖突的劇增系統開始不穩定，因此實際系統規劃中S必須小于最大值。表3列出了一組典型碰撞概率對應的平均吞吐率和信道負荷率，觀察1－P、G、S的取值可以看出三者的依賴關系和變化趨勢。

表3 碰撞概率與平均吞吐率和信道負荷率的關系

由表3可以看到，當吞吐率達到最大值0.3679時，碰撞概率高達63%，這就意味著大多數的接入申請都要重發1次以上才能被系統正確接收，必然導致接入延時的增加。由于TETRA系統對通話建立時間有嚴格要求，因此一般要求碰撞概率小于10%，查表3可得到吞吐率為0.0948。考慮到捕獲效應有30%的貢獻，可以達到信道能力的12.33%。

根據上述計算，MCCH可以通過的接入次數為26.89×12.33%=3.31，也就是能夠承受的忙時接入次數為3.31×3600/1.02=11682次/h，能夠承載的用戶數為11682/17.398=672個。如果允許的最大重試次數為3次，則接入成功率為99.9%，接入損失為0.1%。

為了保證系統在大話務量時重要用戶和緊急呼叫的成功接入，TETRA標準的空中協議對時隙ALOHA協議進行了改進，采用了一種稱作交疊接入幀結構（superimposed access framing structure）的策略，把接入時機劃分成幾個交疊的接入幀，每個接入幀分配一個接入碼（access code），接入碼與用戶的優先級和接入權限相對應，系統通過動態調整不同接入碼的接入幀頻率就能保證重要用戶和緊急呼叫的可靠接入。這種技術實際上是把接入信道分割成了幾個子信道，理論上講這種分割會降低信道的接入容量，實際上為了提高接入信道的能力，TETRA系統采用差別化的吞吐率控制，增加低級別用戶的接入時延，從而提高低級別子信道的吞吐率，使得整體接入容量不受影響，甚至有所提高。因此，上述估算結果是適用的。

4 業務信道配置

PMR系統中組呼業務占據了話音業務的較大比例，而組呼業務與電話業務有明顯的不同，建議一種有效的方法，使得電話業務和組呼業務能夠歸一化處理。

組呼業務以通話組為服務對象，每個通話組中的成員數量差異很大，而且同一個用戶可以屬于多個通話組，如果按照通話組來考察系統的話務量會是個非常復雜的問題。為了使這個問題得到解決，給定的業務模型中沒有以通話組為對象統計話務量，而是把每個用戶在參與組通話時的一次發射作為一次呼叫來統計用戶的平均發射次數和平均發射時間，這樣就使得組呼業務和電話業務具有了相同的話務形式。但組呼業務是半雙工通話，每次使用一個單向信道，電話業務是雙向信道，二者對信道資源的需求還存在著差異。為了解決這個問題，給定的業務模型把電話業務的呼入和呼出進行分別統計，這樣每個電話業務就只需要一個雙向信道;在單基站的組呼通話中，主呼一方占用一條上行信道，系統必然還要分配一條下行信道向其他組成員傳送話音，這樣，組呼也需要一個雙向信道。于是，在給定的業務模型下，組呼業務和電話業務的話務量就可以同等考慮了。對于私密呼叫，為了節省資源，一般情況下不允許雙工操作，同時為了簡化問題，模型中不考慮雙工情況，這樣，私密呼叫就同組呼一樣，在一個基站內也是占用一對上下行信道。這樣，模型中的各類呼叫具有了一致的話務特性，方便了計算但不失一般性。

根據給定條件，前一節已經計算出接入信道可以支持672個用戶，系統的總話務量為672×0.024=16.13Erl，平均通話時長為8.6s，要求的服務等級是90%的用戶能夠得到立即服務，10%的用戶需要排隊等待。

Erlang C服務等級的計算公式為:

式中，B2為條件呼損（即排隊概率），A為總話務量，n為信道數，γ為等待時長，B1為損失制系統的呼損率。

給定條件是A=17.47，B2=P（0）=0.1。

查Erlang C 表可知，22＜n＜23，T1＜0.014，T2＜0.154。即，需要業務信道23個，平均等待時長T1小于0.014×8.6=0.12s，T2小于0.154×8.6=1.3s。

也就是說，滿足給定條件需要一個6載頻基站，每個業務信道承載的話務量位0.7Erl，信道的利用率要低于移動電話系統。

5 結束語

上述分析和計算結果表明，隨機接入信道的吞吐率是系統容量的第一瓶頸，用戶數量多或業務量大到某種程度時需要增加第二控制信道;受可用性和服務等級的限制，需要犧牲信道資源的利用率，同樣的話務量下數字集群系統需要更多的業務信道;數字集群通信系統特殊業務設置和系統可用性要求使得其空中接口協議和資源管理較公眾移動通信系統更為復雜。無線通信系統網絡規劃不僅與系統技術體制有關，而且與設備技術指標也有很大關系，例如隨機接入的捕獲效應與基站的接收機性能有著密切關系，規劃數字集群通信系統時了解設備的技術指標也很重要。

[1]ETS 300 392－1:Radio Equipment and Systems（RES）;Terrestrial Trunked Radio（TETRA）;Voice plus Data（V+D）;Part 1:General network design[S].

[2]ETS 300 392－2:Radio Equipment and Systems（RES）;Terrestrial Trunked Radio（TETRA）;Voice plus Data（V+D）;Part 2:Air Interface（AI）[S].

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