GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)的探討和應(yīng)用

摘要　由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量成為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)奪用戶的關(guān)鍵因素。中國(guó)聯(lián)通是雙網(wǎng)并存，定性和定量地對(duì)比GSM網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)并探討其內(nèi)在聯(lián)系，不僅對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的優(yōu)化和評(píng)估具有重要意義，而且對(duì)即將建設(shè)的3G網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估也具有參考和指導(dǎo)意義。本文對(duì)GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)及其內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了分析和推導(dǎo)，提出了正確分析網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的有效方法。

關(guān)鍵詞　等效FER　話務(wù)量　軟切換　吞吐率

1、BER(GSM)和FER(CDMA)的評(píng)估

1.1　基本概念

圖1所示是GSM和CDMA前向業(yè)務(wù)信道發(fā)送端處理過(guò)程。接收處理是發(fā)送處理的逆過(guò)程，這里不再畫出。  

BER(誤碼率)是GSM系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量指標(biāo)，指接收端在完成解調(diào)和去交織后，進(jìn)行信道解碼之前的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤比特率。GSM語(yǔ)音編碼后每個(gè)20ms全速率語(yǔ)音塊包含260bit，其中有78bit不重要，50bit最重要，132bit重要。對(duì)50個(gè)最重要的比特加3個(gè)校驗(yàn)比特后再與132個(gè)重要比特以及4個(gè)尾比特一起進(jìn)行速率為1/2、約束長(zhǎng)度為5的卷積編碼。

FER(誤幀率)是CDMA系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量指標(biāo)，指接收端完成信道解碼之后的20ms幀的誤幀率。CDMA語(yǔ)音編碼的全速率業(yè)務(wù)信道(9600bit/s)的20ms幀中有172個(gè)信息比特，12個(gè)CRC校驗(yàn)比特，語(yǔ)音譯碼器通過(guò)CRC校驗(yàn)來(lái)判定該幀是否有誤碼，如果有誤碼則認(rèn)為該幀為錯(cuò)誤幀，應(yīng)該刪掉。

GSM和CDMA業(yè)務(wù)信道的處理過(guò)程除了多址方式外，各個(gè)環(huán)節(jié)沒(méi)有太大不同，以業(yè)務(wù)信道為例，都是20ms語(yǔ)音塊，經(jīng)過(guò)卷積編碼、交織、多址(碼分或時(shí)分)、調(diào)制，由于GMSK調(diào)制方式是QPSK的衍生方式，因此可以將QPSK的性能分析用于GMSK方式。

圖1　GSM和CDMA前向業(yè)務(wù)信道發(fā)送端處理過(guò)程

1.2　分析思路

對(duì)于觀察點(diǎn)不同的兩個(gè)指標(biāo)，我們可以先將觀察點(diǎn)統(tǒng)一到信道解碼之后的誤幀率，即從GSM系統(tǒng)在一定BER的情況下推算出信道解碼后相應(yīng)的等效誤幀率，再和CDMA的FER進(jìn)行比較。由于GSM語(yǔ)音編碼的20ms全速率語(yǔ)音幀中有182個(gè)重要比特，CDMA的20ms語(yǔ)音幀中的171個(gè)信息比特都是重要比特，在假定兩種語(yǔ)音編碼方式?jīng)]有重大質(zhì)量差異的情況下(即每個(gè)20ms的幀出錯(cuò)后對(duì)CDMA和GSM的語(yǔ)音質(zhì)量造成相同損害)，GSM的20ms語(yǔ)音幀中任意重要比特出錯(cuò)則認(rèn)為出現(xiàn)了誤幀，其誤幀率可以等效于同等通話質(zhì)量的CDMA的FER。

1.3　GSM的等效誤幀率的推導(dǎo)

對(duì)于未經(jīng)糾錯(cuò)編碼的QPSK系統(tǒng)，其誤碼率Pb和Eb/No的關(guān)系為

當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的誤碼率比較低時(shí)，對(duì)于硬判決解碼的卷積編碼增益為

式中：R是卷積碼的碼率，d∞是卷積碼的自由距離(也就是該編碼的任意2個(gè)碼字間的最小距離，這里的距離指2個(gè)碼字間對(duì)應(yīng)位上相異碼元數(shù))。由于是從已經(jīng)解調(diào)后的BER(即Pb)開始推導(dǎo)，因此可以使用硬判決算法。對(duì)于GSM系統(tǒng)，采用的碼率尺=1/2，約束長(zhǎng)度=5，其d∞=7，因此編碼增益Gp=2.43dB。查閱卷積碼的性能分析資料可知，解碼后誤碼率(對(duì)數(shù)坐標(biāo))與Eb/No(dB)的關(guān)系曲線接近于直線，因此在一定范圍內(nèi)以直線去逼近該性能曲線(如圖1所示)，具有工程合理性。我們選擇最貼近運(yùn)營(yíng)商關(guān)注范圍的、BER為10-3和10-4的2個(gè)點(diǎn)來(lái)確定性能逼近直線，根據(jù)前面給出的公式可以計(jì)算出這2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，并得出如下性能逼近直線

式中，P為解碼后誤碼率(對(duì)數(shù)坐標(biāo))。進(jìn)而得出

得到信道解碼后的誤碼率P解后，由于一幀有182個(gè)重要比特，可以得到GSM的等效誤幀率為

進(jìn)而可以計(jì)算給定GSM的BER(即Pb)所對(duì)應(yīng)的信道解碼后的等效FER。圖2是根據(jù)上述公式計(jì)算的Pb、P與Eb/No的關(guān)系曲線。

圖2　GSM在有無(wú)信道編碼時(shí)的誤碼率和Eb/No的關(guān)系

圖中，無(wú)信道編碼(Pb)表示沒(méi)有采用糾錯(cuò)編碼的各種輸入Eb/No下的誤碼率。卷積碼編碼(P解)表示對(duì)于各種輸入Eb/No采用了卷積編碼經(jīng)過(guò)解碼后的誤碼率。

1.4　結(jié)論和應(yīng)用

根據(jù)上述分析，我們計(jì)算了不同BER對(duì)應(yīng)的等效FER，表1中列舉了幾個(gè)主要數(shù)據(jù)。

表1　等效FER方法計(jì)算結(jié)果

參考文獻(xiàn)[1]中使用通信系統(tǒng)通用的MOS分衡量標(biāo)準(zhǔn)，從語(yǔ)音質(zhì)量感受的角度將BER和FER聯(lián)系起來(lái)，主觀MOS分采用ITU-T P.800和P.830建議，由不同的人分別對(duì)原始語(yǔ)音資料和經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后有衰減的語(yǔ)音資料進(jìn)行主觀感覺對(duì)比，得出MOS分，最后求平均值。而客觀MOS評(píng)價(jià)則采用ITU-T P.862建議提供的PESQ方法，由專門的儀器(如Agilent的VQT測(cè)試儀)或軟件進(jìn)行測(cè)試，表2所示為基于MOS分標(biāo)準(zhǔn)的FER(CDMA)和BER(GSM)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]。

表2　基于MOS分標(biāo)準(zhǔn)的FER(CDMA)和BER(GSM)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)比表1、表2可以發(fā)現(xiàn)，我們推導(dǎo)計(jì)算的結(jié)果與MOS評(píng)價(jià)方式的數(shù)據(jù)基本一致，克服了主觀評(píng)價(jià)的主觀性和偶然性。應(yīng)用本文給出的推導(dǎo)公式可以計(jì)算出任意BER所對(duì)應(yīng)的FER值，因此能夠更加全面和準(zhǔn)確地評(píng)估GSM系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)的通話質(zhì)量。

2、C/I和Ec/Io的計(jì)算與應(yīng)用

GSM系統(tǒng)中的C/I就是有用信號(hào)載波功率與干擾的比值，而CDMA中Ec/Io是擴(kuò)頻后的碼片能量與擴(kuò)頻信號(hào)帶寬內(nèi)的高斯白噪聲功率譜密度之比。GSM系統(tǒng)中要求同頻載干比C/I大于9dB，CDMA系統(tǒng)中要求Ec/Io大于-13dB。它們與接收電平一起，成為反映無(wú)線覆蓋的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.1　指標(biāo)的計(jì)算

對(duì)于GSM：

基帶信號(hào)速率尺為270.833kbit/s，信號(hào)帶寬R為200kHz，因此解調(diào)后的處理增益為

用dB表示就是

GSM采用1/2速率、約束長(zhǎng)度為5的卷積碼，其d∞=7，假定其編碼增益為Gc，所以在信道解碼后其信噪比為

對(duì)于CDMA：

基帶信號(hào)速率R為19.2kbit/s，信號(hào)帶寬B為1.25MHz，因此經(jīng)過(guò)解擴(kuò)和解調(diào)后的處理增益為

用dB表示就是

CDMA采用1/2速率、約束長(zhǎng)度為9的卷積碼，其d∞=12。由于編碼增益與d∞成正比，因此其編碼增益應(yīng)為Gc+10lg(12/7)=Gc+2.34(dB)(因?yàn)镃DMA編碼增益是GSM編碼增益的12/7倍，用dB表示就是10lg(12/7)。所以在信道解碼后看到的信噪比為

式中，Tc和ƒc分別為擴(kuò)頻后碼片的周期和頻率，Tc=1/ƒc。

通過(guò)上面公式可以算出，在GSM網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)的輸入C/I和Ec/Io的要求分別為9dB和-13dB時(shí)，在信道解碼后(即語(yǔ)音譯碼前)的信噪比分別為7.7+Gc和7.44+Gc，兩者很接近，因此可以得到相近的語(yǔ)音質(zhì)量。

2.2　應(yīng)用和分析

應(yīng)用上述基本理論和推導(dǎo)，分別以9dB和-13dB作為GSM和CDMA的信噪比比較基準(zhǔn)來(lái)評(píng)估、對(duì)比雙網(wǎng)的覆蓋質(zhì)量。同樣，可以改進(jìn)路測(cè)分析軟件，例如，將CDMA路測(cè)分析軟件的Ec/Io數(shù)據(jù)標(biāo)注直接加上22dB后進(jìn)行標(biāo)注，即可得到相當(dāng)于GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)果，這樣就可以直接對(duì)比雙網(wǎng)的路測(cè)圖和曲線以及語(yǔ)音質(zhì)量。這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，對(duì)規(guī)劃建設(shè)、優(yōu)化維護(hù)和用戶發(fā)展策略都有重要指導(dǎo)意義。

CDMA的信噪比要求比GSM的低得多，主要原因是CDMA系統(tǒng)具有很高的擴(kuò)頻處理增益，其信道編碼比具有更大的約束長(zhǎng)度；另外CDMA的RAKE接收機(jī)還能通過(guò)多路接收改善多徑效應(yīng)的影響。GSM的干擾主要來(lái)源于同頻復(fù)用或外部設(shè)備干擾，只要頻率規(guī)劃合理，C/I值在一定區(qū)域內(nèi)比較穩(wěn)定。而CDMA網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)寬帶自干擾系統(tǒng)，其主要干擾來(lái)源于本小區(qū)和鄰小區(qū)的所有用戶的干擾，Ec/Io在一定區(qū)域內(nèi)變化較大，在Ec/Io良好的情況下，CDMA具有很好的語(yǔ)音質(zhì)量，而在導(dǎo)頻污染嚴(yán)重或話務(wù)量高的地方，語(yǔ)音質(zhì)量波動(dòng)較大。

3、話務(wù)量和掉話率的對(duì)比

3.1　話務(wù)量和容量分析

雙網(wǎng)從A接口看到的話務(wù)量是真實(shí)的、用以直接計(jì)算收入的話務(wù)量。對(duì)于GSM來(lái)說(shuō)，業(yè)務(wù)信道話務(wù)量與A接口話務(wù)量一致，業(yè)務(wù)信道的容量就是所有載波(TRX)數(shù)乘8再減去用作BCCH和SDCCH的物理信道數(shù)。對(duì)于CDMA，業(yè)務(wù)信道的容量就是所有信道板中配置的業(yè)務(wù)信道數(shù)。由于軟切換存在，CDMA網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)信道的話務(wù)量高出A接口話務(wù)量50%以上。GSM網(wǎng)絡(luò)的擁塞主要源于TCH、SDCCH信道數(shù)不足。CDMA網(wǎng)絡(luò)的擁塞原因除了TCH配置不足以外，還可能是Walsh碼數(shù)量不足，或是基站可分配功率已經(jīng)達(dá)到最大值，產(chǎn)生了使覆蓋范圍縮小的所謂呼吸效應(yīng)。

3.2　掉話率分析

GSM網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)掉話率的計(jì)算方法相同。對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，小區(qū)掉話率是指該小區(qū)因?yàn)榍袚Q或無(wú)線信號(hào)丟失引起掉話的數(shù)量與本小區(qū)總的呼叫數(shù)之比�？偤艚袛�(shù)是指本小區(qū)的始呼數(shù)與成功切換進(jìn)入該小區(qū)的呼叫數(shù)之和。對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，小區(qū)掉話率是指與本小區(qū)有關(guān)的無(wú)線信號(hào)丟失的總次數(shù)與小區(qū)成功分配的Walsh碼次數(shù)之比。由于CDMA網(wǎng)絡(luò)引入了軟切換技術(shù)，在掉話時(shí)手機(jī)可能同時(shí)在與多個(gè)小區(qū)或基站通信，一次掉話會(huì)使每個(gè)參與軟切換小區(qū)的掉話次數(shù)都增加1次，因此，在計(jì)算全網(wǎng)掉話次數(shù)時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將小區(qū)掉話次數(shù)相加，而應(yīng)該考慮當(dāng)時(shí)手機(jī)所處的位置，如果手機(jī)處于N方切換，則應(yīng)將掉話次數(shù)除以N后再相加。

4、對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)化指標(biāo)的思考

不管是cdma2000 1X還是基于GSM系統(tǒng)的EDGE，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中最關(guān)鍵的指標(biāo)都是數(shù)據(jù)的吞吐率，即用戶能夠得到的上傳或下載數(shù)據(jù)的速率。由于兩種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都是采用捆綁多個(gè)業(yè)務(wù)信道以傳送高速數(shù)據(jù)，因此在一個(gè)會(huì)話的分組數(shù)據(jù)傳輸中，需要分組控制系統(tǒng)在每個(gè)分組時(shí)間片發(fā)送之前根據(jù)緩沖器中當(dāng)前剩余數(shù)據(jù)量、預(yù)計(jì)即將到來(lái)的新數(shù)據(jù)量、分組傳送時(shí)間片大小來(lái)決定向基站系統(tǒng)申請(qǐng)多少信道完成本次傳送。基站系統(tǒng)在接到申請(qǐng)后，將根據(jù)該扇區(qū)和載波具有多少無(wú)線資源和系統(tǒng)目前的功率負(fù)荷來(lái)決定是按照申請(qǐng)的數(shù)量分配信道還是降低信道數(shù)量進(jìn)行分配。如果申請(qǐng)信道過(guò)少，基站系統(tǒng)滿足該申請(qǐng)的可能性(即匹配率)就大，但是可能由于跟不上實(shí)際的數(shù)據(jù)量，會(huì)降低該會(huì)話的吞吐率；如果申請(qǐng)的信道過(guò)多，則基站系統(tǒng)滿足該申請(qǐng)的可能性(即匹配率)就會(huì)降低，即使?jié)M足，也可能因TCP層速率低而物理層速率高而形成無(wú)線資源的浪費(fèi)，也增加了無(wú)線干擾。兩種情況都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率，在合理設(shè)置參數(shù)使系統(tǒng)能合理預(yù)測(cè)申請(qǐng)的信道數(shù)量的情況下，匹配率的高低可以反映小區(qū)的功率負(fù)荷情況，也能反映一些基站的故障，但數(shù)據(jù)平均吞吐率才是數(shù)據(jù)優(yōu)化的根本目標(biāo)。目前某些網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化公司在CDMA的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)化中追求匹配率的達(dá)標(biāo)，而不對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)考核，這樣可能造成優(yōu)化目標(biāo)的偏離。

參考文獻(xiàn)

1　李忠東，趙其勇，楊亞軍等.關(guān)于GSM、CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)評(píng)估統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的探討.人民郵電報(bào)網(wǎng)絡(luò)電子版，2004年1月14日

2　Peter Sweeney著，俞越，張丹　譯.差錯(cuò)控制編碼.北京：清華大學(xué)出版社，2004

3　Vijay K.Garg著，于鵬等譯.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)原理與工程設(shè)計(jì)IS-95 CDMA and cdma2000.北京：電子工業(yè)出版社，2001

4　韓斌杰編著.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

5　約翰G.普羅基斯著，齊懷亮等譯.數(shù)字通信.北京：電子工業(yè)出版社，1988

6　G.C.小克拉克著，聶濤等譯.數(shù)字通信中的糾錯(cuò)編碼.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988