GSM和CDMA网络关键指标的探讨和应用

GSM 和和 CDMA 网络关键指标的探讨和应用网络关键指标的探讨和应用 摘要 由于市场竞争的加剧 网络质量成为移动运营商争夺用户的关键因素 中国联通是 双网并存 定性和定量地对比 GSM 网络和 CDMA 网络的关键指标并探讨其内在联系 不 仅对现网的优化和评估具有重要意义 而且对即将建设的 3G 网络的评估也具有参考和指 导意义 本文对 GSM 和 CDMA 网络的关键指标及其内在关系进行了分析和推导 提出了 正确分析网络质量的有效方法 1 BER GSM 和和 FER CDMA 的评估的评估 1 1 基本概念基本概念 图 1 所示是 GSM 和 CDMA 前向业务信道发送端处理过程 接收处理是发送处理的逆过程 这里不再画出 BER 误码率 是 GSM 系统的语音质量指标 指接收端在完成解调和去交织后 进行信道解 码之前的数据错误比特率 GSM 语音编码后每个 20ms 全速率语音块包含 260bit 其中有 78bit 不重要 50bit 最重要 132bit 重要 对 50 个最重要的比特加 3 个校验比特后再与 132 个重要比特以及 4 个尾比特一起进行速率为 1 2 约束长度为 5 的卷积编码 FER 误帧率 是 CDMA 系统的语音质量指标 指接收端完成信道解码之后的 20ms 帧的误 帧率 CDMA 语音编码的全速率业务信道 9600bit s 的 20ms 帧中有 172 个信息比特 12 个 CRC 校验比特 语音译码器通过 CRC 校验来判定该帧是否有误码 如果有误码则认为 该帧为错误帧 应该删掉 GSM 和 CDMA 业务信道的处理过程除了多址方式外 各个环节没有太大不同 以业务信 道为例 都是 20ms 语音块 经过卷积编码 交织 多址 码分或时分 调制 由于 GMSK 调制方式是 QPSK 的衍生方式 因此可以将 QPSK 的性能分析用于 GMSK 方式 图 1 GSM 和 CDMA 前向业务信道发送端处理过程 1 2 分析思路分析思路 对于观察点不同的两个指标 我们可以先将观察点统一到信道解码之后的误帧率 即从 GSM 系统在一定 BER 的情况下推算出信道解码后相应的等效误帧率 再和 CDMA 的 FER 进行比较 由于 GSM 语音编码的 20ms 全速率语音帧中有 182 个重要比特 CDMA 的 20ms 语音帧中的 171 个信息比特都是重要比特 在假定两种语音编码方式没有重大质量差 异的情况下 即每个 20ms 的帧出错后对 CDMA 和 GSM 的语音质量造成相同损害 GSM 的 20ms 语音帧中任意重要比特出错则认为出现了误帧 其误帧率可以等效于同等通话质 量的 CDMA 的 FER 1 3 GSM 的等效误帧率的推导的等效误帧率的推导 对于未经纠错编码的 QPSK 系统 其误码率 Pb 和 Eb No 的关系为 当输入数据的误码率比较低时 对于硬判决解码的卷积编码增益为 式中 R 是卷积码的码率 d 是卷积码的自由距离 也就是该编码的任意 2 个码字间的最 小距离 这里的距离指 2 个码字间对应位上相异码元数 由于是 从已经解调后的 BER 即 Pb 开始推导 因此可以使用硬判决算法 对于 GSM 系统 采用的码率尺 1 2 约束长度 5 其 d 7 因此编码增益 Gp 2 43dB 查阅卷积码的性能分析资料可知 解码后误码 率 对数坐标 与 Eb No dB 的关系曲线接近于直线 因此在一定范围内以直线去逼近该性 能曲线 如图 1 所示 具有工程合理性 我们选择最贴近运营商关注范围的 BER 为 10 3 和 10 4 的 2 个点来确定性能逼近直线 根据前面给出的公式可 以计算出这 2 个点的坐标 并得出如下性能逼近直线 式中 P 为解码后误码率 对数坐标 进而得出 得到信道解码后的误码率 P 解后 由于一帧有 182 个重要比特 可以得到 GSM 的等效误帧 率为 进而可以计算给定 GSM 的 BER 即 Pb 所对应的信道解码后的等效 FER 图 2 是根据上述公 式计算的 Pb P 与 Eb No 的关系曲线 图 2 GSM 在有无信道编码时的误码率和 Eb No 的关系 图中 无信道编码 Pb 表示没有采用纠错编码的各种输入 Eb No 下的误码率 卷积码编码 P 解 表示对于各种输入 Eb No 采用了卷积编码经过解码后的误码率 1 41 4 结论和应用结论和应用 根据上述分析 我们计算了不同 BER 对应的等效 FER 表 1 中列举了几个主要数据 表 1 等效 FER 方法计算结果 参考文献 1 中使用通信系统通用的 MOS 分衡量标准 从语音质量感受的角度将 BER 和 FER 联系起来 主观 MOS 分采用 ITU T P 800 和 P 830 建议 由不同的人分别对原始语音 资料和经过系统处理后有衰减的语音资料进行主观感觉对比 得出 MOS 分 最后求平均 值 而客观 MOS 评价则采用 ITU T P 862 建议提供的 PESQ 方法 由专门的仪器 如 Agilent 的 VQT 测试仪 或软件进行测试 表 2 所示为基于 MOS 分标准的 FER CDMA 和 BER GSM 之间的对应关系 1 表 2 基于 MOS 分标准的 FER CDMA 和 BER GSM 之间的对应关系 对比表 1 表 2 可以发现 我们推导计算的结果与 MOS 评价方式的数据基本一致 克服了 主观评价的主观性和偶然性 应用本文给出的推导公式可以计算出任意 BER 所对应的 FER 值 因此能够更加全面和准确地评估 GSM 系统和 CDMA 系统的通话质量 2 2 C IC I 和和 Ec IoEc Io 的计算与应用的计算与应用 GSM 系统中的 C I 就是有用信号载波功率与干扰的比值 而 CDMA 中 Ec Io 是扩频后的码片 能量与扩频信号带宽内的高斯白噪声功率谱密度之比 GSM 系统中要求同频载干比 C I 大 于 9dB CDMA 系统中要求 Ec Io 大于 13dB 它们与接收电平一起 成为反映无线覆盖的关 键指标 2 12 1 指标的计算指标的计算 对于 GSM 基带信号速率尺为 270 833kbit s 信号带宽 R 为 200kHz 因此解调后的处理增益为 用 dB 表示就是 GSM 采用 1 2 速率 约束长度为 5 的卷积码 其 d 7 假定其编码增益为 Gc 所以在信 道解码后其信噪比为 对于 CDMA 基带信号速率 R 为 19 2kbit s 信号带宽 B 为 1 25MHz 因此经过解扩和解调后的处理增 益为 用 dB 表示就是 CDMA 采用 1 2 速率 约束长度为 9 的卷积码 其 d 12 由于编码增益与 d 成正比 因 此其编码增益应为 Gc 10lg 12 7 Gc 2 34 dB 因为 CDMA 编码增益是 GSM 编码增益的 12 7 倍 用 dB 表示就是 10lg 12 7 所以在信道解码后看到的信噪比为 式中 Tc 和 c 分别为扩频后码片的周期和频率 Tc 1 c 通过上面公式可以算出 在 GSM 网络和 CDMA 网络的输入 C I 和 Ec Io 的要求分别为 9dB 和 13dB 时 在信道解码后 即语音译码前 的信噪比分别为 7 7 Gc 和 7 44 Gc 两者很接 近 因此可以得到相近的语音质量 2 2 应用和分析应用和分析 应用上述基本理论和推导 分别以 9dB 和 13dB 作为 GSM 和 CDMA 的信噪比比较基准来 评估 对比双网的覆盖质量 同样 可以改进路测分析软件 例如 将 CDMA 路测分析软 件的 Ec Io 数据标注直接加上 22dB 后进行标注 即可得到相当于 GSM 网络的覆盖质量数 据结果 这样就可以直接对比双网的路测图和曲线以及语音质量 这种统一标准的对比 对规划建设 优化维护和用户发展策略都有重要指导意义 CDMA 的信噪比要求比 GSM 的低得多 主要原因是 CDMA 系统具有很高的扩频处理增益 其信道编码比具有更大的约束长度 另外 CDMA 的 RAKE 接收机还能通过多路接收改善 多径效应的影响 GSM 的干扰主要来源于同频复用或外部设备干扰 只要频率规划合理 C I 值在一定区域内比较稳定 而 CDMA 网络是一个宽带自干扰系统 其主要干扰来源于 本小区和邻小区的所有用户的干扰 Ec Io 在一定区域内变化较大 在 Ec Io 良好的情况下 CDMA 具有很好的语音质量 而在导频污染严重或话务量高的地方 语音质量波动较大 3 话务量和掉话率的对比 话务量和掉话率的对比 3 1 话务量和容量分析话务量和容量分析 双网从 A 接口看到的话务量是真实的 用以直接计算收入的话务量 对于 GSM 来说 业 务信道话务量与 A 接口话务量一致 业务信道的容量就是所有载波 TRX 数乘 8 再减去用 作 BCCH 和 SDCCH 的物理信道数 对于 CDMA 业务信道的容量就是所有信道板中配置 的业务信道数 由于软切换存在 CDMA 网络业务信道的话务量高出 A 接口话务量 50 以上 GSM 网络的拥塞主要源于 TCH SDCCH 信道数不足 CDMA 网络的拥塞原因除了 TCH 配置不足以外 还可能是 Walsh 码数量不足 或是基站可分配功率已经达到最大值 产生了使覆盖范围缩小的所谓呼吸效应 3 2 掉话率分析掉话率分析 GSM 网络和 CDMA 网络掉话率的计算方法相同 对 GSM 网络来说 小区掉话率是指该 小区因为切换或无线信号丢失引起掉话的数量与本小区总的呼叫数之比 总呼叫数是指本 小区的始呼数与成功切换进入该小区的呼叫数之和 对 CDMA 网络来说 小区掉话率是指 与本小区有关的无线信号丢失的总次数与小区成功分配的 Walsh 码次数之比 由于 CDMA 网络引入了软切换技术 在掉话时手机可能同时在与多个小区或基站通信 一次掉话会使 每个参与软切换小区的掉话次数都增加 1 次 因此 在计算全网掉话次数时 不能简单地 将小区掉话次数相加 而应该考虑当时手机所处的位置 如果手机处于 N 方切换 则应将 掉话次数除以 N 后再相加 4 对数据业务优化指标的思考 对数据业务优化指标的思考 不管是 cdma2000 1X 还是基于 GSM 系统的 EDGE 在数据业务中最关键的指标都是数据 的吞吐率 即用户能够得到的上传或下载数据的速率 由于两种数据业务都是采用捆绑多 个业务信道以传送高速数据 因此在一个会话的分组数据传输中 需要分组控制系统在每 个分组时间片发送之前根据缓冲器中当前剩余数据量 预计即将到来的新数据量 分组传 送时间片大小来决定向基站系统申请多少信道完成本次传送 基站系统在接到申请后 将 根据该扇区和载波具有多少无线资源和系统目前的功率负荷来决定是按照申请的数量分配 信道还是降低信道数量进行分配 如果申请信道过少 基站系统满足该申请的可能性 即匹 配率 就大 但是可能由于跟不上实际的数据量 会降低该会话的吞吐率 如果申请的信道