（通信与信息系统专业论文）修正爱尔兰b表的研究及业务量分析系统平台的设计与实现.pdf

修正爱尔兰b 表的研究及业务量分析系统平 台的设计与实现 摘要 中国电信产业飞速发展，2 0 0 8 年电信重组之后形成了“三足鼎 立 之势，各运营商之间的争夺客户战日益加剧，激烈的市场竞争使 运营商从简单的价格战发展到理性的成本服务深层竞争。通过提高无 线信道利用率可以发掘现有网络潜力，有效降低网络运营成本，提高 运营商的利润。如何预测出话务量及数据流量的大小，从而进行有效 的载频配置达到节能减排的目的已经成为运营商关注的一大热点。 本文从理论爱尔兰b 表已不适用的角度对在g s m 网络中如何去 修正爱尔兰b 表进行了理论研究，以某移动公司提供的超过百万条 的实际话务量数据和专业的开发软件为依托，对话务量一拥塞概率一 拥塞率一无线利用率的关系做了深入研究，分析了g s m 网络设备在 不同半速率开启门限下话务容量的大小和最佳半速率开启门限设定 的规律。基于综合业务量分析预测与载频配置系统平台，在 g s m g p r s e d g e 网络中预测话务流量与数据流量，应用修正爱尔兰 b 表进行载频配置。本论文主要内容包括： 1 介绍理论爱尔兰b 表不适用的原因，并分析了移动环境下对 爱尔兰b 表修正、研究的必要性； 2 详细介绍如何去修正爱尔兰b 表，修正爱尔兰b 表的应用； 3 设计与实现了业务量分析系统平台。 关键词：g s m 爱尔兰b 表半速率拥塞率话务量无线利用率 t h er e s e a r c ho fa m e n d e de r l b t a b l ea n di m p l e m e n t a t i o no f t r a f f i ca n a l y s i ss y s t e m a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p i n g v e r yr a p i d l yi nc h i n a t h ec o m p e t i t i o nf o rc u s t o m e r sa m o n go p e r a t o r s h a st u r n e do u tt ob ev e r yt i g h t ，w h i c ht oab i gd e g r e ef o r c eo p e r a t o r st o f o c u sm o r eo nr a t i o n a lc o s t - a n d - s e r v i c e o r i e n t e dc o m p e t i t i o nr a t h e rt h a n as i m p l e p r i c ew a r b yi m p r o v i n gw i r e l e s sc h a n n e lu t i l i z a t i o n , n e t w o r k p o t e n t i a l sc a nb ed u go u t ，n e t w o r ko p e r a t i o nc o s tc a nb ee f f i c i e n t l y r e d u c e d ，a n dt h u so p e r a t o r s p r o f i tc a nb ef u r t h e ri m p r o v e d i no r d e rt o s a v ee n e r g ya n dt or e d u c ee m i s s i o n ，h o wt op r e d i c tv o i c et r a f f i ca n dd a t a t r a f f i c ，a n dt h e nt ob e t t e ra l l o c a t ec a r d e r 仔e q u e n c yh a sb e c o m eo n eo ft h e b i g g e s tf o c u s e sf o ro p e r a t o r s t h i sp a p e ri sa na m e n d m e n tt ot h eo r i g i n a lt h e o r e t i c a le r l bt a b l e t h a ti sn ol o n g e ra p p l i c a b l eu n d e rg s mn e t w o r ke n v i r o n m e n t b a s e do n p r o f e s s i o n a ls o f t w a r ea n dm o r et h a no n em i l l i o nv o i c et r a f f i c d a t a p r o v i d e db ys o m em o b i l ec o m p a n i e s ，i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rc o n d u c t e d i n - d e p t h r e s e a r c ho nt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt r a 伍c c o n g e s t i o n p r o b a b i l i t y c o n g e s t i o nr a t e w i r e l e s su t i l i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，也e c a p a c i t yo ft h ev o i c ec h a n n e lu n d e rd i f f e r e n th a l f - r a t et h r e s h o l da n dt h e l a wo ft h eb e s th a l f - r a t es t a r tp o i n ta r ea l s oa n a l y z e d a f t e ra m e n d m e n t ，b yi n t r o d u c i n ga na c t u a lp r o j e c t c o m p r e h e n s i v e b u s i n e s sa n a l y s i s ，f o r e c a s t i n ga n dt h ec a r r i e rf r e q u e n c ya l l o c a t i o n s y s t e mp l a t f o r m ，t h ep a p e rs t a t e d a b o u th o wt oa l l o c a t et h ec a r t i e r 3 行e q u e n c ya i d e rt h ep r e d i c t i o no fv o i c et r a f f i ca n dd a t at r a f f i c ，a n dt h e i m p o r t a n tr o l eo fa m e n d e de r l bt a b l ei sp o i n t e do u t ，t o o b e s i d e s ，t h e i n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no ft h ep l a t f o r mi sa n o t h e r i m p o r t a n tp a r to f t h i sp a p e r t h ep a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 e x p l a i n e dw h yt h e o r e t i c a l e r l bt a b l ei sn o ta p p l i c a b l ea n d a n a l y z e dt h en e c e s s i t yo fc o n d u c i n ga m e n d e de r l bt a b l er e s e a r c h 2 i n t r o d u c e dt h er e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fa m e n d e de r l bt a b l e i nd e t a i l 3 d e s i g na n dr e l e a s eo ft h et r a f f i ca n a l y s i ss y s t e mp l a t f o r m k e yw o r d s ：g s me r l bt a b l eh a l f - r a t e c o n g e s t i o nr a t e v o i c et r a f f i cw i r e l e s su t i l i t y 4 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： & q q 2 三：l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：a 鱼q 2 ：主：丛 日期：上争驰 北京邮电大学硕士学位论文第一章 1 1 选题的目的与意义 第一章绪论 目前移动通信网络的发展正处在一个转型时期，我国g s m 网络已经进入成 熟期，激烈的市场竞争使运营商从简单的价格战发展到理性的成本服务深层竞 争。随着用户的a r p u 值不断降低，运营商越来越关注低成本服务运作能力。 同时向第三代通信网络的演进已经逐步启动，g s m 无线网络将逐步被第三代无 线网络替代。通过提高无线信道利用率可以发掘现有网络潜力，有效降低网络运 营成本，提高运营商的利润。g s m 网络经过长期发展后，已经成长为一个大容 量的成熟网络，网络容量分析需要逐渐从粗放向精确转变，长期坚持容量的优化 能使网络资源获得最佳效益。在实际容量分析过程中我们发现，通常当尚未达到 理论能承载的话务量，即按照小区的载波数在一定的呼损条件下( 通常取拥塞率 为2 ) 查理论爱尔兰b 表得到的小区可承载话务量，网络就已经出现拥塞，导 致设计的网络容量无法满足实际的话务量需求。准确分析实际信道的承载能力已 成为平衡网络容量安全和网络资源效益的杠杆。为此我们针对g s m 网络实际信 道承载能力作了一些探讨。 g s m 网络的理论承载话务量一般采用爱尔兰b 公式进行计算。针对一个配 置好的小区，其理论可承载话务量是固定的，随着其吸收话务量的增加，小区的 无线利用率也随着增加，理想情况下可达到1 0 0 ，但在实际网络中，随着话务 量的增加，小区的拥塞率也随之提高，服务质量下降，所以必须平衡小区可达 到的无线利用率与拥塞率，即在满足一定质量的前提下确定无线利用率才有意 义。通过分析无线利用率和拥塞率的关系，从而确定合理的无线利用率。 爱尔兰b 公式只是在一定假设条件下的理论推导公式，与实际情况有一定 的偏差，实际网络中的信道话务承载能力要低于同等条件下爱尔兰b 公式的计 算结果，也就是说无线利用率不可能达到1 0 0 。为了得到准确的，符合网络实 际情况的爱尔兰b 表，我们利用统计分析的方法，首先用户采集原始话务数据， 然后对采集到的原始话务数据进行统计分析与数值拟合，最终目标是得到符合实 际情况的爱尔兰b 修正表。选择本题目的意义在于： 1 本文中修正e r l b 表的得出以超过百万条的分钟级话务数据和专业的开发 北京邮电大学硕上学位论文第一章 软件为依托，得出每载频在不同呼损情况下对应的话务量，同时给出了无线利用 率的占用比例，这就为运营商在实际工作中对g s m 话音信道配置提供了参考的 依据。 2 修正爱尔兰b 表是综合业务量分析预测及载频配置系统平台( 又名 g s m g p r s e d g e 业务量分析预测及载频配置系统平台) 中的重要组成部分， 是道配置部分的核心模块，它的完成也为软件平台功能实现打下了良好的基础。 1 2 爱尔兰b 在g s m 网中应用的合理性分析 假定信道数目为n ，则网络呼损的概率由下式计算确定： 彳“ 肚万z 幻1 + 丝+ 笸+ 么+ + 笸 1 12 13 1刀! 彳4 ： 丝! 式( 1 - 1 ) a 为流入话务量，b 为损失话务量与流入话务量的比值。理论爱乐兰b 表 由以上公式计算得出的。在目前做g s m 初始网络规划时，不同信道可承载得话 务量一般是应用爱尔兰b 公式计算得出的，但是使用爱尔兰b 公式的前提是呼 叫应具有以下性质： ( 1 ) 每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性； ( 2 ) 每次呼叫在时间上都有相同的概率； ( 3 ) 每个用户选用无线信道是任意的，且是等概率出现的。 研究验证，实际流入信道的话务量往往很难完全满足以上三个条件，此时爱 尔兰b 公式不能准确描述小区无线信道呼损( b ) 、信道数( n ) 和流入话务量( a ) 三者之间的关系，理论值与实际值相差甚远。有较多因素均会对实际信道利用率 产生影响，如： ( 1 ) 用户呼叫位置变化带来的业务量的移动性：由于网络的容量由一个个小 区组成，每个小区只负责很小一部分用户的话务量，而这些用户是移动的，因此 每个小区瞬间的用户量是不断变化的，小区越小，这个用户量的变化越明显，因 此考察一个长周期( 如：一个小时) ，小区的用户数是稳定的，但在短周期内， 用户数有很大的波动； ( 2 ) 移动系统设置的呼叫重试以及移动系统小区间的切换均导致每次呼叫 不完全独立，话务之间存在一定的相关性，在蜂窝移动通信系统中，由于用户的 移动性决定了呼叫不可能是完全独立的，呼叫之间存在一定的相关性，而相关性 2 么订 。础 北京邮电大学硕士学位论文第一章 决定了话务具有了较强的突发性。一个小区的话务量来源有两种：一是本小区内 的驻留用户发起呼叫，另外一种是从相邻小区切换进来的话务量。分别举例说明 如下： 本小区的起呼：小区覆盖范围内有一酒店，当一队旅行团到达时，很多用户 同时打电话回家、联系亲友，此时各个呼叫集中发生，其时间分布具有很强的相 关性，小区话务突然急剧上升，小区一小时内的平均话务并不高，但在一小时内 有几个高峰。 切换：对于覆盖城市的小区，它的呼叫来源一般有一半以上来源于相邻小区 的切入，由于小区覆盖半径较短，大城市平均站距已下降到5 0 0 米以下，密集城 区只有2 、3 百米，因此话务的流动性很大。乘坐相同交通工具( 如电梯、汽车) 的通话状态用户存在着同时进入小区，同时离开小区的情况，对于这个小区来说， 这些话务时间上也是互相关的，这就导致了这些小区的话务量瞬间的变化很大。 ( 3 ) 用户呼叫时间变化和呼叫量的变化带来的系统业务量的波动性； ( 4 ) 用户在特定地域和网络设备等交互影响下呼叫的峰值性：如小区覆盖范 围内有体育馆，在赛事结束时，用户集中打电话联系，此时各个呼叫集中发生， 其时间分布具有很强的相关性，小区话务突然急剧上升，小区- d , 时内的平均话 务并不高，但在一小时内有几个高峰。 这些特征反映出移动通信网络不完全符合理论爱尔兰b 公式的使用条件： 每次呼叫相互独立，互不相关，呼叫具有随机性；呼叫在时间上的分布都有相等 的概率，即平均分布。因此在移动网络内直接使用爱尔兰b 表估算容量存在较 大误差，未能反映用户分布的周期性变化。 综上所述，实际网络容量优化时必须根据地域特点、不同话务模型对爱尔兰 b 表进行修正。但是在修正之前，我们需要对各个指标的定义有所确定，同时深 入分析各个指标之间的相互关系。 1 3 论文的主要内容和结构 论文的结构是：首先是修正爱尔兰b 表的研究过程与方法，其次是综合业 务量预测与载频配置系统平台的介绍，最后是修正爱尔兰b 表在系统平台中的 应用，其中还对综合业务量预测及载频配置平台的综合应用给予了简单介绍。 论文的主要内容从修正爱尔兰b 表的研究开始，首先是从理论爱尔兰b 表 为什么已经不适用到怎样通过实际网络数据利用统计分析与计算机数值拟合的 方法得到修正后的爱尔兰b 表，这就为运营商在实际工作中对g s m 话音信道配 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章 置提供了参考依据，是后续平台开发中的一个重要模块。 随后引入了对半速率的思考，传统的爱尔兰b 表中信道数一拥塞率一话务量大 小的对应关系都是对全速率信道而言，但是随着半速率技术的出现与广泛应用， 我们所需要的修正爱尔兰b 表中必然需要考虑到半速率这个非常关键的指标。接 下来在论文中介绍了综合业务量分析与载频配置系统平台的平台结构、软件框 架，其主要包含预测模型的比较选定、坎贝尔模型的应用、载频配置的方法。 最后将平台的使用结果呈现出来以供参考，这个系统由前台界面、后台数据 库、中间层访问控制组成，层次分明，较为完善，并且在话务量数据导入导出模 块上别出心裁，极具特色，充分考虑了实用性与方便性。系统的每一个模块功能 都较为完善，并且模块之间都较为独立，因此完全可以将各模块的原理方法与代 码移植到其他有需要的地方使用。当然，整个系统也有很强的推广价值，但是目 前可能在某些地方还有所欠缺，需要进一步的完善。 论文中的创新点是：第一，研究得到含半速率的修正爱尔兰b 表，同时考 虑实际工程需要，提出如何得到小区级修正爱尔兰b 表的方法；第二，综合业 务量预测与载频配置平台的实现，为运营商的网络规划工作提供了便捷可靠的依 据，更为有意义的是它的完成综合考虑了g s m 、g p r s 和e d g e 三种网络，其中有 些方法与原理可以为第三代移动通信网络规划与配置提供参考依据。 4 北京邮电大学硕士学位论文第二章 第二章修正爱尔兰b 表的研究 2 1 指标的定义与分析 ( 1 ) 无线利用率 无线利用率是统计无线资源利用效率的一个指标，其对象可分为小区和系 统，对于不同载频配置的小区，利用率的理想取值范围是不同的，根据无线信道 统计复用的规律，平均载频配置越高无线信道利用率就应该越高。 ( 2 ) 拥塞率 从目前移动网络的建设中来看，产生话音信道拥塞的主要原因除了网络整体 的理论无线容量不足外，还因在网络建成后，基站扇区位置与无线信道配置及覆 盖范围也随之即定，但网络在其中各位置上提供的无线容量与实际的用户分布 ( a o 容量需求) 是有偏差的，使在实际用户量较大的小区出现t c h ( 即业务信道) 拥塞现象。另外随该地区城市建设及社会经济的发展，原来建网时所考察的用户 分布密度又会有所变化，在部分地方出现t c h 的拥塞这类情况。 ( 3 ) 掉话率 无线小区间的切换掉话，除了与无线电信号电平较弱、切换参数定义错误等 因素有关外，很大一部分是由于无线资源不足造成的。我们在分析网络性能报告 时，经常发现高阻塞的站点，掉话率往往也较高。因为在切换过程中，由于信道 繁忙，请求切出的呼叫在占不到目标信道，要返回源信道时，源信道已分配给另 一用户，在这种情况下，便产生掉话，可以说，高阻塞将直接导致掉话率的升高。 2 2 各项指标间的关系 2 2 1 实际网络中小区信道利用率和拥塞率、拥塞概率的关系 通过上述分析我们可以理解修正爱尔兰b 表的必要性，但是怎样判断一个小 区的无线资源利用率与拥塞的关系呢? 对不同的小区而言，受不同的话务量结 构、用户行为及配置等因素的影响，设备的实际利用效果不一致。有的小区在利 5 用率超过8 0 时没有拥塞产q ，但有的小压在利用率仅为6 0 时便产生了拥塞。 各项外界囡紊对小区的影响可以从大量的统汁结果中总结出特有的规律： 1 所有小区的话务量变化符台诈忐分靠，即可以用半均值n 及标准差s 两 个参数来描述话务分布的特点。拥塞时间的分布同样具有j 下态分布的特点。 2 信道数一定时，拥塞率越高，系统流入的话务量越大，则信道利用率越 高。但足呼损越大，网络的服务质量就越差，这是运营商所不希望看到的。 3 在特定的拥塞率下，随着信道数的增加，无线利用率也会随之增大。但 是随着信道数的增大，无线利用率的增睦速度会越来越小并且存在一个拐点，当 信道数n 达到拐点后，信道数增加再多，对无线利用率的影响也微乎其微，且信 道数越多，对设备的复杂性要求会越高，互调产物增多，对服务质量影响较大， 如下图2 一l 所示： 4 小区的利用率与拥塞概率两项指标之间具有指数分布的关系，但对于不 同类型的小区具有不同的系数。 匪；霾筐 7 ：”。气”气”1 鼍0 1 畿。1 蔷o w 月 = $ 北京邮电大学硕士学位论文第二章 图2 2 无线利用率与拥赛概率的关系示意“1 5 小区的拥塞率、拥塞概率呈现强相关性，不同小区的相关系数略有差异， 统计小区相关系数仅在0 9 5 1 6 0 9 9 2 波动，因此可判定两者为强相关。从而可 以得出，无线利用率与拥塞概率之间具有指数分布的关系乜1 。 以上规律的得出为得到修正爱尔兰b 表做了数学基础的铺垫，通过对大量 的数据归类进行统计分析，我们可以有几种办法入手得到修正爱尔兰b 表。 2 2 2 不同载波配置条件下小区的实际信道利用率 爱尔兰b 表的基本特征是同等呼损下，线束越小承载的话务量越小；大线 束有较大的平均信道利用率。很简单，如果一个小区的m 个用户被分配到1 3 个 信道，而p 为单个信道忙的概率，那么所有1 3 个信道忙的概率就是p 的n 次方。 对于一个固定的p 值，p 的n 次方肯定小于p 。换句话说，如果一个用户接入单 一信道其被阻塞的概率为p ，但如果有n 个信道可被接入则其被阻塞的概率为p 的n 次方。根据爱尔兰b 表典型载频配置的平均信道利用率，在呼损2 情况下 的示意如下图2 - 3 ： 小区舆型载频配置下t r 9 平均信 道利用率 形7 “粥? 。娜彬“删口惭黔? 哪。肾一。w 、一。 9 j ? i ? 。，二i f j “罨豫 r 一 ! ， ， 。 j _ 7t ? ；。j j j ? 。? j j 。盔i 七 七 七 卜 葛国l ：； 荨 科8 岛 寓 图2 3 小区典型载频配置下的平均信道利用率 为了得出不同载波配置下实际的信道承载能力，我们进行了大量实际统计数 据的收集和统计分析，分析过程如下： 1 对统计小区的话务量按照利用率( 即实际话务量爱尔兰b 表呼损为 2 的话务量) 分段，分成2 1 段( 0 - - - 5 ，5 1 0 ，9 5 - - 1 0 0 ， 7 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o - - - d o o o o o o o o | 匕京邮l u 大学碰i 学位论女锥一章 1 0 0 以上) 2 针对统计时段内各小区发生拥塞率大于2 的拥塞概率进行分析，拥 塞概率印拥塞大于2 的次数与总小区统计次数。 3 对不同载波配置的小区进行分组分析，探讨相同载波配置小区的利 用率、拥塞率、拥塞概率三者之日j 能否存在共性，通过大量的统计数据( 包括 3 0 0 0 多个小区的一个月的2 4 小时统计数据) 归类，并在去除一些覆盖特殊的小 区后，发现三者确实存在固有规律。以6 载波小区( 4 4 个话音信道) 为例，当 其利用率在7 6 左右时，发生拥塞大于2 的概率超过1 0 。而当载波数为1 2 个 ( 9 1 个话音信道) 时，信道利用率在7 6 左右时没有发生拥塞率大于2 的事件， 当发生拥塞大于2 且拥塞概率大于1 0 的时候，利用率达到了8 3 。 通过这种方式我们总结出不同载波配置下的合理的信道利用率，详细见下表 2 1 ： 曩2 1 不同栽波配置下的台理的信道利用率 2 呼损率的爱尔 载波数t c h 数晕 兰b 表对应话务量 m嘴目q 日 北r m 电上学碰l # 位论女第 计拥塞话务量( 计算拥塞车) “。根据统计结果拟合，选择适当的利用率作为泼 载波配置下的实际可利用率。统计结果如表2 2 ； 表2 2 载波数利用率和拥塞率之间的结果统计 表中：利用率= 话务量g o s 为2 时的容量 捕塞率= 棚塞总农敷呼叫鲁班敷。 北京邮电大学硕十学位论文第二章 拥塞概率= 拥塞率 2 的事件数统计事件数 如：表中第1 行，第1 列数据表示，当话务量达到3 0 一3 5 的理论容量时，符合条 件的事件中，平均的拥塞率为o 7 1 ，发生拥塞率 2 的事件比例为5 3 6 从上表2 2 可见：当利用率达到1 0 0 时，即话务量达到了理论的容量时， 拥塞率已经达到了非常高的数值，如4 载波配置时，拥塞率为2 9 8 5 ，拥塞概 率为1 0 0 。因此不能使用理论容量作为设计容量，如果小区到达理论容量，拥 塞率远高于2 。 当网络利用率未达到1 0 0 的理论容量时，全网拥塞率已经达到了2 ( 表 中红色部分所示) ，如在4 载波配置时，当利用率到达7 0 - 7 5 时，拥塞率已 经达到2 3 3 。 当拥塞率达到2 时，拥塞概率已经很高，如4 载波配置时，拥塞率为2 3 3 时，拥塞概率已经到达3 4 。因此不能使用全网平均拥塞率为2 时的全网利用 率作为容量门限来进行设计，显示网络中有很大一部分小区不能使用这种容量门 限进行设计。 载波数越大，拥塞率 2 时的利用率越高，显示大载波配置下的小区，话务 的瞬间波动性没有小载波的小区强，小区可以在较高利用率下工作。 从保证网络质量的角度出发，以及实际运营商工作中对最坏小区的考核标 准，我们认为在设计中，要求网络中发生 2 拥塞的概率不能高于1 0 是一个比 较合理的标准。 上表反映了拥塞概率与利用率的关系，通过分段线性拟合的办法，在这份分 析报告中得到了表2 3 各载波配置下的合理利用率： 表2 3 各载波配置下的合理利用率 l 载波数 1234567891 0 l 合理利用率( ) 3 9 55 6 1 6 4 87 0 17 3 27 4 47 5 87 8 68 2 6 8 2 8 由表2 3 和表2 1 得到的结论，我们可以知道实际网络无线利用率的大小， 从很大程度上决定了不同载波数下实际可承载话务量的大小。尽管这些结论不够 精确，例如载波数为3 的t c h 信道数可以从1 7 条到2 3 条，同载波不同数目的 t c h 信道数目下的无线利用率也不可能完全相同，但是完全不妨碍它成为衡量 修正爱尔兰b 表准确性的一个依据。在介绍如何利用数学统计方法得到全网修 正爱尔兰b 表的前面，我们需要介绍一个重要的概念进来半速率。 l o 北京邮电大学硕士学位论文第二章 2 3 半速率的引入 引入半速率概念的原因非常简单，传统的爱尔兰b 表中信道数n ，拥塞率和 话务量大小的对应关系都是对全速率信道而言，但是随着半速率技术的出现与广 泛应用，我们所需要的爱尔兰b 表中必然需要考虑到半速率这一个非常关键的 技术指标。 2 3 1 半速率概述 g s m 移动网内的部分地区，往往存在平时小区配置能够满足通信要求，但 在一些特殊时段内出现周期性的严重拥塞和繁忙。因此网络运维迫切需要一种简 单方便又能即时有效的扩大网络容量的技术。 使用半速率技术将在减少网络硬件投资的前提下经济有效地解决话务高峰 期的网络阻塞问题。特别适用于话务高峰多存在突发状况、话务量波动剧烈的小 区。从半速率应用情况来看，语音质量基本能够满足通话要求。特别是某些地区 存在特殊的高话务时段( 如大型体育活动等) ，在活动期间话务量增长很多，若 采用常规扩容需要大量的载频，这些载频在平时处于超闲置状态，就会造成一定 程度的资源浪费。 开启半速率信道以解决话务信道拥塞问题，对提高小区的话务量，将网络的 现有资源充分利用，对改进网络服务质量和提升效益具有重要的意义。 半速率技术( h a l fr a t e ，简称h r ) 是g s m 网一种可选的业务承载方式。 它通过使用g s m0 6 2 0 规范的c e l p 话音编码方式，将语音编码速率降为6 5 k b i t s ，通过一个g s m 时分信道承载两路话音业务。相对于全速率( f u l lr a t e ， 简称f r ) 业务承载方式，h r 技术降低了码率，提高了频率利用率，相同数量的 收发信机可以同时处理的连接数就增加了一倍，理论上无线容量也提高一倍。 h r 技术由于具有扩容简单方便的特点，因此具备了现实需求。一方面h r 技术 充分挖掘g s m 网络的潜力，提高资源的利用率；另一方面，通过结合h r 功能 对网络调整，也能有效降低局部区域的频率复用度，提高网络服务质量。当然， h r 技术在提高无线网络容量的同时，对话音质量存在一定的负面影响，同时对半 速率的开启比例也是一个g s m 网络优化的研究热点。 半速率功能的开启同时也意味着一些信道的速率会减半，这些半速率信道上 的话音质量相比全速率信道而言会有所下降。相关测试研究表明，当半速率信道 承载的话务量比例增大，特别是超过5 0 9 6 以上时，网络中话音信道的掉话次数会 大幅上升，严重影响服务质量。因此，如何设定合理的半速率开启门限非常重要， 其为运营商非常关注的网络优化问题如果门限设定不合理，过高时造成网络 拥塞率提高，过低时网络的用户满意度降低，但目前并没有相应的理论方法对其 北京邮电人学硕士学位论文第二章 进行指导，现网中基本按经验或历史数据设置开启门限h 1 。 后文中我们介绍一种建立开启门限与系统吸纳话务量能力的理论模型，并给 出了半速率功能的开启方案。曾经有采用类似方法对半速率话务量的研究。在参 考文献 4 的附录b 中，作者以马尔科夫过程为基础，提出了二维的话音业务模 型，但其中只是按照一定比例分配半速率信道，也就是说，文中的半速率功能相 当于门限值设定为1 0 0 ，即处于持续开启的状态，并没有将门限值与话务模型 的变化联系起来。在参考文献 5 中，作者对话务量模型进行了改进，但研究的 侧重点为拥塞概率，现网中支持半速率中断比例与话务量的关系，并没有进行细 致的计算，最终以半速率信道承载的话务量比例为依据，经验性的给出门限值设 置。 2 3 2g s m 网络中半速率的原理说明 在时分复用( t d m a ) g s m 系统中，每个t d m a 帧包含8 个时隙，即t s 0 - - - t s 7 ， 每2 6 个t d m a 帧构成一个业务信道( t c h ) 复帧，如图2 4 所示。全速率传输 时，t c h 复帧在第1 3 帧和第2 6 帧中分别插入慢速辅助控制信道帧s ( s a c c h ) 和空闲帧i ( i d l e ) 。 图2 4t d m a 帧重的t c h 复帧1 半速率功能是g s mp h a s e 2 的功能，它通过新的语音压缩编码，使得语音编码 速率从全速率时的1 3 k b i 以下降到6 5k b i t s ，从而对空中信道资源的占用量也可 以减少一半。当开启半速率传输后，帧结构不变，但某个时隙将由两个半速率用户 共享，即每隔一帧为两个用户交替发送，而原来的第2 6 帧空闲帧i 用来传输对应 第二个用户的s a c c h 。如图2 5 所示，系统将t c h 复帧中偶数号帧的t s l 时 隙分配给用户a ，而将奇数号帧的t s l 时隙分配给用户b 。 1 2 北京邮电大学硕上学位论文第二章 图2 5 半速率传输时的t c h 的复帧“1 因此，原来只能承载单用户业务量的时隙资源，现在能够承载两个用户的业 务量，在系统资源未增加的情况下，容量增加了1 倍。对一些话务高峰时间( 例如 节假日、大型商业活动等) ，半速率功能够吸收突发话务量，减少阻塞从而提高服 务质量，且不需要增加设备和频谱，具有实施简单迅速和效果明显的优点。但启用 半速率的不足之处就是信道速率降低话音质量略差于全速率信道。并且，如果半 速率话务比例过大，会大大增加话音通信的掉话次数。因此，需要采取恰当的半速 率信道分配策略和设定合理的半速率开启门限。 2 3 3g s m 网络半速率功能的特点 1 提高网络容量： 通过开启半速率功能，在最大情况下可以将原先只能承载8 个用户语音通信 的一个物理信道改造为可以满足1 6 个用户使用的信道，这在理论上的确增加了 系统吸纳增长话务量的能力。 2 无需增加硬件资源和频率资源： 增加载频的扩容方法是并不经济的。话务量的多少具有时段性和地域性的区 别，当突发话务高峰过去之后，增加的载频会处于闲置状态，这对于无线资源是 一种浪费。在启用半速率功能进行扩容的过程中，不需要增加多余的载波和硬件 设备，只要系统基站具有支持半速率的功能，就可以开启相应服务。现今的基站 均具有此功能，但还有少部分的移动台不支持半速率语音通信。所以，系统必须 将部分时隙设置为全速率或双速率，否则，这些用户将无法进行通信。 3 降低语音质量： 将原先1 3 k b s 的语音信号降低为6 5 k b s ，通信时的话音质量下降是显而易 见的。直观上讲，半速率通信降低了话音传输速率，这牺牲了系统一部分话音信 息和抗干扰能力来换取无线网络容量的扩大。与主、被叫都为全速率时相比，当 主、被叫都为半速率时，能明显感觉到语音质量方面存在较大的下降，而当主、 1 3 北京邮电人学硕士学位论文第二章 被叫中有一方为半速率时，并不能明显感到在语音质量上的差别。 4 增加干扰： 在提高系统容量的同时，无线信道中的控制与同步信号也会随着话务量的升 高而急剧增加，这就使得控制信道阻塞的可能性大大增加。过多集中的话音通信 也会让空间的电磁波环境恶化，伴随着功率控制功能，干扰会进一步增大，出现 通话质量严重下降，掉话增多。 2 3 4 半速率开启比例与话务量大小的关系 图2 6 给出了不同半速率开启门限下，阻塞概率与话务量的关系曲线。由图 可知，当不开启半速率功能时，对应于2 9 6 的阻塞概率要求，单载波扇区能承载的 最大话务量为3 6 爱尔兰：当使用门限c e l l o a d = 1 2 5 开启半速率功能时，单 载波扇区所能承载的话务量将增大为4 4 4 爱尔兰：相比于不开启半速率功 能，c e l l o a d = 3 7 5 时所能承载的话务量将增加近9 0 ，达到6 7 8 爱尔兰。该图 验证了随着半速率开启门限的加大，扇区所能承载的话务量将相应增加。( 小区的 t c h 信道总数表示为c ，p f 表示仅支持全速率终端的比例，半速率开启门限表 示为c e l l o a d ，在后文中出现代表同一概念) j _ f j | 瞌凇。轴i f f jf l ：麓溢= ： j u 日 lx 重m ? 鼍 k o lll j , a j l 熹 声 t 啊 么卢 左z 。 l 磁务量耘曼 图2 6 不同半速率开启比例下话务量与拥塞率的关系示意陆1 图2 7 所示的是不同半速率开启门限下，半速率信道所承载的话务量比例 与话务量的关系曲线。由2 7 图可知，随着半速率开启门限的加大，半速率信道 承载的话务量比例也将不断增大，当c e l l l o a d = 3 7 5 、话务量为6 7 8 爱尔兰 时，半速率信道所承载的话务量比例将达到5 1 9 ，此时系统中将会有较多用户 感觉到通话质量有所下降，这也是运营最关心的问题。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文第二章 _ - t 瓿t 1 a j 跏 种驽l l - 貔u 鼬 跏衢p 1 呻- e 黝童l 靠a 辩喜r i矿 | ， ， 厂 ， 夕夕j j 一， ，” 。一 jt ， 磊纠 1 1z 3 季i7l，l 珞舞奠叠客兰 图2 7 半速率信道所承我的话务量比例与话务量的关系示意旧 图2 6 和图2 7 表明，为兼顾通话质量( 受半速率信道所承载的话务量比例 影响) 和阻塞概率指标，应对半速率开启门限实行动态调整，即根据当前的话务量 确定最优的半速率开启门限。对应于单载波情况，当话务量低于3 6 爱尔兰时， 应不开启半速率：当话务量介于3 6 和4 4 4 爱尔兰之间时，应将c e l l l o a d 设 为1 2 5 ：当话务量介于4 4 4 和5 6 爱尔兰之间时，应将c e l l l o a d 设为2 5 ： 当话务量介于5 6 和6 7 8 爱尔兰之间时，应将c e l l l o a d 设为3 7 5 ，此时半 速率话务量承载比例已高达( 4 0 3 - 5 1 9 ) ，当话务量进一步增大时，不宜再增加 c e l l l o a d 值，而是应该考虑增加载波等扩容措施。 在此我们不深入研究讨论半速率开启比例大小的取值该如何确定，只给出图 2 8 中总结了载波数分别为1 、3 和5 时，不同话务量区间内的优选c e l l l o a d 门限值，以及对应的半速率话务承载比例，它们可以作为对实际系统中 c e l l l o a d 门限值进行动态优化调整的理论依据：通过对各扇区中瞬时话务量 以及半速率话务承载比例进行统计，并将它们与对应的理论区间值进行比较，以 判断是否需要和如何进行c e l l l o a d 门限调整1 。 攀鼓疆象缓窃搭餐蕺瓣荔簪瓣簪 北京邮电大学硕士学位论文第- 二章 话务量范围 c e l l l o a d 半速率信邀承栽 载波数 ( 爱尔兰) 优选值的话务镊比例( ) o 36o0 单载波 36 44 41 2 38 ，76 ( c = 8 )44 4 562 1 63 。2 69 56 67 83 7 铴4 ( 13 5l9 o 1 66 oo 1 66 一l 3 64 扬26 48 三载波 l & 3 6 2 l8 锟89 一1 65 ( c = 2 4 ) 2 1 2 4l1 2 2 22 3 38 2 4l 一2 zl1 6 砀4 0 5 08 o 一3 l0 o 3 l 一3 342 铴23 42 五载波 3 34 3 2276 一1 43 ( c = 4 0 )3 7 2 - - 4 l9 52 l 5 2 q9 4 l9 5 4 68i 3 44 4 s7 4 68 5 i1 2 铴 4 t t9 5 85 图2 8 话务量与半速率开启比例的关系示意 为了研究半速率开启门限与拥赛率的关系，我们引用参考文献 6 中的两张 数据表做深入分析。表2 - 4 中的计算结果是在拥塞率b p 设置为0 0 1 ，全速率用 户所占比例p f ( 考虑到系统中部分使用只支持全速率话音通信终端的用户，为 保证在半速率功能开启后这些用户的通信，设定现网中只支持全速率功能的移动 台比例p f ，取值范围为0 - 1 0 0 ，实际上，刀通常取为0 1 ) 设置为o 1 的条 件下得到的，表2 - 5 是在b p = 0 0 2 ，p f = 0 1 的条件下得到的。表中的n 表示 时隙数，c 表示半速率开启门限值c e l l l o a d 。 表2 - 4 ：话务量t ，b p = 0 0 1 ，p f = 0 1 ， 81 62 43 24 0 o3 1 2 7 68 8 7 5 01 5 2 9 5 02 2 0 4 8 02 9 0 0 7 0 0 0 6 2 53 1 2 7 69 4 7 6 61 7 4 0 6 32 6 2 4 2 23 5 5 8 5 9 0 1 2 5 3 5 2 3 51 1 4 8 4 42 1 2 5 0 0 3 2 7 6 5 7 4 5 6 3 2 8 1 6 北京邮电大学硕士学位论文第二章 0 1 8 7 54 0 0 4 7 1 3 3 1 2 52 5 1 5 6 33 8 5 9 3 85 2 6 5 6 3 0 2 54 7 0 3 11 5 1 7 1 92 8 1 8 7 54 2 0 3 1 3 5 6 0 5 4 7 0 3 1 2 55 1 1 7 21 6 7 1 8 83 0 0 6 2 54 3 7 5 0 05 7 5 0 0 0 0 3 7 55 7 4 2 21 7 8 1 2 53 1 0 6 2 54 4 4 9 2 2 5 8 0 0 7 8 0 4 3 7 56 1 8 7 51 8 5 0 1 93 1 5 6 2 54 4 8 0 4 75 8 1 7 3 8 o 56 6 3 5 21 8 9 0 6 3 3 1 7 8 1 34 4 8 7 5 05 8 2 0 3 1 表2 - 5 ：话务量t ，b p ；0 0 2 ，p f = 0 i ， 8 1 62 43 24 0 o3 1 2 7 68 8 7 5 01 5 2 9 5 0 2 2 0 4 8 02 9 0 0 7 0 0 0 6 2 5 3 1 2 7 61 0 5 2 7 41 9 3 3 5