（通信与信息系统专业论文）业务建模与无线资源管理研究.pdf

摘要 摘要 近年来，无线通信技术发展迅猛，用户数目急剧增长，用户对于数据、图像 和视频等多媒体业务的需求也在不断地增长。由于无线网络中的资源往往都是受 限的，因此如何在多个用户、多种业务之间合理的分配有限的无线资源，使得系 统能够支持尽可能多的用户业务，同时又能够保证这些业务的服务质量( q o s ) ， 成为一个巨大的挑战。在这种条件下，对于无线网络中业务特征的分析和建模工 作以及无线资源分配的研究成为必需。 本文中关注的是业务模型与无线网络资源分配算法的分析和研究。主要针对 的是高速移动应用场景和密集用户区应用场景。这两个应用场景有相似的地方， 也有很大的不同之处。高速移动应用场景下，最典型的特征是无线信道的变动更 加剧烈。密集用户应用场景的最典型特征就是大量的用户出现在一个资源有限的 区域，无线资源的竞争更加激烈。其次，二者的网络结构也有较大的差别。高速 移动应用场景下，用户的接入类似于集群接入的方式，共享一个或者多个无线信 道和外界通信。密集用户区应用场景下，各个用户则是直接和无线网络中的基站 发生通信。 本文的研究内容包括：( 1 ) 网络资源受限条件下，p 2 p 文件共享业务建模。 ( 2 ) 无线接入网络中，混合业务的无线资源动态分配。主要贡献在于：( 1 ) 在 网络资源受限条件下，研究了b i t t o r r e n t 系统( 一种p 2 p 文件共享系统) 的建模 问题，提出了种用于分析b i t t o r r e n t 系统节点演变和稳态性能的改进型流模型。 ( 2 ) 研究了无线接入网络中多用户多业务间的资源分配问题，给出了一种基于 效用函数的无线资源动态分配方案。该方案能够根据业务的q o s 特征、业务的 实时资源请求、用户的信道状态等参数来生成效用函数，无线资源的分配就是基 于这些效用函数来实现的。仿真结果表明本方案能够在多项业务之间合理地配置 无线资源，从而实现了系统总效用值的优化。( 3 ) 分析了p 2 p 方式的视频业务和 文件共享业务的业务特征和q o s 需求，给出了一种针对这两种p 2 p 方式业务的 资源动态分配方案，将p 2 p 方式的视频和文件共享业务纳入了资源分配框架。 关键词：p 2 p ，业务建模，无线资源分配 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y a n dt h en u m b e ro fm o b i l eu s e r sr a i s eo b v i o u s l y , t h ed e m a n d so fu s i n gm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s ( s u c ha sd a t a ，i m a g ea n dv i d e o ) w e r ea l s oi n c r e a s i n gr a p i d l y a sw i r e l e s s r e s o u r c ei so f t e nl i m i t e di np r a c t i c a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，t r y i n gt oa l l o wa sm a n y a p p l i c a t i o n sa sp o s s i b l et ob ea c c e s s e dw i t hl i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e ，w h i l eq o so f e a c ha p p l i c a t i o nc a nb ea c c e p t a b l e ，b e c o m e sa ni m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp r o b l e m i n t h i sc i r c u m s t a n c e ，s t u d yo nm o d e l i n gt h et r a f f 矗co fd i f f e r e n tt y p e so fa p p l i c a t i o n sa n d w i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n ti nf u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k si sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei l e c e s s a r y i nt h i sp a p e lp 2 pa p p l i c a t i o n sm o d e l i n ga n dw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o na r e s t u d i e d t h ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o si n c l u d eh i g hs p e e dm o b i l ea p p l i c a t i o ns c e n a r i oa n d d e n s eu s e r sa p p l i c a t i o ns c e n a r i o t h e s et w os c e n a r i o sh a v es o m e t h i n gi nc o m l n o n ，b u t t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e ma r ea l s oo b v i o u s i nh i g hs p e e dm o b i l ea p p l i c a t i o n s c e n a r i o ，t h ec h a n n e lq u a l i t yc h a n g e dm o r er a p i d l y , w h i l ei nd e n s eu s e r sa p p l i c a t i o n s c e n a r i o ，t h eu s e rn u m b e ri sm u c hl a r g e ra n dt h ec o m p e t i t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c ei s m o r es e r i o u s a d d i t i o n a l l y ，t h en e t w o r k t o p o l o g i e so ft h e s et w os c e n a r i o sa r ed i f f e r e n t i n h i g hs p e e dm o b i l ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o ，a l lu s e r ss h a r ec o m m o ni na n do u t c o m m u n i c a t i o nl i n k s ，w h i l ee a c hu s e rc a nb ec o n n e c t e dd i r e c t l yt ob a s es t a t i o n si n d e n s eu s e r sa p p l i c a t i o ns c e n a r i o t h ec o n t e n to ft h i ss t u d yi n c l u d e s ：( 1 ) m o d e l i n gp 2 pf i l es h a r i n gs y s t e mi na n e t w o r kc i r c u m s t a n c ew i t hb o t t l e n e c k l i n k s ( 2 ) i n v e s t i g a t i n gw i r e l e s s r e s o u r c e d y n a m i ca l l o c a t i o nf o rm i x e dt r a f f i ci nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ：( 1 ) i nan e t w o r k c i r c u m s t a n c ew i t hb o t t l e n e c kl i n k s ，a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fb i t t o r r e n t s y s t e m ( ak i n do fp 2 pf i l es h a r i n gs y s t e m ) ，a ni m p r o v e df l u i dm o d e li sp r o p o s e d ，t h i s m o d e lc a nb eu s e dt oa n a l y z et h ee v o l u t i o no fp e e r sa n dp r e d i c tt h ea v e r a g ef i l e d o w n l o a dd e l a yo fb i t t o r r e n ts y s t e mw h i c hp r e v i o u sw o r k ss e l d o mf o c u so n ( 2 ) r e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rm i x e dt r a f f i ci nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k si si n v e s t i g a t e da n da u t i l i t y - b a s e dr e s o u r c ed y n a m i ca l l o c a t i o n ( u r d a ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h i s a l g o r i t h mc o n s i d e r st h eq o sc h a r a c t e r i s t i c s ，r e a l t i m er e s o u r c er e q u i r e m e n t sa n d w i r e l e s sc h a n n e lq u a l i t i e st h a tb e l o n gt od i f f e r e n tt y p e so fa p p l i c a t i o n s ，a n dt h e n g e n e r a t e su t i l i t yf u n c t i o n so fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h ew i r e l e s sr e s o u r c ei sa l l o c a t e d i i i a b s t r a c t d y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e s eu t i l i t yf u n c t i o n s t h es i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tu r d a i sc a p a b l et oa l l o c a t er e s o u r c et od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sw h i c hb e l o n gt od i f f e r e n tu s e r s a n da c h i e v e st h et a r g e to fr e s o u r c ea l l o c a t i o na n du t i l i t yo p t i m i z a t i o n ( 3 ) a f t e r a n a l y z i n gt h eq o s c h a r a c t e r i s t i co fp 2 pv i d e oa n df i l es h a r i n ga p p l i c a t i o n s ，t h e s et w o t y p e so fp 2 pa p p l i c a t i o n sa r eb o t ha d d e di n t ot h eu t i l i t y b a s e dr e s o u r c ed y n a m i c a l l o c a t i o nf r a m e w o r k k e yw o r d s ：p 2 p , t r a f f i cm o d e l i n g ，w i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o n i v 插图目录 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 插图目录 高速移动应用场景示意图4 语音业务状态图1 0 h t t p 业务的会话过程1 1 f t p 业务的会话过程1 2 移动通信网络各层次中包含的无线资源管理模块1 5 无线资源管理m a c 层功能1 5 资源受限网络场景示意图2 7 p 2 p 系统的承载网络结构图形2 8 p 2 p 节点状态转移图3 0 系统中下载节点数目的演变3 2 系统中种子节点数目的演变3 2 系统中所有完成下载的节点的平均下载时间3 3 视频业务的产生模型3 7 不同类型业务的效用函数示意图b bo o o o 3 8 资源分配框架3 9 背景类业务的资源分配过程4 2 其它类业务的资源分配过程4 2 业务请求的资源发生变化时的处理流程4 3 业务的离开处理流程4 4 效用函数4 5 用户逐渐增加条件下的效用对比4 5 被允许接入的各类业务的平均资源比例4 6 新到达业务的资源比例4 6 到达率为1 时的实时效用对比4 7 到达率为1 时的各业务的实时资源比例4 8 两种方案的阻塞率和中断率对比4 8 无线网络中的p 2 p 业务模型5 0 p 2 p 方式业务多条可能链路之间资源分配过程5 3 已接入的业务的平均资源比例5 4 最近接入的新用户业务的资源比例5 5 v i i j 2 3 4 5 j 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 l 2 2 2 z 2 支 3 王 王 文 王 乱 禾 乱 乱 乱 图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格目录 表格目录 表1 1 常见的短距离无线通信标准2 表2 1h t t p 业务建模l l 表2 2f t p 业务建模1 2 表3 1p 2 p 文件共享系统性能的关键和问题2 1 表4 1 常见业务的q o s 要求3 8 表4 2 仿真参数4 4 表4 3 仿真参数5 4 i x 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期：j 墅：擘啦目 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， 仞公开口保密( 年) 作者签名：盈盟丝 导师签名一选茎! 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百化 1 1无线通信技术的发展现状和挑战 自从马可尼成功地实现了人类历史上第一次无线通信以来，各种类型的无线 通信技术就不断被提出。近些年来，无线通信领域发展空前迅猛，无线网络的用 户数目不断攀升，所支持的业务类型也越来越多样化。 1 1 1无线通信技术的发展现状 无线通信技术的大规模商业化应用主要有两个方面：( 1 ) 蜂窝移动通信技术， 其目的是在较大的覆盖范围内实现较大数目用户的接入和通信。( 2 ) 短距离无线 通信技术，其主要目的即实现短距离内的高速数据传输。 上个世纪7 0 年代，第一代移动通信系统被提出。第一代移动通信系统采用 频分多址、模拟话音调制技术，只能够提供简单的话音业务，其代表是a m p s 等移动通信系统。第一代移动通信系统的主要不足之处在于容量有限、制式太多、 互不兼容、不能提供数据业务等。 随着技术的进步，基于数字技术的第二代移动通信系统被推出，其代表是采 用时分多址的g s m 系统和采用码分多址的i s 9 5 系统。第二代移动通信系统在 抗干扰能力，系统容量，频谱利用率、通话质量和保密性能、漫游等各方面都远 优于第一代系统，并能够提供中低速的数据业务，在全球范围内获得了巨大的成 功，具有广泛的用户群体。 由于第二代移动通信系统无法实现高数据率的多媒体业务。此外，各国间第 二代数字移动通信标准不统一，用户无法进行全球漫游。所以国际电信联盟 ( i t u ) 于2 0 世纪9 0 年代后期提出来了第三代移动通信系统的概念。目前，国 际电信联盟确定了四种第三代移动通信系统标准，分别是w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 和w i m a x 。虽然技术指标和方案设计各不相同，但是第三代移 动通信系统最大的特点是相同的：能够提供较大容量的语音、高速数据和图像传 输等多种类型的业务 2 】。 此外，b 3 g 移动通信系统的相关研究也已经展开。这些研究在实现高速率 数据传输、提供多媒体业务的同时，主要面临着抗多径衰落和提高频谱利用率的 两大挑战。而正交频分复用( o f d m ) 技术和多天线的多输入多输出( m i m o ) 是b 3 g 中的主要应对技术 2 。 o f d m 技术属于多载波调制( m c m ) 技术的一种。o f d m 技术的主要思想 就是将待发送的数据流分散到多个子载波上，使各个子载波的信号速率大大降 低，从而能搞提高抗多径和抗衰落的能力。o f d m 技术主要有以下的优点：( 1 ) 第一章绪论 频谱利用率高。( 2 ) 系统复杂度和成本低。( 3 ) 宽带业务扩展能力强。( 4 ) 抗多 径衰落。( 5 ) 频谱资源灵活分配。( 6 ) 在o f d m 技术的基础上实现m i m o 比较 简单 2 】。 m i m o 技术也是未来的无线通信中很重要的一项技术，被看作是实现高数据 速率以及提高传输质量的重要途径。m i m o 技术可以简单定义为：在无线通信系 统中，发射端和接收端使用多副天线，同时处理多路信号。各发射天线同时发送 的信号使用相同的频带，无需占用额外的频带。m i m o 的特点是将多径传播变为 有利因素。在空中产生独立的并行信道同时传输多路数据，有效地增加了系统的 传输速率，也就提高了系统的频谱利用率。 在局域网络以及个人网络方面，几十米或者1 0 0 米以内的通信距离被称为短 距离的通信范围，因此这些技术都可以称为短距离无线技术。典型的技术主要包 括8 0 2 1 l 系列的w l a n 技术，u w b 技术以及蓝牙技术等。 短距离无线通信技术的目标与蜂窝网络技术的目标有所不同，因此，短距离 无线通信技术一般发射功率和覆盖范围都比较小，从而有利于实现频谱资源的复 用，但是数据速率一般都高于蜂窝网络。表1 - 1 中给出了一些常见的短距离无线 通信技术标准。 表1 1 常见的短距离无线通信标准 标准或技术推出时间典型通信距离 传输介质最大数据传输速 ( m )率( m b i t s s ) 8 0 2 1 l 1 9 9 71 0 02 4 g h z2 8 0 2 1 l a1 9 9 95 05 0 g h z 5 4 8 0 2 1 1 b2 0 0 01 0 02 4 g h zl l 8 0 2 1 l g 2 0 0 l1 0 0 2 4 g h z5 4 h o m e f u f1 9 9 81 0 02 4 g h z2 i r d a 1 9 9 42红外1 6 h i p e r l a n 2 2 0 0 2 3 05 0 g h z5 4 蓝牙1 12 0 0 1 1 02 4 g h z1 u w b 2 0 0 2l o3 1 一1 0 6g h z1 0 0 一2 0 0 w i b r e e 2 0 0 6 1 0 4 g h zl 1 m h z 载频 无线通信技术发展的目标是向个人通信发展，即实现任何人( w h o e v e r ) 在 任何地方( w h e r e v e r ) 、任何时间( w h e n e v e r ) 都可以同任何人( w h o m e v e r ) 进 2 第一章绪论 行任何形式( w h a t e v e r ) 的通信。 未来的无线通信系统的发展趋势可以概括为：( 1 ) 宽带化。实现更高的数据 速率和更低的数据传输成本。3 g 系统的数据速率相对于2 g 系统已经有了显著 的提高。b 3 g 的研究仍然在于提高数据速率。( 2 ) i p 化和各种网络的融合。支 持i p 分组交换，在切换和分组传输中更小的时延，实现多种类型通信网络的无 缝连接。( 3 ) 业务集成：支持多种应用，包括更多的多媒体业务。提供的业务将 从以传统的话音业务为主向多种类型业务并存的方向发展。通信的主体将从人与 人之间的通信扩展到人与物、物与物之间的通信，渗透到人们日常生活的方方面 面。( 4 ) 智能化：具有高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、 自组织性等，以满足不同环境、不同用户的通信需求。( 5 ) 应用于更高的频段， 要求更高的频谱利用率。( 6 ) 服务价格越来越低，最大限度的满足不同消费层次 用户的需求。 无线通信有以下特点：( 1 ) 无线信道变动剧烈。电磁波在传播时会出现反射、 折射、绕射、多普勒频移等现象，导致多径干扰、信号传播延迟等效应。另外， 无线通信容易受到用户之间的干扰以及其他电磁噪声的干扰。( 2 ) 无线频谱资源 受限。无线频谱是一种很宝贵的资源，为了解决频谱拥挤的问题，必须更有效、 充分地使用现有的无线频谱资源。( 3 ) 用户移动终端的功率受限。移动终端的电 池容量是有限的，另外基于减小对用户的辐射方面考虑，终端的发射功率也不能 太大。 1 1 2 无线通信技术的挑战 在通信技术发展的过程中，如何满足广大用户日益增长的通信业务需求是个 经典的问题。解决这个问题有两个方向：( 1 ) 增加资源的供给；( 2 ) 对现有资源 的配置和利用加以优化。在目前的有线通信网络中，增加资源供给比较容易实现， 可以通过增加通信线路、扩充系统容量等途径解决。反观无线通信技术，由于受 到频谱、功率等无线资源的局限，往往不能通过增加资源来解决这个问题。 上面提到的这些无线技术的发展，都是为了解决资源不足的问题，目标是为 用户提供更多类型、质量更好的服务。可以预见的是，在未来一段时间内，用户 的通信需求必然是持续增长的。随着需求的增长，现有的无线通信技术在网络容 量和数据速率方面还远远不能满足需求。无线通信技术的特性决定了其必须在资 源有限的前提条件下，为尽可能多的用户提供有一定服务质量( q o s ) 的服务。 在这种条件下，对于无线网络中业务特征的分析和建模工作以及无线资源分配的 研究成为必需。 业务建模工作实质上是分析业务的流量、性能等特征，为网络规划或者网络 3 第一章绪论 中的资源管理提供相应的依据。无线资源管理的目的在于：满足用户服务质量的 前提下，尽可能提高资源的利用率，同时对于不同的业务尽量保证一定的公平性。 合理的无线资源分配方案，必然会涉及到对无线网络中业务的特征分析和用户对 于业务的满意度的分析。资源分配方案的实施，在一定程度上也会影响到业务的 建模工作。因此，业务建模和无线资源管理是从不同的角度来考虑，其最终目标 都是为了实现系统资源利用的优化。 1 2 研究背景 本文研究属于9 7 3 项目“多域协同宽带无线通信基础研究”中课题二“多 用户混合业务模型研究”的一部分。该课题的主要目标是：在多域协同宽带无线 通信体系框架下，分析未来宽带无线通信系统所承载的应用服务特性，建立以用 户体验为中心的、无缝一致性的业务服务框架，优化网络参数配置，在此基础上 建立多域协同无线通信刚络的业务模型，构建多域协同网络业务容量的量化评价 机制。主要考虑两个应用场景：高速移动应用场景和密集用户区( 机场、车站、 校园、会议中心) 应用场景。 针对高速移动应用场景，分析高速移动下的多用户业务需求特性和应用服务 特性，构建以用户体验为中心的支持高速移动的业务服务体系，建立具有高速移 动特色的业务模型，构建高速移动应用情况下业务容量的量化评价机制。主要研 究内容包括： ( 1 ) 高速移动环境下的业务需求、发展趋势及业务特性分析； ( 2 ) 高速移动环境下的业务模型研究，如各类业务在直接接入及中继接入方 式下的到达率、服务率、平均等待时间等； ( 3 ) 高速移动环境下的用户体验效用函数研究，包括业务模型向服务模型的 延伸扩展研究( 如队列长度控制、资源调度等) ，业务模型向物理层模型 的延伸扩展研究( 如跨层联合优化等) 。 图i i高速移动应用场景示意图 4 第一章绪论 针对密集用户区应用场景，分析高度密集用户环境下的多用户业务需求特性 和应用服务特性，构建以用户体验为中心的密集用户区业务服务体系，建立密集 用户区的多服务器多用户混合业务模型，构建密集用户区业务容量的量化评价机 制。主要研究内容包括： 首先考虑单点接入的情况，进一步考虑中继+ 协同的情况。对于单点接入， 模型可与高速移动环境下类似，但要体现接入用户数及用户突然增多的突发情 况，同时信道相对稳定；对于中继+ 协同方式，要考虑多服务器多用户( 协作式) 接入。主要研究内容包括： ( 1 ) 密集用户区的业务需求、发展趋势及业务特性分析； ( 2 ) 密集用户区的业务模型研究，如各类业务到达率、服务率、平均等待时 间等； ( 3 ) 多用户协作中继通信下的业务模型研究； ( 4 ) m e s h 网络多服务器系统业务模型研究； ( 5 ) 密集用户区的用户体验效用函数研究，包括业务模型向服务模型的延伸 扩展研究( 如队列长度控制、资源调度等) ，业务模型向物理层模型的延 伸扩展研究( 如结合用户协作、接入点协作的联合研究等) 。 高速移动应用场景和密集用户区应用场景这两个应用场景有相似的地方，但 是，也有很大的不同。高速移动应用场景下，最典型的特征是无线信道的变动更 加剧烈。密集用户应用场景的最典型特征就是大量的用户出现在一个资源有限的 区域，无线资源的竞争更加激烈。其次，二者的网络结构也有较大的差别。高速 移动应用场景下，用户的接入类似于集群接入的方式，共享一个或者多个无线信 道和外界通信。密集用户区应用场景下，各个用户则是直接和无线网络中的基站 发生通信。 1 3 研究内容和创新点 本文中关注的是业务模型与无线网络资源管理算法的分析和研究。主要考虑 高速移动应用场景和密集用户区应用场景。 研究的内容是： ( 1 ) 网络资源受限条件下，p 2 p 文件共享业务建模。 ( 2 ) 无线接入网路中，多业务间的无线资源动态分配。 本研究内容的选择与相关的应用场景有很大的关系。高速移动应用场景下， 5 第一章绪论 我们选择了一种有代表性的新类型的业务( p 2 p 文件共享业务) 作为建模的对象。 作为一种占用网络带宽很大的业务，p 2 p 文件共享业务在有线网络中应用已经相 当广泛。在未来的无线移动环境下，p 2 p 文件共享业务应用可能会有一定规模的 应用。由于p 2 p 文件共享业务占用的网络资源相当大，在网络资源不足的时候总 是作为优先被限制的对象。因此，研究网络中瓶颈链路对于p 2 p 文件共享业务性 能的影响有一定的现实意义。在密集用户区应用场景下，无线资源的竞争很激烈。 目前在资源分配、协作通信等方面有很多的研究。但是，考虑到上层业务的q o s 特性和用户满意度的资源动态分配的研究相对还比较少。因此，本文中基于效用 的资源分配研究具有一定的工程应用价值。 本文的主要贡献在于： ( 1 ) 将高速移动的应用场景简化为一个进出口链路资源受限，但是网络内 部资源相对充足的网络结构。针对这样的网络结构，研究了b i t t o r r e n t 系统( 一 种p 2 p 文件共享系统) 的建模问题，提出了一种用于分析b i t t o r r e n t 系统节点演 变和稳态性能的改进型流模型。仿真结果验证了本模型在网络进出口处资源受限 的应用场景下的适用性。 ( 2 ) 研究了无线接入网络中多用户多业务间的资源分配问题，给出了一种 基于效用函数的无线资源动态分配方案。该方案分析了多种业务的q o s 特性， 考虑到资源的可分配最小单位，基于总效用值的最大化向不同类型业务分配资 源。方案中考虑了业务的接入处理、业务离开时的资源释放、业务请求资源的可 变性、用户信道状态的变动等动态因素，增加了效用函数生成模块，能够根据业 务的实时资源需求和所属用户的实时信道状态来生成效用函数，最终实现无线资 源的动态分配。本文中给出了一个仿真框架，并根据仿真结果分析了该资源分配 方案的性能。仿真结果表明本方案能够在不过多地降低某项业务的效用值的条件 下，削减分配该业务的资源给其它能带来更大效用值的业务，从而实现了系统总 效用值的优化。 ( 3 ) 分析了p 2 p 方式的视频业务和文件共享业务的业务特征和q o s 需求特 点，给出了一种基于效用函数的针对p 2 p 方式业务的资源分配方案。该方案能够 根据p 2 p 业务连接链路的变动，动态地向p 2 p 业务的用户分配资源，从而将p 2 p 方式的业务纳入了基于效用的资源动态分配的框架之中。 1 4 本文结构 本文的安排为：第一章绪论，介绍无线通信技术的发展历史，并且探讨了其 可能的发展方向和主要技术挑战。第二章中主要介绍了业务模型和无线网络资源 6 第一章绪论 管理的一些基本概念。第三章中，简述了p 2 p 业务的特征，并尝试给出了在资源 受限的网络结构下的b i t t o r r e n t 文件共享系统模型。第四章中，首先分析了一些 常见业务的q o s 特征，在引入效用函数的基础上给出了一种无线资源动态分配 方案。随后，分析了p 2 p 业务的多链路特征和q o s 需求，将p 2 p 方式业务纳入 了资源分配的框架之中。第五章为全文的总结。 7 第二章业务模型与无线资源管理 第二章业务模型与无线资源管理 2 1 几种典型业务的建模 业务模型大致可以分为三类： ( 1 ) 业务产生模型：业务的信源的数据包的产生规律。例如描述信源到底 是符合负指数分布还是o n o f f 过程等问题。 ( 2 ) 业务测量( 统计) 模型：对业务流在网络中传输时进行描述的一个模 型，希望该模型能够和实际的业务流在统计上能够很好地匹配，甚至具备预测能 力；最好该模型能够适应多种信源。 ( 3 ) 业务用户模型：指无线网络覆盖范围内用户数估计及分布模型。 得到业务模型的常用方法如下： ( 1 ) 基于实际测量的方法 研究业务特性的最好方法是在一个正常运营的网络上去研究实际的业务流 量，收集建模所需的参数，但是由于客观条件限制，并不是总有这样的机会。实 际测量可以得到精确的业务模型，但也有明显的缺点，如耗时多、开支大，而且 只能针对现有的特定网络进行分析。 ( 2 ) 基于数学理论分析的方法 借鉴与所研究的业务相类似的公开的数据应用的研究成果，根据不同的业务 需求与网络应用环境来调整参数，这种方法对所有业务都适用，尤其是研究新业 务的模型。然而，开发一个可以控制的理论模型需要很多严格的假设，并且在通 常情况下，很难求得理论模型的精确解。 ( 3 ) 基于仿真分析的方法 通过网络仿真，可以比较不同网络对同一业务模型的影响，而且可以在仿真 结果中得到业务源汇聚后的流量特性，也可以验证理论分析得出模型的正确性。 这种方法适用所有业务，尤其是对尚未开展的无线数据业务进行建模。但也存在 缺陷，仿真分析需要借助仿真平台，完成网络模块的搭建，不仅耗时，而且加入 了过多人为的假设。 业务建模的目标是在一定的服务速率支持下，对信源向信道输出业务的特征 进行数学描述。用户的业务发生行为的建模具体可分为单业务发生模型和混合业 务发生模型。单业务发生模型是指某用户在一段时间内以某具体业务作为信源对 外发送业务的特征建模。混合模型有两种理解方式，一种是指某单一用户依次使 用不同的业务类型在时间轴上互不重叠的对外发送不同的业务数据，将这一段总 时间内的所有业务数据流看作一条混合业务流加以分析；另一种是多个用户分别 9 第二章业务模型与无线资源管理 使用不同的业务类型在时间轴上彼此重叠的对外发送不同的业务数据，将这同一 个时间段内的所有业务数据流相加看作一条混合业务流加以分析。 目前，最为常见和实用的单业务建模方法是m a r k o v 状态转移的o n 0 f f 过程 建模。业务的特征考察则多为该业务的到达时间分布和业务发生持续时间分布。 我们以最具代表性的话音业务、h t t p 业务和f t p 业务为例，说明单业务发生模 型的一般分析方法。具体模型的参数数值在不同网络不同场景下有所不同。 2 1 1 话音业务 截至目前，传统话音业务在移动通信中仍然占据重要的地位。话音业务通常 的建模方法是将发起呼叫的过程描述为一个服从参数为兄的泊松过程，呼叫持续 的时间描述为一个服从参数为的指数分布。 在某一次发起呼叫后的呼叫持续时间之内，带有语音活动检测v a d ( v o i c e a c t i v i t yd e t e c t i o n ) 的语音业务的数据输出状态可以用多状态m a r k o v 链来描述， 如图2 1 所示：如果支持快速语音动态检测，则语音活动可以建模为以一个三状 态的m a r k o v 链，三个状态分别为：t a l k i n g ，s i l e n t ，m i n i g a p ；否则为二状态m a r k o v 链，状态分别为t a l k i n g ，s i l e m 。 图2 1 语音业务状态图 1 一， 所有的语音静默和活动的持续时间都是服从指数分布的，仅均值不同。文献 3 给出：二状态m o r k o v 链中，t a l k i n g 的均值为i s ，s i l e n t 的均值为1 3 5 s ： 三状态m a r k o v 链中，t a l k i n g 均值为o 2 7 5 s ，s i l e n tm i n i g a p 均值为0 0 5 0 s ， s i l e n tg a p 均值与两状态相同，为1 3 5 s ；语音速率为3 2 k b p s ，时延门限为3 2 m s 。 2 2 2h t t p 业务 h t t p 业务的基本模型如图2 2 所示。假设当阅读时间中止后，用户立即发 出新的网页请求，周而复始。这个模型给出了激活( o n ) 和休眠( o f f ) 两个 状态，激活状态对应网页请求和数据下载的过程，休眠状态对应所有对象下载完 l o 第二章业务模型与无线资源管理 毕到下一个请求发出之间的过程【4 】。 逍墨瞄囊蚕蓑鹾 广l 弋厂一i 图2 2h t t p 业务的会话过程 表2 1 采用了三层的结构来描述：会话( s e s s i o n ) 、分组呼叫( p a c k e tc a l l ) 、 分组( p a c k e t ) 。一次会话由o n o f f 阶段代表网页的下载时间和阅读时间。一 个分组呼叫( p a c k e tc a l l ) 对应用户发出一次网页请求然后浏览整个网页的过程， 其中，每个分组呼叫又分为主对象和内嵌对象，主对象和第一个内嵌对象之间的 时间间隔称为网页的解析时间。一个分组呼叫由许多个分组( p a c k e t ) 组成。 表2 1h 丌p 业务建模 组成分布概率函数 一页网页中主对象的大小( s m ) 对数正态分布厶= 志唧 掣卜 盯= 1 3 7 ，= 8 3 5 一页网页中内嵌对象的大小( s e ) 对数正态分布厶= 志唧 掣卜 盯= 2 3 6 ，t = 6 1 7 j 工o ：k 7 a + l ，叔 一，则 更新该业务的资源= + 1 ，= 一1 。 c ) 循环该步骤，直到该业务的资源请求得到满足或者b ) 中的比较条件不 满足。 其他业务的资源分配过程如下： a ) 比较系统的剩余可分配资源班删和鸭嘲的大小。如果m 删，嘲，分配 资源礁，嗍给该业务。否则，将分配给该业务。进入下面的资源竞争 算法。 b ) 找到减少一个单位的资源，u 。一值最小的, l k g - ：，= a r g m i n ( a u s ，一) ， 更新该业务的资源一= 一1 ，更新此次调整后总效用减少的值 a u _ = n + ，一。循环该步骤，直到该业务的资源请求得到满足。 c )比较该业务带来的效用增加值q ( 他) 与a u 的大小，如果系统总效用增 加则允许该业务接入，更新其它业务的资源。否则，将其请求的资源数 目减去1 回到b ) 步骤循环。 4 l 第四章基于效用的无线资源分配 图4 4 背景类业务的资源分配过程 图4 5 其它类业务的资源分配过程 4 2 第四章基于效用的无线资源分配 背景类业务和其它业务的到达采用不同的处理流程，其原因在于，采用图 4 5 中的处理流程时，后到达的业务能够挤占已经接入的可降低资源服务业务的 资源，使得后接入的业务反而能够优先获得请求的资源数目。这对于其它有着较 强时延要求的业务是适合的。对于背景类业务而言，后接入的业务不应该超过已 经接入的同类业务的资源，所以采用了每次只竞争一个单位的资源的做法，从而 保证了背景类业务之间获得资源的公平性。 如果业务终端用户处的资源需求发生改变或者是用户的信道状态发生变化， 这时，已经该业务向资源分配模块请求的资源也会相应的发生变化。此时，需要 调整系统中业务的资源。如果新资源请求m ，。 所。时，需要对该业务追加资 源。追加资源的处理与新到该业务的处理流程相同。在m 。 流类 交互类 背景类。 旺 较 固 图4 9 用户逐渐增加条件下的效用对比 4 5 第四章基于效用的无线资源分配 月o n 围4 1 0 被允许接入的各类业务的平均资源比例 图4 l l 新到达业务的资源比例 仿真结果如图4 9 、图41 0 、图41 1 所示。在用户数目逐渐增加的条件下， u r d a 方案的效用值始终是优于按业务等级分配资源的方案的总效用值的。这是 因为在u r d a 方案中，已经接八的业务接受了降低资源的服务，从这些已经接 入的业务处剥夺得到的资源被分配给新到达的业务。图41 0 中可以看出，己经 接入的会话类业务的资源是没有被削减的，其它三种业务的资源都有不同程度的 削减。流类业务得到的资源始终在其请求资源的一半以上，交互类和背景类业务 第四章基于效用的无线资源分配 的平均资源比例比较低，这是由它们的效用函数的形状决定的。从图4 1 1 可以 看到，如果用户数目增加到一定程度，则流类业务首先被中止，新到达的业务挤 占了被中止的业务的资源。 仿真二： 参数的设置，与仿真一中基本相同。与仿真一不同的是，仿真中可供分配的 总资源设为1 0m b p s 。为了分析u r d a 算法的实时性能，用户的到达不再是一个 接一个的，而是以泊松过程到达和离开网络。仿真中，用户在系统中的停留时间 为正态分布，平均停留时间设置为6 0 s 。 我们在到达率为l 时进行分析。从图4 1 2 中可以发现u r d a 算法的实时总 效用值得到了明显的提高，系统资源的利用更加优化。图4 ，1 3 是到达率为1 时， 各种类别的业务实时得到的资源占其资源请求的比例。可以发现，语音类的业务 由于