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文档简介

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2012年秋季学期移动通信课程设计题目:基于校园环境的GSM网络规划设计专业班级:通信工程一班姓名:李杰学号:09250106指导教师:蔺莹成绩:

目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 2第一章GSM网络规划概述 31.1移动通信技术 31.2网络规划 31.2.1无线网规划基本原则 41.2.2网络规划的具体过程与内容 41.2.3平均站距的选择 5第二章GSM概述 62.1GSM移动通信系统及其关键技术 62.1.1GSM网络部分组成 62.1.2GSM网络接口 72.2GSM关键技术 82.2.1GSM系统多址技术 82.2.2分集技术 9第三章西校区业务需求分析 103.1话务量 103.2传输损耗 113.3基站功率 113.4天线 123.5建筑分布特点 12第四章设计方案 144.1覆盖方案 144.2容量方案 14总结及致谢 18参考文献 19

摘要GSM无线网络规划设计目标是指导工程以最低的成本建造成符合近期和远期话务需求,具有一定服务等级的移动通信网络。具体地讲就是要达到服务区内最大程度的时间、地点的无线覆盖,满足所要求的通信概率;在有限的带宽内通过频率复用,提供尽可能大的系统容量;尽可能减少干扰,达到所要求的服务质量;在满足容量要求的前提下,尽量减少系统设备单元,降低成本等几个方面目标。本文对兰州理工大学西校区用户具体需求和建筑分布特点进行分析,设计了一种针对兰州理工大学西校区的网络规划方案。对学生及教职工的生活水平进行了改善,大大方便了西校区人们的通信需求。关键词:GSM;话务量;传输损耗。

第一章GSM网络规划概述1.1移动通信技术GSM属于第2代(2G)蜂窝移动通信技术。2代的说法是相对于应用于80年代的模拟蜂窝移动通信技术以及目前正逐渐进入商用的宽带CDMA技术。模拟蜂窝技术被称为一代移动通信技术,宽带CDMA技术被称为三代移动通信技术,即3G。GSM是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。所有用户可以在签署了"漫游协定"移动电话运营商之间自由漫游。GSM较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的,因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。1.2网络规划影响无线网络仿真结果准确性有两个关键的因素,一个是无线覆盖的准确性,第二是系统容量的准确性。GSM无线网络规划与优化是一个阶梯式循环往复的过程。对于一个GSM网络来说,移动用户在不断地增长,无线环境在不断的变化,话务分布情况也在变化之中,因此,GSM网络是在循环反复的网络规划与优化的过程中不断发展壮大起来的。无线网络规划与优化工作的总体流程可用下面的流程图表示出来。系统需求调查分析系统需求调查分析系统容量极限网络优化调整用户增长、话务分布改变、无线环境变化网络校验与工程型优化调整工程实施频率规划及干扰预测覆盖预测与规划勘察与站点初始布局容量规划规划 图1.1无线网络规划和优化的流程1.2.1无线网规划基本原则⑴ 使可盈利的业务覆盖率最佳⑵ 网络容量最大化,资源利用率最高⑶ 资源分布应合理⑷ 提供最优的业务质量⑸ 网络规划应充分满足运营商的业务发展要求和顺应其发展策略⑹ 规划方案应确保网络安全、便于网络维护和管理⑺ 规划方案应有利于业务拓展和网络的升级演进⑻ 运营商有多张网情况下,网络规划应满足用户完成网间自动切换,合理分配两网间业务,以便使两网资源都得到充分利用⑼ 网络规划方案应使综合建网成本尽可能低,因此在不影响和尽量少改动现网的前提下,应充分利用现有的资源⑽ 注重室内覆盖建设话务密度分布,数据业务及其流量分布是我们业务模型建模的重要参考数据,也是我们进行业务预测和资源配置规划的重要依据。1.2.2网络规划的具体过程与内容1.网络规划资料收集与调查分析为了使所设计的网络尽可能达到运营商要求,适应当地通信环境及用户发展需求,必须进行网络设计前的调查分析工作。调查分析工作要求做到尽可能的详细,充分了解运营商需求,了解当地通信业务发展情况以及地形、地物、地貌和经济发展等信息。调研工作包括以下几个部分:了解运营商对将要建设的网络的无线覆盖、服务质量和系统容量等要求;了解服务区内地形、地物和地貌特征,调查经济发展水平、人均收入和消费习惯;调查服务区内话务需求分布情况;了解服务区内运营商现有网络设备性能及运营情况;了解运营商通信业务发展计划,可用频率资源,并对规划期内的用户发展做出合理预测;收集服务区的街道图、地形高度图,如有必要,需购买电子地图。2.勘察选址与传播模型校正基站的勘察、选址工作由运营商与网络规划工程师共同完成,网络规划工程师提出选址建议,由运营商与业主协商房屋或地皮租用事宜,委托设计院进行工程可行性勘察,并完成机房、铁塔设计。网络规划工程师通过勘察、选址工作,了解每个站点周围电波传播环境和用户密度分布情况,并得到站点的具体经纬度。为了更准确地了解无线规划区内电波传播特性,规划工程师可将几类具有代表性的地形、地物、地貌特征区域内指定频段的测试数据或现有网络测试数据(已建网络)整理以后,输入网络规划软件进行传播模型的校正,供下一步规划计算中使用。3.网络容量规划根据对规划区内的调研工作,综合所收集到的信息,结合运营商的具体要求,在对规划区内用户发展的正确预测基础上,根据营运商确定的服务等级,从而确定整个区域内重要部分的话务分布和布站策略、站点数目和投资规模等,充分考虑当地高层建筑、楼房和高塔的分布,基本确定站点分布及数目。对于站点的位置及覆盖半径,必须考虑到话务需求量、传播环境、上下行信号平衡等对基站覆盖半径的限制,建站的综合成本等诸方面的因素。对网络进行初步容量规划。容量规划得出:满足规划区内话务需求所需的基站数;每个基站的站型及配置;每个扇区提供的业务信道数、话务量及用户数;每个基站提供的业务信道数、话务量及用户数;整个网络提供的业务信道数,话务量及用户数;此步骤的规划是初步规划,通过无线覆盖规划和分析,可能要增加或减少一些基站,经过反复的过程,最终确定下基站数目和站点位置。1.2.3平均站距的选择对于GSM系统。由于受频率资源的制约,其站距的确定往往不是取决于覆盖,而是取决于密度容量的需求,也就是说为了满足密度容量要求,需要靠缩小站距来提高密度容量,尤其是在城市核心区,目前平均站距约在400米~500米左右,也就是说蜂窝覆盖半径已缩小至200米~300米,甚至更小。

第二章GSM概述2.1GSM移动通信系统及其关键技术GSM数字蜂窝移动通信系统由移动台(MS)、交换子系统(MSS)、基站子系统(BSS)、操作维护子系统(OMC)组成.移动台(MS)是GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台类型可分为车载台、便携台和手机。其中,手机小巧、轻便,而且功能也较强,因此使用手机的用户占移动用户的绝大多数。基站子系统(BSS)是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接,进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面,基站子系统与网络子系统(NSS)中的移动交换中心(MSC)相连,实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。2.1.1GSM网络部分组成BSC:BaseStationController,基站控制器。主要无线基站的监视,与移动台连接处理,处理和管理小区资源及数据,小区的定位及切换。BSS的操作与维护。BTS:BaseTransceiverStation,基站收发信台(RBS2000系列)。主要的功能有为有线-无线的转换,RF测量,天线分集,加密,调频,非连续发射,监视和测试。NSS基本组成MSC:MobileservicesSwitchingCenter,移动业务交换中心。负责呼叫建立(也包括鉴权程序,呼叫控制,监视和计费。短信发送)。VLR:VisitorLocationRegister,拜访位置寄存器。主要用为临时存储和更新正在服务小区内移动用户数据。HLR:HomeLocationRegister,归属位置寄存器。储存用户参数(IMSI、补充业务和鉴权信息)和用户位置信息。AUC:AUthenticationCenter,鉴权中心。为HLR提供鉴权参数和三参数密匙。维护操作管理OMC是一个微机化的监测中心,它通过V.25数据电路与网络中的其它网元相连,如MSC,BSC等。可以依据网络的大小,设立一个或几个操作维护中心。在操作维护中心,维护人员可以实时的观察设备运行情况,及时处理设备出现的异常现象。2.1.2GSM网络接口BTSBSCBTSBSCMSHLRHLRMSCMSCMSCMSCVLRVLREIREIRVLRVLR图2.1网络接口1.Um接口Um接口是空中无线接口,是MS和BTS之间的通信接口,用于MS与GSM系统的固定部分之间的互通,其物理连接通过无线链路来实现。Um接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。2.Abis接口Abis接口是BSS部分的两个功能实体BSC和BTS之间的通信接口,用于BTS和BSO之间的远端互连方式,物理连接通过标准的2Mbit/s或64Kbit/s的PCM数字传输链路来实现。Abis接口支持向移动台提供的所有服务,并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Abis接口是GSM系统的BSS的内部接口,是一个未开放的接口,可由各设备厂家自行定义。3.A接口A接口是BSS部分与MSC之间的接口,它基于2Mbit/s的数字接口,采用14位七号信令方式,主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。4.B接口B接口是MSC与VLR之间的接口,主要用于MSC向VLR询问有关移动台的当前位置信息,或通知VLR有关移动台的位置更新信息等。B接口作为设备内部接口,一般不作规定,但应能完成GSM规范所规定的功能。5.C接口C接口是MSC与VLR之间之间的接口,它基于2Mbit/s或64Kbit/s的数字接口,采用24位七号信令方式。它主要完成被叫移动用户信息的传递以及获取被叫用户被分配的漫游号码。6.D接口D接口是HLR与VLR之间的接口,它基于2Mbit/s或64Kbit/s的数字接口,采用24位七号信令方式。它主要交换位置信息和用户信息,当移动台漫游到某VLR所辖区域后,VLR将通知Ms的HLR,HLR向VLR发送有关该用户的业务消息,以便VLR给漫游客户提供合适的业务:同时HLR还要通知前一个为该移动用户服务的VLR删除该移动用户的信息。当移动用户要求进行补充业务的操作或修改某些用户参数时(如将呼叫转移功能激活),也是通过D接口交换信息。7.E接口E接口是MSC与MSC之间的接口,它也是采用的24位七号信令方式,用于移动台在呼叫期间从一个MSC区域移动到另一个MSC区时,为了通话的连续性而进行的局间切换,以及两个MSC间建立用户呼叫接续时传递有关信息。8.F接口MSC与EIP之间的接口为F接口,采用24位七号信令方式,用于MSC检验移动台的IMEI时使用。9.G接口G接口是VLR之间的接口,当移动台以TMSI启动位置更新时,VLR使用G接口向前一个VLR获取MS的IMSI和相应的信息。2.2GSM关键技术2.2.1GSM系统多址技术GSM系统采用时分和频分相结合的多址技术。上面已经提到,在GSM900频段上一共可有124个载频,GSM1800频段上一共可有374个载频,在整个频段上是频分的,而每个载频又是时分复用的,即每个信道占用载频的八分之一的时间。一个载频共有8个物理信道,每个信道都能支持话音或信令信息。这样每个载频(收发信机单元)可同时支持8个用户同时通话,从而节省了基站硬件设备。TDMATDMA技术单载频,单收发信机,8个话路收发信机01234567图2.2GSM系统多址技术示意图2.2.2分集技术在移动通信中,为了克服由于受地形地物等影响电波传播产生的多径和时延,造成无线信号的衰落而影响通信质量,移动通信现在广泛采用了天线分集接收技术,因为它可以有效的减少无线信号衰落的影响。话音检测(VAD)不连续发射(DTX)技术话音检测不连续发射技术也叫话音激活技术,它是通过禁止传输用户认为不需要的无线信号来降低系统内的干扰,来提高系统效率和容量。

第三章西校区业务需求分析学校校园一般分为教室、宿舍、办公室、实验室、图书馆、大学生活动中心、体育馆、食堂及室外区域如操场等。一般情况下校园里的人数基本不变,即用户数目总量较为固定,但用户在不同的区域里具有不同的特点。从区域上看,大学校园主要分为几大覆盖场景:1、校园室内区域:此区域一般是校园话务量最为集中的区域,同时由于校园内部的作息时间,话务忙时具有规律性变化特点。2、校园室外区域:校园室外区域面积较大,主要是道路、广场、室外运动区域和草地组成。覆盖区域较大,但是话务量相对较小。3.1话务量话务量指在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用时间的乘积。在移动电话系统中,话务量可分为流入话务量和完成话务量。我校西校区学生人数占总人数比重较高。而且总量变化不大。校园内人员变化有一定的规律性。每年有新生入校和毕业生离校,人数基本保持不变;周一至周五校内人员较多而周末学生由于外出在校人数较少;每天离开学校和进入学校的人员基本持平;假期大多数学生回家校内人员较少;5-7月因毕业生陆续离校,人员总数减少。由于学校学生占绝大多数,所以主要以学生群体的业务行为来分析其话务特点。学生的主要活动区域可按白天和晚上划分为教学区、宿舍区和其他区域(包括校园内、餐厅、操场等)。以上述分析为基础,得出高校区的业务需求。大学内基本所有学生都住宿,宿舍区夜间的话务量相当高。周一至周五白天,人员集中在教学楼和实验楼。早中晚饭时间,人员主要集中在食堂。学生一般早宿舍会频繁使用电话,所以宿舍话务量基本可以作为整个校园话务容量的衡量标准。基于以上人员活动特点的分析,室外的话务压力不大,可以适当减少载频规划数量,提高载频利用率并且可以减少频率干扰;对于校园的室内分布小区,需要吸收更多的话务量,话务压力较大。话务量公式为:A=Cxt。A是话务量,单位为erl(爱尔兰),C是呼叫次数,单位是个,t是每次呼叫平均占用时长,单位是小时。一般话务量又称小时呼,统计的时间范围是1个小时。1爱尔兰(Erl)就是一条电路可能处理的最大话务量。如果观测1个小时,这条电路被连续不断地占用了1小时,话务量就是1爱尔兰,也可以称作“1小时呼”。通俗的讲,话务量就是一条电话线一个小时内被占用的时长。如果一条电话线被占用一个小时,话务量就是1爱尔兰。(爱尔兰不是量纲,只是为纪念爱尔兰这个人而设立的单位),如果一条电话线被占用(统计)时长为0.5小时,话务量是0.5爱尔兰。一般来说,一条电话线不可能被一个人占用一个小时,比如统计表明,用户线的话务量为0.05爱尔兰,过去我国电话还不是很普及时,因为很多人都在使用,它的话务量很大,达到0.13爱尔兰,那么此时如果这个交换机有1000个用户,我们就说该交换机的话务量为130爱尔兰。3.2传输损耗通信信号从一点传输到另一点时的功率损耗。传输损耗可表示为对应两点的功率电平之比,以分贝(dB)为单位。无线电路发射天线输入功率与接收天线输出功率之比值。传输损耗可用下式表式Lt=LP-(Gt+Gr)(dB)式(3.1)LP=32.45+20lgf+20lgd+A(dB)式(3.2)Lt=Lb-GP(dB)式(3.3)上述式中LP为路径损耗;Lb为基本传输损耗,与天线增益有关;A为电路衰减(分贝);Gt与Gr分别为发、收天线沿电路方向的平面波增益(分贝);GP为路径天线增益(分贝);(Gt+Gr)-GP为路径天线增益损耗(分贝);f为电波频率(兆赫);d为传播距离(公里)。基本传输损耗是发、收天线各向同性(Gt=Gr=0)时的传输损耗(极化不变);而路径损耗则是基本传输损耗与路径天线增益损耗之和。不存在多径传播时没有路径天线增益损耗,路径损耗即为基本传输损耗。在自由空间,不存在多径传播,而且没有电波衰减(A=0),故LP=Lb=Lf式(3.4)Lf=32.45+20lgf+20lgd式(3.5)式中Lf为自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗。在传播距离、电波频率、极化、发射天线和发射功率均相同时,实际电路的衰减为E=E0-(RT/nF)ln(a1/a2)其中E为该实际电路接收点的电场强度幅度;E0为自由空间传播时接收点的电场强度幅度。一般情况下E<E0。衰减与传播方式、电波频率、传输距离、媒质的电磁参量、地形等的关系,是电波传播理论研究的重要内容。电波传播常随时间而变化,因此,求解衰减问题往往比较复杂。此外,考虑无线电波沿地面传播时,常采用地波衰减因子,它等于实际情况下的电场强度垂直分量与地面为理想导体时的电场强度垂直分量之比。地波衰减因子是一复数,它的模为幅度衰减因子,辐角为地波相位因子。3.3基站功率现在GSM基站是采用频分复用和时分复用的方式工作,以此提高基站的容量,也就是说,一个基站它有多个频率发射,一个频率常用一块发射电路板,专业俗语称之为载频,一般情况下一个频率的发射功率通常为15w到20W左右。在市区,由于话务量较大,而且要支持手机上网等业务,市区大多数基站一般配置每一个扇区6个频率以上,若是3个扇区,其配置的频率一般在6X3=18个频率以上。这样若18个频率都工作时。它的辐射功率在18X15=270W以上,若配置频率多的话,发射功率还会更大。(一般的手机辐射功率最大才2W,基站270W的辐射功率还是比较大的,所以基站都需要专用机房和供电设施,耗电量也很大,大多数机房甚至要专门配置空调设施降温。另外基站是24小时都在发射,手机一般只是在打电话时才发射信号。)基站的辐射方式基本是这样的,基站的每一个扇区都有一个广播频率,这个频率每天24小时满功率发射,这个频率主要发射该扇区的一些信息。其它频率主要是在通话的时候发射,发射功率可根据通话者的远近自动调节。广播频率的辐射可以看做是连续辐射方式,其它频率则是脉冲式辐射方式。现在很多国际研究机构认为脉冲式辐射方式比连续辐射方式危害更大,但也没有定论。基站即有连续辐射又有脉冲辐射。3.4天线天线(antenna)是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。天线的分类:按工作性质可分为发射天线和接收天线。按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。6、按维数来分可以分成两种类型:一维天线和二维天线,一维天线:由许多电线组成,这些电线或者像手机上用到的直线,或者是一些灵巧的形状,就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。二维天线:变化多样,有片状(一块正方形金属)、阵列状(组织好的二维模式的一束片),还有喇叭状,碟状。7、天线根据使用场合的不同可以分为:手持台天线、车载天线、基地天线三大类。3.5建筑分布特点我校建筑物主要分为南村宿舍区、北村宿舍区、教学区及实验室。其中主要的区域有:南村宿舍楼有9栋,北村宿舍楼有8栋,教学楼有四栋,实验楼有2栋。除了上述以外,还有校医院和工程训练中心,及门口行政处。这几个个地点平时人数较少,对网络需求量较小,故在建筑物布局图未详细列出,现主要区域建筑分布如图3.1所示。图3.1西校区各建筑分布图根据相关标准,本次的设计目标为:覆盖区内无线可通率:移动台在无线覆盖区内90%的位置,99%的时间可接入网络无线信道呼损:根据要求无线信道呼损市区不高于2%块差错率目标值(BLERTarget):话音1%,CS64K0.1%-1%,PS数据5-10%。

第四章设计方案4.1覆盖方案建筑物的高度大约在15-25m,一般5~7层,平均密度小于35%,可以认为其建筑物特征符合一般城区的特征全向天线辐射的覆盖区是个圆形。为了不留空隙的覆盖整个平面的服务区,一个个圆形辐射区之间一定含有许多的交叠。在考虑了交叠之后,实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。根据交叠情况不同,有效覆盖区可分为正三角形、正方形或正六边形。可以证明,要用正多边形无空隙、无重叠的覆盖一个平面的区域,可取形状只有这三种。校园覆盖图如图4.1所示。图4.1校园覆盖图4.2容量方案话务量公式为:A=Cxt。A是话务量,单位为erl(爱尔兰),C是呼叫次数,单位是个,t是每次呼叫平均占用时长,单位是小时。一般话务量又称小时呼,统计的时间范围是1个小时。1爱尔兰(Erl)就是一条电路可能处理的最大话务量。如果观测1个小时,这条电路被连续不断地占用了1小时,话务量就是1爱尔兰,也可以称作“1小时呼”。通俗的讲,话务量就是一条电话线一个小时内被占用的时长。如果一条电话线被占用一个小时,话务量就是1爱尔兰。(爱尔兰不是量纲,只是为纪念爱尔兰这个人而设立的单位),如果一条电话线被占用(统计)时长为0.5小时,话务量是0.5爱尔兰。一般来说,一条电话线不可能被一个人占用一个小时,比如统计表明,用户线的话务量为0.05爱尔兰,过去我国电话还不是很普及时,因为很多人都在使用,它的话务量很大,达到0.13爱尔兰,那么此时如果这个交换机有1000个用户,我们就说该交换机的话务量为130爱尔兰。每个用户的平均话务量可以表示成:式(4.1)(4.1)式中,是平均每用户单位时间内发出呼叫的次数,又称为呼叫到达速率。为每用户平均通话时间。为呼叫完成速率。 每个小区的话务量可以表示为: 式(4.2) 式中,是每用户平均话务量(Erlang/用户),为用户分布密度(用户数/km2),为小区面积(km2)。通常将话务量最大的一小时称为忙时,相应此小时的呼叫次数为“忙时呼叫次数”或“忙时试呼次数”,缩写为BHCA。系统忙时话务量可以由下式给出: 式(4.3)在网络规划中通常采用忙时话务量为设计指标,并认为GSM网络能够支持忙时话务量也必然能够应付平时的话务量。在网络规划设计中通常采用每用户忙时话务量的指标。每用户忙时话务量可用下式表示: 式(4.4)为每用户的忙时话务量为每用户忙时呼叫次数为每用户每次通话占用信道的平均时长,单位:秒则系统忙时话务量又可表示为: 式(4.5)为每用户的忙时话务量N为系统用户总数为了设计的严格准确,我们对西校区人数进行了具体统计。北村生活区共8栋宿舍楼和图书馆以及大学生活动中心,住宿的总人数为8640人。南村生活区共9栋宿舍楼,住宿的总人数为9720人。宿舍区总人数约为19000人,加上教职员工以及校内工作人员总共有20000人。由于学生上课流动性大,在食堂、图书馆、校园内不同时间段学生量完全不同,学生同时出现在这些地点时最多有5000人左右。1.语音业务忙时话务量根据采集的数据,运用话务量的公式,其中C为每一用户每天平均呼叫次数,T为每次呼叫平均占用信道时间,k为集中系数,可计算出校园不同地点的忙时话务量。我们实际考察调研得出宿舍区话务量高峰期是晚上21:30~24:00时间段,每层楼大概有5个人同时通话,一栋楼共有七层,则每栋楼共有个用户同时通话,西区共有16栋楼,则有个用户同时通话,同时假设校园内有40人同时通话,则共有560+40=600用户时通话可算出西区总的话务量: 式(4.6)查

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