升级到GPRS后的GSM网业务接入能力分析

  为适应社会对高速移动IP业务的需求,GSM标准组织发展了分组无线数据业务——GPRS,它不仅能在无线信道上提供9.05~171.2 kbit/s的可变速率,更实现了无线信道上数据分组传送,在现有电路交换网络中引入了分组网,为GSM运营者由仅提供话音业务向提供综合信息服务业务领域拓展提供了重要的网络平台,并为GSM网向第三代演进打下了基础。引入GPRS后的用M网在传统话音接入基础上,提供了分组数据的接入,对现有频谱下话音及数据等综合业务接入能力的分析有利于GPRS升级时综合考虑业务与网络的同步发展,从而为GPRS大规模应用的规划和设计提供合理的理论指导。
  
  1 现有频谱下GSM话音频谱效率分析
  GSM蜂窝系统的频谱效率定义为单位面积单位频带所能容纳的话务量或用户数,单位分别为Erl(km2•MHz),或户/(km2•MHz),它是衡量通信系统业务接入能力的重要指标。GSM蜂窝系统的频谱效率可表示为调制效率ηm。及多址效率ηMA的乘积即η=ηm×ηMA。其中,ηm=(B/Bc)/H/BNA=H/BcNA,式中:B——系统可用的总带宽(MHz);Bc——话音信道带宽或信道间隔(MHz);H——每信道的话务量(Erl);N——簇蜂窝内的小区个数;A——小区的面积km2)。
  
  ηMA接入效率主要取决于业务信道及公共控制信道的比例,GSM可达到0.9。
  
  (1)常规4×3频率复用方式
  
  H为0.7Erl/TCH,Bc为0.025MHz,常规4×3小区复用下N取值为12,A在正六边形蜂窝结构小区面积为2.6R2/3,目前,城区基站间间距一般可达5mm,即D=5mm,可计算小区半径R=D/3 =500/1.73=289m。
  
  根据上述取值,可计算GSM蜂窝系统的话音频谱效率:η=0.7×0.9/(0.025×12×2.6×0.5×0.5/3/3)=29.1Erl/(km2•MHz),以平均每用户忙时话务量取0.02Erl,则单位面积单位频带所能容纳的用户数为1454户/(km2•M比)。
  
  (2)采用MRP、1×3、IU0等频率复用方式
  
  MRP紧密频率复用的频率复用度可达7×8,1×3频率复用方式的频率复用度可达7,IU0智能同心圆技术的频率复用度可达8~10。
  
  目前网上采用较多的是MRP紧密频率复用及1×3频率复用方式,为计算采用频率紧密复用后的频谱效率,可取复用度为8,则η=29.1×12/8=43.6Erl/(km2•MHz),以平均每用户忙时话务量取0.02Erl,则单位面积单位频带所能容纳的用户数为2181户/(km2•MHz)。
  
  中国移动在模拟网退网后频谱宽度达29MHz,则目前GSM网能接入的最大话务密度为1265 Erl/km2(采用紧密频率复用方式),最大用户密度为63242户/km2。
  
  上述分析只是针对宏蜂窝,当采用微蜂窝方式,由于可实现更密集的频率复用,如果对网络精心规划,部分地区的话务量吸收会超过上述分析值。
  
  2 GPRS引入后GSM话音频谱效率的损失及数据业务频谱效率
  GSM网升级到GPRS,在无线接口上数据业务信道分配方式可采用固定分配、全动态分配、固定及动态分配结合等三种方式。目前手机支持能力为IU+3D、1U+4D,如果无线接口数据业务信道分配方式采用固定及动态分配结合方式,即GPRS升级的每小区固定分配一个数据业务信道,2~3个业务信道根据网络话务情况采用动态分配方式,可计算话音频谱效率的损失及新增的数据业务接入能力。
  
  以目前网上基站常用配置S6/6/6为典型,每小区6个载频共44个TCH信道,定义其中一个TCH为PDCH,则每小区话音信道损失为1/44=2.3%,话务损失约为2.3%。
  
  下面分析每小区固定分配1个数据业务信道,根据网络话务情况2~3个业务信道采用动态分配方式的情况下,新增数据业务的接入频谱效率。
  
  由于GPRS接入业务占用无线网络资源的情况和电路业务有可比性,因此其接入的业务量可采用与电路业务类似的话务量概念等效,其接入能力可采用ERLANGB公式进行近似估算。当采用动态分配方式时,设置话音信道为分配时高优先级,分组数据为低优先级,GPRS接入数据业务时充分利用话音业务“剩余”时隙,每GSM信道接入的业务量最大统计取值可为0.7 Erl/信道,除去网络目前接入的话音业务量即为数据业务的业务量,则网络可供GPHS使用的话务量为EGPRS=NTOT×0.7-A,式中,EGPRS为GPRS可利用的话务量,NTOT为小区中总的业务信道数,A为小区接入的话音业务话务量。
  
  在采用CS-1、CS-2编码比例为2∶8的情况下,采用IU+3D方式,3时隙捆绑时平均理论数据速率可达32 kbit/s,平均每时隙理论数据速率可达10.7 kbit/s,考虑一定的数据重传率及TBF建立时间,平均每时隙实际数据速率约为Rb=4~5kbit/s,取值为4kbit/s。如果数据业务频谱效率定义为单位面积单位频带所能容纳的数据量或用户数,单位分别为kbit/(s•m2•MHz)或户/(km2•MHz)。类比话音频谱效率可推导常规4×3复用下GPRS蜂窝系统的数据业务频谱效率ηb=EGPRS×ηMA×Rb/BcNA=(NTOT×0.7-A)×Rb/BcNA,紧密频率复用GPBS蜂窝系统的数据业务频谱效率η2=η1×12/8=1.5×η1。
  
  3 现有频谱综合考虑下的话音及数据业务接入能力
  显然上述分析是基于条件一、话音接入频谱效率取值最大;条件二、每小区固定分配一个数据业务信道,根据网络话务情况2个业务信道采用动态分配方式;条件三,每用户忙时数据量取180 kbit/s;条件四、每用户忙时话务量取0.02 Erl等条件下的结果。本文仍然基于条件二、条件三,分析条件一变动下的综合业务接入能力。每冗H话音业务未达到0.7 Erl/TCH,数据接入能力显然会增大,这说明话音接入能力和数据接入能力间存在替代效果。表1为中国移动29 MHz带宽下,不同的话音接入和数据接入比例情况下GPRS网综合接入能力(采用紧密频率复用技术),此时,900MHZ及1800MHz频段同时升级到GPRS。
  
  随着GPRS的广泛使用,终端数据能力的提高及各种业务的开展,无线接口信道分配方式,数据业务模型等将发生变化,整个分析基于的条件也将发生变化,结论将可能不同。
  
  4 结论
  本文只是在理论上分析了GSM网升级到GPRS后的话音业务频谱效率的损失及新增的数据业务接入能力,计算了GSM网现有频谱下综合业务的最大接入能力,该方法及实用性还有待进一步地验证。但基于目前话务及数据业务模型计算的结论对当前是GPRS网络规划具有量的指导意义。