TD-SCDMA集群通信系统会话类业务模型分析

李 强，于 游，孙瑞杰，李伟博

（重庆邮电大学 信号与信息处理重庆重点实验室，重庆 400065）

0 引言

话务模型包括用户行为和业务模型，用户行为的研究主要是预测通信系统可以提供哪些业务、每种业务的用户使用率、用户使用业务的频繁程度和用户分布密度等；而业务模型则主要是从数据传输的角度来分析的，每种业务具有怎样的容量特性，用户使用某业务时期望的服务质量等。由于业务类型的变化日新月异以及模型的准确性将直接影响到网络规模和设备需求的估算，因此需要对话务模型进行专门研究和分析。

集群系统[1]主要用作调度通信，以单工或半双工通信方式为主，用户的话务模型和服务质量等级与针对个人用户服务的公众蜂窝移动通信系统有所不同。因此不能照搬公众蜂窝移动通信系统话务模型分析的方式来分析集群通信系统。本文在分析语音业务和可视电话业务特性的基础上，针对TD-SCDMA集群系统（下面简称“TD集群系统”）的会话类业务进行建模分析。同时，还提出一种分析TD集群系统会话类业务容量的改进坎贝尔（Campbell）算法，有效地描述不同业务对TD集群系统容量的影响。

1 TD集群会话类业务用户行为分析

语音和可视电话属于实时会话类业务[2]，主要的QoS特性是较小的延时容限和上下行对称的数据速率。会话类业务主要包括语音业务和可视电话业务。语音业务仍然是TD集群系统中最主要的业务，有两种主要类型[3]：一是支持单工或半双工PTT按下讲话式的调度呼叫业务，支持一对—私密呼叫和—对多的组呼；二是双工通话的电话互联呼叫业务，支持移动用户之间、移动用户与公共电话网或专用电话网用户之间的通信。而移动可视电话业务是一种集图像、语音于一体的多媒体通信业务，目前主要通过电路域（CS）承载来实现[4]，具有恒定比特速率特征，但用户在使用上也有着类似分组域（PS）业务的行为特性。对于移动可视电话业务，目前还没有成熟的商用网络经验参数，但在TD集群系统上仍然有很广阔的应用前景。

1.1 业务分布特性分析

通信系统一般按话务的疏密程度将不同的区域进行分类，一般分布情况见表1。

表1 业务分布

1.2 容量目标和业务服务质量等级

参考现有集群网络的话务数据可以确定各类区域的容量目标，参考数据如表2所示。对于各类区域的用户数可以由运营商根据建网目标、各区域面积和原有集群网络用户密度来确定。对于会话类业务，反映性能的主要指标为网络拥塞率，表3列出了各类区域使用某个业务所期望的服务等级。

表2 系统容量规划

表3 不同地区使用某业务时期望的服务质量

1.3 时延

集群系统主要应用于政府、公安、交通等特殊部门或行业专网中，常用来处理一些紧急的事务，因此对时延的要求很高。语音和可视电话业务的时延要求如表4所示，其中可视电话的呼叫时延是参考公众蜂窝通信系统得到的。

表4 会话业务时延特性

1.4 业务占用系统资源需求

在TD-SCDMA系统中，一个信道是载波、时隙与扩频码的组合，也称一个基本资源单位（BRU）[6]。一个载频所能提供的最大BRU数是固定的，而不同业务占用的BRU个数则不同。表5是根据TD-SCDMA无线资源分配原理，上下行时隙分配为3∶3时，得出的会话类业务的资源占用情况。

表5 单业务资源占用表

2 TD集群语音和可视电话混合业务模型

2.1 集群通信系统信道分配方式

集群通信系统的信道分配方式可分为信息集群、发射集群和准发射集群3种[7]。信息集群是指双方在通话过程中始终占用同一个信道（信道的保留时间一般为2 s），直至通话结束释放PTT键。这种方式的无线信道不能被充分利用，效率较低。发射集群是用户每次发话时按下PTT键，系统为其分配一个信道，只要用户释放发话键，系统将立即收回该信道。也就是说，在整个通话过程中，用户所使用的不一定是同一个话音信道。这种方式优点是避免了信道资源浪费的现象，提高了信道利用率。缺点是会导致通话出现不连续和不完整[8]。而准传输集群兼顾了上述两种集群方式的优点，在传输集群方式的基础上，增加了每次松开PTT开关时信道的保留时间（一般为0.5～1 s）。这种方式信道利用率比传输集群要低，但保证了通话的完整性。

2.2 TD集群会话业务的用户平均话务量分析

TD集群系统的调度呼叫业务采用的是队列机制，即呼叫等待制。当话务信道全忙时，新发起的呼叫进入排队系统，当信道空闲后，按照FIFO的原则为呼叫申请分配信道。等待制系统比呼损制系统的信道利用率高，用户的平均话务量也不同，容量计算方法也不相同。而电话互连呼叫业务和可视电话与蜂窝移动通信系统相同。

TD集群的调度呼叫业务的话务量模型一般为：一个典型的调度通话由4个半双工传输组成，移动台A发射4 s，移动台B回答4 s，两个用户各通话2次，通话时间共计为16 s，忙时呼叫次数为1.2次。针对发射集群、准发射集群和信息集群3种集群方式，系统的平均话务量可分别取值为0.0054 Erl，0.006 Erl和0.0094 Erl。如果网络规划从严要求，也可根据实际情况进行调整。TD集群调度呼叫用户的平均忙时话务量可取值为0.0075 Erl[9]。

对于电话互联呼叫业务，可以参考公众蜂窝通信系统话音业务的平均话务量。用户忙时话务量一般为0.01～0.03 Erl，具体数值需针对不同区域、不同用户群分别预测。

由于可视电话业务还没有成熟的商用网络经验参数，每用户忙时话务量按照语音业务忙时话务量的5%～10%估算。

TD集群会话类业务忙时话务量的数据见表6，表中的业务渗透率是指经常使用该业务的用户占总用户数的比例；用户比例是用户业务通信量占整个系统业务量比例，与业务渗透率以及用户在忙时实际使用各种业务的比例有关[9-10]。

表6 TD集群会话业务忙时话务量

2.3 单基站需要承载的会话业务量

基站所承载的话务量与用户密度、基站覆盖面积、业务用户比例等参数有关，其参考取值见表7。

表7 单基站需要承载的会话业务量

2.4 TD集群混合业务容量特性分析

计算业务容量的方法主要有等效爱尔兰法、后爱尔兰法、坎贝尔（Campbell）法和随机背包算法4种[10]。由于TD集群系统所支持的业务特性不完全相同，因此不能采用上述的方法对TD集群会话业务容量进行分析。本文提出了一种新的建模方法——改进的坎贝尔算法。

2.4.1 坎贝尔算法

3G网络多业务并存，不同业务的承载速率和所需Eb/No是不同的，对系统负载产生的影响也不同。坎贝尔算法在综合考虑所有业务的基础上，构造了一个等效的业务（也被称为“中间业务”或“虚拟业务”），计算系统提供该业务的信道数和总的等效业务话务量，然后得到混合业务的容量。坎贝尔法计算式如下

其中，Ai表示第i种业务的话务量；ai表示第i种业务的单用户负载；c表示虚拟业务的容量因子；OfferedTraffic表示单用户的虚拟话务量。

2.4.2 改进的坎贝尔法算法

坎贝尔算法综合考虑了混合业务系统中各种业务量的大小以及不同业务占用信道资源的情况，计算精度比较高。由于TD集群系统针对不同业务采用了不同的呼损制度，如调度业务采用等待制，电话互联业务及可视电话则采用呼损制，使用坎贝尔算法则无法精确描述不同业务的容量需求特性，并且当以不同业务做衡量时会得到不同的容量需求。针对上述情况，本文对坎贝尔算法进行了改进，改进后算法步骤如下：

1）按照每种业务的用户比例计算实际的业务话务量；

2）电话互联业务和可视电话业务采用的是呼损制，按照等效业务算法计算这两种业务混合后的虚拟业务话务量；由于可视电话业务在会话类业务中业务量只占了很小一部分，虚拟业务话务量以电话互联业务做衡量基准来计算虚拟业务的容量需求；

3）按照条件呼损概率计算调度业务的容量需求；

4）最后通过将不同业务所需容量相加，得到会话类业务的容量需求。

2.4.3 改进坎贝尔算法的应用

1）业务实际话务量

以一般市区为例说明改进坎贝尔算法的应用，根据表7可得调度业务话务量为2.8461 Erl，电话互联业务话务量为3.2436 Erl，可视电话话务量为0.0318 Erl。按表5可知语音业务每次连接需要2个BRU，可视电话每次连接需要8个BRU。

2）电话互联业务以及可视电话业务混合虚拟业务话务量，计算如下

以电话互联业务为基准来计算虚拟业务的容量需求，参考表3得到一般市区的集群系统要求的呼损率为2%，再按照Erlang-B[11]公式得到虚拟业务需要的容量为8个连接，则所需容量为2.2×8+2≈20个BRU。

3）调度业务的容量需求

对于调度业务的容量需求的计算，按照Erlang-C[11]公式，调度业务2.8461 Erl需要8个连接，所需的容量为8×2=16个BRU。

4）会话类业务的容量需求

由上述分析结果，可得到会话类业务的容量需求为20+16=36个BRU。

2.5 改进坎贝尔算法对会话类业务容量的估算

根据会话业务的话务量，查询Erlang-B表和Er⁃lang-C表[11]，可得会话类业务所需BRU数量，从而求得基站需要的载波数量。会话类业务容量估算表见表8。

表8 会话类业务容量估算表

3 小结及展望

本文从用户行为和业务模型两个方面分析了TD集群会话类业务的话务模型。从业务类型、业务特性、集群用户分布特点、业务资源数需求等方面描述了TD集群用户的行为特性。在分析不同类型会话类业务话务量的基础上，再根据用户比例而不是单纯使用了文献[5-6]的业务渗透率来分析基站处的会话类业务量，并采用改进的坎贝尔算法估计出混合业务的容量。

随着我国自主研发的TD-SCDMA系统设备的日趋成熟和成功的商业运营，在TD-SCDMA的基础上实现数字集群移动通信系统已成为国内通信专家和通信设备制造商的研究热点。TD-SCDMA技术和集群技术的结合不仅能满足集群语音业务的特殊要求，还可承载可视电话及多媒体分组业务，但目前的研究还处于关键技术的攻坚和试验网阶段，没有实现真正的商业运营。而业务模型的建立需要对现网的数据进行大量的分析统计才能完成，因此混合业务的话务模型还没有语音业务那样的经典模型参数，容量估算的算法仍然需要不断地发展和改进。随着TD集群技术的发展和业务的使用，其业务模型中的各种业务话务量及业务渗透率等参数将会更准确，业务模型也将更完善。

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