分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型在三代移動通信系統(tǒng)中的研究

1、2009年4月(上 引言Internet 的飛速發(fā)展以及隨之而來的網(wǎng)絡(luò)信息時代要求第三代移動通信系統(tǒng)能夠提供多媒體業(yè)務(wù)。未來的移動終端不僅能夠傳送語音,還要進行網(wǎng)絡(luò)瀏覽、收發(fā)文件和電子郵件,可視會話以及訪問多媒體數(shù)據(jù)庫等等。這些多媒體業(yè)務(wù)意味著第三代移動通信系統(tǒng)能夠滿足不同速率(從低速話音業(yè)務(wù)到高速圖像業(yè)務(wù)、不同時延(實時業(yè)務(wù)及非實時業(yè)務(wù)以及不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求(如時延,抖動和誤碼率。第三代移動通信系統(tǒng)分為FDD 和TDD 兩種結(jié)構(gòu),其中FDD 劃分為WCDMA 和CDMA2000兩種協(xié)議體系。為了適應(yīng)3G 無線環(huán)境下分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展,這兩個協(xié)議的標準組織3GPP 和3GPP2對業(yè)務(wù)的劃分達

2、成了一致。3GPP 和3GPP2協(xié)議1,2根據(jù)對時延的敏感程度不同,將業(yè)務(wù)分成4個QoS 等級:會話類、交互類、流類、后臺類。協(xié)議3規(guī)定,除了會話類業(yè)務(wù)對時延很敏感,采用電路交換外,其他類業(yè)務(wù)都可以采用分組交換。這不僅具有上下行速率不對稱的特點,而且資源統(tǒng)計能復用,系統(tǒng)利用率也高。第三代移動通信系統(tǒng)中的分組業(yè)務(wù)源模型不僅極大地影響到系統(tǒng)性能評估結(jié)果的準確程度,而且也是規(guī)劃承載這些業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。1主要特性與業(yè)務(wù)模型通常無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)源模型包括兩部分:用戶行為的到達過程和具體的業(yè)務(wù)行為過程。業(yè)務(wù)行為過程是和具體業(yè)務(wù)密切相關(guān)的,而到達過程對于不同的業(yè)務(wù)是相同的,通常用到達間隔的分布來描述

3、。最常使用的到達過程是到達間隔為負指數(shù)分布的泊松過程。3GPP 歐洲電信標準組織ETSI 4給出了描述3G 無線移動網(wǎng)絡(luò)中分組業(yè)務(wù)源的統(tǒng)一參考模型,如圖1所示,其中包括的參數(shù)有:會話達到過程、每個會話中的分組呼叫數(shù)目、分組呼叫之間的間隔、一個分組呼叫中的數(shù)據(jù)報數(shù)、數(shù)據(jù)報之間的到達時間間隔、數(shù)據(jù)報的大小。該業(yè)務(wù)源模型針對這些參數(shù)分別給出對應(yīng)的分布函數(shù)。無線分組業(yè)務(wù)源模型的特征參數(shù)如下。會話到達過程a 是一個Possion 過程;b 不同的業(yè)務(wù)有各自不同的隨機過程參數(shù);c 只決定業(yè)務(wù)呼叫起始時間,而與呼叫結(jié)束無關(guān)。每個會話中的分組呼叫數(shù)目(Npc a 服從幾何分布;分組呼叫之間的間隔(Dpc d

4、當分組呼叫中只有一個分組時,不需要該參數(shù)。數(shù)據(jù)報的大小(Sd a 服從截斷的Pareto 分布(Paretodistributionwith cut -off ;b 標準Pareto 分布定義如下:c 數(shù)據(jù)報分組大小定義為:PacketSize =min (P ,m 其中,P 為標準Pareto 分布(=1.1,k =81.5byte 的隨機變量。m 為最大允許的分組大小(m =6666byte 。d 數(shù)據(jù)報分組大小的概率密度為:其中,是x >m 的概率,其中a=1.1,k=81.5byte,所以n=480byte3GPP25也在CDMA2000-1xEV (DV 系統(tǒng)中給出了分組業(yè)務(wù)的

5、模型,與ETSI 基本類似。但是不同的分組業(yè)務(wù)也有各自不同的特性,業(yè)務(wù)模型也隨之不同,甚至不同的HTTP 版本和瀏覽器都會影響網(wǎng)頁下載方式,從而導致不同的業(yè)務(wù)模型出現(xiàn)。下面將逐個分析各類業(yè)務(wù)的特性和模型參數(shù)。1.1Internet 業(yè)務(wù)交互類無線Internet 業(yè)務(wù)主要包括WWW 、Email 、FTP 等。另外還有專門用于無線環(huán)境的WAP 業(yè)務(wù)。Email 、FTP 也可歸于后臺類業(yè)務(wù),但這并不影響下面的分析。WWW 業(yè)務(wù)通常情況下,一個網(wǎng)頁中的一個聯(lián)接包括一個或多個URL 請求。當一個用戶發(fā)送一個URL 請求時,WWW 服務(wù)器執(zhí)行一個用戶端程序來給用戶產(chǎn)生響應(yīng)。用戶端程序可能根據(jù)頁面的內(nèi)

6、容產(chǎn)生附加的請求,例如頁面內(nèi)的圖片等。這些附加的請求將建立新到用戶的TCP 聯(lián)接,這些聯(lián)接可能相互交錯并行產(chǎn)生,也可能順序產(chǎn)生,這與HTTP 的版本有關(guān)。與URL 相關(guān)的請求完成后,用戶將有一段時間來瀏覽該網(wǎng)頁,分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型在三代移動通信系統(tǒng)中的研究張占全王天石(河北恒信移動通信商務(wù)有限公司,河北石家莊050000摘要業(yè)務(wù)源模型建立的準確與否直接關(guān)系到3G 系統(tǒng)性能分析的準確度,因此,借鑒了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已有的業(yè)務(wù)模型;對未來3G 無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特性進行了分析,給出了若干典型的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型。最后針對業(yè)務(wù)源建模的相關(guān)技術(shù)進行了探討,提出了一種用于無線分組業(yè)務(wù)建模的分析流程與建模方法,對

7、實際網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)規(guī)劃具有重要價值。關(guān)鍵詞UMTS ;無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);業(yè)務(wù)源模型;建模流程116然后再發(fā)送一個新的請求,所以,WWW業(yè)務(wù)到達過程不是簡單的Poisson到達過程,可以用一種改進的ON/OFF模型來描述6,如圖2所示。圖2中,Active ON代表頁面單個文件的下載,Active OFF代表下載組成一個頁面的不同文件之間較短的時間間隔,Inactive OFF代表用戶下載完一個頁面后的瀏覽時間。其中Active ON時長與所下載的文件大小有關(guān),而文件大小服從Pareto分布。Active OFF時長服從Weibull分布,InactiveOFF時長服從Pareto分布。通常情況下,

8、當用戶運行其Email軟件登錄到從服務(wù)器上刪除。每下載一個Email,用戶要瀏覽E-mail的內(nèi)容。然后可能回復該E-mail,也可能下載下一個Email。單個用戶的Email流量可以用ON/ OFF模型來描述6,如圖3所示。圖3中,ON代表信件的下載時長(其分布參見文獻3;OFF 代表一個信件下載完畢但下一個信件開始下載之間的間隔,也就是用戶閱讀信件的時間,它服從Pareto分布。FTP類業(yè)務(wù)的模型相對比較簡單,其過程可以概括為:用戶發(fā)送帶用指定目標文件的起始請求數(shù)據(jù)分組,一旦請求確認,以后的文件傳輸就無需確認,有時在獲取文件之前,用戶經(jīng)常會產(chǎn)生一些路徑或目錄查詢的分組。其業(yè)務(wù)源模型和E-m

9、ail的模型類似,單個FTP用戶所產(chǎn)生的流量也服從ON/OFF模型。每個會話通常包括一組文件傳輸,每個文件之間的傳輸間隔為用戶閱讀時間。圖4給出了FTP類業(yè)務(wù)的參考模型。通常建模需要以下參數(shù):每次FTP會話間隔的分布、用戶在一次會話中下載文件大小的分布以及下載文件數(shù)的分布、一次會話中前后2個文件之間的用戶閱讀時間的分布、文件傳輸中各分組的長度及分組傳輸?shù)拈g隔時間分布。目前GPRSWAP應(yīng)用經(jīng)過無線接入網(wǎng)的電路域和分組域,由WAP網(wǎng)關(guān)接入Internet。未來3GWAP應(yīng)用只在分組域傳輸,圖5給出WAP應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)參考模型,便于我們分析WAP業(yè)務(wù)的模型參數(shù)。移動終端發(fā)起的WAP請求可以看作是固定長

10、度的,引起WAP服務(wù)器發(fā)起一個間隔服從負指數(shù)分布的響應(yīng)。該響應(yīng)包括若干對象,對象數(shù)目服從幾何分布,對象間的時間間隔服從負指數(shù)分布。在接收到最后一個對象,開始服從負指數(shù)分布的閱讀間隔。當WAP瀏覽器發(fā)起一個新的請求,閱讀間隔結(jié)束。因此,WAP業(yè)務(wù)源的建模通常需要統(tǒng)計WML(無線標記語言文件(注:就是上面提到的對象,從中找到以下參數(shù):WML文件的平均大小和分布、一個WML文件中包括的數(shù)據(jù)分組的平均個數(shù)和分布、數(shù)據(jù)分組的平均大小以及數(shù)據(jù)分組的發(fā)送間隔的分布和用戶閱讀的時間間隔的分布。1.2視頻流業(yè)務(wù)流類視頻流業(yè)務(wù)將是3G應(yīng)用中的一項重要業(yè)務(wù)。移動用戶可以通過無線接入網(wǎng)接入Internet上的視頻服務(wù)

11、器。這類業(yè)務(wù)的典型特征是沒有語音業(yè)務(wù)那么嚴格的時延限制。接收端的緩存器結(jié)構(gòu)保證了視頻流業(yè)務(wù)在一定范圍內(nèi)具有一致的時延和時延抖動,這由緩存器的初始時延決定,通常是幾秒的間隔。3G標準已經(jīng)采納H.263和MPEG4協(xié)議用于視頻,由于支持有效的編碼壓縮技術(shù),可以保證低比特速率的視頻接入,從而適用于無線接入環(huán)境。圖6給出無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻流業(yè)務(wù)的參考模型。這是從基站到移動終端方向觀察到的視頻流業(yè)務(wù)的穩(wěn)態(tài)模型,忽略了呼叫建立的時延。一次視頻流的會話過程就是指一次呼叫過程,每個視頻幀按一定速率在確定的時刻T到達,其中每幀數(shù)據(jù)都包括固定數(shù)目的片段(slice,每個片段作為一個分組包傳輸,通常分組包長服從截斷

12、的Pareto分布。如圖6所示視頻源編碼器在分組之間引入了編碼時延Dc,而TB是移動終端緩沖窗的大小,用來保證視頻流的連續(xù)播放,它與業(yè)務(wù)模型沒有直接關(guān)系,主要用于監(jiān)督視頻流的實時性。因而對于視頻流業(yè)務(wù)源進行建模,需要考慮的主要參數(shù)有:視頻流呼叫的發(fā)起時刻和間隔、幀的到達間隔時間、各幀的大小、幀中所包含的片段/分組的數(shù)目、分組大小和傳輸?shù)拈g隔時間。1.3短信(SMS業(yè)務(wù)后臺類短信業(yè)務(wù)屬于后臺類業(yè)務(wù),相對比較簡單,它所產(chǎn)生的流量是由固定尺度的數(shù)據(jù)報組成(不超過160個字符,描述它的參數(shù)主要有:每次發(fā)送的數(shù)據(jù)報個數(shù),兩次發(fā)送之間的時間間隔。2無線分組業(yè)務(wù)建模的方法與流程通常業(yè)務(wù)建模除了需要分析業(yè)務(wù)源

13、特性,還要借助合理的分析方法與建模流程。通過直接測量收集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行的分析、數(shù)學理論分析和離散事件仿真分析是業(yè)務(wù)源建模的3種主要方法?；趯嶋H測量的方法研究任何業(yè)務(wù)特性的最好方法是在一個正常運營的網(wǎng)絡(luò)上去研究實際的業(yè)務(wù)流量,收集建模所需的參數(shù),但是由于客觀條件限制,并不是總有這樣的機會。實際測量可以得到精確的業(yè)務(wù)模型,但也有明顯的缺點。直接測量不但耗時多,開支大,而且只能針對現(xiàn)有的特定網(wǎng)絡(luò)進行分析。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進行測量,關(guān)于網(wǎng)絡(luò)性能的一些假設(shè)情況不容易定位,因為模擬假設(shè)情況而對網(wǎng)絡(luò)進行物理上的改動可能會危及網(wǎng)絡(luò)的正常運行,所以這種方法只適用于對網(wǎng)絡(luò)全局性能影響不大的局域網(wǎng)內(nèi)部?；跀?shù)學理論

14、分析的方法借鑒公開的與所研究的業(yè)務(wù)相類似的數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究成果,根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境來調(diào)整參數(shù),對所有業(yè)務(wù)都適用,尤其適用于研究新業(yè)務(wù)的模型。但是,總的來說,開發(fā)一個可以控制的理論模型需要很多嚴格的假設(shè),并且在通常情況下,很難求得理論模型的精確解。基于仿真分析的方法通過網(wǎng)絡(luò)仿真,可以比較不同網(wǎng)絡(luò)對同一業(yè)務(wù)模型的影響,而且可以在仿真結(jié)果中得到業(yè)務(wù)源匯聚后的流量特性,也可以驗證理論分析得出的模型的正確性。這種方法適用所有業(yè)務(wù),尤其對于尚未開展的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行建模,這是不可多得的方法。 但也存在缺陷,仿真分析綜合科技117TECHNOLOGY TREND2009年4月(上 需要借助仿真平

15、臺,完成網(wǎng)絡(luò)模塊的搭建,不僅耗時,而且加入了人為的假設(shè)。以上3種方法都存在各自的局限性,實際應(yīng)用中往往采用2種和3種方法結(jié)合使用,才能得到比較精確客觀的模型。通常采用的建模流程如圖7所示。對于3G 無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的建模,可以在目前已有模型的基礎(chǔ)上,利用仿真工具(OPNET ,NS ,BONes 等對其參數(shù)進行修正7。仿真過程中首先需要建立UMTS 的網(wǎng)絡(luò)模型(圖8,才能分析無線環(huán)境的特性和無線應(yīng)用的QoS 參數(shù)對業(yè)務(wù)模型的影響。圖8陰影部分標識的是UMTS 分組域部分,是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。仿真環(huán)境的開發(fā)還需要了解每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)議棧的構(gòu)成,圖9是UMTS 面向分組交換域的用戶平面協(xié)議棧,

16、圖9中標識了上行分組數(shù)據(jù)的流向。只有建立完備的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)才能將真實網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對數(shù)據(jù)流量的影響考慮進去,這將關(guān)系到后面進行數(shù)據(jù)擬合時,對業(yè)務(wù)模型修正的正確與否。系統(tǒng)仿真模型不僅要求建立一個業(yè)務(wù)生成模型和網(wǎng)絡(luò)體系,更重要的是要在網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下驗證該模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源與實際業(yè)務(wù)源是否具有相同的統(tǒng)計特征。在整個仿真建模過程中,首先需要建立與實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相近的仿真條件,例如無線信道的衰落模型、時延特性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(其中包括網(wǎng)絡(luò)拓撲、單小區(qū)的用戶數(shù)和用戶業(yè)務(wù)類型;其次,需要選取正確的業(yè)務(wù)模型。前一節(jié)已經(jīng)給出了若干典型無線分組業(yè)務(wù)的模型,這將直接影響下一步的模型參數(shù)調(diào)整。圖10給出了單小區(qū)10個用戶純后臺類業(yè)務(wù)條件下收集的流量結(jié)果,這是從基站到移動終端下行方向的流量,橫坐標是仿真時間,縱坐標是數(shù)據(jù)流量,單位bit /s 。如果仿真收集的結(jié)果與實際網(wǎng)絡(luò)采集的結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi),說明原先建立的業(yè)務(wù)模型是有效的,否則就需要重新調(diào)整業(yè)