石文孝，范紹帥，王 柟

（吉林大學通信工程學院 長春 130012）

1 引言

隨著移動通信業(yè)務的發(fā)展和3G時代的到來，數(shù)據(jù)業(yè)務流量大幅度增長，網(wǎng)絡規(guī)模發(fā)展相對業(yè)務發(fā)展有所滯后，造成網(wǎng)絡資源不能滿足業(yè)務發(fā)展需要，對業(yè)務質量造成一定的影響。因此，為不同業(yè)務提供差異化的服務質量、合理利用網(wǎng)絡資源成為運營商重點關注的問題。

目前，對于移動數(shù)據(jù)業(yè)務帶寬分配方法的研究主要集中在無線側，對核心網(wǎng)側的流量及業(yè)務模型的研究較少。而在核心網(wǎng)側部署帶寬分配策略，對不同業(yè)務的總帶寬進行控制，同樣可以達到區(qū)分業(yè)務服務質量的效果，并且可以間接節(jié)省無線側網(wǎng)絡資源。本文在對具有自相似特性的數(shù)據(jù)業(yè)務的保障帶寬進行量化計算的基礎上，結合GGSN（gateway GPRS support node，網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點）設備功能和網(wǎng)絡帶寬資源情況，提出了一種面向業(yè)務的帶寬分配方法。

2 自相似業(yè)務模型與排隊模型分析

2.1 自相似業(yè)務模型

第三代移動通信系統(tǒng)引入了越來越多的數(shù)據(jù)業(yè)務，使移動通信網(wǎng)中的業(yè)務流表現(xiàn)出高突發(fā)性和長相關性（自相似特性）[1]。對于自相似業(yè)務，人們已提出了多個自相似流量模型，如重尾ON/OFF模型、基于分形的FBM（fractional Brown motion，分形布朗運動）模型和自回歸整合滑動平均模型、基于穩(wěn)定過程的α穩(wěn)定自相似過程、隨機瀑布模型、用于描述多尺度行為的多分形流量模型、多尺度流量模型等[2～8]。在上述自相似流量模型中，最簡單且最常用的是FBM模型。FBM模型是一個精確自相似過程，也是高斯過程，只有3個參數(shù)，應用比較簡單。根據(jù)中心極限理論，無限多個自相似過程聚合的結果是FBM過程，因此可以用FBM模型來對聚合的精確自相似業(yè)務流進行有效的建模。

Norros提出的FBM業(yè)務模型如下[3]：

式中：A（t）代表t時間內到達的業(yè)務流量；m為流量的平均速率，m>0；a為方差系數(shù)；Zt為具有零均值、Hurst參數(shù)為H(0

2.2 G/D/1(n)排隊模型

對于移動核心網(wǎng)中的GGSN設備，節(jié)點和到達數(shù)據(jù)流可以視為G/D/1(n)排隊模型。G表示自相似業(yè)務流的到達過程，且到達率為m；D表示節(jié)點的服務速率是固定值，設其服務率為C；在這個排隊模型中，容量為n的緩存器用于存儲進入存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，并且所有數(shù)據(jù)包都按照其輸入順序排隊和發(fā)送[9]。

在該排隊模型下，設 X（t）是以FBM模型作為輸入源時緩存器的占用量[3]，則

由式（1）和（2）得到緩沖器溢出概率為[3]：

假設系統(tǒng)的流量擁塞概率為ε，由式（3）可以求得系統(tǒng)的有效保障帶寬為[3,10]：

設數(shù)據(jù)流最大排隊等待時間為T，則ε為排隊時間超過T的概率，經(jīng)分析可知，排隊系統(tǒng)最大排隊長度n=C×T。這樣便可在不同業(yè)務對GGSN處理時延要求不同的基礎上，得出業(yè)務保障帶寬。

3 面向業(yè)務的帶寬分配方法

網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)業(yè)務基本可以分為兩類，一類是可以為運營商帶來高回報或者利于樹立品牌形象的高價值業(yè)務，另一類為普通業(yè)務。由于網(wǎng)絡帶寬資源有限且兩類業(yè)務對運營商帶來的回報差異很大，因此可以為兩類業(yè)務提供差異化的服務質量，優(yōu)先保障高價值業(yè)務的帶寬需求，以合理利用有限的帶寬資源。

結合不同數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬需求和網(wǎng)絡帶寬資源情況，對業(yè)務進行差異化對待，不同業(yè)務的帶寬分配值的計算可分為以下兩個步驟。

（1）利用FBM模型結合G/D/1(n)排隊模型，求解兩類自相似業(yè)務的保障帶寬

具體方法就是利用式（4）得出在滿足一定ε和T條件下業(yè)務總的m所對應的帶寬分配值C，其流程如圖1所示。

該流程描述如下。

①為兩類業(yè)務設置QoS參數(shù)（ε、T）：在對高價值業(yè)務和普通業(yè)務進行區(qū)分對待時，可以設置高價值業(yè)務的數(shù)據(jù)流量有較低的ε及T，普通業(yè)務有相對較高的ε和T。

②輸入模型樣本：輸入高價值業(yè)務和普通業(yè)務的業(yè)務流量采樣樣本，且樣本的采樣點數(shù)要盡可能多。

③中間量計算

m：利用輸入樣本值，對每個小時的流量取算術平均值，得出兩類業(yè)務的平均業(yè)務流量。

a：等于流量樣本的方差除以均值。

H：利用輸入樣本值，通過方差時間圖法[11]算出兩類業(yè)務的Hurst參數(shù)。

④運用帶寬分配模型得出兩類業(yè)務的帶寬需求值：將兩類業(yè)務的 T、ε、m、a以及 H代入式（4），求得兩類業(yè)務的帶寬需求值C。

（2）綜合考慮步驟（1）得出的兩類業(yè)務帶寬需求值以及網(wǎng)絡帶寬資源情況，得出高價值業(yè)務和普通業(yè)務的實際帶寬分配值CA1、CA2

通過步驟（1）可得出在滿足一定QoS參數(shù)下高價值業(yè)務與普通業(yè)務所需的帶寬值C1、C2。在進行兩類業(yè)務帶寬分配時，不僅要考慮兩類業(yè)務自身的帶寬需求，還要考慮GGSN鏈路總帶寬C0。具體方法如下：在業(yè)務閑時，網(wǎng)絡帶寬資源充足，兩類業(yè)務的帶寬值可以按需分配。而在業(yè)務忙時，兩類業(yè)務的保障帶寬之和大于可提供的總帶寬值，應以優(yōu)先保障高價值業(yè)務為原則。首先滿足高價值業(yè)務的帶寬需求，再將剩余的帶寬分配給普通業(yè)務使用。實際帶寬分配值計算流程如圖2所示。

在確定出兩類業(yè)務的帶寬分配值后，在GGSN設備開啟內容計費功能的前提下，增加對兩類業(yè)務的包檢測規(guī)則的配置，通過數(shù)據(jù)包解析過程來對業(yè)務進行區(qū)分。結合GGSN的基于業(yè)務的帶寬管理功能，從總帶寬的角度實現(xiàn)在核心網(wǎng)側對不同業(yè)務的帶寬控制。圖3所示為面向業(yè)務的數(shù)據(jù)業(yè)務帶寬分配方法。

需要說明的是，該帶寬分配方法需要增加對兩類業(yè)務的包檢測規(guī)則的配置，會額外占用GGSN設備的CPU處理資源，增加GGSN設備的負擔。但該方法對核心網(wǎng)側不同數(shù)據(jù)業(yè)務的服務質量的區(qū)分以及對高價值業(yè)務的優(yōu)先保障具有一定的指導意義。

4 仿真分析

為了驗證提出的面向業(yè)務的帶寬分配方法對業(yè)務進行區(qū)分保障的效果，我們對區(qū)分業(yè)務前后兩類業(yè)務忙閑時的帶寬分配情況及服務質量情況進行了仿真。

4.1 仿真場景

利用Matlab語言對一個GGSN設備的業(yè)務流量及帶寬情況進行仿真，業(yè)務流量生成方法采用RMD（random midpoint displacement，隨機中點置換）算法[12]。仿真參數(shù)為：GGSN側鏈路總帶寬C0為155 Mbit/s，高價值業(yè)務ε1=0.5%，T1=10 ms；普通業(yè)務ε2=1.1%，T2=30 ms。兩類業(yè)務忙閑時的流量參數(shù)設置見表1。

4.2 仿真結果與分析

在業(yè)務閑時，網(wǎng)絡帶寬資源充足，兩類業(yè)務在區(qū)分業(yè)務前后的帶寬分配情況如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以看出，區(qū)分業(yè)務之前，閑時兩類業(yè)務同等程度地對網(wǎng)絡帶寬進行擠占，高價值業(yè)務的帶寬分配值未滿足其需求，而普通業(yè)務的帶寬分配值超出了需求值，體現(xiàn)出帶寬分配的不公平性，帶寬資源未得到合理利用；區(qū)分業(yè)務之后，兩類業(yè)務的帶寬分配值均等于其需求值，兩類業(yè)務可以合理地按需占用帶寬。

區(qū)分業(yè)務前后兩類業(yè)務閑時服務質量仿真曲線如圖6、圖7所示。

表1 兩類業(yè)務忙閑時流量參數(shù)設置

由圖6、圖7可以看出，區(qū)分業(yè)務之前，閑時高價值業(yè)務的擁塞率高于普通業(yè)務，表明高價值業(yè)務的服務質量沒有得到保障，網(wǎng)絡資源明顯沒有得到合理分配；區(qū)分業(yè)務之后，高價值業(yè)務的擁塞率降低，其服務質量得到了很好的保障，相對的，普通業(yè)務的服務質量有所下降。

在業(yè)務忙時，網(wǎng)絡帶寬資源緊張，兩類業(yè)務在區(qū)分業(yè)務前后的帶寬分配情況如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，在忙時兩類業(yè)務的保障帶寬總值超出鏈路總帶寬的情況下，區(qū)分業(yè)務之前，兩類業(yè)務同等程度地對有限的網(wǎng)絡帶寬進行擠占，兩類業(yè)務的帶寬分配值受鏈路總帶寬的限制，均未達到其需求值，沒有對高價值業(yè)務進行保障；區(qū)分業(yè)務之后，高價值業(yè)務的帶寬分配值等于其需求值，其服務質量得到了保障，而普通業(yè)務占用剩余的帶寬資源，其帶寬分配值低于其需求值。

區(qū)分業(yè)務前后兩類業(yè)務忙時服務質量仿真曲線如圖 10、圖 11所示。

由圖10、圖11可以看出，區(qū)分業(yè)務之前，由于忙時兩類業(yè)務的帶寬均受到限制，高價值業(yè)務的擁塞率高于普通業(yè)務，表明高價值業(yè)務的服務質量沒有得到保障，網(wǎng)絡資源明顯沒有得到合理分配；區(qū)分業(yè)務之后，高價值業(yè)務的擁塞率降低，其服務質量得到了很好的保障，相對的，普通業(yè)務的服務質量有所下降。

5 結束語

本文提出的基于GGSN的面向業(yè)務的帶寬分配方法，能夠適應移動數(shù)據(jù)業(yè)務體現(xiàn)出的自相似特性，并在核心網(wǎng)側實現(xiàn)了不同業(yè)務帶寬的差異化管理。理論分析和仿真結果表明，該方法可以對業(yè)務保障帶寬進行量化求解，在業(yè)務忙/閑時均能有效地區(qū)分不同業(yè)務的服務質量并保障高價值業(yè)務的帶寬需求，使網(wǎng)絡帶寬資源得到更加合理的分配。

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