（通信与信息系统专业论文）多速率可变比特率业务背景下数据业务的服务质量研究.pdf

多速率可变比特率业务背景下数据业务的服务质量研究 摘要 当今社会发展所催生的新业务使得通信网络的通信信息量飞速增加。由于通 信量和新业务的增长速度太快，网络性能方面的研究跟不上网络业务的发展，导 致网络优化工作的艰难及规划的不合理。因此，加强宽带综合业务网络的性能研 究，有效利用既定的网络条件为各种业务服务至关重要。 随着现代通信网络的发展，宽带网络承载的业务不断丰富，除了尽力而为数 据业务之外，还包括各种实时业务。多速率实时业务的丢包率和尽力而为业务的 平均延时是体现宽带综合业务网络性能的重要参数，是决定用户服务质量的重要 环节，对其进行研究具有重要意义。 长期以来研究实时业务采用恒定比特率( c b r ，c o n s t a n tb i tr a t e ) 业务模型。 而实践证明，诸如话音、视频等实时业务传输过程中的速率是可变的，传统c b r 业务模型不足以精确地表示速率可变的实时业务，不能有效地利用网络有限的带 宽资源。因此，速率可变的实时业务应采用可变比特率( v b r ，v a r i a b l eb i tr a t e ) 业务模型。本文采用了流行的o n o f f 模型简单有效地描述实时v b r 业务的统计 特性，对多速率实时v b r 业务与尽力而为业务复用系统的性能进行了研究，在优 先处理实时v b r 业务分组的基础上，利用系统瞬时剩余容量处理尽力而为业务。 通过对该综合业务排队系统的分析，推导出系统平均剩余容量、实时v b r 业务丢 包率及尽力而为业务平均延时的定量解析式，并利用离散事件的时间步长仿真法 进行系统仿真，验证了理论公式的正确性。通过对仿真结果的观察进一步分析了 系统负荷的变化对丢包率的影响，得出了丢包率并非随负荷增加而单调增加的新 结论。在研究宽带综合业务系统性能上迈出了新的一步。 短消息业务作为典型的尽力而为业务之一，其应用非常广泛。而现有的g s m 网络不能很好解决其延时问题。本文探讨了短消息的传输机制，分析其延时原因， 结合g p r s 网络提出短消息传输流程的改善方案。 关键词：综合业务；实时v b r 业务；尽力而为业务；短消息业务；丢包率；延时； i l a b s t r a c t t o d a y ，n e ws e r v i c e sl i k ed a t aa n dv i d e os p u r r e db ys o c i a ld e v e l o p m e n th a v e b e e nm a k i n gt h er a p i di n c r e a s eo ft h et r a 伍ci nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b e c a u s e o ft h et r a m ca n dn e ws e r v i c eg r o w i n gt o of a s t ，t h e s t u d yo np e r f o n l l a n c eo ft h e b r o a d b a n dn e t w o r kc a nn o tf o l l o wt h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ks e i c e ，i ti sh a r d t oo p t i m i z et h eb r o a d b a n dn e t w o r ka n df i n dar e a s o n a b l ep r o g r a m m i n gp r o j e c t s oi t l sq u l t el m p o r t a n tt o s t r e n g t h e nt h ep e r f - 0 m a n c er e s e a r c ha n de f f e c t i v e l vu t i l i z et h e e x i s t i n gn e t w o r kc o n d i t i o nt os u p p o ni n t e g r a t e ds e r y i c e s t h em o d e r nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k lc a nb e a rv a r i o u ss e r v i c e s i n c l u d i n gb e s t e f f b r ts e r v i c e sa n dr e a l t i m es e r v i c e s t h ec e l l1 0 s sp r o b a b i l i t yo ft h em u l t i r a t er e a l t i m es e n ，i c ea n dt h ea v e r a g ed e l a yo ft h eb e s te f f o r ts e r v i c ea r et h em o s ti m p o r t a n t p e r t o n n a n c ep a r a m e t e r sa n dt h e yc a nd e t e m i n et h eq u a l i t yo fs e r v i c ei nb r o a d b a n d i n t e g r a t e dn e t w o r k s s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h e s ep a r a m e t e r s g e n e r a l l y t h ec b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) s e r v i c em o d e lh a sb e e nu s e dt os t u d vr e a l t i m es e r v i c e s h o w e v e r ，i ti sp r o v e dt h a tt h et r a n s m i s s i o nr a t eo fm a n yr e a l t i m e s e r v i c e s1 i k ev o i c ea n dv i d e oi s v a r i a l b l e ；t h ec b rm o d e lc a nn o td e s c r i b et h e m a c c u r a t e l ya n dc a nn o tu t i l i z et h el “f 1 1 i t e dn e t w o r kb a n d w i d t he f 诧c t i v e l v s ot h er e a l t i m es e r v i c ew i t hv a r i a b l er a t es h o u l db ed e s c r i b e da st h ev b r ( v a r i a b l eb i tr a t e l s e r y i c em o d e l t h ep a p e rh a sc h o s e nt h e t y p i c a lo n o f fm o d e lt od e s c r i b et h e s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr e a lt i m ev b r s e r v i c e s ，s t u d i e dt h ep e r f o 珊a n c eo nt h e m u l t i p l e xs y s t e mo fm u l t i - r a t er e a lt i m ev b rs e r v i c e sa n db e s te f f o r ts e r v i c e a ta n v m o m e n t ，r e a lt i m ec e l l sh a v et h ea d v a n t a g e0 v e rb e s te f f o nd a t ap a c k e t s ，a n dt h e s e d a t ap a c k e t sc a nb eb u f f b r e da n dt r a n s m i t t e d b yu t 订i z i n gt h em o m e n tr e s i d u a l c a p a c i t y t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ei n t e g r a t e ds e r v i c eq u e u i n g ，t h i s p a p e rh a se d u c e dc o m p u t a t i o nf o m u l a so ft h ea v e r a g er e s i d u a lc a p a c i t y ；c e l ll o s s p r o b a b i l i t ya n da v e r a g ep a c k e td e l a y b yd i s c r e t ei n t e r v a ls i m u l a t i o n ，i ti sp r o v e dt h a t t h ef o 册u l a sa r ec o r r e c t a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec e l l l o s sp r o b a b i l i t ya n dt h es y s t e ml o a d ，an e w c o n c l u s i o nt h a tt h ec e 1 0 s sp r o b a b 订i t yi s n o tam o n o t o n i cf u n c t i o no ft h ec a l ll e v e ll o a di so b t a i n e d t h e s er e s e a r c h e sh a v e m a d ean e wp r o g r e s si nt h ep e r f o m a n c e s t u d yo fb r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e s y s t e m a so n eo ft y p i c a lb e s te f f b r ts e r v i c e s ，t h ea p p l i c a t i o no fs h o r tm e s s a g es e r v i c ei s l i i 多速率可变比特苹业务背景下数据业务的服务质量研究 v e r ye x t e n s i v e h o w e v e r ，t h ed e l a yp r o b l e mc a nn o tb ew e l ls 0 1 v e di ng s m t h i s p a p e rh a sd i s c u s s e dt h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fs h o r tm e s s a g es e r v i c e ，a n a l y z e d t h ed e l a yr e a s o n sa n ds u g g e s t e da ni m p r o v e dt r a n s m i s s i o ns t r a t e g yu t i l i z i n gg p r s k e yw o r d s ：i n t e g r a t e ds e r v i c e ；r e a lt i m ev b rs e r v i c e ；b e s te f f o ns e r v i c e ；s h o r t m e s s a g es e r v i c e ；c e l ll o s sp r o b a b i l i t y ；d e l a y ； 硕1 ：学位论文 插图索引 图2 1a t m 复用9 图2 2s m s 网络结构l4 图2 3s m m t 传输流程1 4 图2 4s m m o 传输流程1 5 图2 5p o i s s o n 到达过程示意图2 0 图2 6 系统的状态转移概率2 l 图3 1o n o f f 排队模型2 4 图3 2o n o f f 业务源模型2 4 图3 3 平均剩余容量与物理容量的关系3 0 图3 4 丢包率与物理容量的关系3 1 图3 5 平均延时与物理容量的关系3 1 图3 6 丢包率与第二类实时v b r 业务负荷的关系3 2 图3 7 丢包率与第一类实时v b r 业务负荷的关系3 3 图4 1g p r s 网络结构3 6 图4 2g p r s 路由建立过程3 6 v i i 多速率町变比特牢业务背景下数据业务的服务质量研究 附表索引 表3 1 理论值与仿真值的相对误差3 2 表4 1 短消息提交字段语法3 8 表4 2h l r 中g p r s 数据信息3 9 v u l 硕上学位论文 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： 审，h 牝i ， - 日期：砌年年月7 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 、不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 受恒 导师签名：童生叶 日期：如地年 日期：硼2 年 年月7日 手月7 日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的来源 本课题得到湖南省自然科学基金( 编号：0 6 j j 2 0 0 3 0 ) 的资助。 1 2 研究的背景及意义 近几年来，网络应用快速增长，现代通信网随着提供的通信业务的发展而不 断发展。早在l9 8 5 年1 月，c c i t t ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p h a n dt e l e p h o n e ) 第18 研究组就成立了专门小组着手研究宽带i s d n ( i n t e g r a t e d s e r v i c ed i 西t a ln e t w o r k ) ，并提出了关于b i s d n 的建设性框架。到1 9 8 9 年，一致 同意采用a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 方式，由此在1 9 9 0 年1 1 月召开的第 1 8 研究组全体会议上通过了关于b i s d n 的i 系列建议草案。同时，有日本专家提 出这样的发展规划：1 9 9 0 1 9 9 2 年建立专用a t m 网络；1 9 9 3 1 9 9 5 年实现用户局 部区域、大城市区域及中继区域的a t m 交换与传输；1 9 9 5 2 0 0 0 年实现n i s d n 到b i s d n 的过渡；2 0 0 0 年以后实现以a t m 为基础的全部b i s d n 。进入9 0 年代后 期，以i n t e m e t 为代表的i p 技术正在电信领域进行着一场深刻的革命，传统电话网 将不可避免地过渡到以i p 为基础的各种技术相互融合的下一代网络。因为i p 的诞 生使电信、计算机、电视三种网络融合成为可能和趋势。 现代通信网除了支持传统的尽力而为数据业务，还要支持话音、视频等多媒 体业务。因此宽带综合业务网络是未来通信网的发展趋势。有效地利用现有网络 条件为综合业务服务，准确地分析并改善综合业务网络的业务服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 是一切相关研究工作的重要基础。宽带网络承载业务极其丰富， 包括各种实时业务以及非实时业务，其分布范围极为广泛，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、会议电话) 、宽带突发型业务( 高速数 据) 等。a t mf o r u m 从流量控制的角度出发，借鉴了i t u 分类标准，将网络承载 业务分为五类：恒定比特率业务( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 、实时可变比特率业 务( r e a lt i m ev a r i a b l eb i tr a t e ，r t v b r ) 、非实时可变比特率业务( n o nr e a lt i m e v a r i a b l eb i tr a t e ，n r t v b r ) 、可利用比特率业务( a v a i l a b l eb i tr a t e ，a b r ) 和未 指定比特率业务( u n s p e c i f i e db i t er a t e ，u b r ) 。后两类都属于尽力而为( b e s t e f f o n ) 数据业务类型。 多速率可变比特率业务背景下数据业务的服务质量研究 由于c b r 业务可视为特殊的v b r 业务，u b r 、a b r 业务几乎都是尽力而为 数据业务，因此，对宽带网络的要求主要是能支持多速率v b r 业务与尽力而为 数据业务。即能支持各种猝发性的通信，要考虑信息丢失敏感的应用和时延敏感 的应用。尽力而为数据业务传输的特点是允许延时，但不能有差错，数据的差错 将导致数据含义的不同，引起错误的结果；图像或视频等v b r 业务传输的特点 是信息量大，实时性高，但允许有少量的差错。必须根据各种业务自身的特性和 q o s 要求，将其合理地统计复用网络信道资源来实现资源的共享和综合业务的混 合传输。由于多速率v b r 业务和尽力而为数据业务的复用系统基本能够代表宽 带综合业务网络，因此对该系统的排队性能及q o s 的研究具有重要意义，是近年 来相关研究领域的热门课题之一。 作为一种典型的尽力而为数据业务，短消息业务( s m s ) 的应用相当广泛。 s m s 作为g s m 通信网提供的主要电信业务，因价格便宜、形式新颖、方便快捷， 赢得了广大手机用户的青睐，被人们称为继报纸、广播、电视、互联网之后的“第 五媒体 。但是由于用户的日益增多和传输网络的限制，在系统高负载下，短消 息会发生阻塞和长时间迟滞，给用户带来不便。如何最大可能地降低短消息拥塞 的可能性，保证短消息系统的正常运行并维持较好的性能已成为移动通信中需要 解决的重要问题。 1 3 研究的现状 所谓网络性能，是指一个网络可被定义、被测量及被控制以达到满意的业务 质量的特征。服务质量( q o s ) 是指满足特定需求的一系列固有特性的程度，能 够决定用户使用该种业务满意程度的业务性能的综合结果。服务质量从用户对业 务的实际使用感受出发，描述业务的使用性能。而网络性能是从运营者角度制定 的衡量网络实际运行状况的参数指标体系。 参与制订网络性能参数的组织或机构有：i n t e r n e t 工程任务组( i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，i e t f ) 的i p p m ( i pp e r f o m a n c em e t r i c s ) ，b m w g ( b e n c h m a r k i n gm e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) ，i t u - ts g l 2 ，s g l 3 等，此外i e t f 的 p s a m p ( p a c k e ts a m p l i n g ) 和i p f i xu p fl o wi n f o m a t i o ne x p o r t 也定义了有关的参 数，i e t f ip p m 制定了i p 性能度量的框架。文献乜1 分别从测量的内容、协议层次 和测试范畴对网络性能参数进行了分类。i p 网络是由节点、链路，运行于其上的 协议以及各种应用组成，这里按照测量对象可以将性能参数分为以下几类： ( 1 ) 节点性能参数指标 网络节点是指网络互连设备，包括各协议层的网络连接设备，例如网络层的 路由器、传输层应用层的主机设备等。节点性能参数包括： 吞吐量：单位时间内传送通过网络中给定点的数据量。 2 硕j ：学位论文 转发率：单位时间内转发的数据分组帧的数量。 丢弃数：在一段时间内网络传输及处理中丢失或出错的信息分组帧数。 丢弃率：分组帧丢弃数与总分组帧数的比率。 节点处理时延：数据分组帧进入节点到离开节点的时延。 ( 2 ) 链路性能参数 网络链路是指连接两个相邻的同层网络节点的物理或逻辑链路网络节点，可 以是物理层、数据链路层、网络层或传输层端到端应用层的网络连接设备。网络 链路指标包括： 带宽：单位时间内所能传送的比特数，包括链路的可用带宽和容量。 信道利用率：一段时间内信道处在占用状态的时间与总观察时间的比值。 带宽利用率：实际使用的带宽与链路容量的比率。 链路帧传输延时：包括在链路上的传播时延和末端节点的排队时延之和口1 。 ( 3 ) 端到端性能参数 端到端路径指标包括一条端到端网络路径上所对应的协议层次上的性能参 数。包括： 瓶颈带宽：端到端路径上的最大带宽( 容量) 。 可用带宽：端到端可用带宽是指一条端到端路径在不降低竞争业务吞吐率的 前提下能给一个新的流提供的最大吞吐率，即最大剩余带宽。 时延：数据分组在网络中传输的延时时间( 包括单向时延和往返时延) 。 时延抖动：连续的数据分组传输延时的变化。 大批量传输容量：网络传输具有拥塞意识的单个连接能传输的最大数据速。 分组丢弃率：端到端路径上分组丢弃的比率h 1 。 ( 4 ) 网络性能参数 网络性能参数包括网络边界上入、出端点对之间的性能参数和网络整体所体 现的性能参数。两个端点之间的性能参数是网络的基本性能参数，通过对这些基 本参数进行综合分析、计算，可得出网络整体的性能参数，例如，网络吞吐量、 网络分组丢弃率、网络互连通性等1 。 网络性能分析的方法，主要有计算机仿真和理论分析两种。仿真方法实现起 来比较简单，而且能直观的观察到网络性能的变化情况，适用于对网络性能作定 性分析，其缺点是缺乏明确的数学表达式。理论分析则是运用排队论等原理分析 网络性能。其主要分析方法是建立排队模型，运用大偏差理论推导主要性能参数 的数学表达式。一般进行宽带综合业务的性能分析需要结合以上两种方法。 目前对支持v b r 业务和尽力而为数据业务的宽带综合业务网络模型及其性 能的研究是计算机通信网理论和相关技术领域面临的重要挑战之一。国内外研究 人员围绕相关课题展开了大量研究，也涉及到短消息数据业务的拥塞延时问题。 多速率可变比特率业务背景下数据业务的服务质量研究 ( 1 ) v b r 业务背景下a b r 业务的q o s 。 1 9 9 5 年，以美国o h i o 州立大学的r a ij a i n 教授为首的研究小组，开始研究v b r 业务背景下a b r 业务的性能，此时，网络信道对于a b r 是动态变化的。通过研究 发现，以固定信道为基础设计的a b r 控制参数在动态信道时并不理想，并据此对 a t m 业务管理标准文本( t r a m cm a n a g e m e n t ) 进行了多处修改阳呻1 。但是，文献抽咱1 都假定v b r 业务是周期性的o n o f f 源，o n ( o f f ) 持续时间皆为2 m s 。这和实际的 v b r 业务模型相差甚远，迄今比较常用的o n o f f 模型的o n ( o f f ) 长度满足指数分 布。又研究发现，多数t c p 、f t p 的分组到达间隔及分组长度满足p a r e t o 分布阳1 。 这三类o n o f f 模型在统计意义上有根本性差异：周期性的o n o f f 源属于轻尾巴 分布( 1 i g h t t a i l e d ) ，o n ( o f f ) 持续的时间越长，它将继续持续的时间越短。指数分 布的o n o f f 模型属于中度尾巴分布( m e d i u m t a i l e d ) ，o n ( o f f ) 继续持续的时间长 短与已持续的时间长短无关。p a r e t o 分布属于重尾巴分布( h e a v y t a i l e d ) ，o n ( o f f ) 已持续的时间越长，它将继续持续的时间越长。文献n 们比较研究了上述三种不同 分布的o n o f f 源对a b r 业务性能的影响，发现p a r e t o 分布的o n o f f 源对a b r 业 务的性能影响最大。为了为交换机设计中a b r 流量控制算法的选取提供理论依 据，文献1 用仿真方法研究了a b r 流量控制算法在自相似v b r 业务环境下的动态 特性，较为准确地评价了a b r 流量控制算法在真实网络中的性能。 ( 2 ) v b r 视频业务的统计特性。 v b r 视频业务已有不少研究。文献n 2 3 对m p e g 编码下的视频业务每帧所含 信元数的建模是间接实现的，文献n 钉给出了一种能够直接对该类业务每帧信元数 进行建模的基于扩展自相似过程的业务模型，该业务模型可以很好地反映这类视 频业务的统计特性。文献n 们建立了两个流体流视频业务复用模型，研究v b r m p e g 一2 业务在a t m 交换机和接入系统复用器中的统计特性，对其信元丢失率 和传输延时特性进行了定性分析并得到重要结论，同时讨论了业务源参数、缓冲 器容量、业务强度与信元丢失率和传输延时之间的关系。多重分形为描述复杂业 务量的局部结构提供了数学上的形式体系，用多重分形的方法估计v b r 视频业 务的自相似性、长相关性和突发性，并对其建模的研究已经取得了一些进展5 。1 7 】。 文献n 叫在自相似过程的基础上，提出一种简单的视频业务新模型，其特性可以很 好地匹配众多实际v b r 业务的一、二阶统计特征，很好地反映实际视频业务的 排队性能。 ( 3 ) 尽力而为数据业务的q o s 。 从改善w l a n 的尽力而为业务为出发点，文献n 们通过对i e e e 8 0 2 1 l x 中d c f ( 分布式协调功能) 、p c f ( 点协调功能) 以及e d c f ( 增强的分布式协调功能) 中三种尽力而为服务机制的分析，提出一种动态优先权分组调度算法，既能保证 高等级业务的服务质量，又能最大可能地降低数据业务的接入时延，加大吞吐量， 4 硕十学位论文 提高相对公平性。文献研究了宽带综合业务网络中多速率c b r 业务背景下尽力 而为数据业务的服务质量，计算出该系统的平均剩余容量和尽力而为业务的平均 延时。 文献心提出基于信道门限阈值的无线多媒体网络的接入控制机制。该网络中 有语音和数据两种业务，它们被设置了相应的门限值。对于数据业务，如果没有 空闲信道，就将数据缓存而不是丢弃；对于语音业务，如果没有可以利用的空闲 信道，则拒绝此次呼叫，即阻塞呼叫，或者抢占正在处理的数据业务的信道资源， 数据业务进入缓存等待。研究证明，新语音呼叫的损失概率只受设定的阈值影响， 而切换语音呼损率则比较复杂：当采用阻塞策略时，呼损率因缓存的增加而略有 增加；当采用抢占方法时，切换呼损率因缓存的增加显著减小。基于以上结论可 以根据要求的呼损率估算合适的门限阈值和缓存大小。文献乜2 1 对综合了语音和数 据业务的c d m a 系统进行了性能分析，信道资源共享，允许系统动态地分配附加 信道给数据业务以增加吞吐量，用到达率和平均长度描述数据包。数据业务的服 务质量性能通过简单的生灭马尔可夫( m a r k o v ) 过程予以估算并进行了计算机仿 真验证。文献乜3 1 兼顾了无线多媒体网络的连接级和分组级的服务质量，介绍了便 于实现的动态呼叫接入控制( c a c ) 方案，能够适应实时系统的发展。通过仿真 展示了该方案适用于现有无线多媒体网的良好性能。 关于无线局域网( w l a n ) 性能方面，文献他4 。2 铂分析了i e e e8 0 2 1 1 协议性能， 重点考虑了分布协调功能基本接入机制的能力。文献乜6 吨叫详细研究了i e e e8 0 2 1 1 协议的吞吐量和时延性能，分析集中在数据业务的传输上面。文献心们分析了i e e e 8 0 2 1 1 对语音业务的支持能力，并通过仿真给出了确定性的结果。文献口0 。3 采用 双优先级的m g 1 非强插排队模型，忽略应答对信道的影响，对无线局域网中数 话同传性能进行了理论推导和仿真研究。文献阳2 q 5 1 研究了w l a n 对时延受限业务 的支持能力。 移动蜂窝系统中的短消息数据业务的发展非常迅速，甚至超过了i n t e m e t 上 e m a i l 的发展速度。s m s 具有突发性和短小的特点，通过信令信道传输，在高负 荷条件下会阻塞信令信道。有人提出一种被称为l a m a c a ( l o a d a d a p t i v e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 的接入协议来实现蜂窝网络中短消息 的有效传输6 1 。l a m a c a 协议比当时无线网络的接入协议更为稳定、有效。冲 突避免( c o l l i s i o n f r e e ) 协议使用r t s ( r e q u e s tt os e n d ) c t s ( c l e a rt os e n d ) 机制，适用于数据包较长、上行链路利用充分的情况，当数据包具有突发、短小 的特点时，l a m a c a 优于r t s c t s 。 不同的寻呼和重传机制下，s m s 的可靠性( 一条短消息成功递交的概率) 和 延时性能也会不同。应保证s m s 对信道容量的影响足够小以避免加重信道负荷。 特定的重传机制能被用来增强s m s 传输的可靠性，而不同的重传机制有不同的延 多速率司变比特率业务背景f 数据业务的服务质量研究 时性能，因此通过全面的性能分析设计一个良好的重传机制非常重要。文献口”基 于以上因素通过概率分析得出不同重传机制下短消息传输可靠性和延时的定量解 析式并予以分析比较。 随着s m s 的迅猛发展，短消息中心( s m s c ) 的性能问题也逐渐浮出水面。 在系统高负载，甚至超载下怎样保证短消息中心较好的性能成为了引人注目的焦 点。文献盯针对s m s c 原有的按时重发策略在系统高负载时容易因为重发造成系 统超载的缺点，提出了一种新的具有负载适应性的短消息重发策略。该策略通过 将系统的首次下发短消息与重发短消息的下发流量进行错峰，将系统下发流量控 制在系统设置的阀值之内；在接近系统处理能力的高负载环境下可以有效减少拥 塞的发生，从而提高短消息中心在高负载下的可靠性与性能。 宽带综合业务网络的性能分析是极其复杂的，有待相关研究人员进行更为深 入的探讨研究。 1 4 本文的研究工作及章节安排 本文主要研究多速率v b r 业务与尽力而为数据业务复用系统的性能。推导 出系统平均剩余容量和实时v b r 业务分组丢包率的定量解析式，再通过构造 m m 1 排队系统求得尽力而为业务数据包的平均延时。同时将得出的理论公式与 模型仿真得出的结果进行比较，验证了公式的正确性，并得到关于实时v b r 业 务分组丢包率的新的结论。 另外，探讨了尽力而为业务中的短消息数据业务的拥塞延时问题。利用 g s m g p r s 网络，提出一种提高短消息传输效率的可行方案，改善其服务质量。 本文大体结构如下： 第一章介绍了宽带多速率v b r 业务混合尽力而为数据业务系统研究的意义 和现状，给出了论文的主要研究内容以及结构安排。 第二章介绍了多速率v b r 与尽力而为数据业务系统的相关理论。首先对宽 带综合业务网络进行了简要的描述，然后阐述了v b r 业务与尽力而为数据业务 的服务质量要求及其应用，分析了尽力而为业务中的短消息业务的传输机制和延 时原因，最后详细介绍了综合业务系统的一些经典的排队分析方法。 第三章对多速率实时v b r 业务和尽力而为业务复用系统的性能进行了分析， 给出了主要q o s 参数的计算公式。运用离散事件的时间步长仿真法对复用系统模 型进行仿真，通过仿真结果与理论结果的比较验证了理论公式的正确性，并分析 了仿真结果。 第四章对g p r s ( 通用分组无线业务) 网络的短消息数据传输进行了分析， 提出了一种基于g s m g p r s 的新的传输方案，以降低短消息业务出现拥塞的可能 性，提高其传输效率。 6 硕士学位论文 最后是对本文的总结及对今后工作的展望。 7 多速率可变比特率业务背景下数据业务的服务质量研究 第2 章v b r 与尽力而为业务系统理论基础 2 1 引言 随着社会各领域的不断发展，人们对通信的要求也越来越高。传统的单一语 音通信已经不能满足人们的需求，逐步发展到数据通信，特别是近年来随着多媒 体技术的出现、i n t e m e t 的迅猛发展，高速计算机联网、远程教育、视频点播( v o d ) 等得到越来越广泛的普及和应用，激发了用户对宽带业务日益迫切的需求，这些 需求归根到底是要求现代通信网络具有更宽的网络带宽、更高的传输速率和更低 的延时。 现代通信网络是一种宽带综合业务网络，其承载业务大体由多速率v b r 业 务与尽力而为数据业务组成。本章主要介绍多速率v b r 流与尽力而为数据业务 系统的相关理论：首先介绍了宽带综合业务网络的概念，然后阐述了v b r 业务 与尽力而为业务的服务质量要求及其应用，分析了尽力而为业务中的短消息业务 的传输流程及延时问题，最后介绍了复用系统的一些经典的排队分析方法。 2 2 宽带综合业务网络概述 2 2 1 宽带综合业务网络定义 宽带网络口钉的兴起给传统的网络带来了巨大的变革，可以说，宽带在通信、 商务、娱乐等领域催生了一个庞大的新的发展空间和美好前景。 宽带目前还没有一个公认的定义。从一般的角度理解，宽带是能够满足人们 感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽，因此它也是一个动态、 发展的概念。目前的宽带对家庭用户而言是指传输速率超过1 m ，可以满足语音、 图像等大量信息传递的需求。通俗地讲，宽带是相对传统拨号上网而言，尽管目 前没有统一标准规定宽带的带宽应达到多少，但依据大众习惯和网络多媒体数据 流量考虑，网络的数据传输速率至少应达到2 5 6 k b p s 才能称之为宽带，其最大优 势是带宽远远超过5 6 k b p s 拨号上网方式。 宽带网络具有如下特点： ( 1 ) 传输速率高 每个用户的最大速率都远远大于5 6 k b p s ，现在般提供百兆到大楼，十兆到 桌面的高速接入。这样，解决了全网及用户端的网络带宽瓶颈，有效地保证了图 像、声音、数据传送的清晰度和连贯性，无论是通过电子邮件收发大型文件还是 硕十学位论文 下载图像或软件均可在瞬间完成。 ( 2 ) 费用相对低 一方面高速的连接节约了大量上网等待时间，使上网费用大大降低。另一方 面，宽带接入技术都不通过传统的电话交换网络，不存在占用电话线的问题，无 需缴纳电话费，进一步减少了用户的上网费用。 ( 3 ) 能支撑各种多媒体业务 宽带网络连接使得视频点播、远程教育、视频电话、网上娱乐等深层次应用 成为可能，极大地丰富了互联网的应用。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。 所谓统计复用就是根据各种业务的统计特性，在保证q o s 的前提下，在各业 务间动态地分配网络资源，以达到最佳的资源利用率。如图2 1 所示，用户d 、c 、 a 的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上，而用户b 因为此时没有数据，故不 占用输出线路的带宽资源。 迈四霜 圜口口口d a t m 复用 口圈囹c 。1 l 口口口b - 圃口口a -i 。 - - “时隙”号 图2 1a t m 复用 2 2 2 宽带业务类型 宽带业务的形式是多种多样的，i t u 和a t mf o r u m 从不同的角度对业务进行 了分类。 从媒体角度来看，一种业务可能由视频( v i d e o ) 、图像( i m a g e ) 、音频( a u d i o ) 、 数据( d a t “t e x t ) 多种媒体组成，不同媒体有不同的统计特性，对网络的要求也 有很大的差别。 从具体业务形式和应用上，i t u 将宽带业务分为两大类：交互型业务和分配 型业务。其中，交互型业务又可分为会话型业务、消息型业务、检索型业务，分 配型业务又可分为不由用户控制的分配型业务和由用户控制的分配型业务。会话 型业务是一种实时双向通信业务，通信双方的地位是相等的，都以主动的方式加 入会话，典型业务有：会议电视，电话业务，多媒体会议中的图像交互，计算机 9 多速率可变比特率业务背景下数据业务的服务质量研究 网络的互联等。消息型业务是一种不要求实时性的业务，往往经过存储转发或消 息处理，可以是单向或双向的。典型业务有：高速传真，e m a i l 以及各种文件传送 业务。检索型业务是一种双向通信业务，通信的一方是主动的，而另一方只是根 据检索命令将对方需要的信息传送过去。对实时性的要求介于会话型和消息型之 间，不要求有严格的定时关系，但也不允许过长的响应时间。典型业务有：高清 晰度的医疗图像检索、宽带可视图文、视频点播、文件检索及各种查询业务。分 配型业务一种点到多点的广播业务，基本特征是接收方只能被动地接收。对于用 户不能控制的分配型业务，信息总是连续地传送，不同用户在不同的时间接入就 会接收不同的内容，信息的开始和结束都不受用户的控制，典型业务有高清晰度 电视等。可由用户控制的分配型业务中，信息是循环播放的，典型业务有电视图 文广播、远程教学等。 由于网络并不关心业务的具体形式，只需知道它对各种业务要提供怎样的承 载能力，a t mf o r u m 从流量控制的角度出发，借鉴了i t u 分类标准，将网络承载 业务分为五类：恒定比特率业务( c o n s t a n tb i tr a t e c b r ) 、实时可变比特率业 务( r e a lt i m ev a “a b l eb i tr a t e ，r t v b r ) 、非实时可变比特率业务( n o nr e a lt i m e v a r i a b l eb i tr a t e ，n r t v b r ) 、可利用比特率业务( a v a i l a b l eb i tr a t e ，a b r ) 和未 指定比特率业务( u n s p e c i f i e db i t er a t e ，u b r ) 。其中，c b r 业务可看成一种特殊 的v b r 业务，c b r 、v b r 业务属于确保型业务，在网络中享有高优先级；而a b r 和u b r 业务都属于尽力而为业务类型。网络主要用于传输c b r 、v b r 业务，允许 u b r 、a b r 业务在确保型业务服务后仍有资源剩余的情况下才能被服务。这正是 后文研究的立足点。 五类宽带承载业务可以从两个方面来区分h0 1 。从业务特性上区分，如峰值信 元速率( p c r ) 、可维持信元速率( s c r ) 、最小信元速率( m c r ) 、最大突发长度 ( m b s ) ，它们描述业务本身的流量特性，又称为源流量参数；另一些业务特性 参数并不表示业务本身的流量，而是体现业务对时间特性的要求，如业务所能允 许的信元抖动容限( c d v t ) 等。从业务的a t m 层服务质量上区分，包括峰峰信 元时延抖动( p e a k t o p e a kc d v ) 、最大信元传送时延( m a xc t d ) 、信元丢失率 ( c l r ) 、信元错误率( c e r ) 、严重出错的信元块比例( s e c b r ) 、信元误插入率 ( c m r ) 。 2 3v b r 业务特性 v b r 业务的虚电路传输带宽是可变的。 n v b r 业务的特点是面向连接，比特率可变，通信端点之间存在定时关系。 信源发送