CN100450250C - 干扰受限系统的空中接口容量的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种干扰受限系统的接口容量估算方法，在满足各类业务QoS保障条件下，分别估算电路交换(CS)承载业务混合所需业务带宽和分组交换(PS)承载业务混合所需业务带宽。根据容量复用方法估算CS和PS承载业务混合所需总的带宽。该估算方法能够较为精确地估算支持多各业务混合所需的带宽资源，同时由于采用了空闲容量复用方法能减少干扰受限系统的网络配置和网络增长的费用。

Description

干扰受限系统的空中接口容量的估算方法

技术领域

本发明涉及一种空中接口容量的计算方法，尤其涉及一种干扰受限系统的空中接口容量的估算方法。

背景技术

在移动通信网络中，无线系统工程必须能够确定在给定区域内支持给定用户数所需的基站数。在一个单一使用电路交换(CS)的通信网络中，这已不是一个问题。然而当分组交换(PS)嵌入进来以后，确定所需的基站数变得比较困难。这是因为分组交换允许诸如网页浏览、Email和多媒体业务等各种非对称(asymmetrical)业务的混合。这些业务大大地增加了影响移动通信网络容量的因素。比如，新的影响因素包括分组突发、分组大小、时延限制以及时延抖动等。但是，传统的用于跟踪电路交换应用的统计特性的方法并不再适合用于跟踪分组交换数据的统计特性。移动通信系统从仅支持话音业务到完全支持各种不同的数据业务的转变对网络基础设施的设计和估算提出了挑战。这些挑战可以归为以下三点：

(1)业务特征化：在建模用电路交换承载的语音业务时，所作的一些基本的和正确的假设随着语音和数据通过分组交换承载这种转变而变得不再适用。必须采用自相似(self-similar)模型以考虑分组突发的影响，因为分组交换业务在整个传输时间内显示了这种特性。

(2)需求特征化：为了精确地评估业务资源要求，必须考虑各类用户所要求的不同需求参数的影响。

(3)3G系统可获得的QoS(业务质量)：应用层的QoS要求必须映射到物理层和数据链路层的可控参数(扩频因子，功率)上。

经典的用于语音系统容量估算的爱尔兰模型不再适用于分组数据应用。简单地说，爱尔兰模型以每秒平均呼入数、呼叫平均时长(秒)和承载呼叫的信道数为参数。如果知道了这三个变量，爱尔兰公式可以确定出呼叫阻塞概率(呼损率)。

爱尔兰公式有如下形式(等式1)：

$\mathrm{PB}=\mathrm{ErlangB}(\mathrm{\ρ},N)=\frac{{\mathrm{\ρ}}^N/N!}{\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}^k/k!}---\left(1\right)$

其中ρ表示话务量；N表示信道数。业务ρ经常用无单位的“Erlang”表示。它可以用总的期望的单位时间呼叫数(平均呼入数/秒)乘以每个呼叫的平均时长得到。等式1左边表示呼叫阻塞数占总呼叫数的比例。当然知道了ρ和N，阻塞概率也就随之确定下来。

然而，当前的移动通信系统中要求一个比等式1描述的模型更加复杂的模型来建模越来越复杂的通信系统，但是基本原则却是相同的。规划要求的基站数及其放置位置时，系统工程人员认为业务量和信道数是已知的，设定可接受的呼叫阻塞率。由于系统的复杂性，业务量ρ基于复杂的业务模型基础上确定，这些模型考虑了诸如无线资源管理方案和用户移动性等问题对每个呼叫的业务量的影响。呼叫阻塞概率作为业务等级(GoS，Grade ofService)。通过指定GoS以及合适的业务模型确定业务量ρ，系统工程人员可以确定所需的信道数。GoS一般用于忙时场合，即一个变化的60分钟时间段，在这段时间内发生一天当中最大的总业务负荷。然而分组应用一般不用GoS来和衡量业务性能。取而代之的是采用业务质量(QoS，Quality of Service)作为性能标度，即通过误比特率(BER)来衡量性能。因此，分组应用考察误比特数而不是呼叫阻塞概率。传统的模型并没有提供一种把分组数据应用的QoS要求等效到电路交换应用的GoS要求上的方法。

发明内容

本发明提供一种适合多种业务混合干扰受限系统的空中接口容量估算方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，至少包括：

分组交换PS承载同一业务质量QoS的混合业务容量估算步骤：由该类业务的特征参数，根据管道仿真方法估算PS同一QoS承载业务所需带宽，再据此估算其同一QoS混合业务所需的业务带宽，计算公式为： ${\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{QoSi}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Vol}}_i}\·{\mathrm{Pipe}}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}\right)$

其中Vol_ji表示承载数据率为j和QoS为i的业务量，Pipe_ji(Vol)：仿真曲线上一点，表示承载数据率为j，QoS为i，给定业务量Vol_ji时所需的带宽。

进一步地，本发明还包括，PS承载不同QoS混合业务容量估算：根据某一QoS的管道占用率估算同一QoS混合业务的空闲容量，根据该空闲容量估算不同QoS混合业务所需的业务带宽，计算公式为：

$\mathrm{PipePacket}=(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{QoSi}}\·{\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{QoSi}})+{\mathrm{SpareCapacity}}_{\mathrm{QoSn}}$

其中，PipeOccupancy_QoSi为QoS为i的管道占用率，n代表混合业务中有n种不同QoS要求，SpareCapacity_QoSn为QoS为n的业务带宽中的空闲容量。

进一步地，本发明还包括，电路交换CS承载混合业务容量估算步骤：由该类业务的特征参数根据Erlang B公式进行计算，计算公式为：带宽BW＝C·Bitrate_speech·CAF_speech其中，CAF_speech为语音业务信道激活因子，Bitrate_speech为语音承载速率，C为系统容量。

进一步地，本发明还包括：CS承载和PS承载两者混合业务容量估算步骤：CS承载业务带宽加上PS  承载业务带宽减去空闲容量复用数，PipeTotal＝BW+PipePacket-CctF·SpareCapaCircuit

其中CctF为空闲容量校正因子。

所述CS承载混合业务容量估算步骤中的特征参数包括QoS性能参数，所述的QoS性能参数可以是呼损率。

所述的系统容量C的计算方法为：将系数b_k、每类业务的业务量以及期望的最大阻塞概率作为输入参数，利用多业务Erlang B定律获得所需的系统容量C，根据多业务爱尔兰定律变动系统容量C。

所述的系数b_k的计算方法为 $b_k=\frac{{\mathrm{BitRate}}_k}{{\mathrm{Bitrate}}_{\mathrm{speech}}}\·\frac{{\mathrm{CAF}}_k}{{\mathrm{CAF}}_{\mathrm{speech}}}$

其中BitRate_k数据业务承载速率、Bitrate_speech为语音承载速率、CAF_k数据业务信道激活因子、CAF_speech语音业务信道激活因子。

所述PS承载混合业务容量估算步骤中的特征参数包括QOS性能参数，所述的QOS性能参数可以是吞吐量、时延。

所述PS承载混合业务容量估算步骤中所述的管道仿真方法具体为：首先根据单个PS承载业务需要传输的数据量、存储的数据量以及由于存储引起的延时等信息，在给定管道大小情况下得到缓冲器时延的累计分布函数，根据该累计分布函数制成估算表，根据查表得到承载单个PS业务所需的带宽。

所述的管道占用率定义为某一时间内占用管道的时间百分数，计算为平均数据率和管道大小的比率，

${\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{ji}}=\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{kbit}\right)}{{\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{kbps}\right)\·3600}$

某一QoS的管道占用率，应用加权求和：

${\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{QoSi}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Vol}}_i}\·{\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{Vol}}_i\right).$

所述步骤3中的空闲容量校正因子为60％～90％。

更好地，所述的空闲容量校正因子为80％。

其中，SpareCapaCircuit为复用CS承载业务空闲容量。

本发明可用于使用分组交换的通信网络中，能够较为精确地估算支持多各业务混合所需的带宽资源，同时采用了空闲容量复用方法以减少干扰受限系统的网络配置和网络增长的费用，为干扰受限系统的网络设计和规划以及优化提供了必要的基础。

附图说明

图1所示的是WCDMA网络中计算CS业务所需的带宽的方法。

图2所示的是管道仿真方法的示意图。

图3所示的是不同QoS类业务之间的容量复用示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面以典型的干扰受限系统-WCDMA系统为例，具体说明本发明的接口容量估算方法。

WCDMA系统各种业务的引入，以及WCDMA空中接口容量和覆盖以及业务QoS保障之间的紧密耦合关系，使得WCDMA空中接口容量估算更加复杂，为此，估算过程分别估算CS承载混合业务和PS承载混合业务容量，再估算CS承载和PS承载混合业务容量，容量标度可以是用户数和所需业务带宽。

步骤1，对CS承载混合业务，传统的爱尔兰阻塞公式并不适用，但其原理是相似的，可以推广到多业务Erlang B公式对此类业务进行需求建模，见图1。对某些CS承载业务(Erlang C业务)允许其等待一段时间，业务质量可以用等待时间超过某一时间门限的概率衡量。超过此时间门限仍然得不到服务，业务被阻塞，即Erlang C公式。考虑到允许的目标阻塞概率足够小(小于20％)时，Erlang C和Erlang B公式存在一个近似关系，可以把它并入Erlang B：

$E_C(\mathrm{\ρ},N)\≅\frac{N}{N-\mathrm{\ρ}}\·E_B(\mathrm{\ρ},N)---\left(2\right)$

这样，对Erlang C业务，性能指标，即修正阻塞率公式为：

$\mathrm{PB}\_\mathrm{mod}\mathrm{if}=\frac{N-\mathrm{\ρ}}{N}\·e^{(N-\mathrm{\ρ})\·\mathrm{w\μ}}\·\mathrm{PB}\_t\arg \mathrm{et}---\left(3\right)$

参数w是等待时间门限，μ是平均服务时间。其余参数和单业务Erlang B公式类似。估算时把Erlang C业务的修正的阻塞概率和其他CS业务的目标阻塞概率当作多业务Erlang B定律的输入，据此估算满足性能要求条件下每类CS承载业务的所需的业务带宽。

多业务Erlang B定律公式如下：

${\mathrm{PB}}_k=\mathrm{Pr}\{\mathrm{Nb\; occupied\; resources}>C-b_k\}=\underset{j=0}{\overset{b_k-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\β}(C,j)---\left(4\right)$

其中PB_k是业务k的要求的阻塞概率，C是系统资源总数，b_k表示接收一个业务k请求所需的资源单位数。阻塞概率的计算基于矩阵β，业务阻塞概率可以计算为：

$P_{b_i}=1-\frac{G(C-b_i,K)}{G(C,K)}---\left(5\right)$

其中K表示业务类型数，G(C，K)可以通过如下迭代计算：

i＝2，...，K；j＝0，1，...，C(6)

j＝0，1，...，C(7)

对于业务带宽的计算(见图1)，系数b_k可以看作该类业务对带宽的贡献，即，满足某类业务单个请求所需的系统资源(带宽等)数，这个带宽用参考业务(如语音)作归一化处理。

$b_k=\frac{{\mathrm{BitRate}}_k}{{\mathrm{Bitrate}}_{\mathrm{speech}}}\·\frac{{\mathrm{CAF}}_k}{{\mathrm{CAF}}_{\mathrm{speech}}}---\left(8\right)$

其中，CAF(Channel Activity Factor)表示业务的信道激活因子，其中，BitRate_k为数据业务承载速率、Bitrate_speech为语音承载速率、CAF_k这数据业务信道激活因子、CAF_speech为语音业务信道激活因子，所述的信道激活因子根据业务模型计算，如on-off模型，则该信道激活因子为E[On]/(E[On]+E[Off])，其中E[.]表示取期望。激活因子其实是一种占空比，其和业务类型有关。

将系数b_k、每类业务的业务量以及期望的最大阻塞概率作为输入参数，利用多业务Erlang B定律获得所需的系统容量C，根据多业务爱尔兰定律变动系统容量C，即当阻塞率比预定的目标阻塞率小时可以减小系统容量C值，反之则增大使得恰好满足阻塞要求，从而获得最小的系统容量C值，并满足所有业务QoS这个容量是用参考业务表示的所需资源单位数，可以转换成所需的带宽(BW，Band-Width)：

BW＝C·Bitrate_speech·CAF_speech(9)

步骤2，PS承载混合业务的估算主要基于管道(表示无线带宽资源)仿真方法，见图2。首先根据单个PS承载业务需要传输的数据量、存储的数据量以及由于存储引起的延时等信息，在给定管道大小情况下得到缓冲器时延的累计分布函数，根据该累计分布函数可制成一种和爱尔兰表类似的估算表(由于该制作估算表的方法为现有技术，在此不再赘述)。考虑典型的时延(类似爱尔兰公式的阻塞率)下的各种PS承载业务的估算表，通过仿真制表，根据查表可以得到承载单个PS业务所需的无线资源带宽。

对同一QoS要求的不同承载速率的多个PS业务，根据所有PS承载业务需传输的数据量，考虑各个业务所需管道的加权和：

${\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{QoSi}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Vol}}_i}\·{\mathrm{Pipe}}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}\right)---\left(9\right)$

等式右边， ${\mathrm{Vol}}_i=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}},$ Vol_ji表示承载数据率为j(如64kbps)和QoS为i(时延2s)的业务量，Pipe_ji(Vol)：仿真曲线上一点，表示承载数据率为j，QoS为i，给定业务量Vol_ji时所需的带宽。等式左边表示保障Qosi所需的业务带宽。

步骤3，对于不同的QoS要求的PS业务混合，利用空闲容量复用来估算(图3)，即具有严格QoS要求的业务容量余量可以容纳部分低QoS要求的业务，以避免对不同QoS要求所需管道进行简单相加所造成的过高的容量估算。对于某一QoS条件下业务的空闲容量，可以利用管道占用率估算。单业务单QoS的管道占用率定义为某一时间内占用管道的时间百分数，计算为平均数据率和管道大小的比率。除以3600是因为Vol_ji表示忙时传输数据量。

${\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{ji}}=\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{kbit}\right)}{{\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{kbps}\right)\·3600}---\left(10\right)$

某一QoS的管道占用率，应用加权求和：

${\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{QoSi}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Vol}}_i}\·{\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{Vol}}_i\right)---\left(11\right)$

由此得到此QoS条件下的空闲容量：

SpareCapacity_QoSi＝PipePacket_QoSi·(1-PipeOccupancy_QoSi)

对CS承载和PS承载业务的混合情况，可以复用CS业务的空闲容量以承载部分PS业务。但必须保证满足CS业务的阻塞概率要求同时避免低估估算结果。可以设定一个校正因子，表示只把空闲容量的一部分分配给PS业务同时考虑CS业务的波动。最后所需总的管道数为CS承载业务带宽加上PS承载业务带宽减去空闲容量复用数：

PipeTotal＝PipeCircuit+PipePacket-CctF·SpareCapaCircuit(12)

其中，SpareCapaCircuit表示Qos要求为电路交换时的容量(即一个特例)，空闲容量校正因子CctF可以通过仿真得到，仿真表明取空闲容量的80％作为复用容量可以取得较好的平衡(阻塞性能和系统资源之间)。实际上根据所涉及的不同QoS要求，这个校正因子可以从60％～90％范围变化。

Claims (12)

1、一种干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，至少包括步骤：

分组交换PS承载同一业务质量QoS的混合业务容量估算步骤：由该类业务的特征参数，根据管道仿真方法估算PS同一QoS承载业务所需带宽，再据此估算其同一QoS混合业务所需的业务带宽，

计算公式为： ${\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{QoSi}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Vol}}_i}\·{\mathrm{Pipe}}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}\right)$

其中Vol_ji表示承载数据率为j和QoS为i的业务量，Pipe_ji(Vol)：仿真曲线上一点，表示承载数据率为j，QoS为i，给定业务量Vol_ji时所需的带宽。

2、根据权利要求1所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，进一步包括，PS承载不同QoS混合业务容量估算：根据某一QoS的管道占用率估算同一QoS混合业务的空闲容量，根据该空闲容量估算不同QoS混合业务所需的业务带宽，

计算公式为： $\mathrm{PipePacket}=(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PipePacke}{t}_{\mathrm{QoSi}}\·{\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{QoSi}}){+\mathrm{SpareCapacity}}_{\mathrm{QoSn}}$

其中，PipeOccupancy_QoSi为QoS为i的管道占用率，n代表混合业务中有n种不同QoS要求，SpareCapacity_QoSn为QoS为n的业务带宽中的空闲容量。

3、根据权利要求2所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，还包括，电路交换CS承载混合业务容量估算步骤：由该类业务的特征参数根据Erlang B公式进行计算，计算公式为：带宽BW＝C·Bitrate_speech·CAF_speech其中，CAF_speech为语音业务信道激活因子，Bitrate_speech为语音承载速率，C为系统容量。

4、根据权利要求3所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，还包括，CS承载和PS承载两者混合业务容量估算步骤：CS承载业务带宽加上PS承载业务带宽减去空闲容量复用数，PipeTotal＝BW+PipePacket-CctF·SpareCapaCircuit

其中CctF为空闲容量校正因子，SpareCapaCircuit为复用CS承载业务空闲容量。

5、根据权利要求3或4所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，所述CS承载混合业务容量估算步骤中的特征参数包括QoS性能参数，所述的QoS性能参数是呼损率。

6、根据权利要求1或2或4所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，所述PS承载混合业务容量估算步骤中的特征参数包括QOS性能参数，所述的QOS性能参数是吞吐量、时延。

7、根据权利要求3或4所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，CS承载混合业务容量估算步骤中所述的系统容量C的计算方法为：将系数b_k、每类业务的业务量以及期望的最大阻塞概率作为输入参数，利用多业务Erlang B定律获得所需的系统容量C，根据多业务爱尔兰定律变动系统容量C。

8、根据权利要求7所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，所述的系数b_k的计算方法为 $b_k=\frac{{\mathrm{BitRate}}_k}{{\mathrm{Bitrat}e}_{\mathrm{speech}}}\·\frac{{\mathrm{CAF}}_k}{{\mathrm{CAF}}_{\mathrm{speech}}}$

其中BitRate_k数据业务承载速率、Bitrate_speech为语音承载速率、CAF_k数据业务信道激活因子、CAF_speech语音业务信道激活因子。

9、根据权利要求1所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，进行PS承载混合业务容量估算步骤中所述的管道仿真方法具体为：首先根据单个PS承载业务需要传输的数据量、存储的数据量以及由于存储引起的延时等信息，在给定管道大小情况下得到缓冲器时延的累计分布函数，根据该累计分布函数制成估算表，根据查表得到承载单个PS业务所需的带宽。

10、根据权利要求2所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，所述的管道占用率定义为某一时间内占用管道的时间百分数，计算为平均数据率和管道大小的比率，

${\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{ji}}=\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{kbit}\right)}{{\mathrm{PipePacket}}_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{kbps}\right)\·3600}$

某一QoS的管道占用率，应用加权求和： ${\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{QoSi}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Vol}}_i}\·{\mathrm{PipeOccupancy}}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{Vol}}_i\right).$

11、根据权利要求4所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，所述进行CS承载和PS承载两者混合业务容量估算步骤中的空闲容量校正因子为60％～90％。

12、根据权利要求11所述的干扰受限系统的空中接口容量的估算方法，其特征在于，所述的空闲容量校正因子为80％。

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