（信息与通信工程专业论文）基于共享缓存的实时vbr业务的服务质量研究.pdf

r e s e a r c ho nq o so fr e a l t i m ev b rs e r v i c e w i t hs h a r e dc a c h e b y z h a n gh o n g f e i b e ( w u h a np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gs h e n g y e m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：餐红己 日期：- 2 o l1 年s 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：诛钆忍 导师签名：学芝叶 日期：易四f 年5 月矾日 日期：砷f 年占月7 3 , 日 基于共享缓存的实时v b r 业务的服务质量研究 摘要 随着现代通信网络的发展，宽带网络所承载的业务不断丰富，除了尽力而为 数据业务以外，还包括各种实时业务，而各种实时业务的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 需求又千差万别。因此，基于实时业务的综合业务系统的性能研究 成为目前研究的热点。 本文提出了一种基于共享缓存的实时可变比特率( v a r i a b l eb i tr a t e ，v b r ) 业务的系统模型。在资源的完全共享策略下，得出了业务的在线连接数的概率分 布。随后采用峰值法得出了各类实时业务的呼损率的表达式。在假设单位时间内 每个信道只能传送一个确定长度的数据包的基础之上，分析并得出了单位时间内 到达系统的数据包数的概率分布，同时用多个o n o f f 源共享缓存队列模型分析 了系统中数据包的排队服务过程。根据数据包的排队规则，本文给出了系统状态 的一步转移概率分布，进而得到了系统的稳态概率分布，即系统中数据包数的概 率分布。在此基础上，本文考虑到系统的最大服务速率的不变性和缓存容量的有 限性，分析并得出了系统的丢包率、平均时延和平均吞吐量的计算公式。 通过数值计算，与无缓存的系统相比，系统的丢包率下降而平均时延有所上 升。同时得出了系统中的丢包率、平均时延和平均吞吐量随着某类实时业务负荷 的增加并非单调增加的结论。 为了在保障各类实时v b r 业务的q o s 的同时，提高对网络资源的利用率， 本文提出了两种呼叫接纳控制策略。对于基于共享缓存的系统，本文通过分析接 入系统中用户的数量和系统中缓存的大小对系统性能的影响，在满足实时v b r 业务q o s 阈值要求的前提下，联合连接层的性能参数( 呼损率) 和分组层的性能 参数( 丢包率和平均时延) ，分别得出了最小化平均时延和最小化丢包率的两种 c a c 策略，通过参数之间单调性关系的分析，证明了这两种策略的正确性。最后 本文给出了一个在满足各实时业务呼损率和丢包率条件下的动态c a c 策略，该 策略适用于允许有相对较小时延而对丢包率有较高要求的业务的应用。 关键词：服务质量；可变比特率；共享缓存；呼叫接纳控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，t h e r ea r ev a r i o u sk i n d s o fs e r v i c e sa r es u p p o r t e db yb r o a d b a n dn e t w o r k s ，w h i c hi n c l u d ev a r i o u sr e a l t i m e s e r v i c e sb e s i d e sb e s t e f f o r td a t as e r v i c e s b u tt h eq o sr e q u i r e m e n t so fv a r i o u s r e a l - t i m es e r v i c e sa r eq u i t ed i f f e r e n t t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c es t u d yo ni n t e g r a t e d s e r v i c e ss y s t e mb a s e do nr e a l t i m es e r v i c e sh a sb e c o m et h ef o c u sa tp r e s e n t t h i sp a p e re s t a b l i s h e sb r o a d b a n dr e a l - t i m ev b rs e r v i c es y s t e mm o d e lb a s e do na s h a r e dc a c h e u n d e rt h ec o m p l e t es h a r i n gs t r a t e g yo nr e s o u r c e s ，i to b t a i n st h e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h en u m b e ro fo n l i n ec o n n e c t i o n s av a r i e t yo fr e a l t i m e s e r v i c e s e x p r e s s i o n so fc a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t yi so b t a i n e db yp e a km e t h o d b a s e d o nt h ea s s u m p t i o nt h a te a c hc h a n n e lc a no n l yt r a n s m i taf i x e d l e n g t hp a c k e ti nau n i t o ft i m e ，t h ep a c k e t s a r r i v a lp r o c e s si sa n a l y z e da n dt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h e n u m b e ro fa r r i v a lp a c k e t si so b t a i n e dp e ru n i to ft i m e m e a n w h i l ei ta n a l y z e st h ed a t a p a c k e t s q u e u i n g - s e r v i c ep r o c e s sw i t hm u l t i p l eo n o f fs o u r c e sq u e u em o d e lw i t h s h a r e dc a c h ei ns y s t e m i na c c o r d a n c ew i t ht h er u l e so fq u e u i n g ，d i s t r i b u t i o no f o n e - s t e pt r a n s i t i o np r o b a b i l i t yi so b t a i n e da n dt h e ni tg e t st h es t e a d y - - s t a t ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o no ft h es y s t e m ，w h i c hm e a n st h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h en u m b e ro f p a c k e t s i nt h es y s t e m w i t ht h ea b o v ea sb a s e ，w i t hi n v a r i a n c eo ft h es y s t e m s m a x i m u ms e r v i c i n gr a t ea n dt h el i m i t a t i o no fb u f f e rc a p a c i t yi nc o n s i d e r a t i o n ，t h e f o r m u l a t i o n so fp a c k e tl o s sr a t e ，a v e r a g ed e l a ya n da v e r a g et h r o u g h p u ta r eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t ht h en o n c a c h i n gs y s t e m ，t h ep a c k e tl o s sr a t eh a sd e c l i n e dw h i l et h e a v e r a g ed e l a yh a si n c r e a s e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n a l s oi td r a w sac o n c l u t i o nt h a t t h ep a c k e tl o s sr a t e ，t h ea v e r a g ed e l a ya n dt h ea v e r a g et h r o u g h p u ta r en o tm o n o t o n i c f u n c t i o no fr e a l - t i m es e r v i c el o a do fs o m et y p e i no r d e rt og u a r a n t e eq o so fv a r i o u st y p e so fr e a l - t i m ev b rs e r v i c ea n di m p r o v e t h eu t i l i z a t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st w oc a l la d m i s s i o nc o n t r o l s t r a t e g i e s f o rt h es y s t e mw i t hs h a r e dc a c h e ，b ys t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo ft h en u m b e r o fu s e r sa c c e s sn e t w o r ka n dc a c h es i z eo nt h es y s t e ma n ds i m u l t a n e o u s l yt a k i n gi n t o a c c o u n tt h et h r e s h o l dr e q u i r e m e n t sf o rr e a l t i m ev b rs e r v i c e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d t w oc a cs t r a t e g i e st h a tg i v ec o n s i d e r a t i o nt ob o t hp a c k e t l e v e l p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ( p a c k e tl o s sr a t ea n da v e r a g ed e l a y ) a n dc o n n e c t i o n - l e v e lp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ( c a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t y ) ，w h i c hs e p a r a t e l ym i n i m i z e sa v e r a g ed e l a ya n d i p a c k e tl o s sr a t e t h r o u g ha n a l y s i so fm o n o t o n i cr e l a t i o n s h i pa m o n gp a r a m e t e r s ，t h e c o r r e c t n e s so ft h et w os t r a t e g i e si sv a l i d a t e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sad y n a m i c c a cs t r a t e g y , w h i c hi sa p p l i e dt ot h ea p p l i c a t i o n so fs e r v i c ew i t har e l a t i v e l ys m a l l d e l a yb u tah i g hr e q u i r ef o rp a c k e tl o s sr a t eu n d e rt h ep r e c o n d i t i o nt os a t i s f yc a l l b l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n dp a c k e tl o s sr a t er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ；v a r i a b l eb i tr a t e ；s h a r e dc a c h e ；c a l la d m i s s i o nc o n t r o l i v 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引v i i 附表索引v i i i 第1 章绪论1 1 1 研究的背景和意义1 1 2 研究现状3 1 3 本文的研究工作及章节安排6 第2 章宽带通信系统的理论基础7 2 1 引言7 2 2 宽带业务分类7 2 3 宽带业务的特性8 2 4 宽带的传输特性9 2 5 宽带业务的统计复用1 0 2 6 资源分配策略1 l 2 6 1 资源共享1 1 2 6 2 资源共享策略下呼损率的计算1 2 2 7 队列的管理1 4 2 7 1 缓冲管理的目标1 4 2 7 2 缓冲资源管理策略1 5 2 8 小结16 第3 章宽带实时v b r 业务系统的性能研究1 7 3 1 引言1 7 3 2 基于共享缓存的系统的性能研究1 7 3 2 1 系统模型及性能分析方法1 7 3 2 2 基于o n o f f 型v b r 流的系统模型1 8 3 2 3 系统性能的分析1 9 3 3 数值计算结果分析2 l v 基于共享缓存的实时v b r 业务的服务质量研究 3 4 小结2 8 第4 章宽带通信系统中的呼叫接纳控制2 9 4 1 引言2 9 4 2 业务流量描述模型3 0 4 3 网络资源动态估计3 0 4 4 接纳判决准则3 2 4 5 接纳控制算法的分类3 3 4 6 联合连接层与分组层的c a c 策略3 4 4 6 1 基于共享缓存的联合c a c 策略3 4 4 6 2 数值计算结果3 7 4 6 3 具体的呼叫控制策略3 8 4 7 小结3 9 总结与展望4 1 参考文献4 3 j i j 【谢4 8 附录a攻读硕士学位期间发表论文目录4 9 附录b 攻读硕士学位期间参与科研项目5 0 v i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 信元统计复用10 图2 2 部分资源共享状态分布图1 2 图2 3 带顺序约束条件的完全共享策略的状态分布图1 2 图2 4 完全共享策略的状态分布图1 3 图3 1 多个o n o f f 源共享缓存队列模型1 8 图3 2 任意两个相邻时隙系统的状态1 9 图3 3 缓存大小与丢包率的关系2 1 图3 4 缓存大小与平均时延的关系2 1 图3 5 实际物理容量与丢包率的关系一2 2 图3 6 第一类实时业务负荷与丢包率的关系2 2 图3 7 第一类实时业务负荷与平均时延的关系2 3 图3 8 第二类实时业务负荷与丢包率的关系2 3 图3 9 第二类实时业务负荷与平均时延的关系2 3 图3 1 0 系统虚容量与丢包率的关系2 4 图3 1 l 系统虚容量与平均时延的关系2 4 图3 1 2 实际物理容量与平均吞吐量的关系2 5 图3 1 3 第一类实时业务负荷与呼损率的关系2 5 图3 1 4 第二类实时业务负荷与呼损率的关系2 6 图3 1 5 第一类实时业务负荷与平均吞吐量的关系2 6 图3 1 6 第二类实时业务负荷与平均吞吐量的关系2 7 图3 1 7 虚容量与呼损率的关系2 7 图3 1 8 虚容量与平均吞吐量的关系2 8 图4 1 呼叫接纳控制组成图2 9 图4 2 最小化平均时延的算法流程图3 5 图4 3 最小化丢包率的算法流程图3 6 图4 4 最小化平均时延的动态c a c 3 9 v h 附表索引 表2 1 宽带业务需要提供的q o s 保证8 表2 2 几种宽带业务的比特率9 表4 1 最小化平均时延的数值计算结果3 7 表4 2 最小化丢包率的数值计算结果3 8 v i 硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 宽带综合业务数字网简称b i s d n ( b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l n e t w o r k ) 。b i s d n 是在i s d n 的基础上发展起来的，可以支持各种不同类型、不 同速率的业务，不但包括连续型业务，还包括突发型宽带业务，其业务分布范围 极为广泛，包括速率不大于6 4 k b i t s 的窄带业务( 如语音、传真) ，宽带分配型业 务( 广播电视、高清晰度电视) ，宽带交互型通信业务( 可视电话、会议电视) ， 宽带突发型业务( 高速数据) 等。由于网络的发展和完善，b i s d n 业务的应用 范围不断扩大，出现了各种利用宽带综合数字网处理信息的系统：( 1 ) 基于p s t n 的可视电话系统；( 2 ) 基于网络的视频会议系统；( 3 ) 基于网络的远程监控系统；( 4 ) 远程医疗系统；( 5 ) 远程教学系统。 宽带网具有如下的优点： 相对费用低。( 1 ) 高速的连接减少了大量网上等待时间和上网费用。( 2 ) 宽带 接入技术不采用传统的电话网络交换机，无需交纳电话费。 传输速率高。每个用户的最大速率都远远大于5 6 k 和i s d n ，有效地保证了 图像、声音、数据传送的清晰度和连贯性。 支撑各种多媒体业务。宽带网络连接可以满足深层次的业务的应用。各种多 媒体业务可通过统计复用网络资源来保证各自的服务质量。 1 9 8 7 年i t u t 将异步转移模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，a t m ) 选为 b i s d n 中的转移模式。a t m 是一种基于信元的交换和复用的技术，它是电路交 换与分组交换技术的结合，能最大限度地发挥电路交换和分组交换技术的优点。 a t m 宽带交换是实现b i s d n 的关键和核心。它是一种快速分组交换，面向分组 的转移模式，适合于b i s d n 可变比特率业务。为了使任何形式的业务分布都达 到最佳的网络资源利用率就必须对网络资源进行统计复用，即在满足业务质量要 求的前提下根据业务的统计特性，为各业务动态地分配网络资源。 t c p i p 协议族可以实现i n t e r n e t 网络互联。目前，i p 技术以前所未有的速度 在高速发展，t c p i p 协议族最初是为提供非实时数据业务而设计的，因此传统的 i p 网络传送实时音频、视频能力较差。随着i n t e r n e t 业务的增多和技术的成熟， i p 技术自身也在不断的发生变化。i p 网络上除了收发电子邮件、浏览主页外，还 可以进行实时通话甚至观看点播电视。 目前，i n t e r n e t 网络规模、数量以及业务量呈指数增长。随着用户数的剧增和 基于共享缓存的实时v b r 业务的服务质量研究 多媒体业务的迅速发展，传统i p 网络的带宽越来越成为i p 网络发展的瓶颈。a t m 具有许多优越的特性，如端口速率高、吞吐量大、时延小、面向连接等，i p 与 a t m 技术结合，可以保证服务质量和可靠性，同时满足实时多媒体业务的要求。 a t m 技术应用于i n t e r n e t ，不仅解决了带宽问题，还为将来提供具有高服务质量 的i p 业务奠定了基础，也是i n t e r n e t 多媒体会议电视等各种实时多媒体通信最有 力的解决方案。于是出现了基于分组交换，传输遵守t c p i p 协议数据信号的网 络一基于i p 协议的宽带网络。 为了满足实时v b r 业务的传输特性的要求，i p 和a t m 相结合的重叠模型和 集成模型都必须解决实时业务在传输过程中面向连接的问题。重叠模型是将i p 网 络层协议重叠在a t m 之上，网络中设置的服务器完成a t m 地址和i p 地址的地 址映射功能。在发送端用户收到接收端用户的a t m 地址后建立a t ms v c 连接。 而集成模型是将i p 路由器的智能管理和管理性能集成到a t m 交换中形成的一个 一体化平台。a t m 层看成是i p 层的对等层，a t m 端点只需使用i p 地址来标识， 在建立连接时使用非标准的a t m 信令协议。集成模型中的多协议标签交换 ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 采用类似a t m 信令的方式，为具有特 定属性的一类i p 包建立一条转发i p 包的路径，同时规定该路径的带宽、时延的 业务属性，由此来满足一定的业务属性要求。该路径业务属性的参数可以映射到 a t m 的几个服务等级( c b r 、r t v b r 、n r t v b r 和u b r ) ，也可以按照a t m 的业 务量控制机制对i p 业务进行业务量的控制和管理，由此保证了用户要求的业务的 服务质量。 随着通信网络技术的发展和业务种类的不断丰富，宽带网络也存在诸多问题。 第一是实时业务指标的保障问题。宽带网络的业务的范围十分广泛，允许接 入的业务又有不同的形式。再加上每种业务都有不同的q o s 要求，而且要求相差 甚远，语音要求较小时延，数据要求有较低误比特率，而视频对时延和误比特率 均有很高要求。这使得网络中各种业务的服务质量很难得以同时满足，有时候需 要牺牲业务的一个或者两个指标来满足另外的指标。因此如何在满足各实时v b r 业务的某些指标要求的前提下使得该业务的其他指标达到最优还需要做一定的研 究。 第二是数据包丢失问题。实时v b r 业务是要求面向连接的传输服务。一旦大 量的信源同时发出信息，必然会导致大于队列存储容量的数据包同时争夺同一个 队列，使得部分数据包在统计复用时丢失。如何使得数据包的丢失达到最小，如 何减少队列长度及数据包的时延，如何在保证数据包丢失率的前提下使得数据包 的时延最小还需做进一步的研究。 第三是合理的流量控制问题。由于人们对业务的服务质量的要求的不断提高， 实时v b r 业务除了要满足呼损率的指标要求之外，同时也要满足时延、丢包率、 2 硕士学位论文 吞吐量等的指标要求。因此呼叫接纳控制策略除了要考虑呼叫级的q o s 以外，还 必须要考虑分组级的q o s 。 1 2 研究现状 q o s ，即服务质量，反映了网络元素( 应用程序、主机或路由器) 在保证信 息传输和满足服务要求方面的能力。r f c 2 3 8 6 t l j 中关于q o s 的描述为：q o s 是网 络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为丢失率、延迟抖 动、延迟、带宽、吞吐量等性能指标。该处的服务是指网络节点对数据包提供的 传输服务，强调端到端的整体性。 宽带网络中的一个重要特点是它需要保证q o s 。从用户的角度讲，q o s 是业 务质量要求；从网络的角度讲，q o s 是网络的整体性能。q o s 的参数可分为与呼 叫控制有关的参数和与分组传输有关的参数两大类。一类是与呼叫控制过程有关 的参数，如连接建立时延、连接释放时延和呼叫阻塞概率等；一类是与分组传输 过程有关的参数，如丢包率、吞吐量、时延和时延抖动等。 v b r 业务是宽带网络所承载的面向连接的业务中最常用的一种业务。该类型 业务允许用户发送可变比特率的信息，采用统计复用的方法减少非零随机丢失率。 v b r 业务要求用户在传输前预报并声明所需的带宽，要求网络在传输过程中为其 保留一定量的带宽以达到所需的服务质量。目前已有较多的学者对v b r 业务的 q o s 进行了广泛而深入的研究。 高数据速率的v b r 视频业务将成为未来无线家庭宽带网络所承载业务的主 导。w e n k u a n gk u o 等人提出了基于在线测量的接纳控制模式，在获得较高信道 利用率的同时保证了无线宽带网络中的v b r 视频流的q o s t 2 1 。在无线a t m 网络 中，c h u n gg uk a n g 等人提出的媒体接入层( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议， 在最大化网络中所有业务的复用增益的同时保证了实时v b r 业务的实时性的需 求，并且使其丢包率有了明显的降低【3 】。为了满足无线a t m 网络中v b r 业务的 q o s 需求，d i a f 等人提出了一种基于a t m 虚连接的有q o s 保障并且可以解决无 线a t m 不稳定性问题的数据链路层协议。该协议主要是为了提高无线传输q o s 以及调节v b r 业务流【4 】。由于实时v b r 业务的突发性，承载v b r 业务的a t m 信元流必须采用动态带宽分配的方式。于是b i s w a s 和i z m a i l o v 5 】提出了一种新的 带宽分配策略，该策略使得同一类业务流所需的缓存大小得到公平的分配，与传 统带宽分配方法相比，该策略能使实时v b r 业务取得较好和较公平的q o s 性能。 基于动态资源分配和调度的准确的业务量预测，能在满足q o s 需求的同时，有效 地提高网络性能。为了保障实时v b r 视频业务的传输的q o s ，文献 6 】提出了一 种新的资源调度算法，与已有的几种算法相比，该算法在信道利用率、缓存的利 用率、数据包的延迟和丢包率上均有所改善。 基于共享缓存的实时v b r 业务的服务质量研究 由于v b r 业务的突发性以及网络带宽的有限性，宽带网络在一定时间内无法 处理的数据包可以在缓冲区中存储，以期待网络有剩余资源的时候再接受服务。 合理的缓冲资源管理可以平衡系统吞吐量和分组排队延迟之间的矛盾，提高系统 的q o s 。因此基于v b r 的缓冲资源管理的研究具有理论和实际意义。文献 7 】提 出了基于共享缓存的v b r 流的带宽平滑算法，该算法可以根据当前请求所需资 源和可用资源来动态地分配和调整缓存的大小。该方法在降低磁盘带宽和网络带 宽的峰值需求的同时提高了网络资源的利用率。文献 8 提出了基于代理缓存技术 的平滑算法，该算法通过在代理服务器中缓存视频前缀的方式来平滑v b r 码流， 通过间隔缓存技术来共享缓存中的数据，缓存的大小可以根据当前请求的情况动 态的分配，该方法可以最小化媒体服务器和骨干网络的带宽消耗。 宽带网络中的实时v b r 业务是面向连接的，各类业务在接入网络之前首先需 要进行接纳控制。c a c 是避免拥塞发生的一种技术。为了保证q o s ，业务在接入 网络时要求业务首先把自己的传输特性和参数以及它要求的服务质量告知网络， 网络再根据业务的传输性能要求和网络当前的资源状况，来决定是否允许建立一 个新的连接。针对各种网络的特性和各种业务的q o s 需求，研究者们设计并提出 了各种新颖的接纳控制模式或算法。 针对统计独立的v b r 业务源，a l i 等人【9 】采用呈指数分布的o n o f f 信源模 型对该业务源进行描述并提出了一种可扩展的c a c 算法，该算法z 月匕l - , 很好的估计 资源数量的增加和适应混合业务源的多种突发特性。在具有较高链路利用率的情 况下，保证了业务的q o s 。一般的，c a c 算法通过估计可用网络资源对呼叫做出 接纳与否的决定，在实时视频通信中传输延迟以及丢包率是衡量业务q o s 的重要 参数。因此如何找出网络可用资源和业务q o s 参数之间的对应关系，对于呼叫接 纳控制的好坏起着关键性的作用。y i n gh e t l 0 】等人将端到端时延的概率密度分布 函数作为衡量网络资源状态的依据并且将系统q o s 划分成多个等级，分析并提出 了自适应的呼叫接纳控制和业务调度算法，该算法可以根据网络状态的延迟的变 化，在允许的范围内提高或者降低网络中已有呼叫的q o s 。c h i n - l i n gc h e n 针对 v o l p 提出了一种新的基于阻塞概率的计算的c a c ，通过计算源端到目的端所有路 径的阻塞概率，接入路由器为每一个新呼叫请求选择最佳路径，实验结果表明： 在满足端到端阻塞概率、时延以及丢包率指标的前提下，该c a c 能够获得较高 的网络资源利用率【l 。文献【1 2 】在b i s d n 中提出了一种基于神经网络的c a c ， 该c a c 能为业务的信元丢失率和时延提供q o s 保障。所提出的c a c 用于在线连 接应用并能获得良好的网络资源利用率。对于o n o f f 信源和p o i s s o n 信源，分 别采用m d 1 k 和m m p p d 1 k 排队模型分析并得出了节点信元丢失率和时延的 计算表达式。m a t l a b 仿真表明，在满足信元丢失率和时延要求的情况下，该c a c 在给定节点缓存大小b 和链路容量c 下能达到最大化的输入数据速率。文献 1 3 】 4 硕士学位论文 提出了一种新的c a c 模式，该模式将传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ， t c p ) 的统计特性作为一种输入并且可以管理不同类型的用户，该方法改善了c a c 的性能。在多速率多址接入无线通信系统中，针对物理层的误比特率和网络层的 呼叫阻塞概率、呼叫连接延迟、数据包拥塞概率和丢包率等q o s 参数， k a il i 提出了同时满足呼叫级和分组级q o s 的基于多目标强化学习的自适应c a c 算法 i l 引。文献 1 5 】在无线蜂窝网络中，采用离散自回归模型来描述h 2 6 3 视频会议流， 并且提出了一种新的有效的c a c 策略，采用预先估计业务情况结合在线模拟的 方法为c a c 策略提供决策的依据。仿真结果表明，与现有的方法对比，该策略 保证用户的视频业务和上网业务具有很好的q o s 性能。c a m i n e r o t l 6 1 等人提出了一 种新的轻量级的呼叫接纳控制算法，该算法只需数据包连接的平均速率和峰值速 率来判断一个新的呼叫是否被接纳。在保证带宽利用率的情况下，为业务提供足 够的q o s 保障。 允许判决的过程相当的复杂，因为呼叫接纳控制过程需要作出精确的决定， 并对某些冲突的因素进行折中，其目的是在保证网络资源高效运行的前提下，满 足所有通信过程的服务质量。另外，为了这个目标的任何算法都必须是实时的， 为了加快决定的过程，许多算法都是基于“等效带宽 的【1 7 】，并且为满足所有业 务源的q o s 所需带宽提供可能性评估。算法的选择原则是计算效率和实现的容易 性，这是目前所研究的焦点。 在网络资源的动态分配与调度过程中，准确的网络流量的预测可以在保证 q o s 要求的前提之下，提高网络性能【l 引。网络流量模型不仅是接纳控制的基础， 而且也是网络性能分析和通信网络规划设计的基础。正是因为流量模型非常重要， 所以目前对流量模型的研究已经成为通信领域的一个热点。目前网络流量数据存 在以下几种主要的特性：( 1 ) 长相关性与自相似性；( 2 ) 周期性；( 3 ) 混沌性；( 4 ) 多 分形性。 业务流量模型的建立的基本原则是：以流量的重要特性为出发点，以刻画实 际流量的突出特性为目的，同时又可以进行数学上的研究。在传统通信网业务中， 一般假设业务的到达过程和到达间隔分别服从泊松分布和负指数分布，但是随着 研究的进一步加深，人们又提出了各种推广的泊松模型和马尔科夫模型。传统模 型的典型模型有【i9 】：泊松模型、马尔科夫模型、自回归模型。这些模型下的业务 具有一个的共同特点：在各个时间尺度下具有不同的特性，即短时相关性。这些 模型的优点是系统性能易于用数学表达式来评价，但无法描述网络的长相关性， 因而流量的自相似性得不到准确描述【2 0 1 。马尔科夫模型中的o n o f f 模型【2 1 1 具有 计算简单和物理意义明确等优点，通常被应用于要求实时性的场合，但是该模型 的各数据源必须是独立同分布的【2 2 1 。然而绝大多数模型难以得到系统性能的解析 表达式，因此这些模型不易于对系统的性能进行分析。而o n o f f 模型不仅可以 5 基于共享缓存的实时v b r 业务的服务质量研究 描述实时v b r 的基本特征，同时计算复杂度也较低，易于得到系统性能的解析 表达式。因此本文用o n o f f 模型来描述实时v b r 业务流的做法是可取的。 实际网络的业务流与短相关模型存在较大偏差，在各个时间尺度下表现出相 似的突发特性，即自相似特性，于是就出现了自相似的网络流量模型。该模型的 典型模型有分形布朗运动模型【2 3 1 和多重分形小波模型【2 4 1 ，该类模型的优点是刻画 了业务流的自相似特性。 随着智能算法的不断发展，出现了人工神经网络预测模型，也有不少学者根 据网络流量存在的多种特性，考虑将各种模型混合起来来预测业务流，例如小波 神经网络模型【25 1 。 1 3 本文的研究工作及章节安排 本文主要研究了基于i p 协议的宽带网络中的实时v b r 业务的q o s 性能，首 先从v b r 业务的特性入手，采用o n o f f 模型刻画了v b r 业务源，随后利用排 队论得出了系统中数据包数的稳态概率分布并得到了衡量系统q o s 的指标的计 算公式。与无缓存的系统相比，数值计算验证了该方法的正确性。最后给出了两 种联合连接层与分组层的呼叫接纳控制策略，这两种策略旨在提高v b r 业务在 分组层方面的q o s 性能。本文的章节安排如下： 第一章“绪论”：介绍了研究的背景和意义，重点介绍了v b r 业务的q o s 性 能、避免系统拥塞的呼叫接纳控制的方法和网络业务流量的模型的研究现状等， 同时给出本论文的组织结构。 第二章“宽带通信系统的理论基础：首先介绍了宽带业务的五种类型及其 应用领域以及业务的统计复用特性。然后阐述了宽带网络的资源管理和队列管理 策略，并给出了不同资源共享策略下的呼损率的计算公式，为第三章研究基于共 享缓存的宽带实时v b r 业务的系统的性能作铺垫。 第三章“宽带实时v b r 业务系统的性能研究”：首先介绍了基于共享缓存的 v b r 业务流的o n o f f 模型以及本文所研究的系统应满足的条件。然后通过对系 统模型中数据包的排队过程的分析，得出了数据包到达系统的概率分布，进而得 到了衡量系统q o s 的性能参数，数值计算结果展示了该系统的性能。 第四章“宽带通信系统中的呼叫接纳控制 ：首先介绍了呼叫接纳控制中的 三个最基本的部分：网络流量描述、网络资源动态估计以及接纳判决准则。随后 针对第三章提出的基于共享缓存的宽带通信系统，本章提出了最小化平均时延和 最小化丢包率的两种呼叫接纳控制策略，这两种策略均能达到优化系统性能的目 的。 最后，总结全文并对未来的研究工作进行了展望。 6 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章宽带通信系统的理论基础 宽带通