（通信与信息系统专业论文）无线多媒体通信网络中的呼叫允许控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 摘要 移动通信面临用户数量急剧增加，移动业务逐步走向多元化，用户对服务 质量的要求不断提高。如何更有效地管理和使用无线资源已成为运营商最为关 心的问题之一。如何在恶劣的无线传播环境里以及用户运动且相互干扰的情况 下为各类业务提供q o s ( o o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证，同时充分利用宝贵的 无线频谱资源，是基于c d m a 技术的第三代蜂窝通信系统、以及未来无线个人 通信系统都必须致力解决的问题。呼叫允许控制( c a c ：c a l l a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 作为无线资源管理( r r m ：r a d i or e s o u r c em 姐a g e m e n t ) 的重要组成部分，成为 近几年研究的热点问题之一。 本文在充分总结前人研究成果的基础上，从保证用户q o s 的角度出发，重 点研究了无线多媒体通信网络中的呼叫允许策略。 首先针对未来无线通信网络的特点，以3 g p p 定义为基础，对网络中的多 媒体业务进行了更细致、更加符合实际情况的建模。然后以此模型为基础，提 出了一种c d m a 系统中基于剩余容量的c a c 策略，对不同优先级的业务采取 不同匏接入原则，很好的保证了各业务的q o s 要求。 现有无线通信系统多为对称系统，由于非对称业务的出现，系统中将存在 分配而未使用的资源，对原本就十分有限的无线资源造成了极大的浪费；另一 方面，各运营商也将针对自己所服务的对象特点，定义各类业务的q o s 等级。 因此本文提出了一种新的对称c d m a 系统中非对称业务下基于动态q o s 保证 的c a c 策略。其基本思想是，各运营商根据自己的需求，定义网络中各类业务 的优先级和q o s 等级；为提高资源利用率，同时提高低优先级业务的q o s ，将 系统中分配而未使用的资源动态分配给上行链路中的低优先级业务。根据各业 务的优先级和q o s 要求，以及系统的剩余容量，进行接入控制。该策略在保证 各类业务q o s 要求的同时，有效的提高了系统的资源利用率。 在以往的一些c a c 策略中，为简化起见，大多考虑理想的功率控制。而在 实际系统中，由于路径衰落等多种因素，使得各用户到达基站的功率很难相等， 特别是多媒体业务占用带宽资源多、速率可变等特性，使得情况变得更加复杂。 因此，在针对多媒体业务的c a c 策略中，考虑非理想的功率控制将更加具有实 际意义。在本文中，将给出多媒体c d m a 网络中非理想功率控制下的系统容量 分析，同时分析了不同非理想程度和不同的外小区干扰因子对系统容量的影响， 并针对不同业务的q o s 要求，给出一种基于q o s 保证的c a c 策略。仿真结果 a b s t r a c t t l l l en u m b c ro fu s e r si si n c r e a s i n gq u i c k l yi nm o b i l ec o m m u n j c a t i o ns y s t e m ， a n d 也et r a f ! f i ct y p e sb e c o m ed i v e r s ea n dt h es e n ，i c eo fq u a l i t y ( q o s ) r e q u i r e m e n t n e c d st ob ec n h a n c e di nr e c e n ty e a r s s oh o wt oe f f i c i e n t l ym 柚a g ea n du s em e w i r e 】e s sr e s o u r c ei so n eo ft h em o s ti m p o n a n tp r o b l e m sf o rt h es e i c ep r o v i d e r s h a wt os u p p o r tt l l ed i 丘c r e n tq o sr e q u i r e m e n t so fh e t e r o g e n e o u ss e r v i c e sa du t i l i z e t h es c a r c ew i r e l e s sr e s o u r c ee 伍c i e n t l yi nt h es i t u a t i o no fe r r o r - p r o n ew i r e l e s s c h 栅e 1i sn o wc h a l l e n g i gb o t h3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n d f 【】t u r ep e r s o n a l m m u n i c a t i o ns y s t e m s r e c e t l y ，a st h em o s ti m p o n a n tp a r to fr a d i o r c s o u r c em a n a g e m e n t ，c a l la d i n i s s i o nc o n 仃o l ( c 气c ) g e t sm o r ea t t c n t i o n 1 nt h i s t l l e s i s ，c a l l a d m i s s i o nc o n 廿0 l p o l i c i e s i nw i r e l e s sm u n i m e d i a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa r cp m p o s c db a s e do nq o sr e q u 主r e m e n t s a c c o r d i n gt o3 r dg e n e r 撕o p a n n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) s p e d f i c a t i o n s ，am o r c r e a l i s t i cm o d e l e dt r a 丘c i st a k e ni n t oa c c o u tf i r s t ly b a s e do nt h i st r a f f i cm o d e l ，a r c s i d n a lc a p a c “yb a s e dc a l la d m i s s i o n n t r o lp o l i c yi sp r o p o s e d t h ep r i o r i t i e s a c c o r d i n gt ot h e 仃a f f i cc h 啪c t e r i s t i c sa n dq o sr e q u i r e m e n t sa r ed e f i n e d n eb a s i c 主d e ao fo u rs c h e m ei sa s s i g n i n gl l i g h e rp r i o r i t yc l a s s e sp r i v i l e g eo v e rl o w e r p r i o r i t y c l a s s e si nt h ec a cd e c i s i o np r o c e s s t r a 衔cw i t hd i f f e r e n tp r j o r i t i e sh a sd i m r e n t a d m i s s i o np r i n d p i e ，a n dm eq o sr e q u i r e m e n t sa r eg i l a r a n t e e de m c e n t y a st h e r ea r em o r ea l l dm o r c 船y m m e 砸ct r a f f i c e m e 唱i n gi n t h ew i r e l e s s n e 俩o r k ，t l l er e s o u r c cs h o u l db e 弱s i 弘e df a i d ya i l dr e a s o n a b ly o nt h eo t h 盯h 趾d ， t h eo p e r a t o r sw i l ld c f i n et h et r a f f i cq o sa c c o r d i n gt ot h e i rr e q u i r c m e n t s ，a n dp r o v i d e t h et f a 伍cw i t hd i 如r c n t ( b sg u a r 勰t e e s oi nt h i st h e s i s ，an o v e lq o sb a s e dc a c p o l i c yf o rt h ea s y m m e 打i ct r a 蚯cj ns y m m e t r i c a lc d m as y s t e mi sp r o p o s e d t h e b a s i ci d e ao ft h i sm e t h o di st h a t ：t h eo p e r a t o r sd e f i n et h ep r i o r i t ya n do o sa c c o r d i i l g t ot h e i rr e q u i r e m e n t s i i lo r d e rt oi m p r o v et h er e s o u r c eu m i z a t i o n ，s o m ea s s i g i l e db u t n o tu s e dr e s o u r c ei sd i s 伍b u t e dd y n a m j c a l l yt ot h et m f f i cw i t hl o w e rp r i o r i t y c a i l a d m i s s j o nc o n t r o li se x e c u t e da c c o r d i n gt ol h er e s i d u a lc a p a c i t y 柚dt h ep r i o r j t ya n d q o so ft r a f f i c t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sp 0 1 i c yc a ng u a r a n t e et h eq o so f d i f f e r e n tt r a f f i ce f f i c i e n n y a i l di m p r o v et h er e s o u r c eu t i l i t ys 谵l l 主6 c a i l t l y i ns o m ee x i t i n gc a cp o l i d e s ，p e l e c tp o w e rc o n t m li sa s s u m e d b u ti n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 p r a c i l c a ic d m as y s t e m s ，m er e c e i v e dp o w e ri su s u a l l yh a r dt ob em a i n t a i n e da t f i x e dl e v e lb e c a u s eo fs i g n a lf 矗d i n ga n dp a t hl o s s e s p e c i a u yt h et r a n s m i s s i o no f m u l t i m e d i at 嘣f i cm a l 【e st h es i t u a t i o nb em o r ec o m p l i c a t e d n e r e f o r ec a cw i t h i m p e r f e c tp o w e rc o n t r o lf o rm u l t i m e d i at 豫砸cw i l lb em o r cs i g n i f i c a n t i nt h j st h e s i s ， t h es y s t e mc a p a c i t yw i t l li m p e r f e dp o w e rc o n t m la n do t l l e r - c e l li n t e d ! e r e n c ef a c t o ri s a n a l y z e d a n dt h e naq o sb a s e dc a cp o l i c yi sp r o p o s e d t h es j m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h es y s t 锄c a p a c i t yi sa 丘e c t e db yi m p e r f e c tp o w e rc o n t r o lo b v i o u s l y a n d t h i sp o l i c yc a ng u a r a l l t e et h eq o sf o rd i 眙r e n tt m m c e f f i c i e n t l y 1 【e yw o r d s ：c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，m u l t i m e d i at r a 箍c ，q o s ，a s y m m e t r i ct f a 缁c ， i m p e r l - e c tp o w e rc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 论文背景与国内外现状 现有以g s m 、l s 一9 5 为代表的第2 代移动通信系统( 2 g ：t h e2 n d g e n e r a t i o n ) 为语音通信业务的数字化、无线化提供了可能。随着移动通信、数 据通信和互联网的飞速发展与日益融合，以及移动用户对业务多样性需求的不 断增长、对服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c c ) 要求的进一步提高，2 g 系统已 逐渐不能满足需要，这导致具有更高发送速率、更大容量、服务更灵活、能够 提供多媒体业务的第3 代移动通信系统( 3 g ：1 1 l e3 t dg e n c r a t i o n ) 标准得以制 定，并将投入大规模商业运营。在基于c d m a 技术的3 g 系统中，将提供多媒 体业务的传输。业务的多样性、q o s 要求的严格性以及无线资源的稀缺性等 系列因素，致使无线资源管理( r r m ：r a d i or e s o u 咒em 柚a 2 c m e n t ) 成为3 g 系统中一个重要研究课题。在这样的系统中，无线资源不再限于频谱资源，还 包括码字资源( 用以区分小区信道和用户) 、功率资源( 适宜的发射功率有助于 最大程度地减小用户间或小区间的干扰) 、时隙资源( 无线资源中可供分配使用 的最小时间单位) 、基站资源( 基站是移动用户连接进入系统的必需资源) 等。 r r m 涉及到无线通信资源的分配与维护，是无线通信网络设计、控制与管 理中极为重要的一部分。由于无线频谱资源的有限性，在给定资源下，系统性 能将依赖于r r m 机制与策略，包括多址接入技术、呼叫允许控制( c a c ：c a l l a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 策略、切换控制、功率控制、分组调度，以及拥塞控制等， 其中c a c 是r r m 中最为重要的部分。c a c 首先是在a t m 网络中提出的。 a 1 m 论坛与r r u t 对c a c 的定义为：对于一个已知呼叫连接请求，根据新连 接的业务特征、要求的q o s 和网络资源( 如现有连接已占用的链路带宽、缓冲 区) ，与当前状况进行比较，决定是否接纳一个新连接。c a c 的目标是在保障 所有已接纳连接的q o s 的前提下，接纳尽可能多的新连接，充分利用网络资源。 c a c 的控制目标包含两方面：一要满足用户q o s 要求；二要最大限度利用通信 系统资源。 c d m a 系统与f d m a 系统和t d m a 系统有很多不同点。在f d m a 和t d m a 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 期间) ，当新连接产生时，c a c 利用来自负荷控制和功率控制的负荷信息估计 上、下行链路负荷的增加，负荷的改变依赖于流量和质量等参数，若超过上行 或下行链路的门限值，则不允许接入新的呼叫。cac算法给出传送比特速率、 管理承载映射、发起强制呼叫释放、强钢频率阃或系统闻的切茗耀隰港， 蓥珞麓塑嚣蓍衰瑟蚕霸嶷囊幕糯菇懈臻藕制堪拦扇穹珠碟肇瑚。璀膨草饵 龠萎碍悯隧慷- 刑潮谍；篷鼬。捌”擎巳 醚蚓蚪墟垡业辩：! f l 峨瀑聊挈伊彰烈型 凝坦i 撕蕺；剡题潍m 算鹾直t 佞猹盐骥鬯娶秫壤氆垮每蟮薹薹耋站的：功壅? 垒 圳搿蚓要冒委婆郡别妻睾土到；嚣鞭掣篁强璎斟嗓翌笼篓强型翌鹭裂重是j 爹 塑型爱蓑蔫嚣鼬随明麓鳢戳剃是o c 中值得考虑的重要闯题。 由以上可知，在基于c d ma 技术的无线多媒体通信网络中，按照3 g p p 标 准和网络中业务的实际情况对业务进行分类和建模，并定义符合其各自要求的 q o s ，同时考虑业务的非对称性和功率控制的非理想性，在此模型下制定c a c 策略是十分有意义的。 1 3 论文主要研究方法及结构安排 本文采用仿真的方法对基于c d m a 技术的无线多媒体通信网络中的c a c 策略进行了分析和研究。对网络中的业务进行了分类建模，主要分析了m a r k o v 模型和m p e g 4 模型，以及自相似模型。本文的算法分析均是在以上几种模型 下完成的。 全文共分6 章，其中第2 章到第5 章是本文的重点章节，是对作者在硕士 研究生阶段所做研究工作的详细介绍。 在第1 章介绍了本文的研究背景，当前无线通信系统中队c 的研究情况， 以及本设计的研究意义和论文的基本结构。在第2 章中，对无线通信系统中资 源管理进行了简单的介绍，包括切换控制、c a c 、功率控制和分组调度。在第 3 章中，针对目前无线多媒体网络的特点，对网络中的业务进行了建模，其中语 音业务采用o n 0 f f 模型，视频业务采用m a r k o v 和m p e g - 4 模型，数据业务 采用目前因特网普遍使用的自相似模型，并着重对m a r k o v 和m p e g 4 的建模 方法进行了介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 的处理，可以采用传统i p 网络的尽力而为模式，不进行资源预留。与交互类型 业务类似，当用户激活背景类业务时，网络首先对该类用户进行接入控制，判 断网络是否有剩余容量接入该用户，如果有容量则允许该用户接入，但是并不 给该业务预留带宽。当系统拥塞时，允许对该类型用户进行丢弃操作。背景类 业务对时延和时延抖动要求较低，采用尽力而为方式进行转发，可以借用前面 几种业务未使用的容量i ”】。 2 3 呼叫允许控制策略的研究方向 基于c d m a 技术的无线通信网络和多媒体技术的发展都已进入到的一个新 的阶段，更高的业务需求和q o s 需求使得c a c 策略的研究面临着新的方向【3 2 j 。 2 3 1 基于非对称业务的c a c 策略 近年来，彩信、彩铃、可视电话、等多媒体业务开始引入到无线网络 中。些多媒体业务除具有占用带宽资源多、实时性要求高等特点外，还呈现 上、下行链路业务量的非对称性，大量的数据将在下行链路传输，而上行链路 无数据或仅有少量数据传输。因此，有必要针对上、下行链路的不同业务占用 情况，制定o c 策略。 考虑到上、下行链路上业务的不对称性，可以相应的为上、下行链路分配 不同的资源【3 3 ”j 。考虑实时性和非实时性两种业务，其中实时性业务为对称业 务，非实时性业务为非对称业务，由于大量数据通过下行链路传输，因此为下 行链路分配更多的资源。那么如果过多的接入实时性业务将导致下行链路资源 利用率不高，接入过多的非实时性业务将导致上行链路资源利用率的降低。为 避免此种情况，将上行链路的资源分为3 部分：保护信道、公共信道和非实时 性业务信道。其中保护信道为实时业务的切换呼叫所使用，实时业务的新呼叫 和非实时性业务的切换呼叫可以使用公共信道，非实时性业务的切换呼叫和新 呼叫均可使用非实时性业务信道。根据网络中的业务情况，动态的调整非实时 性业务信道的数目，以此来提高系统的资源利用率，降低呼叫的阻塞率。 在c d m 椰d 系统中，可以为上、下行链路分配不同的时隙【3 5 l 。通过计 算上、下行链路的业务量来调整时隙的转换点，选择最佳的时隙转换点，从而 降低各类业务的阻塞率，并提高系统的资源利用率。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 由于非对称的业务情况相对比较复杂，在以上几种算法中，均采用比较简 单的业务模型，并使用理想的功率控制。虽然为上、下行链路分配了不同的资 源，但一旦分配之后，资源就不再发生变化，随着v b r ( v b r ：v a r i a b l eb i tr a t e ) 实时性业务在系统中所占比例的不断增加，这并不能完全提高系统的资源利用 率，所以，有必要根据网络中的业务情况，来实时的改变系统的资源分配。 2 3 2 基于非理想功率控制的c a c 策略 c d m a 系统中由于各个用户使用同一频率，形成了系统内部的相互干扰。 尽管c d m a 系统中不同用户可以使用不同的扩频码来加以区分，但对于解调器 来说，其抗干扰特性决定了能接收的干扰信号强度是有限的。为了减少离基站 距离近的用户对离基站距离远的用户的信号压制，c d m a 系统需要调整终端的 发射功率，使得各个终端到达基站的功率基本相同，这就需要功率控制。 o 屹的一个目标就是保证业务的q o s ，而信噪比( s m ) 作为一个接入准 则就可以保证业务的q o s 。当系统接收到的s m 小于阈值s 瓜n i 时，即可拒绝 其接入。在以往的一些算法中，为简化起见。在计算s 球时均采用理想的功率 控制，即各用户到达基站的功率均相等。但在实际情况下，由于各用户所处的 地理位置、传播环境等的不同，到达基站的功率也有所差别，因此，研究非理 想功率控制下的c a c 策略将更具有实际意义。 基于非理想功率的c a c 算法计算复杂度较高，多年来一直处于c a c 策略 研究的尖端【摊3 8 1 。为简化计算，在大多数基于非理想功率的c a c 算法中，均采 用了相对简单的业务模型和接入策略，而采用符合网络实际业务情况的业务模 型的基于非理想功率控制的c a c 算法将成为又一个研究难点。 23 3 基于全i p 的分组网络的c a c 策略 与传统的电路交换相比，基于全i p 的分组交换具有线路利用率高、成本低 等特点，正逐渐成为未来无线通信网络的核心技术。研究基于全i p 的分组网络 的c a c 策略将更具有现实意义。 在基于全i p 的分组网络中，c a c 面对的主要对象将不再是连接，而是分 组数据，相应的q o s 参数也将发生变化，不但要考虑连接的阻塞率，还要考虑 分组丢失率、延迟和延迟抖动等参数。对时延不敏感业务，当网络资源不足时， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 在通信系统中通常认为话音恒定比特率( c b r ：c o n s t a mb i tr a t e ) 业务， 话音用户在通话的过程中通常分为两个状态：激活状态和休眠状态。在激活状 态话音业务以r 山i t s 的速率传输，而在休眠状态传输速率为o ，即没有数据传输。 因此，话音业务可采用0 n o f f 模型，如图3 2 所示，从o n 状态向o f f 状态转换 的速率为“，从o f f 状态向o n 状态的转换速率为a ，用户处于o n 状态和o f f 状态 的时间分别服从均值为肛d 和肛d f f 的指数分布，那么话音业务的激活因子为： 4 ，叫d 以d 叫d f f ) 。因此话音业务的平均传输速率为口风。 a 3 2 2 视频业务模型 “ 图3 - 2 话音业务模型 ( 1 ) 马尔可夫模型 可视电话业务1 3 l ，4 7 ，4 8 】是数据通信中一种新的应用，它是连续性的单方向数 据流。在一个完整的数据流内，尽管并不要求很低的传输时延，但必须保持信 息实体间的时间关系。 图3 - 2 可视电话业务模型 可视电话业务模型通常采用状态离散而时间连续的马尔可夫过程1 5 】，如图 3 - 3 所示。它的到达时间和服务时间仍然服从泊松分布和负指数分布，其实现过 程和话音业务一样。视频电话业务中，视频数据比特率被量化成有限的离散等 级( 0 ，爿， 别) 。在各等级间的转换概率服从指数分布。状态转换速率祈口疗 依赖于现有的等级，并可以由公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 获得： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 a t 3 9 一序 卢= 3 9 ( 1 + 5 0 4 4 4 5 8 m ) 式中为总的视频资源，m 为量化等级。 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 对视频用户进行如下假设：当它在弘等级时它以，灯k 的数据率传输分组。 这里，r 甜是分组传输中的基本速率。 令状态5 m ) 表示用户在第，1 个时间片内所处的速率等级。若用户在第n 个 时间片内处于第j 个速率等级，则其下一状态s + j ) 的等级转移概率是由公式 ( 3 3 ) 得到： q o ( n + 1 ) lj + 叩l s ( h ) l ，) _ i ( 1 一e x p ( 一( + 弘，) d ) ) ， i + p l 。 i r 等( 1 一e x “一( - + 肛) ) ， l 杠l 。 c x p ( 一( + p j ) d ) ， 若竹= l 若”一1 ( 3 - 3 ) 若竹一o 其中，乃= ( 巧) a ，砖i 泸，矗为时间片的长度。当，7 为1 时表示向下一等级跳转， 为一1 时表示向前一等级跳转，为0 时则表示仍留在本等级。根据这个概率可以 得到视频用户的下一状态，从而计算出下一状态的传输分组的数据率。 ( 2 ) m p e g 4 模型 随着传统视频行业的数字化、网络化，在网络上进行视频传输的需求越来 越多，而视频业务又具有实时性要求较高，数据传输率大，占用带宽资源多等 特点。目前，网络传输视频面临着以下问题1 4 9 】： 1 ) 网络资源( 主要是带宽) 不足； 2 ) 视频数据在传输过程中，网络资源、误码和丢包率等都是动态变化的： 3 ) 网络的异构性和用户的不同需求，使得网络视频应用面临着不同的q o s 的需求。 对未经压缩的图像存在着极大的冗余，因此需要对视频数据进行适当的压 缩处理。m p e g 一4 编码针对这些问题，均有有效的应对策略，因此，被广泛应 用于视频传输，特别是低码率的视频传输。 m p e g - 4 采用了基于内容相关性的压缩算法。对于帧内压缩，利用图像自 身的相关性主要采取基于d c t 的变换编码技术( i 帧，i n t r a ? i c t u f e s ) ，用于减少 一 亘童奎墨查兰堑主墅窒兰兰篁笙塞 茎! ! 蔓 - _ - _ _ _ 。_ _ _ _ 一一 图3 - 4 m p e g - 4 视频帧 一种简单有效的m p e g 4 视频业务建模方法是利用m p e g 4 视频的帧特性， 采用基于h a d a m a r d 变换的帧级模型，来模拟视频业务【删。它仅需要基于小波 变换的帧级模型一半的参数，可以精确的匹配实际轨迹数据的统计特性。并且 它得到的数据与实际轨迹的数据非常吻合。 这个模型包括两个部分：参数估计部分和实时业务数据产生部分。第一个 部分是从实际轨迹文件中获得模型参数，第二部分是使用过的的参数产生实时 和随机的m p e g 4 业务数据。 首先进行参数估计。m p e g 4 由g o p 组成，每个0 0 p 由1 2 个帧组成，排 列顺序为m b p b b p b b p b b 。由于i 、p 、b 帧采用不同的编码方法，通常呈现不 同的统计特性。当建模时应考虑到这点。因此将每个g o p 分为一个b 序列和 3 个p b b 序列。在i b b 3 帧大小的后面加一个o ，这个4 个数构成一个4 维列向 量，记为y ( j ) ，使用同样的方法，将3 个p b b 序列构成3 个4 维列向量，分别 记为：z ( 3 z 一2 ) ，z ( 3 f 1 ) ，攻3 z ) ，f 是帻指数。 大量研究表明，要精确的匹配s r d 和l r d ，同时仅在时间域构建模型是十 分困难的。所以在进一步处理之前，先对y 和z 做正交变换。如果用时间尺度4 进行小波变换，不能获得参数，建模将失败。这是由于尺度4 太小了，在y 和z 内都有固定的零元素。h a d a m a r d 变换没有这样的缺点，并且比其他正交变换都 有效和简单。对y 和z 做h a d a m 鑫r d 正交变换，有： 一 亘童奎墨查兰堑主墅窒兰兰篁笙塞 茎! ! 蔓 - _ - _ _ _ 。_ _ _ _ 一一 图3 - 4 m p e g - 4 视频帧 一种简单有效的m p e g 4 视频业务建模方法是利用m p e g 4 视频的帧特性， 采用基于h a d a m a r d 变换的帧级模型，来模拟视频业务【删。它仅需要基于小波 变换的帧级模型一半的参数，可以精确的匹配实际轨迹数据的统计特性。并且 它得到的数据与实际轨迹的数据非常吻合。 这个模型包括两个部分：参数估计部分和实时业务数据产生部分。第一个 部分是从实际轨迹文件中获得模型参数，第二部分是使用过的的参数产生实时 和随机的m p e g 4 业务数据。 首先进行参数估计。m p e g 4 由g o p 组成，每个0 0 p 由1 2 个帧组成，排 列顺序为m b p b b p b b p b b 。由于i 、p 、b 帧采用不同的编码方法，通常呈现不 同的统计特性。当建模时应考虑到这点。因此将每个g o p 分为一个b 序列和 3 个p b b 序列。在i b b 3 帧大小的后面加一个o ，这个4 个数构成一个4 维列向 量，记为y ( j ) ，使用同样的方法，将3 个p b b 序列构成3 个4 维列向量，分别 记为：z ( 3 z 一2 ) ，z ( 3 f 1 ) ，攻3 z ) ，f 是帻指数。 大量研究表明，要精确的匹配s r d 和l r d ，同时仅在时间域构建模型是十 分困难的。所以在进一步处理之前，先对y 和z 做正交变换。如果用时间尺度4 进行小波变换，不能获得参数，建模将失败。这是由于尺度4 太小了，在y 和z 内都有固定的零元素。h a d a m a r d 变换没有这样的缺点，并且比其他正交变换都 有效和简单。对y 和z 做h a d a m 鑫r d 正交变换，有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 y 暇y f ? j ( 3 4 ) ；f 圳。睨z m ) n ；3 ，一2 ，3 ，一1 3 ， 其中矾是4 维h a d a m a r d 矩阵，= ，工；l f 1 2 ，是g o p 的个数， 是实际视频序列x ) 的长度。 m p e g - 4 编码方法决定了在同一g o p 内的i 、p 、b 帧具有依赖性。而且图 像的连续性和相关性以及编码方法决定了相邻的g o p 之间也有依赖性。这种相 关性呈现在相邻的i b b 和p b b 序列的h a d 踟a r d 变换系数上。使用一阶a r 模 型来简单的模拟这些相关性，假设有对角矩阵爿；，8 ；，一：和口：，满足下列两 个等式： y ( j ) 一e ( y ) - 4 ( y ( f - 1 ) 一e ( ) ) ) + b p 。( f ) 。 。 ( 3 - 5 ) z m ) 一e 0 ) 一( y ( f ) 一e ( y ) ) + 曰e ：0 ) 珂_ 3 f z 卫一l 型 y z 其中e ( ；) 和e ( ；) 分别为；( f ) 和；o ) 的均值；s ，( f ) 和s ：) 为4 维列向量，由4 个 独立正态分布的随机变量构成。 令；( f ) 和：伽) 的第i 个元素分别为；j ( f ) 和；。( 。) ，计算下列统计值： 鼢一圭套羹“) e 泓圭薹釉 ) - 三砉锄厕 r 。吉蒌y c 弧( ) 1 l 13 月：，( o ) 。壶争m ( n ) 1 3 “ 尺珏( o ) 2 壶酗( 卜3 m o ) ) ) ) ) ) ) ” 粥 蛐 加 m 0 0 0 0 o b 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 令一；的第f 个元素为；( ) ，同理标记b ；，爿；和b ：，使用标准统计方法， 得到如下最优估计： 只( 1 ) 一2 ( y 。) 4 ( f ) 一j l _ _ ( 3 。1 2 ) r ( d ) 一2 ( y 。) 厂- 丑( f ) _ 、( 1 一爿j ) ( r ( o ) 一e 2 ( 儿) ) ( 3 1 3 ) yvyy 胄( o ) 一e ( 奠) e ( 乏) 一g ) - j 也_ 一 ( 3 1 4 ) 2 月( 0 ) 一2 ( y j ) 色伊也( 0 ) 一欧z ) 一4 ；( 尺；( o ) 一e 2 忒) ) ( 3 - 1 5 ) 接下来可进行第二步，& 口实时数据的产生。在得到 ，丑；，一：，口：和工( p 的累积分布函数最g ) 后，就可以得到具有随枧长度的m p e g 一4 业务数据。建模 过程包括i b b 产生块和p b b 产生块，如图3 5 所示。在初始化步骤，；( o ) 设为 e ( ；) 。 图3 5 基于h a d a i i l a r d 变换的帧级模型 1 b b 产生块包括如下过程： ( 1 ) 随机产生4 个独立正态分布的值，记为4 维列向量s 。( ! ) ： ( 2 ) 基于前一个i b b 序列系数；( f 一1 ) ，用如下公式得到当前i b b 序列系 数；( f ) ： y ( f ) - 一( y u 一1 ) 一e ( y ) ) + b ( ，) + e ( y )( 3 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 与它的m 聚集序列有相同的自相关函数，即 r ( 七) - e ( 一p ) ( + 一f ) 盯2 ，七- 1 ，2 ，3 ， ( 3 2 0 ) 也可以说，这个序列在分布上是自相似的：聚集序列的分布与原序列的分布 是相似的。 自相似过程显示长相关性【5 2 1 。如果一个过程的自相关函数，鳓。口，其中 0 卢：1 。当七一8 ，那么这个过程就是长相关的。自相似模型只需要唯一一个参 数席，它描述了时间序列的自相关程度【5 2 】。这个参数也表示了自相关函数的衰 减速度。该参数称为h u r s t 参数h ，且月= 1 酬2 。对于表示网络业务流量的自相似 序列，其h u r s t 参数的取值范围为1 2 日 o ，则允许接入；否则： 剥夺第4 类业务的资源，将其部分挂起，转到( 1 1 ) ： 若已执行，挂起部分第3 类业务。转到( 1 1 ) ； 若、都已执行，将第2 类业务的速率降级，转到( 1 1 ) ； 若、都已执行，则将其阻塞掉：转到( 1 1 ) 。 ( 2 ) 对于视频业务( 可视电话) 2 。1 ) 若此刻的归一化剩余容量矗( n ) zc ，则允许接入；否则： 剥夺第4 类业务的资源，将其部分挂起，转到( 2 1 ) ： 若已执彳亍，挂起部分第3 类业务，转到( 2 ，1 ) ； 若、己执行，计算系统此时的可用速率，当高于预先设置的门 限速率时，使其以门限速率传输，否则将其阻塞掉；转到( 2 1 ) 。 ( 3 ) 对于交互类数据业务 3 1 ) 若此刻的归一化剩余容量石f ) 幻，则允许接入；否则： 剥夺第4 类业务的资源，将其部分挂起，转到( 3 1 ) ； 若已执行，则将其阻塞掉；转到( 3 1 ) 。 ( 4 ) 对于背景类数据业务 4 1 ) 若此刻的归一化剩余容量z 0 ) zn ，则允许接入；否则： 直接将其放入队列中缓冲，计时器开始计时； 者计时起未超时，接入，否则阻塞掉。转到( 4 1 ) 。 其中，n ，6 ，c 分别为小于1 的常数。 4 3 ，3 呼叫允许控制策略性能指标 这里选择的系统性能指标包括阻塞率、系统中断率和系统服务等级g o s 【3 8 】。 定义系统中断率为： k 。竺生噤塑堕p 1 1 ) 其中，n “州斟表示事件茗发生的次数，丁为总的仿真次数，m ，嚣为各业务的剩 余容量门限。 一般情况下，系统性能指标除以上提到的阻塞率和系统中断率外，还包括 延迟、包丢失率等，由于本章只考虑了阻塞率和系统中断率，因此，g o s 为阻 塞率与中断率的加权评估指标： g o s = m 最如畦+ n e 。悱( 4 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 景类数据业务具有最低的优先级，语音、视频及交互类数据业务均可以剥夺它 的资源，因此它具有最高的中断率。图4 8 为在不同的叭，l 下系统的g o s ，由 图中可以看出，当肌较小时，系统的g o s 较大，即阻塞率对g o s 的影响较大。 从仿真结果中可以看到，本章提出的方法在很大程度上改善了系统性能。 图4 9 4 1 0 给出了在w r p 中交互类和背景类数据业务在不同的预留情况 下的阻塞率，采用l o 中预留情况， c ，6 ，口 分别取为 1 ，1 ，1 ) ， 1 ，1 ，2 ， 1 ，2 ，3 ) ， 2 ，3 ，5 ) ， 2 ，4 ，5 ) ， 3 ，5 ，7 ) ， 3 ，5 ，8 ) ， 3 ，6 ，8 ) ， 3 ，6 ，9 ) ， 4 ，7 ，1 1 ，。从图4 9 中可 以看到，在某一到达率下，随着6 值的增加交互类数据业务的阻塞率也随之增 加。这是由于当6 增大时，交互类数据业务的可用资源逐渐减少，因此其阻塞 率不断增加。背景类数据业务的情况与交互类数据业务相同。从图4 9 和4 1 0 中可以看到，在第8 中预留情况下，即6 = 6 时交豆类数据业务的阻塞率明显增 加，同样在该种预留情况下，即c = 9 时背景类数据业务的阻塞率明显增加。由 此可以认为，视频、交互类和背景类数据业务可用的最大资源应分别大于o 9 6 、 0 9 4 和o 9 1 。4 ，6 ，c 的取值可根据不同的需要进行动态的调整，在本章中，认为 c = 3 ，刍= 5 ，4 = 8 是一组比较合理的取值。 4 5 小结 本章针对现有研究成果，以目前无线多媒体网络中业务实际情况为基础建 立业务模型，并结合因特网中的自相似模型，提出了一种基于剩余容量的动态 c a c 方法。首先以c d 系统为例，给出了计算系统中归一化剩余容量的方 法，然后在此基础上给出了一种基于剩余容量的c a c 策略，按照3 g p p 的标准 定义4 类业务的优先级，为具有高优先级的业务预留一部分资源，并且在系统 资源不足时，令其可以剥夺具有低优先级业务的资源。由 x 一 亘童奎曼查兰受主要塞奎兰鱼笙塞 蔓! ! 蔓 _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ ，一 第5 章一种新的对称c d m a 系统中非对称业务下的呼 叫允许控制策略 5 1 概述 未来移动通信系统将支持越来越多的多媒体业务，而其中的流媒体业务具 有数据率大、占用带宽资源多、实时性要求高等特点，而无线多媒体网络中的 瓷源却相对有限。另外，在信息传输方向上，多媒体业务将呈现非对称性。由 于现有系统带宽资源的对称性，系统中将存在分配而未用的资源，这对有限的 无线资源来说是一种浪费。因此，如何尽可能多的接纳多媒体业务，同时保证 网络中各类业务的q o s 要求，并充分利用无线网络的资源，成为无线多媒体网 络中c a c 的一个主要目标。 基于q o s 保证的c a c 算法是近年来研究的热点问题。优先级定义、资源 预留及队列缓存是c a c 算法中保证q o s 的有效策略【5 ，6 7 耳1 1 。但这这些方法中， 业务模型均较简单。随着多媒体技术的不断发展，口t v 业务也将逐渐成为无线 网络中的热门业务，因此有必要考虑i p l v 业务的接入控制策略。在考虑上下行 链路的c a c 方法中【魄7 2 1 ，通常认为上下行链路中的业务是对称的，而随着非对 称业务的不断增加，这种方法已经无法满足业务接入要求。 3 g p p 按照多媒体业务的q o s 要求对网络中的业务进行了分类。然而，根 据自己服务对象的特点，各运营商之间承载的业务将有所不同，对网络中业务 的q o s 要求也各有定义，传统的预先定义网络中各业务优先级及其q o s 要求的 方法将不能满足各运营商之间的不同要求。另外，由于非对称业务的存在，有 必