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h s d p a 动态系统仿真中业务模型的研究 摘要 在第三代移动通信系统中，数据业务将同语音业务成为主要的基本业 务。业务模型是通信网络需要满足的业务目标，业务建模是进行通信网络 规划的基础。选择适当的模型来正确反映移动用户的业务行为，是合理设 计第三代移动通信网络的关键。 本篇论文主针对已有和即将开展的传统话音业务和分组数据业务，借 鉴现有网络已有的业务模型。根据不同业务对q o s 的要求和实际网络情况， 对业务特性进行分析，给出了典型话音业务和分组数据业务的模型。并在 这些业务模型基础上，对h s d p a 网络性能进行动态仿真。为第三代移动通 信系统的网络规划和优化提供基础。 论文研究的重点在于分析和讨论了目前移动通信网络中的典型话音业 务和各类无线分组数据业务的特性，建立适合第三代移动通信系统 w c d m a 增强技术h s d p a 系统级动态仿真的传统话音业务源模型和 w w w 等分组数据业务源模型。第一章简要介绍了第三代移动通信系统的 网络体系结构和h s d p a 的技术特点。第二章主要说明在通信系统中业务模 型的分类及建模方法。第三章分析了传统话音业务的特性，在o n o f f 模 型的基础上提出了话音业务源的四状态s b b p 模型。第四章给出了无线分 组数据业务的典型三层模型，并对w w w 、w a p 、视频流、e m a i l 、f t p 、 s m s 等主要数据业务地进行了建模分析。最后在第五章描述了h s d p a 系 统级动态仿真中业务模型的具体实现与应用。 关键词：h s d p a 动态系统仿真话音业务数据业务业务模型 r e s e a r c ho nt r a f f i cm o d e l i nh s d p ad y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o n a b s t r a c t d a t aa p p l i c a t i o n sa r ee x p e c t e dt op l a ya l l i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l el i k e v o i c ei nt h e3 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 n s e r v i c e s t r a f f i cm o d e li st h e o b j e c t i v e t h a tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sn e e dm e e t t r a f f i c m o d e l i n gi s t h e f o u n d a t i o no fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp l a n n i n g c h o o s e p r o p e rm o d e l c a r l c o r r e c t l y r e f l e c tt h es e r v i c eb e h a v i o ro fm o b i l eu s e r , w h i c hi st h e k e yt o d e s i g n i n g3 g n e t w o r k s r a t i o n a l l y t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e s0 1 1p r o v i d i n g p r a c t i c a l l yu s a b l et r a f f i cm o d e l sf o r v o i c ea n dd a t al 髂e 1 si nt h e3 gn e t w o r k s s t a r tw i t had i s c u s s i o no fw e l l k n o w n s e r v i c em o d e l st h a th a db e e na n a l y z e di nt h el i t e r a t u r e a c c o r d i n gt od i f f e r e n t s e r v i c er e q u i s i t i o nf o rq o sa n dt h ea c t u a ln e t w o r ks i t u a t i o n ，a n a l y z et h es e r v i c e c h a r a c t e r i s t i c s o m e t y p i c a l v o i c ea n dd a t at r a f f i cm o d e l sa r ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，d y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n i q u e i s - u s e dt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo f t h eh s d p aw i r e l e s sn e t w o r ku n d e rt h ed i f f e r e n tv o i c ea n dd a t a t r a f f i c s i ta l s op r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rp l a n n i n ga n do p t i m i s a t i o no f3 g n e t w o r k s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so na n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ef e a t u r eo f v o i c e a n dd a t at r a f f i ci nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e ra l s oc o m p l e t e t r a d i t i o n a lv o i c et r a f f i cm o d e la n d w n p a c k e td a t at r a f f i cm o d e lf o rt h e3 r d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m w c d m ae n h a n c e t e c h n o l o g y h s d p a d y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o n i nt h eb e g i n n i n g ，c h a p t e r1 i n t r o d u c et h e n e t w o r ks t r u c t u r eo ft h e3 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 a n d h s d p at e c h n i c a lf e a t u r e s c h a p t e r 2s h o wt h et r a f f i cs o r t sa n d m o d e l i n g p r o c e s s i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c h a p t e r3a n a l y z e t 1 1 ec h a r a c t e r i s t i co f t r a d i t i o n a lv o i c et r a f f i c c o m p a r e dw i t lo n o f fm o d e l ，t h ef o u rs t a t e ss b b p m o d e li sr e c o m m e n d e df o rv o i c e t r a f f i c c h a p t e r4p u tf o r w a r d t h et y p i c a lt h r e e l e v e lt r a f f i cm o d e lf o rw i r e l e s sp a c k e td a t at r a f f i c i ta l s oa n a l y z ew w w ：w a p , v i d e os t r e a m ，e m a i l ，f 1 1 pa n ds m sd a t at r a 伍cc h a r a c t e r i s t i cf o rt r a f f i c m o d e l i n g a tl a s t ，c h a p t e r5d e s c r i b et h e t r a f f i cm o d e lr e a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n i nh s d p a d y n a m i cs y s t e m s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：h s d p a ，d y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o n ，v o i c et r a f f i c ，d a t at r a f f i c ， t r a f f i cm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的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。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料着有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：壁逝 日期：2 丝：三! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围；适用本授权书。 本人签名：显趁日期：2 竺羔：三：墨! ： 导师签名：盘进日期：碰乏坦 北京邮电大学硕七学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 第三代移动通信系统3 g 牌照即将在国内的发放，使得运营商和设备供应商 对3 g 网络性能的关注达到前所未有的高度。从第一代移动通信系统提供模拟话 音业务，到第二代移动通信系统进一步提供更高质量的数字话音业务，并能提供 一定的基于电路交换的中、低速数据业务。第三代移动通信系统将能够提供更高 数率的数据业务及多媒体业务。这些高速数据业务意味着下一代移动通信系统要 能够满足不同速率( 从低速话音业务到高速图像业务) ，不同时延( 实时业务及非实 时业务) 以及不同的业务质量要求( 如时延，抖动和误码率) 。目前无线通信厂商正 雄心勃勃地将工作重心转移到像h s d p a 这样的第三代移动通信系统新技术的开 发和研究，以便向用户提供更高质量的服务，更快的传输速率，以及多媒体通信。 了解3 g 业务的特点，以及复合业务对网络的要求，已经成为一个迫切的要求。 本论文主要从统计和仿真的角度，针对即将开展和已经开展的数据业务和传 统话音业务，分析比较现有网络已有的业务模型，给出h s d p a 动态系统仿真中 宜于使用话音业务和分组数据业务的业务模型。其中，对w w w 浏览业务和w a p 业务作了精确的分层分析，为进一步网络规划和管理的第三代移动通信h s d p a 系统仿真提供了基础。 1 2 第三代移动通信系统简介 第三代移动通信系统提出的目的是克服第二代移动通信系统因技术局限而 无法提供宽带移动通信业务的缺陷。国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 三大主流无线接口标准，写入3 g 技术指 导性文件i n t e r n 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 nf o rt h ey e a r2 0 0 0 ，简称 i m t - 2 0 0 0 。 1 2 1i m t 2 0 0 0 总体结构及主要特征 i m t 2 0 0 0 移动通信系统包括连接至地面和卫星网络的各种移动终端及对 北京邮电走学硕士学位论文第一章绪论 应的网络基础设施。i m t 2 0 0 0 定义了家族( f a m i l y ) 概念。“家族”的含义是将 系统分为四大部分：用户识别模块( u i m ) 、移动终端( m t ) 、无线接入网( r a d i o a c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 、核心网( c o r en e t w o r k c n ) 。i m t 2 0 0 0 家族的概 念意味着第三代移动通信系统应该从现有第二代移动通信系统演化而来，而且在 网络和业务能力上满足第三代移动通信系统要求的系统，都可以成为i m t 2 0 0 0 的家族成员。网络通用性是指网络结构能支持2 g 和其它家族成员的各种无线接 口。不同标准的其他i m t - 2 0 0 0 家族成员核心网通过网络间的接口实现漫游，图 1 1 是i m t 2 0 0 0 的总体结构图。 用户识别模块 u i m 移动终端 m t 无线接入网 r a n 图i - li m t 2 0 0 0 总体结构 核心网 c n 其它i 耵一2 0 0 0 核心同 i m t 一2 0 0 0 的目标和要求是全球统一频段、统一无线传输标准，实现全球覆 盖：高频谱效率，以解决全球容量有限的问题；话音质量应相当于公众交换电话 网( p s l n ) 的质量；高保密性能；提供第一代和第二代不能提供的图像、视频 以及数据速率高达2 m b s 多媒体业务( 高速移动时最高数据速率可达1 4 4 k b s 。慢 速移动时最高数据速率可达3 8 4 k b l s ，静止时最高数据速率可达2 m b s ) ；满足移 动性高比特率、可变速率业务的需求，数据速率可从几k b s 至f j 2 m b s ；i m t - 2 0 0 0 能 够达到在任何时候、任何地点通过一个移动终端提供多样化的移动业务的能力： 易与第二代系统的过渡、演进。i m t 2 0 0 0 系统建立初期应以第二代系统作为其 核心网络，在后续发展过程中，逐步取代第二代系统。 i m t - 2 0 0 0 通信的主要特点是现有第二代移动通信的演进和发展，而不是完 全重新建设一个移动通信网。系统初期主要业务仍然是话音业务，数据业务将逐 渐增加。数据业务将主要是i n t e m e t 所需要的不对称的、基于包交换( i p ) 的业 务。i m t - 2 0 0 0 系统技术的先进性主要体现在： ( 1 ) 系统容量比模拟系统、蜂窝系统的容量大大增加，一般是模拟蜂窝的 容量的l o 倍，数字蜂窝的5 倍； ( 2 ) 改进了呼叫质量，较好地解决了多径效应的问题： 北京邮电大学硕+ 学位论文第一章绪论 ( 3 ) 简化了小区规划，第二代系统采用频点复用，小区分裂等技术使小区 规划变得很复杂； ( 4 ) 增加保密功能，i m t - 2 0 0 0 采用扩频通信，可以极大地提高通信的保密 程度； ( 5 ) 宽带c d m a 系统的低发射功率，对手持机增加了通话时间。 1 2 2 第三代主流通信系统对比分析 目前，国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的 c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和日本提出的w c d m a 和我国提出的t d s c d m a 。它们除了 频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特点 外，还有自身的技术特点。 w c d m a 系统的核心网是基于g s m m a p ，同时通过网络扩展方式提供在 基于a n s i a l 的核心网上运行的能力，可以从第二代g s m 系统逐步演进：支持 一条连线上传输多条并行业务，支持高速率的分组接入；采用更加灵活的系统操 作，包括支持基站间的异步操作、支持自适应天线阵技术与多用户检测的技术、 支持非平衡频带下采用时分双工的模式，采用单信元频率复用等。 c d m a 2 0 0 0 的核心网是基于a n s i 4 1 ，采用直接扩频码分多址技术的无线 接口，符合甚至超过了i n j 的全部规范要求。具备先迸的媒体接入控制，从而 有效地支持高速分组数据业务：具有先进的多媒体业务质量控制能力，支持不同 业务相应不同质量要求的控制，处理竞争业务间的优先权问题等：可以根据环境 和需要灵活地选择语音、语音数据和数据模式，支持分布式和集中式的分组数 据业务，可选择采用独立的分组控制与信令传送话音：支持频分数字双工p d d 和时分数字双工t d d ；支持前向多载波结构和正交直接扩频。具有较好的灵活 性与可伸缩性，可非常容易地从现有的c d m aq n e 平滑过渡，还可采用辅助导 频、正交分集、多载波分集等技术来提高系统的性能。 t d s c d m a 基于g s m 系统，采用智能天线和低码速率技术，频谱利用率 很高，能够解决人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对称移 动数据和视频点播等多媒体业务方面具有突出优势。系统的基站天线是一个智能 化的天线阵，能够自动确定并跟踪手机的方位，发射波束始终对准手机方向，可 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 降低基站的发射功率。上行同步c d m a 技术可使上行信号与基站解调器完全同 步，降低了码首间的干扰，使硬件得到简化，成本降低。t d s c d m a 技术采用 软件无线电技术，使运营商在增加业务时，可在同一硬件平台上利用软件处理基 带信号，通过加载不同的软件就可实现不同的业务。同时，系统基站采用高集成 度、低成本设计。此外，t d s c d m a 系统可与第二代移动通信系统g s m 兼容。 1 3h s d p a 高速下行分组接入介绍 h s d p a 高速下行分组接入技术，是w c d m a 网络建设后期提高下行容量和 数据业务速率的一种重要技术。3 g p p 1 在r 5 协议中为了满足上下行数据业 务不对称的需求而提出的一种调制解调算法，可以在不改变已经建设的w c d m a 网络结构的情况下，把下行数据业务速率提高到1 0 m b p s 。对采用多入多出 ( m i m o ) 技术的h s d p a 系统，数据速率可以达到2 0 m b p s 。h s d p a 技术的应 用可以充分满足运营商在3 g 网络成熟期面临容量需求特别大时进行扩容的实 施。作为w c d m a 体系的后续演进技术h s d p a 中的许多关键技术与 c d m a 2 0 0 0l x e v d v 以及t d s c d m a 中的一些关键技术有异曲同工之妙，因 此，适时研究h s d p a ，对于全面了解后3 g 时代的技术走向十分重要。 为了达到提高下行分组数据速率和减少时延的目的，h s d p a 主要采用了自 适应的编码和调制( 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 ) 、快速混合自动重传 ( h a r q ，h y b r i da r q ) 和快速调度技术。其实，上述三种技术都属于链路自 适应技术，也可以看成是w c d m a 技术中可变扩频技术和功率控制技术的进一 步提升。 ( 1 ) 自适应编码和调制( a m c ) a m c 是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网络侧根据用户瞬 时信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，使用户达到 尽量高的数据吞吐率。当用户处于有利的通信地点时( 如靠近n o d eb 或存在视 距链路) ，用户数据发送可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，例如： 1 6 q a m 和3 4 编码速率，从而得到高的峰值速率：而当用户处于不利的通信地 点时( 如位于小区边缘或者信道深衰落) ，网络侧则选取低阶调制方式和低速率 的信道编码方案，例如：q p s k 和l 4 编码速率，来保证通信质量。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) h a r q 技术 h a r q 技术可以提高系统性能，并可灵活地调整有效编码速率，还可以补偿 由于采用链路适配所带来的误码。h s d p a 将a m c 和h a r q 技术结合起来可以 达到更好的链路自适应效果。h s d p a 先通过a m c 提供粗略的数据速率选择方 案，然后再使用h a r q 技术来提供精确的速率调解，从而提高自适应调节的精 度和提高资源利用率。h a r q 机制本身的定义是将f e c 和a r q 结合起来的一种 差错控制方案，h a r q 机制的形式很多，而h s d p a 技术中主要是采用三种递增 冗余的h a r q 机制：t y p e ih a r q ，t y p e i ih a r q ，t y p e - i i ih a r q 。可以根 据系统性能和设备复杂度来选择相应的h a r q 机制。 ( 3 ) 快速调度 调度算法控制着共享资源的分配，在很大程度上决定了整个系统的行为。调 度时应主要基于信道条件，同时考虑等待发射的数据量以及业务的优先等级等情 况，并充分发挥a m c 和h a r q 的能力。调度算法应向瞬间具有最好信道条件 的用户发射数据，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的数据 吞吐量，但同时还要兼顾每个用户的等级和公平性。h s d p a 技术为了能更好地 适应信道的快速变化，将调度功能单元放在n o d eb 而不是r n c ，同时也将t t i 缩短到2 m s 。 在r 9 9 系统中引入h s d p a 技术，在m a c 层新增了m a c h s 实体，m a c h s 位于n o d eb 而不位于r n c ，其作用主要是负责处理h a r q 操作以及快速调度 算法。h s d p a 使r 9 9 的u t r a n 增加了三个新的物理信道： ( 1 ) h s d s c h 信道：下行链路，负责传输用户数据，信道共享方式主要是 时分复用和码分复用 ( 2 ) h s s c c h 信道：下行链路，负责传输h s d s c h 信道解码所必需的控 制信息 ( 3 ) h s d p c c h 信道：上行链路，负责传输必要的控制信息，主要是对 a r q 的响应以及下行链路质量的反馈信息 北京邮电犬学硕l ：学位论文第一章绪论 h s d p a 技术在3 g p p 制定的w c d m a 标准r e l e a s e5 版本中被正式引入，从 而完成了h s d p a 技术的标准化工作。不过随着r e l e a s e5 版本的冻结，也标志着 h s d p a 技术标准的成熟化。按照3 g p p 组织的最初规划，每个r e l e a s e 版本应以 年为周期进行正式发布。 通过以上对h s d p a 的介绍和分析，可以看出h s d p a 技术作为w c d n l a 的 增强型无线技术将提高系统的频谱效率和码资源效率，是一种提升网络性能和容 量的有效方式。h s d p a 不仅能有效地支持非实时业务，同样可以用于支持某些 实时业务，如流媒体业务等。 1 4 课题背景及内容安排 在第三代移动通信系统迅速发展的大背景下，实验室组织并开展了 “w c d m a 增强技术h s d p a 系统级仿真”研究课题。在全面分析研究第三代移 动通信系统候选方案的基础上，重点以3 g 即制定的w c d m a 标准r e l e a s e5 版 本中h s d p a 系统以及9 9 年1 1 月i t u 通过的“i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范” 建议为主，由实验室的诸位老师和同学在m i c r o s o f t 公司v i s u a lc + + 编程环境 下，共同建立了宽带码分多址系统的物理层性能仿真平台，对第三代移动通信系 统的话音信道和多个数据信道进行了性能测试，对智能天线，多用户检测，多载 波c d m a 、r a k e 接收机和多种编码方式( t u r b o 码、卷积码、r s 码) 实现方 式进行了研究。 本人所参加的项目将在原有实验室链路级仿真平台的基础上建立第三代移 动通信系统w c d m a 增强技术h s d p a 系统级动态仿真平台。对h s d p a 系统典 型话音业务和无线分组数据业务模型的特性做了分析，并通过编码实现了传统话 音业务和w w w 、e m a i l 、w a p 、视频流、f t p 和s m s 等多种数据业务模型的建 模。在此基础上系统级动态仿真平台对第三代移动通信系统h s d p a 网络性能进 行仿真分析，对网络的规划与优化起到关键作用。 本论文研究的重点在于分析和讨论了目前移动通信网络中的典型话音业务 和各类无线分组数据业务的特性，建立适合第三代移动通信系统w c d m a 增强 技术h s d p a 系统级动态仿真的传统话音业务源模型和w w w 、e m a i l 、w a p 等 分组数据业务源模型。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章简要介绍了第三代移动通信系统的网络体系结构和h s d p a 的技术特 点。在第二章中说明了在通信系统中业务模型的分类及建模方法。第三章分析了 传统话音业务的特性，在o n o f f 模型的基础上提出了话音业务源的s b b p 模型。 第四章给出了无线分组数据业务的典型模型，并对w w w 、e m a i l 、w a p 等主要 的数据业务地进行了分析和建模。最后的第五章描述了在h s d p a 系统级动态仿 真中业务模型的具体应用。 北京邮电大学硕二b 学位论文 第二章业务模型与建模方法 第二章业务模型与建模方法 业务模型是任何通信系统的性能评估的关键所在 2 】 3 】。如果想要获得对实 际的系统设计有意义的结果，用于仿真的业务源就必须能够正确反映实际业务的 统计特性，因此对业务进行建模，实质上就是对用户进行相应的统计分析。 业务模型可以分成平稳或者非平稳两种，平稳业务模型通常分为两类，即短 期相关和长期相关业务模型。短期相关模型包括m a r k o v 过程和回归模型，其特 点是短期相关模型的自相关函数呈指数衰减，用于对话音和低速数据业务建模。 马尔科夫模型应用马尔科夫链的无记忆特性，即将来的状态只与当前状态有关， 而与以前的状态无关。长期相关模型的自相关函数与短期相关模型相比，衰减要 缓慢得多，目前广泛应用于变速率v b rv i d e o 和w w w 等数据业务的建模。 本章对通信系统业务模型的概念及分类进行了介绍，在考虑业务建模拟合 性、描述模型状态数。参数估计复杂度以及仿真执行时间等要素的基础上，借鉴 前人的分析方法，提出h s d p a 动态系统仿真中业务源建模的流程。 2 1 业务模型概述 通信系统是为了支持通信业务应用而设计的，不同类型的通信系统需要根据 所支持业务的类型和通信环境进行优化。按照与有线通信系统的异同，无线通信 系统仍然需要研究其业务的统计模型，用来分析系统的容量、进行频谱效率和覆 盖效率的计算，或者用于完成缓冲管理、接入控制、拥塞控制等网络管理的控制 功能。 业务的特征有很多种属性，如支持的数据速率范围、误码率要求、单向时延、 激活因子等等。所谓业务建模就是将业务的这些属性用数学手段进行描述。由于 业务是随机多变量，某个具体业务的个例并不具有遍历性意义，描述业务的行为 应从统计观点出发把握业务在统计特性上的规律。 业务建模本身也是- f - j 学科，随着业务本身的发展而发展。业务模型最早出 现于电路交换系统的电话容量分析和研究中，并取得很大的成功。语音业务的模 型被确定为到达时间服从泊松过程，通话保持时间服从负指数分布的业务统计规 律。在电路交换系统在通信网络中占主要地位的1 0 0 多年历史中，这个模型被广 北京邮电大学硕匕学位论文第二章业务模型与建模方法 泛应用，发挥了极大的作用。 如果要求不是很高，那么数据分组也可以按照到达时间服从指数分布，分组 长度服从负指数分布来进行业务建模，去分析解决一些问题。但是，对于语音、 图像、数据等具有多目标服务质量的综合业务来说，用这种模型分析业务在网络 中的行为就显得远远不够精确，需要发展更加复杂的模型。 由于数学理论和技术的限制，以及应用的便利，任何业务模型都只可能是实 际网络业务的近似。考虑到具体的实现，根据业务对时延特性需求的不同，可以 把业务分为实时业务和非实时业务。实时业务如语音和会议电视；非实时业务如 w e b 网页浏览和e m a i l 电子邮件等。 对于网络业务的研究和发展使得人们提出许多种业务建模的方式，本章仅仅 列出其中的几种。另外，当出现新业务和应用的时候，业务特性也会发生变化。 e m a i l 就是一个例子，近年来，用e m a i l 附加文件传输已经使用得很普遍，结果 使得e m a i l 的某些业务特性发生了改变。 2 2 业务模型的分类 根据不同的分析方法，可以从如下两个角度来理解业务模型的内涵。 3 g 业务模型包含无线网络规划业务模型、r n c 业务模型、c n 业务模型。 其中，无线网络规划的业务模型为3 g 网络无线部分要求满足的业务目标，r n c 的业务模型来源于无线网络规划的仿真结果，c n 的业务模型又来源于无线网络 规划的仿真结果以及r n c 业务模型。 业务模型又能分为业务特征模型、业务流量模型以及网络模型三种。虽然这 三个模型有相似之处，但三者的研究重点和描述方法却存在较大区别。本文将重 点对第二种分类方法进行描述。 2 2 1 业务特征模型 业务特征模型是对一个业务操作实例的特征进行描述，通常是从使用该业务 的用户角度来进行分析。 业务特征模型仅仅是对某类业务的一个实例进行分析。不同的用户在不同的 时段使用该业务，特征模型可能存在非常显著的区别，即一类业务可能对应多个 北京邮电大学硕= 匕学位论文第二章业务模型与建模方法 业务特征模型。在分析一个业务特征模型时不考虑其他业务对该业务造成的影 响，也不考虑实际的网络实现方法。 在目前的第三代移动通信系统网络模型建模过程中，“三层模型”建模是一 种普遍采用的模型建模方法。三层模型，即分三个层面来描述一个业务的所有网 络性能特性。这三层包括： 畚话持续时闻、l 会话层 l_ i1 一、 - r 。漱，阿、 突发层e u 哪# t li e u n t # ： 几n 田。 、 r l ! ! ! ! ! 驾间隔时间 、 数据包层 几e 肛姗几几、矿、。 图2 1 三层业务特征模型 会话层( s e s s i o n ) ：该层描述用户的会话连接行为，即描述用户激活使用该 业务的行为。该层的描述参数是会话到达率与会话持续时间。 突发层( b u r s t ) ：当用户处于会话激活状态，其实际流量的产生可以通过 “o n ”“o f f ”两个状态来描述，“o n ”表示有突发数据产生，“o f f ”则表 示两个连续突发信息的间隙。该层的描述参数是突发产生时间与突发持续时间。 数据包层( p a c k e t ) ：数据包是实际承载业务数据的通信单元。该层的描述 参数是数据包到达间隔时间与数据包大小。 通过对数据业务进行上述三层的分析，能够从无线网络层面和数据传输层面 对业务进行充分的表示。三层模型的分析方法同样能够正确的反映用户对业务的 使用行为。它不但考虑了具体业务应用实例的行为，也考虑了无线网络各层协议 的相关特性，因此非常适用于对业务模型的建模分析。 北京邮电大学硕士学位论文第二章业务模型与建模方法 2 2 2 业务流量模型 业务流量模型是利用数学的方法对各种具体业务的流量进行描述，进而对承 载该项业务的无线资源进行估算，以保证资源能够满足该项业务的需求。当网络 中同时执行多个业务实例时，对网络流量进行分析和测量，可获得业务流量模型。 业务流量模型是对一类业务的典型情况进行分析，只需要个业务流量模型就能 静态地涵盖所发生的所有该类业务实例。它从系统级的角度来描述一类业务的流 量特性，网络的具体实现与该模型的描述息息相关。 2 2 3 网络模型 网络模型是从网络中的某个测量点对业务量情况进行描述。 由于业务量情况与具体网络的实现协议非常相关，因此网络模型依赖于具体 的网络实现。网络模型专门魇于对某个网络部分进行描述，它非常适用于某些具 体网络层面的分析。例如在m a c 层上分析软切换。但是，正是由于网络模型的 专用性，它不适用于对与网络特性无关的业务提供全面的描述。 不同的业务具有不同的业务特征，它对实际的网络承载和q o s 提出不同的 要求，业务特征的确定对业务模型的建立具有重要的指导意义；此外，只有通过 对全网的流量负载进行数据处理，才能对3 g 业务组合提出合理化建议，为建网 提供可靠的依据。我们目前所指的业务模型主要是网络的业务流盆模型，是从统 计意义上对业务流量进行分析和建模。 2 3 业务建模的方法 对业务进行建模通常有两种方法：一种称为黑箱法，它对业务统计特性进行 建模，不考虑引起这些统计特性的原因；另一种称为结构法，它是基于业务生成 系统的内部结构来建立模型的。业务建模中将采用前面提到的黑箱法和结构法， 通过实际测试数据给出分析模型，试图揭示数据源的统计特性以及引起这些统计 特性的原因。通常业务模型的参数具有物理意义，这样就可以利用这些参数来预 测业务量特性的变化，这也将是用来预测无线网中业务特性的基础。然后根据实 测的数据，给出相关参数的数学分布，其中主要考虑的数学分布函数是p o i s s o n ( 泊 北京邮电大学硕士学位论文第二章业务模型与建模方法 松分何) ，w e i b u l l ( 威币刃i 分币) ，p a r e t o ，ip a r e t o ，e x p o n e n n a l ( 措数分怖) n o r m a l ( e 态分布) ，g e o m e t r i c ( 几何分布) ，l o g o r m a l ( x , - 数正态分布) ，u n i f o r m ( 均匀分布) ， c a u c h y ( 柯西分布) 等，上述数学分布的密度函数表达式分别为： p 。姗：，似句= 学 ( 2 - 1 ) 响龇f ( x , k 加砉眵h 一利 ) p a 嘲o s ，( 而如口) ，融? 。善”1 ( 2 3 ) 口瑚 一一 t - p 啪 t o ：f ( x , k , a 乃一l 专一 ( l 一( 勺。 脚伽f m l ：，“, t t * z * e 和( 2 - 5 ) ：胞叽一)，士帮(2-6)nonnnl：m 叽一) 。高蠢谛 2 3 1 业务建模分析方法 通常业务建模除了需要分析业务源特性，还要借助合理的分析方法与建模流 程。通过直接测量收集网络数据进行的分析、数学理论分析和离散事件仿真分析 是业务源建模的三种主要方法。 ( 1 ) 基于实际测量的方法 研究任何业务特性的最好方法是在一个正常运营的网络上去研究实际的业 务流量，收集建模所需的参数，但是由于客观条件限制，并不是总有这样的机会。 实际测量可以得到精确的业务模型，但也有明显的缺点。直接测量不但耗时 多，开支大，而且只能针对现有的特定网络进行分析。在现有网络基础上进行测 量，关于网络性能的一些假设情况不容易定位，因为模拟假设情况而对网络进行 物理上的改动可能会危及网络的正常运行，所以这种方法只适用于对网络全局性 能影响不大的局域网内部。 北京邮电大学硕士学位论文第二章业务模型与建填方法 ( 2 ) 基于数学理论分析的方法 借鉴公开的与所研究的业务相类似的数据应用的研究成果，根据不同的业务 需求与网络应用环境来调整参数，对所有业务都适用，尤其适用于研究新业务的 模型。但是，总的来说，开发一个可以控制的理论模型需要很多严格的假设，并 且在通常情况下，很难求得理论模型的精确解。 ( 3 ) 基于仿真分析的方法 通过网络仿真，可以比较不同网络对同一业务模型的影响，而且可以在仿真 结果中得到业务源汇聚后的流量特性，也可以验证理论分析得出的模型的正确 性。这种方法适用所有业务，尤其对于尚未开展的无线数据业务进行建模，这是 不可多得的方法。但也存在缺陷，仿真分析需要借助仿真平台，完成网络模块的 搭建，不仅耗时，而且加入了人为的假设。 2 3 2 业务建模要素 业务模型的建立是基于以下几个要素的折衷：拟合性，描述模型的状态数目， 参数估计复杂度以及仿真执行时间。在业务建模过程，建立业务模型需要考虑的 要素可以抽象和总结如下： ( 1 ) 业务的统计特性 业务的统计特性对于业务建模至关重要，如果需要对某一种业务建模，就必 须首先研究该业务的统计特性，然后根据其统计特性决定所采用的数学模型，模 型状态数等等。在后面建模的过程将体现这一点。 ( 2 ) 所采用数学模型的拟合性 拟合性就是模型与实际数据的接近程度，一般分析中主要是针对模型的分布 函数或者边缘分布函数和自相关结构。业务建模中最常使用的是自回归和马尔科 夫过程，因为对于它们的数学理论研究比较深入。另外，采用马尔科夫模型进行 仿真的好处是，在b o n e s 仿真环境中，马尔科夫过程可以很容易地用有限状态 北京邮电犬学硕上学位论文第二章业务模型与建模方法 机( f i n i t es t a t em a c h i n e ) 来实现。但是由于马尔科夫过程所固有的短期相关性， 需要根据业务的统计特性进行分析是否适合。例如在w w w 业务和v b r 图像业 务建模中，采用的就不是马尔科夫过程。 ( 3 ) 业务模型的状态数及其估计算法的复杂度 状态数影响到模型的复杂程度( 参数个数) 和参数估计算法的复杂程度，从 而影响到系统仿真的效率和执行时间。为了有效进行系统仿真，希望建立尽可能 简单的模型，当然要保证该模型能反映业务的统计特性。 ( 4 ) 业务模型的仿真执行时间 描述模型的参数数目与仿真执行时间紧密相关。例如，利用o n o f f 源叠 加形成的长期相关模型，随着样本尺寸的增加其参数数目将趋近于无穷大。显 然这样既没有相应的物理意义，又无法进行有效计算。同样，这也是系统仿真平 台最终没有采用v b r 图像业务f a r i m a 模型的原因。 2 3 3 业务建模流程 以上三种务建模分析方法都存在各富的局限性。实际应用中往往采用第二种 和第三种方法结合使用，才能得到比较精确客观的模型。通常采用的建模流程如 下图所示。 如果拟台结果在误差范围内 修正理论模型参数 图2 2 业务建模流程图 北京邮电大学硕士学位论文第二章业务模型与建模方法 对于第三代移动通信系统话音业务和分组数据业务的建模，可以在目前已有 模型的基础上，对其参数进行修正。仿真过程中首先需要熟悉u m t s 的网络模 型，才能分析无线环境的特性和无线应用的q o s 参数对业务模型的影响。图中 阴影部分标识的是u m t s 分组域部分，是分组数据业务的网络环境。 辆i d qa 瞳嗍n h 坩镦kj 。d 惩n 酞- - 口矗 一k 酊i n 譬m u d 豳搐t r m 耐e rl m e 靠 晾 图2 - 3u m t s 网络模型框架 仿真环境的开发还需要了解每个网络节点协议栈的构成，下图是u m t s 面 向分组交换域的用户平面协议栈，图中标识了上行分组数据的流向。只有建立完 备的协议栈结构才能将真实网络协议对数据流量的影响考虑进去，这将关系到后 面进行数据拟合时，对业务模型修正的正确与否。 系统仿真模型不仅要求建立一个业务生成模型和网络体系，更重要的是要在 网络仿真环境下验证该模型产生的数据源与实际业务源是否具有相同的统计特 征。 a p p i c m i o n 0 甚i p , p p p t t 軎i p , 肿 型时 十 巴吧 g t r p * u 、一o t p uo t u u d 哪u 谢mu d p 虹p p d c p p i i c p ，a t p - u 士i一 1 5 1 2 l 2 i u cr l cu d p ，i p m cm a c l 5 l ll i 丁m 1 ml il 1 u 5 u u u t l l a n 筠 3 g * s g s l q g i l ，0 g g 洲 图2 4u m t s 面向分组交换域的用户平面协议栈 北京邮电大学硕士学位论文第二章业务模型与建模方法 在整个仿真建模过程中，首先需要建立与实际网络环境相近的仿真条件，例 如无线信道的衰落模型、时延特性以及网络结构( 其中包括网络拓扑、单小区的 用户数和用户业务类型) ；其次，需要选取正确的业务模型。前一节已经给出了 若干典型无线分组业务的模型，这将直接影响下一步的模型参数调整。如果仿真 收集的结果与实际网络采集的结果在一定误差范围内，说明原先建立的业务模型 是有效的，否则就需要重新调整业务生成模型的分布和参数，直到和实际业务源 的统计特性相吻合。如果理论模型选取