论文研究-无线协同中继网络中自相似业务性能分析与研究 .pdf

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无线协同中继网络中自相似业务性能分析与研究,李丽,肖静,大量研究表明实际网络业务流量通常表现出长相关和自相似特性,这给网络传输性能和流量控制带来了新的挑战。基于无线协同中继网络
国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 放大转发方式 根据AF协议内容,在放人转发方式下,系统端到端信道容量为刁 )=g fr-yb(t)c(t) 921+7m10(b)+m0(1+7)+(3) 其中a()=h3(t)2b()={hsr(t)2c(t)={hra(1)2分别为在第帧时,源端和目的端、源端 和中迷端,以及中继端与日的端之间的信道增益,hsd(t)sr{t和hra(相应节点间信道冲 击响应 解码转发传输方式 在解码转发方式下,根据己有研究得到系统端到端的信道容量大小为: CDF(t)=2log2 1+isda(t)+I(Cer(t)>Fract (4) 么次中是示性函数,当事件Q发生,这里表示中继能够正确接收源节点发送的数据时, (O=1,否则I(O1=0;7为单位频带内解码所要求的传输速率;Csr()为源节点与中继节 点之间的信道容量,即 r(t)=号log2[+7s() 网络跨层性能分析 业务到达过程 泊松到达过程 传统的业务模型在描述实际网终业务时建立了以泊松过程为上的数据描述模型。令A代 表源端在第内上层到达的业务包数,平均到达速率为A,则每一帧内的平均到达速率为 MTf,月到达过程娘定,与服务过程相互独立,则每一帧的到达过程有 P(A4=)=Dex=Mm,k∈0,1,2.…,x}(6 其中随机变量A是非负整数,且At∈{0,1,2,…∞} 到达过程 norros提出的分形布朗运动模型具有同貞实网终业务沇类似的特性,其长相关性只使 用三个参数表示网络数据流的特性,即 (t)=mt+√amZA(t),t∈{0,1 其中4(t代表到第累积到达的业务流量,m为业务的平均到达速率,则每一帧内的 平均到达速率为m7/,a是方差系数,H∈[,1是自相似参数,z4(1)为具有零均值,方差为 Var(zA(t)=t的标准分形布朗运动,那么在时间间隔(s,t内,到达的业务量为 18,t)=A(t)-4(8) 队列分析 由于无线信道的动态变化,假设每帧内以网络所能达到的最大互信息传输,则服务速 率可以表示为C:=C(tl,上表示向下取整。根据文献队长尾分布和丢失概率分别表示如 P(Q>X)-Jin NE=I(Qk.>X),(8) ∑(Q-1+4kCkB)+ PL Bi=liI E[Ok Ck-B 3 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 无限缓存队长尾分布 对于发送端无限缓存资源,以队列长度尾分布作为研究网终性能的QoS指标。根据定 义的队列中数据的到达和离开过程,在系统第λ个传输帧结束时,源端缓存中的队列长度可 以表示如下 Qk=(Qk-1+Ak-Ck )+ (10) 则队列长度的尾分布是在时间上的平均,如公式(8)所示。 有限缓存丢包分布 对于发送端有限缓存资源时,以包丢失慨率作为研究网络性能的QoS指标。根据定义 的队列中数椐的到达和离开过稈,在系统第λ个传输帧结朿时,源端丢失数据包数和队列长 度可以表示如下 Lk={(k-1+Ak1-Ck)++A2-B} (k=min{(k-1+A1-Ch)++Ak2,B},(12) 其中Ak1,Ak分别表示第帧第忖隙和第二时隙内到达的数据包数,数据包丢失概率 表示如卜: Pr(B)=lir k (13 Nx∑A 仿真结果与分析 在仿真中应用快速傅立叶变换生成HBM自相似业务流,同时采用泊松过程生成泊松业 务流,并保证汇松业务流和FBM业务流的平均到达速率相等。在硏究分析过程中,关注的 是FBM业务和泊松业务的网络性能差异,故不考虑信噪比的影响,设系统各链路的平均信 噪比为2dB。为保证队列系统满足稳态条件,设置仿真参数如下:平均到达速率为50数据 包/秒,帧长为2s,系统带宽100Hz 图2DT&AF&DF三种传输方式下的队列长度尾分布 图2是采用不同的传输模式(DT、AF、DF)刑时,无限缓存队列长度的尾分布随自相似系 数的变化趋势图。对于队列长度尾分布的研究,如不同缓存大小尾分布随自相似系数的变化 存在状态转折点,这一点我们已做饼究,在这里不再重复述。从图中可以明显地得出,方 差系数为30时,分形布朗业务流输入时的队列长度呈现很长的拖尾现象,且自相似值越大, 拖尾现象越严重;三种传输方式下,无自相似性的业务即自相似系数为0.5时,业务的排队 性能最优,但泊松业务与之相差不大;自相似系数值越大,FBM业务对网络性能影响越大, 与泊松业务对网络性能的影晌相差也越大。然而当FBM业务流的方差系数比较小(如a=1) 时,即使 Hurst参数足够大,与传统业务到达(如泊松过程)相比其自相似性的影响也是不明 显的。这是因为泊松到达过稈具有无记忆性,而FBM则具有长相关忙。因此,传统的泊松 业务与自相似分形布朗运动ψ务到达过程相比,泊松业务对网络性能的影响较小,两者的性 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 能差异主要由业务自身参数来决定,这里特指自相似系数和方差大小。般而言,在相同平 均到达速率的条件下,自相似业务对网络的性能影响要大于泊松业务,但是当方差系数很小 时,自相似系数的影响不明显,因此两种业务的网终性能差异不大。 图3是在有限缓存情况下,DT、AF、DF三种传输方式随着缓存大小变化时的丢包率 分布(图中右上方的小图表示较小方差系数n=1的情况)。总的来说对于泊松业务和FBM业 务包丢失概率随缓有区长度的增加而降低,这与实际情况相符:随肴缓存区增大,则初始阶 段丢包率降低,但当缓冇增大到一定程度后,丟包率基本稳定,且 Hurst值載大,现象截明 显;对于自相似业务,不能指望通过增大 buffer来降低丢包率,而应该采用增大传输速率的 方式来降低丢包率。 图3也反噢了两种业务流对网络性能的影响,在中继协同网络中对网络性能的影响主要 是由衣征业务特性的自身参数所决定,即 Hurst参数值和方差大小。特别地,当平均到达速 率相同时,方差系数m决定了这两种业务流对网络的性能差异大小,当方差系数比较大时, 自相似系数的影响才得以显现,因此FBM业务流输入下的性能比泊松业务的网络性能要更 差,并且自相似系数越大,性能差异越大;而当方差系数较小时(如ρ=1),两种业务流 的网络性能基本相同,自相似参数对网终性能影响不明显;同时不同的传输方式不会改变两 种业务流的性能优劣,仅扩大或者缩小了差早的大小。从仿真结果来看,当缓存大小为1000, FBM业务流的方差系数=30,自相似参数F=0.75,采用直接传输时,FBM业务流比泊松 业务流丢包率增加了22.93%,采用放大转发AF传输时,前者比后者增加了62.11%,而采 用解码转发DF传输时,前者则比后者增加了75.68%;当相冋的自相似参数,但FBM业务 的方差系数=1时,在DT、AF和DF这三种传输方式下,FBM业务流输入比泊松业务沇 输入时的丢包率分别增加了0.12%,0.34%,0.43% 为了更加充分地说明与传统泊松业务输入相比,FBM业务流对网络性能的影响,图4 给出了在相同的平均业务到达速率和有限缓存大小下,两种业务流的丢包率随方差和自相似 系数值的三维变化趋势图。更加充分地说明了FBM业务流输入下的丢包率与泊松业务流相 比,前者性能更差;同时网络性能与方差系数和自相似参数值有关,但方差系数对网络性能 的影响起着决定的作用,方差系数越大,性能越差,且与传统的短相关业务如泊松业务的性 能差异越大。 结束语 本文基于无线协同中继网终,针对发送端有限缓存和无限缓存的两种情況下,通过采用 不同的传输方式,充分分析并比较了自相似业务和传统泊松ν务对系统性能的影响。硏究表 明自相似业务流对网络性能的影响不仅体现在自相似系数( Hurst)上,而且受业务流的方差影 响更大;在相同的平均业务到达速率条件下,当业务流的方差系数较大时,业务的自相似性 ( Hurst值)越强则业务流对网络的影响史显著;而当业务流的方差系数较小时,无论自相 似业务的自相似性如何,其对网络性能的影响与传统泊松业务相比,均差别不大。因此,目 前多数有关自相似业务对网络性能的饼究集中在 Hurst参数的影响上是不全面且不合丑的, 需要在评估自相似业务流对网络性能影响及设计面向业务沇的系统资源分配硏究中,综合考 虑业务自相似性和业务方差对业务队列性能的影响。 国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图3不同方差系数和自相似参数时的丢包概率 参考文献 1 W.E. Leland, M.S. Taqqu, W. Willinger, et al. On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic (Extended Version)[Cl, "IEEE/ACM Trans on Networking, vol 2, no. 1, pp 1-15, Feb 1994 2]I Norros, A storage model with self-similar input, Queueing ystems, no 16, pp387-396, 1994 [3] I. Norros, On the use of fractional Brownian motion in the theory of connectionless network [] " IEEE ournal on Selected Areas in Communication, vol 13, no6, pp. 953-962, 1995 ] X. Jin, G. Min, Qos Analysis of Queuing Systems with Self-Similar Traffic and Heavy Tailed Packet Sizes, "in the procceding ofICC. Beijing, pp. 100-104, May. 2008 [5]X Jin, G Min, S.R. Vclcntzas, An Analytical Qucuing Modcl for Long Range Dependent Arrivals and Variable Service Capacity, "in the proccedings of ICC. pp 230-234, May. 2008 16].N. Laneman, D.N.C. Tse, Gi w. Wornell Cooperative diversity in wireless networks: effecient protocols and outage behavior "IEEE Trans. Information. Theory, vo1.50, pp. 062-3080, Dec. 2004 [7 S. Chen, w. Wang, X. Zhang, "Ergodic and Outage Capacity Analysis of Cooperative Diversity Systems under Rayleigh Fading Channel, " in Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Communications(ICC09), 2009 [8]H. S. Kim, N. Shroff, Loss probability calculations and asymptotic analysis for finitc buffer multiplexers, IEEE/ACM Trans. Networking, vol. 9, pp. 755-767, Dec. 2001

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