浅析GPRS无线信道PDCH设置

爱卫生

摘要：目前我们对GPRS PDCH的配置多采用固定模式，但随着GPRS业务的不断发展已经不能适应当前的形势。本文通过计算推导的方法，对GPRS网络无线信道PDCH的设置进行了分析。
关键字：GPRS、PDCH、计算、分析

1．背景介绍
   GPRS(General Packet Radio Service)即通用分组无线业务，目前在全网已得到了广泛的推广和应用。GPRS在现有GSM网络基础上叠加少量网元，就可以完成无线数据服务，让广大GSM移动用户提前享受到部分3G服务，因此GPRS又称为2．5G。
PDCH(Packet Date Channel)即分组数据信道，是实现GPRS的最基本要素。PDCH其实是无线数据业务在空中接口上的承载逻辑实体，它和话音信道一样都是由GSM载频提供的，这正是它能得以推广的独到之处。由此可见，PDCH的规划、配置、优化就和GPRS网络性能息息相关了。而且，正因为PDCH和话音信道一样都要占用我们有限的载频资源，对它的关注同时也对我们GSM话音网络的性能起着非常重要的作用。
   目前SY市采用的PDCH配置方法是采用固定的模式：在每一个扇区都配置4个静态PDCH。这样的配置可以很快地覆盖全网，尽早地提供GPRS服务，但是，这种配置思路也暴露出一些不足，尤其是不能从总量上控制到底需要配多少PDCH才合适。
由于GPRS业务的移动性，再加上目前SY GPRS，用户相对话音用户少得多(见表1)，所以，无线数据业务的产生具有很强的突发性。因此，象话音网络那样在小区一级来考虑PDCH是不具有普遍意义的。更应该把着眼点放在BSC一级来先作通盘考虑，再根据某些小区的特殊情况作具体的考虑。

表l

城市	HLR内存在用户数	有位置登记的用户数		GPRS用户数
SY	22xxxxx		21xxxxx	11xxxx

2．对GPRS无线信道PDCH的分析
2．1协议及封装
   GPRS数据传输平面如下图所示：

2．2分组数据信道(PDCH)
   为了支持分组数据的传送，GPRS系统引入新的逻辑信道——分组数据信道PDCH(packet data logical channel)。PDCH可以更细地划分成分组广播控制信道PBCCH、分组公共控制信道PCCCH和分组数据业务信道PDTCH。PBCCH信道用于网络发送分组系统消息，PCCCH信道用于分组数据业务的接入和寻呼，PDTCH信道用于承载分组数据业务。
   PDCH信道都是52复帧的结构，在GPRS业务引进的初期PBCCH信道和PCCCH信道不是必须的，GPRS手机可以从BCCH获取和分组业务有关的系统消息，从CCCH上收到分组寻呼和进行分组数据业务的接入。
   PDCH从另外一方面义可分为静态PDCH信道和动态PDCH信道。静态PDCH信道只能用于PDCH，动态PDCH信道在缺省时用做TCH，在有分组数据业务需求时可以转换成PDCH信道。动态PDCH的引入对于合理使用空中资源有很大的好处，静态PDCH信道和动态PDCH信道的数量可以从0个到小区内所有的信道。
分组逻辑信道(PDCH)可采用以下3种方式进行信道组合：
方式1：PBCCH+PCCCH+PDTCH+PACCH+PTCCH；
方式2：PCCCH+PDTCH+PACCH+PTCCH；
方式3：PDTCH+PACCH+PTCCH。
   在GPRS业务量不大的情况下，一般小区内GPRS与电路业务共用BCCH和CCCH。此时小区内仅需要信道组合方式3。
随着业务量的增大，小区内需要配置分组公共信道，需要增加信道组合方式1和2。

2．3编码方式
   为了更有效地利用无线资源，GPRS系统引入了四种不同的无线信道的编码方式：CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，数据速率依次为9．05 Kbps，13．4 Kbps，15．6 Kbps，21．4 Kbps，其中CS-l就是SDCCH的编码方式，CS-1，CS-2所要求的C／I与电路型基本相同，可覆盖小区的90％-100％，而其它编码方式提高了编码的信息量但是降低了抗干扰的能力，CS-3较高；CS-4对C／I要求很高，需要良好的无线环境，GPRS系统可以根据传输的质量灵活地调整编码方式以取得最佳的传输效果。

2．4 MS的多时隙能力
   在GPRS系统中，手机在进行上下行数据传输时可以占用空中接口的1个至8个时隙，这主要由手机的硬件能力决定。多时隙能力等级1—29：等级数越大，多时隙能力越强。
影响MS多时隙能力的因素：
①是否能同时发送和接收(取决于是否有多于一个的收发信机)
②考虑MS做邻近小区测量、收发信机发射准备、收发信机接收准备等时间要求
③跳频对时间要求影响的考虑
④实现时的目标市场细化的考虑

2．5分组系统消息
   GPRS系统引入了分组系统消息，用于在一个小区内广播和分组业务相关的系统参数，分组系统消息只能在PBCCH信道发送。GPRS手机在进入一个支持GPRS业务的小区时，首先从BCCH上收听系统消息13(S113)，如果该消息表明小区内存在PBCCH信道那么手机就转向监听PBCCH信道，从PBCCH信道上得到全部的分组系统消息，否则手机从系统消息13获取和分组数据业务有关的系统参数。

2．6数据传输原理

TBF：临时块流(Temporary Block Flow)，它是MS的RR实体和BSS的RR实体之间在进行数据传送时的一种物理连接。TBF只有在数据传送过程中才存在。

GPRS手机在某一段时间内有可能只进行上行或者下行数据传输，这样的一个数据被连接到TBF，每个TBF可以承载一个或者数个LLC层的分组数据单元。手机可能同时存在上下行的TBF，一个TBF可以占用多个时隙，一个时隙可以为多个TBF共用。

TFI：临时流标志(Temporary Flow Identity)，它是TBF的标志，TBF由TFI、数据传送方向唯一标志。TFI共五位比特，取值范围为0～31。同一TRX的不同信道可以使用同一TFI值，这一TFI可以标志同一FBF，也可以标志不同TBF；,同一信道同一时刻任一TFI值唯一属于一个上行或下行TBF；同一MS的同时上下行TBF可以使用不同的TFI，也可使用相同TFI。

USF：上行链路状态标志（Uplink State Flag），它用于动态分配模式下控制多个MS使用无线信道。USF共三位比特，取值范同为O～7。

3．PDCH的数量设置计算
3．1每个PDCH实际的IP层数据承载速率
   GPRS中可以使用四种不同的编码方法，分别为CS1、CS2、CS3和CS4。在传输用户数据的过程中，需要包含部分协议开销和信令开销，因此实际传输的用户数据的速率远小于编码方法的标称值。另外，由于移动上网的特点是：下行流量(网络—>MS)远远大于上行流量(MS—>网络)，所以GPRS的系统吞吐量主要考虑下行流量。下面的计算过程说明如何算出各种编码算法的IP层数据承载速率。
   计算过程基于以下假定或事实：
●每20ms传输一个无线块(RLC数据包)；
●假设没有SNDCP压缩与解压和分段与重组(这样一个IP包，在LLC层就是以1个LLC PDU传输)；
●一般RLC／MAC头占用3字节，这样除去备用比特，CS1、CS2、CS3、CS4编码方式下，每个RLC数据包可以传输的LLC PDU字节数依次为20字节、30字节、36字节、50字节；
●假设IP平均包长度为100字节；
●假设平均10个IP包，IP数据流连续；
●RLC采用确认模式，并考虑10％的重传率；
   RLC确认模式下的传输，正常情况下，每次连续IP包流意味着一次TBF建立和释放过程，假设每次下行方向TBF的建立之前都伴随一次上行TBF的建立和释放过程，则一般一次下行TBF从建立到释放的过程中，RLC／MAC控制块开销在4块左右。
●Gb接口每PDU的FR、NS、BSSGP、LLC、SNDCP的协议头合计53字节。
●假设LLC帧格式为：LLC头(9字节)+SDNCP头(4字节)+IP数据+FCS(3字节)，每个包占用一个RLC长度指示字节；
   注：在以上的假设当中，最可能发生变化的包括这样几个假设：IP包的长度、IP数据流连续的IP包的个数、重传率，这二个数据在后面的结论中将参数化。
   这样无线口每次TBF的下行需要传送的PDU的总字节数=(100+9+4+3+1)×10＝1170节；
   则对系统来说，无线口承载的IP包的有效速率(不考虑中间可能等待的时间，因为这些时间可以用于其他TBF的数据块或控制块的传输)为：
对于采用非确认RLC模式的情形，LLC层一般不采用非确认方式，这样就必须考虑LLC层的重传率。而LLC层的重传一般而言在带宽开销方面要高于RLC／MAC层的重传。故采用非确认RLC模式，并不能提高PDCH的IP层承载速率。

3．2对PDCH数量需求的计算
   根据上述的话务模型，使用下面的这样一组公式(部分公式可以参见第一部分的说明)，可以计算得到相关的数据：
CS1的每一PDCH的Um接口IP层承载速率
UV1=(L*N*8)／(CEILING((CEILING((L+9+4+3+1)*N／20，1)+4)*1.1，1)*20)=6．4 单位：Kbps
CS2的每一PDCH的Um接口IP层承载速率
UV1=(L*N*8)／(CEILING((CEILING((L+9+4+3+1)*N／30，1)+4)*1.1，1)*20)=9.41 单位：Kbps
每一PDCH的Um平均IP层承载速率
AUV=(UV1*EU1+UV2*EU2+UV3*EU3+UV4*EU4)／100=6．4*0．2+9．41*0．8=8．8
说明：根据GPRS话务模型中的各种编码方式的使用比例，来计算平均的承载速率。目前多只采用CS1和CS2编码。
单位：Kbps
忙时GPRS用户数据速率（IP层）
OSV=US*F／1000
说明：这个值代表了忙时的平均用户总速率。
单位：Kbps
Um口需要配置的PDCH信道数
PDCH=MAX(CEILING(USV／AUV，1)，CEILING(BS*P／100，1))
说明：前半部分代表计算出来的PCU理想情况下需要的PDCH数目，后半部分代表按照必须同时提供GPRS服务的小区数目的最小PDCH数，两者取大值。
单位：条PDCH

4．结束语
   GPRS业务的引入对网络规划、维护和优化都提出了新的要求。一方面分组数据业务和语音业务在空中接口上传输特性有相当大的差别，另一方面GPRS业务又存在和标准的GSM业务共用相同的无线物理信道的情况，所以需要综合考虑各方面因素。
   但是最重要的是根据业务量的大小确定PDCH的配置数量，这样在给每个小区分配PDCH时就可以做到心中有数。分配的原则如下：在比较偏远的郊区尽量用动态PDCH，分配时尽量向城区倾斜。要达到32kbps的上网速率，按照先前的计算，在目前的编码条件下至少需要4个PDCH。
   然后，在GPRS网络运行过程中，时时观察各小区运行情况，对个别小区的GPRS拥塞作一些动态调整。这样，可以保证GPRS业务需求的同时又减少对GSM话音业务的影响。
   在GPRS业务量比较可观时，可以对GPRS所有的无线信道进行独立的频率规划，此时需要综合采用功率控制、编码方式转换控制、小区选择、信道分配等多种手段来降低对语音服务的影响。

cmcc_demon

现在好像没有这么精细化去设计，关于PDCH信道配置(G+E)好像也没有什么统一的标准，每个小区该配多少，以什么标准进行配置，如何达到资源利用的最大化，也一直是网优人员努力追寻的目标。我看现在大多数人的做法就是根据用户数模型，结合PDCH复用度，来给定一个经验值配置，然后再根据实际现场测试情况和网管指标观察做一定的调整。现在还有一种做法就是利用一些分析工作，跟踪分析用户在不同场景（工业区、居民区、学校等）下做不同业务（QQ飞信IM类、彩信、HTTP/WAP网页浏览等）时信道需求模型，基于用户感知度的需求来确定具体的信道数目。通过公式【信道数=（不同业务同时在线用户数×不同业务下行平均占用时隙）/不同业务用户感知不同的复用度界限】来计算。可是这样一来，这感知度又如何去判定呢？只能通过用户数的多少来衡量。还是模糊，但是有依据，呵呵。剩下来还有问题就是，PDCH信道数定下来了，可是到底配置多少个G信道，多少个E信道呢？又是个问题。这时候你又得去考虑这GPRS用户和EDGE用户数的模型，这是你要考虑用户终端类型支不支持EDGE？具体的规模是什么等等，农村和城市肯定有区别，另外用户上网的行为不一样。前者可能是彩信居多，后者可能是IM及时通讯类居多，说起IM及时通讯类产品，暂时你还真拿它没办法，比如像QQ飞信这类及时性业务，你不给它信道吧，一旦断线肯定说你网络烂，投诉来了，你给它信道吧，它又不产生流量，本来信道资源就很紧张，急的人急死占不上，而它却站着茅坑不拉屎。
数据多样化发展太快，像我这边这两年数据用户每年翻一番，成本和资源也急剧上升，收益却看不到。这时候运营商急了，从每erl的的价值来看，同一个业务信道承载话音的话，价值是6.11元，而如果承载数据的话，价值仅为0.63元，几乎差10倍的。数据又发展这么快，怎么办呢？只好采取一系列策略去合理优化数据资源、减少对话音质量的影响、搭建PCC平台来限制用户带宽等等。
不知不觉说了这么多，好像很多废话，呵呵。信道配置这东西，资源够了，就不存在这问题。就像钱一样，钱多了，你根本不会去顾虑我今天吃饭花多少、明天吃饭花多少。可问题就是，如果只有10块钱我要吃两天的话，每一餐的饭菜我都要精打细算。现在的我们就是在那少得可怜的“金钱”上琢磨“如何吃得饱”“如何吃得好”！

updane

呵呵，现在资源优化配置确实是个大难题。

kinghighland

关于PDCH信道配置方法，我们做过这个方面的一些探索，与大家探讨一下：

我们希望通过对小区下实际用户的数据传输情况做分析，统计这个小区下多用户实际并发使用网络的情况，来估算信道需求。
具体方案是，采用IP分析工具，在Gb接口做采集分析，对小区下的所有用户流量做小粒度统计（比如80毫秒或160毫秒），获得每个瞬间是否有用户的下行分组数据，如果这个瞬间存在多个用户的下行分组数据，则根据终端的时隙能力来计算需要的总信道数(假设需要让每个用户都获得满意的速度)，对于长期监测统计的结果可以累积大量的瞬间样本值，此时可以绘制一个PDF概率分布函数的曲线，然后就可以量化完成信道配置了。

针对不同的业务类型，可以做特殊设定，比如QQ即时消息，则认为只需要一个信道，而网页下载则需要3或4个，但前提是网元设备也支持同样的分配方法。
信道规划通常就是基于忙时来做，但全网忙时不一定就是具体每个小区的忙时，因此采样还是需要做全时段；由于工作日和周末的模型不一样，因此采样还需要多天跨周末来做。

对于GPRS和EDGE终端的区分，可以通过消息做识别，然后分别统计其需求，得到两个概率分布曲线。

贴两个效果图：

    图一：按分钟绘图的小区时隙需求数


  图二：汇总成概率分布曲线