王海龍

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

陸上數(shù)字集群通信系統(tǒng)（Terrestrial Trunked Radio，TETRA）是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（European Telecommunication Standards Institute，ETSI）于1995年正式確定并推薦的開放性數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)，起初是為歐洲警察和安全部門使用而制定的，具有較強(qiáng)的指揮調(diào)度功能[1]。TETRA系統(tǒng)由于其接口開放、技術(shù)先進(jìn)、功能豐富和保密性好等特點(diǎn)，已成為我國(guó)數(shù)字集群領(lǐng)域的首選標(biāo)準(zhǔn)[2]。TETRA系統(tǒng)在我國(guó)地鐵、機(jī)場(chǎng)、港口、公共安全等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，許多專業(yè)部門相繼建立了自己的TETRA專網(wǎng)，TETRA數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在全球超過70個(gè)國(guó)家簽署了超過760個(gè)，TETRA標(biāo)準(zhǔn)更是在我國(guó)指揮調(diào)度通信行業(yè)中扮演著重要角色[3]。

隨著TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，系統(tǒng)的實(shí)際工程規(guī)劃建設(shè)中必然要涉及到系統(tǒng)容量的計(jì)算問題，此時(shí)，就需研究各項(xiàng)業(yè)務(wù)的話務(wù)量模型。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)集群系統(tǒng)話務(wù)量都有所研究，但均沒有具體研究過TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的集群模式對(duì)于各業(yè)務(wù)話務(wù)量的影響，也未具體研究過TETRA系統(tǒng)的多種業(yè)務(wù)的具體話務(wù)量計(jì)算方法[4-8]。因此，TETRA業(yè)務(wù)話務(wù)量亟待深入研究和分析。

1 TETRA系統(tǒng)業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)可以提供語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)，用戶通過使用TETRA移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)。具體業(yè)務(wù)類型如表1所示。

表1 TETRA系統(tǒng)業(yè)務(wù)簡(jiǎn)介

2 TETRA業(yè)務(wù)話務(wù)量計(jì)算模型

通信系統(tǒng)在一定呼損率E下能夠容納的話務(wù)量A可以作為該通信系統(tǒng)基本性能的定量指標(biāo)。在通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，以忙時(shí)話務(wù)量作為系統(tǒng)性能指標(biāo)，每一用戶的忙時(shí)話務(wù)量為：

式中， a：每個(gè)用戶的忙時(shí)話務(wù)量，單位是Erl；

α：每個(gè)用戶在一天內(nèi)的呼叫總次數(shù)；

β：忙時(shí)集中率，定義為忙時(shí)話務(wù)量與每天話務(wù)量之比；

t：每個(gè)用戶占用信道的平均時(shí)間，單位是h。

在呼損率E保持不變的情況下，通信系統(tǒng)能夠容納的最多用戶數(shù)M定義為：

假定用戶數(shù)M足夠大，且遠(yuǎn)大于信道數(shù)N，單位時(shí)間的呼叫次數(shù)為常數(shù)，通話時(shí)長(zhǎng)的概率服從指數(shù)分布，則可得E、A、N之間的關(guān)系為：

公式（3）是第一愛爾蘭公式，亦稱為愛爾蘭B公式。

分析公式（2）、（3）可得，若呼損率E保持不變，話務(wù)量A越大，則系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)M越多；若系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)M保持不變，話務(wù)量A越大，則呼損率E越小。由此可見，通信系統(tǒng)容納的話務(wù)量A直接決定了系統(tǒng)的用戶數(shù)和呼損率，而這二者直觀地表示出通信系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此通信系統(tǒng)能夠容納的話務(wù)量能很好表示出系統(tǒng)的基本性能，可以作為通信系統(tǒng)基本性能的定量指標(biāo)。

然而，嚴(yán)格來說移動(dòng)通信系統(tǒng)并非完全滿足推導(dǎo)公式（3）的三個(gè)前提條件，尤其是在小話務(wù)量時(shí)偏差較大。但是，如果作為一般的估算，可以應(yīng)用這個(gè)公式及其損失概率表。因此，它在移動(dòng)通信工程中一直被廣泛使用。

對(duì)于等待制系統(tǒng)（最簡(jiǎn)單呼叫流程等待制全利用系統(tǒng)），當(dāng)信道全忙時(shí)，新的呼叫請(qǐng)求排隊(duì)等候，而非被系統(tǒng)直接拒絕。所以，等待制系統(tǒng)的一個(gè)重要服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)是呼叫的等待時(shí)間γ大于0的概率，用P（γ>0）來表示。經(jīng)推理驗(yàn)證，如果A/N<1，則出現(xiàn)排隊(duì)等待的概率（條件呼損概率）為：

公式（4）是第二愛爾蘭公式，也稱愛爾蘭C公式。

TETRA系統(tǒng)是等待制系統(tǒng)，若系統(tǒng)的所有信道都繁忙，則用戶發(fā)出的新呼叫建立請(qǐng)求需要排隊(duì)等待至有信道釋放，再依次占用空閑的信道，系統(tǒng)容量采用公式（4）計(jì)算，則TETRA系統(tǒng)基站容量配置的信道數(shù)與排隊(duì)等待概率的關(guān)系為：

在不同TETRA系統(tǒng)中，呼叫等待時(shí)間大于0 s的概率P取值有所不同，本文按照通常情況使用的5%考慮。

3 TETRA業(yè)務(wù)話務(wù)量分析

TETRA系統(tǒng)的集群模式有3種，內(nèi)容如下。

1）消息集群（Message Trunking）：每一次呼叫通話期間，一次性地分配業(yè)務(wù)信道，通話完畢后（即松開PTT開關(guān)后），繼續(xù)保持信道6～10 s左右，供其他聽者占用；若6～10 s內(nèi)未監(jiān)測(cè)到有業(yè)務(wù)占用信道，則釋放此信道。

2）傳輸集群（Transmission Trunking）：每一次按PTT開關(guān)就重新分配業(yè)務(wù)信道。

3）準(zhǔn)傳輸集群（Quasi Transmission Trunking）：前兩者的折中方案，每次PTT松開后保持業(yè)務(wù)信道0.5～6 s，然后釋放信道。

在TETRA系統(tǒng)的不同集群模式下，TETRA系統(tǒng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)實(shí)際占用信道的時(shí)間可能大于或等于通話時(shí)長(zhǎng)，即在相同通話時(shí)長(zhǎng)下，由于集群模式的不同，各種模式下相應(yīng)的話務(wù)量也有所不同。下面將以組呼為例分析不同集群模式下的話務(wù)量，并分析幾種典型的TETRA業(yè)務(wù)話務(wù)量。

3.1 TETRA組呼話務(wù)量

參考國(guó)外的統(tǒng)計(jì)資料和國(guó)內(nèi)已建數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)[9]，假設(shè)每天發(fā)起組呼25次，忙時(shí)集中率為0.1；每組有15個(gè)用戶，每個(gè)用戶都參與任意用戶發(fā)起的每一次組呼，每個(gè)用戶的回話一次，其通話時(shí)長(zhǎng)（講話時(shí)間）平均為15 s，每組中有5個(gè)用戶在等待其他用戶通話完畢的x1=6～10 s內(nèi)按下PTT，每組中有5個(gè)用戶在其他用戶通話時(shí)就按下PTT（排隊(duì)等待業(yè)務(wù)信道），每組中有5個(gè)用戶在等待其他用戶通話完畢的x2=0.5～6 s內(nèi)按下PTT，假定條件如圖1所示。

1）消息集群

由于每次組呼時(shí)，每個(gè)用戶都通話完畢后，繼續(xù)保持信道6～10 s左右，即松開PTT開關(guān)后可以繼續(xù)占用信道6～10 s。由上述擬定的情況可知，每組中有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為（15+x1）s，有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為15 s，有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為（15+x2）s，話務(wù)量分析如圖2所示。

根據(jù)公式（1）得，每天的組呼話務(wù)量a為：

由擬定條件得，x1+x2∈[6.5，16]，則每天組呼話務(wù)量為0.178 9 Erl至0.211 8 Erl。

2）傳輸集群

由于每次組呼時(shí)，每個(gè)用戶都占用重新分配的業(yè)務(wù)信道，即只有在按下PTT通話時(shí)占用信道，通話組中的每個(gè)用戶占用信道時(shí)間均為15 s，話務(wù)量分析如圖3所示。

根據(jù)公式（1）得，每天的組呼話務(wù)量a為：

3）準(zhǔn)傳輸集群

由于每次組呼時(shí)，每個(gè)用戶都通話完畢后，繼續(xù)保持信道0.5～6 s左右，即松開PTT開關(guān)后可繼續(xù)占用信道0.5～6 s。由上述設(shè)定情況可知，5個(gè)在其他用戶通話時(shí)就按下PTT的用戶占用信道時(shí)間為15 s，以及5個(gè)在等待其他用戶通話完畢的x1=6～10 s才按下PTT的用戶占用信道時(shí)間為（15+6）s，這5個(gè)用戶獲得了重新分配的信道（相當(dāng)于發(fā)起新的組呼，但由于是回應(yīng)本次發(fā)起組呼并為方便計(jì)算話務(wù)量，考慮這5個(gè)用戶的呼叫仍屬于本次組呼）；還有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為（15+ x2）s，話務(wù)量分析如圖4所示。

根據(jù)公式（1）得，每天的組呼話務(wù)量a為：

由擬定條件得，x2∈[0.5，6]，則每天的組呼話務(wù)量a為0.1788 Erl至0.1979 Erl。

根據(jù)TETRA標(biāo)準(zhǔn)可知，TETRA的一個(gè)載頻分為4個(gè)信道，TETRA基站支持配置1至8個(gè)載波，則相應(yīng)有3至31個(gè)業(yè)務(wù)信道。用戶忙時(shí)排隊(duì)概率≤5%，根據(jù)公式（5）或查看Erlang C表，可得到不同載波配置基站的話務(wù)容量,如表2所示。

表2 不同載波數(shù)下的話務(wù)容量表

在TETRA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，以組呼為主要通信方式，每個(gè)通話組的忙時(shí)話務(wù)量與基站能支持的通話組數(shù)息息相關(guān)。根據(jù)公式（2），以典型的8載波基站為例，在表3中列出了在不同集群模式下，可以支持的最大通話組數(shù)。

表3 不同集群模式下8載波基站能承載的通話組數(shù)

由表3可以看出，在TETRA系統(tǒng)為傳輸集群模式時(shí)，8載波基站所能承載的通話組數(shù)量最大，以下依次為準(zhǔn)傳輸集群和消息集群。雖然傳輸集群承載最多數(shù)量的通話組，但由于每次按下PTT時(shí)均重新分配信道，在業(yè)務(wù)繁忙時(shí)，信道可能全部占滿，很可能導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳輸不連續(xù)形成通話中斷現(xiàn)象。對(duì)于消息集群，松開PTT開關(guān)后，網(wǎng)絡(luò)無線側(cè)繼續(xù)保持組呼信道6～10 s左右，可供組內(nèi)其他用戶占用，大大減少通話中斷現(xiàn)象，但頻率利用率較前者顯著下降，能承載的通話組數(shù)量降低約18～37組，是消息集群承載最大通話組數(shù)量的13%～26%。而準(zhǔn)傳輸集群兼顧了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，信道利用率高且消息連續(xù)，可承載的通話組數(shù)量較傳輸集群只是略有減少。

通過上述分析可知，準(zhǔn)傳輸集群模式是3種集群模式中能兼顧另外兩者優(yōu)點(diǎn)的模式，而實(shí)際的TETRA系統(tǒng)中，通常采用的也是準(zhǔn)傳輸集群模式。所以，本文中其他TETRA業(yè)務(wù)話務(wù)量的分析也是在準(zhǔn)傳輸集群模式下進(jìn)行，下面以TETRA緊急呼叫為例說明。

3.2 TETRA緊急呼叫話務(wù)量

參考國(guó)外的統(tǒng)計(jì)資料和國(guó)內(nèi)已建數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)每天發(fā)起緊急呼叫5次，忙時(shí)集中率為0.1；每組有15個(gè)用戶，每個(gè)用戶都參與任意用戶發(fā)起的每一次緊急呼叫，每個(gè)用戶的回話一次，其通話時(shí)長(zhǎng)（講話時(shí)間）平均為10 s，每組中有5個(gè)用戶在等待其他用戶通話完畢的x1=6～10 s內(nèi)按下PTT，每組中有5個(gè)用戶在其他用戶通話時(shí)就按下PTT（排隊(duì)等待業(yè)務(wù)信道），每組中有5個(gè)用戶在等待其他用戶通話完畢的x2=0.5～6 s內(nèi)按下PTT。

緊急呼叫是一種具有高優(yōu)先級(jí)的組呼，具有較長(zhǎng)掛起時(shí)間定時(shí)器設(shè)置的消息集群。該定時(shí)器的范圍為0～3 600 s，緊急呼叫的默認(rèn)消息掛起時(shí)間一般為30 s。

由上述設(shè)定情況可知，緊急呼叫無論在哪一種集群模式下，由于默認(rèn)消息掛起時(shí)間一般都應(yīng)大于用戶延遲回話的時(shí)間（x1或x2），所以，每組中有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為（10+x1）s，有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為20 s，有5個(gè)用戶占用信道時(shí)間為（10+x2）s，話務(wù)量分析如圖5所示。

根據(jù)公式（1）得，每天的緊急呼叫話務(wù)量a為

由擬定條件得，x1+x2∈[6.5，16]，則每天的緊急呼叫話務(wù)量a為0.0253 Erl至0.0318 Erl。

3.3 TETRA業(yè)務(wù)話務(wù)量小結(jié)

由分析可知，TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)在準(zhǔn)傳輸集群模式下能兼顧提高頻道利用率和減少通話中斷，在實(shí)際系統(tǒng)中最為實(shí)用，應(yīng)用最為廣泛。而三種不同的集群模式主要是對(duì)TETRA系統(tǒng)中最重要的業(yè)務(wù)——組呼和通播組呼叫的話務(wù)量大小有影響，而對(duì)緊急呼叫、個(gè)呼（半雙工或雙工）以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均無影響。

本文依據(jù)TETRA系統(tǒng)中各業(yè)務(wù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料擬定的情況，總結(jié)了TETRA系統(tǒng)移動(dòng)終端的業(yè)務(wù)話務(wù)量，具體如表4所示。

表4 TETRA準(zhǔn)集群模式下各項(xiàng)業(yè)務(wù)話務(wù)量

4 結(jié)束語

通信系統(tǒng)容納的話務(wù)量與系統(tǒng)性能息息相關(guān)，TETRA系統(tǒng)由于業(yè)務(wù)類型各異，集群模式不同，因此話務(wù)量分析復(fù)雜。本文簡(jiǎn)單介紹了TETRA系統(tǒng)業(yè)務(wù)類型和話務(wù)量計(jì)算模型，詳細(xì)研究了TETRA系統(tǒng)不同集群模式下組呼話務(wù)量的計(jì)算結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上分析準(zhǔn)傳輸集群模式下TETRA系統(tǒng)多種業(yè)務(wù)的話務(wù)量，為TETRA系統(tǒng)性能的深入研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

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