基于排队理论的LTE网络RLC层建模研究

【摘要】互联网应用和数据业务的急剧增长推动了LTE的快速发展，工信部向移动、电信、联通发放TD-LTE牌照标志我国进入4G互联时代。在这个随时联网的时代，物物互联成为必然。M2M作为物联网炙手可热的一项应用，可以提供机器-机器、机器-人、人-机器的无线连接。StrategyAnalytics调研预测，2022年78%的M2M终端将通过3G或更快的网络连接。LTE以其优势必然赶超3G成为M2M业务的主要承载网络。据ABI预测，到2018年M2M蜂窝连接数将超过4.5亿，M2M终端数量达到亿万量级，LTE网络无线资源有限，合理的资源分配方案是保证用户QoS的有效手段。通信网络建模通过对实际网络合理抽象建立数学模型，根据理论性能指标优化方案，可以为网络资源分配提供理论依据，排队理论是通信网络建模中的一个常用理论。LTE网络RLC层存在缓存，RLC层根据MAC层指示的资源对缓存中的SDU进行分段、级联和重传，这些功能影响服务过程，进而影响系统的性能。本文基于排队理论建模RLC层，研究分段、级联和重传对系统性能的影响。RLC层发生重传的概率小，因此，本文建模中忽略了RLC层的ARQ机制，重点建模RLC层分段功能。本文针对一类带宽需求稳定的M2M业务展开研究。每个调度周期M2M业务得到的带宽资源固定，SDU以泊松过程单个到达RLC层，长度服从(0,1)分布。RLC层对SDU的服务过程相当于一个调度周期RLC层通过分段运送多少个SDU，即单位服务时间为一个调度周期，因此，服务时间服从定长分布。本文以RLC层PDU作为资源粒度，到达RLC层的SDU被切割成与PDU大小相同的分段。对于带宽需求稳定的业务，每个调度周期内，系统服务的PDU的数量固定。SDU的性能指标(平均数量和平均时延)是我们研究的重点。当剩余的RLC层PDU不足以承载一个长SDU时，分段使长SDU的一部分在一个调度周期服务，剩余部分在下一个调度周期服务，导致单位服务时间内RLC层服务的SDU的数量未知，无法获得服务SDU批量大小的分布，无法获得SDU的性能指标。为了解决该问题，本文提出了一种等效分析思想，将长SDU视为2个短SDU，这样通过等效思想将不等长SDU的性能指标研究转化为等长SDU性能的研究。等效后一个调度周期RLC层服务等长SDU的数量固定，服务过程服从固定批量的定长分布，到达过程服从批量泊松分布，批量大小服从(0,1)分布，由此，基于排队理论，RLC层分段功能抽象为排队模型M[L]/D[r]/1。SDU的时延为等长SDU的时延与额外时延之和，通过分析等长SDU产生的额外时延，获得SDU的平均时延和平均数量。M[L]/D[r]/1排队模型复杂，难以在时域求解。本文从数学的角度探索了复杂排队系统求解方法。本文推导了批量泊松到达和固定批量定长服务的概率分布在频域的特殊形式，采用概率母函数方法结合迭代技术、儒歇定理等，将复杂的时域排队模型求解问题转变为频域求解问题。M2M业务的特性(RLC层SDU的到达强度和长度分布)和MAC层指示的RLC层资源数(RLC层PDU数量)影响系统性能，仿真实验发现，对于一个RLC层SDU的到达强度和长度分布，存在一个RLC层PDU数量使RLC层SDU的平均数量和时延最小。排队模型的求解方法直接影响系统性能指标评价的准确性。所以本文利用概率母函数方法、最大熵方法和矩阵几何解方法求解了D-ON-OFF/Geo/1和D-ON-OFF/Geo/1/N排队模型。根据理论推导评价了三种方法的复杂性，通过与仿真模型性能指标对比，评价了三种方法的准确性，为RLC层分段模型的求解奠定了数学基础。
【作者】刘丹；
【导师】迟学芬；
【作者基本信息】吉林大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】LTE；排队理论；RLC层分段；概率母函数方法；最大熵理论；M2M；性能分析；

【参考文献】
[1]曾艳军.移动通信中电波传播特性研究及传播模型校正与应用[D].浙江工业大学,2003.
[2]毛翔.社区住户管理系统设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[3]杨文哲,何大方,暴宁钟.高质量石墨烯的制备和表征[A].中国化工学会.2013中国化工学会年会论文集[C].中国化工学会:,2013:1.
[4]王志恒,杨庆华,钱少明,鲍官军,张立彬.气动柔性灵巧手输出力控制技术[J].农业机械学报,2012,10:207-214.
[5]肖勇军.基于COM的聚驱综合调整系统的研究与实现[D].大庆石油学院,计算机应用技术,2004,硕士.
[6]王征.电视财经节目舆论引导机制研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[7]严锐.中国银行湖南省分行IT员工职业生涯管理研究[D].湖南大学,工商管理,2013,硕士.
[8]孟令熙.教师流动及其管理对策研究[D].曲阜师范大学,教育经济与管理,2004,硕士.
[9]黄朝军.建行吉林省分行电子银行业务经营管理研究[D].吉林大学,工商管理,2014,硕士.
[10]陈思瑶.重金属Cr和Pb污染对Q345钢土壤腐蚀行为规律的影响[D].内蒙古科技大学,金属材料腐蚀,2014,硕士.
[11]记者曾雯璐.多重利好送沪指重上2200点创业板继续大涨创反弹新高[N].上海证券报,2013-05-04005.
[12]吉学林.高分辨率地震资料处理方法研究及其在松辽盆地北部的应用[J].石油地球物理勘探,1997,S2:83-98+189.
[13]李虹岑.金色果蝇复合种系统发育与CG33465、CG8399、CG8841的时空表达及功能初探[D].湖北大学,遗传学,2012,硕士.
[14]吴成威.基于融合聚类的SAR溢油图像分类研究及应用[D].大连海事大学,软件工程,2013,硕士.
[15]耿兆瑞.发展测试技术,提高采掘机械研制和维修水平[J].煤炭科学技术.1982(11)
[16]叶万欣.中国汽车经销商4S店销售模式研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[17]张俊玲.工程投资项目风险分析及评价研究[D].河北工业大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[18]王成章,尹宝才,孙艳丰,胡永利.改进的基于形变模型的三维人脸建模方法[J].自动化学报,2007,03:232-239.
[19]陈丹蕾.基于雷达差分干涉测量与断层自动剖分方法的地震震源参数反演[D].西南交通大学,摄影测量与遥感,2014,硕士.
[20]田文敬.现代信息技术与中医特色研究[J].中国中医药信息杂志,2005,08:90-91.
[21]高志伟.基于价值链的家具企业竞争力评价体系研究[D].石家庄经济学院,企业管理,2012,硕士.
[22]陈瑶.电子商务信息流优化设计[D].吉林大学,情报学,2004,硕士.
[23]慕春棣.对控制教育的挑战IFAC第四次控制教育研讨会(ACE’97)综述[J].自动化学报,1998,02:143-145.
[24]孙超.基于双动两案教学模式的《旅游地理》学案设计[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[25]李静燕.基于MDA的构件开发方法的研究[D].河海大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[26]解铭铭.基于生态知觉理论的办公设施界面设计研究[D].南昌大学,设计艺术学（专业学位）,2013,硕士.
[27]吴昊.中国省际社会保障水平综合评价[D].南京财经大学,劳动经济学,2012,硕士.
[28]罗佳佳.塞因塞用法对模型大鼠结肠P物质、Cajal间质细胞的影响及对老年功能性便秘的临床观察[D].成都中医药大学,中医内科学,2012,硕士.
[29]王秦林.现代陶艺创作中“鱼”的艺术研究[D].景德镇陶瓷学院,美术学,2014,硕士.
[30]刘霞.汽车驾驶模拟器体感装置的结构设计与优化技术研究[D].南京航空航天大学,航空宇航制造工程,2013,硕士.
[31]张田.增强时域有限差分方法及其在色散薄层介质石墨烯中的应用[D].浙江大学,2014.
[32]张向琳.试论瞿秋白党报活动和党报思想[D].河北经贸大学,新闻学,2012,硕士.
[33]王敏.固相萃取技术和高效液相色谱串联质谱联用在茶叶中农药残留检测中的应用[D].安徽大学,分析化学,2013,硕士.
[34]段晓艳.研究型大学技术转移组织的运行机制与政策研究[D].南京大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[35]李宇.北京市养老保险隐性债务规模测算及政策模拟[D].首都经济贸易大学,统计学,2013,硕士.
[36]王明国.64D型继电半自动闭塞的改进[J].铁道通信信号.2001(03)
[37]王冠文.基于WCDMA的电视直播系统设计[D].山东大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[38]贾玉杰.风化过程中元素行为及其对地球化学异常识别的意义[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.
[39]龙来寿.从冶锌工业废渣中综合回收镓、铟、锗的研究[D].广东工业大学,应用化学,2004,硕士.
[40]杜琦.字体在平面设计中的情感表达[D].西北师范大学,艺术学,2014,硕士.
[41]沈建斌.中国货币政策行业效应研究[D].复旦大学,金融学,2012,硕士.
[42]赵静.内蒙古电力公司市场营销策略研究[D].华北电力大学（河北）,技术经济及管理,2004,硕士.
[43]李晓瑞.《梼杌闲评》专题研究[D].鲁东大学,中国古典文献学,2014,硕士.
[44]张惠莲.90年代以来韩中女性成长小说比较研究[D].辽宁大学,文艺学,2014,博士.
[45]房世超.燃料电池用聚芳醚类阴离子交换膜的制备及性能研究[D].南京理工大学,环境工程,2013,硕士.
[46]李生虎1,安锐1,许志峰2,董王朝1.混合风电场中PMSG协助感应发电机低电压穿越[J].电力自动化设备,2015,02:.
[47]陈竟博.基于颜色特征的计算机辅助舌诊分类模型[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[48]陈虹波.论索尼娅·桑切斯的自然化诗歌[D].华中师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[49]赵日晖.锅炉燃烧系统智能控制的研究[D].华北电力大学（河北）,热能工程,2004,硕士.
[50]李拓.基于智能芯片的电池管理系统的实现[D].南京邮电大学,集成电路工程（专业学位）,2013,硕士.