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WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的多媒體流量特性及流量模型分析

　　摘要：3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)增加了對(duì)多媒體的支持，加大了對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求，對(duì)系統(tǒng)資源的設(shè)計(jì)、配置增加了不小的壓力。為設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配，提高服務(wù)質(zhì)量（QoS），人們需要了解3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的流量特性和流量模型。經(jīng)過分析，本文以WCDMA為例，分析了3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流量特性，給出了網(wǎng)絡(luò)流量模型，進(jìn)而給出了3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的合成流量與系統(tǒng)存儲(chǔ)容量之間的函數(shù)關(guān)系。

　　1  引言

　　在WCDMA R6中增加了一系列新的業(yè)務(wù)：WSS（Wideband Speech Service），PSS（Packet-switch Streaming Service ），MMS（Multimedia Messaging Service），IMS（IP Multimedia Services）。這些新業(yè)務(wù)的共同特點(diǎn)就是對(duì)多媒體的支持，這也正是WCDMA R6所強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)所在。實(shí)際上，MSS和PSS標(biāo)準(zhǔn)就是3GPP針對(duì)短消息（SMS）之后的龐大市場(chǎng)而專門制定的標(biāo)準(zhǔn)，可見其意義之重大。

　　WCDMA R6將為核心網(wǎng)提供全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，這樣，就形成了一個(gè)支持音頻和視頻服務(wù)的IP多媒體網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)能夠保障所提供的音頻和視頻服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS），另外還支持音頻和視頻通信的無縫集成。這樣，就對(duì)WCDMA的流量分析造成了以下兩方面的影響。

　　首先，與傳統(tǒng)的請(qǐng)求/應(yīng)答的HTTP流量相比，多媒體流通常有更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。一般情況下，多媒體流采用UDP協(xié)議作為下層的傳輸協(xié)議，這樣就對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞反應(yīng)較慢。所以，多媒體流的流量特性與Web流量的差異很大。隨著多媒體流流量的增加，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受到重要影響。所以，WCDMA R6新業(yè)務(wù)對(duì)多媒體的支持極大地加大了對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求，對(duì)系統(tǒng)資源的設(shè)計(jì)、配置增加了不小的壓力。為設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配，人們需要了解WCDMA新業(yè)務(wù)的流量特性和流量模型。

　　其次，這些新業(yè)務(wù)極大地豐富了客戶的選項(xiàng)和需求。為了更加有效地使用系統(tǒng)資源、滿足不同客戶的各種要求，QoS對(duì)WCDMA R6的重要性相應(yīng)地上升到前所未有的高度。為了在WCDMA R6的網(wǎng)絡(luò)中有效地提高QoS，人們也需要了解WCDMA新業(yè)務(wù)的流量特性和流量模型。

　　從以上兩方面出發(fā)，WCDMA R6的運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商都迫切需要了解WCDMA新業(yè)務(wù)的流量特性和流量模型，這也是本文所關(guān)注的重點(diǎn)。

　　2  3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)流量模型

　　WCDMA R6的新業(yè)務(wù)有WSS，PSS，IMS，MMS。其中，PSS是包交換業(yè)務(wù)流服務(wù)，IMS是實(shí)時(shí)IP多媒體服務(wù)，MMS是非實(shí)時(shí)多媒體消息服務(wù)。

　　在這3類新業(yè)務(wù)中，WSS為音頻業(yè)務(wù)流，其余均為多媒體流，本文分別予以討論。

　　2.1  WSS業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)流量模型

　　WSS為音頻業(yè)務(wù)流，包括用戶的語音通話。盡管在WCDMA R6中，可用帶寬增加了，但這對(duì)用戶的語音通話的行為方式?jīng)]有影響。所以WSS的流量特性仍然符合傳統(tǒng)的語音通話流量模型。

　　語音通話行為用交替的活躍時(shí)段和安靜時(shí)段表示，一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)模型（見圖1）被用來刻畫這兩種隨機(jī)時(shí)段。實(shí)際上，活躍時(shí)段和安靜時(shí)段均符合負(fù)指數(shù)分布。Tactive表示通話處于活躍時(shí)段，并且在上行鏈路上進(jìn)行發(fā)送的平均時(shí)間，Tsilent表示通話處于安靜時(shí)段，并且在下行鏈路上進(jìn)行接收的平均時(shí)間。并且，兩者的均值滿足：Tsilent+Tactive=3s。這使得一條通話信道的活躍期大約為50%～60%。這里需要注意，所有移動(dòng)用戶的通話行為彼此無關(guān)。

　　圖1 通話行為模型

　　如圖2所示，一次語音通話服務(wù)的會(huì)話持續(xù)時(shí)間的均值為tD，Speech=120，該會(huì)話持續(xù)時(shí)間符合負(fù)指數(shù)分布。而且在這一時(shí)段，建立該會(huì)話的連接將獨(dú)占系統(tǒng)的相關(guān)資源。

　　圖2  話音業(yè)務(wù)服務(wù)模型

　　2.2  PSS，IMS和MMS業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)流量模型

　　由于WCDMA R6增加了可用帶寬，這幾種新業(yè)務(wù)都能夠?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備同時(shí)提供多媒體服務(wù)，并且支持以下多種媒介類型：音頻業(yè)務(wù)流（包括語音），視頻業(yè)務(wù)流，靜態(tài)圖片，2D和3D圖形及動(dòng)畫，文本（包括簡(jiǎn)單文本類型和復(fù)雜文本類型，如可描述字體、顏色、大�。�，合成的音頻流，元數(shù)據(jù)（Metadata）。

　　這樣，我們就可以將這幾種新業(yè)務(wù)的流量分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流（包括以上媒介類型的后5種，因?yàn)樗鼈兌际且詳?shù)據(jù)流的形式來傳輸?shù)模�、視頻業(yè)務(wù)流和音頻業(yè)務(wù)流服務(wù)這3類。當(dāng)然，就流量來說，前兩者占了絕大多數(shù)。

　　PSS，IMS和MMS業(yè)務(wù)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流、視頻業(yè)務(wù)流和音頻業(yè)務(wù)流這樣的流傳輸?shù)臋C(jī)制提供服務(wù)。

　　對(duì)于音頻流而言，可以用符合截?cái)嗍絇areto分布的ON/OFF模型來刻畫：

　　該模型的具體參數(shù)為：

　　● 會(huì)話時(shí)段：形狀參數(shù)α＝1.6，均值m＝2.4s的Pareto分布。

　　● 兩次會(huì)話間的間歇時(shí)段：參數(shù)λ=36/0.16K的指數(shù)分布，K是一個(gè)用戶建立的音頻連接數(shù)的均值。

　　● 會(huì)話數(shù)傳率：20kbit/s。

　　● 包大�。�500bytes。

　　● ON時(shí)段：參數(shù)為0.2s的指數(shù)分布。

　　● OFF時(shí)段：一個(gè)確定值，均值m＝2.4s。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流，最近許多研究成果證實(shí)其流量特性適于用自相似（重尾）模型來描述。事實(shí)上，Pareto分布是最常用的描述自相似的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的重尾模型。

　　對(duì)于視頻業(yè)務(wù)流，M. W. Garrett和W. Willinger詳細(xì)*估了“星球大戰(zhàn)”的視頻流跟蹤測(cè)試結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)流是自相似的，并且可以用類似于Pareto分布的重尾模型來描述。此外，Beran，Sherman等人證實(shí)視頻流業(yè)務(wù)發(fā)生源應(yīng)該用自相似模型來刻畫。還有一些研究表明視頻的幀長(zhǎng)符合截?cái)嗍絇areto分布。

　　從以上的分析可知，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流、視頻業(yè)務(wù)流和音頻業(yè)務(wù)流服務(wù)這3類流量都可以用某種Pareto分布來表示。然而，我們僅僅知道前兩者的流量占了絕大多數(shù)，并不知道這3類流量的確切比例。并且，我們也不知道與這3類流量相對(duì)應(yīng)的分布函數(shù)的確切參數(shù)。更重要的是，與這3類流量相對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)的持續(xù)時(shí)段差別較大，這樣持續(xù)時(shí)段差別較大的、不同分布的ON/OFF流量重合疊加的結(jié)果必然帶來流量的突發(fā)性。所以，僅僅用一個(gè)簡(jiǎn)單的Pareto分布無法準(zhǔn)確描述這樣的多媒體流量。

　　實(shí)際上，在參考文獻(xiàn)17和18中，作者證實(shí)M/Pareto過程可以作為一個(gè)實(shí)用的模型來描述累加的多媒體流量。本文認(rèn)為，M/Pareto過程也能夠近似地表示W(wǎng)CDMA R6新業(yè)務(wù)的流量。

　　具體地，M/Pareto流量由一些重合疊加的突發(fā)的流量組成。這些突發(fā)按照速率為λ的Poisson過程到達(dá)，一次突發(fā)中的包數(shù)到達(dá)的速率為r，包的流量本身符合衰減速率為γ的Pareto分布。

　　假設(shè)突發(fā)的流量為Pareto分布的隨機(jī)變量X，其分布函數(shù)可表示為：

　　可知，X的均值為：rδγ/（γ-1），方差為無限大。

　　這樣，在一次突發(fā)中所到達(dá)的包數(shù)的平均值為：rδγ/（γ-1）。

　　根據(jù)該M/Pareto模型，在時(shí)段t內(nèi)，所到達(dá)的流量的平均值為：λtrδγ/（γ-1）。

　　根據(jù)該M/Pareto模型，在時(shí)段t內(nèi)，所到達(dá)的流量的方差為：

　　這里，H=（3-γ）/2。

　　所以，該M/Pareto模型是一個(gè)漸進(jìn)自相似的模型，其Hurst系數(shù)為H=（3-γ）/2。

　　3  新業(yè)務(wù)的合成流量對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的要求

　　WCDMA R6新業(yè)務(wù)合成流量最重要的屬性就是多媒體流在其總流量中占有絕大部分的比率。這對(duì)系統(tǒng)資源提出了更高的要求，尤其對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲(chǔ)容量提出了新的要求。

　　本文在前面的敘述中已經(jīng)闡述了多媒體流的流量特性是自相似的。而自相似的網(wǎng)絡(luò)流量常常會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)丟包率和排隊(duì)延遲增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)所帶來的實(shí)際影響是網(wǎng)絡(luò)的交換設(shè)備和路由器的Buffer容量必須加大。

　　那么，是不是Buffer容量越大越好呢？答案是否定的。因?yàn)锽uffer容量越大，所造成的延遲也越大，這對(duì)于實(shí)時(shí)多媒體通信而言是不利的（增加了延遲抖動(dòng)），而且高延遲增加了QoS的復(fù)雜度，對(duì)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能是不利的。

　　所以，研究人員迫切需要有一個(gè)能夠描述WCDMA R6系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的定量的模型。

　　當(dāng)前，絕大多數(shù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)流量方面的學(xué)術(shù)論文都將單個(gè)用戶的流量模型自下而上地分為3個(gè)層次：會(huì)話級(jí)、連接級(jí)、包級(jí)，每一級(jí)的流量行為又都是用不同概率分布的、交替的ON/OFF周期來描述。與這自下而上的3個(gè)層次相對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是由小到大的，也就是說，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的流量在不同時(shí)間尺度上都可以用ON/OFF模型來描述，具有相似的特點(diǎn)，而一個(gè)系統(tǒng)的自相似性正是指某種結(jié)構(gòu)或過程的特征從不同的空間、時(shí)間尺度來看都是相似的。

　　其次，WCDMA R6允許一個(gè)用戶并發(fā)地運(yùn)行不同的應(yīng)用程序，更何況，同一時(shí)刻都有許多用戶共同使用WCDMA系統(tǒng)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的合成流量就是由許多不同時(shí)間尺度的ON/OFF流量疊加重合而成，而相似過程的疊加重合正是形成自相似流量的主要原因。

　　另一方面，除了極少的WSS流量之外，PSS，IMS和MMS流量中，都是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占絕大部分，都適于用自相似的流量模型來表征。

　　當(dāng)然，無線網(wǎng)絡(luò)的流量特性與有線網(wǎng)絡(luò)的流量特性有所不同，但是實(shí)際上，Jiang和Trajkovic考察了CDPD無線網(wǎng)絡(luò)的流量特性，驗(yàn)證其具有自相似性，而參考文獻(xiàn)20根據(jù)Stanford大學(xué)83天無線局域網(wǎng)流量的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，同樣驗(yàn)證了無線局域網(wǎng)的流量具有自相似性。

　　綜上所述，WCDMA R6新業(yè)務(wù)的合成流量應(yīng)該是用自相似的模型來描述。

　　在自相似理論建立網(wǎng)絡(luò)流量模型的成果中，最有影響的代表性參考文獻(xiàn)是11，12。這兩篇文獻(xiàn)用分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)作為流量的近似模型，得出了一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，即Norros公式，能夠刻畫丟包率，Hurst系數(shù)，Buffer容量，平均輸入率，鏈路容量之間的函數(shù)關(guān)系，該文觸發(fā)了基于分形理論網(wǎng)絡(luò)建模的大量研究，引出了許多建模方面的努力。這兩篇論文使用分形布朗運(yùn)動(dòng)（FBM）作為流量的近似模型，也就是說，作者認(rèn)為許許多多的流量在不同時(shí)間尺度上疊加重合的結(jié)果是使總的網(wǎng)絡(luò)流量表現(xiàn)為一個(gè)分形布朗運(yùn)動(dòng)。

　　具體地，用歸一化的分形布朗運(yùn)動(dòng)Z(t)，t∈（+∞，-∞），來表征網(wǎng)絡(luò)流量特性，其自相似Hurst系數(shù)為H。A(t)在物理上表示時(shí)刻t以前累計(jì)到達(dá)的流量。然后基于FBM過程和一個(gè)具有定長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間的無窮大緩存提出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)模型：

　　V(t)為存儲(chǔ)隊(duì)列長(zhǎng)度，它是一平穩(wěn)過程，表示FBM存儲(chǔ)模型的凈輸入，Z(t)即歸一化的分形布朗運(yùn)動(dòng)。其中，m>0，為平均輸入率，α>0，為方差系數(shù)（方差、均值比），C >0為通道傳輸速率（即服務(wù)率），且m<C，0.5<H<1是分形布朗運(yùn)動(dòng)Z(t)的Hurst系數(shù)。

　　這里，分形布朗運(yùn)動(dòng)Z(t)具有以下屬性：Z(t)具有穩(wěn)定增量；對(duì)于所有的t，有Z(0)=0，且E[Z(t)]=0；對(duì)于所有的t，有E[Z(t)2]=|t|2H；Z(t)具有連續(xù)的路徑；Z(t)是高斯過程。

　　需要注意的是，在參考文獻(xiàn)18中，作者指出M/Pareto過程的累加流量表現(xiàn)為分形高斯過程，而且這一結(jié)論也與Z(t)的屬性相一致，也就是說，通過高斯過程Z(t)，表示累加流量具有高斯特性。

　　然后，經(jīng)過一系列的推導(dǎo)，得出了與存儲(chǔ)容量相關(guān)的幾個(gè)重要公式。本文認(rèn)為這些公式同樣適用于WCDMA R5新業(yè)務(wù)的流量分析。

　　公式7表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)利用率ρ=m/C與系統(tǒng)服務(wù)率C（鏈路容量），Buffer大小x，Hurst系數(shù)H之間的關(guān)系：

　　用X表示參數(shù)為m，a，C和H的分形布朗運(yùn)動(dòng)存儲(chǔ)過程，則有：

　　我們知道，一旦系統(tǒng)輸入超過存儲(chǔ)容量，后續(xù)的包將被丟棄，這樣，我們就得到了丟包率的公式：

　　其中k(H)=HH（1-H）1-H，；PLR是丟包率；tu是物理時(shí)間單位。

　　將丟包率表示為PLR=P（X>x）=ε，就可以得到與存儲(chǔ)容量相關(guān)的帶寬分配公式：

　　當(dāng)然，WCDMA與有線網(wǎng)絡(luò)有所不同，上述公式只能近似地表示W(wǎng)CDMA網(wǎng)絡(luò)的各種變量之間的相互關(guān)系。而且，各項(xiàng)參數(shù)有待根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果作進(jìn)一步的調(diào)整。