（信号与信息处理专业论文）无线网络业务流量建模研究—httpwap相关业务分析.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文主要研究了无线网络的业务流量建模问题，其中分析了h t t p 和w a p 业务。 由于有线网络中的技术和协议无法直接应用到无线网络中，因而广大用户 使用手机上网比较困难，于是w a p 论坛制定无线应用协议( w a p ) 标准来解 决这个问题。但是对于w a p 这种新开展的业务，目前尚未提出过完善的模型。 本篇论文不仅在o p n e t 平台下进行建模仿真，还在m a t l a b 环境下分析了w a p 业务流量的统计特性；而对于相对比较成熟的w 、 n v 业务，根据实际业务特点 和需求也建立了业务模型，并给出分析结果。 首先介绍了论文的一些背景知识，包括移动通信网络的发展概况，第三代 移动通信的特点，以及本论文的研究背景。论文阐述了业务建模和流量建模的 一些基础理论。 然后论文说明了w a p 业务模型和协议栈结构，并根据实际的业务流程在 o p n e ti m r r s 平台下进行业务建模，给出了仿真结果。论文还在m a t l a b 环境 下，对基于w a p 的网页浏览和网络游戏两种业务的数据进行了分析。建立了 w a p 业务多层模型，并提出了业务特性和流量特性的分析方法，给出了业务模 型中各个层次参数的统计分析结果和自相似特性。 最后本篇论文对w w w 业务进行业务建模和流量分析。在这一部分中，主 要结合h t t p 的特点和前人的经验，并根据实际的需求，提出7w w w 业务多 层模型，总结了砸_ 1 p 业务的业务流量统计特性。 本文对无线网络中w a p 业务和w w w 业务的研究，将为第三代移动通信 的无线承载规划、网络预测、资源分配等提供一些理论依据。 关键字w a p ；w w w 业务；业务模型；自相似特性；无线网络 北京c i 瞄电大学硕上学世泛文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so ns t u d y i n go fs e r v i c ea n df l u xm o d e li nt h ew i r e l e s sn e t w o r k s ， a n dm o s t l ya n a l y z e st h ew a pa n dh t t ps e r v i c e a sm o b i l ep h o n e sc a n n o ts u p p o r tw w wt r a 伍ca si ti so nc o m p u t e r s t h ew i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c o l ( w a p ) i su s e dt oa d a p tw e b t r a f f i ct ot h es m a l lh a n d s e t f o r m o b i l e p h o n e e v a l u a t i o n si ts h o u l db eb e a e rt ou s eaw a pt l a f f i em o d e l u n f o r t u n a t e l y , a sf a ra sw ek n o w , 也e r ei sn oo n ea v a i l a b l e i nt h i sp e rt h e 啪 s e r v i c em e d e li sb u i i to nt h eo p n e t p l a t f o r m a n dt h e nm a u 曲t o o li su s e dt o a n a l y z et h ec o l l e c t e dd a t a ；a c c o r d i n gt ot h ec h a r a e t e r i s t i c so fw w w s e r v i c et i f f s d o c u m e n ta l s op r o v i d e st h es e r v i c ea n df l u xm o d e l ，a n d 西y e st h ea n a l y s i sr e s u l t s f i r s tt h ep a p e ro v e r v i e w st h et h e s i s b a c k g r o u n d ，i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n to f m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，t h ef e a t u r e so f3 g s y s t e m ，a n dt h ec o n t e n to f e v e r yc h a p t e r s o m ef o u n d a t i o n a lt h e o r i e so fs e r v i c ea n df l u xm o d e l i n ga r ea l s o p r e s e n t e d t h e nt h i sp a p 盯d e s c r i b e s 也ew a ps e r v i c er o o d e la n dp r o t o c e ls t a c ks 缸 t l c t u r e b u i l d st h et l a 伍cr o o d e li nt h eo p n e tu m t s p l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h er e a lw ：a p s e r v i c ef l o w p r e s e n t st h es i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h en e x tc h a p t e r , s i m u l a t e st h ew a p b r o w s i n ga n dn e t w o r kg a m es e r v i c ei n t h em a t l a be n v i r o n m e n t h 1t h ew a p m u l t i l a y e r s e r v i e em o d e l ，t h ed a t a p r o c e s s a n ds t a t i s t i c s a n a l y s i sm e t h o d sa r e f i g u r e do u t a n dt h i sp a p e rp r e s e n t st h es e l f - s i m i l a r i t yp r o p e r t ya n da n a l y s i sr e s u l t s o f p a r a m e t e r su s e d t od e s c r i b es e r v i c ec h a r a c t e f i s t i c s a tl a s tt h ew w ws e l w i c ei s a n a l y z e d t h i sc h a p t e r , c o m b i n i n gw i t ht h eh t t p s p e c i a l i z a t i o n ，p r e v i o u s l ye m p i r i c a lv a l u e sa n dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，t h e np r o v i d e s t h et r a , i 五cm o d e la n df l u xm o d e l ，a n ds u m m a r i z e st h e a n a l y s i s r e s u l t s t h ea n a l y s i sw o r ko fw a ps e r v i c ea n dv 九j 门j rs e r v i c ei nt h i sp a p e rw i l l p r o v i d et h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o mf o rr a d i ob e a r e rl a y o u t n e t w o r k sf o r e c a s t a n dr e s o u r c ed i s t r i b u t i o ni nt h e3 一m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m k e yw o r d sw a p ；w w ws e r v i c e ；t l l t 伍cm o d e l ；s e l f - s i m i l a r i t yp r o p e r t y ；r a d i o n e t w o r k s i i 北京邮电大学坝士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 移动通信在过去二十多年中获得了飞速发展，成为现代通信中一个极为重 要的领域。八十年代初引入了第一代移动通信系统，如a m p s ，t a c s 和n m t 等等主要是提供模拟话音业务。九十年代初引入的第二代移动通信系统，如 g s m ，d a m p s i s 1 3 6 ，p d c 和c d m a o n e i s 9 5 等等，进一步提供了更高质量 的数字话音业务，并能提供一定的数据业务，但主要是基于电路交换的中、低 速数据业务( 如9 6 k b p s ) 。i u t e m e t 的飞速发展以及随之而来的网络信息时代要 求移动通信系统能够提供多媒体业务。未来的移动终端不仅能够打电话，它可 能还要进行网络浏览，收发传真和电子邮件，进行可视会话以及访问多媒体数 据库等等。这些多媒体业务意味着下一代移动通信系统要能够满足不同速率( 从 低速话音业务到高速图象业务) ，不同时延( 实时业务及非实时业务) 以及不同 的业务质量要求( 如时延，抖动和误码率) 。这些要求远远超出了第二代移动通 信系统的范围。因此，从九十年代中期开始，人们致力于第三代移动通信系统 的开发和研究，以提供移动多媒体通信能力并获得与固定通信网相当的业务质 量。如何实现基于q o s 的多媒体网络应用在主干网和移动用户终端之间的无缝 连接，已经逐渐成为人们的研究课题。 由于移动通信具有方便、快捷、灵活等特性，八十年代以来全球移动通信 的发展呈现指数增长态势。我国手机用户总数已经超越美国，中国也成为世界 第一大移动通信市场。为了满足不断增长的移动通信需求，我国在九十年代初 引入了第二代数字移动通信系统，如目前广泛使用的g s m 系统，来替代系统 容量不足的第一代模拟移动通信系统，并能提供更高质量的话音业务和基于电 路交换的低速数据业务。但由于受频带限制，g s m 系统很快也遇到了系统容量 不足、新业务难以开展的问题。伴随着码分多址( c d m a ，c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术的成熟和i s 9 5 标准的发布，c d m a 成为通信领域的最具发展前途 的技术之一。同时，随着计算枫的广泛普及和因特网的飞速发展网络信息时代 正在悄然到来。在计算机和网络的巨大冲击下，网络浏览器已经逐步成为各种 i t 应用的公共软件平台；而在定义各种系统标准时，提供因特网服务已经成为 主要的设计规范。而且根据预测，在未来十年内以w w w 业务为代表的数据业 务量将超过话音业务量，成为通信网络中的主导业务。移动通信与数据业务的 迅猛发展使人们不仅仅满足于话音业务，而且对于业务的多样性和移动通信系 统提出了更高的要求，即要求移动通信系统能够提供包括话音、图像、数据在 内的多种业务。 1 2 第三代移动通信系统简介 第三代移动通信系统是指能够满足国际电联提出的蹦t 2 0 0 0 腰p l m t s 系 统要求的新一代移动通信系统。国际电联于1 9 9 5 年提出了i m t - 2 0 0 0 f p l m t s 的评估标准，对未来蜂窝移动通信系统提出了较详细的标准。世界各大电信公 司都依据国际电联要求提出了各自的系统，以欧洲电信公司( 爱立信，诺基亚) 和日本n 玎的d o c o m o 公司为主提出了w c d m a 系统，美国电信公司( l u c e n t ， m o t o r o l a , n o r t e l 和q u a l c o m x n ( l m n q ) ) 提出c d m a 2 0 0 0 系统。w c d m a 系统 北京邮电大学硕士学位沦文第l 辛绪论 吸取了窄带c d m a 系统的很多成熟技术和经验，并有很大改进，可以实现 i m t - 2 0 0 0 的要求，而且可以与g s m 系统很好地兼容，而c d m a 2 0 0 0 系统以 c d m a ( i s 9 5 ) 为基础，进行了扩充和改进，也可以满足多媒体移动通信的要求。 1 2 1 第三代移动通信系统特点 与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的基本 特点有以下几点： 全球范围设计的高度兼容性和全球漫游能力 系统业务与固定网络的业务兼容，具有支持多媒体业务的能力，特别是 支持i n t e r n e t 业务的能力 高服务质量 高频谱效率 高保密性 移动终端可以连接地面和卫星基础网，可移动使用也可固定使用 无线接口的类型应尽可能得少，而且在它们之间具有高度的兼容性 可以看出未来的第三代移动通信系统要具有很好的网络兼容性，用户终端 可在全球范围内漫游并在几个不同的系统间实现漫游，并实现移动多媒体功能， 不仅为移动用户提供第二代系统( g s m 和c d m a ) 能够实现的话音及低速数 据业务，而且要提供广泛的多媒体业务，如话音、短消息、寻呼、中速到高速 数据业务、可视图文、可视电话、多媒体( 话音、数据和图象) 、端对端的加密 话音和数据。 1 9 9 5 年国际电联对未来蜂窝移动通信系统提出了较详细的建议，由于移动 通信在未来的信息产业占有举足轻重的作用，各国政府部门电信运营及制造商 和业务提供商均不遗余力地、积极参与有关第三代移动通信标准制定及其科研 开发工作，以期在未来的竞争中占据有利地位，有关第三代移动通信的研究也 就逐渐成为通信领域的研究热点。经过3 g p p 和3 g p p 2 等组织的努力，提交到 国际电联的地面第三代移动通信十项无线传输技术合并和融合之后形成了三大 主要技术体制，其中有两种f d d 模式和一种t d d 模式即w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和由s m m e n s 提出的i r c a i d d 与中国c 触广r 提出的t d s c d m a 进一步融 合后的模式。 1 2 2 第三代移动通信系统的设计方案 关于第三代移动通信系统的设计方案，人们已经在应用码分多址( c d m a ) 技术上达成共识，因为c d m a 技术有着显著的优点，如频谱效率高、大容量、 软切换和宏分集接收，并且简化了频谱分配方案，系统配置容易。为了与第二 代系统兼容，w c d m a 系统吸收了g s m 系统很多成熟经验，相当部分设备可 以共用；c d m a 2 0 0 0 系统则来源于c d m a ( i s 9 5 ) 系统，可以实现与现有蜂 窝系统的兼容。下文将对第三代移动系统中的三大技术体制做一介绍。 1 2 2 1w c d m a 系统 日本很早就开始从事第三代宽带多媒体系统的开发工作，分别提出了基于 t d m a 和基于c d m a 的第三代移动通信系统，希望在未来的市场中占据有利 北京州电大学坝士学位论义 第l 簟绪论 地位，尤其以d o c o m o 公司( n t t ) 的w c d m a 系统最有竞争力。目前d o c o m o 公司正在同欧洲爱立信和美国的m o t o r o l a 及l u c e n t ( a t & t ) 合作，努力完善系 统。目前爱立信和诺基亚在w c d m a 系统的研究开发方面，投入了大量的人力 物力，希望在未来第三代移动通信系统市场中能够占据主导地位。 1 2 2 2c d m a 2 0 0 0 系统 c d m a 2 0 0 0 是由l u c e n t ，m o t o r o l a , n o r t e l ，q u a l c o m m 和三星联合提出的第 三代移动通信系统方案。它主要由i s 一9 5 和i s 一4 l 的标准发展而来，因此它与 a m p s ，d a m p s 和i s 9 5 均有较好的兼容性。同时，又由于它采用了一些新技 术，使其能完全满足第三代移动通信系统即i m t - 2 0 0 0 f p l m t s 的要求。 c d m a 2 0 0 0 调制方式采取多载波方式和直扩方式。这两种方式有相同的信息传 送率和实现复杂度。 1 2 2 3t d s c d m a 系统 我国有关第三代移动通信系统的研究始于1 9 9 7 年6 月，国家“八六三”通 信技术主题在安徽黄山发起了首次规模较大的有关宽带移动通信系统技术研讨 会。来自国内外的著名厂商均派代表参加了本次会议，这次会议大大推动了国 内有关第三代移动通信的研究。1 9 9 8 年6 月，邮电部电信技术研究院和大唐电 信向i t u 提交了自己的第三代移动通信建议标准t d s c d m a 。 1 2 2 4 系统结构与性能比较 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 三者的比较，如表1 所示。 表1 1 三种宽带c d m a 技术的主要区别 w c d m ac d n 噙2 0 0 0t d s c d m a 最小带宽5 m h z1 2 5 z 整数倍1 6 m h z 采用技术类单载波的宽带直接序 多载波c d m a f d dt d c d m at d d 型列扩频c d m a f d d 码片速率3 8 4 m e p s 1 2 2 8 8m e p s 整数倍1 2 8m e p s 基站间同步异步( 不需g p s ) 同步 同步( 需g p s )同步 每帧分为8 个时 隙，每个时隙由正 交w a l s h 码分为 1 6 个码道，其中 公共导频采用连续导 下行链路的第一 频方式，专用导频采 时隙的第1 码道 导频信道方用非连续导频方式， 采用独立的公共连续 孔下行链路采用专用导 导频，业务码道共用 和1 6 码道用作通 频符号，与业务数据 ( c m ) 用控制物理信道 f c c p c h ) ，上行链 流时分复用( t m )路的第一时隙的 第1 码道用作随 机接入信道 ( r a c h ) ，这样在 对称传输时该系 北京【| i i i i 乜太学硕上学盥论文 统能够提供6 2 对 物理信道用于双 工通信。 帧长1 0 m s2 0 m s5 m s 话音编码固定速率可变速率 开环加自适应闭环功开环加闭环功率控制 功率控制 控方式，1 6 0 0k s p s方式，8 0 0k b p s 使用智能天线和 其他 接力切换 总之，目前移动通信市场已经成为一个庞大复杂的系统，最终哪一种技术 将占优势，不仅取决于技术的先进性，而且还取决于系统实现成本和复杂性， 以及市场的实际需求。 1 3 论文的工作背景 移动通信系统的演进的必然趋势是，单一电路交换话音的2 g 网络，到分 组交换数据和电路交换话音混合的2 5 g ，最后达到分组交换承载的多种不同 q o s 要求的业务的3 g 网络。在部署3 g 网络即将实际部署之际，对一些新推出 的业务进行必要的理论分析和仿真研究是合理地规划网络和有效地利用网络资 源( 尤其是极其紧缺的无线资源) 的重要前提。 第三代无线通信网络可以提供速率高达2 m b s 的宽带多媒体业务，支持高 质量的话音、分组数据、多媒体业务和多用户速率通信，彻底改变人们的通信 方式，使用户在何时何地都可以自由沟通。3 g 业务包含了具有不同传送质量要 求的多媒体业务。因而无论是对于运营商还是厂商而言，了解3 g 业务的特点， 以及复合业务对网络的要求，已经成为一个迫切的问题。 随着移动通信技术的飞速发展，移动网络规模日趋庞大，为了给网络的规 划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，需要对网络正在或即 将开展的业务进行前期分析和研究。文本希望主要从统计和仿真的角度对2 5 g 和3 g 网络即将开展的和已经开展的业务进行用户业务特性分析以及流量特性 分析，为进一步的网络规划和管理提供基础。 我所在实验室进行的项目通过研究无线业务流量模型，给出了无线业务源 特性以及流量特征，主要目的在于为运营商进行无线承载的规划提供准确的依 据。在这样的背景前提下，我将论文的研究内容致力于了分析无线网络的业务 流量模型。 在本论文中主要对w a p 和h 盯p 业务进行分析。w w w 业务虽然是较为 成熟的业务，已有前人的分析和经验值可以参考，但是在本文根据以提出的 w w w 业务模型和一些经验值，以及项目的实际需要进行了建模分析。 由于手持设备和无线数据网的一些特点决定了有线网络中的技术和协议无 法直接照搬到无线网络中来。因此，w a p 论坛制定无线应用协议( w a p ) 标 准。它定义了一系列将互联网内容过滤和转化为适用移动通信的标准，使内容 可以更容易地在移动终端上显示，为广大用户使用手机上网提供了方便。但是 很遗憾的是，目前没有提出完善的w a p 业务模型。但是对于目前无线用户的 扎京c j | j i u 人学硕l 学泣论文 第l 誊绪论 不短增加，更多的用户要求及时方便的使用手机上网，因此建立w a p 业务模 型是有着实际意义的。本文参考了w w w 业务模型，以及w a p 协议和业务流 程，建立了业务流量模型并予以分析。 1 4 论文的主要内容 本论文的研究内容是无线网络的业务流量建模。第一章是绪论部分，主要 介绍了移动通信网络的发展概况，第三代移动通信的特点，以及本论文的研究 背景。第二章概要介绍了一些建模理论和自相似特性。然后分析了基于o p n e t u m t s 平台的w a p 业务建模，还着重介绍了w a p 业务模型的特点；还结合实 际采集的数据对基于w a p 的网页浏览和网络游戏进行业务流量建模和数据分 析：以及对w w w 业务进行业务流量分析，均给出了相应的分析结果。最后总 结了论文的工作成果和实际意义，及一些后续工作。 小结：本章首先论述了第三代移动通信的背景和发展过程，其中主要介绍 了w c d m a 系统、c d m a 2 0 0 0 系统和t d - - s c d m a 系统，并对他们的系统结 构和性能做了一简要的比较。最后说明了论文的研究背景和主要内容。 北京州电大学坝士学位晗义 笫2 章业务流量建模方法 第2 章业务流量建模方法 目前，关于业务流量建模技术的研究已经相当深入，方法也很成熟，研究 成果和文献很丰富。对业务进行建模通常有两种方法：一种称为黑箱法，它对 业务统计特性进行建模，不考虑引起这些统计特性的原因；另一种称为结构法， 它是基于业务生成系统的内部结构来建立模型的。在本文中将根据实际业务的 具体特点、流程及相关的协议进行建模仿真。本篇论文首先在o p n e t 仿真平 台上进行理论建模，然后在m a t l a b 仿真环境下对实际数据进行分析，完善 业务流量模型，得出最后的结论。 本章将主要论述了业务模型和流量模型的分析方法，然后讨论了自相似特 性及其定义和估计方法，最后还给出q o s 等级概念。 2 1 业务模型 2 1 1 业务建模方法 业务建模中将采用前面提到的黑箱法和结构法，通过实际测试数据给出分 析模型，试图揭示数据源的统计特性以及引起这些统计特性的原因。通常业务 模型的参数具有物理意义，这样就可以利用这些参数来预测业务量特性的变化， 这也将是用来预测无线网中业务特性的基础。然后根据实测的数据，给出相关 参数的数学分布，其中主要考虑的数学分布函数是p o i s s o n ( 泊松分布) ，w e i b u l l ( 威布尔分布) ，p a r e t o ，t p a r e t o ，e x p o n e n t i a l ( 指数分布) ，n o r m a l ( 正态分布) ， g e o m e t r i c ( 几何分布) ，l o g n o r m a l ( 对数正态分布) ，u n i f o r m ( 均匀分布) ，c a u c h y ( 柯西分布) 等，上述数学分布的密度函数表达式分别为： p o i s s o n ：m ， ) ：三二善 z ! w e i b u u ：厂( 并，i ，口) = 吾( 言) - l e - ( 叫 p a r e t o ：f ( x ，k ，口) = 础8 厶“1 堡。r “ t p 枇，。 耻节 e x p o n e n t i a l ：f ( x ，z ) ；丁五+ p “ n o 嘞1 f ( x , o r , u ) 4 了南8 2 一 ，l ! = 岂匕 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章业务流量建模方法 l 。g n 。r l t l 8 1 ：( 加，) 2 赢8 i o g ( 2 x “ ，卜r g e o m e t r i c ：f ( x ，p ) = p ( 1 一p ) 。 u n i f o r m ：f ( x ) = 1 ( b a ) a 从p a c k e t 层来描述w w w 业务模型需要的参数有： p a c k e ta r r i v a li n t e r v a l p a c k e ts i z e 通常业务模型的参数具有物理意义，这样就可以利用这些参数来分析无线 网络中的业务特点。因此，本文选择多层结构模型作为后面分析业务模型的方 法。业务模型一般是基于单个业务源的行为，它的每个参数都有明确的物理意 义，易于进行仿真和评估。如上的多层结构模型将是本文分析的w w w ，w a p 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章业务流量建模方法 业务的基础。 2 1 2w w w 业务模型概述 w w w 业务是比较成熟的业务，前人曾做过许多研究工作，也已经有很多 文献可以参考。在这一节中，简单介绍前人用过的w n v 业务模型，它将为本 文建立w w w 业务模型提供参考。 在对w w w 业务研究中，发现时间间隔有如下几类，其特点分别是： 请求间隔非常短：时间间隔一般小于1 秒，很明显，这些请求的特点是 以突发形式出现。在第一个请求之后，紧接着以很短的时间发出多个请求。这 些请求的另外一个特点是都指向同一个网址。具体考察这个现象，可以知道， 由于每个网页包含多个链接文件，所以w w w 用户点击一个超级链接 ( h y p e r l i n k ) ，实际上要下载该网页链接的所有文档和图片。用户的一次点击是第 一个请求，直接被送到相应的服务器，在执行这个请求时，浏览软件紧接着自 动发出多个请求，下载其他链接。紧跟第一个链接的多个后续请求之间间隔如 此之短，是不可能由用户点击所发出的。 请求间隔比较短；大约是以秒为单位。这些请求均指向不同的网址，可 以知道均由用户的点击发起，时间间隔不太长，可以理解为用户在进行简短的 网页浏览，寻找自己感兴趣的信息。 请求间隔相对较长：有几十秒之多，大约以分钟为单位。可以理解为在 此期间，用户正在对感兴趣的信息进行仔细阅读，所以要用较长的时间。 根据上面的描述，给出了w w w 业务模型，如图2 2 所示。 w e i b u l l k o n 叫 ( s h o r t l w e i b u l fw e i b u l i ( l o n g ) p a r e t o 图2 2 w w w 业务模型 在图2 2 的w w w 业务模型当中，定义了o f f ( l o n g ) 周期的长度分布， o f f ( s h o r t ) 周期的长度分布，o n 周期的长度分布，以及b u r s t 的长度分布。这 里采用常用的业务模型的状态名称。第一个状态可以称为o n 状态，在这个状 态中，一系列请求以突发0 3 u r s t ) 的形式到达，每个突发请求之间的间隔很小， 对应w w w 浏览器软件自动产生的一系列请求；第二个状态可以称为 o f f ( s h o r t ) 状态，在这个状态中，没有用户请求到达，但是持续时间较短，以 秒为单位，对应于用户点击之间的短期停顿：第三个状态可以称为o f f ( l o n g ) 状态，在这个状态中，也没有用户请求到达，但是持续时间较长，以分钟为单 位，对应用户点击之间的长期停顿。根据经验值和一些实际数据的统计特性， 可以确定一些阈值，来分析上述参数的统计特性。 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章业务流量建模方法 从一些w w w 业务模型的分析结果，可以看到w w w 业务不仅与用户的 自然行为有关，而且和其他一些非人为因素，如h t t p 协议、网页内容属性、 浏览器等等有关系。 以上文提及的业务模型为参考，在第四章和第五章中将结合实际数据和项 目的实际需求分别建立w a p 业务和w w w 业务模型，然后给出各自的分析结 果。 2 2 流量模型 通常，业务规划中需要考虑闲忙时的网络流量，因为忙时流量对网络的冲 击比较大，对资源的竞争也相对严重。在本文的分析中会从一天的网络流量中 划分出闲时刻、普通时刻、忙时刻。为了保证网络的最大承载，将针对忙时( 或 是相对较忙时刻) 的流量进行分析，将要给出均值、方差等统计特征，还从流 量的长期相关性出发，分析其自相似特性，这样可以为今后的无线网络资源的 分配提供了一定的依据。 2 2 1 自相似特性的发现 十多年来，人们在研究局域网如e t h e m e t ，广域网如t e l n e t ，f t p 等数 据业务时，发现传统的网络业务模型假设，例如p o i s s o n 过程，并不适用于上 述数据业务。如果网络业务服从传统p o i s s o n 过程，那么在足够长的时间尺度 上进行平均后，其突发特性将逐渐被平滑，但是通过对实验数据的分析表明， 这种平滑作用并不显著，业务仍然表现出极强的突发性。业务的这种统计特性 称为自相似特性( s e l f - s i m i l a r ) 。 自相似是分形的一种特性，也就是说，某种事物以不同的尺度来观察，看 起来总是一样。在通信系统中的自相似，指的是以不同的时间尺度看，时间序 列的相关结构保持不变。一个自相似过程在很宽的时间尺度上表现出突发特性， 这一点对网络的性能分析和设计有重要影响。根据原始数据的分组长度和相对 时间，以不同的时间聚合度( 如l o o m s 、i s 、1 0 s 、1 0 0 s ) 统计吞吐量。例如， 时间聚合度为l o o m s 时，统计相对时间在0 - i o o m s ，l o o m s 2 0 0 m s ， 2 0 0 m s 3 0 0 m s ，这些时间段内所发送( 或接收) 的分组的总数( b y t e s ) 。如 下图2 2 不同的时间聚合度下，突发特性减弱的很慢，这与传统的p o s s i o n 过程 在聚合后突发特性明显减弱有着本质的不同。 8 “。3 p o | s s o n ( 1 0 饵) 善 l 墓 蒌 “午篇u n i t 1 0 0s e c o n d s ( a ) 雪 i 耋 毫 墨 w v v v v ( 1 0 0 s ) ot a 2 03 0 4 05 0 a o7 0 “t i l m ”eu n i t 。1o os e n d s ( a7 ) 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章业务流量建模方法 8 “。”m _ 。w w w ( 1 0 s ) “麓u n i c 1 0 s e c o n d s 8 “篇箍u n i t 1 0 s e c o n d s ( c ) ( b7 ) 8 。“” v n n w ( 1s ) 1 lii。止山h i- 。!。i 1 1 1 0 m 3e u n l t 1s e n d ( c7 ) 图2 - 3w w w 业务源自相似特性的图形化表示 图2 - 3 ( a ) ( c ) 是在不同的时间单位内( 1 0 0 s ，l o s ，l s ) 的用户访问w w w 服务器 的数据量。从图中可以直观看到，选择不同的时间标度，业务量的突发特性保持 同样的形式。这种业务属性与标度无关的特性与传统的分组业务模型形成鲜明对 比。图2 - 3 ( a ) ( c ) 是相同条件下的p o i s s o n 业务模型( 与w w w 服务器数据具有相同 的平均到达速率和数据包长度) 在不同时间单位内到达的数据量。从图中也可以看 出，当时间标度足够大时o o o s ) ，归并后的业务突发性不再显著。 从图2 3 的直观结果看，w w w 业务具有不退化的相关结构，表现出明显的 自相似特性，而传统的业务模型不再适用。自相似过程与泊松过程产生的数据相 比，主要有如下区别： 1 泊松过程样本均值的方差以样本滑动窗口尺度的倒数减少，自相似过程样 本均值的方差则以更慢的速度下降( 慢衰减方差) ； 2 泊松过程自相关函数以指数速度下降，即短期相关性：自相似过程自相关 函数以双曲速率快速下降，即自相关函数具有长期相关性； 3 泊松过程频谱密度在零频处有限，自相似过程频谱密度函数在零频处遵守 功率定律，其值为无穷大。 i _ 啪 m o 善o王上jed墨暑 mn坤氘”o 笔34王j-&u暑8 北京邮皑人学坝上学位论艾 第2 章业务流量i ； 模万垃 在下述文字中，首先描述通信系统中自相似过程最重要的数学和统计特性， 然后概要介绍研究自相似现象常用的一些方法。 2 2 2 自相似特性的定义 关于时间序列的自相似的定义：假设平稳时间过程x = ( z ；f = 1 , 2 州3 ) ，均 值为“，方差为盯2 ，自相关函数，( j ) ，k 0 ，如果自相关函数具有如下形式，则 称序列x 表现出长期相关l r d ( l o n g - r a n g ed e p e n d e n c e ) ， r ( 七) 一一口工( 七) ；当k 0 0 ， 其中0 0 ( 2 - 1 1 ) 另外，我们定义归并序列x ( “) = ( 墨“；七= 1 , 2 川3 ) ，x ”是在原序列x 以大 女” 小为m 的不重叠的块上取平均，即有，五莉= l my x i ( | j = 1 , 2 ，3 ，) ( 2 1 2 ) i = i r n - ( m - 1 ) 如果对于所有的n l ，有v a t ( x “) ；d 2 m ，并且，”( 七) = r ( 七) ；七0 则x 称为h 自相似，自相似参数日= 卜p 2 。也就是说，相应的归并序列与原 随机序列在分布意义上相同，至少从自相关函数看起来是这样。 自相似模型的一个特点是时间序列的自相似程度可以由一个参数h 来表征， 这个参数称为h u r s t 参数，表示了自相关函数的衰减速度。很明显，由式( 2 - 1 1 ) ， 如果自相似序列具有长期相关特性，则有1 2 h 1 。当日一1 时，自相似和长 期相关程度都随之增加。 2 2 3 自相似特性的分析方法 除了用图2 - 2 直观的时间图方法外，在数学上，测试一个随机过程的自相似 通常有四种方法： 2 2 3 1 方羞一时间图 由式( 2 1 2 ) ，归并序列方差的衰减不是与】用成正比，而是与所叩成正比，这 意味着其衰减速度更慢。所以，据式( 2 1 2 ) ，方差一时间图就是画出x ( m 的方差 随m 变化的对数曲线( 1 0 9 - l o g ) ，斜率( 一卢) 大于( 一1 ) 就意味着自相似，参数 h = 1 一p 2 。 2 2 3 2 剐s 图 在历史上随机过程的长期相关i d r 特性用来作为一种经验规律解释许多 实际观测到的自然现象。给定一个溉测到的时间序列( 以：k = 1 , 2 ，n ) ，这n 个样 值的均值为岩( 月) ，方差为s 2 ( 月) ，定义一个r s 统计参数( r e s e a l e da d j u s t e dr a n g e s t a t i s t i c ) 如下： r ( n ) s ( n ) = 1 s ( n ) m a x ( 0 ，形) - m i n ( 0 ，彬，) ( 2 1 3 ) 其中，呒= ( x t + 爿- + + 彳1 ) 一席( 玎) ， 1 k n ( 2 - 1 4 ) 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章业务流量建模方法 h u r s t 发现，许多历史记录具有如下关系： e r ( n ) s ( n ) 1 c n “，当n 专 ( 2 - 1 5 ) 参数h 就称为h u r s t 参数，h 的典型值大约为0 7 。作为对比，如果五为高 斯型纯噪声，则有，e r ( n ) s ( n ) c n “5 ，当n 0 0( 2 - 1 6 ) 这种现象被称为h u r s t 效应( h u r s te f f e c t ) 。这种方法也用来分析通信系统的业 务特性，如用来分析变速率视频业务( v a r i a b l e - b i t - r a t ev i d e o ) 。具体过程如下。 给定n 个观测样值( x 。：七= 1 , 2 ，n ) ，将n 个样值分为k 个不相重迭的部分， 然后对于每个新的时间起点t l = 1 ，t 2 = ( k ) + 1 ，t ，= ( 2 n k ) + 1 ，分别计算 r ( t t ，d ) s ( t f ，d ) ，r ( t l ，d ) 由式( 2 - 1 3 ) 定义，呒由形，+ 。一彬代替，s ( t i ，d ) 为样值 川，置一，置川，的方差。r s 图表示方法即画出l o g ( r ( t ，d ) s ( t t ，d ) ) l o g ( d ) 曲线，用最小二乘方估计曲线斜率，即可求出h a r s t 参数。 2 2 3 3 期m ( p e r i o d o g r a m ) 周期图是一种谱分析方法，主要依据是长期相关随机序列有如下等价定义， 厂( 旯) 2 - 4 上( 旯) ，! 五 0( 2 - 1 7 ) 其中，o 口 1 ，厂( ) = 。r ( k ) e 似，表示谱密度函数。这意味着 厂( o ) = ，( | | ) = c 。，也就是说，频率趋近于0 时，谱密度没有极限。 周期图方法就是画出时间序列的功率谱，求出频率五专0 时曲线的斜率。 2 2 3 4w h i t t l e 估计器 w h i t t l e 估计是一种最大似然估计方法，它的优点是可以提供更为精确的分 析，估计h 参数的置信区间，缺点是必须利用某种形式的随机过程。常用的两种 形式是参数为1 2 h 1 的f g n ( f r a c f i o n a lg a u s s i a nn o i s e ) 和0 d l 2 的 a 剐刚魄0 ，d ，q ) ( f r a c t i o n a l a u t o r e g r e s s i v ei n t e g r a t e dm o v i n g a v e r a g e ) 。 上述方法都是被广泛采用的，但是在后面的分析中主要采用时间一方差法对 h u r s t 参数进行估计，从定量的角度分析流模型的自相似特性。在后面章节中，对 w a p 业务和w w w 业务的h u r s t 均进行了估计，总结了他们的自相关特性。 2 2 4 自相似现象产生的原因 现在的业务模型对网络流量的自相似特点有两种解释：一种是单个数据源的 到达方式，例如可变速率的视频( v a r i a b l e b i tr a t v i d e o ) 在多个时间尺度上表现出 了高可变性( h i 曲v a r i a b i l i t y ) 。另一种是结构方面的原因，这主要是根源于分布 式系统的实际特性，下载文件或者对象的大小是重拖尾分布的。在网络中，当两 个端主机交换的文件大小是重拖尾分布的时候，在网络层中复接以后得到的网络 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章业务流量建模方法 流量就是自相似的。 这里有必要对重拖尾分布给予简单说明。在实际应用中，一个服从重尾分布 的随机变量可能以不可忽略的概率产生极大的值，主要包括p a r e t o 分布和w e i b u l l 分布。当0 口 2 时，p a r e t o 分布具有重尾特性( h e a v y t a i l e d ) 。w e i b u