建模和性能分析的混合细胞和广播网络

文摘

移动通信服务变得越来越重要,特别是多媒体服务吸引了用户的利益。移动电视是最要求的候选人之一。需要强大、高效的通信系统,提供高的能力,特别是在下行。此外,互动是至关重要的支持用户需求和扩展服务。作为一个可能的解决方案来满足所提到的要求,我们认为手机网络的结合UMTS移动广播网络dvb - h,构成一种混合网络。我们研究混合网络的性能和开发一个系统模型,描述了混合网络和负载两个网络间切换。的一个贡献是开关的定义绑定的概念,代表一个有效的工具来评估的必要性和可行性混合网络和负荷开关的数量。性能指标细胞负荷和等级的服务是通过理论分析和现实的场景。

1。介绍

随着第三代移动网络的引入通用移动通信系统(UMTS),更高的数据速率已经成为可能,各种服务已经增加,相比以前的蜂窝网络等通用分组无线业务(GPRS)。除了传统的服务,如语音电话和短信、多媒体服务和高数据速率已经成为可能,被用户接受。提供的新服务,例如,视频电话、网络数据通信,和流媒体服务,使高下行能力和高效的网络。

当前可用的终端配有多个接收器,允许接收的数据从不同的网络,如UMTS和dvb - h。这些类型的终端和混合网络可能提供的下行信道广播dvb - h可以非常有效地为许多用户同时提供高数据率的服务。

dvb - h技术是基于地面数字电视系统优质的,在许多国家已成功地引入了(1,2]。信号已经取得了更健壮的为了使移动接收与高速度和移动环境中,例如,应对多路径信号。额外的错误保护计划已经包含在链路层,称为多协议封装前向纠错(MPE-FEC) [3]。此外,时间切片的概念引入了在终端方面,为节能服务传播在时间槽和接收机前端可以同时关闭。此外,时间切片方法使软交接和优化回归算法(4),在单频网络和本地内容区域(5]。根据调制和编码方案,使用信道带宽,总共下行数据约6 - 10 Mbps的速度可以达到。个人用户数据速率取决于时间切片设置和通常设置为100 - 400 kbps。

当前部署的UMTS手机系统标准化的第三代合作伙伴计划(3 gpp)和利用宽带码分多址(w - cdma)技术。所有的用户都是在一个共同的频率与5 MHz带宽和由正交码。网络容量和覆盖范围受到干扰,必须仔细计划。网络部署在一个细胞结构,是密集的城市环境和更大的细胞发生在人口密集地区。移动终端分配给一个或多个细胞,Node-Bs建立的。不同的不记名服务可用于一个电路或分组交换模式,因此不同类型的用户服务,如语音电话、上网、多媒体流和文件下载。

组合和双方的合作网络类型启用了IP Datacast标准,已指定在国际DVB项目(6]。它定义了更高的层次,形成一个互联网协议(IP)的端到端系统为基础,结合dvb - h规范作为物理层(7]。除了广播下游,IP Datacast参考体系结构定义了一个可选的与一个交互式的蜂窝网络,这是使用,例如,对于服务请求。的混合网络,连接到移动网络的定义是一个强制性的特点。

两种网络类型的组合有几个优点。一方面,受欢迎的内容,由几个用户请求的同时,可以从UMTS转向一个广播传播更有效的交付。UMTS网络可以卸载,以避免细胞过载或减少整体细胞力量和注液电池干扰。另一方面,广播服务是增强的上行信道和新特性是可行的,如按需服务。

混合网络不存在了。但在这个阶段,部署和操作是可能的,因为完全标准化,目前部署网络UMTS和dvb - h, IP Datacast标准,和负载平衡算法,例如,提议在8)存在。然而,有效的模型仍然需要混合网络规划和网络性能的分析

我们提出一个性能模型、性能标准和约束在混合网络负载开关,叫做绑定概念的转换。显示的性能是通过应用不同区段的负荷开关的理论和现实的场景。

本文的结构如下。节2定义服务和场景,这被认为是对我们的分析。部分3描述了个人网络UMTS和dvb - h模型。节4混合网络模型派生,网络性能评估和切换边界定义。节5,仿真结果显示通过一个实际的网络情况。

2。定义服务和场景

正如上面提到的,几种类型的服务通过UMTS,和8个不同类型总结(9]。定义的服务集包括语音和视频电话、网络浏览和电子邮件、基于位置的服务,短/多媒体按摩服务,文件下载和流式多媒体。它假定,这些服务,即文件下载和多媒体流都适合通过网络类型,UMTS和dvb - h。这个子集的服务,表示、负载切换可以通过转移应用UMTS网络广播的传播。在本文中,我们专注于流媒体的多媒体服务,平均流数据128 kbps。已经发现这个服务生成一个细胞负荷,更高的贡献相比,文件下载服务。其他六个服务被称为细胞,一直由UMTS网络。

除了定义服务的特点和需求,提出了几个场景(10),其中包含参考网络架构与参考网站,天线配置,和预测信号的传播损耗。此外,现实的用户提供的交通需求强度地图,它描述服务请求率的空间分布。

我们选择柏林公共参考场景的调查,这是公开在[11]。图1显示选中的UMTS网站和用户流强度多媒体服务区域为整个场景。的一个子集48网站已经从参考的情况下,选择的角度方位和仰角并没有被修改。然而,新的信号预测地图与更复杂的传播模型,计算了基于[12]。

3所示。建模UMTS和dvb - h网络

UMTS网络是一个双向的网络,这是计划为上行和下行。一般来说,下行的部分是更重要的,由于更高的交通需求,造成的不对称服务。下行的混合网络是有益的,如果额外的容量和广播网络的梳理能力得到了有效利用。假设所有用户连接到UMTS网络上行,不管下行交付的方式。因此,负荷开关不影响上行和传统模型可以应用。因此,我们关注的是下行的建模部分。

3.1。建模的UMTS下行

一个高效的UMTS网络评估模型提出了在13]和[详细描述14]。我们评估这个模型在本节中,因为它是发展混合动力模型的基础网络。UMTS模型描述了服务需求,生成的用户负载,晶格内的干扰,干扰细胞之间的耦合,这是由注液电池干扰引起的。它提供了一个有效的评估必要的传输能量的移动终端和Node-Bs通过求解一个线性方程系统,叫做干扰耦合系统。

该模型可用于与快照使用蒙特卡罗模拟分析。几个细节可以使用这种方法来实现,因此,它为大量的快照生成准确的结果。但它是计算昂贵。提出了一个更有效的方法(15和更多的详细描述14),它使用预期值为用户需求,而不是个人用户。因此,它取代了计算昂贵的快照方法平均对当前网络负载。结果的准确性的缺点是有些下降,一些细节不模仿,例如,不同的速度。

在这项工作中,这两种方法都被认为是。首先,混合网络的下行是建模和负载切换显示的主要行为通过预期的方法。网络模拟中执行部分5,一个现实的网络和快照方法应用。

确定细胞加载和细胞之间的耦合,移动终端分配给由服务器Node-Bs最好的方法,而细胞被选中时,它提供了最有力的飞行员(CPICH)信号。最好的服务器区域的细胞是由使用导频信道功率和端到端通道增益从天线位置,主要包括天线传播损失和收益。

每个服务需要一个特定的carrier-to-interference-and-noise比(CINR)目标,表示,包括处理增益的选择不记名服务和所需的目标(13]。不记名使用用的活动和正交性损耗系数的位置用。信号的正交性在一定程度上失去了由于多径传播效应,因此,晶格内部造成干扰。造成负载的服务在位置通过计算 细胞的干扰耦合方法定义了耦合因素(2)如预期值,形成interference-coupling下行矩阵。的参数代表了用户的服务在位置:

所有细胞的耦合系统可以写成 与所需的平均能量克服噪音在一个非干扰细胞。所有常见的恒功率值渠道包括导频信道的总结。的参数表示细胞的平均传输能量为了满足所有用户和克服噪声和干扰。

由此产生的功率值不得超过最大可行的权力。为了避免造成细胞重载交通需求和干扰,高的比例因子提出了在14]。它用于耦合矩阵的规模为了减少交通需求/细胞和其他细胞的耦合。这种方法假设完美的负载控制与应用的准确下调细胞负载。比例因子代表了级的服务(GoS);即一部分交通相比提供了交通在细胞,定义了细胞的阻塞概率。在[14)一个迭代过程被定义来估计参数和为每一个细胞。干扰耦合概念假设完美的功率控制,使每个用户精确地分配必要的权力。

网络规划的另一个度量的质量是平均other-to-own干扰,它描述了总注液电池干扰细胞(4)。请注意,这个定义是除以平均正交性损失(例如,城市环境)为了与传统定义,例如,在[13]: 在[14),所谓的极点方程定义了计算所需的平均传输能量(5)和等级的服务(6)每个细胞与给定other-to-own干扰。我们使用了符号表示手机网络,因为我们也定义了标准的广播和混合网络:

传输功率和非政府组织形成一个互补系统。增加传输能量,直到交通荷载可以提供服务或达到最大功率。额外的交通负载被阻塞,减少细胞的繁殖率。在这工作,解决网络过载的替代概念描述(16不考虑。

GoS整个UMTS网络提供估计的加权求和,考虑到交通负荷: 每个单元中的传输能量的利用率与下行测量细胞负载。它被定义为必要的下行传输能量的比率相比,总的可用最大力量:。

3.2。广播网络的建模

UMTS网络相比,所需的广播网络系统容量是独立的实际数量的用户。必要的能力取决于不同的内容项的数量,所要求的用户(17]。

要求不同的内容有不同的概率;也就是说,有些项目相比更受欢迎。一个常见的描述中定义的Zipf-distribution流行的(8)。详细分析和测量和描述的18]。

一个用户请求对应项的概率被定义为 的参数代表了内容提供商提供的物品和数量是受欢迎的形状参数分布。的一个值,所有项目的请求均匀分布。增加的价值,人气越来越集中于特定的项目。

如上所述,我们认为混合的流媒体的多媒体服务交付,而一些请求流切换到广播网络。流是一个实时服务以来,广播能力之间共享所有切换流并行传输。每个流都需要一个常数的数据率为了保证足够的服务质量(QoS)。

我们定义广播细胞负载在(9),这取决于流交付的数量和容量,留给可切换的服务。如果超过一个,广播细胞是超载,有些流必须阻塞和相应的用户不能提供: 流的最大数量,可以并行,计算与在所需的平均数据速率的流媒体服务。

4所示。建模的混合网络

在混合动力系统中,服务的交付之间可以交换两个网络的下行,UMTS和dvb - h。整体网络性能可以优化与正确应用负载切换。

负荷开关在混合网络建模通过指定的流量,也就是从UMTS网络广播网络。相比大大扩展,将交通不会丢失,但由广播系统。因此,UMTS网络是卸载,提高整体的服务质量。

首先,必须分为细胞提供交通服务的需求和可切换的服务(见部分2)。自耦合矩阵是由总结用户对每个服务的需求,这个矩阵可以分为细胞和混合部分。中的所有元素可以计算通过使用矩阵(2)和适当的服务和。

我们定义负载共享参数,它指定的部分细胞(nonswitchable)交通负载。为,可以把整个交通广播网络和负载,不存在可切换的交通负荷。比例参数依赖于位置。约43%的平均价值评估的面积发生柏林参考场景通过考虑多媒体流服务负载切换。这意味着,大约57%的流量可用于卸载UMTS网络。

4.1。负荷开关的定义

交通负载估计的分数,实际上是需要切换到广播网络的成功卸载UMTS网络。例如,一个典型的目标标准网络规划是实现细胞阻断率为2%或更少,这对应于。

我们定义转换参数,这是用来控制的流量负载,两个网络之间的切换。的值表明,所有请求可切换的服务切换到广播网络。例如,所有dvb - h网络提供流媒体服务。于是,我们定义作为新UMTS网络耦合系数 它已被证明在8),这些服务项目是有利于优化混合网络,导致高负载的UMTS网络。到达率和所需的资源(即。,data rate) has been taken as a measure to define the switching order. In this work, we assume equal data rates for all streams and therefore, the item request rate is directly proportional to its popularity. Thus, we assume that the most popular items are switched first.

如前所述,两个网络可以被描述为不同的方案,用户和内容的依赖。为了估计广播细胞负荷,我们必须改变外加负载开关与开关参数相应数量的流,必须交付的广播网络。这个分数对应于最受欢迎的项目。因此,我们寻找最低,满足。换句话说,低流行物品必须由UMTS网络。因此,之间的关系和可以被定义为 另一方面,估计对于一个给定的流要切换,可以描述的。

在图2流的数量显示,广播系统,提供根据、形状参数。将项目总数。可以看出,,所有项目都有相同的受欢迎程度,因此,增加了更多的广播流量的线性。对于一个增加更高的流量对应的分数,更受欢迎的项目。广播技术可以结合用户请求到相应的高。因此,对于相同的,广播网络加载的更高的价值。

4.2。切换边界的定义

根据系统参数和交通需求,转换的可能范围可能有限,如果细胞的负载值和必须保证。我们引入切换绑定的概念,定义了一个前往分别为每个网络。为了应用合理的负荷开关在一个混合网络中,广播网络应该定义低和UMTS网络的上界。切换边界表明应用混合网络的必要性和可行性。很明显,如果没有绑定设置的UMTS网络,不需要卸载。

4.2.1。准备广播界

绑定定义参数的广播网络和流媒体服务。由于广播能力是有限的,并行剧增流的数量也是有限的。如果广播细胞加载中定义(9)= 1,流的最大数量是达到了。广播界通过计算 因此,取决于播放能力服务数据率,流行分布,和。

图3显示根据形状参数和广播细胞能力。物品的数量设置为和平均流数据率。很明显,对于广播数据速率更高,更多的流量可以切换到广播网络减少和限制较少。更甚至流行分布(较小的值),会增加由于更高的各种各样的请求流,因此,更高的广播能力的需求。一个非常大的价值人气,对应于一个非常小的项目数量,极值的一个项目。因此,所有的请求都可以交付的广播网络。为,可以为所有项目的广播网络,因此并从广播网络方面不存在任何限制。容量太小,不能传输流,广播界为任何值等于1。

4.2.2。手机绑定

手机绑定描述了最低要求卸货的细胞通过切换广播网络流媒体服务,直到GoS的目标是达到了。在这项工作中,我们使用。一旦细胞能够处理的数量提供交通,进一步卸载收益率减少所需的传输能量。为了估计,我们使用(6),和和转换: 很明显,一个解决方案仅是可能的,如果可切换的交通存在于细胞中,所以。如果所有的服务都可切换的()和GoS目标设置为一个绑定就等于神仙。

在下面,我们调查理论场景的一个细胞,影响周围的细胞,也就是说,平均other-to-own干扰,被认为是常数。曲线在图4描述了手机绑定。不同的细胞加载显示绑定根据负载共享参数。为,没有混合交通存在和无载开关可以应用。为,所有的服务都可以通过网络类型。这种情况下显示了限制较少的约束值,因为没有细胞背景交通的存在。

在这个例子中,假定以下参数:,,,。如果需要切换,没有交通,因为没有卸载应用QoS的目标已经实现。阈值在我们的案例中。这个阈值可以计算通过使用(6),。因此,所有的值被设置为一个吗,较低或等于阈值。

一般来说,可以看出更高的细胞负荷减少,因为细胞需要卸载的越来越多。高流量负载,可切换的交通需要的比例高,低的值,以足够的负载切换申请成功卸载细胞。

4.2.3。讨论切换边界

我们定义了两个边界负载开关,这取决于提供交通、负载共享,以及广播和UMTS网络的参数,分别。整个广播广播界是有效的细胞。每个UMTS细胞定义单个绑定,根据当前加载、等级的服务,和细胞参数。

为了成功应用卸载混合网络广播需要低于细胞绑定,绑定。所有UMTS细胞,它是由一个广播细胞和考虑混合模式,需要评估。因此,最低的必须考虑,如果质量目标必须达成。然而,网络规划策略和评估适当的细胞是超出了本文的范围。

如果没有定义广播界,必要的广播数据率可以确定。估计的切换参数基于评估的UMTS细胞。它定义了必要的广播网络的容量,可以估计的数量流传输(11)。通过总结所需的数据的所有项目转向广播可以计算必要的广播数据速率。

4.3。在混合网络级服务

广播网络的服务质量可以被定义在两个方面,一个内容——或者一个基于用户的描述。基于用户的定义已经被选择,由于兼容性原因手机网络,为了一个共同的非政府组织估计混合网络。据估计通过评估阻塞流的概率。

如果,广播网络的容量是不够的传输交换内容和用户必须屏蔽。不是服务流的概率

因此广播网络的服务等级计算。很明显,,没有阻塞发生。

为了评估等级的服务混合网络,繁殖率参数和需要的总和。方程(15)描述的交通服务的比例混合网络相比,总提供交通。这一比率转化为加权项;而权重描述细胞和可调流量的比例: 为,总交通必须由UMTS网络传播,因此,。如果,UMTS网络由所有可切换的流量卸载,但这交通部分损失是由于一个重载的广播网络。GoS的广播网络的结果。GoS的UMTS网络可以计算(6)使用和。

4.4。性能分析

一个细胞被认为是与固定的干扰周围的细胞。这个经过简化的场景中使用,以显示网络性能指标的基本行为细胞负载(和)和服务等级(,,)。

图5显示了这些性能指标。在这个例子中,部分的参数4.2和已使用以下参数:,,,,,。

使用的参数值的绑定值和。广播细胞的细胞负荷增加而减少直到到达广播界。造成的非均匀步骤不同的内容声望值。UMTS细胞负荷减少而卸载手机绑定之外,必要的传输能量较低造成的。

服务等级显示网络类型和混合的组合。高的值的曲线和由于类似一个小的贡献广播与少量的一部分流量切换到广播网络。显著提高非政府组织的存在,如果该最初病例()比较与应用卸载(混合网络相比)。

在描述的情况下,一个宽的操作范围显示实现足够的神仙。从网络规划的角度来看,应用一个是不可取的,因为整个神仙下降非常快,由于高影响力的重载广播网络(见(15))。

5。模拟现实场景

在本节中,性能指标的行为非政府组织和细胞加载显示通过一个现实的场景。在显示的例子中,假设广播细胞面积覆盖整个场景。例如,这可以保证重用dvb - h的优质的发射器,一个真正的发射机是可用在柏林的场景。

如前所述,快照方法被使用以达到准确的结果的性能指标。快照方法已经实现,考虑到室内和室外用户,与空间相关性和信号跟踪。我们有数量足够大的快照和测试执行t置信区间(19,Ch。4)为了实现传输能量的平均值和非政府组织范围内的在预期值99%的信心。

5.1。仿真结果

对于网络场景,描述的参数被用作部分4.4。UMTS网络细胞卸载,如果内容从UMTS网络广播网络。服务等级增加,传输能量显著降低。

图6显示了非政府组织的经验累积分布网络中所有细胞。每个曲线代表一个切换值从0到0.1步骤和广播界。可以看出,低价值的大大增加。满载的网络()约31%的细胞繁殖率的目标。卸货的细胞约55%,大约89%的细胞达到目标阈值。虚线代表的情况下,广播网络超载。

为了估计,UMTS细胞受益于负载切换、GoS增益定义为卸载细胞的比例满载情况下。图7显示了增益值,基于细胞结构最好的服务器。这些细胞发生高增益,高流量需求存在(比较图1)。细胞的增加等于1,卸货没有必要因为低流量负载。最高约75%的涨幅大大增加可以看到在一些选定的细胞,有利于大多数使用混合模式。

我们使用(7),以便计算整个网络的服务质量。网络规划服务的品位或更高版本。在图8混合网络的性能。GoS的UMTS网络增加卸货,但不符合对于一个卸货到 。UMTS绑定不是因为描述率高的是实现。自最大总GoS发生与。

如果细胞卸载和非政府组织达到目标,进一步卸载会导致减少必要的传输功率单元。在图9,功率降低增益显示每个细胞中。最大限度的减少增益为1.45。可以看出细胞繁殖率高的增益不显示功率增益,由于非政府组织的目标没有达到,因此仍然是其最大的力量。互补的神仙也可以看到在这种情况下。

6。结论

我们提出了一个系统和性能模型的混合网络,是由蜂窝网络的UMTS和移动网络广播dvb - h。开发模型是基于现有的UMTS网络的干扰耦合模型,这增强了负载切换的概念。此外,广播系统模型。两个网络性能指标细胞加载和等级的服务定义(GoS);而非政府组织参数作为混合网络的主要性能标准。

基于开发模型和非政府组织的定义,切换绑定的概念已经被提出,它定义范围分别为每个网络负载切换。他们确定阈值的必要卸载的UMTS网络和广播网络的最大装载为了实现非政府组织的目标。这些边界是用来评估的条件合理负载切换和定义混合网络的必要性和可行性。负荷开关的影响分析了流媒体的多媒体服务的理论和现实的场景。我们展示了细胞负荷,的行为级的服务,和适当的增益值基于细胞和整个网络。结果表明,混合网络可以应用于卸载UMTS网络和多媒体服务非常有效。

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