GSM和CDMA网络关键指标的探讨和应用

1、GSM 和 CDMA 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 FER(CDMA)的评估1.1基本概念图 1 所示是 GSM这里不再画出。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，BER( 误码率

2、 )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

3、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 1GSM和 CDMA前向业务信道发送端处理过程1.2 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

4、 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。1.3GSM 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

5、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

6、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 2GSM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。1.4结论和应用根据上述分析，我们计算了不同BER对

7、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-TP.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

8、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、 C/I 和 Ec/Io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

9、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。2.1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

10、)=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

11、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

12、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3.1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5

13、0% 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

14、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；如果申请的信道过多， 则基站系统满足该申请