GPRS/EDGE無線信道配置方法

1、引言

隨著GPRS/EDGE技術(shù)的出現(xiàn)，GSM網(wǎng)絡(luò)不僅增加了對內(nèi)容更豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持，如視頻，更重要的是提供了對非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持，如WWW、WAP、FTP等。

從技術(shù)角度講，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的無線資源占用問題，無論是在時(shí)分系統(tǒng)還是在碼分系統(tǒng)中，都尚未得到很好的解決。這有3方面原因：首先，分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對誤塊率（BLER）敏感，而BLER與信噪比（SIR）的關(guān)系又使得分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能與無線環(huán)境和用戶移動(dòng)性都相關(guān)，目前的網(wǎng)絡(luò)側(cè)統(tǒng)計(jì)手段還不能準(zhǔn)確得到覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶分布和電平分布；其次，目前的無線分組數(shù)據(jù)通信尚不能提供業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障，沒有辦法統(tǒng)一和考量接納控制與分組調(diào)度算法的效率，在接入優(yōu)先還是性能優(yōu)先的問題上不同設(shè)備制造商的研發(fā)思路有很大差異；第三，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性在蜂窩小區(qū)的范圍內(nèi)難以像語音業(yè)務(wù)那樣產(chǎn)生穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)形態(tài)，分組到達(dá)的模型不能被準(zhǔn)確描述。

具體到GPRS/EDGE，無線信道資源計(jì)算的難點(diǎn)又體現(xiàn)在每個(gè)用戶可以使用多個(gè)無線時(shí)隙（時(shí)隙的個(gè)數(shù)主要由終端能力和網(wǎng)絡(luò)側(cè)無線資源管理（RRM）算法決定，還可能與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和業(yè)務(wù)類型有關(guān)），每個(gè)時(shí)隙可以同時(shí)服務(wù)于多個(gè)用戶（“同時(shí)”的概念是指每一個(gè)用戶都還在等待屬于自己的數(shù)據(jù)塊），每個(gè)用戶在相同的時(shí)隙上進(jìn)行不同的應(yīng)用。

因此研究承載多種業(yè)務(wù)的GPRS/EDGE模型，推導(dǎo)出多業(yè)務(wù)情況下的無線資源占用情況，優(yōu)化無線資源配置是一項(xiàng)具有相當(dāng)難度的任務(wù)。

2、常見信道配置方法

目前，語音業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中使用較多的Erlang B公式來自于多服務(wù)者損失制系統(tǒng)，即用戶發(fā)現(xiàn)線路忙后馬上離開；Erlang C公式來自于多服務(wù)者等待制系統(tǒng)，即用戶進(jìn)入系統(tǒng)后一直等到服務(wù)完成才離開。分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通常都有數(shù)據(jù)緩存區(qū)的存在，上層的分組包在下層遇到“阻塞”，并不會(huì)像語音業(yè)務(wù)那樣馬上“離開”，而是進(jìn)入緩存區(qū)排隊(duì)，等到資源空閑的時(shí)候再被傳送；但緩沖區(qū)有一定的大小，也就是隊(duì)伍有一定的長度，在達(dá)到隊(duì)伍最大長度后，分組數(shù)據(jù)包被丟棄或拒絕。因此，嚴(yán)格來說，這兩個(gè)公式都不適用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

不少研究機(jī)構(gòu)結(jié)合馬爾科夫過程，按照Erlang公式的推導(dǎo)過程重新推導(dǎo)適用GPRS/EDGE的公式。如巴黎大學(xué)的Bruno　Baynat和北電公司的Pierre Eisenmann的類厄蘭公式（Erlang-like），Nokia和西班牙Malaga大學(xué)的Timo Halonen等人的等效因子法，上海交通大學(xué)通信研究所的許健華等人提出的多維馬爾科夫模型法。

這些方法都基于馬爾科夫過程，因此均要求滿足如下假定：被服務(wù)事件到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布，并且每個(gè)事件相互獨(dú)立的到達(dá)系統(tǒng)，用戶的到達(dá)為一個(gè)泊松流；系統(tǒng)為每個(gè)到達(dá)事件服務(wù)的時(shí)間也服從負(fù)指數(shù)分布。

類厄朗法在給定GPRS時(shí)隙數(shù)（推導(dǎo)在靜態(tài)GPRS信道中進(jìn)行）、終端時(shí)隙能力、小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)、空中編碼格式、LLC數(shù)據(jù)包大小、兩次數(shù)據(jù)傳送時(shí)間間隔（Inter-session時(shí)長）這些值后可以計(jì)算出信道利用率、阻塞率Pr和平均（每用戶）吞吐量等指標(biāo)。

減少因子法給定分配給連接的時(shí)隙數(shù)Nu和系統(tǒng)時(shí)隙數(shù)Ns，可以得到減少因子RF與系統(tǒng)資源平均利用率U的關(guān)系曲線，用戶吞吐量則等于分配給該用戶的時(shí)隙數(shù)×時(shí)隙容量×減少因子RF。

多維馬爾科夫模型給定小區(qū)的總業(yè)務(wù)信道數(shù)、GPRS靜態(tài)信道數(shù)、分組呼叫的最長隊(duì)列、空中編碼格式、傳輸誤碼率、終端時(shí)隙能力、小區(qū)中接入的語音呼叫數(shù)、分組呼叫數(shù)、等待隊(duì)列中的分組呼叫數(shù)，這些參數(shù)后，可以分別推導(dǎo)出固定資源分配方案（FRA）和動(dòng)態(tài)資源分配方案（DRA）的分組呼叫的阻塞率和切換失敗率、語音呼叫的阻塞率和切換失敗率、總的呼叫阻塞率和切換失敗率、分組平均傳輸速率。

這些方法考慮了不同數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)條件，上海交大的模型最全面，不僅考慮了動(dòng)態(tài)信道，還考慮了緩沖區(qū)大小，可以建立和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)最接近的模型，但另一方面由于涉及的網(wǎng)絡(luò)條件太多，計(jì)算過程也相對復(fù)雜了很多，每個(gè)條件都有可能改變，很難像Erlang B表一樣用簡單的表格就描述清楚各種條件之間的相互關(guān)系；其次，某些網(wǎng)絡(luò)條件通過現(xiàn)在的手段很難采集，如空中編碼格式，和小區(qū)的C/I關(guān)系很大，同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)終端都在用什么編碼格式很難統(tǒng)計(jì)；第三，某些條件還和設(shè)備廠家的策略有關(guān)系，如愛立信設(shè)備按照：PSET為單位分配資源，而不是單個(gè)信道，部分參數(shù)通用性不強(qiáng)；最后，即使考慮了這么多參數(shù)，小區(qū)切換導(dǎo)致的吞吐量下降、連續(xù)小包傳送和連續(xù)大包傳送的吞吐量有明顯區(qū)別這類典型現(xiàn)象還是無法在模型中體現(xiàn)出來。

總的來說，這類方法工程應(yīng)用比較繁瑣，實(shí)用價(jià)值不高，但非常適合在實(shí)驗(yàn)室研究，配合仿真找到系統(tǒng)最佳性能參數(shù)，如分組包緩沖區(qū)大小，各類定時(shí)器時(shí)長等。

另一群研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為由于緩沖區(qū)的存在和用戶能夠容忍一定程度的延時(shí)，丟棄的包可以被重傳，通過時(shí)間換空間，瞬時(shí)的峰值可以被近似平均處理，Erlang B公式仍然適用。他們同時(shí)注意到，分組業(yè)務(wù)系統(tǒng)有硬擁塞和軟擁塞的區(qū)別：硬擁塞在系統(tǒng)無空閑資源可分配時(shí)，系統(tǒng)拒絕新請求接入，確保已接入者的性能；軟擁塞在系統(tǒng)無空閑資源時(shí)，系統(tǒng)將已分配的資源再次分配給新來者，讓其共享資源，確保接入，但每個(gè)用戶的性能無法保證。因此，研究重點(diǎn)應(yīng)該放在不同業(yè)務(wù)對資源的不同需求上，重點(diǎn)解決系統(tǒng)軟擁塞問題。

目前較常見的有等效厄蘭（Equivalent Erlangs）法、后厄蘭（Post Erlang-B）法、坎貝爾法（Compell’s Theorem）。

等效厄朗法根據(jù)每呼叫占用信道最少的業(yè)務(wù)和根據(jù)每呼叫占用信道最多的業(yè)務(wù)計(jì)算的結(jié)果區(qū)別非常大。

后厄朗法計(jì)算的結(jié)果明顯偏大，有巨大的信道效率可提高。

坎貝爾方法則給定了一個(gè)中等大小的區(qū)間，不同的業(yè)務(wù)需要不同的容量，這與實(shí)際情況相符，是最合理的方法。

3、坎貝爾方法介紹

坎貝爾方法已在WCDMA的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中普遍使用，得到的計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)仿真出入較小，計(jì)算過程也比較簡單，適合在工程中使用。計(jì)算的關(guān)鍵是引入了業(yè)務(wù)資源強(qiáng)度概念，不同業(yè)務(wù)對無線資源的占用情況不同，高速業(yè)務(wù)占用資源較多，低速業(yè)務(wù)占用資源量較小，坎貝爾模型定義業(yè)務(wù)資源強(qiáng)度來反映不同業(yè)務(wù)對無線資源的占用情況。

根據(jù)E，查Erlang B表得到的虛擬信道數(shù)nx

需要的信道數(shù)n=nxAx+Ai（由于不同業(yè)務(wù)的Ai不同，n是一個(gè)區(qū)間）。

4、坎貝爾方法在GPRS/EDGE系統(tǒng)中應(yīng)用

將坎貝爾方法引入到GPRS/EDGE系統(tǒng)中，關(guān)鍵是如何確定各業(yè)務(wù)資源強(qiáng)度和各業(yè)務(wù)的話務(wù)量。

可以如下定義這兩個(gè)參數(shù)：

在此定義下，資源強(qiáng)度Ai的含義是業(yè)務(wù)i在獲得期望帶寬（即規(guī)劃帶寬）的情況下，每呼叫占用的信道數(shù)。話務(wù)量Ei則是用期望帶寬速率傳送完業(yè)務(wù)i忙時(shí)流量的時(shí)間比例。

有了上述定義，那么

可以看出總話務(wù)量E是忙時(shí)總流量和單信道平均帶寬的商。無線數(shù)據(jù)塊方法可以從側(cè)面驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

GSM/GPRS系統(tǒng)中每個(gè)載頻上的比特流都被均勻劃分成持續(xù)4.615ms的TDMA幀。PDCH的組織采用52幀復(fù)幀結(jié)構(gòu)，因此一個(gè)GPRS復(fù)幀的傳輸周期是52×4.615ms=240ms。邏輯信道被動(dòng)態(tài)映射到52幀復(fù)幀中，該復(fù)幀被劃分為12個(gè)復(fù)幀塊（B0～B11）、2個(gè)空閑幀和2個(gè)PTCCH幀，每塊有4幀，每幀有8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙攜帶一個(gè)突發(fā)，如圖1所示。

圖1　52幀復(fù)幀結(jié)構(gòu)

因此，一個(gè)無線數(shù)據(jù)塊（復(fù)幀塊）的傳輸周期是：240ms÷12=20ms。

由此數(shù)據(jù)話務(wù)量可以定義如下：

數(shù)據(jù)話務(wù)量=（忙時(shí)無線數(shù)據(jù)塊的總數(shù)量×0.02s）/忙時(shí)持續(xù)時(shí)間（s）

以某地區(qū)GSM網(wǎng)絡(luò)OMC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，采用這兩種方法分別計(jì)算，對結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)區(qū)別并不大。因此，這樣定義是完全可行的。

對于期望帶寬，可以參考3GPP相關(guān)文獻(xiàn)中對典型業(yè)務(wù)的建議值，終端用戶性能期望——交流/實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)如下：

TSG-SA工作組1會(huì)議，北京，10-14/4/2000修訂。

表1　3GPP業(yè)務(wù)分類

表2　3GPP網(wǎng)絡(luò)性能推薦值

同時(shí)參考IBM在此方面的研究結(jié)論，IBM這些結(jié)論通過主觀評分的方式經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

再結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)情況，最終確定用戶對所有GPRS業(yè)務(wù)期望帶寬如下：

WAP業(yè)務(wù)的需求是，在1s完成750byte的傳輸，即6kbit/s帶寬；WWW業(yè)務(wù)的需求是按照資源能力規(guī)劃，取帶寬25kbit/s；SMTP、POP3業(yè)務(wù)的需求是20kbit/s的帶寬；某種VoIP業(yè)務(wù)的需求是5kbit/s的帶寬；其他業(yè)務(wù)不知道業(yè)務(wù)特征提供5kbit/s的帶寬，考慮現(xiàn)網(wǎng)中的商業(yè)應(yīng)用帶寬需求很小。

終端最終能夠獲得的帶寬，不僅受到無線信道的限制，還受到其他因素的限制，最大上限帶寬=單信道帶寬×終端捆綁信道數(shù)/信道共享用戶數(shù)。因此，系統(tǒng)按照坎貝爾方法配置了信道后，少量捆綁能力不強(qiáng)的終端仍不能夠獲得期望值大小的帶寬。為了盡可能讓終端能獲得期望帶寬，還需要針對具體的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備性能，調(diào)整信道允許最大共享用戶數(shù)等參數(shù)。另一方面，由于坎貝爾方法完全從軟擁塞的角度推導(dǎo)需要的信道數(shù)，沒有考慮硬擁塞，調(diào)整參數(shù)過程中，還要綜合考慮小區(qū)的其他擁塞指標(biāo)，對配置信道數(shù)微調(diào)。

5、總結(jié)

通過上述的比較可以看出，坎貝爾方法雖然不是十分完美，但其充分考慮了不同業(yè)務(wù)對資源不同需求的特點(diǎn)，解決了系統(tǒng)軟擁塞問題，計(jì)算過程也相對比較簡單，工程中比較實(shí)用，是GPRS/EDGE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中優(yōu)選的方案。