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WCDMA系统混合业务下的小区容量计算
1、引言
　　伴随着GSM系统向WCDMA系统的过渡，业务也从传统的单一话音向话音、数据混合型发展。在一些发达国家的固定通信网里，数据的业务量已经超过了话音的业务量，而在目前阶段的 移动通信网络里，话音业务量仍占主导地位，如何在单一的话音网络中考虑数据业务是无线网络规划的一个重点和难点。本文从负载因子出发，利用坎贝尔算法，计算混合业务下的用户容量。
2、单一业务上行极点流量
　　单一业务上行极点容量定义为上行负载为1时的上行吞吐量，公式如下：

　　 其中W为码片速率(3840kb/s)，(Eb/No)为第j种业务要求的上行接收质量，i为其它小区对本小区干扰比，全向站情况下取55%，定向站情况下取65%，实际工程中，i因无线环境、基站布局等而有差异。
　　不同的业务，因(Eb/No)不同而极点容量不同，业务按速率分为AMR12.2kb/s话音、64kb/sCS(可视电话)、64kb/sPS数据、128kb/sPS数据、384kb/sPS数据。典型的上下行值如表1所示(因不同厂家设备而有差异)：
表1　各业务上下行典型Eb/No值

Eb/No(dB)
AMR 12.2
64 CS
64 PS
128 PS
384 PS
上行
5.5
3.8
3.5
2.5
1.8
下行
6
4.5
4
3
2
　　取其它小区干扰因子0.65，则单一业务下的上行极点容量如表2所示：
表2　单一业务下的上行极点容量
Tpole
AMR 12.2
64 CS
64 PS
128 PS
384 PS
(kb/s)
656
970
1040
1309
1538
3、负载因子
　　单个用户不同业务的上下行负载因子定义：

　　 其中Rj和Vj分别为第j种业务的速率激活因子，除话音业务激活因子一般为0.5外，其它业务为1。ā为小区的平均正交系数，取值范围在0.4～0.9(本文中取0.5)。
　　上下行单用户负载因子如表3所示：
表3　单用户上下行负载因子
单用户负载因子
AMR 12.2
64 CS
64 PS
128 PS
384 PS
上行
O.93%
6.60%
6.16%
9.78%
24.97%
下行
0.73%
5.40%
4.81%
7.65%
18.23%
　　小区上下行负载因子为各用户负载因子的合计，公式如下:

　　 其中，KUL,j表示第j种业务同时使用的上行用户数，KUL,j表示第j种业务同时使用的下行用户数，这是因为分组数据业务中，用户上下行速率通常是不对称的。
　　在WCDMA中，小区负载因子是无线网络规划中的重要指标。对以满足覆盖为主要目的小区，上行负载因子一般按20%～40%考虑，对以满足容量为主要目的的小区，上行负载因子一般按40%～60%考虑。
　　当上行负载为50%时，单一业务对应的上行业务量如表4所示：
表4　单一业务对应的上行业务量
单一业务50%
上行负载
AMR 12.2
64 CS
64 PS
128 PS
384 PS
同时通信用户数
53.8
7.6
8.1
5.1
2.O
上行业务流量kb/s
328.O
485.1
519.8
654.4
768.8
下行负载
39%
41%
39%
39%
36%

4、小区用户容量
　　对于单一的电路域业务(话音、可视电话)，可以用爱尔兰B计算爱尔兰、信道数、呼损之间的关系。当计算混合电路域业务，有等效爱尔兰、后验爱尔兰、坎贝尔法，比较常用的是坎贝尔法。
　　当考虑数据业务后，容量计算变得更复杂，目前还没有一个公认的方法进行计算。参考GSM网络中对GPRS容量的计算方式，在计算混合电路域业务容量后，根据坎贝尔信道和坎贝尔爱尔兰之差计算数据业务的平均速率。
　　坎贝尔法是将多个电路域业务等效到一种基本参考业务上，各种业务等效后的业务强度为：

　　 j表示第j种电路域业务，r表示参考的基本业务。
　　坎贝尔信道表示为：

　　 tj表示第j种业务的业务量，单位为爱尔兰。

　　在只有一种业务的情况下，坎贝尔信道等于业务强度。
　　小区坎贝尔信道数为：

，Nr表示参考的基本业务信道数。
　　小区坎贝尔容量通过爱尔兰B公式确定，表示为Tc=ErlangB(Nc，Gos)，Gos表示要求的呼损。
　　坎贝尔容量对应的用户数：

　　 λj和ej分别表示第j种电路域业务的用户比例和单用户行为。
　　坎贝尔信道利用率则为ηc=Tc/Nc。
　　对于数据业务，可以利用剩余坎贝尔信道进行，根据平均延时要求和爱尔兰C模型，将剩余信道同上下行负载因子结合，计算能支持的上下行分组数据的平均速率。
5、计算举例
　　单用户行为分电路域和分组域业务行为，电路域用户忙时行为可以参考现有网络统计，用户行为假定如表5所示：
表5　电路域用户忙时行为

时呼叫次数(BHCA)
忙时每次呼叫持续时间(BHHT)
忙时业务量(Erl)
AMR 12.2
1
90
O.025
CS 64
O.15
90
O.0038

　　分组域用户行为通常采用Pareto模型，Pareto模型描述数据业务的三层模型，模型如图1所示：

图1　Pareto业务模型示意
　　典型参数如表6所示：
表6　分组业务模型的典型参数
Packet Traffic Parameters
Mean Packet Size
480 bytes
Mean Packet calls/session
12
Reading time between calls
112 seconds
Mean number of packets in a call
1O
Mean Packet interarrival fime
O.8 seconds
　　分组业务行为最终可以用忙时每用户上下行的业务量(kbytes)表示。由于目前没有实际统计数据，忙时上下行业务行为分别按200kbytes和800kbytes假定。
　　对于电路域业务，因话音用户比例的不同和小区要求的上行负载不同，其容量有所差异。这里以话音用户占总电路域用户的比例作为变量进行研究，研究在25%和50%上行负载要求的情况下，小区的容量性能。
　　小区承载的各种爱尔兰与话音用户的比例关系如图2所示(考虑了30%的软切换比例)。

图2　爱尔兰与话音用户的比例的关系
　　从图2中可见，当只有CS64业务时，坎贝尔爱尔兰等于CS64业务爱尔兰，当只有话音业务时，坎贝尔爱尔兰等于话音业务爱尔兰。
　　在80%的话音业务情况下，25%上行负载要求时能支持的坎贝尔、话音业务、CS64分别为3.6、6.5、0.24爱尔兰，50%上行负载要求时能支持的坎贝尔、话音业务、CS64分别为10.7、19.2、0.72爱尔兰。
　　只有话音业务时，25%和50%上行负载对应的爱尔兰分别是13.2和32。
　　坎贝尔信道利用率如图3所示：

图3　坎贝尔信道利用率与话音用户的比例的关系
　　坎贝尔信道利用率随上行负载因子和话音用户比例的增加而增加。
　　在80%的话音业务情况下，25%和50%上行负载对应的利用率分别为45%和62%。
　　每小区支持的电路域用户数如图4所示：

图4　小区电路域用户数与话音用户比例的关系
　　在80%的话音业务情况下，25%和50%上行负载对应的电路域用户数分别为327和960；当全为话音业务时，25%和50%上行负载对应的电路域用户数分别为527和1277。
　　根据坎贝尔信道利用率和要求的小区负载，分组数据业务允许的平均上行负载因子公式为ηUL、P=ηUl(1-ηC)/(1+SHO)/2，ηUL为设计要求的上行负载，SHO为软切换比例，分组数据业务允许的上行负载因子变化如图5所示：

图5　允许的上行数据业务负载因子与话音用户比例的关系
　　在小区设计中，上下行负载因子要求是不一样的，下行负载因子一般要求不大于75%。
　　在70%的下行负载因子情况下，计算分组数据业务允许的平均下行负载因子，如图6所示：

图6　平均允许的下行数据业务负载因子与话音用户比例的关系

　　上行以64kb/s业务为例，在25%和50%负载，电路域80%为话音用户情况下，允许的负载因子分别为5.3%和7.2%，对应的平均速率为55kb/s和75kb/s。支持的上行数据流量为忙时15592kb和21262kb(考虑10%的重传率，以及30%三层数据映射到物理层的开销)对应的用户数分别为78和106。
　　下行以128kb/s业务为例，最大允许下行负载70%时，电路域80%为话音用户情况下，在25%和50%上行负载情况下，允许的数据负载因子分别为23.5%和17.4%，对应的平均速率为393kb/s和298kb/s。支持的上行数据流量为忙时111415kb和84483kb(考虑10%的重传率，以及30%三层数据映射到物理层的开销)，对应的用户数分别为139和105。
6、小结
　　本文通过对混合业务的分析、假设和计算，得到在不同的话音用户比例及不同上行负载要求情况下，小区容量的变化。
　　由于混合业务的复杂性，特别是电路域业务和分组域业务有很大的差异，用户数据业务行为还不确定等，因此，混合业务特性还有待进一步的研究，还有待通过网络仿真和实际网络的测试取得经验，指导实际网络的规划和部署。