未来无线网中经济实惠的QoS技术：理想还是现实？外文翻译资料

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未来无线网中经济实惠的QoS技术：理想还是现实？

Jens Zander

Center for Wireless Systems

Royal Institute of Technology, S-100 44 STOCKHOLM, Sweden

E-mail: Jens.Zander@radio.kth.se

摘要：未来的无线接入系统将与目前的主要是为了电话而设计的系统具有明显不同的特点和要求。这些功能包括更大的带宽，混合分组的数据导向，强烈的非对称的传输模式，和非均匀的网络架构。我们是否能够以可以负担得起的价格提供与有线网络相同的服务质量保证仍然是一个悬而未决的问题。在本文中，我们给出了未来的无线多媒体系统的一些关键问题和一些可能的解决方案的概述。

一、引言

随着新的无线系统的发展完善和代替当前的第二代无线接入系统（如GSM），可以注意到设计标准有一个明显的转变。与主要为语音通信而设计的系统相比，未来的无线通信系统将处理数据，特别是针对不同的多媒体应用。由于作为各种IT应用的一种通用的软件平台的网络和网络浏览器的巨大影响，提供互联网服务已经成为主要的设计规范来定义第三代和今后的无线接入系统。第三代广域接入系统（如UMTS，FPLMTS）目前处于标准化的过程，有可能从2002年开始部署。这样的系统能够以384 kbit/s（广域覆盖）到2Mbit/s之间（室内微蜂窝覆盖）[ 1 ][ 2 ]的空气中的数据速率提供分组和电路交换（低电平）承载服务。同时我们可以看到无线局域网的发展，其现在致力于在办公环境中提供类似的但具有更高的数据速率（如HIPERLAN II，10 Mbit／s以上）的服务。本文讨论了无线系统中可以提供何等的服务质量保证的问题。结果表明，通信的经典方法如过度供应资源和利用集群往往在高速无线接入系统中的价值有限，因为其目的是随时随地提供可以负担的其的服务。此外，我们将讨论未来的无线接入系统的一些新的独特功能，研究其对未来的无线多媒体系统的资源管理和规划策略的影响。本文概述了可供选择的可以解决上述需求的未来的无线系统的概念和架构。

二、无线通信系统中的服务质量

电信业长期以来使用服务质量（QoS）参数来定义通信服务。典型的几种统计量包括误码率，信息延迟，吞吐量和被拒绝服务的概率（如阻塞概率）。在许多情况下，一个商业服务提供的合同保证用一个或几个上述参数来表示。为了达成这些保证，当需求/传输负荷发生波动，经营者使用过度的资源。这意味着，他将提供比实际需要更多的容量（或更大的信号功率），以便处理统计的需求或网络性能的波动。高效的资源管理利用集群，即巧妙的汇聚流量和波动较少的用户需求。这反过来，允许较低程度的过度供应和更好的通信资源利用。

随着光纤技术的飞速发展，过度配置在许多无线系统中已经很少成为一个问题。在无线通信系统中，我们仍然可以看到一个很重要的问题：尽管这些系统提供的数据速率传输能力没有任何问题，但在实际情况中系统提供的数据速率是较低的。这是一个易于理解的事实：若是想要提供真正的无缝覆盖，提供数据速率的接入点（基站）的数量即成本几乎是呈线性增长的[3]。理论上，成本几乎可以遵循以下的表达式：

其中，表示接入点的数量，即基站的数量；表示用户的数量；表示用户的平均数据速率；表示的是服务覆盖的区域（或者可以说是范围内的“体积”）。表示的是需要的服务质量函数，也可以被理解为保证服务质量所需的“供应边界”。成本因素基本不受无线电技术的影响（比如空中接口）。这是由于当前的调制和信号处理技术已经十分先进，十分地接近香农限制。因此继续从根本上改善处理能力对性能的提高并不是十分明显。显而易见，移动电话用户已经习惯了在很大覆盖区域内有高质量的覆盖性能和服务可用能力（即随时随地能够进行通信），这主要是因为从无线通信技术从诞生起带宽就很低。

保持、和不变，可以清楚地看出成本是正比于用户的数据速率的。换句话说，每比特的传输成本是一样的。 正如引言中所说，未来的无线通信系统的数据速率是要高于现如今的系统的。个人通信系统的数据速率肯定是受传播条件（比如多径衰落）影响的，但最主要的制约因素其实是链路预算，也可以称之为终端功耗[3]。正如一句俗语“一张图所说胜过千言”。通常来讲，传输图片的功耗要千倍于文字。由于需要的传输功耗随着带宽线性增长，高速地无线接入会被限制在一个十分有限的范围内。后者的方式伴随着经济后果：若想满足广泛用户的带宽需求，要么在基站密集区域加大投资，要么限制只覆盖固定的区域。得出的结论就是：直接进行过度供应来提供严格的QoS保证在无线接入系统中是不可取的。

使用有效的资源管理来实现经典的中继增益和提高资源利用率到底有什么样的可能性？我们又需要克服怎样的不确定性？参照图1的无线接入系统，我们可以得到以下的两个不确定性：

1. 传输/需求波动

这显示了一个很经典的电信业务问题：某个确定的接入点（基站）拥有有限的可获得带宽，如果一次有太多的移动终端访问它，那么接入点便有可能超过所限制的带宽。如果带宽大于个人的需求，比如蜂窝电话系统，那么每个基站的总瞬时流量负荷接近其平均值并且能够实现很好的资源利用。然而，当用户所需的带宽和接入点提供的带宽相比较高时，并且需求总是在不同用户之间切换，情况便是另一种情况。为了说明这一点，我们使用UMTS/UTRA作为一个例子：在每个接入端口具有每载波大约2Mbit/s的限制，如果有几个用户需要达到384kbit/s以上的传输速率，很容易看出可服务的总用户数是非常有限的，负载变化就可能变得很重要。

上述问题可以用经典的交通理论限制来解决。但是当情况进一步复杂化，不同的接入端口的移动端在不同蜂窝区域内通过干扰进行耦合。返回到图1，当和接入端口i进行通信时，端子j仍然会受到来自接收终端m与接入端口k通信的干扰。干扰的强度不仅取决于不同交叉链路的传播特性，还受用户j的用户需求影响。更高的数据速率，更高的发射功率，那么在接入端口k处受到的干扰程度也就越大。如果用户要求体现出多媒体业务的特点，不同的高数据速率需求，干扰便相应表现出差别，而需要大的接收功率余量这反过来又导致了一资源利用率十分低。这与传统的蜂窝电话系统相矛盾的地方在于干扰也被很好地统计平均掉，这是因为系统是由许多功率相近的信号源构成的。

1. 用户位置/传输不确定性

在经典无线传输理论中未涉及的另一个难题就是用户移动性。在移动通信系统中，尽管不知道用户坐落的位置，访问服务时必须能够提供QoS保证。由于很难预测用户的移动，传播条件可能显著变化，接收的数据也会比设备指定的最大的速率低得多，甚至没有其他的用户竞争资源。终端的移动还会增加干扰的复杂度并且把干扰加入到前面章节中描述的波动。在数秒内进行几个数量级的信号-干扰波动并不常见。

1. 非合作干扰

在移动通信领域放松管制的问题有望继续。操作人员无需专有权限而使用特定频段进行频段分配已经逐渐变为一种常用的频谱管理方法，这也就是我们常说的“无照经营”。在2.4Hz和5Hz频段的无线局域网例子中，传统通信系统中的干扰在某种程度上可以被集中式地控制，但这不包括未经许可的场景情况中。

过去十年里，关于无线电资源管理的研究一直没有停止，主要集中在处理传输特别是干扰变化方面[4][5]。在“多媒体”系统中，资源管理问题主要涉及数据传输速率和时延两个方面，在微型蜂窝环境下将会表现出对平均容量的需求。当几个用户或者说是用户群体要求的QoS的指标不同时，系统很明显地暴露出一个关键的问题：不能将这些质量标准结合成一个单一的性能指标或成本函数来进行数学分析。

有效利用资源的关键就是统计平均。如果用户需要高的瞬时带宽，那么系统带宽要高于用户的数据传输速率以达到高效“中继”。频谱限制仍然是一个很显著的问题，而需求波动和干扰的问题可以通过大规模、资源集中管理来解决。因为大量的信令和由此导致的信息交换使得这种资源分配方案不成问题。

为了解决这个问题，ACTS框架项目内提供了一种方案[6][7]。这种混合方案创造了“串”的概念，一个“束”由有限数量的远程天线单元（RAU）组成，连接到功能性的中央单元。所有情报被看作信号处理的一个重要部分被放置在CU中。RAU是能够发送和接收用户信号以及执行CU（图2）发出的命令的简单的天线单元。一束可以覆盖例如一组街道、一栋建筑物甚至是一层建筑物楼层。而RAU和CU之间的相对短的距离，使得束能够高速接入网络，并且在除了极低带宽的情况下，系统也能够交换束之间的信息。CU能够记录大量关于资源分配、发射功率、路径增益的信息，并且能够根据当前的需要自主地给RAU分配资源。这促使了束中资源的有效利用。举个例子来说，在该框架项目中，使用的参数的是频率和时隙跳频。最初的性能评估中，记录了这种情况下的其他性能方面，显示在曼哈顿类型下有着很好的性能表现[7]。

三、替代基础设施的解决方案

虽然有效的资源管理可以一定程度上减轻负荷的增加和干扰的波动，但重要的问题仍未得到解决：提供一个可以随时随地服务、经济实惠的基础设施。如果能够负担得起的“多媒体”的信息交换，即以恒定或更低的成本更高的数据速率，那么一些其他的质量参数必须被重新考虑，基础建筑更低的成本也需要重新探讨。对于未来的无线系统而言，一些可以解决上面需求的替代的概念和体系结构将是必要的。在检查方程（1）时有几种可能性被提出来。其中之一是降低接入点的成本（参数c）。不幸的是，这不仅仅是等待摩尔定律能以越来越低的成本来给我们提供设备的问题。时至今日，接入点/基站的费用已经不是由电子设备来占主导地位，而是其它包括规划、部署、综合布线、住宿等在内的成本占大部分。这就意味着我们正渐渐地处于即使电子设备将是免费的，每个基站的基本费用仍不能显著降低的情况。一种解决方案是一个系统的概念，就是让那些为了能获得非常高的数据速率而进行的基础设施安装过程变得简单和方便，例如能让那些具备非常有限无线电工程知识的用户自行安装。这种系统已经开始以短程通信的无线局域网络和系统设备的形式出现，例如蓝牙。这些系统通过无节制的频率分配来运行。如果电信即使在QoS保证是显著松弛的情况下仍能提供服务，这在公式（1）中对应于降低极限差值f(Q)或者减小被覆盖的服务区域面积A。其结果将是一个分布式，异构的，临时的基础设施的“有机”增长，一个“空中的互联网”，这将是一个巨大的工程挑战[9]。

这些结构的一个关键缺点就是它们很少或没有传统意义上的QoS指标保证。关于这方面有一个有趣的建筑:“Infostation” [8]概念中说明“信息亭”是一种稀散的基础设施，靠近其时达到极高的高数据率通信是可行的。在外信息站服务区域之外，根据用户所花费的资金的不同，数据速率从至高低到中等数据传输速率都是可用的。方式主要通过给用户提供尽可能多的比特让用户尽快在小蜂窝区域内完成数据传输。这个概念可以被抽象为“低带宽，随时随地；无限带宽无处可寻”。很显然，在这种情况下，传统的实时时延很难限制服务，或者说实现成本很大。

研究的主要挑战不在于设计一个具有“随时随地互动的感觉”功能的应用，而是能够适应基础设施剧烈变化的应用程序（“无限带宽几乎无处 - 低带宽随处可见”）。通过使用所谓“内存密集型应用”的自适应软件和信息缓存技术，许多非实时应用也可以给人一种即时信息检索的错觉。

关于提出的所谓情境感知服务的想法，这样的一种方法就是服务知识的元数据添加到多媒体内容智能媒体（创建所谓的智能媒体）使移动代理作出关于通信路由、延迟、改变操作模式、持续通信的决定[10]。在斯德哥尔摩，一个这样的服务测试平台已经建立[11]。

这种系统的主要特点是，它们利用这种记忆早十分迅速地变得健壮和廉价，而其中作为一种更有效的基础设施是昂贵且需要很长的时间来构建的。换句直白的话来讲：摩尔定律适用于电子设备，而不是混凝土和天线塔。

前面我们已经讨论了未来无线多媒体通信的一些主要特点及其对质量的服务保证的影响。我们已经表明，增加带宽并且用户需求的巨大差异显著增大了所需的容量界限，并且导致极低的资源利用率​​。由于在无线系统中高带宽成本价格昂贵，过度配置是也不是一个合适的选择。高效的无线电资源管理可以减轻一些问题，如果能够拥有更高的系统带宽以及资源能够被集中利用，广域RRM方案便有可能执行。然而这样的解决方案却不能很好地适用于未经许可的系统。

作为替代方案，我们讨论了真正的低成本架构。显著放宽了QoS的要求以及提出在服务区域内构建均匀的QoS的概念。相反，在基础设施能力不足必须以应用和终端来弥补。这个概念对传统电信系统设计是一个巨大的挑战。这里的关键问题是：接入端的基础设施十分密集（价格高昂）时，应该将通信较少、价格便宜、低功耗的终端接入系统吗?或者说，终端更加复杂时，应该以终端的电池寿命和成本来接入一个快速部署的便宜的基础设施吗？

参考文献:

[1] Ojanperauml;, T, Prasad, R, “An Overview of ThirdGeneration Wireless Personal Communications: A European Perspective”, IEEE Personal Comm. Mag., Dec 1998.

[2] Prasad, R, Mohr, W, Konhauml;user,W, eds., '3rd Generation Mobile Communication Systems', Artech House, 2000.

[3] Zander, J, 'On the Cost Structure of Future Wideband Wireless Access', IEEE VTC 97, Phoenix, AZ, May 1997.

[4] Katze

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