（通信与信息系统专业论文）分组域混合业务高速无线链路的容量估算方法研究.pdf

摘要 摘要 作为无线网络规划的重要组成部分，容量估算具有十分重要的作用。在网络建设之前，可以通过采用 容量估算方法充分估计无线传播环境、系统参数、用户数量和业务类型等因素对系统容量的影响，为无线 网络规划工作提供重要的参考依据。 论文首先分析了高速无线链路技术的主要特点以及分组域业务的主要特性。然后对现有的容量估算方 法进行了归纳总结，探讨了适用于分组域混合业务高速无线链路的容量估算方法及其各自的优缺点。 基于上述分析，提出了一种新的基于m a r k o v 链的点对点分组域高速无线链路容量估算方法。该方法 通过综合考虑a m c 和h a r q 等关键技术的影响并引入离散m a r k o v 调制p o i s s o n 过程( d i s c r e t em a r k o v m o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ，d - m m p p ) 对分组域业务源进行建模，构造了一个基于四维离散时间m a r k o v 链 的容量估算模型，通过该m a r k o v 链模型稳态概率的求解，推导出了吞吐量、时延和分组丢失概率等系统 容量指标的闭式表达。 同时，以h s d p a 系统为例，说明了基于m a r k o v 链的容量估算方法在多用户分组域混合业务高速无线 链路中的应用。其首先采用离散时间m a r k o v 链对h s d p a 系统的业务到达过程和数据处理过程分别进行建 模，然后基于b s 侧发送缓存对这两个m a r k o v 链进行结合以得到容量估算模型，最后采用m o n t ec a r l o 方 法对上述容量估算模型进行分析，在此基础上得到用户和系统的吞吐量、分组时延和分组丢失概率等容量 指标。 通过与仿真结果的比对，所提方法的准确性得到了验证。 关键词；分组域；混合业务；高速无线链路；容量估算；m a r k o v 链；吞吐量；时延；分组丢失概率。 a b s t r a c t a b s t r a c t c a p a c i t yd i m e n s i o n i n gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e i nt h ep r o c e d u r eo fw i r e l e s sn e t w o r k c o n s t r u c t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k , c a p a c i t yd i m e n s i o n i n gm e t h o dc a nb ei m p l e m e n t e dt o p r o p a g a t i o nm o d e l ，s y s t e mp a r a m e t e r s ，n u m b e ro fu s e r sa n ds e r v i c et y p e b a s e d o n d i m e n s i o n i n g , w i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gc a l lb er e a l i z e de f f e c t i v e l y p l a n n i n g b e f o r et h e e v a l u a t et h ee f f e c to f t h e r e s u l to fc a p a c i t y a b o v ea l l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fhj 曲s p e e dw i r e l e s sl i n ka n dp a c k e t - s w i t c h e ds e r v i c e sa l ei n t r o d u c e d t h e n ， p r e v i o u sc a p a c i t yd i m e n s i o n i n gm e t h o d sa r ec a t e g o r i z e da n da n a l y z e d s o m em e t h o d ss u i t a b l ef o rt h ec a p a c i t y d i m e n s i o n i n go f h i g hs p e e dw i r e l e s sl i n kw i t hp a c k e t - s w i t c h e ds e r v i c e sa r ei n v e s t i g a t e db a s e do nt h e i ra d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s o nt h eb a s i so f t h ea b o v ea n a l y s i s ，an o v e lm a r k o vc h a i n - b a s e dm e t h o di sp r o p o s e df o rt h ec a p a c i t yd i m e n s i o n i n g o f p o i n t - t o p o i n th i g hs p e e d w i r e l e s s l i n k w i t h p a c k e t - s w i t c h e ds e r v i c e s b y i n v e s t i g a t i n g t h e j o i n te f f e c t o f a m c a n dh a r qa n dm o d e l i n gt h ep a c k e tm u l t i m e d i at r a f f i cs o u r c ea sad i s c r e t em a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ( d - m m p p ) ，af o u r - d i m e n s i o n a ld i s c r e t et i m em a r k o vc h a i n ( d t m c ) i sp r o p o s e dt oa n a l y z et h es y s t e mb e h a v i o r b a s e do nt h es t a t i o n a r ys t a t ed i s t r i b u t i o no f t h i sm a r k o vc h a i n ，s y s t e mc a p a c i t yi nt e r m so f t h r o u g h p u t ，d e l a ya n d p a c k e tl o s sr a t ei sd e r i v e di nc l o s e d f o r me x p r e s s i o n s a sa l le x a m p l eo f t h ei m p l e m e n t a t i o ni nm i x e dp a c k e t - s w i c h e ds e r v i c e ss c e n a r i o ，am a r k o vc h a i n b a s e dc a p a c i t y d i m e n s i o n i n gm e t h o df o rm u l t i - u s e rh s d p as y s t e mi sa l s op r o p o s e d t h es e r v i c ea r r i v i n gp r o c e s sa n dt h ed a t a p r o c e s s i o np r o c e s sa r em o d e l e db yd t m c ss e p a r a t e l y t h e n ，t h ec a p a c i t yd i m e n s i o n i n gm o d e li sc o n s t r u c t e db y c o n n e c t i n gt h e s et w od t m c sa tt h e b u f f e ro fb s b a s e do nt h em o n t ec a r l oa n a l y s i so ft h i sc a p a c i t y d i m e n s i o n i n gm o d e l ，u s e ra n ds y s t e mc a p a c i t yc a nb eo b t a i n e d t h ea c c u r a c yo f t h ep r o p o s e dm e t h o di sv e r i f i e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：p a c k e t - s w i t c h e d ；m i x e ds e r v i c e s ；hj i g hs p e e dw i r e l e s sl i n k ；c a p a c i t yd i m e n s i o n i n g ；m a r k o v c h a i n ；t h r o u g h p u t ；d e l a y ；p a c k e tl o s sr a t e 1 i t 缩略语 a m c a m p s a r q a t m b e r b s b p s k c s c d f c d m c d m a c r c d m m p p d s c h e d g e d n 肥 f c c f c s f d d f d m a f e c f e r f s m c g p r s g s m h a r q h s c s d h s d p a h s u p a h s d p c c h h s d s c h h s s c c h i p l s 一9 5 l t u i m t i s i l t e m a c m a x c 1 m c s m i m o 缩略语 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d v a n c em o b i l ep h o n es y s t e m a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o n b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c i r c u i ts w i t c h c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s $ c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k d i s c r e t em a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s d o w n l i n ks h a r e dc h a r m e l e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n d i $ c r e t et i m em a r k o vc h a i n f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f a s tc e l ls e l e c t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f r a m ee r r o rr a t e f i n i t es t a t em a r k o vc h a i n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h i 曲s p e e d c i r c u i ts w i t c h e dd a t a h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i g l ls p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e dd e d i c a t e dp h y s i c a ld a t ac h a n n e l h j 曲s p e e dd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l h 幽s p e e ds h a r e dc o n t r o l c h a n n e l i n t e r n e tp r o t o c o l i n t e r i ms t a n d a r d 一9 5 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a x i m u mc a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t e m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 自适应调制编码 先进移动电话系统 自动重传请求 异步传输模式 误比特率 基站 二进制移相键控 电路交换 累积分布函数 码分复用 码分多址 循环冗余校验 离散马尔可夫调制泊松过程 下行链路公用信道 改进数据速率g s m 服务 离散时间马尔可夫链 美国联邦通信委员会 快速小区选择 频分双工 频分多址 前向纠错 误帧率 有限状态马尔可夫链 通用分组无线业务 全球移动通信系统 混合自动重传请求 高速电路交换数据系统 高速下行分组接入 高速上行分组接入 高速专用物理数据信道 高速下行链路公用信道 高速公用控制信道 网际协议 中间标准9 5 系统 国际电信联盟 国际移动通信 码间干扰 长期演进 媒体接入控制 最人载干比 调制编码方式 多输入多输出 东南大学硕士学位论文 m m p p m s n a m t s n m t o f d m p f p s p s t n q a m q o s q p s k p d f r l c r n c r o t r r r r m s f s h o s n r s j n r s i r s r n c s s d t t a c s t d d t d m t d m a t d s c d m a t t i u e u m t s u t r a u t r a n w c d m a m a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s m o b i l es t a t i o n n e ca d v a n c e dm o b i l et e l e p h o n es y s t e m n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e o g h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x p r o p o g i o n a lf a i r p a c k e ts w i t c h p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo f s e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g p r o b a b i l i t yd e n s i t yf a n o i o n r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r i s eo v e rt h e r m a l r o u n dr o b i n r a d i or e s o u r e em a n a g e m e n t s p r e a d i n gf a c t o r s o rh a n d o v e r s i g n a lt on o i s er a t e s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s e r v i c er a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r s i t es e l e c t i o nd i v e “i t yt r a n s m i s s i o n t n a la c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o nc d m a t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l u s e re q u i p m e n t u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e $ s u m t st e r r e s t r i a ir a d i oa e e e s sn e t w o r k w i d e b a n dc d m a v i b 马尔可夫调制泊松过程 移动台 n e c 进步式移动电话系统 北欧移动电话系统 正交频分复用 比例公平 分组交换 公用交换电话网 正交幅度调制 服务质餐 正交相移键控 概率密度函数 无线链路控制 无线网络控制器 噪声增强 轮循 无线资源管理 扩频因子 软切换 信号噪声比 信号干扰噪声比 信号干扰比 服务无线网络控制器 站点选择分集传输 全接入系统 时分双工 时分复用 时分多址 时分同步c d m a 传输时间间隔 用户设备 通用移动通信系统 u m t s 地面无线接入 u m t s 地面无线接入网 宽带c d m a 系统 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：銎i 盎日期：丝塑： ： 旦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 絮：缝： 导师签名：掣日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着2 1 世纪的到来，全球进入信息时代，信息的产生和传递非常迅速，已影响到了社会的各个方面。 经济增长、社会发展和人们物质生活及精神生活水平的提高都对通信提出了更新、更高的要求。移动通信 系统综合利用有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其它移动载体上的对象进行通信 联系的要求，使人类步入了一个崭新的信息时代。 1 1 移动通信系统及高速无线链路 移动通信系统中的蜂窝概念和理论早在1 9 4 7 年就由美国贝尔实验室提出，但直到2 0 世纪7 0 年代， 随着半导体技术等关键技术的成熟，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。1 9 7 9 年美国在芝加哥开通 了第一个a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 模拟蜂窝系统，而北欧也于1 9 8 1 年9 月在瑞典开通了 n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ) 系统。接着欧洲先后在英国开通t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ) 系统，德国开通c 4 5 0 系统等。但由于没有公共接口，这些系统很难开展数据承载业务，频谱利 用率低、安全保密性差，尤其在欧洲，由于不支持漫游，客户之间的通信受到了很大限制。 1 9 9 1 年欧洲开通了第一个采用窄带时分多址t d m a 技术的系统，并命名为g s m ( o l o h ms y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) ，从此移动通信跨入第二代数字移动通信( 2 g ) 时代。g s m 系统标准中对功能和 接口制定了详细规范，各接口都是开放式接口。随着该制式在世界范围的广泛采用，g s m 用户可以在2 0 0 多个国家和地区实现国际漫游。同时，其它一些第二代移动通信系统，如北美的i s 1 3 6 ( da m p s ) 以及 基于码分多址( 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 。c d m a ) 的l s 9 5 、日本的p d c ( p e r s o n a l d i g i t a l c e l l ) 等， 也得到了广泛的应用。 近年来，随着无线数据业务的飞速发展，移动通信网络的承载业务开始呈现出多样性。3 g p p 依据承 载业务对时延的敏感程度不同，定义了四个q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 类别以区分网络中的业务流1 1 1 ，即会 话类、流媒体类、交互类和后台类。其中，交互类和后台类主要用于支持非实时业务的，其对时延性能要 求不高。相比之下，会话类和流媒体类主要用于支持实时业务，其对时延性能的要求较为苛刻。面对业务 特性的这一变化，传统的第二代移动通信系统已渐渐不能满足人们的需求，第三代移动通信系统( 3 g ) 应 运而生。与第二代移动通信系统主要为有效传输话音业务而设计不同，第三代移动通信系统一开始就是为 灵活传递任意类型的业务而设计的。通过该系统提供的高质量图像和视频，使人与人( p t p ) 的通信能力 得到了提高；而第三代系统所带来的更新更灵活的通信能力和更高的数据速率也使得公用网和专用网上的 信息与业务的接入能力大大改善。 为进一步增强系统性能，h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) ，h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n k p a c k e t a c c e s s ) ，c d m a 2 0 0 0l xe v - d o ( d a t ao n l y ) 、e v - d v ( d a t a & v o i c e ) ，l t e ( l o n gt e r me v o l m i o n ) 等高速无线链路技术被相应地提出。例如，对于h s d p a 系统b 1 ，其新增了高速下行共享信道( h s d s c h ) ， 采用较短的传输时间间隔( t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ，t t l ，2 m s ) ，同时使用多码道( m u l t i c o d e ) 进行时分 复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 数据通信，能够支持高达1 0 m b i t s ( 理论峰值1 4 4 m b i t s ) 的数 据传输速率。 高速无线链路的关键技术种类繁多，且在不同系统中的使用情况有所不同，如h s d p a 主要采用了自 适应调制编码( a d a p t i v em o d u l m i o na n dc o d i n g ，a m c ) 、混合自动重传请求( h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ，h a r q ) 、快速调度( f a s ts c h e d u l i n g ) 、快速小区选择( f a s tc e l ls e l e c t i o n f c s ) 等关键技术i “， 而h s u p a 则主要采用h a r q 、链路自适应、f a s ts c h e d u l i n g 、软切换等关键技术j 。在这些关键技术中， 应用最为广泛的主要是a m c 、h a r q 和f a s ts c h e d u l i n g 三种，它们几乎被所有现有的高速无线链路系统 所采用，以下将着重对其进行研究。 ( 1 ) a m c a m c 技术的基本原理是根据信道情况来确定合适的凋制编码方式，以最人限度的发送数据信息，实 东南大学硕士学位论文 现高的传输速率。由于该技术根据用户信道质量反馈动态地调整调制编码方案，因而可以获得较高的传输 速率和频谱利用率。 基于a m c 技术，当用户处于有利的通信环境时( 如终端靠近基站或者终端和基站之间存在良好的视 距链路时) ，可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，如采用1 6 q a m 和3 4 编码速率，从而得剑较 高的数据速率；当用户处于不利的信道环境时( 如终端位于小区边缘或者无线信道衰落较深时) ，可以选 择低阶调制方式和低速率的信道编码方案，如采用q p s k 和1 4 编码速率，以降低数据速率，保证通信质 量。 ( 2 ) i t a r q 重传技术是为了在复杂多变的无线环境中提高数据的正确接收率而提出的。i - i a r q 是指接收方先对接 收到的数据包进行自我检错纠错，如果错误可以进行自我纠正，就正确接收：否则保存本次接收的数据包， 并请求发送方重传。接收方将重传的数据包和先前接收到的数据包在译码前进行合并，充分利用它们携带 的相关信息，以提高正确译码的概率。 h a r q 遵循“s a w ( s t o pa n dw a i t ) ”策略，发送完一个数据包后，只有收到“确认( a c k ) ”信息 后才能继续发送数据；如果收到“非确认( n a c k ) ”信息，则需要根据h a r q 类型选择重发数据。这种 机制简单可靠，但是信道利用率较低。通常，高速无线链路采用nc h a n n e l s a w 协议：n 个用户可以并行 发送数据，当一个_ j 户等待a c k 信息时，其他用户可以利用信道间隙发送数据，从而提高了信道利用率。 h a r q 有两种运行方式。一种是在重传时，与初次发送相同，这种方式义被称之为c h a s e 或s o f t c o m b i n i n g 。另一种是重传时的数据与前次发射有所不同，这种方式又被称之为i r ( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 。 后一种方式的性能要优于第一种，但进行接收时需要更大的内存。终端的缺省内存容量是根据终端所能支 持的最大数据速率和s o f tc o m b i n i n g 方式设计的。因而在最大数据速率时，只可能使用s o f tc o m b i n i n g 。而 在使用较低的数据速率传输数据时，两种方式都可以使用。 ( 3 ) f a s ts c h e d u l i n g 调度是对系统有限的共享资源进行合理分配，使资源利用率在一定前提( 如公平性要求) 下达到的最 大化。调度算法控制着共享资源的分配方式，在很大程度上决定着整个系统的行为。 调度器的主要作用是：基于终端对信道质量、终端能力、q o s 要求以及可用空中接口资源的反馈信息， 进行针对分组数据传输的有效调度。通过跟踪用户信道的快速变化，调度器可以在短时间内将资源分配给 单个( 或少数几个) 信道状况较好的用户。然而，具体的调度机制在最大化系统吞吐量的同时，必须考虑 保证一定程度的用户公平性( 即保证所有用户都能周期性地获得一定数量的系统资源) 。常用的调度算法 主要包括r r 、m a x c i 、p f 等。 1 2 分组域业务概述 与第一、第二代移动通信系统主要为有效传输话音业务设计不同，从第三代移动通信系统开始，除话 音和少量实时数据业务由电路域( c s ) 承载外，绝大多数的业务都将由分组域( p s ) 承载。并且，随着通 信网络全i p 化的演进趋势，最终所有的业务都将在分组域上开展。 根据q o s 要求的不同，3 g p p 将承载业务划分为四个类别以区分网络中的业务流，即会话类、流类、 交互类和后台类。这四类q o s 业务类别可以基本代表典型的应用类型，其各自的基本特征和应用实例如表 1 1 所示。 表1 1 承载业务的q o s 类别 业务类型会话类流类交互类后台类 基本 l 、在信息流单元之间 在信息流单几之间l 、要求确认 1 、对所要接收的信息 保持时间相关性无严格的延迟要求 特征保持时间相关性2 ，保持有效负荷内容 2 、璺求低延迟2 、保持有效负倘内容 应用 语音视频流w w w 浏览e m a i l 下载 实例 2 第1 章绪论 在上述四种q o s 类别中，会话类和流类支持实时业务，需要非常低的延迟，提供的负载相对稳定。相 反，非实时业务对延迟不敏感，由交互类和后台类( 或统称为尽力而为b e s te f f o r t 业务) 支持，这类业务 的典型特点是突发性强，延迟或数据吞吐量断续不定，但是要求很低的数据差错率。各类承载业务都可由 一个属性参数集来描述，这些参数集合定义了该承载业务的o o s 需求，包括： 最大比特率( k b i t s ) ：此参数是为了便f 无线接口下行链路码道的预留； 保证的比特率( k b i t s ) ：此参数是为了便于基于可用资源的准入控制和资源分配； 最大业务数据单元( s d u ) 尺寸( b i t ) ：用于准入控制； s d u 格式信息( b i 0 ：它是可能的s d u 尺寸列表，当u t r a n 以透明r l c 协议模式工作的时候需要此 信息； s d u 差错率：指丢失或者检测出差错s d u 的概率，用来配置层2 ( l 2 ) 的重传协议和层l ( l i ) 的检 错编码； 传输顺序( 是否) ：指明是否要求按照顺序传输s d u ，这要根据用户协议类型而定； 残留误码率：指在传输s d u 中未检测到的误码率，用来配置l 1 的信道编码和检错编码； 错误s d u 的传输( 是否，- ) ：指明是将检测出有错的s d u 标以差错指示后进行传输还是进行丢弃，或 者根本不考虑差错检测就直接进行传输； 传输延迟：不同的应用有不同的延迟容忍程度，u t r a n 可根据这一参数来设定传输格式和a r q 参数； 业务处理优先权：指对不同媒体的s d u 处理的优先权； 分配保持优先权：指分配和保持u m t s 承载的优先权。 1 2 列出了各类承载业务所对应的q o s 参数，各参数的具体取值m 3 礅 4 1 定义。 表1 2 各类承载业务的q o s 参数 业务类型会话类流类交互类后台类 最大比特率 x 传输顺序 最大s d u 尺寸 s d u 格式信息 s d u 差错率 残留误码率 差错s d u 的传输 传输延迟 保证的比特率 业务优先处理 分酣保持优先权 1 3 针对分组域混合业务高速无线链路的容量估算方法研究意义 随着业务需求的发展和移动通信系统的演进，无线网络规划的重要性不断提升。由于没有经过良好的 规划，网络投入运行后可能会在服务质奄上出现许多问题。相反，合理的网络规划可以避免投资浪费，以 最少的资金来满足用户的需求，同时也能提高网络质量。无线网络规划的目标是指导工程以晟低的成本构 造出符合近期和远期用户需求，并具有一定服务等级的移动通信网络，也即要满足所要求的通信概率，在 有限的带宽内提供尽可能大的系统容量。由此可见，作为无线网络规划的重要组成部分，容量估算具有十 分重要的作用。 目前，国内外已有较多的针对无线网络容量估算的研究1 5 】_ l 刈，然而，容量估算方法的设计与具体的业 务承载方式和系统特性有很大关系，当前分组域业务需求的人幅增k 和高速无线链路技术的引入使得传统 的辑避估算方法不再适用，对新的更为适川的容苗估算方法的研究显得十分必要和迫切。 3 表 东南大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作和结构安捧 本文针对移动通信系统的发展，总结现有的无线网络容量估算方法，探讨适用于分组域混合业务高速 无线链路的容量估算基本原理。研究出一种基于m a r k o v 链的分组域混合业务高速无线链路容量估算方法， 并给了出该方法在h s d p a 系统中的应用。通过与仿真分析结果的比对，方法的准确性得到了验证。 全文共分为5 章。 第1 章概述了移动通信系统的发展现状及高速无线链路技术的主要特点，并对分组域业务特性进行了 简要介绍，在此基础上探讨了针对分组域混合业务高速无线链路的容量估算方法研究的重要意义。 第2 章通过对常用容量估算方法的深入分析，探讨了适用于分组域混合业务高速无线链路的容量估算 方法，比较了各种方法的优缺点。 第3 章针对点对点分组域高速无线链路进行容量估算，采用m a r k o v 链建立容量估算模型，引入a m c 、 h a r q 等关键技术以及分组域多媒体业务源的影响，通过队列分析方法来求得吞吐量、时延和分组丢失概 率等容量指标。同时，通过与仿真结果的比对，验证了该方法的准确性。 第4 章将基于m a r k o v 链的容量估算方法应用于多用户h s d p a 系统，首先采用离散时间m a r k o v 链对 h s d p a 系统的业务到达过程和数据处理过程分别进行建模，然后基于b s ( b a s es t a t i o n ) 侧发送缓存对这 两个m a r k o v 链进行结合以得到容量估算模型，最后采用m o n t ec a r l o 方法对上述容量估算模型进行分析， 在此基础上得到用户和系统的吞吐量、分组时延和分组丢失概率等容量指标。通过与仿真结果的比对，该 方法的准确性同样得到了验证。 第5 章总结全文，并对一些值得进一步研究的课题做了探讨。 4 第2 章常用容量估算方法总结与分析 第2 章现有容量估算方法的总结与分析 在容量估算技术的发展历程中，产生了大量的容量估算方法。尽管各种方法的适用范围和具体实现形 式各有特点，但其基本的估算原理仅有两类，分别是：基于统计模型的容量估算方法和基于仿真分析的容 量估算方法，定义如下： ( 1 ) 基于统计模型的容量估算方法：利用数学工具对系统进行抽象，在此基础上分析系统性能。 ( 2 ) 基于仿真分析的容量估算方法：搭建仿真平台，对系统行为进行详细模拟，通过对数据结果的分 析估算系统容量。 两种类容量估算方法的比较如表2 1 所示。 表2 1两种类容量估算方法的比较 基于仿真分析的容量估算方法基于统计模型的容量估算方法 估算精度 仿真结果接近于真实情况，适用于理论结果的精确性与方法的选取有 任何复杂程度的系统分析。关。如果方法选取不当，分析结果 与实际情况将有较大出入。 估算速度慢快 实现复杂度 耗费资源多；仿真平台需要有很强耗费资源少；进行容量估算时，只 的运算能力支持。需要代入参数、进行简单的计算。 易用性 需要熟悉仿真平台，使用不便。如果能够整合成一个容量估算工 具，则将极大地方便工程人员使用。 从表中可以看出，基于仿真分析的容量估算方法在后3 个指标上都不占优势，这主要是因为仿真平台结构 复杂、不易操作，因而在实际估算过程中，必须根据需要精心设计仿真平台，使其在复杂度相对较低的前 提下保证足够高的估算精度。对于基于统计模型的容量估算技术，其主要劣势在于估算精度难以控制，但 如果模型选择适当，则该技术可以在满足一定精度要求的前提下对系统容量作出快速预测。 2 1 基于仿真分析的容量估算方法 2 1 1 事件驱动的仿真分析容量估算方法 基本原理 基于状态的跳转来模拟系统行为。 现有工作 【5 】通过o p n e t 基于事件的仿真方法分析了实时业务和非实时业务混合场景下的小区平均吞吐最、用 户满意度和平均业务分组数据单元( s p d u ) 的时延等系统参数。 适用范围 任意系统和任意业务承载方式。 2 1 2 时间驱动的仿真分析容量估算方法 此类容链估算方法是基于时间的变化来模拟系统行为。根据其仿真过程中前后场景的相关性可以进一 步细分为：静态仿真容茸估算方法、动态仿真容量估算方法和静、动态结合仿真容量估算方法。 ( 1 ) 静态仿真容量估算方法 基本原理 在静态仿真器中，系统行为通过一些不相关的快照( s n a p s h o t ) 式的场景来建模。在每一个场景f ， 通过m o n t ec a r l o 方法将用户随机地分布在系统的覆盖范同内，通过迭代地求解每条连接所需要的虽低功 东南大学硕士学位论文 率直至收敛来完成功率控制，然后，对统计量进行收集。通过生成大量的场景并取平均，就可以得到所需 的系统性能指标。 现有工作 【6 】【7 】通过静态仿真分析了w c d m a 系统下单语音业务或多个语音业务混合后的系统容量和覆盖之间 的关系。 适用范围 适用的系统：任意类型系统。 适用的业务承载方式：理论上适用于任意类型业务承载方式，但如果基于相互独立的快照式仿真场景 考虑各种调度算法对系统容量的影响，精度必然受到限制，故此类方法在p s 域混合业务系统中的适用性 较差。 ( 2 ) 动态仿真容量估算方法 基本原理 动态仿真是由时间驱动的，且前后场景之间具有一定的相关性，从而可以将系统中的许多作用因素作 为时间的函数来考虑它们的影响。 现有工作 【8 】在宏蜂窝小区内利用动态仿真，分析了在d c h + h s - d s c h 信道构架下传输混合业务时的网络性能。 【9 】通过动态仿真分析了各种调度算法对于h s d p a 用户平均吞吐量的影响。【l o 】通过动态仿真讨论了通过 联合调度和资源调度，h s d p a 相对于r 9 9 版本的u m t s 系统在扇区吞吐量和单用户吞吐量上的优势。 11 1 使用管道仿真结合容量复用的方法，对u m t s 分组域混合业务系统容量进行了估算，其中的管道仿真部分 采用了动态仿真机制。 适用范围 任意系统和任意业务承载方式。 o ) 静、动态结合仿真容量估算方法 基本原理 静、动态结合的仿真分析容晕估算方法将前面两种仿真技术结合了起来，它在静态仿真的基础上引入 了小段的动态仿真。这样，在每个相互独立的快照式场景之后，又多了一个可用于分析的统计相关的场景 序列。 现有工作 1 2 通过上述混合仿真分析了h s d p a 承载的分组数据业务在各种调度算法下的性能表现，特别是吞吐 量分布。【1 3 】综合使用动、静态仿真分析了c d m a 蜂窝系统混合业务场景下( 语音业务+ 高速分组业务) 前向链路的各种性能，仿真模型考虑了呼叫准入控制( c a c ) 和功率控制( p c ) 。 适用范围 任意系统和任意业务承载方式。 2 2 基于统计模型的容量估算方法 2 2 1 基于系统总资源限制的容量估算方法 基本原理 在不考虑白干扰因素的前提下，有限