郭俊利

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北石家莊050200）

0 引言

TETRA數(shù)字集群以其優(yōu)良的可用性和豐富的功能成為專用無線通信（PMR）領(lǐng)域的主流和熱點。國內(nèi)TETRA網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)初期用戶數(shù)量較少，往往有很大的系統(tǒng)余量，在進行系統(tǒng)設(shè)計時對容量規(guī)劃缺少足夠重視。隨著網(wǎng)內(nèi)用戶的增加，如何準(zhǔn)確估算系統(tǒng)容量，控制和節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)和運行成本成為現(xiàn)實的問題。由于缺乏專業(yè)的理論分析和成熟的工程方法，一般的做法是參照移動電話系統(tǒng)的容量規(guī)劃策略進行估算，誤差較大。移動電話系統(tǒng)的業(yè)務(wù)比較單一，而PMR的業(yè)務(wù)和功能要豐富的多，系統(tǒng)操作具有自身特點，影響PMR容量規(guī)劃的關(guān)鍵因素與移動電話系統(tǒng)存在許多差別。下面從業(yè)務(wù)統(tǒng)計模型、組呼業(yè)務(wù)與電話業(yè)務(wù)的歸一化處理、隨機接入對系統(tǒng)容量的影響、業(yè)務(wù)處理模型等方面對TETRA系統(tǒng)容量估算問題做一簡要探討。

1 TETRA的業(yè)務(wù)處理模型

在移動電話系統(tǒng)中，用戶對接入過程造成的損失和時延的容忍度比較高，在容量規(guī)劃中一般不考慮接入性能的影響;在數(shù)字集群通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務(wù)等級（GoS）對呼損和延時高度敏感，是一個不能忽視的問題。數(shù)字集群對系統(tǒng)可用性的要求也遠(yuǎn)高于移動電話系統(tǒng)，必須保障高優(yōu)先級用戶在極端話務(wù)量條件下也能正常通信，對于一般用戶，在系統(tǒng)規(guī)劃的話務(wù)量強度下也不能采取明顯呼損制進行服務(wù)。

無線通信系統(tǒng)中移動終端要經(jīng)常主動向系統(tǒng)發(fā)送消息，這種發(fā)送是一種隨機事件，這個發(fā)送過程就是隨機接入過程，在覆蓋區(qū)內(nèi)當(dāng)發(fā)送沒有沖突時，系統(tǒng)就能正確接收到這個信息（由于捕獲效應(yīng)，部分沖突發(fā)送也能被正確接收）。TETRA系統(tǒng)中這些隨機接入都是在主控信道（MCCH）的上行突發(fā)中進行的，MCCH的隨機接入信道是任何用戶接入系統(tǒng)的必然起點，MCCH被一個基站下的所有用戶終端共享，該信道的吞吐能力是決定系統(tǒng)容量的第一個瓶頸。

MCCH的隨機接入信道承載著呼叫請求（包括組呼、單呼和電話業(yè)務(wù)）、短數(shù)據(jù)（SDS）、狀態(tài)信息（包括緊急告警信息）、組附著管理、移動性管理以及注冊管理等多種消息。在這些消息中，呼叫請求需要分配業(yè)務(wù)信道，稱作語音接入;其他消息用作管理和控制，不需要分配業(yè)務(wù)信道，稱作控制接入。受到隨機接入消息幀長的限制，有些消息不能一次發(fā)送完畢，系統(tǒng)收到這些消息的接入請求后，會在隨后的接入信道上預(yù)留一個或多個接入時隙用于剩余消息的發(fā)送，這些預(yù)留時隙不會發(fā)生接入沖突，但占用接入帶寬，降低了接入信道的能力，對系統(tǒng)的容量會產(chǎn)生影響。在圖1的業(yè)務(wù)處理模型中，消息處理模塊對接入處理模塊的反饋通路表示出了預(yù)留接入時隙對隨機接入過程的影響，預(yù)留時隙的數(shù)量正比于相關(guān)原始消息的數(shù)量。

呼叫請求等業(yè)務(wù)接入消息是產(chǎn)生話務(wù)量的根源，這些消息被處理后進行業(yè)務(wù)信道的分配。TETRA系統(tǒng)的信道分配采用等待制策略，當(dāng)呼叫來臨時，如果信道資源滿足本次呼叫請求需要，系統(tǒng)將分配資源并建立通話;如果信道資源不能滿足本次呼叫的需要，本次呼叫將被放入等待隊列，直到所需資源具備后系統(tǒng)才分配資源并建立呼叫。因此，計算系統(tǒng)的話務(wù)容量時應(yīng)該使用Erlang C公式。

根據(jù)以上分析，圖1給出了單基站TETRA系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理模型，這個模型反映了隨機接入吞吐率和業(yè)務(wù)信道分配策略兩個因素對系統(tǒng)容量的影響。

圖1 業(yè)務(wù)處理模型

圖1的模型是對單基站系統(tǒng)的描述，了解了單基站的情況，對于多基站的情況，應(yīng)用現(xiàn)代話務(wù)量理論和概率論工具是不難解決的。

2 TETRA系統(tǒng)的業(yè)務(wù)統(tǒng)計模型及話務(wù)量計算

業(yè)務(wù)模型用來表示呼叫分布規(guī)律、呼叫頻度、呼叫持續(xù)時間等特征，進行系統(tǒng)容量計算時話務(wù)模型及其參數(shù)是統(tǒng)計話務(wù)量的重要依據(jù)，業(yè)務(wù)模型的建立首先需要分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點，TETRA系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點主要表現(xiàn)在如下方面:

·以組呼業(yè)務(wù)為主，組呼是一對多的半雙工通信，一次組呼包含多次發(fā)射;

·支持一對一的私密呼叫，私密呼叫可以是雙工，也可以是半雙工業(yè)務(wù);

·支持與PLMN類似的全雙工電話業(yè)務(wù);

·平均呼叫持續(xù)時間很短;

·通話具有多個優(yōu)先級;

·通話建立時，如果不具備無線資源，呼叫進行排隊等候;

·短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用MCCH的帶寬，其到達(dá)率對系統(tǒng)隨機接入能力會造成影響;

·轉(zhuǎn)換用戶組時需要向系統(tǒng)報告，轉(zhuǎn)換頻率對系統(tǒng)的隨機接入能力會造成影響;

·越區(qū)切換是由終端發(fā)起，移動性管理消息到達(dá)率會影響系統(tǒng)隨機接入能力。

通過對上述業(yè)務(wù)特點歸納出表1和表2的業(yè)務(wù)模型參數(shù)，表1是需要分配業(yè)務(wù)信道的語音參數(shù)。

表1 業(yè)務(wù)模型參數(shù)（語音業(yè)務(wù)）

TETRA系統(tǒng)中為了保證語音業(yè)務(wù)的正常操作和組呼業(yè)務(wù)的特殊需求，用戶終端還需要許多附加業(yè)務(wù)，如移動性管理和組管理，這些操作對系統(tǒng)的容量同樣會造成影響，表2給出了相應(yīng)的業(yè)務(wù)模型參數(shù)。表中的參數(shù)取值來自于軌道交通應(yīng)用的忙時統(tǒng)計結(jié)果。

根據(jù)TETRA協(xié)議的規(guī)定，表1列出的參數(shù)都對應(yīng)終端的隨機接入事件，其中部分隨機接入需要占用預(yù)留接入子時隙，相關(guān)的接入時間及所需預(yù)留時隙的數(shù)量分別為:開機注冊2個預(yù)留，小區(qū)重選2個預(yù)留，組依附1個預(yù)留，私密呼叫1個預(yù)留，電話互聯(lián)1個預(yù)留，60字節(jié)短數(shù)據(jù)消息4個預(yù)留。

表2 業(yè)務(wù)模型參數(shù)（控制業(yè)務(wù)）

根據(jù)上述業(yè)務(wù)模型參數(shù)可以分別計算出如下系統(tǒng)忙時參數(shù):每個用戶的忙時接入次數(shù)為17.397，平均忙時呼叫次數(shù)為10.9，平均通話時長為8.6s，平均忙時話務(wù)量為0.024Erl。這一模型表明了集群系統(tǒng)的特點:平均呼叫次數(shù)多，平均通話時長短。忙時接入次數(shù)是所有終端的隨機接入次數(shù)，與接入信道的容量有關(guān)，忙時平均呼叫次數(shù)是忙時接入次數(shù)的一部分，與話務(wù)量有關(guān)，產(chǎn)生對業(yè)務(wù)信道的需求。

下面將通過這一業(yè)務(wù)模型參數(shù)來計算單控制信道基站的接入容量，以及在達(dá)到系統(tǒng)最大接入容量且條件呼損B2=0.1（即10%用戶需要排隊等待服務(wù)）時的業(yè)務(wù)信道配置及平均等待時長。

3 接入分析及接入容量

TETRA標(biāo)準(zhǔn)的空中協(xié)議規(guī)定，MCCH位于第一個載頻的第一時隙，物理信道結(jié)構(gòu)按復(fù)幀循環(huán)重復(fù)，周期為1.02s，每個復(fù)幀包含18個幀，每幀包含一個MCCH時隙，每個MCCH時隙又被分為2個子時隙，因此，在一個1.02s周期內(nèi)共有36個原始接入時機。

根據(jù)建立的處理模型，接入信道中傳輸兩類消息，一類是隨機接入消息（包含重發(fā)消息），一類是預(yù)留接入消息（非隨機消息）。從給出的話務(wù)模型參數(shù)可以計算出一個小時內(nèi)隨機接入的平均次數(shù)為17.397，需要的預(yù)留接入時隙為4.4個，隨機接入時隙比例為（17.397－4.4）/17.397=74.7%，MCCH上行信道的隨機接入時機為36×74.7%=26.89個。

TETRA系統(tǒng)采用時隙ALOHA隨機接入?yún)f(xié)議，在移動通信網(wǎng)中，一般情況下都假設(shè)接入消息的到達(dá)服從泊松分布，根據(jù)已知理論，一個消息包成功發(fā)送的概率為:

接入信道的平均通過量為:

式中，P為成功發(fā)送概率，S為平均吞吐率，G為信道負(fù)荷率（包含重發(fā)負(fù)荷）。

S的最大值為1/e，約0.3678，當(dāng)超過這個值時，由于沖突的劇增系統(tǒng)開始不穩(wěn)定，因此實際系統(tǒng)規(guī)劃中S必須小于最大值。表3列出了一組典型碰撞概率對應(yīng)的平均吞吐率和信道負(fù)荷率，觀察1－P、G、S的取值可以看出三者的依賴關(guān)系和變化趨勢。

表3 碰撞概率與平均吞吐率和信道負(fù)荷率的關(guān)系

由表3可以看到，當(dāng)吞吐率達(dá)到最大值0.3679時，碰撞概率高達(dá)63%，這就意味著大多數(shù)的接入申請都要重發(fā)1次以上才能被系統(tǒng)正確接收，必然導(dǎo)致接入延時的增加。由于TETRA系統(tǒng)對通話建立時間有嚴(yán)格要求，因此一般要求碰撞概率小于10%，查表3可得到吞吐率為0.0948?？紤]到捕獲效應(yīng)有30%的貢獻(xiàn)，可以達(dá)到信道能力的12.33%。

根據(jù)上述計算，MCCH可以通過的接入次數(shù)為26.89×12.33%=3.31，也就是能夠承受的忙時接入次數(shù)為3.31×3600/1.02=11682次/h，能夠承載的用戶數(shù)為11682/17.398=672個。如果允許的最大重試次數(shù)為3次，則接入成功率為99.9%，接入損失為0.1%。

為了保證系統(tǒng)在大話務(wù)量時重要用戶和緊急呼叫的成功接入，TETRA標(biāo)準(zhǔn)的空中協(xié)議對時隙ALOHA協(xié)議進行了改進，采用了一種稱作交疊接入幀結(jié)構(gòu)（superimposed access framing structure）的策略，把接入時機劃分成幾個交疊的接入幀，每個接入幀分配一個接入碼（access code），接入碼與用戶的優(yōu)先級和接入權(quán)限相對應(yīng)，系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)整不同接入碼的接入幀頻率就能保證重要用戶和緊急呼叫的可靠接入。這種技術(shù)實際上是把接入信道分割成了幾個子信道，理論上講這種分割會降低信道的接入容量，實際上為了提高接入信道的能力，TETRA系統(tǒng)采用差別化的吞吐率控制，增加低級別用戶的接入時延，從而提高低級別子信道的吞吐率，使得整體接入容量不受影響，甚至有所提高。因此，上述估算結(jié)果是適用的。

4 業(yè)務(wù)信道配置

PMR系統(tǒng)中組呼業(yè)務(wù)占據(jù)了話音業(yè)務(wù)的較大比例，而組呼業(yè)務(wù)與電話業(yè)務(wù)有明顯的不同，建議一種有效的方法，使得電話業(yè)務(wù)和組呼業(yè)務(wù)能夠歸一化處理。

組呼業(yè)務(wù)以通話組為服務(wù)對象，每個通話組中的成員數(shù)量差異很大，而且同一個用戶可以屬于多個通話組，如果按照通話組來考察系統(tǒng)的話務(wù)量會是個非常復(fù)雜的問題。為了使這個問題得到解決，給定的業(yè)務(wù)模型中沒有以通話組為對象統(tǒng)計話務(wù)量，而是把每個用戶在參與組通話時的一次發(fā)射作為一次呼叫來統(tǒng)計用戶的平均發(fā)射次數(shù)和平均發(fā)射時間，這樣就使得組呼業(yè)務(wù)和電話業(yè)務(wù)具有了相同的話務(wù)形式。但組呼業(yè)務(wù)是半雙工通話，每次使用一個單向信道，電話業(yè)務(wù)是雙向信道，二者對信道資源的需求還存在著差異。為了解決這個問題，給定的業(yè)務(wù)模型把電話業(yè)務(wù)的呼入和呼出進行分別統(tǒng)計，這樣每個電話業(yè)務(wù)就只需要一個雙向信道;在單基站的組呼通話中，主呼一方占用一條上行信道，系統(tǒng)必然還要分配一條下行信道向其他組成員傳送話音，這樣，組呼也需要一個雙向信道。于是，在給定的業(yè)務(wù)模型下，組呼業(yè)務(wù)和電話業(yè)務(wù)的話務(wù)量就可以同等考慮了。對于私密呼叫，為了節(jié)省資源，一般情況下不允許雙工操作，同時為了簡化問題，模型中不考慮雙工情況，這樣，私密呼叫就同組呼一樣，在一個基站內(nèi)也是占用一對上下行信道。這樣，模型中的各類呼叫具有了一致的話務(wù)特性，方便了計算但不失一般性。

根據(jù)給定條件，前一節(jié)已經(jīng)計算出接入信道可以支持672個用戶，系統(tǒng)的總話務(wù)量為672×0.024=16.13Erl，平均通話時長為8.6s，要求的服務(wù)等級是90%的用戶能夠得到立即服務(wù)，10%的用戶需要排隊等待。

Erlang C服務(wù)等級的計算公式為:

式中，B2為條件呼損（即排隊概率），A為總話務(wù)量，n為信道數(shù)，γ為等待時長，B1為損失制系統(tǒng)的呼損率。

給定條件是A=17.47，B2=P（0）=0.1。

查Erlang C 表可知，22＜n＜23，T1＜0.014，T2＜0.154。即，需要業(yè)務(wù)信道23個，平均等待時長T1小于0.014×8.6=0.12s，T2小于0.154×8.6=1.3s。

也就是說，滿足給定條件需要一個6載頻基站，每個業(yè)務(wù)信道承載的話務(wù)量位0.7Erl，信道的利用率要低于移動電話系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

上述分析和計算結(jié)果表明，隨機接入信道的吞吐率是系統(tǒng)容量的第一瓶頸，用戶數(shù)量多或業(yè)務(wù)量大到某種程度時需要增加第二控制信道;受可用性和服務(wù)等級的限制，需要犧牲信道資源的利用率，同樣的話務(wù)量下數(shù)字集群系統(tǒng)需要更多的業(yè)務(wù)信道;數(shù)字集群通信系統(tǒng)特殊業(yè)務(wù)設(shè)置和系統(tǒng)可用性要求使得其空中接口協(xié)議和資源管理較公眾移動通信系統(tǒng)更為復(fù)雜。無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不僅與系統(tǒng)技術(shù)體制有關(guān)，而且與設(shè)備技術(shù)指標(biāo)也有很大關(guān)系，例如隨機接入的捕獲效應(yīng)與基站的接收機性能有著密切關(guān)系，規(guī)劃數(shù)字集群通信系統(tǒng)時了解設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)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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