基于约束条件下的无线信道利用率评估方法的探讨

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本文在分析业界对GSM无线信道利用率研究的基础上，提出基于各种因素影响下的无线信道利用率的评估方法，用于无线信道利用率的评估和优化。



一、引言

    目前，移动通信网络的发展正处于一个转型时期。除了少数发展中国家GSM网络方兴未艾，大多数国家的GSM网络已经进入成熟期，设备的性能故障逐渐减少，质量、成本和服务越来越受到关注。与此同时，向第三代通信网络的演进已经启动，由于WCDMA的空中接口与GSM完全不兼容，因此GSM网络将逐步被第三代无线网络替代。无疑，GSM网络的过度投资将增加成本风险。对网络资源配置进行评估和优化，提升网络服务能力和服务质量，已经成为提高运营商核心竞争力的重要手段，一些国际著名运营商已经将网络资源的利用率作为关键指标来考核网络的运维质量。

    中国移动通信的网络市场规模已经跃居世界首位，正在从高速发展期向平稳成熟期过渡，激烈的市场竞争使运营商从简单的价格战发展到理性的成本服务的深层竞争。高速扩容和粗于优化的资源配置的隐患开始显现：没有依据用户分布和使用习惯合理配置网络资源，导致有的小区过分拥塞，而有的小区又过分空闲；参数配置随意造成网络功能配合不畅或性能低下；缺乏合理的质量和效率评价体系，出现资源分配严重不平衡。因此，定期进行网络利用率量化评估活动可使网络建设和网络优化调整的周期和规模趋于定量化和理性化。但是，目前对资源利用率的考核方法还比较粗略，没有一种成熟的适合国情的资源利用率评估方法，缺乏优化手段，为此运营商和服务提供商已经开始着手研究这一课题。



二、无线信道利用率的评估方法和研究现状

    在移动网络，无线部分对网络的性能起到了决定性的作用，通常无线部分的投资占到总投资的60%以上。一般来说，无线资源可分为三类：第一类是设备资源，包括移动网络的基础设施，如TRX、BTS、BSC、OMC、传输设备、中继电路、电源、机房、铁塔等；第二类是不可见物理资源，如无线频谱资源；第三类是信息资源，如话统数据库、移动号码和规划维护信息库等资源。其中，无线信道利用率的评估是关键，提高无线信道利用率可有效地提高中继电路和频谱的利用率，从而大幅降低网络运营成本，提高运营利润。

    目前关于无线信道利用率评估的实践和系统研究还比较少，主要分为几个方向：一是依据易操作性简单地定义考核指标；二是关注信道话务量，利用话统分析总结不同小区类型的每线话务量的最小取值；三是关注无线信道的利用率，从小区和系统两个层面利用话统分析总结不同小区类型无线信道利用率的理想取值范围。

    下面简要介绍这些分析方法。

1、评估方法

    中国移动集团公司2003年对网络考核的要求中，将无线信道利用率定义为：能正常工作的话音信道占所有配置话音信道的百分比，即忙时话音信道可用总数/话音信道配置总数×100%【1】。显然，这里定义的“话音信道利用率”实际是可用率，它反映统计周期内载频（信道）是否可以正常占用，即载频单板的运行状况，一般情况下该值应为100%。但是，在实际的网络中，受用户移动性、时间性和基站配置的虚容量等因素的制约，无线信道的利用率远达不到100%。此外，各地网络的情况各异，无线信道的利用率也存在着或多或少的差异，因此这一定义不能很好地反映出无线网络资源的使用效率。

    一些地方移动公司在网络优化活动中开始探索新的考核办法，定义小区每信道话务量的最大/最小值，作为小区扩/减容的门限。考虑到可操作性，拟定的定义都比较简单，一般选取一段时间内网络忙时话务量的平均值作为整网小区的考核指标，简化约束条件。

    还有一些研究者提出使用话务统计话务量/设计承载话务量的比值来衡量小区的无线信道的利用率，设计承载话务量指的是信道数和呼损率确定的情况下无线网络可处理的话务量。在处理平均忙时信道话务量时，选取一周若干天小区忙时话务量的平均值。

    后两种方法基本上把握住了无线资源利用效率的本质：无线资源效率正是坚持低成本扩张，追求每线话务量的最大收益，从微观给出优化小区无线信道利用率的依据，但它们普遍缺乏宏观的无线利用率评估方法。

2、研究现状

    一些研究者从典型的网络话务统计入手，对网内各小区忙时的无线网络配置、话务量、无线接通率、掉话率、拥塞率进行统计分析，对无拥塞率情况下各类型小区的无线信道利用率的理想取值范围给出建议。对于不同站型的基站小区，忙时最大无线信道利用率大约为：1-2个载频的小区，取值65%；3-5个载频的小区，取值70%；6个载频以上的小区，取值80%。确定小区忙时最大无线信道利用率取值后，可由下面公式计算出该小区忙时最小无线信道的利用率，即当该小区无线信道利用率达到最小值时，可对其配置进行调整。

    对n个载频的小区：

    忙时最小无线信道利用率＝（n－1）个载频对应的设计容量×（n－1）个载频对应的小区忙时最大无线信道利用率／n个载频对应的设计容量。

    并提出小区忙时话务不均衡系数概念：

    小区忙时话务不均衡系数＝（小区忙时总话务量/系统忙时总话务量）－1。其中，小区忙时是指小区产生最大话务量的时段，系统忙时是指整网最大话务量的时段。

    将小区忙时无线信道利用率和小区忙时话务不均衡系数两项带入公式，即可得出系统忙无线网络利用率的取值范围【3】。

    还有一些研究者比较了“每信道用户数”、“每信道话务量”、“无线网利用率”三种指标的可行性和可操作性。大家普遍认为，“每信道话务量”技术的可操作性好，适合作为考核指标，在适当改进后，根据载频配置将基站划分为容量站和覆盖站（配置在S222以上的站为容量站，其它作为覆盖站），并提出现阶段无线信道利用率的考核方式：对容量站和覆盖站分别进行考核，对用于解决容量问题的2载频以下配置的微蜂窝，应作为容量站处理。

    这些成果对无线信道利用率的研究具有拓展作用。但是，不难看出，这些研究或偏于话统数据，或偏于理论推导，准确性受到很大的局限，可推广性受限。特别是，这些方法对影响无线信道利用率的因素考虑不足，得出的结论不具普遍性，有待新的评估方法。



三、无线信道利用率评估方法新探

1、无线信道利用率的理论规律

    如上所述，大多数运营商定义的无线信道利用率＝话务统计话务量／设计承载话务量，使用对象包括小区和系统。

    对于不同载频配置的小区，利用率的理想取值范围不同，根据无线信道统计复用的规律，平均载频配置越高无线信道利用率也应越高。从呼叫特性来看，GSM无线网的理论话务承载能力一般应采用爱尔兰B公式进行计算。

    应用爱尔兰B公式的前提是呼叫必须具有以下性质：

    ※  每次呼叫相互独立，互不相关，即呼叫具有随机性；

    ※  每次呼叫在时间上都有相同的概率；

    ※  每个用户选用无线信道具有任意性，且等概率。

    经研究验证，实际流入信道的话务往往很难完全满足以上三项假设，且具有峰值特性。

2、影响无线信道利用率的主要约束条件

    在讨论无线利用率评估方法之前，首先对影响无线信道利用率的约束条件进行定量或定性分析，这些约束条件直接关系到评估方法的普遍性和准确性。

    ■  小区类型特征

    小区类型特征包括小区配置特征和功能特征。小区配置特征是指小区载频数，不同载频配置小区的无线信道利用率差别很大。统计研究表明，8载频以上小区的无线信道利用率差异很小，1-2载频小区、3-5载频小区、6-8载频小区区间内无线信道的利用率也比较近似，可适当简化。小区功能特征是指小区网络用于覆盖还是吸收话务，容量站和覆盖站可从载频配置来区分。例如，配置在S222以上的站为容量站，其它为覆盖站，但作为室内覆盖的2载频以下的微蜂窝也可作为容量站考虑，对于联通一般都可视为容量站。因此，在评估方法中可按照载频配置将小区分为9类，将小区功能特征作为一个影响条件。

    ■  拥塞率条件

    提高无线信道利用率的前提是必须保证一定的网络质量，为此首先应提高无线接通率，将小区的TCH拥塞率限定在可承受的范围之内。

    研究表明：小区的利用率和拥塞率两项指标之间具有指数分布关系，不同类型的小区具有不同的系数。也就是说，指数曲线的陡缓与小区类型有关，包括载频配置、地理位置和用户行为等因素，Congest rate＝f(C,Utilization rate)，其中f为指数函数，C为权重常量，C＝C（TRX config,location,user behavor）。

    可以看出，当无线信道利用率达到一定值时，小区的拥塞率将急剧升高，因此无线信道利用率最大值存在着一个合理的取值。

    对1-2载频小区，当utilization rate＞65%，小区拥塞率明显升高；

    对3-5载频小区，当utilization rate＞70%，小区拥塞率明显升高；

    对6载频以上小区，当utilization rate＞80%，小区拥塞率明显升高。

    根据中国移动和中国联通的考核标准，拥塞率达标值为1%，因此研究范围可限定在拥塞率小于1%时无线信道利用率的变化范围。统计数据表明，一般地，在保持拥塞率小于1%的前提下，无线信道利用率最大可以提升2个百分点。

    ■  系统话务不均衡条件

    我们知道，不同小区的话务忙时也不同，小区本身也在不断地波动变化。但是，无论对小区还是系统，进行无线信道利用率评估时，一般都采用一天中的系统忙时，因此导致实际的利用率比忙时统计的利用率高，不同网络的差值也不同，从而影响到评估标准值设定，差值大的标准值设置需要低一些。定义（系统忙时话务／小区忙时话务－1）为系统话务不均衡系数，一般取值在0-1之间，影响利用率最高0.5个百分点，通常视作线性变化。

    ■  基站话务不均衡条件

    基站的话务随着地理位置、用户行为和时间波动变化，尤其在一些重大节假日更将经受话务高峰冲击，因此基站必须配置一定的冗余度，这对无线信道利用率的理想最大取值会产生负面影响。

3、如何在约束条件下对无线信道利用率合理取值

    在上面分析的基础上，可推导出一套与网络相适应的无线信道利用率的评估取值方法。

    下面从T国抽取三个有代表性的区域（Center、Easten、Northern）作为样本，对2003年4月13日-19日（该国春节）GSM各小区忙时无线网络的配置、话务量、网络质量等数据进行统计分析。Center为首都城市，用户发展和话务需求增长很快，Easten为东部中等城市，话务增长慢，Northern为北部山区城市，话务适中。

    主要约束条件处理：

    ※  小区类型特征：该国为旅游大国，站点比较集中，各载频小区均为容量站；

    ※  拥塞率条件：网络质量取拥塞率≤1%的小区数据作为统计对象；

    ※  系统话务不均衡条件：取各小区一天的话务平均，消除各小区忙时话务量总和与系统忙时话务量的差值；

    ※  基站话务不均衡条件：话统数据来自春节期间，达到基站话务吸收最大值。

    通过统计分析，得到表1所示的无线信道利用率的取值标准，从约束条件处理知道此时无线信道利用率达到最大取值。



表1  T国GSM网络约束条件下的无线信道利用率合理取值表

    可以得出一般性结论：小区无线信道利用率取值范围集中在20%-75%之间，对部分覆盖小站型无线信道利用率最小值可为15%，大配置的容量站型最大值可为80%。对应的小区每线话务量取值在0.25-0.50Erl之间，对于覆盖小站型最小值可为0.15Erl，对于大站型最大值可为0.65Erl。如果一味追求无线信道的高利用率，必将损害网络质量，同时过多大站型将减弱抗风险能力。当然，过低的无线信道利用率则会造成投资浪费。



表2  约束条件下的无线信道利用率取值设置

    约束条件分别取各种不同的值，可以得出不同的网络评估值，如表2所示。

    影响的因素包括：

    ※  小区特征：取值0/1，0代表容量站型，1代表覆盖站型，负面影响无线利用率，取值约1.5个百分点；

    ※  拥塞率：取值0-1%，正面影响无线利用率取值约2个百分点，对大于1%的拥塞率条件需要修改公式；

    ※  系统话务不均衡条件：取值0-1，负面影响无线利用率，取值0.5个百分点；

    ※  基站话务不均衡条件：取值1或2，对容量站系数取2，负面影响无线利用率，取值2个百分点；对覆盖站系数取1，负面影响无线利用率，取值约1个百分点。

    4、无线信道利用率的评估方法

    如何实施一个实际网络无线信道利用率的评估，得到小区无线信道利用率优化的依据？

    ■  确定网络无线利用率理想取值范围

    研究分析实际网络特性，确定各种约束条件的取值，使用表2“约束条件下的无线信道利用率取值设置”，可以得到网络在各种类型小区无线信道的利用率（等同于小区每信道话务量）的理想取值范围。

    ■  计算每天小区忙时的超忙小区和超闲小区

    对评估周期内的数据，采样网络所有小区每小时的话统数据，包括拥塞率和话务量，计算出每天小区忙时每线话务量或无线信道利用率（话务时间峰值），并根据小区的约束信息（载频配置、拥塞率），统计出大于理想取值范围的小区（超忙小区）和小于理想取值范围的小区（超闲小区），编写EXCEL函数，分别以不同的颜色标出，如表3所示。



表3  通过EXCEL表实现超闲或超忙显示

    ■  评估网络的无线信道利用率

    从宏观看，可以定义每日超忙小区和超闲小区的比例，评估整网无线资源的利用效率。

    对超忙小区的比例应严格控制，优秀的网络应保持在2.5%以下，及格的网络应保持在5%以下。考虑到网络建设向农村发展，超闲小区的考核可相对宽松，建议优秀的网络应保持在20%以下，及格的网络应保持在25%以下。

    从微观看，需要定义一定周期内小区超忙或超闲的概率，评估本小区无线信道的利用率，如每周某小区超忙或超闲的次数。



四、结束语

    目前，实际网络对无线资源利用率的评估和应用还比较粗浅，欠缺科学、合理和可操作性强的评估方法。本文从无线网络的角度提出了一种评估无线网络资源利用率的方法，完善以往的研究，以期推进提高资源利用率的网优服务理念的清晰化，以及无线资源利用率评估的工具化。对于网络建设所关注的经济盈亏评估不是本文讨论的重点，也没有对无线资源利用率的优化进行展开分析，这些都是后续需要研究的内容