基于WiMAX網絡的接入數據模型研究

夏 瑾

（沈陽理工大學裝備工程學院 遼寧·沈陽 110159）

0 引言

WiMAX具有相對簡單和開放的協議標準，可以為高速數據應用提供更好的移動性，并能提供不同體制業務數據的訪問，以支持不同的系統和業務需求。因此，對WiMAX網絡接入技術的研究已成為無線通信領域的一個熱點問題。然而，WiMAX網絡的廣泛無線覆蓋將導致運營商之間的帶寬競爭。為了降低投資成本，方便管理和維護，運營商經常在IP網絡上提供各種服務(如VOIP、流媒體和FTP)，不同的服務有不同的接入特性。在WiMAX網絡的幀封裝中，接入特性直接影響協議數據單元和剩余協議數據單元的分布，進而影響各業務的服務質量(吞吐量、丟包率、時延等)。WiMAX網絡中用戶的服務質量滿意度是運營商提高用戶體驗、吸引用戶群和進行業務宣傳的重要指標。因此，根據網絡接入數據的特點建立接入數據模型是保證運營商建立一個可擴展的、開放的WiMAX接入平臺以滿足業務服務質量的關鍵。

本文通過分析全IP通信網絡和WiMAX網絡的寬帶接入技術的特點，研究了WiMAX網絡的拓撲結構。根據網絡業務的接入數據特性，建立了WiMAX網絡接入數據模型，為網絡帶寬優化和網絡服務質量預測提供了理論支持。仿真結果驗證了接入數據模型的正確性。

圖1：WiMAX網絡接入終端的拓撲結構

1 WiMAX網絡的拓撲結構

隨著無線通信技術的發展，移動業務不僅包括簡單的語音和短消息業務，還包括對帶寬要求較高的業務，如圖像、視頻和電話會議，互聯網服務也需要隨時隨地與智能終端相連接。未來的通信網絡將發展成為一個具有多業務、多平臺、多終端的大規模、復雜的全IP通信網絡。每個用戶終端將通過相應的接入平臺連接到IP核心網。移動通信網絡與IP技術的融合促進了無線寬帶接入技術的快速發展。隨著WiMAX網絡中數據業務的不斷增長、多媒體業務的逐步普及以及無線移動與互聯網的結合，無線接入技術正朝著大容量、大覆蓋、高速移動的方向發展。為了擴大覆蓋范圍和增加容量，WiMAX網絡的MAC層正在積極地從點對多點業務模式向多點對多點業務模式轉變。WiMAX網絡接入終端的多點到多點拓撲結構如圖1所示。

在WiMAX網絡接入終端的多點到多點拓撲結構中，許多基站以網絡方式連接。其中一個連接到核心網絡。該服務不再局限于基站和用戶站之間的傳輸，還可以在多個用戶站之間進行路由或在兩個用戶站之間直接進行交換。網絡接入數據具有復雜的特點，WiMAX網絡協議規定了IP核心網和移動終端的訪問數據如何在網絡中進行分類、封裝、調度和傳輸。根據WiMAX網絡接入終端的拓撲結構和協議特點，導致接入IP核心網的數據和服務質量要求復雜多樣。在WiMAX網絡中，不同的用戶使用不同的協議產生不同形式的數據，其最終的傳輸實體，如指令、語音、圖像、視頻和其他服務，也呈現不同的帶寬要求。此外，WiMAX網絡協議支持五種業務類型。五種業務數據的分發速率、分組長度和傳輸速率是不同的。業務數據的集成、分解和整形將導致同一幀中包含多個業務數據，從而導致WiMAX網絡所承載業務帶寬需求的復雜性。也就是說，WiMAX網絡的一個重要特點是包含大量的接入服務，不同的服務通過WiMAX網絡各層的協議功能后，有不同的帶寬請求。基站中所有業務的總數據流量常常超過基站可以傳輸的帶寬。因此，必須有一個合理的接入數據模型來保證帶寬資源的合理分配。

2 WIMAX網絡接入數據模型

根據WiMAX網絡接入終端的拓撲結構和接入數據的特點，可以看出相關數據接入過程{N(t)，t≥0}是一個強度為 (t)的泊松過程，數據包的隨機到達時間為強度為 (t)的泊松流。{N(t)，t≥0}是一個具有時間依賴性的獨立增量過程。換句話說，分組序列到達IP核心網的時間（數據接入時間）的統計特征可以用一個廣義的非齊次泊松過程來描述。將i包到達IP核心網的時間[t0,t)，其概率表示為

令Tw為生成一個MACPUD的等待時間。MACPUD生成時間(T)的平均值是

然而，網絡中也有一些自相似的訪問數據流。接入終端的業務通過 WiMAX網絡中多個 PDUs進行封裝。特別是VOIP業務和互聯網業務的數據流量具有明顯的自相似性。為此，根據網絡接入服務的特點和流量的自相似性，結合基于Pareto重尾分布的自相似流量ON-OFF模型，提出了如下接入數據模型：

（1）數據訪問過程遵循ON-OFF多源疊加過程。建立K個獨立的數據源(M(k),k=1,...,K)。數據源在ON周期內發送數據，在OFF周期內停止發送數據。K個獨立數據包在發送狀態和空閑狀態下隨機到達，并被疊加。

（2）ON周期的持續時間也服從Pareto分布。在ON周期中，接入數據包服從廣義非齊次泊松無記憶分布。假設ON周期內，接入數據的平均到達強度為 在一個MACPUD生成過程中為常數。接入數據長度服從均值為L的隨機分布。

（3）nT時間內，接入數據包數為

3 接入數據模型的仿真分析

基于建立的接入數據模型，對MAC PDU的生成過程進行仿真，計算T的平均值E[T]。仿真參數設置如下：接入數據的長度平均值L=10字節，MAC PDU的長度LM=100字節。在不同的數據接入速率()下，理論結果與仿真結果如圖2所示。

圖2：MAC PDU生成時間的平均值E[T]

由圖2可以看出，理論結果和仿真結果能夠很好的吻合。隨著等待時間的增加，MACPDU平均生成時間逐漸趨于穩定值。顯然，本文設計的接入數據模型能很好地描述 WiMAX網絡的接入過程。仿真結果驗證了接入數據模型的正確性。

4 結論

接入數據的特性對未來WiMAX的通信能力有很大的影響，優化 MAC PDU的生成對獲得高服務質量至關重要。因此，本文在研究了WiMAX網絡拓撲結構的基礎上，建立了WiMAX網絡接入數據模型，并通過仿真驗證了接入數據模型的正確性。本文設計的接入數據模型可以為優化MAC PDU帶寬和提前預測網絡服務質量提供了理論支持。