無線網絡中的業務行為及業務容量
——概念、模型及發展

胡 杰,張 興,王文博

(北京郵電大學 泛網無線通信教育部重點實驗室, 北京 100876)

0 簡 介

隨著無線通信技術及互聯網的飛速發展， 內容豐富的多媒體業務的不斷涌現，無線網絡面臨著用戶對于不同業務巨大的潛在需求。在實際無線網絡建設中，無線網絡的容量估算起到了至關重要的作用。在這樣的無線網絡的規劃中，不僅需要精確的能夠刻畫不同業務行為特征的業務模型[1]，還需要優化無線傳輸系統的底層設計，以滿足無線系統資源的充分利用，保證并提高系統中終端用戶對業務的使用體驗。

在現有的無線網絡中所應用的業務模型相對單一，早期提出的隨機到達的使用話音業務用戶數目服從泊松過程的愛爾蘭模型[2]還在廣泛的使用，至今仍未形成一套針對多媒體數據業務的成熟的容量規劃方法，也不能體現用戶端對不同業務的不同體驗及需求(QoS，quality of service)。

因此為了滿足未來智慧無線網絡設計的需求，首先，需要找到能夠更加準確的刻畫不同業務行為特性的業務建模方法；其次，探索一種能夠對不同特性的業務進行量化的統一的量化評價機制，從而方便并更加合理的配置無線網絡系統中的不同業務，提高資源的使用效率；最后，綜合考慮高層的由QoS來體現的用戶體驗用戶需求及底層的無線傳播環境的協同作用，合理對無線網絡設計進行優化與規劃。對業務行為模型及業務容量的研究，將促使探索從業務角度研究提升無線網絡性能提升的新途徑，為研究面向業務行為的新型無線通信系統奠定重要的模型基礎。

1 業務概念及模型介紹

在目前的網絡研究與規劃中，對業務行為和業務模型的描述種類繁多，并沒有一種準確的概念用以解釋業務和業務模型的真正含義。本節將從應用(application)、服務(service)和流量(traffic)三個方面解釋業務的概念。

應用(application)，利用無線網絡中傳輸得到的數據，根據不同的需求所進行的具體應用。這是一個靠近用戶側的業務概念，如視頻通話、在線視頻和實時監控都是用戶利用視頻服務進行的具體應用。

服務(service)，主要功能是為用戶端的應用提供所需的服務，通過不同的服務質量刻畫不同種類的服務，如話音服務、視頻服務、Web服務、FTP服務和E-mail服務等。

流量(traffic)，單用戶或多用戶產生的相同種類或不同種類的服務在下層進行傳輸的數據流，如傳統的泊松流、自回歸流和能夠反映數據業務突發特征的分形布朗(FBM)流，能夠反映數據業務行為特征的ON/OFF流等。

無線蜂窩網絡系統中業務傳輸流程,如圖1所示，方便區分和理解業務的三個不同層次的概念。

圖1 無線網絡系統中業務傳輸流程

業務量及業務容量的概念是建立在業務本身特性的基礎之上，而業務本身特性的刻畫可以用下面三個層次的模型來描述。

(1)業務的服務模型(service model)，通過用戶的QoS要求來刻畫。比如用戶對業務的丟包率要求。時延要求等，反映了用戶對不同業務的體驗需求。

(2)業務的流量模型(traffic model)，描述了業務數據量的隨機到達過程，能夠反映業務的平均到達速率、方差系數和自相似性等，得到廣泛應用的流量模型有FBM過程、自回歸過程和馬爾可夫過程等。

(3)業務的用戶行為模型(user behavior)，主要描述了用戶接入系統的隨機過程，屬于系統級別描述使用該業務的用戶行為模型，如話音業務用戶數目的泊松到達模型。

根據不同層次的業務流量模型，可以進行不同層次的規劃和研究。業務的用戶行為模型結合在無線通信中得到廣泛應用的排隊理論(queuing theory)[1]，用來研究無線網絡中用戶的接入性能；業務流量模型和業務服務模型結合排隊論，用來研究無線網絡中不同業務的QoS特性，進一步指導底層的系統設計。由此可見，能夠準確并完整描述業務特征的業務模型，在無線網絡系統的規劃中占有重要的地位。

2 無線網絡容量介紹

在現今的無線網絡中存在多樣的容量的概念。為了提出合適的業務容量，有必要清楚理解和掌握現有一些重要的容量概念。下面分別簡單介紹幾種常見的容量概念。

2.1 信道容量

無線通信不斷增長的需求使研究各種無線系統潛在的信道容量極限變的越來越重要。如文獻[3]所述，信道容量給出了不考慮編譯碼時延和復雜度的條件下，使誤碼率趨于無限小的最高傳輸速率。信道容量還依賴于接收端和發送端對時變信道信息的了解，分為下面三種情形：(1)信道部分信息已知(CDI)；(2)接收端已知信道邊信息(CSI，channel side information)；(3)發送端和接收端都已知CSI。信道容量主要包含下面兩種形式。

(1)遍歷容量

也稱，各態歷經容量，香農容量。信道容量的數學理論最早是由香農[4]于20世紀40年代末建立的。該理論的基礎概念是信道輸入和信道輸出之間的互信息量。香農將信道容量定義為這個互信息量在不同的信道輸入分布下的最大值。差的信道狀態將使遍歷容量降低。文獻[5]給出了遍歷容量的數學表達式為

(1)

注意此式是統計平均：信噪比為γ的AWGN信道的容量是Blog2(1+γ)，再按信噪比的分布p(γ)求平均就得到C，這也是稱其為遍歷容量的原因。

(2)中斷容量

如文獻[3]所述，中斷容量適用于慢變信道，信道的瞬時信噪比在一段傳輸突發的時間內是恒定的，經過這段時間后依相應的衰落分布變為另一個值。在這種信道中，如果發送端不知道信道突發時間內的瞬時信噪比γ，只能以一個不依賴于瞬時信噪比數值的固定速率進行傳輸。帶中斷的容量允許在某個突發時段以一定概率譯錯所傳輸的比特。發送端確定一個最小接收信噪比γmin，再按這個信噪比確定一個速率Blog2(1+γmin)，然后在所有突發中以這個速率傳輸，如果接收的瞬時信噪比大于或等于γmin，則能正確譯碼；若小于γmin，就不能以接近1的概率譯對突發中的所有數據比特，此時接收機將指示出現一次中斷。出現中斷的概率為Pout=P(γ<γmin)。在所有突發中，正確傳輸的概率是1-Pout，所以平均正確接收的數據速率為

Cout=(1-Pout)Blog2(1+γmin)

(2)

綜上所述，當發射機和接收機都知道信道增益信息、信道狀態信息(CSI, channel state information)時，用遍歷容量表示信道的發送速率極限比較合適；如果發射機不知道信道增益信息，使用中斷容量更能說明問題。

3.2 網絡容量

文獻[6]中給出了多種無線網絡容量的定義，如蜂窩語音和數據通信網，移動IP，多跳無線通信網及ad hoc網絡等。網絡容量，定義為某一網絡的最大傳輸能力。

為了與實際更加緊密的結合，這里僅考慮蜂窩語音和數據通信無線網絡中的網絡容量概念。由于這類無線網絡的主干網使用有線連接，僅僅在最后一跳使用無線連接，因此可以用如下方式定義蜂窩無線網絡的網絡容量。

假設該蜂窩無線網絡由N條信道構成，其中第i條信道的信道容量可以用式(2)或式(3)計算得到，這里用Ci表示。則該無線網絡的網絡容量為

(3)

由于不同的信道之間可能存在有一定程度上的干擾[7～9]，因此實際中的網絡容量往往會小于各信道的容量之和。

3.3 系統容量

系統容量，是指一個無線網絡系統中所能支持的、可以同時進行傳輸的、使用某種單一業務的最大用戶數目N。系統容量在無線網絡規劃中是一個重要的參數，在有限資源的基礎上如何合理規劃以提高系統容量，也是無線網絡規劃的最終目的。

影響系統容量的因素有很多，比如資源的多少，干擾的大小，不同的資源分配策略，不同的用戶接入控制機制。如文獻[10]所述，CDMA無線傳輸系統，是一個干擾受限系統，為了保證用戶正常的通話質量，必須控制系統的總干擾值在一定的范圍內，因此在計算該系統容量時，主要從用戶接入給系統帶來的干擾影響出發；如文獻[11]所述，TD-SCDMA無線傳輸系統是一個資源受限系統，影響系統容量的主要因素是系統所能提供的資源數目。如文獻[12]所述，不同的資源調度策略也會影響系統容量，如果無線網絡系統采用最大載干比的資源調度方式，雖然提高了網絡吞吐量，但犧牲了信道條件較差用戶的接入，從而造成系統容量的下降；如果采用比例公平的調度方式，則同時兼顧了信道條件較好用戶和信道條件較差用戶，雖然不能實現網絡吞吐量的最大化，但會給系統容量帶來顯著的提升。

無線網絡傳輸系統的一個場景示意圖如圖2所示。其中每一條箭頭代表著網絡中一條正在使用的無線信道，具備自身的信道容量；整個基站所能提供的所有無線信道的信道容量之和為該系統的網絡容量；當系統中用戶均使用同樣一種業務如話音業務時，該系統所能支持的同時進行傳輸的用戶數目即為系統容量。

圖2 單一業務場景下三種傳統容量概念之間的關系

4 業務容量

4.1 背景介紹及業務容量定義

在有線電話網絡和GSM網絡中，已經形成一套完整的針對傳統話音業務的量化評價機制。根據話音業務的電路域交換特征及信道的占用情況提出了話音業務業務量—話務量的概念。這里話務量的單位用“愛爾蘭(Erlang)”來表示。話務量的概念體現了單一話音業務給網絡帶來的負載影響。

在已有的無線網絡規劃中，話音業務的容量是通過如下方式來體現的。通過調研得到某小區中的總體話務量，以及一個小區中所能提供的無線信道數目，根據愛爾蘭公式得到這個小區中的掉話率。通過總體話務量，無線信道數目及掉話率的綜合描述話音業務容量的概念。

文獻[13]提出了一種基于實時業務(real-time traffic)的接入控制策略，研究了實時業務接入的阻塞率、掉話率等性能；根據文獻[14]的研究，具體提出了一種多維馬爾可夫模型用于無線網絡中業務的規劃，并研究了業務特性對系統性能的影響。在文獻[15]中給出了話音服務容量(voice service capacity)的概念，定義為系統中所能同時支持的使用話音業務的用戶數目。

隨著無線通信技術的進一步發展，無線網絡并不僅僅只承載話音業務，而是同時能夠承載多種類型的多媒體業務，包括網頁瀏覽、視頻點播、文件下載、互動游戲、在線會議和即時通信等多種類型的業務。承載業務種類的不同會造成無線系統呈現出不同的性能，因此亟需一種從業務角度描述無線系統性能的方法，即本文提出的業務容量概念。

信道容量給出了在一定的信噪比下，信道能夠承載的理論上的最大數據傳輸速率；網絡容量同樣給出了無線網絡能夠呈現的理論上的最大吞吐量。由此出發，提出業務容量概念，定義為在一定的無線傳輸環境中，不考慮具體的無線傳輸技術的差異，無線系統能夠承載的某種具體業務理論上的最大數目。

由于無線系統多為資源受限，因此利用業務有效帶寬和無線信道的有效容量，我們可以從單一業務占用資源及無線系統提供的總資源入手得到該系統的業務容量。

4.2 業務的有效帶寬模型

根據本文第2部分所述為了精確描述業務的具體特征，需要定義業務的服務模型和流量模型。無線系統中業務傳輸的排隊模型如圖3所示，其中A(t)為業務的隨機到達過程，即業務的流量模型。服務模型通過業務的QoS要求來描述，這里把業務的傳輸時延要求作為主要的QoS指標，在如圖3所示的排隊模型中，對平均到達速率小于平均服務速率的平穩到達過程和服務過程來說，傳輸時延Delay超出確定門限Dmax的概率ε隨著Dmax的增加呈指數型衰減，數學表達式為ε=Pr{Delay>Dmax}≈e-θδDmax，其中δ為業務流量的平均到達速率，θ是統計QoS保證的一個重要參數，這個值表示QoS抖動概率的衰減速率，較小的θ代表較慢的衰減，說明系統只需提供較為寬松的QoS要求；較大的θ值代表較快的衰減速率，代表系統需要提供較為嚴格的QoS要求?？梢愿鶕旅娴氖阶拥玫絈oS指標θ的值，θ=-logε/δDmax。

圖3 隊列模型

在圖3所示的隊列模型中假設業務到達是一個統計隨機過程A(t)，系統提供的服務速率為恒定值，那么為了滿足該種業務的QoS需求θ，需要系統提供的恒定服務速率就是有效帶寬，可以通過式(4)得到

(4)

通過式(4)所示的有效帶寬，可以反映某種具體的業務對無線系統傳輸的要求。

4.3 無線信道的有效容量模型

無線系統的有效容量理論是有效帶寬理論的一種推廣。在圖3所示的隊列模型中，假設業務到達A(t)是一個恒定速率的過程，無線系統提供的服務速率是一個隨機過程S(t)，那么為了滿足該種業務的QoS指標θ(如3.2中所述)，無線系統能夠承載的業務到達速率就是有效容量，可以通過式(5)計算得到

(5)

將上文所述的塊衰落瑞利信道模型帶入式(5)中可以得到為滿足第k種業務的QoS要求θ，大小為B(k)的帶寬所能提供的有效容量計算公式為

(6)

4.4 業務容量的計算

根據上文提出的業務容量概念及業務的有效帶寬理論和無線信道的有效容量理論，可以按照如下步驟得到傳輸單一業務k所需要的無線信道帶寬B(k)。

(1)確定業務k的流量模型和服務模型，其中流量模型反映了業務到達的隨機過程，常用模型有FBM模型，自回歸模型，ON/OFF模型和其中服務模型用業務k的傳輸時延Delay超出確定門限Dmax的概率ε來描述；

(2)根據θ=-logε/δDmax，計算業務k的QoS指標θ，其中δ為業務流量的平均到達速率，由業務流量模型確定；

(3)將業務的流量模型帶入式(4)中，建立業務k的有效帶寬模型，并代入步驟(2)中計算得到的QoS指標θ，求得在該種QoS要求下業務k需要無線系統提供的有效帶寬Δ；

(5)令式(6)中的有效容量等于步驟(3)中計算得到的有效帶寬Δ，根據式(6)反解出為滿足業務k的QoS要求所需要的無線信道帶寬B(k)為

(7)

如上文所述，無線系統多為資源受限，因此根據傳輸業務k所需的無線系統帶寬B(k)，就可以進一步得到無線系統承載業務k的業務容量。

第2部分提出，業務具備下面三個層次的模型：服務模型、流量模型和用戶行為模型。下面分別討論考慮用戶行為模型和不考慮用戶行為模型的無線系統的業務容量。

(1)不考慮用戶行為模型的業務容量

假設一個資源受限的無線系統能夠提供的總帶寬為B，根據上文所述傳輸單一業務k需要的無線信道帶寬為B(k)，那么該系統所能承載的業務k的業務容量為

N=B/B(k)

(8)

(2)考慮用戶行為模型的業務容量

無線業務交換系統模型如圖4所示，有N個服務臺，業務流的到達率為λ。每到達一個業務，如果有任何一個服務臺空閑，那么這個業務就可以占用這個服務臺，并完成傳輸；當系統中的N個服務臺全部繁忙時，該呼叫被拒絕。

圖4 無線業務交換系統

根據某種具體業務的用戶行為模型，接入無線網絡系統的業務數也是一個隨機過程。假設業務數目的到達行為滿足均值為λv的泊松分布，業務的服務時間滿足均值為1/μv的負指數分布，其中N表示式(4)得到的系統可以承載的最大業務數目，則隨機接入過程如圖5所示。

圖5 無線系統業務隨機接入模型

圖5中的馬爾可夫過程代表著在某一時刻接入系統的業務數目?？梢杂嬎愕贸霎斚到y狀態為n時的穩態概率πn，而系統所能容納的最大業務數目就是式(4)中計算得到的不考慮業務用戶行為模型的業務容量N。但由于業務到達和業務持續時間的隨機特征，系統只有很小的概率會出現同時接入N個業務的情況，因此如果用不考慮用戶行為的業務容量來表示系統對某種業務的承載能力的話，從無線網絡規劃的角度來說，會造成無線系統資源配置的浪費和低效使用。而如果從較長的時間尺度來觀察，當圖5所示的接入模型達到穩定的狀態時，系統中同時接入的業務數目應當是該隨機過程的一個均值

(9)

這就是考慮用戶行為模型的無線系統承載業務k的業務容量。

5 結 語

業務行為模型及業務容量是無線網絡研究中的一個重要組成部分，建立能夠反映其自身特性的業務模型，不僅能夠更直觀的體現不同業務之間的特征，更好的促進無線網絡系統及相關網絡技術的發展，也能為進一步提出不同業務的量化評價機制提供依據。從無線網絡中現有容量概念出發，提出了全新的業務容量概念，結合業務自身的行為及無線傳播環境的具體特征，建立了業務特性和無線網絡性能之間的聯系，并反映了業務特性給無線網絡帶來的負載影響，給出了從業務角度對改善無線網絡性能的理論基礎。

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