PCS网络移动性建模及资源管理

论文摘要

个人通信服务（personal communication services,PCS）通常被作为一个广泛的概念使用,它涵盖各种无线接入技术和个人移动服务,其最终目标是让用户能在任何时间、任何地点、以任何形式进行通信。随着3G（WCDMA、cdma 2000 1xEV-DO、TD-SCDMA）、3.5G（HSDPA）、3.75G（HSUPA）无线通信网络在世界各地的相继开通,现在PCS网络已经为实现这一宏伟的通信目标做好了准备。与常规的静态网络（如公共电话网）不同,PCS网络允许用户动态地改变位置。当移动用户在网络的覆盖范围内漫游时,其网络接入点也随之变化。个人通信不可避免地引起终端移动性和个人移动性,它们给电信业务工程带来了诸多挑战。本论文围绕与终端移动性和个人移动性密切相关的问题展开研究,包括呼叫接入控制、缓存访问、移动性管理和建模,它们对PCS网络的有效运行非常关键。在分析PCS网络的性能时,信道占用时间起着极为重要的作用。信道占用时间与用户的移动性（由小区驻留时间描述）及业务模型（由呼叫持续时间决定）有关。在文献中,为了数学分析的方便和可跟踪性,在对信道占用时间进行分析时,一般假定小区驻留时间和（或者）呼叫持续时间服从指数分布。现场测试和仿真分析表明这种指数假设对于PCS网络不一定适用。假定小区驻留时间和呼叫持续时间均服从一般分布,本论文对新呼叫和切换呼叫的信道占用时间进行了研究。得到了新呼叫和切换呼叫信道占用时间的概率分布和数学期望的闭合解析表达式。位置管理可以保障PCS网络的有效运行。当前的PCS网络一般采用由源位置寄存器（home location register,HLR）和访问位置寄存器（visitorlocation register,VLR）构成的两层结构的数据库进行位置管理。为了提升PCS网络的性能,人们提出了一些动态位置管理方案。在这些动态方案中,基于运动量（movement-based）的方案被认为是最实际的,因为它有效、且能在现有PCS网络的结构中很容易地实现。为了在PCS网络中实施基于运动量的方案,对该方案的性能分析是关键。然而,文献中的分析大多过于简单,对于具有HLR/VLR结构的PCS网络不适用。这是由该问题的难度和复杂度造成的。在考虑HLR/VLR结构的条件下,Li等人和Rodríguez-Dagnino等人挑战过该问题。但是,Li等人给出的开销分析是基于小区驻留时间和位置区（locationarea,LA）驻留时间均服从指数分布的假定展开的。Rodríguez-Dagnino等人通过释放强加于小区驻留时间的指数假定,在Li等人的基础上前进了一步。但是Li等人和Rodríguez-Dagnino等人都忽略了移动终端在LA之间移动引起的VLR位置更新。本论文抛弃那些针对小区驻留时间和LA驻留时间的限制条件,提出了一个用于研究具有HLR/VLR结构的基于运动量的位置管理方案的理论模型。该模型可以成功地刻画移动终端在LA之间移动引起的VLR位置更新。通过利用复数分析的方法,得到了HLR和VLR位置更新所产生的信令开销。数值分析表明,基于运动量的方案的总信令开销是运动量门限的（向下）凸函数,且对小区驻留时间和LA驻留时间的方差敏感。本论文的结果为PCS网络中基于运动量的方案的系统设计和实施提供了理论指导。在对PCS网络中的位置管理方案进行建模和开销分析时,服务间隔时间的概率分布是一个关键参数。服务间隔时间就是一个移动终端所服务的连续两个呼入呼叫之间的时间间隔。由于热线效应的存在,服务间隔时间不同于呼入呼叫的到达间隔时间。文献中对位置管理的开销分析大多忽略了热线效应,即,将服务间隔时间等同于呼叫到达间隔时间,其中的原因在于当考虑热线效应时,缺乏关于服务间隔时间分布的理论结果。假定呼叫持续时间和呼入呼叫到达间隔时间均服从一般分布,本论文提出了研究热线效应对服务间隔时间的影响的理论模型,得到了服务间隔时间的分布的闭合解析表达式。数值分析表明,服务间隔时间和到达间隔时间之间存在差异,服务间隔时间的均值对呼叫持续时间和到达间隔时间的方差敏感。基于服务间隔时间的理论结果,进一步分析了热线效应对PCS网络中终端移动建模的影响。得到了移动终端在服务间隔时间内所穿过的小区数的概率分布的解析表达式。理论结果和数值分析均表明,热线效应对移动终端在服务间隔时间内穿越的小区数的概率分布有较大影响。因此,在对位置管理进行分析时,如果不考虑热线效应,可能导致不可靠的结果。本论文的结果为PCS网络中位置管理和终端移动建模提供了理论基础。由于多媒体业务天生的异构特性及它们对服务质量（quality of service,QoS）的不同要求,多媒体PCS网络的呼叫接入控制（call admissioncontrol,CAC）是一项艰巨的任务。由Fang首次提出的thinning方案可以应对PCS网络中具有优先级的多媒体业务。thinning方案的基本思想是以一定的概率来接入一个呼叫请求,该概率由小区中当前的业务状况决定。文献中对thinning方案的阻塞概率分析都是在假定所有类型的业务占用相同的信道数、具有相同的平均信道占用时间的条件下进行的。然而,这些过于简单的假设对于PCS网络未必适用,因为多媒体业务的移动模型和数据速率彼此区别,另外,即使是属于同一业务类型的新呼叫和切换呼叫的信道占用时间也不一定相同。本论文释放这些文献中的严格限制条件,在更一般、更真实的环境下研究thinning方案。假定不同的业务可以有任意的信道带宽需要和平均信道占用时间,本论文对thinning方案的两个变体进行了分析,利用多唯马尔科夫链理论,得到了thinning方案的阻塞性能。数值分析表明,通过仔细地选取相关的参数,thinning方案可以在保障多媒体业务的QoS的同时将系统容量最大化。基于thinning方案,可以为多媒体无线网络设计出新的CAC策略。在无线数据网络中,如WAP系统,缓存的数据可能对时间敏感,在这种情况必须保持缓存数据的强一致性,即,WAP手机所使用的数据必须与源服务器上的数据保持一致（strong consistency）。本论文提出一种面向无线数据网络的强一致性缓存数据访问方案,称为probability-based callback（简称pCB）。在pCB方案中,当数据更新发生时,服务器所采取的动作不再是确定的;服务器要么将客户缓存的数据无效化,要么将更新后的数据发送给客户。pCB方案可以在通信开销和访问延迟之间做出折衷,这一点对于已有的缓存访问算法很困难。除此之外,pCB方案还具有良好的通用性,可应对无线网络及其应用的天生的异构特性。本论文对pCB方案进行了理论建模。假定访问间隔时间和更新间隔时间均服从一般分布,得到了每个数据单元访问的平均通信开销和平均访问延迟的闭合解析表达式。现有的Push方案和Callback方案是pCB方案的特例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图
• 表格
• 第1章 绪论
• 1.1 移动通信里程碑与关键技术
• 1.2 个人通信网络及其业务需求
• 1.3 PCS网络的移动性建模及资源管理的国内外研究现状
• 1.3.1 蜂窝通信中信道占用时间的分布
• 1.3.2 位置管理方案的建模与开销分析
• 1.3.3 热线效应及其对移动性建模的影响
• 1.3.4 多媒体PCS网络的呼叫接入控制
• 1.3.5 PCS网络中的缓存访问算法
• 1.4 本文的研究思路、主要贡献及论文内容组织
• 第2章 基于运动量的位置管理方案的建模及开销分析
• 2.1 PCS网络中基于运动量的位置管理方案及其开销分析
• 2.2 相关的研究工作
• 2.3 符号与假设
• 2.4 基于运动量的位置管理方案的建模与开销分析
• 2.4.1 HLR位置更新开销
• 2.4.2 VLR位置更新开销
• 2.4.3 寻呼开销
• 2.4.4 基于运动量的位置管理方案的总的信令开销
• 2.5 基于运动量的位置管理方案的性能评估
• 2.5.1 参数设定
• 2.5.2 呼入呼叫到达时间间隔对的总的开销的影响
• vlr对总的开销的影响'>2.5.3 δ_vlr对总的开销的影响
• 2.5.4 小区驻留时间和LA驻留时间的方差对总的开销的影响
• 2.5.5 一般性结论
• 2.6 本章小结
• 第3章 PCS网络中热线效应对服务间隔时间的分布和终端移动建模的影响
• 3.1 PCS网络中的热线效应
• 3.2 热线效应对服务间隔时间的分布的影响
• 3.2.1 符号、定义及假定
• 3.2.2 定义1定义的服务间隔时间的分布
• 3.2.3 定义2定义的服务间隔时间的分布
• 3.3 数值分析—热线效应对服务间隔时间的影响
• 3.3.1 参数设定
• 3.3.2 服务间隔的概率分布—理论结果与仿真结果
• 3.3.3 服务间隔时间vs.呼叫到达间隔时间
• 3.3.4 呼叫到达间隔时间和呼叫持续时间的方差对服务间隔时间的影响
• 3.4 PCS网络中热线效应对终端移动建模的影响
• 3.4.1 已有研究成果回顾
• 3.4.2 考虑热线效应时的α（K）的分布
• 3.4.3 数值分析—热线效应对α（K）的分布的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 PCS网络中信道占用时间的分布及面向多媒体业务的呼叫接入控制策略
• 4.1 无线蜂窝通信中信道占用时间的分布
• 4.1.1 无线通信中的信道占用时间
• 4.1.2 信道占用时间的解析表达式
• 4.1.3 数值结果
• 4.2 面向多媒体无线网络的呼叫接入控制方案
• 4.2.1 无线网络中的呼叫接入控制
• 4.2.2 thinning方案及其性能分析
• 4.2.3 数值结果及讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 面向无线数据网络的强一致性缓存数据访问算法
• 5.1 无线网络中的缓存数据访问
• 5.2 pCB方案的工作原理
• 5.3 pCB方案的性能分析
• 5.4 性能评估
• 5.4.1 参数设定
• 5.4.2 仿真结果vs.数值结果
• 5.4.3 更新间隔和访问间隔时间的方差对pCB的性能的影响
• 5.4.4 参数p1和p0对pCB的性能的影响
• 5.5 讨论
• 5.5.1 Push方案、CB方案与pCB方案的关系
• 5.5.2 pCB方案在未来无线Internet访问中的应用前景
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 常用定理
• vlr的正确性验证'>附录B 2.4.2.5推导的n_vlr的正确性验证
• 攻读博士学位期间发表和完成的学术论文