（通信与信息系统专业论文）基于业务类型的无线流媒体cac协作算法.pdf

摘要 随着无线业务的推广应用，人们对新一代的无线通信网络技术提出了更高的要求。 作为无线资源管理的关键技术之一呼叫接纳控制，有了更高的设计要求。无线业务 呈现多样化，不同的业务对服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的要求也不一样，满足 多业务的不同用户需求，成为呼叫接纳控制技术的关键点。同时，在满足各种q o s 需求 的前提下，如何合理的配置系统资源，提高有限的无线资源利用率也是呼叫接纳控制设 计的一个难题。针对这些问题，本文对呼叫接纳控制技术进行深入的探讨，并提出了一 种基于多业务的无线呼叫接纳控制协作( t r a f f i cb a s e dc o o p e r a t i o nc a c ，t c c a c ) 算法。 t c c a c 算法的核心在于移动站和基站的协作控制，同时以剩余带宽和业务类型为 依据进行接纳概率设计；通过互相协作的反馈控制，移动站可以获取系统的剩余可用带 宽等级，依此调整业务的呼叫请求速率；同时该算法也是一种隐式的预留带宽机制，用 接纳概率代替显式的预留带宽机制，目的在于进一步提高带宽的利用率，并可以通过概 率设计的方法保证各种业务请求的q o s 。此外，t c c a c 算法还引进了一种新的状态， 并设置缓存、延迟和降级机制，以进一步提高呼叫被接纳的概率。对算法的数学分析和 计算机仿真结果表明，t c c a c 的输出变化较平滑、稳定，同时在c b p 、h d p 和带宽 利用率三方面都有较优的综合性能。特别是在网络接近拥塞的情况下，t c c a c 算法的 性能优势更明显。最后，论文对算法的关键参数展开深入的讨论和仿真评价，进一步挖 掘算法的性能潜力。 关键词：无线通信c a cq o s流媒体 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e r v i c e s ，u s e r sb e g i nt od e m a n dh i g h e r r e q u i r e m e n t so ft h en e x tg e n e r a t i o nw 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 i n gt e c h n o l o g y s od o e sc a c ( c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，w h i c hi so n eo ft h ek e y t e c h n i q u e so fr r m ( w i r e l e s sr a d i om a n a g e m e n t ) m o d u l e d i v e r s i t yt u r n so u tt ob et h et r e n do fw i r e l e s s t r a f f i ci nf u t u r ea n dd i f f e r e n tt r a f f i ch a v es o m ep a r t i c u l a rr e q u i r e m e n t so fq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) i tb e c o m e sah o tr e s e a r c ht o p i ct od e s i g nac a ca l g o r i t h mt o m e e td i v e r s i t yo fm u l t i p l et r a f i l ea n dv a r i e du s e r s d e m a n d s a tt h em e a n w h i l e i t b e c o m e sac h a l l e n g ef o rc a ca l g o r i t h mt od i s t r i b u t es y s t e mr e s o u r c er a t i o n a l l ya n d i m p r o v er e s o u r c eu l t i l i z a t i o no fp r e c i o u sw i r e l e s sr e s o u r c e t os o l v et h e s ep r o b l e m ， t h i s p a p e rp r o p o s e s ac a ca l g o r i t h m ，c a l l e dt r a f f i cb a s e dc o o p e r a t i o nc a c ( t c - c a c ) a l g o r i t h m t c - c a ca l g o r i t h mi nt h i s p a p e rr e l i e s o nt w oe l e m e n t s ：a c o o p e r a t i v e m e c h a n i s mb e t w e e nb a s es t a t i o n ( b s ) a n dm o b i l es t a t i o n ( m s ) a n da c c e p t i o n p r o b a b i l i t yd e s i g n t h r o u g hc o o p e r a t i o na n df e e d b a c kc o n t r o l ，m sc a nu s et h ed e g r e e o fr e s i d u a la v a i l a b l eb a n d w i d t hi nt h es y s t e mt oa d j u s tt h er a t eo fc a l l i n gr e q u e s t a g a i n ，a sa ni m p l i c i tb a n d w i d t hr e s e r v a t i o n ，t c c a ca d o p t sa c c e p t e dp r o b a b i l i t y i n s t e a do fe x p l i c i tb a n d w i d t hr e s e r v a t i o nt of u r t h e ri m p r o v eb a n d w i d t hu l t i l i z a t i o n a n dg u a r a n t e eq o sf o rm u l t i p l et r a f f i c f u r t h e r m o r e ，t c c a ci n t r o d u c e san e ws t a t u s f o rc a l lr e q u e s tt oi m p r o v et h ep r o b a b i l i t yo fb e i n ga c c e p t e dt o g e t h e rw i t hm e c h n i s m s o fc a c h i n g ，d e l a y i n ga n dd e g r a d a t i o n t c c a ci ss t u d i e db ym a t h e m a t i ca n a l y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u t p u ta r es m o o t ha n ds t a b l e a tt h e s a l t l et i m e，i th a sw e l lp e r f o r m a n c ei nc b p , h d pa n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o n p a r a m e t e r so ft c c a ci sa l s oe v a l u a t e di nt h es i m u l a t i o nt of u r t h e rd i s c o v e rt h e p o t e n t i a l so ft h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，c a c ，q o s ，s t r e a m i n gm e d i a u 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。 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。本声明的法律结果由本人 承担。 论文作者签名： 宰芪 日期：2 伊件b , q2 0 日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被杏阅和借阅。本人授权海南大学可以将本学 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。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海南大学。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者繇霹贰铷妣彩彩 日期：哆年岁月趵日日期：勿夕7 年多月歹日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交 “c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。回童途塞 握塞正滥丘；旦主生；旦= 生i 旦三生蕉鱼。 论文作者签名：瘁茂 日期叩年；月们日 聊铭弘乃 日期缈7 年7 月诩 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信系统发展简史 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，到目前为止，世界移动通信的发展 大致经历了六个阶段【l 】。依次为专用移动通信的起步阶段，公用移动通信起步阶段，大 区制蜂窝移动通信起步阶段，小区制蜂窝网阶段，数字移动通信系统发展和成熟阶段， 第三代移动通信技术发展和应用阶段。目前正在进行商业应用的2 5 g 移动通信技术是 从2 g 迈向3 g 的衔接性技术，突破了2 g 电路交换技术对数据传输速率的制约，引入了 分组交换技术，从而使数据传输速率有了质的突破，是一种介于2 g 与3 g 之间的过渡 技术。代表为：g p r s 、h s c s d 、w a p 、e d g e 、蓝牙( b l u et o o t h ) 等技术。 第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够处理图 像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信 息服务。国际电联规定为“i m t - 2 0 0 0 ”标准，图1 1 为i m t - 2 0 0 0 系统的构成，欧洲的 电信业巨头们则称其为“u m t s ”通用移动通信系统。该标准规定，移动终端以车速移 动时，其传输数据速率为1 4 4 k b p s ，室外静止或步行时速率为3 8 4 k b p s ，而室内为2 m b p s 。 图1 1i m t - 2 0 0 0 系统的构成 1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基召开的i t u t g 8 1 第1 8 次会议上最终确定了3 类共5 种技术标准作为第三代移动通信的基础，其中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 是 3 g 的主流标准。w c d m a 是由欧洲提出来的基于第二代移动通信g s m 网络的宽带 c d m a 体制。上下行链路都采用快速闭环功率控制技术，各基站间无需同步，采用导频 辅助的相干检测，支持不同载频间的切换。c d m a 2 0 0 0 是由美国提出的基于窄带c d m a 的i s 9 5 网络标准的多载波c d m a 体制。需要成对的频率规划，适用于室外高速移动环 境，适合对称业务。t d s c d m a 是由中国无线通信标准组织制订的c d m a 体制。它采 用直接序列扩频的码分多址技术和时分模式，不需要成对的频率，适用于室内慢速移动 环境，适合不对称业务。三大技术标准对比如下表： 表1 13 g 三大主流技术标准对比表 制式w c d m ac d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 核心网g s m m a p a n s i 4 lg s mm a p 载频间隔( m h z )51 2 5 的整数倍1 6 信道带宽( m h z ) 5 1 0 2 01 2 5 5 15 2 0n 1 6 双工方式 f d d t d df d dt d d 码片速率3 8 4 m c s 1 2 2 8 8 m c s1 2 8 m c s 调制方式q p s k b p s kq p s k b p s ko q p s k 8 p s k 切换软切换软切换接力切换 扩频因子4 - 5 1 2 4 2 5 61 1 6 编码方式卷积、t u r b o卷积、t u r b o卷积、t u r b o 现在w i m a x 也加入了3 g 的标准行列中，这样3 g 的标准就达到了4 个。 2 0 0 8 年，中国的3 g - t d s c d m a 网络开始试商用，迈开了中国3 g 网络建设的 步伐。3 g 网络技术使得各种移动数据业务的应用开始得到发展。 目前，世界各国在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已把研究重点转入后三 代移动通信技术的先期研究上，力争在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信 的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。在i t u ，有关b e y o n gi m t - 2 0 0 0 ( 后 三代或称4 g ) 的概念与需求的研究已于1 9 9 9 年被首次列入议事日程，2 0 0 1 年1 0 月在 东京进行的i t u r w p 8 f 会议上，已收到较多有关b e y o n gi m t 0 2 0 0 0 的研究提案，并初 步明确了b e y o n gi m t 2 0 0 0 研究的基本框架。b e y o n gi m t - 2 0 0 0 是指广泛用于各种电信 环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧接入系统等。b e y o n gi m t - 2 0 0 0 的能力将涵盖并远远超过i m t 2 0 0 0 系统以及与其进行互连的无线系统的能力，包括目 前的i m t - 2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统，并将新增两个部分，即支持1 0 0 0 0 m b i t s 蜂窝系统和支持高达几百兆比特级以上速率的游牧本地无线接入系统等，后三代蜂窝通 信系统将是未来研究的核心所在。根据i t u 的研究计划，后三代移动通信的目标及远景 在2 0 0 2 年6 月初步制订完成，在2 0 0 5 2 0 0 6 年进行频谱规划，2 0 1 0 年左右完成全球统 一的标准化工作，2 0 1 2 年之后商用。 目前，3 g 网络技术还没完成走向广泛商用，各种3 g 标准都已经有了自己的长期演 进计划( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) ，向4 g 过渡。然而目前对4 g 还没有一个确定的 定义，大部分都集中在通信速率的提高上。到现在为止，研究人员比较一致地认为4 g 网络将使用o f d m ( o r t 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 i n g ) 和m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 技术提高无线通信速率。尽管现在人们谈论4 g 时更多的时候是将它 与o f d m m i m o 技术联系起来，甚至认为做o f d m m i m o 就是在做4 g ，但实际上 2 o f d m m i m o 技术只是4 g 的重要组成部分之一。除此之外，4 0 最明显的技术特征应 该是：它是个具有较高融台度的、具有自组织智能控制管理功能的、支持移动新媒体的 混合异构网络系统。4 g 不但会融合最新的自组网( a dh o e ) 技术、无线局域网( w l a n ) 、 无线城域网( w m a n ) 、卫星通信和公众蜂窝网等技术，而且会将移动网和固定网进行 较好的融合。图l2 给出了一个移动通信网络向4 g 的演进过程【1 。 盎4 嚣 旺m m 蓦 目 图12 移动通信网络向4 g 演进过程 未来移动通信系统将会汇集蜂窝、固定无线接入、游牧、无线区域网络等接入系统， 结合全i p 剐络，在高速和低速移动环境下分别为用户提供峰值速率达1 0 0 m b p s 及1 g b p s 的无线传输能力，并实现蜂窝系统、区域性无线网络、广播、电视卫星通信的无缝衔接， 使人类实现“任何人在任何时间、任何地点与其他任何人实现任何方式的通信”。 2 移动通信系统中的关键技术 为了解决第三代移动通信系统所面临的主要问题，各国专家进行了深入研究，发展 并创新了许多关键技术： 多址技术 多址技术包括c d m a 系统中地址码的研究和各种多址协议的进一步研究。第四代 移动通信系统主要是以o f d m 为核心技术。o f d m 技术实际上是多载波调制的一种。 其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据 流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开， 这样可以减少子信道之问的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽， 因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道 的带宽仪仪是原信道带宽的- - + 部分，信道均衡变得相对容易。 信道编码 采用信道编码技术进一步改善通信质量。目前主要采用酊向信道纠错编码交织技 术和分集技术以进一步克服衰落效应。m i m o 技术是指利用多发射、多接收天线进行空 间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的 子信道，从而大大提高容量。 功率控制 为了克服宽带c d m a 系统的远近效应，需要动态范围达8 0 d b 的功率控制。上行链 路功率控制方式分为开环和闭环两种，开环功率控制主要用于克服距离衰减，闭环功率 控制主要用于克服多普勒频率产生的衰减，以此保证基站接收到的所有移动台信号具有 相同的功率。下行链路采用插入功控子信道实现f j 向的闭环功控。 智能天线 智能天线用于调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形 状，达到增强所需信号，抑制干扰信号的目的；利用信号入射方向差别，将同频率、同 时隙的信号区分开来，从而达到成倍地扩展通信系统容量的目的。智能天线采用了空分 多址( s d m a ) 的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的 信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，将主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干 扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每个用户提供优质的上行链路和 下行链路信号从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。这种技术具有抑制信号干 扰、自动跟踪及数字波束等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。 多用户检测 多用户检测就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干扰信号来处理，这样可 以充分利用各用户信号的幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。 切换技术 移动通信系统采用蜂窝结构，在跨越空间划分的小区时，必须要进行越区切换。即 完成移动台到基站的空中接口的转换以及基站到网入口和网入口到交换中心的相应的 转移。 其它技术，如信道结构、上层协议信令如i p v 6 ，新型网络技术等。 1 2 论文的研究目的及意义 上述的通信技术要在市场中得到大力发展，前提条件是移动通信网络对业务的支撑 能力。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。站在系统运营商的角度，通常希望在不增加投资的情况下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；而站在用户的角度，则希望无论 何时何地系统都能够提供足够的资源供用户接入，以得到满意的q o s 。显然，两者利益 存在着矛盾。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r r m 所要解决的重要问题。呼叫接纳控制，又称呼叫允许控制( c a l la d m i s s i o n 4 c o n t r o l ，c a c ) 是r r m 重要的组成部分，它从用户接入点上尽力解决上述矛盾，图1 3 为c a c 、r r m 与r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，无线网络控制器) 的关系。c a c 策略依据一定的准则决定呼叫接入请求的允许或拒绝，策略直接影响网络的性能和资源 利用率。近年来，随着c d m a 技术逐渐成为主流技术，加之多媒体增值业务的不断发 展，c a c 策略面临着越束越复杂的技术挑战，成为下一代无线通信网络的关键技术之 1r n 5r n 请求 图1 3c a c 、r r m 与r n c 的关系图 为了使3 g 和下一代无线通信网络对多媒体业务有良好的支持，3 g p p 组织定义了 四种q o s 类别以区分网络中的业务流，即会话类、流类、交互类和背景类。在这些业务 类别中，主要区分因素是业务对延时的敏感度。对应于不同的q o s 需求，c a c 通常采 取不同的策略，如对于话音业务，c a c 给予最高的处理优先级和最有保障的系统带宽 资源，而对于背景类数据业务，c a c 则采用尽力而为的策略。显然，各种不同的业务 需要c a c 有良好的适应性，在同样的资源条件下，使各类业务均能够达到或超过q o s 的最低要求。 对于无线通信网络，频谱资源是稀缺资源，c a c 策略对资源利用率有很大的影响， 早期f d m a t d m a 网络中c a c 采用的信道借用、动态信道分配等策略均达到了系统资 源利用率改善的目的。随着c d m a 技术和多媒体业务的引入，无线资源的内涵和管理 技术都发生了重大变化。例如，系统的“容量”演变为“软容量”；单信道的话音信道 分配演变为多媒体的多信道分配；频率或时隙资源演变为码序列资源；恒比特速率 ( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 业务接入演变为变比特速率( v a r i a b l eb i tr a t e ，v b r ) 业务 接入；面向电路的交换方式演变为面向分组的交换方式等。c a c 策略就是要在满足用 户q o s 的前提下，使系统的资源利用率达到最高。 随着无线通信技术的突破性进展，无线通信网络将为人们提供更快、更稳定的服务， 它将承载话音、数据、流媒体等业务。不同业务的业务特性有一定的区别，q o s 指标也 不相同。同时，随着移动网的发展，为了提高系统容量，小区正在向微小区和微微小区 的方向发展，越区切换更为频繁，故而需要保证多种业务的q o s 需求。因此，在多媒体 无线网中，如何合理分配带宽资源，从而保证各种业务的q o s 是一个十分重要的课题。 1 3 论文的主要工作 相对于当前存在的各种呼叫接纳算法，本文的主要工作有： l 、创新性地为呼叫接纳算法引进了移动站和基站互相协作的机制。通过协作，移 动站可以获取基站的剩余容量，可以通过延迟呼叫请求，降低了呼叫阻塞概率，提高了 切换成功概率。这种反馈式的控制方法，可以使得t c c a c 算法的输入和输出更加平滑， 更加稳定，缓解网络的拥塞程度。 2 、本文提出的c a c 策略是一种基于多业务的策略。目前的c a c 算法大部分是针 对单一业务而言，无法满足无线业务多样化的趋势。本文的研究丰富了这方面的内容。 3 、本文提出的c a c 策略是一种隐性的信道预留策略。这种机制能保证各种业务的 q o s 需求，在降低c b p 和h d p 的同时，提高了带宽的利用率。为达到预留信道的效果， 我们采用接纳概率决策的隐式带宽预留策略代替显式的带宽预留策略。接纳概率的设计 更是体现了对不同类型业务支持的灵活性。 4 、t c c a c 算法还为业务的请求设置了一种新的状态，叫做请求态，配以缓存， 延迟和降级等机制，最大程度地提高了业务被接纳的概率，即降低了c b p 和h d p 。 5 、本文从两个方面研究了所提出的t c c a c 算法。在数学上，用m a r k o v 链模型 对t c c a c 进行了定性分析：通过计算机仿真对t c c a c 的性能进行了验证。结果表 明t c c a c 能获得较优的性能。 1 4 论文的章节安排 本章通过介绍无线通信技术和无线网络技术的发展历史和现状，指出了未来无线通 信网络的发展趋势：通信与网络的融合，移动通信和互联网业务的融合( 即移动互联网) ， 并指出我们研究的目的，阐明了本论文主要的研究方向及研究内容。 本论文共分为五章，余下内容安排如下： 第二章对目前无线通信网络中已存在的呼叫接纳控制算法进行了总结和归类，分析 了他们各自的优缺点。 第三章对本文的研究对象无线业务进行了建模分析。主要包括语音业务、视频 业务和数据业务，分别用c b r 、v b r 和u b r ( u n d e f i n e db i tr a t e ) 进行建模。 第四章在第二章的基础上，针对第三章的多业务模型提出基于业务类型的呼叫接纳 6 控制协作算法。 第五章对提出的算法进行了仿真研究。 最后，对整个论文进行总结，并给出下一步的研究方向。 7 第二章无线流媒体呼叫接纳控制技术综述 支持多媒体q o s 的一个关键问题是呼叫接纳控制。当一个活跃的移动站越过小区边 界时，有可能因为在新的小区得不到足够的带宽资源，而发生呼叫切换中断。从用户的 角度看，这比新的呼叫被阻塞而导致的呼叫失败更加不能令人忍受。呼叫接纳控制 ( c a c ) ，是一种保证无线蜂窝网络呼叫业务q o s 的重要方法，其基本思想是：通过对 小区新申请的呼叫和切换呼叫进行接纳控制，从而最大限度利用通信系统资源，满足用 户q o s 需求。文献 2 5 】对c a c 结构的定义如图2 1 所示。 呼叫请求 b o o l 图2 1c a c 的一般结构图 呼叫接纳控制的基本方案大体分为无预留信道策略和预留信道策略 3 0 】。无预留信 道策略本着先到先得的原则，该类方案的c b p 与h d p 值相等，且整个系统带宽利用率 较高。但该策略一般并不区分业务类型和q o s 服务质量需求，不适应无线网络的多业务 应用的发展方向。预留信道策略的基本思想是：由于用户一般对h d p 的要求比较高， 于是预留一部分资源给切换连接专用，从而减小h d p 。传统的业务保护信道策略主要是 针对单一业务展开研究的，随着无线业务的多样化，数据流、媒体流将越来越多的展开 应用，有限的带宽资源必须在多种流量类型之间共享。当前，有很多支持多业务流量的 带宽分配策略这一方面的研究。除了无线通信系统需要c a c 模块外，有线网络的r s v p 协议也需要c a c 31 】 3 2 。 预留信道策略根据预留信道带宽动态变化与否，又分为固定预留信道策略和动态预 留信道策略。固定预留信道策略一旦制定，就无法更改预留信道比例。而动态预留信道 策略则可以在实际应用中，根据网络实际运行情况以及不同业务应用进行相应的调整。 2 1 无线网络资源管理中的q o s 信息 q o s 指的是向应用提供有区别的、有保证的传输质量，是指针对某一服务类型而定 义的有关网络性能属性的集合，由一组可测量的参数进行表征，包括服务的可获性、延 迟、抖动、吞吐率、丢包率、误码率以及信噪比等，服务的可获性又可进一步细分为网 络性能指标，如阻塞率、掉话率、系统中断率、无线覆盖率等。在传统无线网络系统中， 以电路交换为基础的话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。随着无线网络系统的成熟与发展，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。未来多媒体无线通信网络的目标是 支持多种业务，且用户对q o s 的要求越来越高，能否保证q o s 是通信系统能否取得成 功的关键。 网络服务是端到端的，即从一个终端设备到另一个终端设备。端到端的服务可以向 用户提供一定的q o s ，也只有终端用户才能决定他对网络所提供的q o s 是否满意。因 此为了实现一定的网络q o s ，必须从业务的起点到业务的终点建立起具有明确定义的属 性及功能的承载业务( b e a r e rs e r v i c e s ) 。一个承载业务包括已协定的q o s 的所有方面， 这些方面包含在控制信令、用户平面传输和q o s 管理功能之中。 3 g p p ( 3 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 ) 负责u m t s 的标准制定工作。在t s 2 3 1 0 7 规范中详细定义了u m t s 的q o s 结构。为了更好地控制和实现业务端到端的q o s ，3 g p p 还提出了一个分层的q o s 结构模型，3 g p p 定义的u m t sq o s 的分层结构如图2 2 所 示，这些承载业务具有不同的逻辑层次，上层的承载业务的q o s 要求由下层的承载业务 来实现。 图2 2u m t sq o s 结构 业务类型是一种最高级别的服务质量划分，很多服务质量管理的决策据此即可完 9 成。表2 1 是3 g p p 定义的4 种u m t s 传输类型及相关的q o s 要求。它们是会话类 ( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) 、流类( s t r e a m i n gc l a s s ) 、交互类( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 、背景类 ( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。 表2 13 g p p 定义的u m t s 传输类型及相关的q o s 要求 类型编号业务类型业务类型描述 例子相关q o s 要求 1 会话类需在整个会话中预留时间基于i p 的话音抖动底 基丁人类感知的会话方式 会议视频时延低 实时 2 流类需在整个会话中预留时间 实时视频抖动低 实时 3 交且类对响应时间有限制浏览网页一交互时延 保留载荷的内容数据库杏询 b e r 低 4 背景类保留载荷的内容 e m a i l b e r 低 文件传输 根据q o s 的结构定义以及不同业务的q o s 需求，在研究多媒体无线蜂窝网c a c 技 术时，衡量策略或方案的性能优劣性主要考虑的两类准则：呼叫级与应用级q o s 准则。 在无线蜂窝网中，由于呼叫级q o s 与呼叫连接的建立与管理密切相关，所以它是无 线蜂窝网q o s 的基本级别。由于无线蜂窝网的特性，如用户的移动性，呼叫级q o s 对 于衡量无线蜂窝网的q o s 起着十分重要的作用。呼叫级q o s 衡量网络提供给用户服务 的可连接性及连续性，同时，它也是应用级q o s 的基础。呼叫级q o s 通常由以下几个 参数来衡量：新呼叫阻塞率、服务中断率、系统资源利用率。对于c d m a 系统，由于 其系统干扰受限的特性，呼叫级q o s 准则还包括系统溢出率。 对于一个移动用户来说，宁可在发出呼叫时被拒绝，也不希望在服务过程中被强行 中断。因此，如何最大程度地降低服务中断率，是网络服务提供商在网络设计时主要目 标之一。同时，出于利益的考虑，最大程度地降低新呼叫的阻塞率也是网络服务提供商 所向往的。 应用级q o s 是指在呼叫级q o s 的基础上，用户成功接入网络之后服务提供商提供 的q o s 。衡量应用级q o s 的主要参数有传输延迟、延迟抖动、误码率、丢包率、吞吐 量等。有效的分组数据包接入控制协议及分组调度策略是应用级q o s 的主要解决方案。 2 2c a c 的q o s 指标 呼叫阻塞概率( c a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t y ，c b p ) 和切换呼叫丢弃概率( h a n d o f f d r o p p i n gp r o b a b i l i t y ，h d p ) 是无线移动网中c a c 的两个重要的q o s 指标。由于新申 1 0 请的呼叫和切换呼叫同时竞争小区有限的资源，所以c b p 和h d p 不会同时减小，只能 优化处理，以满足用户的需求。此外，带宽利用率也是衡量c a c 算法优劣的一项重要 指标。下面以最简单固定预留信道的机制，用m a r k o v 链模型简单说明一个c a c 算法的 c b p 和h d p 。 2 2 1 呼叫阻塞概率 呼叫阻塞概率是针对新呼叫业务而言的。假设系统有n 条信道和一个容量为b 的 呼叫切换缓存，新呼叫的到达是一个参数为 的泊松过程，呼叫切换是一个参数为五的 泊松过程，系统对新呼叫和呼叫切换的平均服务率是。图2 3 是该通信系统的系统状 态转换图。由图可知， n + b c b p = 最 七= ( 2 1 ) 其中只是系统状态为k 的概率，可由泊松过程的概率分布和平均服务率计算得。 z 。厶足一厶 磊十幺 囝鼢疥l c a ? ? z 。s 1 段e w c a i i & h a n d o f f l o s f 2 2 2 切换呼叫丢弃概率 图2 3 系统状态转换图 切换呼叫丢弃概率( h a n d o f f d r o p p i n gp o b a b i l i t y ，h d p ) 是针对切换业务而言。由 图2 3 可知，只有当系统状态为n + b 时，切换呼叫的请求才会被丢弃。所以， 2 2 3 带宽利用率 h d p = 晶+ b ( 2 2 ) 对于无线网络，最稀缺最宝贵的资源就是无线带宽。无线通信系统的研究热点一直 都是围绕提高无线通信带宽展开。虽然说未来的通信系统如l t e ，甚至4 g ，u w b 技术， 已经能达到1 g 的无线通信速率，但考虑到无线共享媒介，竞争信道的情况，无线带宽 永远都是一种稀缺的资源。所以，带宽利用率也成为所有通信网络技术考虑的重点。本 文的c a c 算法也不例外。在图2 3 模型中，带宽利用率为 n + 8 肥k厶一 ，72 等西 2 3 无预留信道的c a c 策略 ( 2 3 ) 无预留信道策略本着先到先得的原则，该类方案的c b p 与h d p 值相等，且整个系 统带宽利用率较高。但该策略一般并不区分业务类型和q o s 服务质量需求，不适应无线 网络的多业务应用的发展方向。代表方案有：完全共享方案、完全分离方案 1 0 】。完全 共享方案是蜂窝移动通信系统采纳的具有支持多媒体业务能力的扩展方法。当呼叫不管 是新呼叫还是切换呼叫到达时，只要系统有足够的剩余资源，基站将分配相应的带宽资 源以满足移动用户的呼叫请求。系统对不同类型的业务采用先来先服务。而在完全分离 方案中，系统针对不同类型的多媒体业务将网络总带宽分为若干组，当新呼叫或切换呼 叫到达时，只有对应组的子带宽才能被分配，在每组的带宽资源中，可预留一部分给切 换呼叫。 完全共享策略任由不同q o s 的业务自由竞争，无法保障q o s ：虽然完全隔离策略 可以通过隔离区域来实现区分不同的q o s 的业务，但是降低了总吞吐量。所以无预留 信道的这两种方案虽然简单，容易实现，但已经不符合无线网络多业务应用的发展方向 和用户对q o s 要求越来越高的趋势。 1 2 总带宽 ， 、i ( a ) 固定预留带宽策略：带宽预留固定 总带宽 ( b ) 自适应预留带宽策略：带宽预留部分自适应调 图2 4 固定带宽预留策略与自适应带宽预留策略的区别 2 4 预留信道的c a c 策略 根据预留信道带宽动态变化与否，预留信道的c a c 策略可分为固定预留信道策略 和动态预留信道策略。由于动态预留信道策略具有较好的适应性，因而得到了众多研究 者的重视。目前有代表性的动态预留c a c 方案有：白适应预留方案、借带宽方案和基 于测量网络状态的动态c a c 算法。然而大多数研究都是基于单一业务模型。随着无线 业务的不断发展，越来越多的业务应用到无线网络系统中，多业务的q o s 需求、对带宽 的需求量以及流量模式各不相同。这给多业务动态预留策略的研究带来了严峻的挑战。 2 4 1 自适应预留方案 为降低h d p ，通常的做法是为切换业务预留出一部分带宽。这种做法虽然可以满足 切换业务的q o s 需求，却降低了带宽的利用率。固定预留信道策略更是造成了宝贵带宽 资源的浪费。为此，很多研究人员提出了自适应预留的动态方案 2 9 3 3 3 4 4 4 】。 文献 1 l 】中的自适应c a c 算法自适应地调整预留带宽，提高了资源的利用率，也保 证了不同q o s 业务的优先级。作者根据当前网络的状态，动态地调整预约带宽。仿真结 果表明这种策略有较小的h d p 和较高的带宽利用率。文献 1 2 1 仓j 新性地提出了基于用户 满意度准则为切换呼叫预留信道带宽的方案。并区分不同的q o s 业务为其分配信道，取 得较好的系统性能。以上c a c 策略均基于完全的共享，在单一业务的情况下，表现很 好。但没有考虑多业务的应用。文献 1 3 】针对i e e e 8 0 2 1 6 协议复杂的q o s 定义，分析 了多业务的特征，为了区分和保证四类业务的q o s ，提出了基于自适应资源配置的c a c 策略，为高优先级业务提供了更低的阻塞概率，提高了不同的小区之间切换成功率和信 道利用率。【1 4 提出了一种基于自适应门限调整的c a c 方案( a n c a c ) ，该方案可以根 据实际的掉话率来调整接入门限并对不同的会话采取相应的处理方法，如接纳、拒绝、 排队。仿真结果显示，a t - c a c 具有良好的性能和自适应调整能力。自适应业务的c a c 算法既要能保护用户的q o s 降级期小于一定上限，从而保护用户的q o s ；又要尽量提 高接入率以充分利用无线资源。文献 2 8 】把业务分为实时和非实时，并区别新呼n t t 年n 切 换业务，分别动态地预留了四种不同的信道，但并不能完全真实地反映网络话务情况。 2 4 2 借带宽方案 借带宽( b a n d w i d t hb o r r o w i n g ) 方案是建立在服务降级的基础上，即降低现已连接 的业务的服务质量( 但还在用户可容忍范围) ，以空出足够的带宽空间供新业务或切换 业务接入。在网络带宽资源不足的情况下，借带宽方案通过降低已连接业务( 主要是非 实时业务) 的可靠性，从现有业务中借用带宽，以满足切换呼叫尽可能不掉线。因此该 方案降低了实时业务的切换掉线率，确保了连续媒体流的服务质量，但付出的代价是非 实时数据业务的延迟加大。 文献 1 6 1 是一种基于速率的借带宽策略。在带宽不足的情况下，带宽从已有的业务 中临时借用，借用的策略是所借用的带宽值超过带宽的公平共享值。公平共享值正比于 带宽损失的容忍范围。这种借用是临时的借用，用完后还要归还给所借的业务。仿真结 果表明，这种机制在呼叫阻塞率、切换丢失率和带宽利用率方面均优于其他策略。文献 1 2 】也是一种借带宽策略。他从当前在线的自适应业务中借用带宽，但不影响在线业务 的最小q o s 要求，这种借带宽机制要比文献 1 6 】中的基于速率的借带宽机制好。 2 4 3 基于测量的动态c a c 算法 基于测量网络状态的c a c 算法能够大大提高网络资源的利用率。准确的网络状态 信息对于提高c a c 的性能至关重要。基于测量网络状态的动态预留c a c 算法不仅区分 了实时和非实时业务，同时考虑了切换优先和业务优先两种优先级，通过限制实时业务 的切换呼叫连接掉线率低于设定的门限值，并且周期性地调整预留带宽大小以适应快速 变化的网络负载状态。仿真结果显示该算法简单易实现，具有很低的实时业务连接掉线 率和与固定预留方案相当的带宽利用率，而只以略高的c b p 为代价，获得了新呼叫阻 塞率、实时业务切换掉线率和无线带宽利用率较好的折衷，优于现有的其它方案。一般 来说，基于测量的接纳控制主要包括两个组成部分 2 6 】【2 7 】：一是测量单元，另一部分 是接纳控制决策单元。测量单元根据不同的测量策略动态测量网络运行状态并将测量得 到的信息提供给接纳控制决策单元；接纳控制决策单元则根据来自测量单元的测量信息 1 4 以及预先定义好的一些接纳控制准则作出接纳控制决策。 为了提高码分多址接入( c d m a ) 系统的资源利用率和吞吐量，保证实时业务的服 务质量( q o s ) ，【1 7 】提出了两种基于用户中断概率的呼叫接纳控制( c a c ) 算法。两种 算法分别将平均或者最大中断概率定义为业务的服务质量，对用户的呼叫进行接纳控 制。基于平均中断概率的策略能够提高系统的吞吐量和无线资源的利用率，而基于最大 中断概率的呼叫接纳控制策略可以提供更好的q o s 保证。通过仿真，比较了基于平均中 断概率的c a c 算法与基于资源预留的c a c 算法。结果表明