基于WiMAX网络的接入数据模型研究

夏 瑾

（沈阳理工大学装备工程学院 辽宁·沈阳 110159）

0 引言

WiMAX具有相对简单和开放的协议标准，可以为高速数据应用提供更好的移动性，并能提供不同体制业务数据的访问，以支持不同的系统和业务需求。因此，对WiMAX网络接入技术的研究已成为无线通信领域的一个热点问题。然而，WiMAX网络的广泛无线覆盖将导致运营商之间的带宽竞争。为了降低投资成本，方便管理和维护，运营商经常在IP网络上提供各种服务(如VOIP、流媒体和FTP)，不同的服务有不同的接入特性。在WiMAX网络的帧封装中，接入特性直接影响协议数据单元和剩余协议数据单元的分布，进而影响各业务的服务质量(吞吐量、丢包率、时延等)。WiMAX网络中用户的服务质量满意度是运营商提高用户体验、吸引用户群和进行业务宣传的重要指标。因此，根据网络接入数据的特点建立接入数据模型是保证运营商建立一个可扩展的、开放的WiMAX接入平台以满足业务服务质量的关键。

本文通过分析全IP通信网络和WiMAX网络的宽带接入技术的特点，研究了WiMAX网络的拓扑结构。根据网络业务的接入数据特性，建立了WiMAX网络接入数据模型，为网络带宽优化和网络服务质量预测提供了理论支持。仿真结果验证了接入数据模型的正确性。

图1：WiMAX网络接入终端的拓扑结构

1 WiMAX网络的拓扑结构

随着无线通信技术的发展，移动业务不仅包括简单的语音和短消息业务，还包括对带宽要求较高的业务，如图像、视频和电话会议，互联网服务也需要随时随地与智能终端相连接。未来的通信网络将发展成为一个具有多业务、多平台、多终端的大规模、复杂的全IP通信网络。每个用户终端将通过相应的接入平台连接到IP核心网。移动通信网络与IP技术的融合促进了无线宽带接入技术的快速发展。随着WiMAX网络中数据业务的不断增长、多媒体业务的逐步普及以及无线移动与互联网的结合，无线接入技术正朝着大容量、大覆盖、高速移动的方向发展。为了扩大覆盖范围和增加容量，WiMAX网络的MAC层正在积极地从点对多点业务模式向多点对多点业务模式转变。WiMAX网络接入终端的多点到多点拓扑结构如图1所示。

在WiMAX网络接入终端的多点到多点拓扑结构中，许多基站以网络方式连接。其中一个连接到核心网络。该服务不再局限于基站和用户站之间的传输，还可以在多个用户站之间进行路由或在两个用户站之间直接进行交换。网络接入数据具有复杂的特点，WiMAX网络协议规定了IP核心网和移动终端的访问数据如何在网络中进行分类、封装、调度和传输。根据WiMAX网络接入终端的拓扑结构和协议特点，导致接入IP核心网的数据和服务质量要求复杂多样。在WiMAX网络中，不同的用户使用不同的协议产生不同形式的数据，其最终的传输实体，如指令、语音、图像、视频和其他服务，也呈现不同的带宽要求。此外，WiMAX网络协议支持五种业务类型。五种业务数据的分发速率、分组长度和传输速率是不同的。业务数据的集成、分解和整形将导致同一帧中包含多个业务数据，从而导致WiMAX网络所承载业务带宽需求的复杂性。也就是说，WiMAX网络的一个重要特点是包含大量的接入服务，不同的服务通过WiMAX网络各层的协议功能后，有不同的带宽请求。基站中所有业务的总数据流量常常超过基站可以传输的带宽。因此，必须有一个合理的接入数据模型来保证带宽资源的合理分配。

2 WIMAX网络接入数据模型

根据WiMAX网络接入终端的拓扑结构和接入数据的特点，可以看出相关数据接入过程{N(t)，t≥0}是一个强度为 (t)的泊松过程，数据包的随机到达时间为强度为 (t)的泊松流。{N(t)，t≥0}是一个具有时间依赖性的独立增量过程。换句话说，分组序列到达IP核心网的时间（数据接入时间）的统计特征可以用一个广义的非齐次泊松过程来描述。将i包到达IP核心网的时间[t0,t)，其概率表示为

令Tw为生成一个MACPUD的等待时间。MACPUD生成时间(T)的平均值是

然而，网络中也有一些自相似的访问数据流。接入终端的业务通过 WiMAX网络中多个 PDUs进行封装。特别是VOIP业务和互联网业务的数据流量具有明显的自相似性。为此，根据网络接入服务的特点和流量的自相似性，结合基于Pareto重尾分布的自相似流量ON-OFF模型，提出了如下接入数据模型：

（1）数据访问过程遵循ON-OFF多源叠加过程。建立K个独立的数据源(M(k),k=1,...,K)。数据源在ON周期内发送数据，在OFF周期内停止发送数据。K个独立数据包在发送状态和空闲状态下随机到达，并被叠加。

（2）ON周期的持续时间也服从Pareto分布。在ON周期中，接入数据包服从广义非齐次泊松无记忆分布。假设ON周期内，接入数据的平均到达强度为 在一个MACPUD生成过程中为常数。接入数据长度服从均值为L的随机分布。

（3）nT时间内，接入数据包数为

3 接入数据模型的仿真分析

基于建立的接入数据模型，对MAC PDU的生成过程进行仿真，计算T的平均值E[T]。仿真参数设置如下：接入数据的长度平均值L=10字节，MAC PDU的长度LM=100字节。在不同的数据接入速率()下，理论结果与仿真结果如图2所示。

图2：MAC PDU生成时间的平均值E[T]

由图2可以看出，理论结果和仿真结果能够很好的吻合。随着等待时间的增加，MACPDU平均生成时间逐渐趋于稳定值。显然，本文设计的接入数据模型能很好地描述 WiMAX网络的接入过程。仿真结果验证了接入数据模型的正确性。

4 结论

接入数据的特性对未来WiMAX的通信能力有很大的影响，优化 MAC PDU的生成对获得高服务质量至关重要。因此，本文在研究了WiMAX网络拓扑结构的基础上，建立了WiMAX网络接入数据模型，并通过仿真验证了接入数据模型的正确性。本文设计的接入数据模型可以为优化MAC PDU带宽和提前预测网络服务质量提供了理论支持。