AMR技术在GSM系统中的优化实例及性能分析

马璐，赵立诚

（1 广东省电信规划设计院有限公司北京分院，北京100027；2 中国移动通信集团北京有限公司，北京 100007）

1 引言

随着我国通信产业的发展，无线用户的数量与日俱增，截止到2011年初，移动电话普及率已经达到64.4部/百人。用户越来越依赖无线通信，并且对话音质量越来越敏感，因话音质量产生的投诉也日益增多。在此种背景下运营商不得不停地增加现有网络系统的容量以满足要求，但对于现有GSM系统，在带宽有限的情况下，因频率复用度的限制，使得如果仅通过增加载频的方式来增加容量，会使得系统的频率复用度降低，从而进一步导致C/I下降，反而会对用户感知产生负面影响。

目前，在网络优化中常用的解决办法是开启部分载频的半速率。但是传统的半速率存在话音质量较差的缺点，并且还需要在配置时考虑质量和容量之间的平衡，以及半速率开启的门限等问题，并且只能在用户接入的时刻才能决定使用半速率还是全速率，无法动态调整，属于简单的用质量换容量的方法。

2 AMR 技术

2.1 AMR基本原理

AMR（Adaptive MutiRate，自适应多速率）编码是继EFR、FR、HR之后的一种新的编码技术，它的核心思想是根据GSM空中接口上下行信号质量的变化情况来动态调整上下行话音编码模式，从而获得更好的话音质量。AMR话音编码包括8种全速率FR及6种半速率HR，如图1所示。

AMR可根据信道的实际情况，通过调整编码模式和编码速率的方式，调整纠错码的数量，从而优化了信道和话音编码集合，提供了更好的话音质量和更高的网络容量。14种编码方式对应的话音及信道编码比例如图1所示。

AMR会根据系统测量到的上下行C/I的高低来转换速率，使得AMR的HR信道可以提供FR的话音质量，而编码速率的变化速度仅有1/40ms。AMR系统原理图如图2所示。

图1 不同编码速率下的话音及信道编码比例

图2 AMR系统原理图

其中，SPE：话音编码器，SPD：话音解码器，CHE：信道编码器，CHD：信道解码器。由此可见，因下行C/I变化导致的编码方式的更改是由手机侧判断的，因此上行C/I变化导致的编码方式的更改是由基站侧判断的。

在AMR模式下，一次通话可以使用4种编码组，单个信道的编码组可由切换或模式修改更动。此外编码方式的链路自适应也可以和功控并行，对切换也没有影响，因为链路自适应是手机和基站根据C/I来执行的，而切换和功控是BSC根据质量和电平的测量来执行的。

2.2 AMR算法

AMR的信道分配策略主要是根据话务的繁忙程度来判断：当一个AMR双速率呼叫达到时，如果小区的业务信道大于AMR话务忙门限，则优先分配HR AMR；否则为提供更好的话音服务，优先分配FR AMR。

在起呼后发生小区内切换时，若小区的容量受限，将会把质量好的AMR全速率呼叫切换到AMR半速率；而AMR半速率呼叫话音质量恶化时切换到AMR全速率，此时不考虑小区容量。

2.3 AMR性能

2.3.1 话音性能

AMR会根据无线口C/I的高低，来转换编码速率，正因为这种特性用户将得到时刻都更好的话音质量。如图4为特定C/I下不同编码速率对应的MoS值，外围所标注的粗实线为当AMR以最优方式转换速率时，理论上能达到最优的MoS值（一般AMR试验与理论均以MoS或FER表达话音质量的好坏），可见在MoS=3.0时，AMR粗实线的曲线高于EFR约5～6dB。

图3 AMR模式下的信噪比与MoS值对应关系

2.3.2 覆盖性能

AMR对话音帧进行了优化，加入了相当一部分校正码，使得在相同环境下，AMR话音覆盖能力甚至要超过SACCH帧。例如，在FER=0.01时，AMR4.75的覆盖能力要比SACCH强约7dB。但也正是因为AMR的覆盖能力较好，才会带来一些掉话等方面的负面影响。

2.3.3 AMR对掉话的影响

AMR优化了话音帧的性能，对SACCH帧没有影响，所以在理论上，AMR对掉话率没有影响。但实际应用中，常会出现应用AMR后掉话率反而上升的情况。其原因就在于对EFR、FR以及HR而言，SACCH信令帧以及话音帧的鲁棒性相当，这样在弱覆盖区域用户可能会因为话音质量差而主动挂机，这种情况通常不会统计为掉话；而在开通AMR后，由于FR AMR低速率编码话音帧的抗干扰能力强于SACCH信令帧，这就将使得在弱覆盖区域由于话音帧能够正确解码，通话还能正常进行，用户不会主动挂机，但SACCH帧由于不能正确解码导致无线链路记数器超时而造成掉话，这种情况通常会被统计为掉话，从而就导致了掉话率的上升。

2.3.4 AMR对话务的影响

由于AMR良好的抗干扰能力，对于话音质量和覆盖能力都提供了较大的增强，使得以前部分无法进行通话的弱覆盖区域（比如网络边缘区域、楼层市内区域、阴影区域、快衰落区域等）在AMR编码模式下仍然可以进行通话，这就大大降低了用户主动挂机的可能性，因此AMR在一定程度上会提高网络话务量。

2.3.5 AMR对切换的影响

AMR对用户层面（话音）进行了优化，并没有对控制层面（信令）进行优化，所以理论上AMR对切换指标的影响不大，但是由于AMR会增大网络覆盖的广度和深度，使得以前弱覆盖区域的用户仍然能够进行通话而不挂机，但是这些弱覆盖区域的C/I较低，话音帧的原始误码率较大，从而导致了测量报告中的接收质量较差，从而触发质差切换，所以开通AMR后在一些特定情况下将导致质差切换次数增多。

3 本次AMR实验介绍

本次AMR实验选用某地区的一整个BSC为实验对象。该BSC原先已开AMR方式所涉及的相关参数，但并未进行AMR相关参数优化，现计划通过一些AMR方面的参数调整，从而达到降低对网络质量等方面的负面影响，以及更好的改善KPI指标的目标。该BSC共包含11个微蜂窝，46个宏蜂窝，1个实验站，共58个小区。该BSC的覆盖区域包含高层居民楼、低层密集居民区、工业区、城中村、高速路等，无线环境类型较为综合及全面，因此可以使实验结果较为通用。

在参数方面，本次试验主要目标是将4.75kbit/s编码速率与5.90kbit/s编码速率的使用率给调降下来，在C/I较好的范围减少速率转换，并由12.2kbit/s编码速率承担。初始编码由7.4kbit/s编码速率承担，C/I较好则升级至12.2kbit/s速率，C/I差则降级至4.75kbit/s速率，以此方式来加快调节编码速率至最理想及合适的状态，减少质量差所带来的负面影响，改善切换成功率，提高整体质量与降低掉话率。

具体参数设置如图4所示。

图4 AMR参数意义

设置参数THR1=2dB, THR2=9dB, THR3未使用,Hysteresis则保持1dB；

设置参数FRC=1,16,128（FRC为某厂家设备参数，不同厂家设备参数应该不同），即Mode1为4.75kbit/s，Mode2为7.4kbit/s，Mode3为12.2kbit/s，Mode 4未使用，中间相比默认参数减少了5.90kbit/s的编码速率。

4 实验结果

4.1 编码速率话务分布

图5为不同编码速率下的话务分布，参数修改后话务分布在5.90kbit/s为0%，12.2kbit/s编码占用率增加了约5个百分点，试验后达到85.7%。7.4kbit/s占用率则增加至11.3%，而较低的两个编码速率4.75kbit/s降了约2个百分点至3.0%。

图5 不同编码速率下的话务分布

4.2 掉话率变化走势

如图6所示，掉话率在参数修改后DCR_3j明显从平均2.02%下降至1.74%，改善幅度约0.28%，DCR_2071则从1.77%改善至1.54%，改善幅度约0.24%。前后对比期间的话务量与半速率基本稳定，无较大差异。

图6 掉话率走势

4.3 话音质量变化走势

如图7所示，上行Qual0与上行Qual0-5均有所提升，上行Qual0从77.09%上升至77.96%，改善幅度约0.90%。

图7 实验前后话音质量变化

上行Qual0-5从96.49%上升至96.82%，上升幅度约0.33%。

下行Qual0从77.69%上升至78.39%，改善幅度约0.70%，但下行Qual0-5无明显变化，经观察，下行Qual0-2有所改善，但幅度较小。

4.4 实验总结

由实验结果可见，AMR设置时并不是编码方式越多越好，适当减小一个编码组可以有效地减少系统内的消耗，从而改善指标。AMR对现网的帮助不在于编码组的多少，而在于它可以让正在占用的话务，根据实时的C/I，选择或多或少的校验比特，从而提高话音质量，最大限度地优化使用现有资源，通过提供良好的话音质量和增强的通话能力，加速GSM系统中网络投资的回报。

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

[2] 董锐. GSM系统半速率应用分析. 广东通信技术[J]. 2007,(09).

[3] 王炳锡，王洪. 变速率语音编码[J]. 西安:西安电子科技大学出版社，2004.