数字集群通信系统的接入分析与容量估算

郭俊利

（河北远东通信系统工程有限公司，河北石家庄050200）

0 引言

TETRA数字集群以其优良的可用性和丰富的功能成为专用无线通信（PMR）领域的主流和热点。国内TETRA网络在建设初期用户数量较少，往往有很大的系统余量，在进行系统设计时对容量规划缺少足够重视。随着网内用户的增加，如何准确估算系统容量，控制和节约系统建设和运行成本成为现实的问题。由于缺乏专业的理论分析和成熟的工程方法，一般的做法是参照移动电话系统的容量规划策略进行估算，误差较大。移动电话系统的业务比较单一，而PMR的业务和功能要丰富的多，系统操作具有自身特点，影响PMR容量规划的关键因素与移动电话系统存在许多差别。下面从业务统计模型、组呼业务与电话业务的归一化处理、随机接入对系统容量的影响、业务处理模型等方面对TETRA系统容量估算问题做一简要探讨。

1 TETRA的业务处理模型

在移动电话系统中，用户对接入过程造成的损失和时延的容忍度比较高，在容量规划中一般不考虑接入性能的影响;在数字集群通信系统中，系统服务等级（GoS）对呼损和延时高度敏感，是一个不能忽视的问题。数字集群对系统可用性的要求也远高于移动电话系统，必须保障高优先级用户在极端话务量条件下也能正常通信，对于一般用户，在系统规划的话务量强度下也不能采取明显呼损制进行服务。

无线通信系统中移动终端要经常主动向系统发送消息，这种发送是一种随机事件，这个发送过程就是随机接入过程，在覆盖区内当发送没有冲突时，系统就能正确接收到这个信息（由于捕获效应，部分冲突发送也能被正确接收）。TETRA系统中这些随机接入都是在主控信道（MCCH）的上行突发中进行的，MCCH的随机接入信道是任何用户接入系统的必然起点，MCCH被一个基站下的所有用户终端共享，该信道的吞吐能力是决定系统容量的第一个瓶颈。

MCCH的随机接入信道承载着呼叫请求（包括组呼、单呼和电话业务）、短数据（SDS）、状态信息（包括紧急告警信息）、组附着管理、移动性管理以及注册管理等多种消息。在这些消息中，呼叫请求需要分配业务信道，称作语音接入;其他消息用作管理和控制，不需要分配业务信道，称作控制接入。受到随机接入消息帧长的限制，有些消息不能一次发送完毕，系统收到这些消息的接入请求后，会在随后的接入信道上预留一个或多个接入时隙用于剩余消息的发送，这些预留时隙不会发生接入冲突，但占用接入带宽，降低了接入信道的能力，对系统的容量会产生影响。在图1的业务处理模型中，消息处理模块对接入处理模块的反馈通路表示出了预留接入时隙对随机接入过程的影响，预留时隙的数量正比于相关原始消息的数量。

呼叫请求等业务接入消息是产生话务量的根源，这些消息被处理后进行业务信道的分配。TETRA系统的信道分配采用等待制策略，当呼叫来临时，如果信道资源满足本次呼叫请求需要，系统将分配资源并建立通话;如果信道资源不能满足本次呼叫的需要，本次呼叫将被放入等待队列，直到所需资源具备后系统才分配资源并建立呼叫。因此，计算系统的话务容量时应该使用Erlang C公式。

根据以上分析，图1给出了单基站TETRA系统的业务处理模型，这个模型反映了随机接入吞吐率和业务信道分配策略两个因素对系统容量的影响。

图1 业务处理模型

图1的模型是对单基站系统的描述，了解了单基站的情况，对于多基站的情况，应用现代话务量理论和概率论工具是不难解决的。

2 TETRA系统的业务统计模型及话务量计算

业务模型用来表示呼叫分布规律、呼叫频度、呼叫持续时间等特征，进行系统容量计算时话务模型及其参数是统计话务量的重要依据，业务模型的建立首先需要分析系统的业务特点，TETRA系统的业务特点主要表现在如下方面:

·以组呼业务为主，组呼是一对多的半双工通信，一次组呼包含多次发射;

·支持一对一的私密呼叫，私密呼叫可以是双工，也可以是半双工业务;

·支持与PLMN类似的全双工电话业务;

·平均呼叫持续时间很短;

·通话具有多个优先级;

·通话建立时，如果不具备无线资源，呼叫进行排队等候;

·短数据业务占用MCCH的带宽，其到达率对系统随机接入能力会造成影响;

·转换用户组时需要向系统报告，转换频率对系统的随机接入能力会造成影响;

·越区切换是由终端发起，移动性管理消息到达率会影响系统随机接入能力。

通过对上述业务特点归纳出表1和表2的业务模型参数，表1是需要分配业务信道的语音参数。

表1 业务模型参数（语音业务）

TETRA系统中为了保证语音业务的正常操作和组呼业务的特殊需求，用户终端还需要许多附加业务，如移动性管理和组管理，这些操作对系统的容量同样会造成影响，表2给出了相应的业务模型参数。表中的参数取值来自于轨道交通应用的忙时统计结果。

根据TETRA协议的规定，表1列出的参数都对应终端的随机接入事件，其中部分随机接入需要占用预留接入子时隙，相关的接入时间及所需预留时隙的数量分别为:开机注册2个预留，小区重选2个预留，组依附1个预留，私密呼叫1个预留，电话互联1个预留，60字节短数据消息4个预留。

表2 业务模型参数（控制业务）

根据上述业务模型参数可以分别计算出如下系统忙时参数:每个用户的忙时接入次数为17.397，平均忙时呼叫次数为10.9，平均通话时长为8.6s，平均忙时话务量为0.024Erl。这一模型表明了集群系统的特点:平均呼叫次数多，平均通话时长短。忙时接入次数是所有终端的随机接入次数，与接入信道的容量有关，忙时平均呼叫次数是忙时接入次数的一部分，与话务量有关，产生对业务信道的需求。

下面将通过这一业务模型参数来计算单控制信道基站的接入容量，以及在达到系统最大接入容量且条件呼损B2=0.1（即10%用户需要排队等待服务）时的业务信道配置及平均等待时长。

3 接入分析及接入容量

TETRA标准的空中协议规定，MCCH位于第一个载频的第一时隙，物理信道结构按复帧循环重复，周期为1.02s，每个复帧包含18个帧，每帧包含一个MCCH时隙，每个MCCH时隙又被分为2个子时隙，因此，在一个1.02s周期内共有36个原始接入时机。

根据建立的处理模型，接入信道中传输两类消息，一类是随机接入消息（包含重发消息），一类是预留接入消息（非随机消息）。从给出的话务模型参数可以计算出一个小时内随机接入的平均次数为17.397，需要的预留接入时隙为4.4个，随机接入时隙比例为（17.397－4.4）/17.397=74.7%，MCCH上行信道的随机接入时机为36×74.7%=26.89个。

TETRA系统采用时隙ALOHA随机接入协议，在移动通信网中，一般情况下都假设接入消息的到达服从泊松分布，根据已知理论，一个消息包成功发送的概率为:

接入信道的平均通过量为:

式中，P为成功发送概率，S为平均吞吐率，G为信道负荷率（包含重发负荷）。

S的最大值为1/e，约0.3678，当超过这个值时，由于冲突的剧增系统开始不稳定，因此实际系统规划中S必须小于最大值。表3列出了一组典型碰撞概率对应的平均吞吐率和信道负荷率，观察1－P、G、S的取值可以看出三者的依赖关系和变化趋势。

表3 碰撞概率与平均吞吐率和信道负荷率的关系

由表3可以看到，当吞吐率达到最大值0.3679时，碰撞概率高达63%，这就意味着大多数的接入申请都要重发1次以上才能被系统正确接收，必然导致接入延时的增加。由于TETRA系统对通话建立时间有严格要求，因此一般要求碰撞概率小于10%，查表3可得到吞吐率为0.0948。考虑到捕获效应有30%的贡献，可以达到信道能力的12.33%。

根据上述计算，MCCH可以通过的接入次数为26.89×12.33%=3.31，也就是能够承受的忙时接入次数为3.31×3600/1.02=11682次/h，能够承载的用户数为11682/17.398=672个。如果允许的最大重试次数为3次，则接入成功率为99.9%，接入损失为0.1%。

为了保证系统在大话务量时重要用户和紧急呼叫的成功接入，TETRA标准的空中协议对时隙ALOHA协议进行了改进，采用了一种称作交叠接入帧结构（superimposed access framing structure）的策略，把接入时机划分成几个交叠的接入帧，每个接入帧分配一个接入码（access code），接入码与用户的优先级和接入权限相对应，系统通过动态调整不同接入码的接入帧频率就能保证重要用户和紧急呼叫的可靠接入。这种技术实际上是把接入信道分割成了几个子信道，理论上讲这种分割会降低信道的接入容量，实际上为了提高接入信道的能力，TETRA系统采用差别化的吞吐率控制，增加低级别用户的接入时延，从而提高低级别子信道的吞吐率，使得整体接入容量不受影响，甚至有所提高。因此，上述估算结果是适用的。

4 业务信道配置

PMR系统中组呼业务占据了话音业务的较大比例，而组呼业务与电话业务有明显的不同，建议一种有效的方法，使得电话业务和组呼业务能够归一化处理。

组呼业务以通话组为服务对象，每个通话组中的成员数量差异很大，而且同一个用户可以属于多个通话组，如果按照通话组来考察系统的话务量会是个非常复杂的问题。为了使这个问题得到解决，给定的业务模型中没有以通话组为对象统计话务量，而是把每个用户在参与组通话时的一次发射作为一次呼叫来统计用户的平均发射次数和平均发射时间，这样就使得组呼业务和电话业务具有了相同的话务形式。但组呼业务是半双工通话，每次使用一个单向信道，电话业务是双向信道，二者对信道资源的需求还存在着差异。为了解决这个问题，给定的业务模型把电话业务的呼入和呼出进行分别统计，这样每个电话业务就只需要一个双向信道;在单基站的组呼通话中，主呼一方占用一条上行信道，系统必然还要分配一条下行信道向其他组成员传送话音，这样，组呼也需要一个双向信道。于是，在给定的业务模型下，组呼业务和电话业务的话务量就可以同等考虑了。对于私密呼叫，为了节省资源，一般情况下不允许双工操作，同时为了简化问题，模型中不考虑双工情况，这样，私密呼叫就同组呼一样，在一个基站内也是占用一对上下行信道。这样，模型中的各类呼叫具有了一致的话务特性，方便了计算但不失一般性。

根据给定条件，前一节已经计算出接入信道可以支持672个用户，系统的总话务量为672×0.024=16.13Erl，平均通话时长为8.6s，要求的服务等级是90%的用户能够得到立即服务，10%的用户需要排队等待。

Erlang C服务等级的计算公式为:

式中，B2为条件呼损（即排队概率），A为总话务量，n为信道数，γ为等待时长，B1为损失制系统的呼损率。

给定条件是A=17.47，B2=P（0）=0.1。

查Erlang C 表可知，22＜n＜23，T1＜0.014，T2＜0.154。即，需要业务信道23个，平均等待时长T1小于0.014×8.6=0.12s，T2小于0.154×8.6=1.3s。

也就是说，满足给定条件需要一个6载频基站，每个业务信道承载的话务量位0.7Erl，信道的利用率要低于移动电话系统。

5 结束语

上述分析和计算结果表明，随机接入信道的吞吐率是系统容量的第一瓶颈，用户数量多或业务量大到某种程度时需要增加第二控制信道;受可用性和服务等级的限制，需要牺牲信道资源的利用率，同样的话务量下数字集群系统需要更多的业务信道;数字集群通信系统特殊业务设置和系统可用性要求使得其空中接口协议和资源管理较公众移动通信系统更为复杂。无线通信系统网络规划不仅与系统技术体制有关，而且与设备技术指标也有很大关系，例如随机接入的捕获效应与基站的接收机性能有着密切关系，规划数字集群通信系统时了解设备的技术指标也很重要。

[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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