外文翻译--可靠的UMTS地面接入网的设计 中文版

1 译文 ： 可靠的 UMTS 地面接入网的设计 摘要 在不久的将来， UMTS 在电信市场中必将扮演非常重要的角色。因为能够提供广泛的服务以及可增加的无传输容量， UMTS 将是接入网的最重要的 3G 制式之一。有提议 UMTS 采用树形拓扑结构，但由于网络需要传输数目巨大的通信量，因此要求 UMTS 的地面接入网络采用更加可靠的结构。在这篇文章中，我们将介绍两种算法以解决上述问题，同时我们将设计在故障的情况下拥有最低的通信量损耗的拓扑结构。其中一种算法是通过改变树形拓扑结构来解决这个问题的，另一种算法则是通过增加额 外的链路来扩展网络。在本文我们也将阐述如何在现有的网络基础上，协调好提炼拓扑结构和扩充网络的两者关系，我们的结论都通过详细的测试的证实。 简介 现在，我们可以明显的发现 UMTS 将是不久将来电信市场中的基础。因为 UMTS 需要提供多种类型的服务，特别是强调数据传输和扩充无线传输的容量的意义 ,所以迅速发展的 UMTS 有个新的特征，即基于服务。由于数据通信的比例不断增加； UMTS 的地面接入网是一个非常复杂和高容量的系统。 UMTS 无线接入网可分成两个网络元素：无线网络控制器（ RNC）和无线基站（ RBS）如图 1 所示。 在此网络中， RNC 可有环形或网状的拓扑结构， RNC 要负责管理与 RBS 相连的无线信道，并汇聚或转接来自 RBS 的通信至高一网络 核心网。 RBS 的任务则是管理属于它本身的无线信道和向前传送来自其它的 RBS 的通信业务。因此， RBS 可以通过直接方式或级联方式与专用 RNC 相连。在目前已发表的 UMTS 系统中， RBS 并不具有路由功能，因此它们之间的通信业务必须通过专用 RNC 向上传输。 在最近的 UMTS 相关的研究活动中，寻找构建一个最佳的接入网拓扑结构的方法是最重要的任务之一。因为移动市场是充满竞争的，网络结构的性能是一个 很重要的问题。因为它将决定网络的长期性能和服务质量，基于当前存在的 GSM 网络拓扑结构，一个最基本的方法是建立接入拓扑结构来作为一系列 RNC 的接入源，但受网络结构限制。这种受限来自于设备的技术限制，虽然这种拓扑结构简单，但大量使用 RBS 和 RNC 以及技术限制（例如：严格的非线形衰落功能）使得这类网络设计困难。 如果考虑到 RBS 的数量及位置，则出现以下两种类型的问题： 1 多个 RNC 的问题。此时主要任务有两点：一方面我们必须确定所需的 RNC 的数量及位置；另一方面，我们必须为每个 RNC 构建相应的 RBS 的树形拓扑。 2 单个 RNC的问题。此时我们的任务就是为预先确定的 RNC寻找一种最佳的 RBS 2 拓扑结构。 如果不考虑树形拓扑结构的简单性及成本的低廉，它有一个非常致命的弱点：对任何种类的故障都十分敏感。这点非常重要，因为一个简单的故障也可能引起严重的数据丢失，同时导致网络性能的严重退化。尽管故障发生的机率很小，但它们仍需要被解决。因此具有容错能力的拓扑结构是网络必需的。由于大量的网络节点相互联系的，无论是网状结构或环形结构的拓扑都是很不经济的。 这就激发我们去如何设计一种具有可接受的费用，同时满足平均通信量损失低于一个特定值的拓扑 结构。 本文在假定树形拓扑结构且仅有唯一故障的前提下，介绍一种方法以分两阶段来减化网络可靠性设计的问题。 这第一阶段，我们将在考虑网络的可靠性的前提下设计一种 RBS 的结构。此时我们将计算在该拓扑结构下预期出现的通信量损失，并利用该值来计算实际运行中的附加费用。因此网络的总费用（在最理想的情况下）将是正常使用的费用加上通信量损失时网络的费用之和。而且上述两种费用的比例可用来评价通信量损失的等级。通过对附加费用的分析，可以很好地标志在拓扑结构下网络费用与可靠性之间协调关系。 第二阶段，我们将在网 络中加入新的链路以提高网络的可靠性。这种方案为我们提供了更加有效的保护策略，因为此时我们拥有更多可选择的信道来回避那些易出现故障的敏感区域。 3 问题介绍 就如前面讲述的，我们的目标就是在充分考虑了给出的拓扑结构的抑制力、通信业务的要求以及期望的可靠性情况下，寻找一种接入专用 RNC 的最小费用的 RBS 子网络结构。下面我们将分别介绍网络、成本、可靠性三种模式。 网络模式 我们假定 RBS 和 RNC 给出的信号都已取得进展（如全球定位、通信需求、收费参数等），则有另外以下两种重要抑制着 网络设计发展的技术需要被考虑。 1 级联的抑制指示了 RNC 和 RBS 之间最大数目的联结点。换句话说，级联的抑制是限制了 RBS 最高等级，即在主要网络中 RBS 与 RNC 之间最短信道的长度的最大因素。 2 RBS 复接的抑制指示了低级的 RBS 直接与上一级的 RBS 相连最大数目的。它限制了 出和入的链路数（即它限制了节点的输入与输出的总量）。 我们必须认识到当前的使得复接的抑制成为比较次要的限制因素。虽然它也可能对可靠性有着重要的影响。例如，如果我们有十分强烈的可靠性期望值，则需要有较强的网状网络来实现，此时网络节点则需要高复接能 力。 4 可靠性模式 在可靠性模式下，网络被分为三个元素（如图 2 所示），并且每个部分都需要一个有效的参数。 在设备及其分界面上，这个参数取决于数据处理与数据传输的能力，在链路中，这个值由另两个参量决定，即长度和位置。在有线链路中，我们通过环路长度以及每年每公里出现中断次数来计算网络的有效性。另一方面，在微波链路中，我们使用位置参量 含有一些特定的因素例如严重的暴风雪发生的概率，来确定（网络）有效性。同样，对链路的有效性有着影响的中继站的数目也需要通过长度和位置两个参数来确定。 在 RNC 和 RBS 之间我们可以 定义一些信道 ,而每个信道都可以通过上述的几个元素来构成。一个信道的有效性同样可以通过它的几个元素的有效性的乘积来计算。每个 RBS可以有多个信道（即默认信道和备选信道），同时 RBS 的有效性也是由属于它的这些信道的有效性之和。这个值（ RBS 的有效性取值，译者注）可以通过采用文献 8中的公式。 但是， RBS 的有效性并不是最好的判断标准。因为，即使在有效性值相同的情况下，基于两个 RBS 的通信情况可以是完全不同的，它们的重要性也是不同的。因此我们采用通信量丢失参量 L=（ 1-A） *T 来判断，其中 A 是有效性值， T 是基于 给出的 RBS 的通行量。 在树形拓扑结构中， L 的平均值往往大于理论上的最低值 Lmin，即在星形拓扑网络中的平均通信量丢失值。 成本模式 在我们所用的成本模式中，网络的总体成本结构包括： RNC 成本， RBS 设备，以及链路成本。 在我们的模式中，可以允许有线的（网线，光纤，铜线）和无线的（微波）相互连接。链路成本包含独立容量部分和非独立容量部分。传输链路的独立容量部分成本包括链路传送增加的子成本和两个终结点之间因重传需要所耗费的子成本。另一方面，传输链路中，非独立容量的部分的成本主要是为了增加逐步功能和分段功能。我 们的模式中采用了这两个步骤。 RBS 和 RNC 的链接成本主要有以下几个子成本： 属于本 RBS 的端口的数量的费用。它是由逐步功能和基于正被讨论的与此 RBS相连的其他 RBS 的数量决定的。 端口的非独立容量部分的费用。这个成本的也包括逐步功能和当前端口所要求的必需容量的费用。 设备费用包括安装费用和必需的次级设备的投资费用，如：处理器，仪器甲板等等。这个费用可以通过计算经过当前的设备以及正在使用的物理端口的通信量总和来得到。 除了网络结构的成本外，我们还定义了第二种网络成本，用于描述网络的可靠性。因 5 此我们又称之为处 罚成本，由 Cpen 表示。在接入网的设计过程中，考虑到网络可靠性费用时很有可能将处罚成本也计算在内。 为了计算 Cpen，我们先要计算处罚数值 w。如果我们限定了平均通信量损失 Llim，使用一个适当的方法就可以表示每个 RBS 的不可靠性。通过累加功能数值，就可以得到 w，用来表示当前网络可靠性与期 望网络可靠性的差距。在我们的例子中，使用了简单的函数表示，如图 3。 为了将 w 转换成处罚成本，我们需要通过以下两个步骤来实现： 1 首先我们将 w 标准规一化，使其值为 0， 1之 间。我们用 0 表示通信量损失低于每个 RBS 期望值 Llim 的情况，用 1 则表示通信量损失为迄今为止最坏的情况。 2 其次我们将规一化的 w 值代入到网络结构成本大小的公式中。这样我们就容易定义它在最后的最佳方案的成本中所占的比率。 处罚性树形算法（ PTA） 在定义了适当的开销函数后，我们草拟了一个被称作“精致树形”的算法，描绘了我们 UMTS 无线网络规划方法的第一个阶段。 这个算法包括了如下输入： 1、 RBSs 和 RNC 的位置以及通信量需求。 2、树的重叠深度和每一级广度限制以及通信损失期望值 L l i m 3、设备、接口 和链路的可用函数。 这个算法的输出是一个综合了所要求的由假定的拓扑约束和通信量需求定义的必要条件最小开销的树型拓扑。 我们的设计方法在这一阶段关键步骤是在保持基本结构没有冗余链路的情况下修改树型拓扑。在 4我们曾在未慎重考虑的前提下提出过一个算法：在相同的条件下建立一个最合算的（几乎是理想的）级数和水平都被限制的树型拓扑。 简要地说，这个算法有两个主要的重复步骤： 首先：确定树型结构中位于 RNC 下第一水平层的 RBSs。 第二：将剩余的 RBSs 连接到“第一水平层” RBSs 下以组成一个最佳的网络拓扑（开销最小 的） 基于 meta-heuristic 的方法被称为 Simulated Annealing（见 10），这个算法周期性地重新分配第一水平层 RBSs 并在每个重复过程中重建拓扑结构。是否接受当前构造是基于该构造的开销。 在这种情况下我们采用了相同的算法，但在每个步骤中我们估算虚拟和物理线性组合而成的构造的总开销以及 (1)中给出与通信损失相关的开销 6 Ctotal = Cpen + (1 )Ctop (1) 通过调整 的数值，我们可以使运算法关注更高的可靠性。值得注意的是，在较低的相关值的情况 下，所要求的通信损失（ L l i m）不能达到所要求的值，因为 Cpen在最理想的总的开销总所占的比例少。另一方面，在较高的可靠性需求的情况下，具有冗余链路的开放性网络将比目前所使用的“精致树形” 具有更高的效率。 增加可靠性的算法 现在我们将提出通过插入额外的链路的方法来提高网络的可靠性的运算法则。当输入时，我们需要考虑 Llim 的限制以及整个树形拓扑网络的损耗总和。当输出时，我们将尽力寻找一种保证平均通信损耗值低于 Llim 的网络拓扑结构。 在定义算法之前，我们先介绍一下我们假设的最优化的网络： 首先，我们假定 一个信号出错的情况，即在某个时间内网络仅有一个错误发生。 其次，我们指定任意一个 RBS的备用信道最多只比默认的 RBS信道多绕一个节点。 第三，我们假定接入网的一些 RBS 的级别低于我们的级别限制。（另外，无法创造新的链路）。 第四，我们规定除了在网络发生故障的时候，最新接入网络的备用链路不传送任何通信。 这些假设将会简化我们在网络设计中问题的复杂性。例如，假设仅有一个信号发生错误使得（网络）可以共享备用信道，就像图 4 所示。 如果我们想保护由 RBS i 和 RBS j 发起的通信，则我们需要在这两者之间建立新的连接， 同时我们又得为此增加新的备用链路。在仅有一个信号发生错误的前提下，一旦 RBS i 和 RBS j 的默认链路出现脱节，则这些链路中在这段时间内仅有一条无法工作。着就是为什么在设计 RBS i 和 RBS j 的链路时我们只考虑两个基站中可能出现的最大通信量，而不是两者通信量之和。 7 接下来我们将介绍用于增加备用信道时的两种算法。 迫切可靠性增加法（ GRE） 第一种方法，我们在假设第一级 RBS 对故障最敏感的条件下建立了一个非常简单的算法。我们将两个一级的 RBS 直接连接起来，同时我们在如图 4 所示的精确的相同的方法下为其分配 备用信道。当我们需要连接一对 RBS 时，先简单地估算 RBS 间的距离，然后我们选择距离最小的一对连接起来，然后再寻找剩余的 RBS 中距离最小的相连，这样的过程一直持续下去。这种方法很快，但不是很有效。此外，当第一级 RBS 的数量有限时，这个算法的提高（网络的）可靠性的能力受到限制，所以我们只简单介绍这个算法。 可靠性随机增加法（ RRE） 此时我们将使用随机化的方法来解决前面的问题（参加备用信道，译者注）。我们分为以下几个步骤来进行： 通过参照参数 Llim，我们将违反了通信量损失限制的一组 RBS 分离开来。 我们将从 上一步 RBS 中选出一个，并用随机函数来表示通信量的损失。而且通信量损失越大的 RBS 越有可能被选中。 在联合考虑了开销和可靠性的前提下，使用一种确定的方法为上步所选的 RBS 选择另一个适当的邻近 RBS，并在这两个 RBS 之间插入新的链路将它们连接在一起。通过上述选择适当的邻近 RBS，我们可以得到简单的估价值，如公式（ 2）所计算： rate = C + (1 A) + L (2) 式中 C 和 A 分别是我们新增加的链路的成本和有效性的开销， L则是这两个RBS默认路由的长度。 , 和 固定参数，是前面三个变量的比例系数。 对于邻近 RBS，在必要时我们可以增加它的默认路由的通信容量。因为一旦出现故障，这条路由需要能够处理重发的通信业务。 最后，我们要记录为被保护的 RBS 的新增备用信道，以及由它所属的所有子 RBS。（注释：如果默认路由是从 j 到 i 的话， RBS j 就是 RBS i 的子 RBS。） 我们一直重复上述步骤，直到我们发现任意第一步中选出的 RBS 无须再进行保护为止。 在图 5 中，我们展示了在简单的只有 6 个 RBS 的网络中我们算法的各个步骤。如图所示，我们 第一阶段先将 RBS b、 e 和 c 分离，认为这些 RBS 对故障是最敏感的。并且挑选RBS e 为第一个被保护（我们是随机选取的），而 RBS d 则是唯一符合我们条件的邻近 RBS。然后，我们增加一条新链路（步骤二），并根据新的需要，我们增加了 d 和 f 之间链路的容量。第三步，我们为 RBS e 及未被保护的子 RBS b、 c 分配备用信道。下一个步骤（ 4a），我们将重新计算每个 RBS 的可靠性，并且我们发现 RBS b 仍然是违反了通信量损失限制。现在我们拥有两个 RBS（ a 和 d）可以与 RBS b 增加新的链路，通过步骤 2 的估算，我们 8 选择 RBS a。在加入新的链路之后，我们根据需要把 RBS a 默认信道的容量。由于 RBS b有两条备用信道（一个是经过 RBS a，另一个是经过 RBS d）在链路