（计算机应用技术专业论文）无线多媒体网络中保障qos的分组调度与资源分配研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文中文摘要 中文摘要 为移动终端提供多种业务服务，是未来无线通信网络的主要发展方向。由于多媒体 业务的巨大商业空间和第三代移动通信系统的逐渐成熟，网络运营商和服务提供商越来 越看重如何在有限的带宽资源下高质量地为更多终端用户提供服务，这就对无线多媒体 网络的资源分配与优化提出了更高的要求。 在不增加网络设备投资的前提下，通过优化策略提高用户的服务质量和运营收益。 结合未来多种业务的不同特性和要求，合理高效地使用有限的带宽资源，同时保证各类 业务不同级别的q o s ，较精确地建立多媒体网络模型并进行仿真试验，客观有效地评价 q o s 参数，是本文希望解决的主要问题。 论文第一章介绍了本篇论文的背景，当前无线多媒体通信系统的发展状况以及本文 的章节安排。第二章主要介绍了c d m a 系统的q o s 和无线资源管理。 论文第三章首先分析了无线分组网络的调度机制，然后对近几年多业务分组调度机 制的研究现状进行了总结，提出了一种基于优先级和动态权重的分组调度算法，并给出 了数值分析和仿真结果。结果表明，本文提出的算法在保证各类业务时延、系统平均有 效吞吐率和丢包率，同时也兼顾了高优先级业务的服务质量。 论文第四章在分析目前有关可升降级带宽分配策略的基础上，并结合第三章的分组 调度算法和接纳控制，提出了一种保障q o s 的动态带宽分配与优化策略，并给出了数值 分析。仿真表明，该策略较以往策略对系统性能有很大的改善，并同时保证了高优先级 业务的q o s ，降低了高优先级业务的阻塞率。 最后总结了全文，并提出了未来的展望。 关键词：多媒体，无线资源管理，服务质量，优先级，分组调度 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s u p p o r t i n gm u l t i t r a f f i c si st h ed i r e c t i o ni nt h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s w i t ht h et h i r d g 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 mg r a d u a l l ym a t u r i n g ，n e t w o r k o p e r a t o r sa n ds e r v i c ep r o v i d e r sa r es h o w i n gt h e i re n t h u s i a s mo nt h ee n o r n l o u sc o m m e r c i a l s p a c eo fm u l t i m e d i at r a f f i c s t h e r ei sg r o w i n gi n t e r e s ti np r o v i d i n gs e r v i c e st om o r et e r m i n a l s w i t hh i g hq u a l i t y i tw i l lb r i n gm a n yc h a l l e n g e sa n dh i g h e rd e m a n d so nw i r e l e s sm u l t i m e d i a n e t w o r k sr e s o u r c ea l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t em u l t i m e d i aw i r e l e s sn e t w o r k sw i t hq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) s u p p o r t e d i no r d e rt o g e tb e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c ew i t h o u ta n yo t h e r i n v e s t m e n t c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tt r a f f i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t s ，a l l o c a t i n gb a n d w i d t hr e s o u r c e s r e a s o n a b l ya n de f f i c i e n t l y ，m o d e l i n gm u l t i m e d i an e t w o r k sa c c u r a t e l ya n de v a l u a t i n gt h eq o s p a r a m e t e r so b j e c t i v e l y ，t h e s ep r o b l e m sh a v e b e e ns o l v e di nt h i st h e s i s i nc h a p t e r1 ，w eg i v et h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a t i o no ft h es t u d y t h e n ，t h e r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta n dt h em u l t i m e d i aq o so ft h ec d m as y s t e m si nw i r e l e s s n e t w o r k sa r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r2 i nc h a p t e r3 ，w ef i r s ta n a l y z ea n ds h i nu pt h er e s e a r c ha c t u a l i t yo fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi n t h ew i r e l e s sp a c k e t - s w i t c hn e t w o r k s m e a n w h i l ew ei m p r o v e dp r i o r i t ya n dd y n a m i cw e i g h t e d - b a s e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h i ss c h e d u l i n g a l g o r i t h mg u a r a n t e et h et r a f f i c s d e l a y ，a v e r a g et h r o u g h p u ta n dl o s s ，w h i l et a k i n gi n t oa c c o u n t h i g h p r i o r i t yt r a f f i cc l a s s sq u a l i t y b a s e do nt h ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mp r o p o s e di nc h a p t e r3a n dt h ea d m i s s i o nc o n t r o l ， aq o sg u a r a n t e e dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e di n c h a p t e r4 s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ni m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c ea n dr e s o u r c eu t i l i t yc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls c h e m e s t h es c h e m ec o u l d g u a r a n t e et h eu s e r s q o s ，r e d u c et h eh i g hp r i o r i t yt r a f f i c s b l o c k i n gp o s s i b i l i t y f i n a l l y ，t h et h e s i si sc o n c l u d e da n dt h ef u t u r ew o r ki sp r o p o s e d i i 南京邮电大学硕上研究生学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：m u l t i m e d i a , r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，p r i o r i t y ， p a c k e ts c h e d u l i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 2 gt h e2 n dg e n e r a t i o n第二代 3 gt h e3 r dg e n e r a t i o n第三代 3 g p pt h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t第三代合作伙伴计划 a m c a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g自适应调制编码 c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c s m ac a r r i e rs e n s e rm u l t i a d d r e s sa c c e s s载波监听多点接入 c a cc ! o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r o l连接接入控制 c b rc o n s t a n t sb i tr a t e恒定比特率 aq o sg u a r a n t e e d d y n a m i c b a n d w i d t h 一种保障q o s 的动态 d b a s a l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t r a t e g y带宽分配与优化策略 e d g ee n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg l o b a le v o l u t i o n增强型数据速率演进 f d m a f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 f t pf i l et r a n s p o r tp r o t o c o l s文件传输协议 g p s g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g广义处理器共享 i m si pm u l t i m e d i as u b s y s t e mi p 多媒体子系统 i pi n t e r n e tp r o t o c o l 网际协议 m i m o m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t多入多出 m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制层 5 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文图表清单 图表清单 图2 1u m t s 的q o s 框架6 图2 2 上行链路负荷曲线和由新用户引起的负荷增量的估计。9 图2 3 分组调度示意图1 2 图3 1p d w s 算法调度步骤2 5 图3 2 网络拓扑结构图2 6 图3 3 分组传输时延对比2 8 图3 4 系统平均有效吞吐量对比2 9 图3 5 丢包率对比2 9 图4 1 语音业务模型3 4 图4 2 视频流媒体业务模型3 4 图4 3 用户到达事件的处理流程3 7 图4 4 呼叫结束处理流程3 9 图4 5 各类业务阻塞率4 3 图4 - 6 不同业务比例下的数据业务时延4 4 表2 1u m t s 四种类型的q o s 业务7 表3 1 仿真参数设置表2 6 表3 - 2 业务q o s 参数表：2 7 5 2 南京邮电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 含为获得南京邮电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：刍红蜓 f li i ：五型墨：生譬 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：羞生鲎乏一# l , f l i 签4 9 ：墨燃日期：翌业扩 南京邮电人学硕十研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着移动通信、数据通信和互联网的飞速发展与日益融合，以及移动用户对于支持 语音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输的需求不断增长，对服务质量( q u a l i t y o fs e r v i c e ，简称q o s ) 要求的进一步提高，2 g ( t h e2 n dg e n e r a t i o n ：第二代) 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 业务的第三代移动通信系统标准得以制定，并将投入大规模商业运营。在基于c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ：码分多址) 技术的3 g ( t h e3 r dg e n e r a t i o n ：第三代) 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 稀缺性等一系列因素，致使无线资源管t 里( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，简称r r m ) 成为 3 g 系统中一个重要研究课题。 目前，在已经投入使用的移动通信系统中，3 g 系统是最为先进的，具体表现在【l j ： 具有可变的高速数据率，在快速移动环境下，最高数据率达1 4 4 k b i t s ；同时提供高速的 电路交换和分组交换业务，虽然在窄带c d m a 与g s m 移动通信业务中，也能提供电路 交换和分组交换，但两者却很难同时提供；提供更大的通信容量和覆盖范围，3 g 系统的 宽带c d m a 可以使用更宽的信道或小区使用更多的载频，从而可以提供更大的小区容 量，同时为用户提供更好的统计平均效果；满足对时延敏感的实时业务到比较灵活的尽 力而为型的分组数据的时延要求；具有较高的频谱利用率，相对于2 g 系统，3 g 系统的 频谱利用率有了普遍提高，特别是我国提出的t d s c d m a 技术可以提供比其他3 g 系统 更高的频谱利用率，它也体现了当今移动通信技术发展的新趋势。 根据各类业务不同的时延要求，3 g 系统将其提供的业务种类划分为以下四大类【2 3 】： 第一类是会话类业务( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) ，这类业务对时延很敏感，如视频电话业务和 话音业务( 包括电路交换的话音业务及基于i p 的分组话音业务) ：第二类是流媒体类业务 ( s t r e a m i n gc l a s s ) ，这类业务对时延较为敏感，如m p 3 在线播放、网络电影等业务。相 对于会话类业务而言，流媒体类业务因为采用了缓存机制，因而能够容许一定的时延变 1 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文第一章绪论 化；第三类是交互类业务( i n t e r a c t i v ec l a s s ) ，这类业务对时延要求较低，如w e b 浏览， 数据库检索等业务。为保证更好的响应时间，应当为这类业务不同的流赋予不同的优先 级；第四类是背景类业务( b a c k g r o u n dc l a s s ) ，这类业务对时延不敏感，如e m a i l ，短消 息，文件传输业务等，即传统的尽力 而为( b e s t e f f o r t ) 型业务。这四类业务中，会话类业 务与流媒体类业务属于实时业务，可以采用面向连接的方式传输；交互类业务与背景类 业务属于非实时业务，可以采用无连接方式传输。除会话类业务外，其余3 种都是变比 特速率业务，因此给传统以话音业务为主的资源分配策略带来了新的挑战。不同的业务 具有不同的q o s 要求，比如实时话音业务对时延敏感，但允许1 0 。3 量级的较高误码率， 非实时数据业务对时延不敏感，但要求极低的误码率，通常在1 0 石到1 0 母量级【4 】。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 保证， 同时充分利用有限的无线频谱资源，是基于c d m a 技术的3 g 系统、以及未来无线个人 通信系统都必须致力解决的问题【5 捌。 在多媒体业务中，q o s 的定义也相应地发生了一些变化。由于下一代网络将是以i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 技术为主体，将三网逐渐合并，支持多媒体传输的网络技术，如时 延、抖动、分组丢失等用来度量网络性能的一组综合参数就定义为q o s ，因此，传统的 尽力而为( b e s t e f f o r t ) 型服务已经远远不能满足要求。那么，为了有更加可靠的传输，对 不同的业务进行合理的分类和等级划分，并且给每类业务定义符合其自身要求的q o s ， 根据各自的q o s 进行资源分配与优化，就显得更加重要。 综上所述，目前国内外投入到多媒体网络的资源管理工作主要是通过提出分业务的 服务模型和分q o s 保障级别的服务模型，通过适当的连接接入控制( c o n n e c t i o n a d m i s s i o nc o n t r o l ，简称c a c ) 策略和资源预留机制来完成资源的动态分配【i o - 1 4 1 。不足 主要有以下四点： 第一，缺乏人性化的q o s 评判准则，以往的研究工作通常把着眼点放在系统性能( 带 宽利用率，运营成本) 的提高上，但作为q o s 提供的重要承受者一用户，我们忽略了用 户本身受q o s 降级策略的影响。 第二，未实现真正意义上的“多媒体 ，大多数研究成果仅基于话音数据模型，没 有考虑其他两种业务，极少数研究考虑到流媒体业务，又对变比特速率业务重视不够， 造成资源浪费和q o s 不能得到保证的两难境地。 一2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第三，“一次性资源分配，缺乏系统级别上对资源的再分配与再优化的考虑。一 般来讲，在网络资源丰富的情况下，即使用户可以容忍一定程度的q o s 下降，但他们有 权利得到高质量的服务，并且对于不同应用侧重的网络还可以有不同的优化方案。 第四，体现不同业务优先级的分组调度策略研究工作很有限。 1 2 本文的主要贡献及章节安排 本文的主要贡献是：针对无线网络中多媒体业务源，根据不同的时延要求，为了能 在各类业务之间合理分配系统可用资源，满足服务质量的同时提高频谱利用率和系统吞 吐量，提出了一种基于优先级和动态权重的分组调度算法( p r i o r i t ya n dd y n a m i c w e i g h t e d b a s e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，简称p d w s ) 。该算法的主要设计思想： 根据优先级和动态权重来分配带宽资源给多媒体业务，优先级越高，q o s 越能得到保证。 在对多媒体业务源进行了充分的分类建模后，在此基础上以自定义的无线多媒体分 组级q o s 为主要评判准则( 同时参考传统的q o s 参数) ，综合考虑c d m a 的动态容量 特性和现有的信道分配策略，提出了一种保障q o s 的动态带宽分配与优化策略( aq o s g u a r a n t e e dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t r a t e g y ，简称d b a s ) ：在信 道的一次分配时就充分考虑不同业务级别之间的差别从而进行差别对待，即当系统资源 紧缺的时候，按优先级高低的顺序，剥夺己有呼叫的资源( 如交互类业务、背景类业务和 数据业务) ，使其降级继续接受服务或暂停服务排队等待，释放出更多的资源来保证高等 级用户或不可剥夺级别用户的q o s ：再次分配是对已分配资源的再次优化分配。 全文共分为四章，章节安排如下： 第一章是关于本文的研究背景、应用领域等方面的介绍。 第二章是阐述了c d m a 系统的q o s 管理与无线资源管理及其重要性。 第三章针对无线网络中多媒体业务源，根据不同的时延要求，为了能在各类业务之 间合理分配系统可用带宽资源，满足服务质量的同时提高频谱利用率和系统吞吐量，提 出了一种基于优先级和动态权重的分组调度算法，仿真结果表明，该算法在保证了各类 业务的公平性，提高了频谱利用率和系统吞吐量，同时也兼顾了高优先级业务的q o s 。 第四章首先分析基于c d m a 技术的无线多媒体网络带宽分配现状及存在的问题，结 合3 g p p 对各业务的q o s 要求，并结合第三章的分组调度算法和接纳控制，提出了一种 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 保障q o s 的动态带宽分配与优化策略，并进行了数值分析和仿真分析。仿真结果表明， 与一般可升降级带宽分配策略相比，在不增加硬件设施的情况下，新策略大大提高了系 统资源利用率，并可为高优先级业务提供较好的q o s 保障。 最后，总结了本文所作的工作，并对该课题进一步研究的重点方向进行展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 系统的q o s 管理与无线资源管理 第二章c d m a 系统的q o s 管理与无线资源管理 二十多年来，移动通信技术经历了从模拟调制到数字调制技术的发展。第一代采用 的频分多址( 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 ，简称f d m a ) 模拟调制方式。第二代采用 的时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称t d m a ) 的数字调制方式，虽使系统性能 大为改善，但也存在着许多不尽如人意的地方，如系统容量等。为了克服f d m a 和t d m a 两种多址方式的缺点，北美推出了i s 。9 5 c d m a 数字移动通信系统，i s 9 5 c d m a 系统 以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、发射功率低、抗多径能力强、通信 质量好、保密性能好、软容量等优点显示出巨大的发展潜力。正由于码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称c d m a ) 技术的如此多优点，它为第三代移动通信系统 所采纳。 。 随着社会进步及用户数量的急剧增长，频率资源日益紧张，对于下一代无线通信网 络，支持多媒体业务的各种q o s 需求是系统设计的一个重要环节。站在系统运营角度， 希望在不增加投资的情况下，能达到系统资源的最大利用率或容纳最多的接入用户，从 而达到效益最大化；站在用户角度，用户希望无论在何时何地，系统都能够提供足够的 资源供用户接入并服务用户，得到满意的q o s 。显然，两者利益是一个矛盾。如何在系 统资源利用率和用户q o s 满意度之间达到一种平衡是无线通信网络中无线资源管理所 要解决的重要问题。 2 1q o s 管理 q o s ，即服务质量，指的是向应用提供有区别的、有可靠保证的传输质量，即使网 络资源出现短缺，仍要求保证事先约定的端到端q o s 。 q o s 问题最开始出现于因特网中，传统的因特网只能提供无区别尽力而为的服务， 没有任何q o s 的保证，数据分组在网络中的行为是不可预测的。在2 g 系统中，以电路 交换为基础的语音业务是该系统的主要业务类型，数据业务的种类和数量均十分有限， 所以q o s 问题并不突出。随着3 g 系统的成熟与发展，实时业务、多媒体业务的比重越 来越大，q o s 成为一个至关重要的问题。 - 5 南京邮电人学硕l 研究生学位论文 第二章c d m a 系统的q o s 管理与无线资源管理 3 g 系统的目标是支持多种业务，特别是考虑到基于i p 的业务，通用无线通信系统 ( 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 ，简称u m t s ) 提出了如图2 1 所示的q o s 框架【1 5 】。端到端的q o s 保证是通过多级承载业务支撑的。从图中可以看出u m t s 承载 业务由两部分组成：无线接入承载业务( r a d i oa c c e s sb e a r e r ，简称r a b ) 和核心网承载业 务( c nb e a r e r ，简称c n b ) ，而r a b 又由无线承载业务( r a d i ob e a r e r ，简称r b ) 和i u 承 载业务组成。 t em tu t r a nc nl uc nt e e d g e g a t e w a y n o d e e n d t o e n ds e r v i c e t e ，1 1 d 【tl o c a lu m t sb e a r e rs e r v i c ee x t e r n a l b e a r e rb e a r e rs e r v i c e r a d i oa c c e s sb e a r e rc nb e a r e r s e r v i c es e r v i c e ll r a d i o l ub e a r e rb a c k b o n e b e a r e rs e r v i c eb e a r e r li u t r a p h y s i c a l f d d 厂i d d b e a r e r s e r v i c es e r v i c e jli 图2 - lu m t s 的q o s 框架 根据这个框架u m t s 将业务分成四类：会话类业务( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) 、流媒体类 业务( s t r e a m i n gc l a s s ) 、交互类业务( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 、背景类业务( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。 这些业务类型之间的主要区别是对时延的敏感程度。会话类业务对时延非常敏感但对差 错不是很敏感，背景类业务对时延不敏感但要求无差错传送。所有这四类业务均有最高 速率限制。表2 1 总结了这四种类型的q o s 业务。 会话级和流级主要用于传输实时业务流。它们之间的区别也是业务对时延的敏感程 度。实时会话业务，如视频电话，是对时延最敏感的应用，这些数据流应以会话级来传 送。交互级和背景级主要用于传统的因特网应用，如w w w 、电子邮件、t e l n e t 、f t p 和新闻。和会话级以及流级相比，由于对时延的要求不严格，交互级和背景级可以通过 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章c d m a 系统的q o s 管理与无线姿源管理 信道编码和重传，提供更低的差错率。交互级和背景级的主要区别是交互级主要用于交 互式应用，如交互式电子邮件或交互式w e b 浏览，而背景级用于后台业务，如电子邮件 的后台下载或后台文件的下载。交互式应用的响应通过另外的交互式或背景式应用来保 证。 q o s 管理必须保证可接受的端到端的时延和最大时延抖动，即在终端接收到的数据 的最大可接受偏差。在大多数情况下，q o s 需要3 方面的因素：带宽、时延和准确度【1 6 1 。 一般来说，对基于蜂窝概念的无线多媒体网络，衡量业务等级和业务质量主要的参数是， 对话音业务是新呼叫的阻塞率和切换用户的掉话率，对数据业务是平级时延和丢包率。 表2 - 1u m t s 四种类型的q o s 业务 q o s 要求 会话类业务流媒体类业务 交互类业务背景类业务 基本特征 须保持信息流须保持信息流请求一响应模信息接受端并 中各实体间的时中各实体间的时式；须保持数据不希望在某一时 间关系( 关系) ；间关系( 关系) 的完整性间段内收到数 对话模式( 苛刻 据；须保持数据 的低的时延)的完整性 客户端人人人，设备 人设备 速率要求有最高速率，也有确保速率只有最高速率限制 吞吐量实时的非实时的 时延 低时延对时延要求不低时延对时延要求不 高高 差错 对差错不敏感对差错敏感 时延变化时延抖动小不敏感 方向双向 单向或双向 双向 多为单向 对称性对称非对称 应用举例语音通话视频流网页浏览下载e m a i l 上传 网络游戏 2 2 无线资源管理 在移动通信系统中，无线资源管理负责的主要是空中接口资源的利用，这些资源包 括：频率资源，一般指信道所占用频段( 载频) ；时间资源，一般指用户业务所占用的 时隙：码资源，用于区分小区信道和用户；功率资源，一般指码分多址系统中利用功率 控制来动态分配功率；地理资源，一般指覆盖区及小区的划分与接入；空间资源，一般 指采用智能天线技术后，对用户及用户群的位置跟踪；存储资源，一般指空中接1 2 或网 络节点与交换机的存储处理能力。不同的系统，因为所采用的空中接1 2 1 技术不同，所以 利用资源的种类也不完全相同。 7 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章c d m a 系统的o o s 管理与无线资源管理 无线资源管理的目的一方面是为了提高系统资源的有效利用，扩大通信系统容量： 另一方面是为了提高系统的可靠性，保证通信q o s 性能等。但可靠性和有效性本来就互 为矛盾：要有高的可靠性( 时延、丢包率、抖动等满足业务的需求) ，就很难保证传输 的有效性( 高的数据速率) ；反之亦然。无线资源管理中的各种技术就是为了满足各种 业务不同的q o s 需求时，最大程度地提高无限频谱利用率，实现可靠性和有效性的统一。 无线资源管理是负责有效地利用空中接口资源的，无线资源管理之所以需要，是为 了确保系统的服务质量、保持规划的覆盖区和提高系统容量。无线资源管理研究的主要 内容有功率控制、接纳控制、负荷控制、切换管理和分组调度功能等。为了确保空中接 口的干扰维持在最底水平，并提高所要求的服务质量，必须进行功率控制。 2 2 1 功率控制 功率控制在无线通信系统的资源分配中占有重要的地位。一个优化的功率控制算法 可以使得系统的容量大大增加，因而提高了系统频谱使用效率。功率控制的目标是：在 为每个用户提供可以接受的q o s ，同时减少对其他用户的干扰。 c d m a 系统之所以具有较大的容量，是因为它较为有效地控制了小区内和小区间的 干扰。对于诸如话音等实时业务的功率控制算法已有了大量的研究和比较，并且在相应 系统中起到了至关重要的作用，但是针对非实时分组业务有效的功率控制算法还未引起 人们的注意。无线数据业务不同于传统的话音业务，它们的传输速率和q o s 要求都有较 大差异，这就使无线数据业务的功率控制更为复杂。对于基站而言，功率总量是有限的。 在系统负荷较大时，非实时分组业务占用功率较大，就可能有一些实时业务达不到所需 功率而不能满足相应q o s 。如果我们用对实时业务的功率控制方法对所有非实时分组业 务同时服务，将会消耗较大能量，而且降低了传输速度，延长了基站对用户的服务时间。 所以我们应谨慎地对非实时分组业务进行功率控制，来减小非实时分组业务对实时业务 的影响。 2 2 2 接纳控制 若过度增加空中接口负荷，小区的覆盖区域会低于规划值，而且不能保证已有连接 的业务质量。在接纳一个新的u e 前，接纳控制必须确认本次接纳不会破坏规划的覆盖 区域或已有连接的质量。接纳控制的责任是接受或拒绝建立无线接入承载的请求。在建 立或修改承载时，都要执行接纳控制算法。接纳控制功能位手r n c 中，在那里可获得 一8 南京邮也人学硕士研究生学位论文第二章c d m a 系统的q o s 管理与无线资源管理 来自多个小区的负荷信息。接纳控制算法将评估建立这些承载所导致的无线网络中负荷 的增加。上下行链路的评估必须分别进行。只有当上行链路和下行链路的接纳控制均可 以接纳，建立无线承载的请求才得到认可，否则就给以拒绝，以避免网络中产生干扰过 量。接纳控制的限制条件要通过无线网络规划来设置。下面主要介绍接纳控制的两种策 略： 一、基于宽带功率的接纳控制策略 在基于干扰的接纳控制策略中，如果新的总干扰电平高于门限值，上行链路接纳控 制算法就拒绝接纳新的u e ，这个门限值为： l l o t a l 一删十a i l 砒甜 ( 2 一1 ) 门限值h h 旭s h o l d 与上行链路最大底噪抬升相同，而且可通过无线网络规划设置。基于带宽 功率的接纳控制如图2 2 所示。上行链路接纳控制算法通过使用导数法或积分法来估计 负荷增量，上行链路功率增量的估计方法考虑了上行链路负荷曲线。 _ 负荷口 图2 - 2 上行链路负荷曲线和由新用户引起的负荷增量的估计 二、基于吞吐量的接纳控制策略 在基于吞吐量的接纳控制策略中，如果式( 2 2 ) 成立，则发出请求的u e 被接纳进入 无线接入网络。 7 7 眦+ a t r 观曲砌删 ( 2 - 2 ) 下行链路也同样： 刁脱+ a l 1 0 ，说明如果该批量业务 元按照平均速率，接受服务，其业务的q o s 就能够得到保证；d ， 0 ，说明该批量业务 元即使按照平均速率，分配带宽，仍然不足以满足该业务的时延要求。d ，越小，批量业 务元实际得到的服务容量与q o s 要求的服务容量越接近，批量业务元的性能对服务容量 的变动越敏感，优先级也就越高。 我们根据业务元的时延差值，为每批业务元分配一个优先级( 1 , 2 ，上) 。优先级三 是最高的，则说明需要最大程度的保护该批业务元。在第k 个会话中，第f 批业务元的 权重舒( d 是由该批业务元的优先级决定的。可在 w i ( 助，耽( 吼，w ( 妨) 里面进行选择，且 w i ( 助w 2 ( d w l ( 助。一般来说，如果第f 批业务元的优先级是，则g , ( k ) - - w t ( k ) 。从 公式( 3 1 ) 可以很清楚地看出：在p d w s 算法中，具有高优先级的批量业务元将被分 配较大的权重，即使在服务容量短缺的情况下，高优先级的业务也会得到更好的保护， 同时也保证了高优先级业务的q o s 。 根据批量业务元的权重并分配服务容量，使每批业务元都能得到平稳、公平的服务， 而不是在时延抖动中得到服务。如果一批业务元在给定的服务时间内需要传输所有被积 压的会话，那么具有相同优先级的其他批量业务元也要传输被积压的会话，反之也然。 也就是说，在不同的多媒体业务流中，要保证其服务的公平性。 2 动态权重选择 考虑到多媒体业务实时性、突发性、服务容量的可变性，为每批业务元分配一个固 定权重是不能保证多媒体业务q o s 的。所以，我们根据会话的积压状态、可分配的服务 容量来为权重烈d 设计一个权重向量职助= l ( 妨，耽( d ，毗( 助) 。在p d w s 算法的实现 中，我们利用一个最优化问题来求解这个权重褥 1 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章基于优先级和动态权重的分组调度算法 对资源分配来说，高优先级业务分配到的资源比低优先级业务分配到的资源要多； 同样，高优先级丢包所浪费的资源比低优先级丢包所浪费的资源也要多。因此，我们为 每批具有优先级t ( 1 固z ) 的业务元指定一个丢失代价权重x ( 0 ，且坝1 ) 飘2 ) 。 坝) 。在第k 个会话中，为第f 批业务元定义一个代价函数： f ( k ) = 彳( g ( f ) ) m a x o ，s 。( 后) 一c ? ( 七) 只z ( 后) ) ( 3 2 ) 其中，g ( f ) 表示第f 批业务元的优先级，c ? ( 尼) 表示在p d w s 算法中，第i 批业务元可分 配到的服务容量，只表示批量业务元传送成功的概率，为了方便计算，我们假设服务容 量是无限可分的。当第f 批业务元的服务时间结束时，s ，( 七) 一c ? ( 尼) 只互( 七) 可认为是 会话中的丢包。为了精确的估计墨( 后) 一掣( 七) e z ( 后) ，要考虑两个因素：l 、批量业务 元的离开，如果一批业务元在服务时间结束之前，成功传送了其会话，则它剩余的服务 容量将被分配给下个会话的其它批业务元。2 、批量业务元的到达，在下个会话的新批业 务元到达时，需要为其分配服务容量。所以，我们尽量要选择恰当的p d w s 权重并能使 批量业务元得到平稳的服务，批量业务元的离开或到达不会影响其他批业务元的带宽资 源，或者尽量使批量业务元的离开或到达影响其它批业务元的可能性降到最低。 基于每批业务元的代价函数，最优化问题可用公式( 3 3 ) 表示：这个最优化问题的解 就是使某批业务元的整个丢包代价最小，从而为该批业务元选择合适的权重，分配带宽 资源，满足该业务的q o s 需求。 ( 七) 舰砌切善x ( g ( 功。m a x o ，s ( 后) 一掣( 后) 只。z ( 七) ( 3 - 3 ) ( 七) 纛一q n 掣( 后) = j c ( 七) ， 竺) ( 七) 筹 4 0 ， 1 z 万，表示一个正数且独立于网络拥塞的，使具有优先级为，的批量业务元能够比具有 优先级为厶l 的批量业务元得到更好的服务。 公式( 3 4 ) 中的口( 七) 可以重写成公式( 3 - 5 ) ： 2 0 43 ，l 、， 七 ，l v l 一 i ， 一 1 i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章基于优先级和动态权重的分组调度算法 欧护褰似七，仔5 ， cc后，=一sj(k)cc尼，三 c 3 6 ， 咖) 2 逸锚n ( 3 8 ) 施，2 f 所切善x ( g ( f ) ) m a x o ，墨( 后) 一c t ( 尼) 只+ z ( 七) ) ( 3 9 ) 怎吖( 七) = c ( n 鱼盟 咖) = 尚唰蛾 厶珂( 伽q ( r ( 后) c j ( 七) 0 ，1 ，( 3 1 0 ) q ( 七) ( 1 + 4 ) 4 0 ，1 ，l - 朋( ) i ，s t j ( ( 七k ) ) - 矽一。湍 c 二l ( 七) ， 1 ，三 2 1 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第三章基于优先级和动态权重的分组调度算法 在公式( 3 9 ) 中，我们假定矸( 七) 的值为整数。公式( 3 - 1 0 ) 的算法复杂度是d ( c 2 ( 尼) ) 。 特别是在将来全i p 的无线网络中，p d w s 能够适应不同的业务负载，能预测不同的 业务到达率和可用的服务容量。然而，根据系统的q o