无线网络中的业务行为及业务容量——概念、模型及发展

胡 杰,张 兴,王文博

(北京邮电大学 泛网无线通信教育部重点实验室, 北京 100876)

0 简 介

随着无线通信技术及互联网的飞速发展， 内容丰富的多媒体业务的不断涌现，无线网络面临着用户对于不同业务巨大的潜在需求。在实际无线网络建设中，无线网络的容量估算起到了至关重要的作用。在这样的无线网络的规划中，不仅需要精确的能够刻画不同业务行为特征的业务模型[1]，还需要优化无线传输系统的底层设计，以满足无线系统资源的充分利用，保证并提高系统中终端用户对业务的使用体验。

在现有的无线网络中所应用的业务模型相对单一，早期提出的随机到达的使用话音业务用户数目服从泊松过程的爱尔兰模型[2]还在广泛的使用，至今仍未形成一套针对多媒体数据业务的成熟的容量规划方法，也不能体现用户端对不同业务的不同体验及需求(QoS，quality of service)。

因此为了满足未来智慧无线网络设计的需求，首先，需要找到能够更加准确的刻画不同业务行为特性的业务建模方法；其次，探索一种能够对不同特性的业务进行量化的统一的量化评价机制，从而方便并更加合理的配置无线网络系统中的不同业务，提高资源的使用效率；最后，综合考虑高层的由QoS来体现的用户体验用户需求及底层的无线传播环境的协同作用，合理对无线网络设计进行优化与规划。对业务行为模型及业务容量的研究，将促使探索从业务角度研究提升无线网络性能提升的新途径，为研究面向业务行为的新型无线通信系统奠定重要的模型基础。

1 业务概念及模型介绍

在目前的网络研究与规划中，对业务行为和业务模型的描述种类繁多，并没有一种准确的概念用以解释业务和业务模型的真正含义。本节将从应用(application)、服务(service)和流量(traffic)三个方面解释业务的概念。

应用(application)，利用无线网络中传输得到的数据，根据不同的需求所进行的具体应用。这是一个靠近用户侧的业务概念，如视频通话、在线视频和实时监控都是用户利用视频服务进行的具体应用。

服务(service)，主要功能是为用户端的应用提供所需的服务，通过不同的服务质量刻画不同种类的服务，如话音服务、视频服务、Web服务、FTP服务和E-mail服务等。

流量(traffic)，单用户或多用户产生的相同种类或不同种类的服务在下层进行传输的数据流，如传统的泊松流、自回归流和能够反映数据业务突发特征的分形布朗(FBM)流，能够反映数据业务行为特征的ON/OFF流等。

无线蜂窝网络系统中业务传输流程,如图1所示，方便区分和理解业务的三个不同层次的概念。

图1 无线网络系统中业务传输流程

业务量及业务容量的概念是建立在业务本身特性的基础之上，而业务本身特性的刻画可以用下面三个层次的模型来描述。

(1)业务的服务模型(service model)，通过用户的QoS要求来刻画。比如用户对业务的丢包率要求。时延要求等，反映了用户对不同业务的体验需求。

(2)业务的流量模型(traffic model)，描述了业务数据量的随机到达过程，能够反映业务的平均到达速率、方差系数和自相似性等，得到广泛应用的流量模型有FBM过程、自回归过程和马尔可夫过程等。

(3)业务的用户行为模型(user behavior)，主要描述了用户接入系统的随机过程，属于系统级别描述使用该业务的用户行为模型，如话音业务用户数目的泊松到达模型。

根据不同层次的业务流量模型，可以进行不同层次的规划和研究。业务的用户行为模型结合在无线通信中得到广泛应用的排队理论(queuing theory)[1]，用来研究无线网络中用户的接入性能；业务流量模型和业务服务模型结合排队论，用来研究无线网络中不同业务的QoS特性，进一步指导底层的系统设计。由此可见，能够准确并完整描述业务特征的业务模型，在无线网络系统的规划中占有重要的地位。

2 无线网络容量介绍

在现今的无线网络中存在多样的容量的概念。为了提出合适的业务容量，有必要清楚理解和掌握现有一些重要的容量概念。下面分别简单介绍几种常见的容量概念。

2.1 信道容量

无线通信不断增长的需求使研究各种无线系统潜在的信道容量极限变的越来越重要。如文献[3]所述，信道容量给出了不考虑编译码时延和复杂度的条件下，使误码率趋于无限小的最高传输速率。信道容量还依赖于接收端和发送端对时变信道信息的了解，分为下面三种情形：(1)信道部分信息已知(CDI)；(2)接收端已知信道边信息(CSI，channel side information)；(3)发送端和接收端都已知CSI。信道容量主要包含下面两种形式。

(1)遍历容量

也称，各态历经容量，香农容量。信道容量的数学理论最早是由香农[4]于20世纪40年代末建立的。该理论的基础概念是信道输入和信道输出之间的互信息量。香农将信道容量定义为这个互信息量在不同的信道输入分布下的最大值。差的信道状态将使遍历容量降低。文献[5]给出了遍历容量的数学表达式为

(1)

注意此式是统计平均：信噪比为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，这也是称其为遍历容量的原因。

(2)中断容量

如文献[3]所述，中断容量适用于慢变信道，信道的瞬时信噪比在一段传输突发的时间内是恒定的，经过这段时间后依相应的衰落分布变为另一个值。在这种信道中，如果发送端不知道信道突发时间内的瞬时信噪比γ，只能以一个不依赖于瞬时信噪比数值的固定速率进行传输。带中断的容量允许在某个突发时段以一定概率译错所传输的比特。发送端确定一个最小接收信噪比γmin，再按这个信噪比确定一个速率Blog2(1+γmin)，然后在所有突发中以这个速率传输，如果接收的瞬时信噪比大于或等于γmin，则能正确译码；若小于γmin，就不能以接近1的概率译对突发中的所有数据比特，此时接收机将指示出现一次中断。出现中断的概率为Pout=P(γ<γmin)。在所有突发中，正确传输的概率是1-Pout，所以平均正确接收的数据速率为

Cout=(1-Pout)Blog2(1+γmin)

(2)

综上所述，当发射机和接收机都知道信道增益信息、信道状态信息(CSI, channel state information)时，用遍历容量表示信道的发送速率极限比较合适；如果发射机不知道信道增益信息，使用中断容量更能说明问题。

3.2 网络容量

文献[6]中给出了多种无线网络容量的定义，如蜂窝语音和数据通信网，移动IP，多跳无线通信网及ad hoc网络等。网络容量，定义为某一网络的最大传输能力。

为了与实际更加紧密的结合，这里仅考虑蜂窝语音和数据通信无线网络中的网络容量概念。由于这类无线网络的主干网使用有线连接，仅仅在最后一跳使用无线连接，因此可以用如下方式定义蜂窝无线网络的网络容量。

假设该蜂窝无线网络由N条信道构成，其中第i条信道的信道容量可以用式(2)或式(3)计算得到，这里用Ci表示。则该无线网络的网络容量为

(3)

由于不同的信道之间可能存在有一定程度上的干扰[7～9]，因此实际中的网络容量往往会小于各信道的容量之和。

3.3 系统容量

系统容量，是指一个无线网络系统中所能支持的、可以同时进行传输的、使用某种单一业务的最大用户数目N。系统容量在无线网络规划中是一个重要的参数，在有限资源的基础上如何合理规划以提高系统容量，也是无线网络规划的最终目的。

影响系统容量的因素有很多，比如资源的多少，干扰的大小，不同的资源分配策略，不同的用户接入控制机制。如文献[10]所述，CDMA无线传输系统，是一个干扰受限系统，为了保证用户正常的通话质量，必须控制系统的总干扰值在一定的范围内，因此在计算该系统容量时，主要从用户接入给系统带来的干扰影响出发；如文献[11]所述，TD-SCDMA无线传输系统是一个资源受限系统，影响系统容量的主要因素是系统所能提供的资源数目。如文献[12]所述，不同的资源调度策略也会影响系统容量，如果无线网络系统采用最大载干比的资源调度方式，虽然提高了网络吞吐量，但牺牲了信道条件较差用户的接入，从而造成系统容量的下降；如果采用比例公平的调度方式，则同时兼顾了信道条件较好用户和信道条件较差用户，虽然不能实现网络吞吐量的最大化，但会给系统容量带来显著的提升。

无线网络传输系统的一个场景示意图如图2所示。其中每一条箭头代表着网络中一条正在使用的无线信道，具备自身的信道容量；整个基站所能提供的所有无线信道的信道容量之和为该系统的网络容量；当系统中用户均使用同样一种业务如话音业务时，该系统所能支持的同时进行传输的用户数目即为系统容量。

图2 单一业务场景下三种传统容量概念之间的关系

4 业务容量

4.1 背景介绍及业务容量定义

在有线电话网络和GSM网络中，已经形成一套完整的针对传统话音业务的量化评价机制。根据话音业务的电路域交换特征及信道的占用情况提出了话音业务业务量—话务量的概念。这里话务量的单位用“爱尔兰(Erlang)”来表示。话务量的概念体现了单一话音业务给网络带来的负载影响。

在已有的无线网络规划中，话音业务的容量是通过如下方式来体现的。通过调研得到某小区中的总体话务量，以及一个小区中所能提供的无线信道数目，根据爱尔兰公式得到这个小区中的掉话率。通过总体话务量，无线信道数目及掉话率的综合描述话音业务容量的概念。

文献[13]提出了一种基于实时业务(real-time traffic)的接入控制策略，研究了实时业务接入的阻塞率、掉话率等性能；根据文献[14]的研究，具体提出了一种多维马尔可夫模型用于无线网络中业务的规划，并研究了业务特性对系统性能的影响。在文献[15]中给出了话音服务容量(voice service capacity)的概念，定义为系统中所能同时支持的使用话音业务的用户数目。

随着无线通信技术的进一步发展，无线网络并不仅仅只承载话音业务，而是同时能够承载多种类型的多媒体业务，包括网页浏览、视频点播、文件下载、互动游戏、在线会议和即时通信等多种类型的业务。承载业务种类的不同会造成无线系统呈现出不同的性能，因此亟需一种从业务角度描述无线系统性能的方法，即本文提出的业务容量概念。

信道容量给出了在一定的信噪比下，信道能够承载的理论上的最大数据传输速率；网络容量同样给出了无线网络能够呈现的理论上的最大吞吐量。由此出发，提出业务容量概念，定义为在一定的无线传输环境中，不考虑具体的无线传输技术的差异，无线系统能够承载的某种具体业务理论上的最大数目。

由于无线系统多为资源受限，因此利用业务有效带宽和无线信道的有效容量，我们可以从单一业务占用资源及无线系统提供的总资源入手得到该系统的业务容量。

4.2 业务的有效带宽模型

根据本文第2部分所述为了精确描述业务的具体特征，需要定义业务的服务模型和流量模型。无线系统中业务传输的排队模型如图3所示，其中A(t)为业务的随机到达过程，即业务的流量模型。服务模型通过业务的QoS要求来描述，这里把业务的传输时延要求作为主要的QoS指标，在如图3所示的排队模型中，对平均到达速率小于平均服务速率的平稳到达过程和服务过程来说，传输时延Delay超出确定门限Dmax的概率ε随着Dmax的增加呈指数型衰减，数学表达式为ε=Pr{Delay>Dmax}≈e-θδDmax，其中δ为业务流量的平均到达速率，θ是统计QoS保证的一个重要参数，这个值表示QoS抖动概率的衰减速率，较小的θ代表较慢的衰减，说明系统只需提供较为宽松的QoS要求；较大的θ值代表较快的衰减速率，代表系统需要提供较为严格的QoS要求。可以根据下面的式子得到QoS指标θ的值，θ=-logε/δDmax。

图3 队列模型

在图3所示的队列模型中假设业务到达是一个统计随机过程A(t)，系统提供的服务速率为恒定值，那么为了满足该种业务的QoS需求θ，需要系统提供的恒定服务速率就是有效带宽，可以通过式(4)得到

(4)

通过式(4)所示的有效带宽，可以反映某种具体的业务对无线系统传输的要求。

4.3 无线信道的有效容量模型

无线系统的有效容量理论是有效带宽理论的一种推广。在图3所示的队列模型中，假设业务到达A(t)是一个恒定速率的过程，无线系统提供的服务速率是一个随机过程S(t)，那么为了满足该种业务的QoS指标θ(如3.2中所述)，无线系统能够承载的业务到达速率就是有效容量，可以通过式(5)计算得到

(5)

将上文所述的块衰落瑞利信道模型带入式(5)中可以得到为满足第k种业务的QoS要求θ，大小为B(k)的带宽所能提供的有效容量计算公式为

(6)

4.4 业务容量的计算

根据上文提出的业务容量概念及业务的有效带宽理论和无线信道的有效容量理论，可以按照如下步骤得到传输单一业务k所需要的无线信道带宽B(k)。

(1)确定业务k的流量模型和服务模型，其中流量模型反映了业务到达的随机过程，常用模型有FBM模型，自回归模型，ON/OFF模型和其中服务模型用业务k的传输时延Delay超出确定门限Dmax的概率ε来描述；

(2)根据θ=-logε/δDmax，计算业务k的QoS指标θ，其中δ为业务流量的平均到达速率，由业务流量模型确定；

(3)将业务的流量模型带入式(4)中，建立业务k的有效带宽模型，并代入步骤(2)中计算得到的QoS指标θ，求得在该种QoS要求下业务k需要无线系统提供的有效带宽Δ；

(5)令式(6)中的有效容量等于步骤(3)中计算得到的有效带宽Δ，根据式(6)反解出为满足业务k的QoS要求所需要的无线信道带宽B(k)为

(7)

如上文所述，无线系统多为资源受限，因此根据传输业务k所需的无线系统带宽B(k)，就可以进一步得到无线系统承载业务k的业务容量。

第2部分提出，业务具备下面三个层次的模型：服务模型、流量模型和用户行为模型。下面分别讨论考虑用户行为模型和不考虑用户行为模型的无线系统的业务容量。

(1)不考虑用户行为模型的业务容量

假设一个资源受限的无线系统能够提供的总带宽为B，根据上文所述传输单一业务k需要的无线信道带宽为B(k)，那么该系统所能承载的业务k的业务容量为

N=B/B(k)

(8)

(2)考虑用户行为模型的业务容量

无线业务交换系统模型如图4所示，有N个服务台，业务流的到达率为λ。每到达一个业务，如果有任何一个服务台空闲，那么这个业务就可以占用这个服务台，并完成传输；当系统中的N个服务台全部繁忙时，该呼叫被拒绝。

图4 无线业务交换系统

根据某种具体业务的用户行为模型，接入无线网络系统的业务数也是一个随机过程。假设业务数目的到达行为满足均值为λv的泊松分布，业务的服务时间满足均值为1/μv的负指数分布，其中N表示式(4)得到的系统可以承载的最大业务数目，则随机接入过程如图5所示。

图5 无线系统业务随机接入模型

图5中的马尔可夫过程代表着在某一时刻接入系统的业务数目。可以计算得出当系统状态为n时的稳态概率πn，而系统所能容纳的最大业务数目就是式(4)中计算得到的不考虑业务用户行为模型的业务容量N。但由于业务到达和业务持续时间的随机特征，系统只有很小的概率会出现同时接入N个业务的情况，因此如果用不考虑用户行为的业务容量来表示系统对某种业务的承载能力的话，从无线网络规划的角度来说，会造成无线系统资源配置的浪费和低效使用。而如果从较长的时间尺度来观察，当图5所示的接入模型达到稳定的状态时，系统中同时接入的业务数目应当是该随机过程的一个均值

(9)

这就是考虑用户行为模型的无线系统承载业务k的业务容量。

5 结 语

业务行为模型及业务容量是无线网络研究中的一个重要组成部分，建立能够反映其自身特性的业务模型，不仅能够更直观的体现不同业务之间的特征，更好的促进无线网络系统及相关网络技术的发展，也能为进一步提出不同业务的量化评价机制提供依据。从无线网络中现有容量概念出发，提出了全新的业务容量概念，结合业务自身的行为及无线传播环境的具体特征，建立了业务特性和无线网络性能之间的联系，并反映了业务特性给无线网络带来的负载影响，给出了从业务角度对改善无线网络性能的理论基础。

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