无线网关对自相似业务流的影响.doc

第2期张颉等：无线网关对自相似业务流的影响69无线网关对自相似业务流的影响张颉，吴援明(电子科技大学 光电信息学院，四川 成都610054)摘 要：在分析具有自相似性的有线网络业务流经无线网关转发后的变化规律的基础上，经过仿真研究，结果表明，当网关工作在“实时转发”模式或“功率控制”模式时，若缓冲区大小与无线信道容量近似相等，无线网关对业务流的自相似性不会产生影响；当网关工作在“功率控制”模式时，若缓冲区大小远大于无线信道容量，EAFRP模型的拖尾系数与自相似程度增大。关键词：自相似；无线网；EAFRP模型；Pareto分布中图分类号：TN915.05 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)02-0066-05Effect of wireless gateway on incoming self-similar trafficZHANG Jie, WU Yuan-ming(School of Optoelectronic Electronic Information, UEST of China, Chengdu 610054, China)Abstract: In the analysis of the changes as the self-similar cable network data enters the wireless network through wireless gateway, the simulation results show that, the self-similarity does not change when the gateway works on real-time forward or power control mode, and its buffer equals wireless channel capacity; the self-similarity and state duration of EAFRP model will increase when the gateway works on power control mode and its buffer is much greater than wireless channel capacity.Key words: self-similarity; wireless network; EAFRP model; Pareto distribution1 引言收稿日期：2007-03-26；修回日期：2007-12-24基金项目：电子科技大学青年科技基金资助项目 (YF020504)Foundation Item: The Youth Technology Fund, UESTC (YF020504)由于网络流量的自相似性质对网络模型设计、QoS以及网络协议等具有重要价值，且有线网络中的某些研究成果已在实际网络和IPv6中得到大量的应用，因此这方面的研究工作一直是网络研究中的一个重要话题。目前研究人员开始转向无线网中的自相似研究，其主要原因有以下几个方面：首先，近年来无线网络飞速发展，无线通信和无线网络用户在接入Internet时能获得与有线用户一样的带宽，这就意味着无线网有可能与有线网的数据一样存在自相似性；其次，无线网自身的不稳定性使得TCP协议的重传概率增大，造成其数据具有自相似性；再者，有线网的自相似数据经网关转发到无线网后，可能造成无线网的数据与其一样的自相似性。因此部分研究人员大胆假设高速无线网与有线网的流量一样存在自相似性，并研究基于这种假设下的无线网的性能1,2。Athina P. Petropulu通过研究有线网的自相似数据经网关转发后流量的统计性质，得出如下结论：当网关工作在“功率控制”模式下，且其缓冲区远大于无线信道容量时，无线网数据的自相似性下降甚至消失3。根据Athina P. Petropulu的研究结果，可得出一个非常具有应用价值的结论：在日常生活中的非实时、变速率应用(比如FTP)下，其H参数经网关转发后将小于0.5，这对无线网的模型设计以及丢包算法等具有重要影响；但我们在大量仿真实验中却发现：在上述条件下，无线网数据流的H参数增大，并未出现文献3中提出的下降甚至消失现象。本文的仿真工作严格遵守文献3中的要求，在MATLAB7.1仿真软件中完成。2 系统模型2.1 输入数据令S(n)代表到达网关的数据流，其是多个单用户数据的概率叠加。本文用EAFRP模型来模拟4,5，其中与相互独立，服从参数为和Pareto分布6，；ON状态的速率服从下面的分布其中，L、R分别代表单个用户数据与总数据带宽上限，。2.2 无线网关本文讨论的网关主要负责存储、转发数据包。将时间轴划分为很多的时间片，并且假设在一个时间片内最多有一个信元被发送到无线网络。网关有2种工作模式：Server Model 1(SM1，功率控制)：如果缓冲区内的字节数小于无线信道容量，网关不采取任何操作，直到有足够的数据到达网关。Server Model 2(SM2，实时转发)：只要缓冲区内有数据，网关将缓冲区内的字节打包发送到无线网。SM1是一种节能的工作模式，一方面，它避免了无线信道中存在的很多小数据包，信道的利用率提高，但增加了传输延迟；另一方面，它不要求无线接收设备长期处于工作状态。SM2的传输延迟减小，但要牺牲带宽利用率和能量消耗。3 网关对数据流的影响本文根据2种工作模式的不同分别进行讨论，令S(n)代表n时刻网关的输入，T(n)代表n时刻网关的输出，Q(n)表示n时刻网关缓冲区内的字节数，并且令Q(0)=0。T(n)、Q(n)按下面的方式更新(1)(2)其中，取两者最大值，取最小值，Q(n)满足：，为网关缓冲区大小，代表无线信道容量，表示单位时间。3.1 “功率控制”模式（SM1）网关工作模式为SM1时，根据缓冲区大小与无线信道容量的关系，本文就下面2种情况分别进行讨论：小缓冲区系统(small buffer system,)与大缓冲区系统(large buffer system，)，在实际应用中，一般满足。为了便于处理，做如下假设：A) S(n)在ON状态下的最小速率，则因此，即 。B) Q(n)取值较小，它仅仅会造成T(n)2种状态持续时间增加或减少一个单位时间，而且根据Pareto分布的性质，、可能取某一较大值，这样、主要受、的影响，而Q(n)对其影响减弱，因此假设：计算T(n)时，忽略Q(n1)，则式(1)简化为(3)3.1.1 小缓冲区系统(small buffer system,)由于参考文献3中已经给出了详细的分析，本文直接给出结论1(4)(5)3.1.2 大缓冲区系统(large buffer system,)假设A成立，式(1)、式(2)分别简化为：、 ；同时根据文献4，再生点有，所以 。通过观察，认为下列条件成立：1) 即使输入S(n)0，输出T(n)=0,且持续时间为。2) 缓冲区的字节与输入足够封装个数据包，相应的输入S(n)的持续时间大于。3) 再生点满足：，且。4) 。5) 假设1)成立即，所以。6)， ，所以；故其中，是输入S(n)的ON状态的传输速度。当x取极大值时，上式为其中; ；故 ，其中，为一常数；综合上面的推导，得结论2 在大缓冲区系统下，而且假设A成立，则(6)(7)3.2 “实时转发”模式（SM2）当S(n)处于ON时，网关一直转发数据，T(n)也处于ON状态；由于，因此当输入S(n)处于ON状态结束时，缓冲区里的字节数近似为零，所以当输入S(n)处于OFF状态时，输出T(n)也处于OFF状态，输入与输出持续时间最多相差一个时间单位，因此可得出结论3(8)4 实验仿真及结果分析按2.1节讲述的方法生成自相似数据流，其中两状态持续时间分别服从Pareto分布，ON状态下的速率服从 分布，本文主要给出SM1下大缓冲区系统的仿真结果，缓冲区大小B=6 000,无线信道容量取。当网关工作在“功率控制”模式且，时，根据结论2，T(n)与S(n)状态持续时间的拖尾系数满足：，。为了保证无线网关已工作在平稳工作状态，网关输入、S(n)的仿真量分别为、；此外，由于讨论的是无穷远处输入输出流的统计性质，本文选取系统平稳工作时的值来统计其LLCD图(如图1所示)。从图1中，发现输入S(n)与输出T(n)的ON状态持续时间与OFF状态持续时间的LLCD曲线近似为直线，从而验证了仿真输入输出数据服从Pareto分布；从图1中还可以发现，OFF状态持续时间的拖尾系数近似相等，而ON状态持续时间的拖尾系数在1.510-6以后明显增加。为了保证系统已经处于平稳状态，检测S(n)与T(n)的H参数时，都取其105单位时间以后的值。根据文献3的结论， 图1 “功率控制”模式下，EAFRP模型状态持续时间拖尾系数当输入流的状态持续时间拖尾系数满足：、网关工作方式为SM1且时，网关输出数据将不再具有自相似，针对这一结论做了大量的仿真，当、时，给出了无线网关输入与输出H参数比图(如图2所示)和“小波”检测对比图(如图3所示)，同时为了防止偶然性因素的存在，本文不断调整输入流的参数，并对仿真结果进行检测，结果如表1所示。图2 网关输入数据S(n)与输出T(n)的H参数VT检测图3 网关输入S(n)与输出T(n)的H参数小波检测表1 “实时转发”模式下，网关输入输出H参数对比a1a0数据仿真量输入数据H参数(实际检测值)输出数据流H参数(文献3结论)输出数据H参数(实际检测值)1.12.9661 1680.577 90.400.730 81.12.81 011 3580.673 20.400.866 21.053.5769 2620.692 30.450.839 51.13.1775 5860.692 40.400.837 31.13.2773 7840.718 10.400.849 81.13.3852 7410.804 40.400.812 7从图2、图3和表1中发现，无论怎样调整输入数据流的参数，都不能得到文献3中给出的结论：输出数据不具有自相似性即。然而从另一个角度，发现这样一条规律：在上述条件下，网关输出的H参数在0.8左右浮动，这说明网关输出数据的自相似程度很高，同时H参数有不同程度的增大，而且这种增大不具有一种明显的规律，这说明参考文献3中的结论是不正确的。由于图1中，网关输出的状态持续时间拖尾系数增加，但H参数检测结果与期望值不符，认为文献3结论不正确的原因是EAFRP模型不能描述本文的情况，关于这方面的研究我们正在做进一步的理论分析。5 结束语本文通过大量的仿真实验，发现当网关输入满足：，且工作模式为SM1、时，网关输出的H参数近似等于0.8，其具有很强的自相似性，这与文献3中提出的 “网关输出的自相似性消失” 相违背。同时，网关输出数据流的H参数有一定程度的增大，但不具有明显的规律。针对本文仿真结果与文献3的结论不相符这种情况，我们认为可能存在的原因是，在此条件下，EAFRP模型计算H参数值的公式不适用，就此方面的研究我们正在做进一步的理论分析。参考文献：1HARPANTIDOU Z, PATERAKIS M. Random multiple access of broadcast channels with Pareto distributed packet inter-arrival timesJ. IEEE Wireless Communications,1998,5(2): 48-55.2SOWDEN B, S0WERBY K. The impact of long-range dependent traffic in a CDMA system supporting real-time servicesA.IEEE Global Telecommunications Conf (IEEE GLOBECOM)C. 2001.3509-3513.3YU J, PETROPULU P. Study of the effect of the wireless gateway on incoming self-similar trafficJ. IEEE Transactions on Signal Processing, 2006, 54(10): 3741-3758.4YANG X, PETROPULU P. The extended alternating fractal renewal process for modeling traffic in high-speed communication networksJ. IEEE Transactions on Signal Processing, 2001, 48(7): 1349-1363.5YU J, PETROPULU P, SETHU H. Rate-limited EAFRPa