蜂窝无线通信网络数据业务容量规划方法

摘要

本发明提供了一种蜂窝无线通信网络数据业务容量规划方法，为实现技术全面、实用、简洁的对蜂窝通信网络进行规划而发明。本方法包括(1)获得简化业务模型的主要参数；(2)计算用户需求的总话务量；(3)根据每基站扇区限制参数计算每基站扇区可承载激活链路数；(4)计算每基站扇区可承载话务量；(5)计算网络需要配置的基站扇区数量。本发明不仅规划结果符合蜂窝无线通信系统和数据业务的基本技术特征，有利于保证网络通信质量；而且大幅度降低了规划人员工作量，避免了大量繁琐、缺乏实际意义的劳动，有利于提高无线网络容量规划水平。

说明书

技术领域

本发明涉及蜂窝无线通信网络容量规划，尤其涉及蜂窝无线通信数据业务容量规划方法。

背景技术

蜂窝无线通信网络的容量规划的目的，如图1所示，是已知目标覆盖区域内有一定数量的用户终端，并且已知用户使用业务的习惯特征，需要确定该区域内，究竟应该建设多少个基站扇区，才能满足用户的需求。

分组数据业务的应用广泛，例如网页浏览、电子邮件、上网业务、网上聊天等等。分组数据业务的基本单位，可以描述为一次数据业务会话(session)，表示用户的一次上网操作，即用户登录上网到下网的过程，如图2所示。一次会话(session)可能包含若干次激活状态(Active)和休眠状态(Dormant)，每次激活状态又包含若干次有数据收发的子状态(DataTransfer)和没有数据收发的等待释放状态，当等待释放状态的时间超过释放定时器(Tad)指定时问时，会话就进入休眠状态。Tad状态的意义在于系统定时释放较长时间没有使用网络的用户的占用资源，其长短由系统参数设定。图2表示了某用户上网后仅经历了两次激活状态(其中第一次激活状态又包含了两次数据传输子状态)，然后拆线下网的会话过程，虽然简单，但已清晰表示了分组业务的基本特征。分组数据业务对系统资源的占用，主要表现在用户处于激活状态，占用基站扇区空中接口和信道板资源，当用户处于休眠状态或待机状态时则不占用。所以影响系统容量的关键是用户激活状态的行为特征。

蜂窝无线通信网络的分组包业务，虽然已在全球商用多年，但由于其技术相对复杂，例如前反向速率不对称、用户接入速率起伏波动，用户之间的业务速率存在差异、业务模型统计难度大，等等，造成一方面容量规划方法种类繁多、千差万别，另一方面合理、完善、实用的规划方法稀缺。

前几年比较常见的数据业务容量规划方法，是将空中接口信道与基站信道板信道的配置混合考虑，存在将空中接口可承载容量与基站物理信道板可承载容量两种概念相混淆的问题。信道板可以冗余配置，不构成基站扇区数量限制的主要因素；蜂窝无线通信网络容量规划的瓶颈和首要步骤，是空中接口容量规划，即本发明讨论的主题。

从现有专利来看，比较相关的是2004年12月8日公开的中国专利《一种实现通信系统混合容量计算的方法》(申请号03140979.2)，但该专利也存在明显的缺陷，如下：

(1)假设移动通信系统是反向容量受限的，完全忽略了前向受限的情况，而商用网络中大部分数据业务的前向速率要求比反向高很多，也就是前反向不对称性明显，前向容量受限的情况是很常见的。一旦出现前向受限的情况，该专利完全不适用，存在很大的局限性，这是最大缺陷。

(2)其计算方法过于繁琐，繁琐的细节又是基于大量难以验证的假设之上，结果的可信度反而降低。例如假设了高、中、低端用户的分配比例，接入速率分配比例等，实际上受用户数和用户地理位置的影响，数据业务接入速率经常处于快速波动之中，而且波动的幅度可能比较大，因此该专利“精细”的假设并不符合实际情况，显得过于主观，反而累赘了。

(3)基站数量配置计算方法未能反映CDMA(码分多址)系统中软切换比例对配置的影响，实际上，软切换比例对容量规划影响很大。如图3所示，虚线椭圆表示全向基站的覆盖范围，处于两个虚线椭圆重叠覆盖区域的用户终端，即处于软切换区，会同时与两个基站通信，同时占用两个基站的容量资源。

(4)将软阻塞公式应用于数据业务的计算，这种方法的有效性未得到实际商用网络的测试验证，将该专利通过软阻塞公式获得的扇区容量结果(在该专利说明书表一)与商用CDMA网络的实测结果相比较，发现该专利的容量结果太低。

发明内容

为了解决现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种蜂窝无线通信数据业务容量规划方法，目的在于提高无线网络规划质量以及无线网络规划工作水平。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

蜂窝无线通信网络数据业务容量规划方法，所述方法包括：

(1)获得简化业务模型的主要参数；

(2)根据获得的简化业务模型参数，计算用户需求的总话务量；

(3)根据每基站扇区限制参数计算每基站扇区可承载激活链路数；

(4)根据步骤(3)计算出的每基站扇区可承载激活链路数和业务阻塞率计算每基站扇区可承载话务量；

(5)根据步骤(2)获得的总话务量和步骤(4)获得的每基站扇区可承载话务量，计算网络需要配置的基站扇区数量。

其中，所述步骤(1)中的主要参数包括分组数据用户数，用户平均会话时长，忙时每用户会话次数，平均会话数据量，反向与前向数据流量之比以及上网链路激活比例。

其中，所述步骤(2)的总话务量为分组数据用户数、用户平均会话时长、忙时每用户会话次数和上网链路激活比例的乘积除以每小时秒数所得的商。

其中，所述步骤(3)具体为：所述每基站扇区可承载激活链路数为每基站扇区限制参数之间的最小值。

其中，所述每基站扇区限制参数包括：每扇区前向吞吐量限制激活链路数量、每扇区反向吞吐量限制激活链路数量。

其中，所述每基站扇区限制参数还包括每扇区空中接口最大激活链路限制数量。

其中，所述每基站扇区限制参数还包括：因基站信道板限制每扇区最大激活链路数量。

其中，所述步骤(4)的每个基站扇区可承载话务量为，以每基站扇区可承载激活链路数和业务阻塞率为参数，经爱尔兰(Erl)表计算的结果。

其中，所述步骤(5)的网络需要配置的基站扇区数量为总话务量除以每基站扇区可承载话务量之商取整后的值加1。

与现有技术相比，本发明提供了一种技术上考虑全面，同时简洁、实用的蜂窝无线通信数据业务容量规划的方法，不仅规划结果符合蜂窝无线通信系统和数据业务的基本技术特征，有利于保证网络通信质量；而且大幅度降低了规划人员工作量，避免了大量繁琐、缺乏实际意义的劳动，有利于提高无线网络容量规划水平。

附图说明

图1是用户终端与基站扇区关系示意图；

图2是分组数据业务呼叫构成示意图；

图3是软切换区域示意图；

图4是本发明容量规划方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，以CDMA2000 1X系统为例，对本发明做进一步的详细说明。

图1是用户终端与基站扇区关系示意图；图2是分组数据业务呼叫构成示意图。

蜂窝无线网络容量规划的基础，是基站扇区数量的配置；数据业务的容量规划，使用简化业务模型，从话务量和吞吐量(本文均指物理层吞吐量)两条主线来衡量基站扇区数量的配置，配置的基站扇区数量需要同时满足话务量和吞吐量的需求；计算吞吐量时需同时考虑前向链路和反向链路的要求，以受限方决定；同时空中接口和基站设备的其他限制条件也可能构成制约因素。

图4是本发明容量规划方法流程图。如图4所示，本方法包括以下步骤：

步骤一，使用简化业务模型，获得模型的主要参数值。如果使用其他业务模型，可以通过换算方法转化为简化业务模型。

根据附图2分组数据业务呼叫构成示意，和业界的一些分组数据业务模型，稍作整理和延伸，成为表1所示的简化业务模型，对所有分组数据业务均适用。

简化业务模型的意义，在于不再细分描述各种各样的分组数据业务应用，例如网页浏览、电子邮件、网上聊天等等，而是将它们看成一个整体，只描述这个整体的规模和平均值。因为无论这些数据业务应用如何千变万化，它们都是分组数据业务，都符合分组数据业务的基本特征，从宏观上可以对它们作一个统计平均。这种模型的优点在于化繁为简，实用性强。

表1  分组数据业务的简化业务模型

  参  数  记  号  参数中文名  参数英文名  单位  举  例  值  说明/关系式  出入口  B  分组数据用  户数  Quantity of  packet data  user  放号用户数，由运营商预  测提供  输入项  D  平均会话时  长  Average  session  duration  s  300  用户从上网到下网的平  均时长，用户行为习惯  建议做输入  项  G  激活链接比  例  Active ratiO  in one session  ％  40％  上网链路激活比例，其余  为休眠比例，用户行为习  惯  建议做输入  项

  H  忙时每用户  会话次数  Busy hour  sessions per  subscriber  0.3  用户使用网络的频繁程  度，  建议做输入  项  C  平均会话数  据量  Average size  kByt  e  300  一个会话总的业务数据  流量，含前反向，用户行  为习惯  建议做输入  项  I  反向与前向  数据流量之  比  Data service  ratio of  uplink and  downlink(R1∶R  2)  1∶4  用户上传和下载流量之  比，用户行为习惯  输入项  S  软切换比例  Soft handoff  ratio  ％  35％  CDMA蜂窝系统适用，与网  络布局有关。其他系统可  以取为0。  输入项  E  在线用户比  例  Percentage of  on linc  packet data  users  ％  2.5  ％  忙时上网用户(含激活和  休眠)占当地总放号用户  数的比例，D*H/360O  建议做输出  项  V_F  激活链路前  向平均速率  Average  active  forward  throughput  kbps  16  平均每条激活链路的前  向速率，  C*8/(D*G)*(R2/(R1+R2)  )  建议做输出  项  V_R  激活链路反  向平均速率  Average  active  reverse  throughput  kbps  4  平均每条激活链路的反  向速率，  C*8/(D*G)*(R1/(R1+R2)  )  建议做输出  项

简化业务模型的前7项为基本变量，后3项为非基本变量，可以由基本变量计算得到。

定义话务量为用户终端激活状态的时间度量，在链路激活的情况下，不论用户与基站之间是否有数据传输，均占用空中接口和基站信道板的资源。吞吐量则反映用户终端对基站扇区空中接口前反向传输带宽的占用情况。两者反映的资源占用的角度不同，都是必须考虑的，两者之间有相互制约的关系。

业务模型中的参数取值，主要依赖于用户的行为习惯特征，与当地的社会经济发展水平、科技教育水平、人口构成、电信资费等密切相关。一般来说，不同国家、不同地区、甚至不同电信运营商的用户业务模型取值都可能不同，而且差异可能很大，准确的取值需要电信运营商在当地做业务的话务统计分析后得出。

表1的参数取值，仅仅是典型的举例值，用于下面的计算演示，实际项目中必须以当地用户的实际情况为准。

以下根据简化业务模型及其举例值进行基站扇区数量的规划计算。

步骤二，计算用户需求的总话务量，计算公式如下：

总话务量T_total＝用户数B*平均会话时长D*忙时每用户会话次数H*激活链接比例G/小时秒数，即，T_total＝B*D*H*G/3600。设用户数为10000户，则

T_total＝10000*300*0.3*0.4/3600＝100(Erl)

步骤三，根据每基站扇区限制参数计算每基站扇区可承载激活链路数：

每基站扇区限制参数包括：每扇区前向吞吐量限制激活链路数量、每扇区反向吞吐量限制激活链路数量、每扇区空中接口最大激活链路限制数量、因基站信道板限制每扇区最大激活链路数量。其中，每扇区空中接口最大激活链路限制数量、因基站信道板限制每扇区最大激活链路数量为计算每基站扇区可承载激活链路数的可选项。

本发明的另一个前提要点是，已知基站扇区的前向可承载吞吐量TP_F和反向可承载吞吐量TP_R，这个可以综合理论分析和实测结果得出，虽然该值受到多种因素的影响，但工程规划中考虑正常应用状态，通常有比较明确的推荐值，该推荐值受用户实际接入速率的影响不大，是多个用户接入时扇区吞吐量的承载能力。推荐值一般己留有裕量，以满足绝大部分商用情况。

根据CDMA2000 1X系统的理论分析和实测验证，取TP_F＝400kbps，TP_R＝450kbps是合适的，符合大部分商用环境情况。特殊环境下，例如绝大多数用户都处于移动状态，或绝大多数用户都处于靠近基站的位置，或绝大多数用户都处于小区边缘，等等，TP_F和TP_R的值会在上述缺省值的上下波动，但波动幅度并不大，一般在33％以内，而且这些特殊环境出现的概率比较小，以下不再讨论。

(1)每扇区前向吞吐量限制激活链路数量N_F

＝F(扇区前向可承载吞吐量，前向激活链路平均速率，前向激活链路最低业务速率等级V_FMin，软切换比例)

＝F(TP_F，V_F，VF_min，S)

其中F()表示获得“每扇区前向吞吐量限制激活链路数量”的函数。

在CDMA2000 1X中，VF_min＝9.6kbps，同时也是基本信道的速率；前向基本信道参与软切换，补充信道不参与软切换，而N_F定义为剔除软切换的数量，则

N_F*(Max{V_F，V_Fmin}+V_Fmin*S)＝TP_F

因此F()函数在这里的实例为

N_F＝INT(TP_F/(Max(V_F，V_Fmin}+V_Fmin*S))

＝INT(400/(Max{16，9.6)+9.6*0.35))

＝20

(2)每扇区反向吞吐量限制激活链路数量N_R

＝R(扇区反向可承载吞吐量，反向激活链路平均速率，反向激活链路最低业务速率等级V_Rmin，软切换比例)

＝R(TP_R，V_R，V_Rmin，S)

其中R()表示获得“每扇区反向吞吐量限制激活链路数量”的函数。在CDMA2000 1X中，反向基本信道和补充信道均参与软切换，而N_R定义为剔除软切换的数量，因此R()函数在这里的实例为

N_R＝INT(TP_R/Max{V_R，V_Rmin}/(1+S))

＝INT(450/Max{4，9.6}/(1+0.35))

＝34

(3)定义“每扇区空中接口最大激活链路限制数量N_AirMax”为可选项，是经过理论分析和实测验证，为保持系统稳定，建议商用的每扇区空中接口可承载的最大激活链路数，在CDMA2000 1X中，可取N_AirMax＝40；该值主要考虑最低数据业务等级速率9.6kbps、适当的蜂窝小区干扰、不高于85％的负载等条件得出，适合于绝大部分情况。

(4)定义“因基站信道板限制每扇区最大激活链路数量N_{ChannelBoardMax}”为可选项，是受系统设备设计或项目实际情况限制，每扇区可配置的信道板资源可能有限，由此造成的每扇区最大激活链路数限制，在本例中，信道板不受限制，则N_{ChannelBoardMax}＝∞；

(5)每扇区可承载激活链路数N＝Min{每扇区前向激活链路限制数量，每扇区反向激活链路限制数量，每扇区空中接口最大激活链路限制数量，因基站信道板限制每扇区最大激活链路数量}

＝Min{N_F，N_R，N_AirMax，N_{ChannelBoardMax}}

＝Min{20，34，45，∞}

＝20

步骤四，计算每基站扇区可承载话务量：

每基站扇区可承载话务量Ts＝Erl表(每基站扇区可承载激活链路数N，业务阻塞率GOS)

其中Erl表可以根据系统设备处理数据业务呼叫的特征选用ErlC或ErlB表。ErlC表的意义在于业务呼叫遇上资源拥塞，暂时不成功时，系统有缓存队列可以暂存呼叫申请，一旦资源出现空余时自动完成呼叫接入；而ErlB表的意义在于一旦资源拥塞造成业务呼叫不成功，系统就拒绝此次呼叫申请，再次呼叫需由用户操作。本文只考虑空口资源的范畴，根据一些CDMA 1X设备的实际情况，可能选用ErlB表更合适一些。

设运营商要求的数据业务阻塞率GOS＝5％，则

Ts＝ErlB(N，GOS)

＝ErlB(20，0.05)

＝15.2(Erl)

步骤五，计算网络需要配置的基站扇区数量：

网络需要配置的基站扇区数量Ns＝INT(总话务量T_total/每基站扇区可承载话务量Ts)+1

Ns＝INT(100/15.2)+1

＝7

  计算结果列表小结如下：

  分组数据用户数  10000  每数据用户忙时数据业务话务量(Erl)  0.01  总数据话务量(Erl)  100  激活链路前向平均速率(kbps)  16  激活链路反向平均速率(kbps)  4  单扇区前向承载吞吐量(Kbps)  400

  单扇区反向承载吞吐量(Kbps)  450  前向吞吐量限制激活链路数量  20  反向吞吐量限制激活链路数量  34  扇区激活链路限制数量  20  扇区承载数据话务量(Erl)  15.2  承载数据业务所需扇区个数  7