基于WiMAX網(wǎng)絡(luò)的接入數(shù)據(jù)模型研究

夏 瑾

（沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院 遼寧·沈陽(yáng) 110159）

0 引言

WiMAX具有相對(duì)簡(jiǎn)單和開(kāi)放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以為高速數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更好的移動(dòng)性，并能提供不同體制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，以支持不同的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)需求。因此，對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的研究已成為無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。然而，WiMAX網(wǎng)絡(luò)的廣泛無(wú)線覆蓋將導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商之間的帶寬競(jìng)爭(zhēng)。為了降低投資成本，方便管理和維護(hù)，運(yùn)營(yíng)商經(jīng)常在IP網(wǎng)絡(luò)上提供各種服務(wù)(如VOIP、流媒體和FTP)，不同的服務(wù)有不同的接入特性。在WiMAX網(wǎng)絡(luò)的幀封裝中，接入特性直接影響協(xié)議數(shù)據(jù)單元和剩余協(xié)議數(shù)據(jù)單元的分布，進(jìn)而影響各業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(吞吐量、丟包率、時(shí)延等)。WiMAX網(wǎng)絡(luò)中用戶的服務(wù)質(zhì)量滿意度是運(yùn)營(yíng)商提高用戶體驗(yàn)、吸引用戶群和進(jìn)行業(yè)務(wù)宣傳的重要指標(biāo)。因此，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)的特點(diǎn)建立接入數(shù)據(jù)模型是保證運(yùn)營(yíng)商建立一個(gè)可擴(kuò)展的、開(kāi)放的WiMAX接入平臺(tái)以滿足業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文通過(guò)分析全I(xiàn)P通信網(wǎng)絡(luò)和WiMAX網(wǎng)絡(luò)的寬帶接入技術(shù)的特點(diǎn)，研究了WiMAX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的接入數(shù)據(jù)特性，建立了WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)模型，為網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量預(yù)測(cè)提供了理論支持。仿真結(jié)果驗(yàn)證了接入數(shù)據(jù)模型的正確性。

圖1：WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 WiMAX網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)業(yè)務(wù)不僅包括簡(jiǎn)單的語(yǔ)音和短消息業(yè)務(wù)，還包括對(duì)帶寬要求較高的業(yè)務(wù)，如圖像、視頻和電話會(huì)議，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)也需要隨時(shí)隨地與智能終端相連接。未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展成為一個(gè)具有多業(yè)務(wù)、多平臺(tái)、多終端的大規(guī)模、復(fù)雜的全I(xiàn)P通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)用戶終端將通過(guò)相應(yīng)的接入平臺(tái)連接到IP核心網(wǎng)。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與IP技術(shù)的融合促進(jìn)了無(wú)線寬帶接入技術(shù)的快速發(fā)展。隨著WiMAX網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)、多媒體業(yè)務(wù)的逐步普及以及無(wú)線移動(dòng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，無(wú)線接入技術(shù)正朝著大容量、大覆蓋、高速移動(dòng)的方向發(fā)展。為了擴(kuò)大覆蓋范圍和增加容量，WiMAX網(wǎng)絡(luò)的MAC層正在積極地從點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù)模式向多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)變。WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入終端的多點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

在WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入終端的多點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，許多基站以網(wǎng)絡(luò)方式連接。其中一個(gè)連接到核心網(wǎng)絡(luò)。該服務(wù)不再局限于基站和用戶站之間的傳輸，還可以在多個(gè)用戶站之間進(jìn)行路由或在兩個(gè)用戶站之間直接進(jìn)行交換。網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)具有復(fù)雜的特點(diǎn)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定了IP核心網(wǎng)和移動(dòng)終端的訪問(wèn)數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類、封裝、調(diào)度和傳輸。根據(jù)WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議特點(diǎn)，導(dǎo)致接入IP核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)和服務(wù)質(zhì)量要求復(fù)雜多樣。在WiMAX網(wǎng)絡(luò)中，不同的用戶使用不同的協(xié)議產(chǎn)生不同形式的數(shù)據(jù)，其最終的傳輸實(shí)體，如指令、語(yǔ)音、圖像、視頻和其他服務(wù)，也呈現(xiàn)不同的帶寬要求。此外，WiMAX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持五種業(yè)務(wù)類型。五種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)速率、分組長(zhǎng)度和傳輸速率是不同的。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成、分解和整形將導(dǎo)致同一幀中包含多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致WiMAX網(wǎng)絡(luò)所承載業(yè)務(wù)帶寬需求的復(fù)雜性。也就是說(shuō)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)是包含大量的接入服務(wù)，不同的服務(wù)通過(guò)WiMAX網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議功能后，有不同的帶寬請(qǐng)求。基站中所有業(yè)務(wù)的總數(shù)據(jù)流量常常超過(guò)基站可以傳輸?shù)膸?。因此，必須有一個(gè)合理的接入數(shù)據(jù)模型來(lái)保證帶寬資源的合理分配。

2 WIMAX網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)模型

根據(jù)WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接入數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，可以看出相關(guān)數(shù)據(jù)接入過(guò)程{N(t)，t≥0}是一個(gè)強(qiáng)度為 (t)的泊松過(guò)程，數(shù)據(jù)包的隨機(jī)到達(dá)時(shí)間為強(qiáng)度為 (t)的泊松流。{N(t)，t≥0}是一個(gè)具有時(shí)間依賴性的獨(dú)立增量過(guò)程。換句話說(shuō)，分組序列到達(dá)IP核心網(wǎng)的時(shí)間（數(shù)據(jù)接入時(shí)間）的統(tǒng)計(jì)特征可以用一個(gè)廣義的非齊次泊松過(guò)程來(lái)描述。將i包到達(dá)IP核心網(wǎng)的時(shí)間[t0,t)，其概率表示為

令Tw為生成一個(gè)MACPUD的等待時(shí)間。MACPUD生成時(shí)間(T)的平均值是

然而，網(wǎng)絡(luò)中也有一些自相似的訪問(wèn)數(shù)據(jù)流。接入終端的業(yè)務(wù)通過(guò) WiMAX網(wǎng)絡(luò)中多個(gè) PDUs進(jìn)行封裝。特別是VOIP業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流量具有明顯的自相似性。為此，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)的特點(diǎn)和流量的自相似性，結(jié)合基于Pareto重尾分布的自相似流量ON-OFF模型，提出了如下接入數(shù)據(jù)模型：

（1）數(shù)據(jù)訪問(wèn)過(guò)程遵循ON-OFF多源疊加過(guò)程。建立K個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)源(M(k),k=1,...,K)。數(shù)據(jù)源在ON周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，在OFF周期內(nèi)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。K個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)包在發(fā)送狀態(tài)和空閑狀態(tài)下隨機(jī)到達(dá)，并被疊加。

（2）ON周期的持續(xù)時(shí)間也服從Pareto分布。在ON周期中，接入數(shù)據(jù)包服從廣義非齊次泊松無(wú)記憶分布。假設(shè)ON周期內(nèi)，接入數(shù)據(jù)的平均到達(dá)強(qiáng)度為 在一個(gè)MACPUD生成過(guò)程中為常數(shù)。接入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度服從均值為L(zhǎng)的隨機(jī)分布。

（3）nT時(shí)間內(nèi)，接入數(shù)據(jù)包數(shù)為

3 接入數(shù)據(jù)模型的仿真分析

基于建立的接入數(shù)據(jù)模型，對(duì)MAC PDU的生成過(guò)程進(jìn)行仿真，計(jì)算T的平均值E[T]。仿真參數(shù)設(shè)置如下：接入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度平均值L=10字節(jié)，MAC PDU的長(zhǎng)度LM=100字節(jié)。在不同的數(shù)據(jù)接入速率()下，理論結(jié)果與仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2：MAC PDU生成時(shí)間的平均值E[T]

由圖2可以看出，理論結(jié)果和仿真結(jié)果能夠很好的吻合。隨著等待時(shí)間的增加，MACPDU平均生成時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定值。顯然，本文設(shè)計(jì)的接入數(shù)據(jù)模型能很好地描述 WiMAX網(wǎng)絡(luò)的接入過(guò)程。仿真結(jié)果驗(yàn)證了接入數(shù)據(jù)模型的正確性。

4 結(jié)論

接入數(shù)據(jù)的特性對(duì)未來(lái)WiMAX的通信能力有很大的影響，優(yōu)化 MAC PDU的生成對(duì)獲得高服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要。因此，本文在研究了WiMAX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了接入數(shù)據(jù)模型的正確性。本文設(shè)計(jì)的接入數(shù)據(jù)模型可以為優(yōu)化MAC PDU帶寬和提前預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提供了理論支持。