（通信与信息系统专业论文）3g系统分组域业务源模型的研究与应用.pdf

摘要 摘要 第三代移动通信网络是在循环反复的规划、测试和优化过程中不断完善的。 移动通信网络中分组业务的比重不断增加，因此分组业务源模型不仅极大地影响 到系统性能评估结果的准确程度，也是规划和优化通信网络的基础。为了更好的 研究第三代移动通信网络的性能，以及对无线通信网络进行负载测试，网络业务 模型的正确选择非常重要。业务源模型的建模和在3 g 系统负载测试中的实现、应 用是一个很有价值的问题。 本论文首先研究了用于实现3 g 负载测试模拟器l o a d b o x 的分组业务模型理论 基础，建议了系列分组业务源模型，并提出了一种3 g 网络规划中的分组业务容 量估计方法。根据所建议的3 g 分组业务源模型，运用o p n e t 系统仿真工具，在 u m t s 网络场景中进行仿真，统计每种业务和混合业务的聚合业务流量，分析验 证了推荐模型能够在一定程度上模拟真实业务。 本课题采用已验证的3 g 分组业务模型作为业务源产生的依据，经过软件需求 分析、总体设计、详细设计、软件编码和软件测试等各个阶段，在负载测试模拟 器l o a d b o x 中完整实现了测试业务模块。经过测试，验证了l o a d b o x 中分组业务 源模型模块的实现的正确性。然后对r n c 系统在不同业务负荷下的处理能力也进 行了测试。 最后本文对第三代移动通信系统自相似流量模型进行了研究。采用具有明确 物理意义的重尾o n o f f 自相似流量模型作为3 g 流量模型的仿真基础，并基于 o p n e t 系统仿真平台，实现了一个针对u m t s 网络具体环境的自相似业务流发生 模型。通过对仿真数据的分析，验证了该自相似流发生模型的正确性。该模型能 够模拟3 g 分组业务流的自相似特性，为进一步的业务源模型研究提供了很好的参 考。 关键词：3 g ，u m t s ，分组交换域，业务源，自相似 a b s l k a c l a b s t r a c t t h e3 “g e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s g e t t i n go p t i m i z e d t h r o u g ht h ec o n t i n u o u sp l a n n i n g ，t e s t i n ga n do p t i m i z a t i o n t h ep a c k e ts w i t c h e d ( p s ) t r a f f i ci nt h e3 gn e t w o r ki sc o n t i n u a l l yi n c r e a s i n g ，t h u s ，t h ep st r a f f i cm o d e ln o to n l y h a sg r e a ti m p a c to nt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，b u ta l s o p r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rt h e3 gn e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o n i no r d e rt od o r e s e a r c ho nt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dl o a dt e s t i n go ft h e3 gn e t w o r k ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt oc h o o s et h ea c c u r a t en e t w o r kt r a f f i cm o d e l t h em o d e l i n gm e t h o do ft h e t r a f f i cm o d e l ，a sw e l la si t si m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o ni nt h e3 gs y s t e ml o a d t e s t i n g ，i sav a l u a b l e r e s e a r c hi s s u e f i r s t l y , t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h eb a s i ct h e o r yo ft h ep st r a f f i cm o d e l ，w h i c hi s u s e df o ri m p l e m e n t i n gt h e3 gl o a dt e s t i n gs i m u l a t o r l o a d b o x t h e n ，as e r i a lo fp s t r a f f i cm o d e l sa n dam e t h o dt od oc a p a c i t yd i m e n s i o n i n go fp a c k e ts e r v i c ef o rn e t w o r k p l a n n i n ga r eg i v e n b a s e do nt h ep r o p o s e d3 gt r a f f i cm o d e l s ，t h i st h e s i su s e st h e o p n e ts i m u l a t i o nt o o lt os i m u l a t et h et r a f f i cs o u r c em o d e l si nt h eu m t sn e t w o r k s c e n a r i o s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i s to f t h ea g g r e g a t e df l o w so f b o t hs e p a r a t et r a f f i c a n dc o m p o u n dt r a f f i c a f t e ra n a l y s i s t h er e s u l t sv e r i f yt 1 1 a tt h em o d e l sc o u l ds i m u l a t e t h ea c t u a ls e r v i c e st oac e r t a i ne x t e n t b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e s ，t h ep r o p o s e d3 gt r a f f i cm o d e l sa r eu s e da st h e b a s i ci n p u tf o rt h el o a dt e s t i n g t h r o u g hs o f t w a r er e q u i r e m e n ts p e c i f i c a t i o n ，h i 曲l e v e l d e s i g n ，d e t a i l e dd e s i g n ，c o d i n ga n dt e s t i n g ，t h et e s tt r a f f i cm o d u l ei sc o m p l e t e l y i m p l e m e n t e di nt h el o a d b o x t h et e s t i n gr e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et r a f f i c m o d e lm o d u l ei nt h el o a d b o x t h e n ，t h ep r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eo ft h er n cs y s t e m w h i c hi sw o r k i n gu n d e rd i f f e r e n tt r a f f i cl o a di sa l s ot e s t e d t h i st h e s i sf i n a l l yr e s e a r c h e so nt h es e l f - s i m i l a rt r a f f i cm o d e lo ft h e3 gn e t w o r k t h eh e a v y - t a i l e do n o f fs e l f - s i m i l a rt r a f f i cm o d e l ，w h i c hh a ss p e c i f i cp h y s i c a l m e a n i n g ，i sa d o p t e da st h es i m u l a t i o nf o u n d a t i o no ft h e3 gf l o wm o d e l u s i n go p n e t s i m u l a t i o nt o o l s ，t h et h e s i sp r e s e n t sas e l f - s i m i l a rt r a f f i cg e n e r a t o rm o d e lw h i c hi su s e d f o rt h ea c t u a lu m t sn e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f y 吐l ec o r r e c t n e s so ft h e i i 电子科技大学硕士学位论文 s e l f - s i m i l a rt r a f f i cg e n e r a t o rm o d e l t h es e l f - s i m i l a rt r a f f i cg e n e r a t o rm o d e lc o u l d s i m u l a t et h es e l f - s i m i l a rp r o p e r t yo ft h e3 gt r a f f i cf l o w , a n dp r o v i d eag o o dr e f e r e n c e f o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d ：3 g , u m t s ，p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ，t r a f f i cs o u r c e ，s e l f - s i m i l a r i 缩略字表 3 g p p a m c c c n c s f p g g s n g m s c g p r s g t p h u t h s d p a i s d n 匝 m m m s c n a s p d c p p d p p s p s t n q o s r a b r a n r b r l c r n c r r c s g s n s m t m t b s u e u m u m t s u s i m u t r a n v l r w c d m a 缩略字表 3 g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r e j e e t a c k n o w l e 妇e dm o d e c a uc o n t r 0 1 c o r en e t w o r k c i r c u i ts w i t c h e d f r a m ep r o t o c o l g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e g a t e w a ym o b i l es w i t c h i n gc e n t e r g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g p r st u n n e l i n gp r o t o c o l h o m el o c a t i o nr e g i s t e r h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c c s s i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k m o b i l ee q u i p m e n t m o b i l i t ym a n a g e m e n t m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r n o na c c e s ss t r a t u m p a c k a td a t ac o n v e r g ep r o t o c o l p a c k e td a t a p r o t o c o l p a c k a ts w i t c h e d 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 i l t yo fs e r v i c e r a d i oa c c e s sb e a t e r r a d i oa c c c s $ n e t w o r k r a d i ob e a r e r r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i on a t w o r kc o n t r o l l e r r a d i or c s o u r c ec o n t r o l s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e s e s s i o nm a n a g e m e n t t r a n s p a r e n tm o d e t y p eo fs e r v i c e u s e re q u i p m e n t u n a c k n o w l e d g e dm o d e 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 ns y s t e m u m t ss u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e i 丁m r st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p i ea c c e s s 第三代移动通信伙伴计划 确认模式 呼叫控制层 核心网 电路交换 帧协议 网关g p r s 支持节点 移动交换中心网关 通用分组无线业务 g p r s 隧道协议 归属位置寄存器 高速下行分组接入技术 综合业务数字网 移动设备 移动性管理 移动交换中心 非接入层 分组数据汇聚协议 分组数据协议 分组交换 公众交换电话网 服务质量 无线接入承载 无线接入网 无线承载 无线链路控制 无线网络控制器 无线资源控制 服务g p r s 支持节点 会话管理 透明模式 服务等级 用户设备 非确认模式 通用移动通信系统 u m t s 用户识别模块 u m t s 地面无线接入网 访问位置寄存器 宽带码分多址 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：塑鱼日期：泐年j 月“日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：造l 鱼导师签名：堑邋 日期：如d 6 年f 月“日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 数据业务在未来的无线移动通信系统中将扮演越来越重要的角色，为了更好 的进行网络设计以及系统性能评估，在系统还未完成时，需要进行系统性能的仿 真。在电信网络设计以及网络系统仿真中影响系统性能的因素有很多，其中之一 就是用来反映系统中用户使用各种业务的行为特性的业务源模型。业务源模型作 为系统的驱动，结合其他因素，完成需要的性能评估。 第三代移动通信网络是在循环反复的规划、测试、优化的过程中不断完善的， 无线网络的优化应按照阶梯式循环往复的过程不断进行，以保证网络质量的逐渐 完善。无线资源管理中的分组调度的性能和业务源模型有很大的关系，在进行网 络优化的时候，业务源模型建立的准确与否直接关系到3 g 系统性能分析的准确 度。为了更好的研究3 g 网络性能，网络业务模型的正确选择非常重要。 另外，由于3 g 系统逻辑结构复杂，接口、协议繁多，对于软件测试来说是一 个巨大的挑战，尤其是负载测试。随着3 g 各个版本功能不断完善，在系统设计和 实现过程中无法跟踪的缺点会越来越多，有些问题难以在系统负荷很小的情况下 发生。如何真实的模拟满负荷大业务量的情况，对无线网络设备进行有效的负载 性能测试，成了3 g 系统软件测试急需解决的问题。针对这些问题，一个软件化的 负载测试工具对于3 g 的负载测试来说非常重要。因此，业务源模型在3 g 负载测 试中的软件设计和应用也是一个很有价值的问题。 近年来，观察发现，计算机网络中的处理和交换节点上的业务量有很强的突 发性，传统的网络业务模型，如泊松和马尔可夫模型已经不能满足需要，有一个 很典型的例子就是第一代a t m 交换机中，根据马尔可夫模型估算的缓存容量太小， 以至于丢包率很大。造成这个现象的原因是，在现代的计算机通信网中，已经不 只是单纯的话音业务，还增加了很多新的数据业务。特别是在第三代移动通信系 统中，引入了越来越多的除话音以外的业务，使移动通信网中的业务也趋向于表 现出高突发性和长相关性，传统的通信网络业务模型在移动通信网中也已经有了 局限性，而移动通信是现代通信网发展的趋势，在移动通信网的研究中引入新的 自相似业务模型的研究是非常有必要的。 电子科技大学硕士学位论文 一直以来，在第三代移动通信系统中，与分组业务源模型有关的研究一直是 一个难点。尽管在有线网络中，已经有很多分组业务源模型的研究，但是3 g 移动 多媒体应用下的业务源模型，一直都没有一致的结论。具体来讲，主要包含以下 几个原因： 1 )无线网络中，人们使用移动手机上网使用分组业务，这和有线网络中通 过台式计算机或是笔记本电脑上网有很大的不同。用户终端和网络使用 习惯的巨大差异，会导致业务源的建模和统计特性都有很大的差别，因 此不能直接借鉴大量文献中已有的有线网络分组业务模型； 2 )3 g 商用网络的营运时间尚短，现在才开始有一些无线网络的营运数据可 以用于数据分析； 3 1一直以来，大量3 g 网络性能仿真和研究都在使用3 g p p 标准u m t s3 0 0 3 中建议的分组业务源模型【1 】，但是该业务模型是多年以前的设计，已经不 适合现在以及未来移动多媒体业务的特点； 4 )目前已有的白相似流量模型虽然能描述网络流量的自相似性，但其数学 描述较复杂，不易实现，也没有很明确的物理意义，无法直接用于3 g 系 统网络性能仿真和网络负载测试中。 本课题在第三代移动通信网的研究中，从理论上研究了3 g 分组业务业务模 型，又进行了3 g 负载测试模拟器的设计和开发工作，并把理论研究所提出的分组 业务模型，作为3 g 负载测试模拟器的业务源产生的依据，从而能真实的模拟大负 荷业务量的情况，对无线网络设备进行有效的负载性能测试，既考虑了理论性， 又密切结合实用性，研究路线与具体的工程应用结合的十分紧密。同时对多用户 访问造成的复用以后的流量模型进行了研究，考虑移动通信网中业务量的自相似 性质，因而引入对新的自相似流量产生模型的研究。因此，本课题对业务源模型 的研究思路，以及对无线分组业务建模的分析流程与建模方法，也能够对实际网 络的业务规划提供有价值的参考。 1 2 第三代移动通信系统概述 w c d m a 通信系统，又称为u m t s ( 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 s s y s t e m ，通用移动通信系统) ，是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系 统。w c d m a 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络 ( r a d i o a c c e s s n e t w o r k ，r a n ) 和核心网络( c o r e n e t w o r k ，c n ) 。其中无线接入网络 弟一早瑁w 处理所有与无线有关的功能，而核心网络处理w c d m a 系统内所有的话音呼叫和 数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。核心网络从逻辑上分为电路交 换域( c i r c u i ts w i t c h e dd o m a i n ，c s ) 矛n 分组交换域( p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ，p s ) 。 w c d m a 系统由三部分c n ( 核心网) 、u t r a n ( 无线接a n ) 和u e ( 用户设备) 组成。系统结构如图1 1 所示： 终端 ( u e ) 图1 - 1w c d m a 系统结构 其中，c n 与u t r a n 的接口定义为i u 接口，u t r a n 与u e 的接口定义为u u 接口。n o d e b ( 基站) 与r n c ( 无线网络控制器) 的接口定义为i u b 接口，r n c 与r n c 之间的接口定义为i u r 接口。w c d m a 网络单元构成如图1 2 所示： 图1 - 2w c d m a 系统网络单元构成图 从图1 - 2 中可以看出，w c d m a 系统的网络单元包括如下部分： 1 u e ( u s e re q u i p m e n t ) u e 是用户终端设备。u e 通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供 电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、i n t e m e t 应用f 如e m a i l 、w w w 浏览、f t p ) 等。 电子科技大学硕士学位论文 u e 包括两部分： m e ( m o b i l ee q u i p m e n t ) ：提供应用和服务； u s i m ( u m t ss u b s c r i b e rm o d u l e ) ：提供用户身份识别。 2 u t r a n ( u m t s t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) u t r a n 即陆地无线接入网，分为基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 两部 分。 n o d e b n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) 。它的主要功能是：扩频、 调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转 换等功能。 r n c 。( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无 线资源管理控制等功能。 3 c n ( c o r en e t w o r k ) 核心网络 c n 负责与其他网络的连接，以及对u e 的通信和管理主要功能，实体如下： 1 ) m s c v l r ( c s 蜘 m s c v l r 是w c d m a 核心网c s 域功能节点，它的主要功能是：提供c s 域 的呼叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。 2 ) g m s c ( c s 域1 充当移动网和固定网之间的移动关口局，完成p s t n ( 矶a 看作是固定电话) 用 户呼移动用户时，呼入呼叫的路由功能，承担路由分析、网间接续、网间结算等 重要功能。 3 ) s g s n ( 服务g p r s 支持节点，p s 域) 提供p s 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。 4 ) g g s n ( i 网关g p r s 支持节点，p s 域) 提供数据包在w c d m a 移动网和外部数据网之间的路由和封装。它的主要功 能是：同外部i p 分组网络的接口功能。 5 ) h l r ( 归属位置寄存器，c s 域和p s 域共有) 提供用户的签约信息，存放新业务支持增强的鉴权等功能。 4 e x t e r n a ln e t w o r k s ( p b 部网络1 外部网络可以分为两类： 电路交换网络( c sn e t w o r k s ) ：提供电路交换的连接服务，如通话服务。i s d n 4 弟一草磺佑 和p s t n 均属于电路交换网络。 分组交换网络( p sn e t w o r k s ) 提供数据包的连接服务，i n t e m e t 属于分组数 据交换网络。 1 3 本文研究的主要内容 本课题的研究内容着眼于通信网基础理论的一部分第三代移动通信网中 业务源模型的研究，使建议的业务模型在反映实际情况的基础上，能够更好的应 用于网络性能分析以及网络设备的负载测试。 本人在硕士论文研究期间，对3 g 通信网络的业务源模型进行了一些有意义的 探索和研究。所完成的工作主要有以下几部分： 第一部分，阅读了大量的通信网业务模型以及自相似理论的参考文献，对有 线通信网络的自相似过程、自相似模型、自相似参数估计方法等有了一定的了解， 具备了理论研究的基础。 第二部分，主要是对第三代移动通信系统分组业务模型的应用研究。这其中 主要分为三点进行了研究： 1 )对用于实现3 g 负载测试模拟器l o a d b o x 的分组业务模型理论基础进行了 研究。采用了具有明确物理意义的三层结构模型来作为分析3 g 系统分组 域业务模型的基本方法，并且针对不同的业务类型的产生系统结构和特 点，建议了一系列分组业务源( h t t p ，w a p ，f t p ，视频流) 模型，并尽 量从运营商实测数据中获得参数，并且根据这些业务源模型，提出了3 g 网络规划中的分组业务容量估计方法。 2 )根据建议的3 g 单用户分组业务源模型，运用o p n e t 系统仿真工具在 u m t s 网络环境上，设计仿真场景，仿真得到每种业务和混合业务的聚 合业务流量，经过分析，计算得到每种分组业务的自相似系数以及重要 统计量，验证了推荐模型能够在一定程度上模拟真实业务。 3 )采用了已得到验证的3 g 分组业务模型作为业务源产生的依据，经过了软 件需求分析、总体设计、详细设计、软件编码、软件测试等各个阶段， 在负载测试模拟器l o a d b o x 中完整实现了测试业务模块，使r n c 负载测 试能反映真实情况，并设计了一系列测试用例，验证了l o a d b o x 中分组 业务源模型模块的实现的正确性，测试了r n c 系统在不同业务负荷下的 处理能力。 电子科技大学硕士学位论文 第三部分，主要是创新性的第三代移动通信系统自相似流量模型研究。研究 了国内外已有的自相似业务源模型，经过分析比较，采用具有明确物理意义的重 尾o n o f f 自相似流量模型作为3 g 聚合流量模型仿真基础，并基于o p n e t 系统 仿真平台，实现了一个针对u m t s 网络具体环境的自相似业务流发生模型，针对 具体各类的3 g 分组业务，仿真产生出自相似业务流，并通过数据分析验证了该自 相似流发生模型是可信的，能够模拟3 g 分组业务流的自相似特性，即可以把不同 分组业务源模型的聚合流量用该自相似流发生模型统一起来。 1 4 本文的章节安排 本文各章内容安排如下： 第二章对自相似过程的数学描述、物理描述、特性、对网络性能的影响、自 相似参数估值法进行了简要的介绍。 第三章首先介绍了u m t s 网络承载的业务类型及业务使用比例，然后提出了 业务源广义三层模型，并分别针对四种3 g 分组业务的产生系统结构和特点进行了 研究，建议了相应的3 g 分组业务源模型，最后根据这些业务源模型，提出了一种 3 g 网络规划中的分组业务容量估计方法。 第四章基于第三章中所提出的分组业务模型，设计了仿真网络、仿真场景、 消息流程等，给出了仿真结果，并针对结果进行了详细的分析讨论，得出相关结 论。 第五章介绍了负载测试模拟器l o a d b o x 的重要作用以及系统架构、协议体系， 重点阐述了测试业务模块的软件设计、模块划分，有限状态机，消息序列图、业 务源模型的实现流程，并设计了系列测试用例，给出了详细的测试结果，对该 模块设计进行了验证分析和r n c 系统用户面负载性能测试。 第六章首先介绍了国内外自相似模型的研究现状，重点阐述了重尾o n o f f 自相似模型，并基于o p n e t 系统仿真平台，设计了一个针对u m t s 网络具体环 境的自相似业务流发生模型，介绍了仿真节点模型的总体结构，以及着重分析了 r p g 模块的功能、流程、有限状态机、仿真参数等，并通过仿真数据分析，验证 了该自相似流发生模型的正确性。 第七章为结束语，对全文做出了总结，并指出了下一步工作的努力方向。 第二章自相似过程描述 2 1 自相似研究概述 第二章自相似过程描述 自从1 9 9 4 年，w e l e l a n d 等学者的文章，”o nt h es e l f - s i m i l a rn a t u r eo f e t h e m e t t r a f f i c ( e x t e n d e d v e r s i o n ) ”中提出了以太网中业务量的自相似的性质以后， 计算机通信网中业务量的长相关性( l o n gr a n g ed e p e n d e n t ) 和自相似性 ( s e l f - s i m i l a r i t y ) 就越来越被更多的人发现。 在对局域网( l a n s ) 1 2 1 、广域网( w a n s ) 川、可变比特率( v b r ，v a r i a b l e b i t r a t e ) 4 1 5 】的视频业务还有w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 、j k 务【6 】的广泛研究表明，这些业 务的确具有传统的马尔科夫模型不能描述的性质，即长相关性和自相似性，随着 数据业务在通信网中的广泛发展，对相应的业务模型的研究就越来越广泛。 2 2 自相似过程的数学描述 自相似过程是基于连续时间变量的直接尺度变换，由于网络流量的分析已经 被严格地限制为离散时间的二阶或近似二阶自相似过程，因此这里给出离散时间 序列的自相似定义【”。 假定离散时间随机过程x = k ，f = o ，1 ，2 ， ，是一个广义平稳随机过程，其均 值为，方差为盯2 ，自相关函数为r ( k ) ，k 0 。这个平稳过程的自相关函数，( ) 满足：当k c o 时r ( _ j ) k - p 厶( _ j ) ，其中0 0 ， l i m - a ( t x ) - a ( t ) = 1 ( 常见的慢变函数，如厶( f ) = 常数，z a ( t ) = l o g ( t ) ) 。 对所= 1 ，2 3 ，令x 忡) = 薯伸) ，= 1 ，2 ，3 ， 表示由x 得到的m 重聚集时间序 列，它可以表达为： 矿k 去，磊。t ，肛1 ，2 ，3 ， ( 2 。1 ) 对每个所，薯伽为一个协方差平稳的随机过程。j ( ”也是均值为的，自相 关函数为r 枷( t ) 的广义平稳随机过程。 如果对所有m = 1 ，2 3 ，有： v a r ( x ”1 ) = 盯2 m ，r ”( ) = r ( ) ，k 0( 2 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 则x 被称为有自相似系数h = 1 一p 2 的严格二阶自相似( e x a c t l ys e c o n d o r d e r s e l f - s i m i l a r ) 过程。 如果对所有足够大的k ，有： v a r ( x 州) = c r 2 m ，r “( 尼) ，( 七) ，m - - - ) 0 0 ( 2 - 3 ) 则z 被称作有自相似系数h = 1 一口2 的近似二阶自相似( a s y m p t o t i c a l l ys e c o n d o r d e rs e l f - s i m i l a r ) 过程。 日被称作自相似参数，或h u r s t 参数，是描述自相似特性的唯一参数，更确切 地说，日的值是相关的持续性的量度，是随机过程长相关的一个度量。日有3 个 不同物理意义的取值范围，0 h 1 2 表示负相关，1 2 日 1 为正相关，h = 1 2 为没有相关性。大量的研究认为，日越大，相关性越强，网络业务的突发性就越 强。实际网络业务是正相关的，所以日的取值范围在( o 5 ，1 ) ，随着日逐渐增大，r ( k ) 在k 斗m 的衰减的速率越慢。在o 5 日 1 ，有yr ( 七) = o o 。 2 3 自相似过程的物理描述 网络业务中的自相似性主要表现为突发一 生( b u r s t ) 存在于多个时间尺度上，而且 具有相同的统计特征，也就是网络流量在很宽的时间尺度内存在突发现象。 这一物理特性可以用来自b e l l 实验室的e t h e m e t 实际网络流量 2 1 和按泊松模型 仿真产生流量制成的图2 1 加以说明。图2 1 中左列4 图是根据以太网中的实际网 络流量数据绘制而成的，其纵坐标为每单位时间内以太网中所传输的分组数，横 坐标为观测时间水平轴；而右列4 图是根据传统的泊松模型按照与左列4 图中相 同的平均分组大小和分组到达速率所产生的网络数据流量下，对应在4 个时间尺 度下绘制出的网络传输的分组数统计图。 从两组图的对比中可以很容易的看出：实际的网络流量在4 种不同的时间尺 度下的网络流量是非常相似的，无论是在大的时间尺度( 小时，分钟) 还是在小的时 间尺度( 秒) 上数据的突发性均得到了很好的体现：数据流量均由分组传输的突发期 和非突发期相问构成；而在由泊松模型产生的网络流量中，在大的时间尺度( 如在 l s 及其以上的单位时间1 上数据的突发性就逐渐消失了：单位时间内的分组数在不 同的时间段内几乎变得像白噪声一样平缓了。 第一章自相似过程描述 1 。甄碲五百_ 百 墨嚣一 广w 1 晒滞刁r 带 广可1 碲甄盯面飞广矿飞碲飘严4 8 i = f 节百舞旷葡口r 靠葡_ _ 四f 两a 单t 闻 1 0 0 秒单l 立时间：l o o 秒 图2 1 不同时间尺度下以太网中的实际流量与泊松模型产生的流量对比 2 4 自相似过程的特性 由自相似的数学定义可知，自相似过程具有以下特性： 1 ) 堆叠过程z ( m 随着m 专o o ，自相关结构不变，或者说是非退化的，即对 于不同的m 值，x ( 卅直观上相似，也就是说它们有基本一致的自相关函 数。传统业务模型则不同，当m o o ，聚集过程x ( r n l 自相关结构将退化， 即r ( ”( ) 专0 ，当k = 1 ，2 ，3 ，。 2 )长相关性。其自相关函数随时滞的增加呈双曲线衰减( 幂律衰减) ，则该随 9 口年越飞鞋雀，誉&1氍11蔷，警 。g目g，目 。遵瑶1辩j罐0，亭戥1萄ql； a目gbg g g a a g b g 电子科技大学硕士学位论文 机过程呈现长相关性。白相似是长相关的特例简单模型，但它们之间存 在联系：随着日的增大，自相似性增大，其长相关性也增大。由此可知， ，( j ) 是不可加和的，即r ( 尼) = 。o 。而短相关过程的自相关函数呈指 t = 哪 数衰减，即r ( k ) p ，当k 斗c 0 ( o p 1 ) ，其自相关函数是可和的，即 o r ( 七) o o 。 女一 3 )慢衰减方差。自相似过程方差满足：v a r ( x ( 州) 一a m ，当m o o ，其中 0 口 1 ，a 是与m 无关的正常数。而短相关过程的方差满足 砌r f x ( ”) b m ，当m 斗o o ，其中b 是与m 无关的正常数。所以，自相 似过程的方差衰减要慢于短相关过程。 4 ) 谱密度f ( a ) 在原点附近服从幂律变化，即，( 旯) a 2 ，五寸0 。其中 0 y 1 。 2 5 自相似对网络性能的影晌 网络业务中的自相似性主要表现为突发性存在于多个时间尺度上，而且具有 相同的统计特征。这也证明了传统的泊松过程和马尔可夫模型的失败之处在于它 们本身是短相关的，不能准确的描述出实际网络中长相关性所带来的网络流量的 突发性；实际网络中的突发性在任意时间尺度内都是存在的，而在传统的网络流 量模型中，突发性在长的时间间隔内像高斯噪声一样被平滑掉了。 网络性能的度量有三个重要的指标：吞吐量( t h r o u g h o u t ) 、延时( d e l a y ) 、数据包 丢失( p a c k e tl o s s ) 。 一系列的网络性能分析表明，自相似性