AMR技術(shù)在GSM系統(tǒng)中的優(yōu)化實(shí)例及性能分析

馬璐，趙立誠(chéng)

（1 廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司北京分院，北京100027；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)北京有限公司，北京 100007）

1 引言

隨著我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無(wú)線用戶的數(shù)量與日俱增，截止到2011年初，移動(dòng)電話普及率已經(jīng)達(dá)到64.4部/百人。用戶越來(lái)越依賴無(wú)線通信，并且對(duì)話音質(zhì)量越來(lái)越敏感，因話音質(zhì)量產(chǎn)生的投訴也日益增多。在此種背景下運(yùn)營(yíng)商不得不停地增加現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量以滿足要求，但對(duì)于現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，在帶寬有限的情況下，因頻率復(fù)用度的限制，使得如果僅通過(guò)增加載頻的方式來(lái)增加容量，會(huì)使得系統(tǒng)的頻率復(fù)用度降低，從而進(jìn)一步導(dǎo)致C/I下降，反而會(huì)對(duì)用戶感知產(chǎn)生負(fù)面影響。

目前，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中常用的解決辦法是開(kāi)啟部分載頻的半速率。但是傳統(tǒng)的半速率存在話音質(zhì)量較差的缺點(diǎn)，并且還需要在配置時(shí)考慮質(zhì)量和容量之間的平衡，以及半速率開(kāi)啟的門限等問(wèn)題，并且只能在用戶接入的時(shí)刻才能決定使用半速率還是全速率，無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整，屬于簡(jiǎn)單的用質(zhì)量換容量的方法。

2 AMR 技術(shù)

2.1 AMR基本原理

AMR（Adaptive MutiRate，自適應(yīng)多速率）編碼是繼EFR、FR、HR之后的一種新的編碼技術(shù)，它的核心思想是根據(jù)GSM空中接口上下行信號(hào)質(zhì)量的變化情況來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整上下行話音編碼模式，從而獲得更好的話音質(zhì)量。AMR話音編碼包括8種全速率FR及6種半速率HR，如圖1所示。

AMR可根據(jù)信道的實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)整編碼模式和編碼速率的方式，調(diào)整糾錯(cuò)碼的數(shù)量，從而優(yōu)化了信道和話音編碼集合，提供了更好的話音質(zhì)量和更高的網(wǎng)絡(luò)容量。14種編碼方式對(duì)應(yīng)的話音及信道編碼比例如圖1所示。

AMR會(huì)根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量到的上下行C/I的高低來(lái)轉(zhuǎn)換速率，使得AMR的HR信道可以提供FR的話音質(zhì)量，而編碼速率的變化速度僅有1/40ms。AMR系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖1 不同編碼速率下的話音及信道編碼比例

圖2 AMR系統(tǒng)原理圖

其中，SPE：話音編碼器，SPD：話音解碼器，CHE：信道編碼器，CHD：信道解碼器。由此可見(jiàn)，因下行C/I變化導(dǎo)致的編碼方式的更改是由手機(jī)側(cè)判斷的，因此上行C/I變化導(dǎo)致的編碼方式的更改是由基站側(cè)判斷的。

在AMR模式下，一次通話可以使用4種編碼組，單個(gè)信道的編碼組可由切換或模式修改更動(dòng)。此外編碼方式的鏈路自適應(yīng)也可以和功控并行，對(duì)切換也沒(méi)有影響，因?yàn)殒溌纷赃m應(yīng)是手機(jī)和基站根據(jù)C/I來(lái)執(zhí)行的，而切換和功控是BSC根據(jù)質(zhì)量和電平的測(cè)量來(lái)執(zhí)行的。

2.2 AMR算法

AMR的信道分配策略主要是根據(jù)話務(wù)的繁忙程度來(lái)判斷：當(dāng)一個(gè)AMR雙速率呼叫達(dá)到時(shí)，如果小區(qū)的業(yè)務(wù)信道大于AMR話務(wù)忙門限，則優(yōu)先分配HR AMR；否則為提供更好的話音服務(wù)，優(yōu)先分配FR AMR。

在起呼后發(fā)生小區(qū)內(nèi)切換時(shí)，若小區(qū)的容量受限，將會(huì)把質(zhì)量好的AMR全速率呼叫切換到AMR半速率；而AMR半速率呼叫話音質(zhì)量惡化時(shí)切換到AMR全速率，此時(shí)不考慮小區(qū)容量。

2.3 AMR性能

2.3.1 話音性能

AMR會(huì)根據(jù)無(wú)線口C/I的高低，來(lái)轉(zhuǎn)換編碼速率，正因?yàn)檫@種特性用戶將得到時(shí)刻都更好的話音質(zhì)量。如圖4為特定C/I下不同編碼速率對(duì)應(yīng)的MoS值，外圍所標(biāo)注的粗實(shí)線為當(dāng)AMR以最優(yōu)方式轉(zhuǎn)換速率時(shí)，理論上能達(dá)到最優(yōu)的MoS值（一般AMR試驗(yàn)與理論均以MoS或FER表達(dá)話音質(zhì)量的好壞），可見(jiàn)在MoS=3.0時(shí)，AMR粗實(shí)線的曲線高于EFR約5～6dB。

圖3 AMR模式下的信噪比與MoS值對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3.2 覆蓋性能

AMR對(duì)話音幀進(jìn)行了優(yōu)化，加入了相當(dāng)一部分校正碼，使得在相同環(huán)境下，AMR話音覆蓋能力甚至要超過(guò)SACCH幀。例如，在FER=0.01時(shí)，AMR4.75的覆蓋能力要比SACCH強(qiáng)約7dB。但也正是因?yàn)锳MR的覆蓋能力較好，才會(huì)帶來(lái)一些掉話等方面的負(fù)面影響。

2.3.3 AMR對(duì)掉話的影響

AMR優(yōu)化了話音幀的性能，對(duì)SACCH幀沒(méi)有影響，所以在理論上，AMR對(duì)掉話率沒(méi)有影響。但實(shí)際應(yīng)用中，常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用AMR后掉話率反而上升的情況。其原因就在于對(duì)EFR、FR以及HR而言，SACCH信令幀以及話音幀的魯棒性相當(dāng)，這樣在弱覆蓋區(qū)域用戶可能會(huì)因?yàn)樵捯糍|(zhì)量差而主動(dòng)掛機(jī)，這種情況通常不會(huì)統(tǒng)計(jì)為掉話；而在開(kāi)通AMR后，由于FR AMR低速率編碼話音幀的抗干擾能力強(qiáng)于SACCH信令幀，這就將使得在弱覆蓋區(qū)域由于話音幀能夠正確解碼，通話還能正常進(jìn)行，用戶不會(huì)主動(dòng)掛機(jī)，但SACCH幀由于不能正確解碼導(dǎo)致無(wú)線鏈路記數(shù)器超時(shí)而造成掉話，這種情況通常會(huì)被統(tǒng)計(jì)為掉話，從而就導(dǎo)致了掉話率的上升。

2.3.4 AMR對(duì)話務(wù)的影響

由于AMR良好的抗干擾能力，對(duì)于話音質(zhì)量和覆蓋能力都提供了較大的增強(qiáng)，使得以前部分無(wú)法進(jìn)行通話的弱覆蓋區(qū)域（比如網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域、樓層市內(nèi)區(qū)域、陰影區(qū)域、快衰落區(qū)域等）在AMR編碼模式下仍然可以進(jìn)行通話，這就大大降低了用戶主動(dòng)掛機(jī)的可能性，因此AMR在一定程度上會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量。

2.3.5 AMR對(duì)切換的影響

AMR對(duì)用戶層面（話音）進(jìn)行了優(yōu)化，并沒(méi)有對(duì)控制層面（信令）進(jìn)行優(yōu)化，所以理論上AMR對(duì)切換指標(biāo)的影響不大，但是由于AMR會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廣度和深度，使得以前弱覆蓋區(qū)域的用戶仍然能夠進(jìn)行通話而不掛機(jī)，但是這些弱覆蓋區(qū)域的C/I較低，話音幀的原始誤碼率較大，從而導(dǎo)致了測(cè)量報(bào)告中的接收質(zhì)量較差，從而觸發(fā)質(zhì)差切換，所以開(kāi)通AMR后在一些特定情況下將導(dǎo)致質(zhì)差切換次數(shù)增多。

3 本次AMR實(shí)驗(yàn)介紹

本次AMR實(shí)驗(yàn)選用某地區(qū)的一整個(gè)BSC為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該BSC原先已開(kāi)AMR方式所涉及的相關(guān)參數(shù)，但并未進(jìn)行AMR相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，現(xiàn)計(jì)劃通過(guò)一些AMR方面的參數(shù)調(diào)整，從而達(dá)到降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面的負(fù)面影響，以及更好的改善KPI指標(biāo)的目標(biāo)。該BSC共包含11個(gè)微蜂窩，46個(gè)宏蜂窩，1個(gè)實(shí)驗(yàn)站，共58個(gè)小區(qū)。該BSC的覆蓋區(qū)域包含高層居民樓、低層密集居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、城中村、高速路等，無(wú)線環(huán)境類型較為綜合及全面，因此可以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為通用。

在參數(shù)方面，本次試驗(yàn)主要目標(biāo)是將4.75kbit/s編碼速率與5.90kbit/s編碼速率的使用率給調(diào)降下來(lái)，在C/I較好的范圍減少速率轉(zhuǎn)換，并由12.2kbit/s編碼速率承擔(dān)。初始編碼由7.4kbit/s編碼速率承擔(dān)，C/I較好則升級(jí)至12.2kbit/s速率，C/I差則降級(jí)至4.75kbit/s速率，以此方式來(lái)加快調(diào)節(jié)編碼速率至最理想及合適的狀態(tài)，減少質(zhì)量差所帶來(lái)的負(fù)面影響，改善切換成功率，提高整體質(zhì)量與降低掉話率。

具體參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 AMR參數(shù)意義

設(shè)置參數(shù)THR1=2dB, THR2=9dB, THR3未使用,Hysteresis則保持1dB；

設(shè)置參數(shù)FRC=1,16,128（FRC為某廠家設(shè)備參數(shù)，不同廠家設(shè)備參數(shù)應(yīng)該不同），即Mode1為4.75kbit/s，Mode2為7.4kbit/s，Mode3為12.2kbit/s，Mode 4未使用，中間相比默認(rèn)參數(shù)減少了5.90kbit/s的編碼速率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 編碼速率話務(wù)分布

圖5為不同編碼速率下的話務(wù)分布，參數(shù)修改后話務(wù)分布在5.90kbit/s為0%，12.2kbit/s編碼占用率增加了約5個(gè)百分點(diǎn)，試驗(yàn)后達(dá)到85.7%。7.4kbit/s占用率則增加至11.3%，而較低的兩個(gè)編碼速率4.75kbit/s降了約2個(gè)百分點(diǎn)至3.0%。

圖5 不同編碼速率下的話務(wù)分布

4.2 掉話率變化走勢(shì)

如圖6所示，掉話率在參數(shù)修改后DCR_3j明顯從平均2.02%下降至1.74%，改善幅度約0.28%，DCR_2071則從1.77%改善至1.54%，改善幅度約0.24%。前后對(duì)比期間的話務(wù)量與半速率基本穩(wěn)定，無(wú)較大差異。

圖6 掉話率走勢(shì)

4.3 話音質(zhì)量變化走勢(shì)

如圖7所示，上行Qual0與上行Qual0-5均有所提升，上行Qual0從77.09%上升至77.96%，改善幅度約0.90%。

圖7 實(shí)驗(yàn)前后話音質(zhì)量變化

上行Qual0-5從96.49%上升至96.82%，上升幅度約0.33%。

下行Qual0從77.69%上升至78.39%，改善幅度約0.70%，但下行Qual0-5無(wú)明顯變化，經(jīng)觀察，下行Qual0-2有所改善，但幅度較小。

4.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，AMR設(shè)置時(shí)并不是編碼方式越多越好，適當(dāng)減小一個(gè)編碼組可以有效地減少系統(tǒng)內(nèi)的消耗，從而改善指標(biāo)。AMR對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的幫助不在于編碼組的多少，而在于它可以讓正在占用的話務(wù)，根據(jù)實(shí)時(shí)的C/I，選擇或多或少的校驗(yàn)比特，從而提高話音質(zhì)量，最大限度地優(yōu)化使用現(xiàn)有資源，通過(guò)提供良好的話音質(zhì)量和增強(qiáng)的通話能力，加速GSM系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)投資的回報(bào)。

[1] Nokia BSC/TCSM S11.5 Product Documentation,Enhanced Speech Codes: AMR and EFR[Z].

[2] 董銳. GSM系統(tǒng)半速率應(yīng)用分析. 廣東通信技術(shù)[J]. 2007,(09).

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