CN101909304B - 一种无线网络中的数据业务容量的规划方法 - Google Patents

Abstract

一种无线网络中的数据业务容量的规划方法，是先引入体现无线数据业务行为特征的数据业务流量模型和体现数据业务服务质量QoS要求的数据业务服务模型，再采用无线网络的简化模型，利用无线网络中的有效带宽和有效容量的两个工程计算公式进行计算：为满足单个数据业务QoS要求而需要分配给该单个数据业务的无线信道带宽，再在满足该数据业务QoS要求前提下，利用该单个数据业务所需的无线信道带宽和无线网络的简化模型参数，计算无线网络在理论上所能承载的该单个数据业务的最大数量，即该数据业务的业务容量；以便为运营商或业内人员能够进一步改进无线传输技术和优化无线资源配置，提高数据业务容量而提供相应目标和依据。

Description

一种无线网络中的数据业务容量的规划方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络中的数据业务容量的规划方法，属于无线网络的业务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是无线通信系统网络性能的一项重要指标，能够反映无线网络对于某种特定业务在理论上的最大承载能力，从而为无线传输技术的进一步改善和网络资源的进一步优化配置提供指导。

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和信道的占用情况提出了话音业务的业务量—话务量的概念。这里话务量的单位是用“爱尔兰（Erlang）”来表示。话音业务的业务容量是通过如下方式来体现的：通过调研得到某个小区中的总体话务量，以及该小区中所能提供的无线信道数目，再根据爱尔兰公式得到这个小区中的掉话率。采用总体话务量、无线信道数目和掉话率一起综合描述话音业务容量的概念。

随着现有网络由2G到3G的发展，WCDMA、CDMA2000以及具备中国自主知识产权的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用户服务质量需求，高速且大量的可以承载多媒体信息的数据业务无疑将成为下一代无线网络系统的主要业务，因此，无线网络承载数据业务的能力无疑将成为描述和体现无线网络系统性能的一个重要参数。

香农公式给出了信道容量的定义，以及互信息量在不同的信道输入分布下的最大值。考虑到实际通信系统中存在的一些限制，香农容量表示在一定的信噪比（即表示设定的无线传输环境）下，数据传输速率的上界。由此概念进行引申，无线网络是否存在理论上的承载某种数据业务数目的上限值，即无线网络的数据业务容量的规划和设计，已经成为业内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的数据业务容量的规划方法，以弥补现有技术的缺陷和满足运营商的多项需求，并实现下述三个目标：

A、引入数据业务的流量模型用于描述数据业务的行为特征，引入服务模型描述该数据业务的用户体验需求或服务质量QoS（Quality of Service）要求，本发明采用用户对数据业务能够忍受的最大时延来描述该数据业务的QoS要求；

B、建立无线网络模型，引入瑞利衰落来描述无线传播环境的衰落特性，并以简化的模型参数描述无线网络的共性，使得本发明数据业务容量规划方法能够适用于所有的无线网络，不用考虑在哪个具体网络运用哪个具体传输技术；

C、运用有效带宽（Effective Bandwidth）和有效容量（Effective Capacity）的工程计算公式来计算无线网络为满足单个数据业务的QoS要求，理论上能够承载该单个数据业务的最大业务数量，即该数据业务的业务容量。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种无线网络中的数据业务容量的规划方法，其特征在于：先引入体现无线数据业务行为特征的数据业务流量模型和体现数据业务服务质量QoS要求的数据业务服务模型，再采用无线网络的简化模型，利用无线网络中的有效带宽和有效容量的工程计算公式进行计算：为满足单个数据业务QoS要求而需要分配给该数据业务的无线信道带宽，再在满足该数据业务QoS要求的前提下，利用该数据业务所需的无线信道带宽和无线网络的简化模型参数，计算无线网络在理论上所能承载的该单个数据业务的最大数量，即该数据业务的业务容量；以便为运营商或业内人员能够进一步改进无线传输技术和优化无线资源配置，提高数据业务容量而提供相应目标和依据；所述方法包括下列操作步骤：

（1）根据数据业务的行为特征和QoS要求建立数据业务模型，并给出该数据业务模型的简化的模型参数；该步骤包含下列操作内容：

（11）确定数据业务的流量模型（Traffic model），并获得该流量模型的简化模型参数：所述数据业务的流量模型用于描述该数据业务的行为特征、即其数据流的随机到达过程；所述数据业务是基于现有技术的ON/OFF模型而被建模为两个状态的马尔可夫模型，该马尔可夫模型的简化模型参数包括：t_ON表示ON阶段的持续时长均值，ν表示ON阶段的数据发送速率和t_OFF表示OFF阶段的持续时长均值；

（12）确定数据业务的服务模型（Service model），并获得该服务模型的简化模型参数，所述数据业务的服务模型是以该数据业务的用户的体验需求、即服务质量QoS要求表示的，该QoS要求为：Pr{Delay>D_max}≤ε，该公式涵义是该数据业务的传输时延Delay大于用户能够忍受的最大时延D_max的概率小于或等于设定的抖动概率ε；该服务模型QoS指标的简化模型参数包括：D_max为用户能够忍受的最大时延，ε为传输时延Delay超过用户能够忍受的最大时延D_max的抖动概率；

（2）根据所述数据业务模型，利用有效带宽的工程计算公式计算单个数据业务的有效带宽和QoS指标；该步骤包括下列操作内容：

（21）根据上述步骤（1）数据业务流量模型和有效带宽E_B(θ)的工程计算公式： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{\mathrm{\θA}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0,$ 式中，变量θ为所述步骤（12）中的QoS要求经过等效转化后的QoS指标，A(t)为数据业务的到达过程，即流量模型，得到该数据业务的两个状态马尔可夫流量模型的有效带宽E_B(θ)计算公式为： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}+\sqrt{{(\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}^2+4\mathrm{\λ\μ}}}{2\mathrm{\θ}},$ 式中，μ为从ON状态转移到OFF状态的转移概率，且

t_ON为ON状态持续时长均值；λ为从OFF状态转移到ON状态的转移概率，且

t_OFF为OFF状态持续时长均值；ν为ON状态的数据发送速率，OFF状态不发送数据；

（22）根据有效带宽的工程计算公式和该数据业务的服务模型，计算在设定数据业务的QoS要求前提下传输该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率和该数据业务的QoS指标θ：先设运算中间值

式中，δ为该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率，即传输该数据业务的有效带宽，D_max为用户能够忍受的最大时延，ε为传输时延超过D_max的抖动概率；

（23）根据步骤（21）中两个状态马尔可夫流量模型的有效带宽计算公式，得到QoS指标 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}\×(\mathrm{\Δ}+\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\Δ}\×(t_{\mathrm{ON}}{t}_{\mathrm{OFF}}\×\mathrm{\Δ}+t_{\mathrm{ON}}+t_{\mathrm{OFF}})}{(t_{\mathrm{ON}}{t}_{\mathrm{OFF}}\×\mathrm{\Δ}+t_{\mathrm{OFF}})\×\mathrm{\ν}},$ 则传输该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率为

（3）建立无线网络中的信道模型，并获得该无线网络的简化参数；再根据有效容量的工程计算公式，在设定QoS指标下建立无线网络的有效容量模型；该步骤包括下列操作内容：

（31）确定无线网络的信道模型，其信道衰落服从瑞利分布并随时间变化，信噪比为γ的概率为：

式中，

为信道平均信噪比，且在单位时间间隔T_F、即每帧时长内随机信噪比不会改变，而在任意两个单位时间间隔之间的随机信噪比会变化；这样，当分配给单个数据业务的带宽为b时，此时无线网络能够提供的服务速率r_b为：r_b=blog₂(1+γ)；同时，获得无线网络的简化模型参数：

为无线网络传输信道的平均信噪比；B为无线网络能够提供的总带宽；T_F为无线网络传输的基本时间单位：每帧时长，在每帧时长的时间段内信道衰落条件不发生改变；N为无线网络能够承载的该单个数据业务的最大数量，即该种数据业务的业务容量；

（32）根据步骤（31）的无线网络的信道模型及其简化参数，以及有效容量E_C(θ)的工程计算公式： $E_C\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{-\mathrm{\θS}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0,$ 式中，变量θ为QoS指标，S(t)为无线网络能够提供的随机服务速率过程；确定为满足数据业务QoS的设定指标θ，在无线网络提供的传输带宽为b时，无线网络能够承载的该单个数据业务的到达速率、即有效容量E_C(θ)的计算公式为： $E_C\left(\mathrm{\θ}\right)\≈\frac{1}{{\mathrm{\θT}}_F}{\log }_2(1+\mathrm{\θ}\×T_F\×b\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}});$

（4）根据步骤（2）中的所述数据业务的有效带宽和步骤（3）中的所述无线网络的有效容量，计算该无线网络中的该数据业务的业务容量；该步骤包括下列操作内容：

（41）根据步骤（2）计算得到的数据业务的有效带宽δ和QoS指标θ，以及步骤（3）得到的无线网络的有效容量的计算公式，得到在满足该单个数据业务QoS指标下所必须分配的无线信道带宽b的计算公式其中，T_F为无线网络的基本时间单位：每帧时长，在每帧时长的时间段内信道条件不发生改变；

为信道平均信噪比；

（42）因无线网络能够提供的总带宽为B，故无线网络能够承载该数据业务的业务容量为

本发明的优点是：首次给出数据业务的业务容量的定义和数据业务的业务模型的分类，首次采用业务的流量模型及其服务模型共同描述业务特征，运用业务的流量模型描述数据业务的行为特征，运用业务的服务模型描述数据业务的用户体验需求，从而更精确地描述数据业务的各项特征，保证数据业务的业务容量计算更加精确，并适用于所有的数据业务。本发明采用的无线网络的简化模型参数，使得其能够在不考虑网络中采用的各种不同传输技术的前提下，描述所有无线网络的共同的基本特征，以便为在理论上给出无线网络能够承载的数据业务的最大数量奠定基础。本发明还运用现有工程技术的有效带宽和有效容量的计算公式，将业务层与物理层建立联系，使得业务特性的差异能够反映在物理层性能上。

附图说明

图1是本发明无线网络中的数据业务容量的规划方法操作步骤流程图。

图2是具备ON/OFF行为特征的数据业务流量模型的建模方法示意图。

图3是用于确定数据业务服务模型：QoS要求的无线网络传输队列模型示意图。

图4（A）、（B）分别是有效带宽和有效容量模型的示意图。

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数据业务容量的规划方法，该方法是先引入体现无线数据业务行为特征的数据业务流量模型和体现数据业务服务质量QoS指标的数据业务服务模型，再采用无线网络的简化模型，利用无线网络中的有效带宽和有效容量的工程计算公式进行计算：为满足单个数据业务QoS要求而需要分配给该数据业务的无线信道带宽，再在满足该数据业务QoS要求的前提下，利用该数据业务所需的无线信道带宽和无线网络的简化模型，计算无线网络在理论上所能承载的该单个数据业务的最大数量，即该数据业务的业务容量；以便为运营商或业内人员能够进一步改进无线传输技术和优化无线资源配置，提高数据业务容量而提供相应目标和依据。

参见图1，介绍本发明方法的具体操作步骤：

步骤1、根据数据业务的行为特征和QoS要求建立数据业务模型，并给出该数据业务模型的简化的模型参数。该步骤1包含下列操作内容：

（11）确定数据业务的流量模型（Traffic model），并获得该流量模型的简化模型参数：所述数据业务的流量模型用于描述该数据业务的行为特征、即其数据流的随机到达过程；所述数据业务是基于现有技术的ON/OFF模型而被建模为两个状态的马尔可夫模型，该马尔可夫模型的简化模型参数包括：t_ON表示ON状态的持续时长均值，ν表示ON状态的数据发送速率和t_OFF表示OFF状态的持续时长均值。

众所周知，数据业务的流量模型（Traffic model）是用于描述数据业务的数据流的随机到达过程，以便能够反映数据业务的平均到达速率、方差系数和自相似性等性能参数。得到广泛应用的数据业务流量模型有ON/OFF模型、FBM过程、自回归过程和马尔可夫过程等。

目前，对于无线网络分组数据业务的研究中，一般认为数据业务是以ON/OFF模型进行传输的。数据业务流量的ON/OFF模型可以简述为：业务源在发送数据和不发送数据的两种状态之间进行交替更迭：发送数据期间为ON状态，并以固定速率发送数据；不发送数据期间为OFF状态，这样构成ON/OFF模型。一般认为：ON状态和OFF状态都是独立分布的，它们之间的分布情况也是互不相关的，这样ON/OFF模型实际上就是由ON状态的持续时间长度的分布和OFF状态的持续时间长度的分布，以及ON状态的数据发送速率所决定。其中ON状态持续时间长度T_ON服从均值为t_ON的负指数分布，ON状态的恒定数据发送速率为ν，OFF状态持续时间长度T_OFF服从均值为t_OFF的负指数分布。

参见图2，其中的上半部分是描述数据业务的ON/OFF流量模型；下半部分是将数据业务的ON/OFF流量模型建模为两个状态的马尔可夫流量模型，其中从ON状态转移到OFF状态的转移概率为μ（=1/t_ON），从OFF状态转移到ON状态的转移概率为λ（=1/t_OFF），ON状态的数据发送速率为ν，OFF状态不发送数据。

以无线网络中传输的VoIP业务为例，ON状态持续时间长度均值为8.9ms，OFF状态持续时间长度均值为8.4ms，ON状态的恒定数据发送速率为32Kbps。

（12）确定数据业务的服务模型（Service model），并获得该服务模型的简化模型参数，所述数据业务的服务模型是以该数据业务的用户的体验需求、即服务质量QoS要求表示的，该QoS要求为：Pr{Delay>D_max}≤ε，该公式涵义是该数据业务的传输时延Delay大于用户能够忍受的最大时延D_max的概率小于或等于设定的抖动概率ε；该服务模型QoS指标的简化模型参数包括：D_max为用户能够忍受的最大时延，ε为传输时延Delay超过用户能够忍受的最大时延D_max的抖动概率。

数据业务的服务模型主要通过服务质量QoS要求来确定。现在的无线网络规划中使用的服务质量要求主要包括下述指标：丢包率、最大时延抖动、响应时间和误比特率等。对于实时数据业务来说，用户在使用该种业务时，最为关注的是业务的传输时延，因此本发明选用最大传输时延要求作为描述服务质量QoS的要求。具体描述为上述步骤（12）中的公式所示。

以VoIP业务和视频业务为例，QoS要求的指标如下表所示

业务类型	最大时延门限Dmax	抖动概率要求ε
			VoIP业务（Audio Service）	50ms	0.01
视频业务（Video Service）	150ms	0.001

综合上述两个步骤，本发明数据业务容量的规划方法所需要的数据业务的简化模型参数包括数据业务的流量模型参数和服务模型参数，如下表所示。

参数	说明	单位	例值	类别	出入口
						tON	ON状态持续时长均值	ms	8.9	流量模型	输入
tOFF	OFF状态持续时长均值	ms	8.4	流量模型	输入
						ν	ON状态恒定数据发送速率	Kbps	32	流量模型	输入
Dmax	数据业务所能忍受的最大时延	ms	50	服务模型	输入
						ε	传输时延超过最大时延的抖动概率		0.01	服务模型	输入

步骤2、根据所述数据业务模型，利用有效带宽的工程计算公式计算单个数据业务的有效带宽和QoS指标。该步骤2包括下列操作内容：

（21）根据上述步骤（1）数据业务流量模型和有效带宽E_B(θ)的工程计算公式： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{\mathrm{\θA}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0,$ 式中，变量θ为所述步骤（12）中的QoS要求经过等效转化后的QoS指标，A(t)为数据业务的到达过程，即流量模型，得到该数据业务的两个状态马尔可夫流量模型的有效带宽E_B(θ)计算公式为： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}+\sqrt{{(\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}^2+4\mathrm{\λ\μ}}}{2\mathrm{\θ}},$ 式中，μ为从ON状态转移到OFF状态的转移概率，且

t_ON为ON状态持续时长均值；λ为从OFF状态转移到ON状态的转移概率，且

t_OFF为OFF状态持续时长均值；ν为ON状态的数据发送速率，OFF状态不发送数据；

实时的多媒体业务都有一定的时延要求。以视频和音频业务为例，都要保证有一定的无线网络传输带宽，当接收到的数据业务的数据包超出该种数据业务的时延要求，通常就会丢弃这个数据包。由于无线网络中的衰落信道时变特性，严格的时延要求难以实现。以瑞利衰落信道为例，在这种无线信道衰落条件下，无线网络能够稳定提供的有保证的带宽下限为0。因此可考虑使用一种统计QoS要求，使得超出时延要求或丢弃数据包的情形以一个较小概率出现。

参见图3所示的排队模型中，对于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，数据队列长度Q超出确定门限C的概率会随着C的增加而呈指数型衰减，其数学表达式为：Pr{Q>C}≈e^-θC。式中的θ是一个事先设定的正实数，被称为QoS指标。进一步而言，如果把时延要求作为主要的QoS特性，则其表达式与上述公式相似：

其中，D_max是用户所能容忍的最大时延要求，δ为单个数据业务需要无线网络提供的服务速率，即传输该数据业务的有效带宽，其数值取决于两个因素：到达过程和服务过程；也就是在满足共同的QoS要求前提下，其数值取决于到达过程的有效带宽工程计算公式和服务过程的有效容量工程计算公式能够取到的一个相同的带宽或速率值。

QoS指标θ是统计QoS要求的一个重要参数，其数值表示QoS抖动概率的衰减速率。θ值较小代表衰减速率较慢，说明无线网络只需提供较为宽松的QoS要求；θ值较大则代表衰减速率较快，代表无线网络需提供更严格的QoS要求。

在现今的无线网络中，一个至关重要的问题是：在给定无线网络总带宽的前提下，如何给每个用户分配相应的带宽，从而在满足用户需求的同时，也能使得无线网络资源得到最大效率的使用。如果分配给用户的带宽与其数据业务传输速率的峰值相匹配，则用户的服务质量要求会得到最大程度的满足。然而，由于用户只在有限情况下使用峰值速率来传输数据业务，因此这种分配方式无疑大大地浪费了无线网络资源。如果分配给用户的带宽与其数据业务的平均传输速率相匹配，虽然无线网络的资源得到了节省，但是会经常出现不能满足用户的服务质量需求的情形。有效带宽理论就是寻求一种介于峰值速率和平均速率之间的无线网络资源分配方案，在保证用户需求的同时，提高无线网络的资源利用效率。

在图3所示的队列模型中，假设数据业务到达是一个统计随机过程A(t)，无线网络提供的服务速率为恒定值，那么，为了满足该种数据业务的QoS指标θ，需要无线网络提供的恒定服务速率就是有效带宽E_B(θ)，其函数表达式为： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{\mathrm{\θA}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0.$

参见图4（A）所示的有效带宽示意图，当变量QoS指标θ趋近于0时，有效带宽趋近于数据业务到达的平均速率；而当变量QoS指标θ趋近于无穷大时，有效带宽趋近于数据业务到达的峰值速率。

（22）根据有效带宽的工程计算公式和该数据业务的服务模型，计算在设定数据业务的QoS要求前提下传输该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率和该数据业务的QoS指标θ：先设运算中间值

式中，δ为该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率，即传输该数据业务的有效带宽，D_max为用户能够忍受的最大时延，ε为传输时延超过D_max的抖动概率；

本发明中使用ON/OFF模型作为数据业务的流量模型，并把该模型建模为两个状态的马尔可夫流量模型，将两个状态的马尔可夫业务模型代入有效带宽E_B(θ)的计算式中，为了满足该种数据业务的QoS指标θ，得到数据业务的有效带宽计算公式为： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}+\sqrt{{(\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}^2+4\mathrm{\λ\μ}})}{2\mathrm{\θ}};$ 其中，λ为从步骤2中的OFF状态转移到ON状态的转移概率，且

t_OFF为OFF状态持续时长均值；μ为从ON状态转移到OFF状态的转移概率，且

t_ON为ON阶段持续时长均值；ν为ON状态的数据发送的恒定速率，OFF状态不发送数据。

（23）根据步骤（21）中两个状态马尔可夫流量模型的有效带宽计算公式，得到QoS指标θ： $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}\×(\mathrm{\Δ}+\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\Δ}\×(t_{\mathrm{ON}}{t}_{\mathrm{OFF}}\×\mathrm{\Δ}+t_{\mathrm{ON}}+t_{\mathrm{OFF}})}{(t_{\mathrm{ON}}{t}_{\mathrm{OFF}}\×\mathrm{\Δ}+t_{\mathrm{OFF}})\×\mathrm{\ν}},$ 则传输该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率为本发明使用数据业务传输时延Delay超出最大时延要求D_max的概率小于或等于设定的抖动概率ε作为QoS要求，即 $\mathrm{Pr}\{\mathrm{Delay}>D_{\max }\}\≈e^{-\mathrm{\θ\δ}{D}_{\max }}\≤\mathrm{\ϵ}.$

步骤3、建立无线网络中的信道模型，并获得该无线网络的简化模型参数；再根据有效容量的工程计算公式，在设定QoS指标下建立无线网络的有效容量模型。该步骤3包括下列操作内容：

（31）确定无线网络的信道模型，其信道衰落服从瑞利分布并随时间变化，信噪比为γ的概率为：

式中，

为信道平均信噪比，且在单位时间间隔T_F、即每帧时长内随机信噪比不会改变，而在任意两个单位时间间隔之间的随机信噪比会变化；这样，当分配给单个数据业务的带宽为b时，此时无线网络能够提供的服务速率r_b为：r_b=blog₂(1+γ)；同时，获得无线网络的简化模型参数：

为无线信道的平均信噪比；B为无线网络能够提供的总带宽；T_F为无线网络传输的基本时间单位：每帧时长，在每帧时长的时间段内信道衰落条件不发生改变；N为无线网络能够承载的该单个数据业务的最大数量，即该种数据业务的业务容量；

无线信道的基本特征是衰落具备时变特性，本发明是以单发射天线和单接收天线，加性白高斯噪声，运用瑞利衰落模型来描述无线网络的传输环境。无线信道在某个时刻信噪比为γ的概率为

若分配给该单个数

据业务的无线网络带宽为b，此时的无线网络信道容量，即无线网络能够提供的服务速率为r_b=blog₂(1+γ)。并且无线信道采用块衰落模型，即无线信道信噪比在单位时间间隔T_F内不发生改变，而在任意两个单位时间间隔之间的随机信噪比会发生变化。这里的T_F为无线网络的基本传输时间单位、即每帧的时间长度。

此时获得的无线网络的简化模型参数如下表所示

（32）根据步骤（31）的无线网络的信道模型及其简化参数，以及有效容量E_C(θ)的工程计算公式： $E_C\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{-\mathrm{\θS}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0,$ 式中，变量θ为QoS指标，S(t)为无线网络能够提供的随机服务速率过程；确定为满足数据业务QoS的设定指标θ，在无线网络提供的传输带宽为b时，无线网络能够承载的该单个数据业务的到达速率、即有效容量E_C(θ)的计算公式为： $E_C\left(\mathrm{\θ}\right)\≈\frac{1}{{\mathrm{\θT}}_F}{\log }_2(1+\mathrm{\θ}\×T_F\×b\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}).$

有效容量的工程计算公式是有效带宽的工程计算公式的推广。在图3所示的队列模型中，假设数据业务到达是个恒定速率的过程，无线网络提供的服务速率是个随机过程S(t)，那么为了满足该种数据业务的QoS指标θ，无线网络能够承载的数据业务的到达速率，就是有效容量，其计算下式如上所示。

通过有效容量的工程计算公式，将无线信道的服务速率描述成以QoS指标θ为变量的函数，以此为工具将数据业务的统计QoS特性和物理层的无线网络性能建立起联系。当QoS指标θ趋近于0时，有效容量趋近于无线信道的遍历容量；而当QoS指标θ趋近于无穷大时，有效容量趋近于0。

将步骤（31）中无线网络中的块衰落瑞利信道模型带入有效容量的工程计算公式中，可以得到简化的有效容量计算公式：将r_b的表达式代入该计算公式中，得到为满足该种数据业务的QoS指标θ、带宽为b的所能提供的有效容量计算公式为：

步骤4、根据步骤2中的所述数据业务的有效带宽和步骤3中的所述无线网络的有效容量，计算该无线网络中的该数据业务的业务容量。该步骤4包括下列操作内容：

（41）根据步骤（2）计算得到的数据业务的有效带宽δ和QoS指标θ，以及步骤（3）得到的无线网络的有效容量的计算公式，得到在满足该单个数据业务QoS指标下所必须分配的无线信道带宽b的计算公式

其中，T_F为无线网络的基本时间单位：每帧时长，在每帧时长的时间段内信道条件不发生改变；

为信道平均信噪比；

（42）因无线网络能够提供的总带宽为B，故无线网络能够承载该数据业务的业务容量为

以上所述仅为本发明方法及其实施例的简介而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种无线网络中的数据业务容量的规划方法，其特征在于：先引入体现无线数据业务行为特征的数据业务流量模型和体现数据业务服务质量QoS要求的数据业务服务模型，再采用无线网络的简化模型，利用无线网络中的有效带宽和有效容量的工程计算公式进行计算：为满足单个数据业务QoS要求而需要分配给该数据业务的无线信道带宽，再在满足该数据业务QoS要求的前提下，利用该数据业务所需的无线信道带宽和无线网络的简化模型参数，计算无线网络在理论上所能承载的该单个数据业务的最大数量，即该数据业务的业务容量；以便为运营商或业内人员能够进一步改进无线传输技术和优化无线资源配置，提高数据业务容量而提供相应目标和依据；所述方法包括下列操作步骤：

（1）根据数据业务的行为特征和QoS要求建立数据业务模型，并给出该数据业务模型的简化的模型参数；该步骤包含下列操作内容：

（11）确定数据业务的流量模型（Traffic model），并获得该流量模型的简化模型参数：所述数据业务的流量模型用于描述该数据业务的行为特征、即其数据流的随机到达过程；所述数据业务是基于现有技术的ON/OFF模型而被建模为两个状态的马尔可夫模型，该马尔可夫模型的简化模型参数包括：t_ON表示ON阶段的持续时长均值，ν表示ON阶段的数据发送速率和t_OFF表示OFF阶段的持续时长均值；

（12）确定数据业务的服务模型（Service model），并获得该服务模型的简化模型参数，所述数据业务的服务模型是以该数据业务的用户的体验需求、即服务质量QoS要求：Pr{Delay>D_max}≤ε表示的，该QoS要求公式涵义是该数据业务的传输时延Delay大于用户能够忍受的最大时延D_max的概率小于或等于设定的抖动概率ε；该服务模型QoS指标的简化模型参数包括：D_max为用户能够忍受的最大时延，ε为传输时延Delay超过用户能够忍受的最大时延D_max的抖动概率；

（2）根据所述数据业务模型，利用有效带宽的工程计算公式计算单个数据业务的有效带宽和QoS指标；该步骤包括下列操作内容：

（21）根据上述步骤（1）数据业务流量模型和有效带宽E_B(θ)的工程计算公式： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{\mathrm{\θA}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0,$ 式中，变量θ为所述步骤（12）中的QoS要求经过等效转化后的QoS指标，A(t)为数据业务的到达过程，即流量模型，得到该数据业务的两个状态马尔可夫流量模型的有效带宽E_B(θ)计算公式为： $E_B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}+\sqrt{{(\mathrm{\θ\ν}-\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}^2+4\mathrm{\λ\μ}}}{2\mathrm{\θ}},$ 式中，μ为从ON状态转移到OFF状态的转移概率，且t_ON为ON状态持续时长均值；λ为从OFF状态转移到ON状态的转移概率，且

t_OFF为OFF状态持续时长均值；ν为ON状态的数据发送速率，OFF状态不发送数据；

（22）根据有效带宽的工程计算公式和该数据业务的服务模型，计算在设定数据业务的QoS要求前提下传输该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率和该数据业务的QoS指标θ：先设运算中间值

式中，δ为该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率，即传输该数据业务的有效带宽，D_max为用户能够忍受的最大时延，ε为传输时延超过D_max的抖动概率；

（23）根据步骤（21）中两个状态马尔可夫流量模型的有效带宽计算公式，得到QoS指标 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}\×(\mathrm{\Δ}+\mathrm{\μ}+\mathrm{\λ})}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\Δ}\×(t_{\mathrm{ON}}{t}_{\mathrm{OFF}}\×\mathrm{\Δ}+t_{\mathrm{ON}}+t_{\mathrm{OFF}})}{(t_{\mathrm{ON}}{t}_{\mathrm{OFF}}\×\mathrm{\Δ}+t_{\mathrm{OFF}})\×\mathrm{\ν}},$ 则传输该单个数据业务需要无线网络提供的服务速率为

（3）建立无线网络中的信道模型，并获得该无线网络的简化参数；再根据有效容量的工程计算公式，在设定QoS指标下建立无线网络的有效容量模型；该步骤包括下列操作内容：

（31）确定无线网络的信道模型，其信道衰落服从瑞利分布并随时间变化，信噪比为γ的概率为：

式中，

为信道平均信噪比，且在单位时间间隔T_F、即每帧时长内随机信噪比不会改变，而在任意两个单位时间间隔之间的随机信噪比会变化；这样，当分配给单个数据业务的带宽为b时，此时无线网络能够提供的服务速率r_b为：r_b=blog₂(1+γ)；同时，获得无线网络的简化模型参数：为无线网络传输信道的平均信噪比；B为无线网络能够提供的总带宽；T_F为无线网络传输的基本时间单位：每帧时长，在每帧时长的时间段内信道衰落条件不发生改变；N为无线网络能够承载的该单个数据业务的最大数量，即该种数据业务的业务容量；

（32）根据步骤（31）的无线网络的信道模型及其简化参数，以及有效容量E_C(θ)的工程计算公式： $E_C\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\underset{t\→\∞}{\lim }\frac{1}{t}\ln E\left[e^{-\mathrm{\θS}\left(t\right)}\right],$ $\∀\mathrm{\θ}\≥0,$ 式中，变量θ为QoS指标，S(t)为无线网络能够提供的随机服务速率过程；确定为满足数据业务QoS的设定指标θ，在无线网络提供的传输带宽为b时，无线网络能够承载的该单个数据业务的到达速率、即有效容量E_C(θ)的计算公式为： $E_C\left(\mathrm{\θ}\right)\≈\frac{1}{{\mathrm{\θT}}_F}{\log }_2(1+\mathrm{\θ}\×T_F\×b\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}});$

（4）根据步骤（2）中的所述数据业务的有效带宽和步骤（3）中的所述无线网络的有效容量，计算该无线网络中的该数据业务的业务容量；该步骤包括下列操作内容：

（41）根据步骤（2）计算得到的数据业务的有效带宽δ和QoS指标θ，以及步骤（3）得到的无线网络的有效容量的计算公式，得到在满足该单个数据业务QoS指标下所必须分配的无线信道带宽b的计算公式

其中，T_F为无线网络的基本时间单位：每帧时长，在每帧时长的时间段内信道条件不发生改变；

为信道平均信噪比；

（42）因无线网络能够提供的总带宽为B，故无线网络能够承载该数据业务的业务容量为

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