PCS網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性建模及資源管理.pdf

1、個(gè)人通信服務(wù)(personal communication services，PCS)通常被作為一個(gè)廣泛的概念使用，它涵蓋各種無(wú)線接入技術(shù)和個(gè)人移動(dòng)服務(wù)，其最終目標(biāo)是讓用戶能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何形式進(jìn)行通信。隨著3G(WCDMA、cdma 2000 1xEV-DO、TD-SCDMA)、3.5G(HSDPA)、3.75G(HSUPA)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在世界各地的相繼開(kāi)通，現(xiàn)在PCS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)這一宏偉的通信目標(biāo)做好了準(zhǔn)備。與常規(guī)的靜

2、態(tài)網(wǎng)絡(luò)(如公共電話網(wǎng))不同，PCS網(wǎng)絡(luò)允許用戶動(dòng)態(tài)地改變位置。當(dāng)移動(dòng)用戶在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)漫游時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)也隨之變化。個(gè)人通信不可避免地引起終端移動(dòng)性和個(gè)人移動(dòng)性，它們給電信業(yè)務(wù)工程帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。本論文圍繞與終端移動(dòng)性和個(gè)人移動(dòng)性密切相關(guān)的問(wèn)題展開(kāi)研究，包括呼叫接入控制、緩存訪問(wèn)、移動(dòng)性管理和建模，它們對(duì)PCS網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行非常關(guān)鍵。 在分析PCS網(wǎng)絡(luò)的性能時(shí)，信道占用時(shí)間起著極為重要的作用。信道占用時(shí)間與用戶的移動(dòng)性(由

3、小區(qū)駐留時(shí)間描述)及業(yè)務(wù)模型(由呼叫持續(xù)時(shí)間決定)有關(guān)。在文獻(xiàn)中，為了數(shù)學(xué)分析的方便和可跟蹤性，在對(duì)信道占用時(shí)間進(jìn)行分析時(shí)，一般假定小區(qū)駐留時(shí)間和(或者)呼叫持續(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和仿真分析表明這種指數(shù)假設(shè)對(duì)于PCS網(wǎng)絡(luò)不一定適用。假定小區(qū)駐留時(shí)間和呼叫持續(xù)時(shí)間均服從一般分布，本論文對(duì)新呼叫和切換呼叫的信道占用時(shí)間進(jìn)行了研究。得到了新呼叫和切換呼叫信道占用時(shí)間的概率分布和數(shù)學(xué)期望的閉合解析表達(dá)式。 位置管理可以保障PCS

4、網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行。當(dāng)前的PCS網(wǎng)絡(luò)一般采用由源位置寄存器(home location register，HLR)和訪問(wèn)位置寄存器(visitor location register，VLR)構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行位置管理。為了提升PCS網(wǎng)絡(luò)的性能，人們提出了一些動(dòng)態(tài)位置管理方案。在這些動(dòng)態(tài)方案中，基于運(yùn)動(dòng)量(movement-based)的方案被認(rèn)為是最實(shí)際的，因?yàn)樗行?、且能在現(xiàn)有PCS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)中很容易地實(shí)現(xiàn)。為了在PCS網(wǎng)絡(luò)中實(shí)

5、施基于運(yùn)動(dòng)量的方案，對(duì)該方案的性能分析是關(guān)鍵。然而，文獻(xiàn)中的分析大多過(guò)于簡(jiǎn)單，對(duì)于具有HLR/VLR結(jié)構(gòu)的PCS網(wǎng)絡(luò)不適用。這是由該問(wèn)題的難度和復(fù)雜度造成的。在考慮HLR/VLR結(jié)構(gòu)的條件下，Li等人和Rodriguez-Dagnino等人挑戰(zhàn)過(guò)該問(wèn)題。但是，Li等人給出的開(kāi)銷分析是基于小區(qū)駐留時(shí)間和位置區(qū)(locationarea，LA)駐留時(shí)間均服從指數(shù)分布的假定展開(kāi)的。Rodríguez-Dagnino等人通過(guò)釋放強(qiáng)加于小區(qū)駐留時(shí)

6、間的指數(shù)假定，在Li等人的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一步。但是Li等人和Rodríguez-Dagnino等人都忽略了移動(dòng)終端在LA之間移動(dòng)引起的vLR位置更新。本論文拋棄那些針對(duì)小區(qū)駐留時(shí)間和LA駐留時(shí)間的限制條件，提出了一個(gè)用于研究具有HLR/VLR結(jié)構(gòu)的基于運(yùn)動(dòng)量的位置管理方案的理論模型。該模型可以成功地刻畫移動(dòng)終端在LA之間移動(dòng)引起的vLR位置更新。通過(guò)利用復(fù)數(shù)分析的方法，得到了HLR和VLR位置更新所產(chǎn)生的信令開(kāi)銷。數(shù)值分析表明，基于運(yùn)動(dòng)量

7、的方案的總信令開(kāi)銷是運(yùn)動(dòng)量門限的(向下)凸函數(shù)，且對(duì)小區(qū)駐留時(shí)間和LA駐留時(shí)間的方差敏感。本論文的結(jié)果為PCS網(wǎng)絡(luò)中基于運(yùn)動(dòng)量的方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了理論指導(dǎo)。 在對(duì)PCS網(wǎng)絡(luò)中的位置管理方案進(jìn)行建模和開(kāi)銷分析時(shí)，服務(wù)間隔時(shí)間的概率分布是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。服務(wù)間隔時(shí)間就是一個(gè)移動(dòng)終端所服務(wù)的連續(xù)兩個(gè)呼入呼叫之間的時(shí)間間隔。由于熱線效應(yīng)的存在，服務(wù)間隔時(shí)間不同于呼入呼叫的到達(dá)間隔時(shí)間。文獻(xiàn)中對(duì)位置管理的開(kāi)銷分析大多忽略了熱線效應(yīng)，

8、即，將服務(wù)間隔時(shí)間等同于呼叫到達(dá)間隔時(shí)間，其中的原因在于當(dāng)考慮熱線效應(yīng)時(shí)，缺乏關(guān)于服務(wù)間隔時(shí)間分布的理論結(jié)果。假定呼叫持續(xù)時(shí)間和呼入呼叫到達(dá)間隔時(shí)間均服從一般分布，本論文提出了研究熱線效應(yīng)對(duì)服務(wù)間隔時(shí)間的影響的理論模型，得到了服務(wù)間隔時(shí)間的分布的閉合解析表達(dá)式。數(shù)值分析表明，服務(wù)間隔時(shí)間和到達(dá)間隔時(shí)間之間存在差異，服務(wù)間隔時(shí)間的均值對(duì)呼叫持續(xù)時(shí)間和到達(dá)間隔時(shí)間的方差敏感?；诜?wù)間隔時(shí)間的理論結(jié)果，進(jìn)一步分析了熱線效應(yīng)對(duì)PCS網(wǎng)絡(luò)中終端

9、移動(dòng)建模的影響。得到了移動(dòng)終端在服務(wù)間隔時(shí)間內(nèi)所穿過(guò)的小區(qū)數(shù)的概率分布的解析表達(dá)式。理論結(jié)果和數(shù)值分析均表明，熱線效應(yīng)對(duì)移動(dòng)終端在服務(wù)間隔時(shí)間內(nèi)穿越的小區(qū)數(shù)的概率分布有較大影響。因此，在對(duì)位置管理進(jìn)行分析時(shí)，如果不考慮熱線效應(yīng)，可能導(dǎo)致不可靠的結(jié)果。本論文的結(jié)果為PCS網(wǎng)絡(luò)中位置管理和終端移動(dòng)建模提供了理論基礎(chǔ)。 由于多媒體業(yè)務(wù)天生的異構(gòu)特性及它們對(duì)服務(wù)質(zhì)量(quality of ser-vice，QoS)的不同要求，多媒體PC

10、S網(wǎng)絡(luò)的呼叫接入控制(call admission control，CAC)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。由Fang首次提出的thinning方案可以應(yīng)對(duì)PCS網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)先級(jí)的多媒體業(yè)務(wù)。thinning方案的基本思想是以一定的概率來(lái)接入一個(gè)呼叫請(qǐng)求，該概率由小區(qū)中當(dāng)前的業(yè)務(wù)狀況決定。文獻(xiàn)中對(duì)thinning方案的阻塞概率分析都是在假定所有類型的業(yè)務(wù)占用相同的信道數(shù)、具有相同的平均信道占用時(shí)間的條件下進(jìn)行的。然而，這些過(guò)于簡(jiǎn)單的假設(shè)對(duì)于PCS網(wǎng)絡(luò)

11、未必適用，因?yàn)槎嗝襟w業(yè)務(wù)的移動(dòng)模型和數(shù)據(jù)速率彼此區(qū)別，另外，即使是屬于同一業(yè)務(wù)類型的新呼叫和切換呼叫的信道占用時(shí)間也不一定相同。本論文釋放這些文獻(xiàn)中的嚴(yán)格限制條件，在更一般、更真實(shí)的環(huán)境下研究thinning方案。假定不同的業(yè)務(wù)可以有任意的信道帶寬需要和平均信道占用時(shí)間，本論文對(duì)thinning方案的兩個(gè)變體進(jìn)行了分析，利用多唯馬爾科夫鏈理論，得到了thinning方案的阻塞性能。數(shù)值分析表明，通過(guò)仔細(xì)地選取相關(guān)的參數(shù)，thinning

12、方案可以在保障多媒體業(yè)務(wù)的QoS的同時(shí)將系統(tǒng)容量最大化。基于thinning方案，可以為多媒體無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出新的CAC策略。 在無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，如WAP系統(tǒng)，緩存的數(shù)據(jù)可能對(duì)時(shí)間敏感，在這種情況必須保持緩存數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，即，WAP手機(jī)所使用的數(shù)據(jù)必須與源服務(wù)器上的數(shù)據(jù)保持一致(strong consistency)。本論文提出一種面向無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)一致性緩存數(shù)據(jù)訪問(wèn)方案，稱為probability-based callbac

13、k(簡(jiǎn)稱pCB)。在pEB方案中，當(dāng)數(shù)據(jù)更新發(fā)生時(shí)，服務(wù)器所采取的動(dòng)作不再是確定的；服務(wù)器要么將客戶緩存的數(shù)據(jù)無(wú)效化，要么將更新后的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶。pCB方案可以在通信開(kāi)銷和訪問(wèn)延遲之間做出折衷，這一點(diǎn)對(duì)于已有的緩存訪問(wèn)算法很困難。除此之外，pCB方案還具有良好的通用性，可應(yīng)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用的天生的異構(gòu)特性。本論文對(duì)pCB方案進(jìn)行了理論建模。假定訪問(wèn)間隔時(shí)間和更新間隔時(shí)間均服從一般分布，得到了每個(gè)數(shù)據(jù)單元訪問(wèn)的平均通信開(kāi)銷和平均訪問(wèn)延