CN101715197B - 一种无线网络中多用户混合业务的容量规划方法 - Google Patents

Abstract

一种无线网络中多用户混合业务的容量规划方法，先分别引入所需的话音业务的传统泊松模型和能够体现业务突发性特点的数据业务ON/OFF模型，再在不同业务模型基础上，综合考虑各类业务的优先级、各类业务之间的不同服务质量要求，以及无线网络系统的传输特征和资源分配与接入控制策略，运用多维马尔可夫模型建立无线网络性能参数与描述数据业务的基本参数及突发性参数、网络参数、数据用户数、话音业务量之间的对应关系，从而得到多用户混合业务的容量规划。本发明首创了针对话音业务和数据业务的完全不同的业务模型，体现不同的异构业务的各自物理行为和特征，并用自相似性描述数据业务的长相关突发性特征，更贴近实际和满足运营商的多项需求。

Description

一种无线网络中多用户混合业务的容量规划方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络中多用户混合业务的容量规划方法，属于无线网络容量的优化与规划设计的技术领域。

背景技术

无线网络的业务容量规划是对通信系统性能进行预估的一种重要技术手段，能够对实际网络的资源、业务和用户数目的配置起到重要的指导作用。一种好的容量规划方法可以显著提高网络服务等级，并减少运营商的经营成本。

现有的对网络业务容量进行规划的方法主要有：对话音业务进行规划的爱尔兰公式法和对混合数据业务进行规划的坎贝尔法等。其中爱尔兰公式法主要是一种基于话音业务的泊松模型对话音业务容量进行规划。由于现网中的话音业务占据了绝大的份额，因此采用爱尔兰公式对小区容量进行规划具有很好的指导意义。坎贝尔法也被称为“虚拟业务法”，现在广泛用于GSM/GPRS网络中。这种方法是通过数学统计处理，将多种混合数据业务等效为一种虚拟业务，然后再利用爱尔兰公式进行计算。坎贝尔法在使用过程中，默认了数据业务也具有和话音业务相同的泊松模型，在数据业务量只占较小份额的GSM/GPRS网络，这种方法还是能够较为准确地指导系统的容量规划。

但是，随着现有网络由2G到3G的发展，WCDMA、CDMA2000以及具备我国自主知识产权的TD-SCDMA技术的正式商用，用户端使用的业务日趋多样化，不同的业务具有不同的传输要求，高速且大量的数据业务无疑将成为下一代无线网络系统的主要业务；以往的基于话音业务泊松模型的容量规划方法将不再适用。

因此，如何尽快研制一种能够适用目前和今后的无线网络系统中的多用户混合业务容量的规划方法，已经成为业内许多科技人员关注的焦点和新课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线网络中多用户混合业务的容量进行规划的方法，以弥补现有技术的缺陷和满足运营商的多项需求，并实现下述四个目标：

1、引入ON/OFF模型来更准确地描述数据业务的行为特征，包括数据业务的突发性，再用泊松模型描述话音业务的行为特征，还考虑不同业务之间不同的接入优先等级及其对网络系统容量的影响，实现多业务混合的容量规划。

2、在资源分配策略上能够体现无线网络系统中的分组数据业务的传输特征，从而最大限度地提高系统资源利用率，寻求无线网络的最大容量。

3、不依托任何实际的无线网络，只利用资源的概念抽象得出的容量规划方法，并使其能能够适应任何无线网络系统；并且假设一个完全共享的资源池，不同的业务都在该资源池中实现共享；也就是，一个资源能够承载不同业务，以体现不同业务对无线网络系统资源的竞争与共享。

4、通过建立模型，将无线网络系统性能与多业务的不同参数和网络参数之间的关系理论化和公式化，以便用于方便地指导无线网络的业务容量规划。

为了达到上述目的，本发明提供了一种无线网络中的多用户混合业务容量的规划方法，其特征在于：先分别引入所需的话音业务的传统泊松模型和能够体现业务突发性特点的数据业务ON/OFF模型；所述话音业务的传统泊松模型是泊松到达模型和爱尔兰拒绝机制，其中在单位时间内，话音业务呼叫的到达数目满足泊松分布，话音业务呼叫的持续时间满足负指数分布；所述数据业务采用ON/OFF模型，ON阶段表示数据业务的传输阶段；OFF阶段表示数据业务的阅读时间；当OFF阶段持续时间具有重尾分布特征时，该数据业务具有突发自相似特性；再在不同业务的模型基础上，综合考虑各个业务的优先级、各个业务之间的不同服务质量要求，以及无线网络系统的传输特征和资源分配与接入控制策略，运用多维马尔可夫模型建立无线网络性能参数与描述数据业务的基本参数及突发性参数、网络参数、数据用户数、话音业务量之间的对应关系，从而得到多用户混合业务的容量规划；所述方法包括下列操作步骤：

(1)根据无线网络系统的物理层特征确定简化的系统基本参数；

(2)确定话音业务和两种数据业务分别使用的业务模型及其简化的业务模型参数，并确定该三种不同业务在单位时间内申请接入系统的用户数和在单位时间内完成服务离开系统的用户数；

(3)根据无线网络系统中资源总数和不同业务的传输要求，根据下述系统的状态空间计算公式确定系统的状态分布空间：

Ω＝{(n_v，n₁，n₂，k)|n_v+n₁d₁+n₂d₂≤R，n₁≤N₁，n₂+k≤N₂，k＜L}，式中，n_v、n₁、n₂分别是系统中正在通信的话音业务、第一种数据业务、第二种数据业务的使用用户数，k是缓冲器中缓存的等待传输的使用第二种传输要求最低的数据业务的用户，N₁、N₂分别是系统中允许使用第一种数据业务和第二种数据业务的最大用户数，d₁、d₂分别是传输第一种数据业务和第二种数据业务所需要的最低资源数，R是系统资源总数，L是缓存器能够存储的最大用户数；

(4)根据无线网络系统资源动态分配策略和不同业务的服务质量需求，分别确定所采用的不同业务的接入方案和状态空间的转移概率；

(5)由前述步骤得到的两种数据业务状态分布、状态转移概率和连续过松弛算法计算两种数据业务的平稳分布概率，再结合话音业务的平稳分布概率公式

的计算结果，按照下述公式计算得到系统状态空间中各个状态平稳分布的概率 $P_{n_v,n_1,n_2,k}:\begin{array}{c}p(n_v,n_1,n_2,k)=p(n_1,n_2,k|n_v)\×p\left(n_v\right)\\ =p(n_{1,}{n}_2,k|C=R-n_v)\×p\left(n_v\right)\\ =P_{n_v,n_1,n_2,k}(x_{\mathrm{on}1},x_{\mathrm{on}2},t_{\mathrm{off}1},t_{\mathrm{off}2},H_1,H_2,A,N_1,N_2,R,x_B,t_B,s)\end{array};$ 式中，各个变量或参数均为简化的系统参数和简化的业务模型参数；

(6)根据步骤(5)得到的各状态平稳分布的概率，计算得到系统的阻塞率，建立起系统阻塞率与业务参数、用户数和系统参数之间的关系；

(7)根据步骤(6)建立的系统阻塞率与业务参数、用户数和系统参数的关系，进行混合业务容量的实际规划。

所述简化的系统参数包括：系统资源总数R，系统中用于数据业务传输的资源数C，每个数据业务终端所能使用的最大资源数s，系统传输每个数据块的时间、即基本时间颗粒t_B和系统的每个数据块大小x_B；所述简化的业务模型参数包括：系统中话音业务的话务量A，系统允许使用的第一种数据业务或第二种数据业务的最大用户数N₁或N₂，第一种数据业务或第二种数据业务的ON阶段传输数据量均值x_on1或x_on2，第一种数据业务或第二种数据业务的OFF阶段持续时间均值t_off1或t_off2，第一种数据业务或第二种数据业务的服务质量QoS的最低资源要求d₁或d₂，第一种数据业务或第二种数据业务的自相似参数H₁或H₂，系统中用于缓存使用某种业务用户的最大缓存器长度L和系统阻塞率P_b。

所述步骤(3)中，根据系统的状态空间计算公式确定系统的状态分布空间是一个四维的系统状态空间，该步骤进一步包括下列操作内容：

(31)第一维的状态分布表示使用话音业务的用户数n_v，该用户数是一个取值范围从0到资源总数R的链式分布图，位于状态分布图的左半部；

(32)已知使用话音业务的用户数后，建立一个资源总数为C＝R-n_v，由横坐标表示正在通信的第一种数据业务的用户数n₁、纵坐标表示正在通信的第二种数据业务的用户数n₂的二维坐标构成的平面图，用于表示使用不同数据业务用户的状态分布，并位于状态分布图的右半部，且该二维平面受到线性条件n₁d₁+n₂d₂≤C的制约，其中，d₁是传输第一种数据业务需要的最低资源数，d₂是传输第二种数据业务需要的最低资源数；

(33)只有n₁d₁+n₂d₂＝C，且n₂＜N₂时，才存在第四维k的值，表示缓存器中缓存的使用第二种数据业务的用户数，并受到k≤L的限制，其中N₂是系统允许使用第二种数据业务的最大用户数，L是缓存器能够存储的最大用户数；其状态分布位于图中右半部中直线n₁d₁+n₂d₂＝C的右侧；至此，得到了系统状态分布图。

所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)假设当前系统状态处于所述的话音业务、两种数据业务以及在缓存器中缓存有使用第二种数据业务的用户的四维状态时，从系统总资源数R中分配n_v个资源给话音业务用户；

(42)将剩余的C＝R-n_v个资源分配给正在使用第一种数据业务的n₁个用户以及正在使用第二种数据业务的n₂个用户；

(43)若有一个第一种数据业务用户到达的概率为(N₁-n₁)λ₁，另一个第二种数据业务用户到达的概率为(N₂-n₂)λ₂时，假设第一种数据业务比第二种数据业务的服务质量要求高，且用于数据业务传输的资源较多，即n₁d₁+n₂d₂≤C时，则系统资源平均分配给使用两种不同数据业务的用户；此时该第一种数据业务用户离开的概率为

另一个第二种数据业务用户离开的概率为

s是每个数据业务终端所能使用的最大资源数；

(44)若系统资源较为紧张，即n₁d₁+n₂d₁＞C和n₁d₁+n₂d₂≤C时，则系统先给传输要求高的第一种数据业务用户分配足够的资源，再将剩余的资源平均分配给第二种数据业务用户；此时该第一种数据业务用户离开的概率为min(n₁s，n₁d₁)μ₁，另一个第二种数据业务用户离开的概率为min(n₂s，C-n₁d₁)μ₁；

(45)若系统资源已全部占用，不能满足新到达用户的最低接入要求，新到达的第一种数据业务用户被系统阻塞时，则新到达的第二种数据业务用户被缓存于最大缓存数目为L的缓存器中等待空闲资源进行传输；当缓存器已满时，则新到达的第二种数据业务用户也发生阻塞；此时该第一种数据业务用户离开的概率为min(n₁s，n₁d₁)μ₁，另一个第二种数据业务用户离开的概率为min(n₂s，C-n₁d₁)μ₁。

所述步骤(6)进一步包括下列操作内容：

(61)根据系统状态平稳分布的概率，得到系统性能参数阻塞率的表达式；

(62)若系统中正在通信的话音业务用户数n_v等于系统资源总数R，没有剩余资源分配给数据业务用户时，则系统的阻塞率与当n_v等于R时的话音业务平稳分布概率相等，即 $p(n_v=R)=\frac{A^{n_v}/n_v!}{\underset{n_v=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A^{n_v}}{n_v!}};$

(63)由系统各个状态的平稳分布概率，分别得到第一种数据业务和第二种数据业务的单位时间平均离开、即由ON状态进入OFF状态的用户数，也就是两种数据业务的用户平均离开速率，以及单位时间内的第一种数据业务和第二种数据业务的平均到达、即从OFF转态进入ON状态的用户数，也就是两种数据业务的用户平均到达速率：其中：

第一种数据业务用户平均离开速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第一种数据业务的离开速率的乘积的累加和；

第二种数据业务用户平均离开速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第二种数据业务的离开速率的乘积的累加和；

第一种数据业务用户平均到达速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第一种数据业务的到达速率的乘积的累加和；

第二种数据业务用户平均到达速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第二种数据业务的到达速率的乘积的累加和；

(63)当第一种数据业务要求的最低传输资源为d₁，第二种数据业务要求的最低传输资源为d₂，单位时间内系统中有

个第一种数据业务用户和

个第二种数据业务用户离开，即单位时间内系统提供的资源数目为

单位时间内有

个第一种数据业务用户和

个第二种数据业务用户到达时，为满足这些新到达用户的接入要求，则系统至少要提供个资源；

(64)当某个时刻到达的用户所需资源大于离开的用户所腾出的资源时，则多出的到达用户将会被系统阻塞；因此，系统阻塞率的计算公式为： $P_b=\left\{\begin{array}{c}\frac{d_1(\stackrel{\‾}{X_{a1}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}})+d_2(\stackrel{\‾}{X_{a2}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}})}{d_1{X}_{a1}+d_2{X}_{a2}},n_v=\mathrm{0,1,2},......,R-1\\ p(n_v=R)=\frac{A^R/R!}{\underset{n_{v=0}}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A^{n_v}}{n_v!}},n_v=R\end{array}\right.;$ 式中，各个变量或参数均为简化的系统参数和简化的业务模型参数。

所述资源分配策略是优先将资源分配给使用话音业务的用户，再将剩余资源分配给使用不同数据业务的各个用户；对于话音业务，系统只给其分配所需的最低资源，以保证传输；数据业务则在满足其最低传输条件时，还能使用系统剩余的、空闲资源来传输数据业务，提高数据业务的传输速率和系统的资源利用率，避免浪费空闲的资源；为提高无线网络系统性能，还引入了排队机制，即通过建立缓存器来存储在某个时刻未被系统分配资源进行传输的、传输要求最低的数据业务。

所述马尔可夫状态描述是定义系统处于所述的话音业务、两种数据业务以及在缓存器中缓存有使用第二种数据业务的用户的四维状态分布，即通过马尔可夫状态转移及状态分布实现话音业务和两种数据业务混合的带有缓存器的无线网络系统的行为，再通过系统状态的平稳分布概率，计算出系统的各个性能参数，从而将业务参数与系统性能建立起一种对应关系，从多业务层面上为无线网络的系统容量作出规划。

本发明方法的优点是：在多用户混合业务的容量规划方法中，首创使用了针对话音业务和数据业务的完全不同的业务模型，体现出两种不同的异构业务的各自物理行为和特征，并利用自相似性来描述数据业务的长相关突发性特征，更加贴近实际；再针对不同业务分别采用不同的传输要求，以体现出用户对不同业务的QoS需求。

首次将无线网络系统的物理层参数抽象化，使得本发明能够适应现在的绝大多数的传输机制(如TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000系统)。

首次引入现今的无线传输网络中采用的动态资源分配策略和业务接入机制，使具体的网络传输行为能够体现在容量规划方法中。

通过建立多维马尔可夫模型，将无线网络系统性能与多业务的不同参数和网络参数之间的关系理论化和公式化，使得本发明能够方便地指导无线网络的业务容量规划。

附图说明

图1是本发明无线网络中的多用户混合业务容量的规划方法操作流程图。

图2是话音业务即时拒绝机制示意图。

图3是话音业务系统状态转移示意图。

图4和图5分别是两种数据业务的ON/OFF模型示意图。

图6是不同情形下的数据业务状态转移图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和以TD-SCDMA系统为实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种无线网络中的多用户混合业务容量的规划方法，它是先分别引入所需的话音业务的传统泊松模型和能够体现业务突发性特点的数据业务ON/OFF模型，再在不同业务的模型基础上，综合考虑各个业务的优先级、各个业务之间的不同服务质量要求，以及无线网络系统的传输特征和资源分配与接入控制策略，运用多维马尔可夫模型建立无线网络性能参数与描述数据业务的基本参数及突发性参数、网络参数、数据用户数、话音业务量之间的对应关系，从而得到多用户混合业务的容量规划。

参见图1，介绍本发明无线网络中的多用户混合业务容量进行规划的方法的各个具体操作步骤：

步骤1、根据TD-SCDMA系统的物理层特征确定简化的系统基本参数。

由于本发明目的是讨论业务本身的特征对传输系统的容量规划的影响，因此不必过细考虑无线网络系统的各项本身特征，只要化繁为简，在宏观上能够体现出TD-SCDMA系统的一些基本传输特征即可，实用性强。

下面的表1为TD-SCDMA系统的简化模型和简化的系统基本参数：

步骤2、确定话音业务和两种数据业务分别使用的业务模型及其简化的业务模型参数，并确定该三种不同业务在单位时间内申请接入系统的用户数和在单位时间内完成服务离开系统的用户数。

下面表2的各个简化的业务模型参数，用于定义本发明的话音业务和两种数据业务的业务模型。

由于用户对话音业务的极高的实时性要求，故在话音业务的接入控制上，采用的如图2所示的即时拒绝机制。

参见图3，介绍系统的状态转移图：如果λ_v为呼叫的到达率，并且每个呼叫可以到达任意一个空闲的中继线。现在假设电话呼叫流的到达服从泊松过程，且为无限话源，则每个呼叫的持续时间都服从均值为μ_v的负指数分布。如果系统有R个资源，但没有空闲资源时，就拒绝新来的呼叫，并且被拒绝的呼叫不再进入系统。

各状态的稳态分布为：式中，n_v＝1，2，...，R；显然，当n_v＝R时系统发生阻塞。其中

表示话音业务的话务量。

图4和图5展示了本发明的两种数据业务模型，下面分别介绍计算第一种数据业务和第二种数据业务的到达速率和离开速率的过程。

为了将连续时间离散化，引入t_B作为传输数据块x_B所需时间，且规定系统在每隔t_B时间就进行一次资源分配。

每一个ON阶段所传输的数据块大小X_on是服从某一分布规律的，分为了大小为x_B的N_on个数据块。N_on为离散随机变量，通过其概率分布能够求得单位时间内离开的数据业务的呼叫数目：

同理，每一个OFF阶段的持续时间T_off秒也服从某一分布规律，并可以分为B_off个t_B秒，则单位时间内到达的数据业务呼叫数目为： $\mathrm{\λ}=\frac{1}{t_B\×E\left(B_{\mathrm{off}}\right)}=\frac{1}{t_{\mathrm{off}}}.$

当今的研究中发现：数据业务具有很强的自相似性。据广泛研究，在数据业务中ON阶段传输数据的大小满足指数分布，而OFF阶段持续时间满足Pareto重尾分布，从而给数据业务带来了自相似性。在这种情形下B_off的均值经推导与OFF阶段持续时间均值t_off和业务自相似参数H有关。

步骤3、根据TD-SCDMA系统资源总数以及不同业务的传输要求及系统状态空间计算公式：Ω＝{(n_v，n₁，n₂，k)|n_v+n₁d₁+n₂d₁≤R，n₁≤N₁，n₂+k≤N₂，k＜L}，确定系统状态分布的空间。

本发明定义的系统状态为四维：n_v、n₁、n₂、k，其中，n_v表示系统中使用话音业务的用户数，n₁表示正在通信的第一种数据业务的用户数，n₂表示正在通信的第二种数据业务的用户数，k表示缓存器中缓存的等待传输的使用第二种数据业务的用户数；该第二种数据业务的传输要求最低，故用缓存器来缓存第二种数据业务用户。根据该系统状态的定义，系统的状态空间表达式为：

Ω＝{(n_v，n₁，n₂，k)|n_v+n₁d₁+n₂d₂≤R，n₁≤N₁，n₂+k≤N₂，k＜L}；式中，n_v、n₁、n₂分别是系统中正在使用的话音业务、第一种数据业务、第二种数据业务的各自用户数，k是缓冲器中缓存的等待传输的使用第二种传输要求最低的数据业务的用户，N₁、N₂分别是系统中允许使用第一种数据业务和第二种数据业务的最大用户数，R是系统资源总数，L是缓存器能够存储的最大用户数。

由上述公式能够得到一个四维系统的状态空间图，具体确定步骤如下：

(31)第一维n_v的状态分布表示使用话音业务的用户数，该用户数是一个取值范围从0到资源总数R的链式分布图，位于状态分布图的左半部；

(32)已知使用话音业务的用户数后，建立一个资源总数为C＝R-n_v，由横坐标表示正在通信的第一种数据业务用户数n₁、纵坐标表示正在通信的第二种数据业务用户数n₂的二维坐标构成的平面图，用于表示使用不同数据业务用户的状态分布；并位于状态分布图的右半部，且该二维平面受到线性条件n₁d₁+n₂d₂≤C的制约；其中，d₁是传输第一种数据业务需要的最低资源数，d₂是传输第二种数据业务需要的最低资源数；

(33)只有n₁d₁+n₂d₂＝C，且n₂＜N₂时，才存在第四维k的值，表示缓存器中存有的使用第二种数据业务的用户数，并受到k≤L的限制；其状态分布位于图中右半部中直线n₁d₁+n₂d₂＝C的右侧；至此，就得到了系统状态分布图(参见图6所示的系统状态分布图)。

步骤4、根据TD-SCDMA系统资源动态分配策略和不同业务的服务质量需求，分别确定所采用的不同业务的接入方案和状态空间的转移概率。

该步骤使用的系统资源分配与接入控制策略及各状态的转移概率包括下列操作内容：

(41)假设当前系统状态处于话音业务、两种数据业务以及在缓存器中缓存有使用第二种数据业务的用户的四维状态共存时，从系统总资源数R中分配n_v个资源给话音业务用户；

(42)将剩余的C＝R-n_v个资源分配给正在通信的第一种数据业务的n₁个用户和第二种数据业务的n₂个用户；

(43)若有一个第一种数据业务用户到达的概率为(N₁-n₁)λ₁，另一个第二种数据业务用户到达的概率为(N₂-n₂)λ₂时，假设第一种数据业务比第二种数据业务的服务质量要求高，且用于数据业务传输的资源较多，即n₁d₁+n₂d₁≤C时，则系统资源平均分配给使用两种不同数据业务的用户；此时该第一种数据业务用户离开的概率为

另一个第二种数据业务用户离开的概率为

s是数据业务终端所能使用的最大资源数；

(44)若系统资源较为紧张，即n₁d₁+n₂d₂＞C和n₁d₁+n₂d₂≤C时，则系统先给传输要求高的第一种数据业务用户分配足够的资源，再将剩余的资源平均分配给第二种数据业务用户；此时该第一种数据业务用户离开的概率为min(n₁s，n₁d₁)μ₁，另一个第二种数据业务用户离开的概率为min(n₂s，C-n₁d₁)μ₁；

(45)若系统资源已全部占用，不能满足新到达用户的最低接入要求，新到达的第一种数据业务用户被系统阻塞时，则新到达的第二种数据业务用户被缓存于最大缓存数目为L的缓存器中等待空闲资源进行传输；当缓存器已满时，则新到达的第二种数据业务用户也发生阻塞；此时该第一种数据业务用户离开的概率为min(n₁s，n₁d₁)μ₁，另一个第二种数据业务用户离开的概率为min(n₂s，C-n₁d₁)μ₁。

步骤5、结合上述步骤的计算结果，确定系统各状态的平稳分布概率；其具体操作内容如下：

(51)由前述步骤得到的两种数据业务状态分布、状态转移概率和连续过松弛算法计算得到两种数据业务的平稳分布概率；

(52)计算话音业务的平稳分布概率：

后，按照下述公式计算得到系统状态空间中各个状态平稳分布的概率 $P_{n_v,n_1,n_2,k}:$ $\begin{array}{c}p(n_v,n_1,n_2,k)=p(n_1,n_2,k|n_v)\×p\left(n_v\right)=p(n_1,n_2,k|C=R-n_v)\×p\left(n_v\right)\\ =P_{n_v,n_1,n_2,k}(x_{\mathrm{on}1},x_{\mathrm{on}2},t_{\mathrm{off}1},t_{\mathrm{off}2},H_1,H_2,A,N_1,N_2,R,x_B,t_B,s)\end{array};$ 式中，各个变量或参数均为简化的系统参数(参见表1)和简化的业务模型参数(参见表2)。

步骤6、根据步骤5得到的各状态平稳分布的概率，计算得到系统阻塞率，建立起系统阻塞率与业务参数，用户数，系统参数之间的关系。

为了得到如爱尔兰B公式的形式，本发明应用系统阻塞率P_b来表示系统性能。P_b是某一用户的接入请求被系统拒绝的概率，即一个想要切换到ON状态的用户因系统资源的限制而不能完成这个操作的概率。

该步骤包括下列操作内容：

(61)根据系统状态平稳分布的概率，得到系统性能参数阻塞率的表达式；

(62)若系统中正在传输的话音业务用户数n_v等于系统资源总数R，没有剩余资源分配给数据业务用户时，则系统的阻塞率是：当n_v等于R时的话音业务平稳分布概率，即 $p(n_v=R)=\frac{A^{n_v}/n_v!}{\underset{n_v=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A^{n_v}}{n_v!}};$

(63)由系统各个状态的平稳分布概率，分别得到第一种数据业务和第二种数据业务的单位时间平均离开、即由ON状态进入OFF状态的用户数，也就是两种数据业务的用户平均离开速率，以及单位时间内的第一种数据业务和第二种数据业务的平均到达、即从OFF转态进入ON状态的用户数，也就是两种数据业务的用户平均到达速率：其中：

第一种数据业务用户平均离开速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第一种数据业务的离开速率的乘积的累加和；

第二种数据业务用户平均离开速率是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第二种数据业务的离开速率的乘积的累加和；

第一种数据业务用户平均到达速率

是当前状态平稳分布概率乘以当前状态第一种数据业务的到达速率的乘积的累加和；

第二种数据业务用户平均到达速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第二种数据业务的到达速率的乘积的累加和；

(64)当第一种数据业务要求的最低传输资源为d₁，第二种数据业务要求的最低传输资源为d₂，单位时间内系统中有

个第一种数据业务用户和

个第二种数据业务用户离开，即单位时间内系统提供的资源数目为

单位时间内有个第一种数据业务用户和

个第二种数据业务用户到达时，为满足这些新到达用户的接入要求，则系统至少要提供个资源；

(65)当某个时刻到达的用户所需资源大于离开的用户所腾出的资源时，则多出的到达用户将会被系统阻塞；因此，系统阻塞率的计算公式为： $P_b=\left\{\begin{array}{c}\frac{d_1(\stackrel{\‾}{X_{a1}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}})+d_2(\stackrel{\‾}{X_{a2}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}})}{d_1{X}_{a1}+d_2{X}_{a2}},n_v=\mathrm{0,1,2},......,R-1\\ p(n_v=R)=\frac{A^R/R!}{\underset{n_{v=0}}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A^{n_v}}{n_v!}},n_v=R\end{array}\right.;$ 式中，各个变量或参数均为简化的系统参数和简化的业务模型参数。

由于各状态的平稳分布概率是一个涉及到多个变量(分别为各个业务参数x_on1、x_on2、t_off1、t_off2、H₁、H₂、d₁、d₂，话音业务话务量A，数据业务用户数目N₁、N₂。以及系统参数R、x_B、t_B、L)的函数，因此，该步骤中得到的各系统性能参数也是一个涉及上述多个参数的函数。

步骤7、根据步骤6建立的系统性能与业务参数、用户数目和系统参数的关系，进行混合业务容量的实际规划。

爱尔兰公式建立了阻塞率与话务量，资源数目的关系，根据本发明的目标，得到了不同的系统性能与数据业务参数、数据业务用户数目、系统参数以及话音业务量的关系。为贴近爱尔兰公式的形式，本发明考虑以阻塞率来代表系统性能参数，从而得到下述函数式：

系统阻塞率＝Φ(数据业务参数，系统参数，数据用户数，话音业务量)。

根据这个函数式，参考表1和表2中的输入输出建议，本发明能够实现：

(1)参考表1和表2中给出的TD-SCDMA系统参数和话音业务数据业务的业务参数，本发明方法可用于计算一个小区中的系统性能，如阻塞率；

(2)参考表1和表2中给出的TD-SCDMA系统参数和话音业务数据业务的业务参数，在已知系统阻塞率的前提下，本发明可以得到满足这个阻塞率门限的使用两种数据业务的用户数，从而实现对小区中使用两种不同数据业务的最大用户数N₁和N₂的规划；

(3)参考表1和表2中给出的TD-SCDMA系统参数和话音业务数据业务的业务参数，在已知系统阻塞率的前提下，本发明可以得到满足这个阻塞率门限所需要规划的缓存器大小L。

本发明方法已经进行了多次实施试验，运用本发明方法规划的系统性能参数与经过实际TD-SCDMA系统仿真所得到的系统性能参数进行对比，两种结果基本吻合，证明了本发明方法的可行性和正确性，实现了发明目的。因此，本发明方法所建立起来的系统性能参数、数据业务参数、系统参数、数据用户数、话音业务量之间的关系，可以为无线网络中的业务容量规划提供实际的指导作用。

Claims (7)

1.一种无线网络中多用户混合业务的容量规划方法，其特征在于：先分别引入所需的话音业务的传统泊松模型和能够体现业务突发性特点的数据业务ON/OFF模型；所述话音业务的传统泊松模型是泊松到达模型和爱尔兰拒绝机制，其中在单位时间内，话音业务呼叫的到达数目满足泊松分布，话音业务呼叫的持续时间满足负指数分布；所述数据业务采用ON/OFF模型，ON阶段表示数据业务的传输阶段；OFF阶段表示数据业务的阅读时间；当OFF阶段持续时间具有重尾分布特征时，该数据业务具有突发自相似特性；再在不同业务的模型基础上，综合考虑各个业务的优先级、各个业务之间的不同服务质量要求，以及无线网络系统的传输特征和资源分配与接入控制策略，运用多维马尔可夫模型建立无线网络性能参数与描述数据业务的基本参数及突发性参数、网络参数、数据用户数、话音业务量之间的对应关系，从而得到多用户混合业务的容量规划；所述方法包括下列操作步骤：

(1)根据无线网络系统的物理层特征确定简化的系统基本参数；

(2)确定话音业务和两种数据业务分别使用的业务模型及其简化的业务模型参数，并确定该三种不同业务在单位时间内申请接入系统的用户数和在单位时间内完成服务离开系统的用户数；

(3)根据无线网络系统中资源总数和不同业务的传输要求，根据下述系统的状态空间计算公式确定系统的状态分布空间：

Ω＝{(n_v，n₁，n₂，k)|n_v+n₁d₁+n₂d₂≤R，n₁≤N₁，n₂+k≤N₂，k＜L}，式中，n_v、n₁、n₂分别是系统中正在通信的话音业务、第一种数据业务、第二种数据业务的使用用户数，k是缓冲器中缓存的等待传输的使用第二种传输要求最低的数据业务的用户，N₁、N₂分别是系统中允许使用第一种数据业务和第二种数据业务的最大用户数，d₁、d₂分别是传输第一种数据业务和第二种数据业务所需要的最低资源数，R是系统资源总数，L是缓存器能够存储的最大用户数；

(4)根据无线网络系统资源动态分配策略和不同业务的服务质量需求，分别确定所采用的不同业务的接入方案和状态空间的转移概率；

(5)由前述步骤得到的两种数据业务状态分布、状态转移概率和连续过松弛算法计算两种数据业务的平稳分布概率，再结合话音业务的平稳分布概率公式

的计算结果，按照下述公式计算得到系统状态空间中各个状态平稳分布的概率 $P_{n_v,n_1,n_2,k}:\begin{array}{c}p(n_v,n_1,n_2,k)=p(n_1,n_2,k|n_v)\×p\left(n_v\right)\\ =p(n_{1,}{n}_2,k|C=R-n_v)\×p\left(n_v\right)\\ =P_{n_v,n_1,n_2,k}(x_{\mathrm{on}1},x_{\mathrm{on}2},t_{\mathrm{off}1},t_{\mathrm{off}2},H_1,H_2,A,N_1,N_2,R,x_B,t_B,s)\end{array};$ 式中，各个变量或参数均为简化的系统参数和简化的业务模型参数；

(6)根据步骤(5)得到的各状态平稳分布的概率，计算得到系统的阻塞率，建立起系统阻塞率与业务参数、用户数和系统参数之间的关系；

(7)根据步骤(6)建立的系统阻塞率与业务参数、用户数和系统参数的关系，进行混合业务容量的实际规划。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述简化的系统参数包括：系统资源总数R，系统中用于数据业务传输的资源数C，每个数据业务终端所能使用的最大资源数s，系统传输每个数据块的时间、即基本时间颗粒t_B和系统的每个数据块大小x_B；所述简化的业务模型参数包括：系统中话音业务的话务量A，系统允许使用的第一种数据业务或第二种数据业务的最大用户数N₁或N₂，第一种数据业务或第二种数据业务的ON阶段传输数据量均值x_on1或x_on2，第一种数据业务或第二种数据业务的OFF阶段持续时间均值t_off1或t_off2，第一种数据业务或第二种数据业务的服务质量QoS的最低资源要求d₁或d₂，第一种数据业务或第二种数据业务的自相似参数H₁或H₂，系统中用于缓存使用某种业务用户的最大缓存器长度L和系统阻塞率P_b。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据系统的状态空间计算公式确定系统的状态分布空间是一个四维的系统状态空间，该步骤进一步包括下列操作内容：

(31)第一维的状态分布表示使用话音业务的用户数n_v，该用户数是一个取值范围从0到资源总数R的链式分布图，位于状态分布图的左半部；

(32)已知使用话音业务的用户数后，建立一个资源总数为C＝R-n_v，由横坐标表示正在通信的第一种数据业务的用户数n₁、纵坐标表示正在通信的第二种数据业务的用户数n₂的二维坐标构成的平面图，用于表示使用不同数据业务用户的状态分布，并位于状态分布图的右半部，且该二维平面受到线性条件n₂d₁+n₂d₂≤C的制约，其中，d₁是传输第一种数据业务需要的最低资源数，d₂是传输第二种数据业务需要的最低资源数；

(33)只有n₁d₁+n₂d₂＝C，且n₂＜N₂时，才存在第四维k的值，表示缓存器中缓存的使用第二种数据业务的用户数，并受到k≤L的限制，其中N₂是系统允许使用第二种数据业务的最大用户数，L是缓存器能够存储的最大用户数；其状态分布位于图中右半部中直线n₁d₁+n₂d₂＝C的右侧；至此，得到了系统状态分布图。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)假设当前系统状态处于所述的话音业务、两种数据业务以及在缓存器中缓存有使用第二种数据业务的用户的四维状态时，从系统总资源数R中分配n_v个资源给话音业务用户；

(42)将剩余的C＝R-n_v个资源分配给正在使用第一种数据业务的n₁个用户以及正在使用第二种数据业务的n₂个用户；

(43)若有一个第一种数据业务用户到达的概率为(N₁-n₁)λ₁，另一个第二种数据业务用户到达的概率为(N₂-n₂)λ₂时，假设第一种数据业务比第二种数据业务的服务质量要求高，且用于数据业务传输的资源较多，即n₁d₁+n₂d₂≤C时，则系统资源平均分配给使用两种不同数据业务的用户；此时该第一种数据业务用户离开的概率为

另一个第二种数据业务用户离开的概率为

s是每个数据业务终端所能使用的最大资源数；

(44)若系统资源较为紧张，即n₁d₁+n₂d₁＞C和n₁d₁+n₂d₂≤C时，则系统先给传输要求高的第一种数据业务用户分配足够的资源，再将剩余的资源平均分配给第二种数据业务用户；此时该第一种数据业务用户离开的概率为min(n₁s，n₁d₁)μ₁，另一个第二种数据业务用户离开的概率为min(n₂s，C-n₁d₁)μ₁；

(45)若系统资源已全部占用，不能满足新到达用户的最低接入要求，新到达的第一种数据业务用户被系统阻塞时，则新到达的第二种数据业务用户被缓存于最大缓存数目为L的缓存器中等待空闲资源进行传输；当缓存器已满时，则新到达的第二种数据业务用户也发生阻塞；此时该第一种数据业务用户离开的概率为min(n₁s，n₁d₁)μ₁，另一个第二种数据业务用户离开的概率为min(n₂s，C-n₁d₁)μ₁。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)进一步包括下列操作内容：

(61)根据系统状态平稳分布的概率，得到系统性能参数阻塞率的表达式；

(62)若系统中正在通信的话音业务用户数n_v等于系统资源总数R，没有剩余资源分配给数据业务用户时，则系统的阻塞率与当n_v等于R时的话音业务平稳分布概率相等，即 $p(n_v=R)=\frac{A^{n_v}/n_v!}{\underset{n_v=0}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A^{n_v}}{n_v!}};$

(63)由系统各个状态的平稳分布概率，分别得到第一种数据业务和第二种数据业务的单位时间平均离开、即由ON状态进入OFF状态的用户数，也就是两种数据业务的用户平均离开速率，以及单位时间内的第一种数据业务和第二种数据业务的平均到达、即从OFF转态进入ON状态的用户数，也就是两种数据业务的用户平均到达速率：其中：

第一种数据业务用户平均离开速率

是当前状态平稳分布概率乘以当前状态第一种数据业务的离开速率的乘积的累加和；

第二种数据业务用户平均离开速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第二种数据业务的离开速率的乘积的累加和；

第一种数据业务用户平均到达速率

是当前状态平稳分布概率乘以当前状态第一种数据业务的到达速率的乘积的累加和；

第二种数据业务用户平均到达速率

是当前状态平稳分布概率

乘以当前状态第二种数据业务的到达速率的乘积的累加和；

(63)当第一种数据业务要求的最低传输资源为d₁，第二种数据业务要求的最低传输资源为d₂，单位时间内系统中有

个第一种数据业务用户和

个第二种数据业务用户离开，即单位时间内系统提供的资源数目为

单位时间内有

个第一种数据业务用户和

个第二种数据业务用户到达时，为满足这些新到达用户的接入要求，则系统至少要提供

个资源；

(64)当某个时刻到达的用户所需资源大于离开的用户所腾出的资源时，则多出的到达用户将会被系统阻塞；因此，系统阻塞率的计算公式为： $P_b=\left\{\begin{array}{c}\frac{d_1(\stackrel{\‾}{X_{a1}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}})+d_2(\stackrel{\‾}{X_{a2}}-\stackrel{\‾}{X_{d1}})}{d_1{X}_{a1}+d_2{X}_{a2}},n_v=\mathrm{0,1,2},......,R-1\\ p(n_v=R)=\frac{A^R/R!}{\underset{n_{v=0}}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A^{n_v}}{n_v!}},n_v=R\end{array}\right.;$ 式中，各个变量或参数均为简化的系统参数和简化的业务模型参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述资源分配策略是优先将资源分配给使用话音业务的用户，再将剩余资源分配给使用不同数据业务的各个用户；对于话音业务，系统只给其分配所需的最低资源，以保证传输；数据业务则在满足其最低传输条件时，还能使用系统剩余的、空闲资源来传输数据业务，提高数据业务的传输速率和系统的资源利用率，避免浪费空闲的资源；为提高无线网络系统性能，还引入了排队机制，即通过建立缓存器来存储在某个时刻未被系统分配资源进行传输的、传输要求最低的数据业务。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述马尔可夫状态描述是定义系统处于所述的话音业务、两种数据业务以及在缓存器中缓存有使用第二种数据业务的用户的四维状态分布，即通过马尔可夫状态转移及状态分布实现话音业务和两种数据业务混合的带有缓存器的无线网络系统的行为，再通过系统状态的平稳分布概率，计算出系统的各个性能参数，从而将业务参数与系统性能建立起一种对应关系，从多业务层面上为无线网络的业务容量作出规划。

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