CN102223661A - 一种用于lte的多层次时延-容量模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于LTE的多层次时延-容量模型，属于无线移动通信技术领域。模型中描述了数据包时延所包含的三部分的表达式，并采用多项式的形式进行表达，并采用试验的过程进行多项式系数的确定，通过每一层的时延来计算每一层的容量，从而得到用于LTE的多层次时延-容量模型。相对于传统模型中包长对时延的影响仅考虑了线性因素，本发明加入了对复杂网络中非线性因素的考虑，模型给出了时延与包长的非线性关系，可以测量计算链路各层的时延与容量，从而为扁平化网络性能分析提供了较为合适的关系。

Description

一种用于LTE的多层次时延-容量模型

技术领域

本发明涉及一种用于LTE的多层次时延-容量模型，属于无线移动通信技术领域。

背景技术

随着技术的飞速发展和需求的不断增加，用户对网络性能和功能的要求也在逐渐提高。NGN(Next Generation Network)是以软交换为核心基于IP分组交换技术的开放式网络，在整体上具有三个主要特征：基于IP分组技术、具有开放的分层体系结构、网络发展由业务驱动，NGN网络日趋扁平化，即更多的功能被融入更少的协议层中。NGN提供包括互联网和电信业务在内的多种业务，能够利用不同的传输介质和带宽进行具有服务质量保证的数据传输，实现上层业务功能和底层传输技术的分离。而LTE是NGN中重要的无线接入部分。

LTE现在被用来表示UMTS的长期演进方案，其基本元素包含演进UMTS陆地无线接入(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access，E-UTRA)和演进UMTS陆地无线接入网(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN)，前者包括用户设备(User Equipment，UE)或手机，后者目前主要指基站(eNodeB)。然而整个系统不仅仅包括上述的演进无线接入网(Evolved Radio Access Network，E-RAN)E-RAN，还包括另一个平行的3GPP计划-----系统结构演进(System Architecture Evolution，SAE)，用于定义一种新的全IP分组核心网，即演进分组核心网(Evolved Packet Core，EPC)。因此包含EPC和E-RAN的整体被称为演进分组系统(Evolved Packet System，EPS)。虽然EPS是整个系统的唯一正确名称，但是人们往往使用LTE来表述这个概念。目前，LTE的若干演进版本中，Rel-8是各大公司正在实现商业化LTE系统的标准，同时整个规范仍然在不断演进，目前最新版本是Rel-10，即通常所说的LTE-A。在向全IP网络演进时保持与传统标准的共存(向下兼容性)。QoS指网络中有严格时间要求的协议与服务。在下一代网络QoS的性能参数中，时延和容量是十分重要的，它们关系到用户可以直接感知的服务质量，诸如VoIP和视频通话的实时业务和大数据量传输业务与这两个参数是密切相关的。因此建立针对时延和容量的分析模型，对于网络设计、管理层网络动态资源配置的建立和提高对用户的服务质量有着重要的意义。同时，针对实际的网络环境进行性能测试也是构建包括NGN在内的所有网络的重要过程。

在网络链路的各个参数中，网络中链路容量表示该链路中所允许的IP层最大可能传输率，因此容量的评估对网络底层结构的规划和管理都十分重要。另外在新型网络容量模型中还涉及了服务时间的概念，从某一角度来说这可以被认为是网络上某一层的服务时间。因此容量和服务时间与QoS性能相关，直接影响着终端用户可以感知的服务质量。

约二十年前，容量评估技术和工具便已得到较好的发展，且在有线网络中取得得到广泛应用。R.S.Prasad的文献“Bandwidth estimation：Metrics，measurement techniques and tools”中提出了有线链路容量评估技术并且介绍了相关的测试方法。然而，由于无线网络发展迅猛，在无线网络环境下，采用有线网络性能评估技术和工具，使得性能评估的准确性下降。其原因在于无线环境下潜在的信道内部干扰，但更重要是原有针对有线链路的经典容量评估模型忽略了网络架构中的一些因素，虽然这些因素对于有线链接的容量评估结果影响甚微，却对无线链接的容量参数产生不可忽略的影响。因此在趋于扁平化的下一代网络中，传统的时延-容量模型已经不能很好的满足实际需求。

在过去的几年里，一些针对无线链路容量测量的工具被开发出来，R.Kapoor，的文献“CapProbe：A simple and accurate capacity estimation technique”提出了用于无线链路容量测试的方法，虽然它修正了原有有线环境测量模型的一些缺陷，然而依旧不能提供令人满意的性能；之后L. Angrisani的文献“Capacity Measurement in Communication Networks”提出一种多层容量模型并被不断改良，它在协议栈的所有层中扩展了容量的概念，这种模型的进步和优势已经在已有的研究和试验中的到一定程度的验证，但是对于含有中间件和趋向于扁平化的下一代网络仍然存在着一些缺陷和不足。

传统多层容量模型中，通过建立简单的时延-容量模型，计算上一层向其同级层接收端发送信息的时间，得到该层对于上一层的服务时间，并且通过递归表达出该层的服务时间，其与容量的关系呈线性关系。然而数据包在同一端不同层之间传输时，时延与数据包大小的关系，还存在非线性因素。由于NGN扁平化结构，导致影响数据包处理时间的因素发生了一些变化，且失去了原本依赖于上一层的某些信息。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，解决传统链路容量模型中包长对时延的影响仅考虑线性因素而缺乏对复杂网络中非线性因素的考虑，提出了一种用于LTE的多层次时延-容量模型。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于LTE的多层次时延-容量模型，在链路第n层选定一个不大于最大传输单元MTU的大小为L_n的数据包，将第n层发送该数据包的时延

定义为该数据包由链路发送端传输到接收端的时间，设定H_i为第i层的报头长度，C₀为物理层的容量；

将时延

划分为三个部分：1)数据包在发送从n层到物理层的处理时间；2)由该数据包和第n层以下各层报头组成的数据总量在物理层上的传输时间；3)数据包在接收端从物理层到第n层的处理时间；

因此，在第n层发送大小为L_n的数据包时延

可写为：

$t_{s_n}\left(L_n\right)=t_{s_{n->p}}\left(L_n\right)+\frac{L_n+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i}{C_0}+t_{s_{p->n}}\left(L_n\right)---\left(1\right)$

式(1)中等式右边三项分别对应上述时延所包含的三部分，也即式(1)中等式右边第一项

包括了数据包从第n层到物理层的发送处理时间，可写成：

$t_{s_{n->p}}\left(L_n\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nt}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}1}{L}_n+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}2}{L}_n^2+...+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ntk}}{L}_n^k---\left(2\right)$

式(2)中，φ_nt是所有与数据包大小无关的处理时间之和；α_nt1L_n包括所有与数据包大小线性相关的处理时间；式(2)中等式右边除去φ_nt和α_nt1L_n的其他部分由两阶以上的多项式组成，表示与包长非线性相关的处理时间，该处理时间涉及到一些较为复杂的调度处理过程，取决于所采用的调度算法、资源动态分配策略以及网络管理状态；

式(1)中等式右边第二项

表示数据包和第n层以下各层报头组成的数据总量在物理层上的传输时间；

式(1)中等式右边第三项为数据包在接收端从物理层到第n层的处理时间，表达式为

$t_{s_{p->n}}\left(L_n\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nr}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}1}{L}_n+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}2}{L}_n^2+...+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nrk}}{L}_n^k---\left(3\right)$

式(3)中各项与式(2)中各项分别对应，也即φ_nr是所有与数据包大小无关的处理时间之和；α_nr1L_n包括所有与数据包大小线性相关的处理时间；式(3)中等式右边除去φ_nr和α_nr1L_n的其他部分由两阶以上的多项式组成，表示与包长非线性相关的处理时间，该处理时间涉及到一些较为复杂的调度处理过程，取决于所采用的调度算法、资源动态分配策略以及网络管理状态；

则式(1)即第n层的时延可以被表示成：

$t_{s_n}\left(L_n\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nt}}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nr}}+\frac{1}{C_0}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}1}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}1}+\frac{1}{C_0})L_n$

$+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}2}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}2})L_n^2+...+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ntk}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nrk}})L_n^k---\left(4\right)$

$={\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\α}}_{n1}{L}_n+{\mathrm{\α}}_{n2}{L}_n^2+...+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nk}}{L}_n^k$

式(4)中，下标n表示第n层，下标t表示发送端，下标r表示接收端，下标k表示L_n的k阶项；该式的最终化简结果利用L_n的多项式描述一个大小为L_n数据包在第n层的整体时延；其中φ_n是所有与数据包大小无关的处理时间之和；α_n1L_n包括所有与数据包大小线性相关的处理时间；等式右边除去φ_n和α_n1L_n的其他部分由两阶以上的多项式组成，表示与包长非线性相关的处理时间，该处理时间涉及到一些较为复杂的调度处理过程，取决于所采用的调度算法、资源动态分配策略以及网络管理状态；

式(4)中等式右端的系数通过试验方法确定，具体过程为：

1)从发射端向接收端发送尺寸为L_n的数据包，在每次传输时利用软件探针记录数据包通过收发两端不同层的时间戳信息，再利用该信息计算得到对应于大小为L_n的数据包的第n层时延

2)重复步骤1)三次以上，取全部重复结果的平均值作为第n层时延

3)改变数据包尺寸L_n，重复步骤1)和步骤2)，可得到不同数据包尺寸分别对应的第n层时延根据实际精度需要选择式(4)的阶数k，并利用采集到的数据回归得到式中的参数φ_n，α_n1，α_n2，...α_nk，此时便得到第n层时延

的具体数学表达式；

定义链路第n层的容量为第n层上从链路发送端到接收端的最大数据传输率，链路第n层的容量C_n表述为：

$C_n=\frac{M_n}{t_{s_n}\left(M_n\right)+t_{\mathrm{unav}}}---\left(5\right)$

其中M_n是第n层最大传输单元MTU的大小，t_unav是物理信道除去发送数据包以外的空闲时间，比如等待应答信息的时间等，t_unav的值与网络协议有关，比如在有线链接中其值为空，而对于无线链接，它等于帧间间隔、MAC层应答信息等时间的总和，此时将M_n，

和t_unav代入式(5)即可得到链路第n层的容量C_n。

有益效果

本发明提出了一种用于LTE的多层次时延-容量模型，相对于传统模型中包长对时延的影响仅考虑了线性因素，本发明加入了对复杂网络中非线性因素的考虑，模型给出了时延与包长的非线性关系，可以测量计算链路各层的时延与容量，从而为扁平化网络性能分析提供了较为合适的关系。

附图说明

图1为本发明的多层容量模型的网络层次结构示意图；

图2为承载多层容量模型测试的LTE平台结构图；

图3为本发明的实施例中计算出的基于LTE的时延与包长的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种用于LTE的多层次时延-容量模型，其网络时延和容量计算的具体过程如下：

1)在网络中测试各端插入软件探针，用于测量数据包通过各端不同层的时间戳信息；

2)通过同步协议对测试中的各个终端进行时钟同步；

3)将IP报头TOS区置为特定值的连续的探针数据包流从发射端传向接收端，每组数据流由同等大小的数据包组成，以固定的时间间隔和平均比特率进行发送；应用层数据包尺寸在不同的数据流中可以设置为不同值，例如从100字节到1400字节等间隔选取；

4)记录探针数据包在发射端和接收端留下的时间戳；对于每一个数据流，将其在某一特定层最小时延的数据包有关的测量信息保留下来，其他包的信息将被抛弃；

5)通过这种方式可以计算得到每一层的时延，通过对时延的回归可以计算出公式(4)中的系数；之后根据网络协议的类型可以计算t_unav，此时对于容量C_n的估计可用通过公式(5)直接得到；

经过以上5个步骤即完成了一种用于LTE的多层次时延-容量模型的链路容量计算，即完成了无线链路容量测试与对链路各层容量的评估过程。

该模型的网络层次结构如图1所示，在实际LTE环境下对该模型相关的时延、容量参数进行了测试，其测试平台如图2所示，测试中使用真实的LTE平台，主要包括用户设备UE、基站eNnodeB以及核心网。图2中，UE由一台Aeroflex TM500移动测试终端与测试终端计算机PC1组成，并且通过天线和无线信道与eNodeB进行通信；eNodeB的控制模块为SBBU(集成了eCCM和bCEM的功能)，其信号经过RH射频模块处理后通过天线进行发射，并且可以通过一台专用测试服务器PC2进行管理，该服务器具有发送信令和数据流的功能；eNodeB还与核心网相连，因此接入核心网中的测试终端计算机PC3便可以利用整个系统与UE中的计算机PC1进行通信。利用平台中的软件探针功能可以获得数据包通过各层的时间戳。

首先分别调试UE、eNodeB及相应的测试计算机，待各个设备调整稳定后建立UE与eNodeB的连接。服务建立后便可开始测试，利用发包工具从连接eNodeB的测试服务器PC2向UE中的计算机PC1发送数据包。为用户数据配置的下行带宽为300kHz。每次测试中发送不同包尺寸的数据流，包尺寸以100字节为差值由100字节到1300字节逐渐变化。通过探针收集两台计算机中发包和收包的时间戳，并计算获得时延信息，回归计算得到容量信息。

测试结果如图3所示，其中圆点表示不同包长下测得UE与eNodeB间链路的平均时延，连续曲线为根据采集的数据点拟合出的时延与包长的关系曲线。

可以观察到传输时延会随着包长的增长而变长，但两者不是简单的线性关系。取最高阶为三次方时，通过数值拟合得φ＝0.3296，α₁＝0.1275，α₂＝0.0375，α₃＝-0.0003，计算得IP层链路容量为2.005Mb/s。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于LTE的多层次时延-容量模型，其特征在于：

在链路第n层选定一个不大于最大传输单元MTU的大小为L_n的数据包，将第n层发送该数据包的时延

定义为该数据包由链路发送端传输到接收端的时间，设定H_i为第i层的报头长度，C₀为物理层的容量；

将时延

划分为三个部分：数据包在发送从n层到物理层的处理时间、由该数据包和第n层以下各层报头组成的数据总量在物理层上的传输时间和数据包在接收端从物理层到第n层的处理时间；

在第n层发送大小为L_n的数据包时延

为

$t_{s_n}\left(L_n\right)=t_{s_{n->p}}\left(L_n\right)+\frac{L_n+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i}{C_0}+t_{s_{p->n}}\left(L_n\right)---\left(1\right)$

其中式(1)等式右边第一项

表示数据包从第n层到物理层的发送处理时间，为

$t_{s_{n->p}}\left(L_n\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nt}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}1}{L}_n+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}2}{L}_n^2+...+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ntk}}{L}_n^k---\left(2\right)$

式(2)中，φ_nt是所有与数据包大小无关的处理时间之和；α_nt1L_n包括所有与数据包大小线性相关的处理时间；式(2)中等式右边除去φ_nt和α_nt1L_n的其他部分由两阶以上的多项式组成，表示与包长非线性相关的处理时间；

式(1)中等式右边第二项

表示数据包和第n层以下各层报头组成的数据总量在物理层上的传输时间；

式(1)中等式右边第三项

为数据包在接收端从物理层到第n层的处理时间，为

$t_{s_{p->n}}\left(L_n\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nr}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}1}{L}_n+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}2}{L}_n^2+...+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nrk}}{L}_n^k---\left(3\right)$

式(3)中，φ_nr是所有与数据包大小无关的处理时间之和；α_nr1_n包括所有与数据包大小线性相关的处理时间；式(3)中等式右边除去φ_nr和α_nr1L_n的其他部分由两阶以上的多项式组成，表示与包长非线性相关的处理时间；

则式(1)即第n层的时延表示为

$t_{s_n}\left(L_n\right)={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nt}}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nr}}+\frac{1}{C_0}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}1}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}1}+\frac{1}{C_0})L_n$

$+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{nt}2}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}2})L_n^2+...+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ntk}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nrk}})L_n^k---\left(4\right)$

$={\mathrm{\φ}}_n+{\mathrm{\α}}_{n1}{L}_n+{\mathrm{\α}}_{n2}{L}_n^2+...+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nk}}{L}_n^k$

式(4)中，下标n表示第n层，下标t表示发送端，下标r表示接收端，下标k表示L_n的k阶项；其中φ_n是所有与数据包大小无关的处理时间之和；α_n1L_n包括所有与数据包大小线性相关的处理时间；等式右边除去φ_n和α_n1L_n的其他部分由两阶以上的多项式组成，表示与包长非线性相关的处理时间；

定义链路第n层的容量为第n层上从链路发送端到接收端的最大数据传输率，则链路第n层的容量C_n表述为：

$C_n=\frac{M_n}{t_{s_n}\left(M_n\right)+t_{\mathrm{unav}}}---\left(5\right)$

其中M_n是第n层最大传输单元MTU的大小，t_unav是物理信道除去发送数据包以外的空闲时间。

2.根据权利要求1所述的一种用于LTE的多层次时延-容量模型，其特征在于：式(5)中t_unav的值由网络协议决定。

3.根据权利要求2所述的一种用于LTE的多层次时延-容量模型，其特征在于：t_unav的值在有线链接中其值为空，在无线链接中等于帧间间隔、MAC层应答信息等时间的总和。

4.根据权利要求1所述的一种用于LTE的多层次时延-容量模型，其特征在于：式(4)中等式右端的系数通过试验方法确定，具体过程为：

1)从发射端向接收端发送尺寸为L_n的数据包，在每次传输时利用软件探针记录数据包通过收发两端不同层的时间戳信息，再利用该信息计算得到对应于大小为L_n的数据包的第n层时延

2)重复步骤1)三次以上，取全部重复结果的平均值作为第n层时延

3)改变数据包尺寸L_n，重复步骤1)和步骤2)，可得到不同数据包尺寸分别对应的第n层时延

根据实际精度需要选择式(4)的阶数k，并利用采集到的数据回归得到式中的参数φ_n，α_n1，α_n2，...α_nk，此时便得到第n层时延

的具体数学表达式。

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