外文翻譯--可靠的umts地面接入網(wǎng)的設(shè)計 中文版

1、<p>　　譯文 ： 可靠的UMTS地面接入網(wǎng)的設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在不久的將來，UMTS在電信市場中必將扮演非常重要的角色。因為能夠提供廣泛的服務(wù)以及可增加的無傳輸容量，UMTS將是接入網(wǎng)的最重要的3G制式之一。有提議UMTS采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但由于網(wǎng)絡(luò)需要傳輸數(shù)目巨大的通信量，因此要求UMT

2、S的地面接入網(wǎng)絡(luò)采用更加可靠的結(jié)構(gòu)。在這篇文章中，我們將介紹兩種算法以解決上述問題，同時我們將設(shè)計在故障的情況下?lián)碛凶畹偷耐ㄐ帕繐p耗的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中一種算法是通過改變樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來解決這個問題的，另一種算法則是通過增加額外的鏈路來擴展網(wǎng)絡(luò)。在本文我們也將闡述如何在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)好提煉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和擴充網(wǎng)絡(luò)的兩者關(guān)系，我們的結(jié)論都通過詳細(xì)的測試的證實。</p><p><b>　　簡介</b&g

3、t;</p><p>　　現(xiàn)在，我們可以明顯的發(fā)現(xiàn)UMTS將是不久將來電信市場中的基礎(chǔ)。因為UMTS需要提供多種類型的服務(wù)，特別是強調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和擴充無線傳輸?shù)娜萘康囊饬x,所以迅速發(fā)展的UMTS有個新的特征，即基于服務(wù)。由于數(shù)據(jù)通信的比例不斷增加；UMTS的地面接入網(wǎng)是一個非常復(fù)雜和高容量的系統(tǒng)。</p><p>　　UMTS無線接入網(wǎng)可分成兩個網(wǎng)絡(luò)元素：無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）和無線基站（

4、RBS）如圖1所示。在此網(wǎng)絡(luò)中，RNC可有環(huán)形或網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，RNC要負(fù)責(zé)管理與RBS相連的無線信道，并匯聚或轉(zhuǎn)接來自RBS的通信至高一網(wǎng)絡(luò)——核心網(wǎng)。RBS的任務(wù)則是管理屬于它本身的無線信道和向前傳送來自其它的RBS的通信業(yè)務(wù)。因此，RBS可以通過直接方式或級聯(lián)方式與專用RNC相連。在目前已發(fā)表的UMTS系統(tǒng)中，RBS并不具有路由功能，因此它們之間的通信業(yè)務(wù)必須通過專用RNC向上傳輸。</p><p>　　在

5、最近的UMTS相關(guān)的研究活動中，尋找構(gòu)建一個最佳的接入網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法是最重要的任務(wù)之一。因為移動市場是充滿競爭的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能是一個很重要的問題。因為它將決定網(wǎng)絡(luò)的長期性能和服務(wù)質(zhì)量，基于當(dāng)前存在的GSM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個最基本的方法是建立接入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來作為一系列RNC的接入源，但受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制。這種受限來自于設(shè)備的技術(shù)限制，雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，但大量使用RBS和RNC以及技術(shù)限制（例如：嚴(yán)格的非線形衰落功能）使得這類網(wǎng)絡(luò)設(shè)計困難

6、。</p><p>　　如果考慮到RBS的數(shù)量及位置，則出現(xiàn)以下兩種類型的問題：</p><p>　　多個RNC的問題。此時主要任務(wù)有兩點：一方面我們必須確定所需的RNC的數(shù)量及位置；另一方面，我們必須為每個RNC構(gòu)建相應(yīng)的RBS的樹形拓?fù)洹?lt;/p><p>　　單個RNC的問題。此時我們的任務(wù)就是為預(yù)先確定的RNC尋找一種最佳的RBS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p>

7、<p>　　如果不考慮樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單性及成本的低廉，它有一個非常致命的弱點：對任何種類的故障都十分敏感。這點非常重要，因為一個簡單的故障也可能引起嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失，同時導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重退化。盡管故障發(fā)生的機率很小，但它們?nèi)孕枰唤鉀Q。因此具有容錯能力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)必需的。由于大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互聯(lián)系的，無論是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)的拓?fù)涠际呛懿唤?jīng)濟的。</p><p>　　這就激發(fā)我們?nèi)ト绾卧O(shè)計一種

8、具有可接受的費用，同時滿足平均通信量損失低于一個特定值的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　本文在假定樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且僅有唯一故障的前提下，介紹一種方法以分兩階段來減化網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計的問題。</p><p>　　這第一階段，我們將在考慮網(wǎng)絡(luò)的可靠性的前提下設(shè)計一種RBS的結(jié)構(gòu)。此時我們將計算在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下預(yù)期出現(xiàn)的通信量損失，并利用該值來計算實際運行中的附加費用。因此網(wǎng)絡(luò)的總費用（在最理想的情況

9、下）將是正常使用的費用加上通信量損失時網(wǎng)絡(luò)的費用之和。而且上述兩種費用的比例可用來評價通信量損失的等級。通過對附加費用的分析，可以很好地標(biāo)志在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)費用與可靠性之間協(xié)調(diào)關(guān)系。</p><p>　　第二階段，我們將在網(wǎng)絡(luò)中加入新的鏈路以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。這種方案為我們提供了更加有效的保護策略，因為此時我們擁有更多可選擇的信道來回避那些易出現(xiàn)故障的敏感區(qū)域。</p><p><b

10、>　　問題介紹</b></p><p>　　就如前面講述的，我們的目標(biāo)就是在充分考慮了給出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抑制力、通信業(yè)務(wù)的要求以及期望的可靠性情況下，尋找一種接入專用RNC的最小費用的RBS子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。下面我們將分別介紹網(wǎng)絡(luò)、成本、可靠性三種模式。</p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)模式</b></p><p>　　我們假定RBS

11、和RNC給出的信號都已取得進展（如全球定位、通信需求、收費參數(shù)等），則有另外以下兩種重要抑制著網(wǎng)絡(luò)設(shè)計發(fā)展的技術(shù)需要被考慮。</p><p>　　級聯(lián)的抑制指示了RNC和RBS之間最大數(shù)目的聯(lián)結(jié)點。換句話說，級聯(lián)的抑制是限制了RBS最高等級，即在主要網(wǎng)絡(luò)中RBS與RNC之間最短信道的長度的最大因素。</p><p>　　RBS復(fù)接的抑制指示了低級的RBS直接與上一級的RBS相連最大數(shù)目的。

12、它限制了 出和入的鏈路數(shù)（即它限制了節(jié)點的輸入與輸出的總量）。</p><p>　　我們必須認(rèn)識到當(dāng)前的使得復(fù)接的抑制成為比較次要的限制因素。雖然它也可能對可靠性有著重要的影響。例如，如果我們有十分強烈的可靠性期望值，則需要有較強的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，此時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則需要高復(fù)接能力。</p><p><b>　　可靠性模式</b></p><p>　

13、　在可靠性模式下，網(wǎng)絡(luò)被分為三個元素（如圖2所示），并且每個部分都需要一個有效的參數(shù)。</p><p>　　在設(shè)備及其分界面上，這個參數(shù)取決于數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，在鏈路中，這個值由另兩個參量決定，即長度和位置。在有線鏈路中，我們通過環(huán)路長度以及每年每公里出現(xiàn)中斷次數(shù)來計算網(wǎng)絡(luò)的有效性。另一方面，在微波鏈路中，我們使用位置參量——含有一些特定的因素例如嚴(yán)重的暴風(fēng)雪發(fā)生的概率，來確定（網(wǎng)絡(luò)）有效性。同樣，對鏈路

14、的有效性有著影響的中繼站的數(shù)目也需要通過長度和位置兩個參數(shù)來確定。</p><p>　　在RNC和RBS之間我們可以定義一些信道,而每個信道都可以通過上述的幾個元素來構(gòu)成。一個信道的有效性同樣可以通過它的幾個元素的有效性的乘積來計算。每個RBS可以有多個信道（即默認(rèn)信道和備選信道），同時RBS的有效性也是由屬于它的這些信道的有效性之和。這個值（RBS的有效性取值，譯者注）可以通過采用文獻[8]中的公式。</

15、p><p>　　但是，RBS的有效性并不是最好的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因為，即使在有效性值相同的情況下，基于兩個RBS的通信情況可以是完全不同的，它們的重要性也是不同的。因此我們采用通信量丟失參量L=（1-A）*T來判斷，其中A是有效性值，T是基于給出的RBS的通行量。</p><p>　　在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，L的平均值往往大于理論上的最低值Lmin，即在星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的平均通信量丟失值。</p>

16、;<p><b>　　成本模式</b></p><p>　　在我們所用的成本模式中，網(wǎng)絡(luò)的總體成本結(jié)構(gòu)包括：RNC成本，RBS設(shè)備，以及鏈路成本。</p><p>　　在我們的模式中，可以允許有線的（網(wǎng)線，光纖，銅線）和無線的（微波）相互連接。鏈路成本包含獨立容量部分和非獨立容量部分。傳輸鏈路的獨立容量部分成本包括鏈路傳送增加的子成本和兩個終結(jié)點之間因重

17、傳需要所耗費的子成本。另一方面，傳輸鏈路中，非獨立容量的部分的成本主要是為了增加逐步功能和分段功能。我們的模式中采用了這兩個步驟。</p><p>　　RBS和RNC的鏈接成本主要有以下幾個子成本：</p><p>　　屬于本RBS的端口的數(shù)量的費用。它是由逐步功能和基于正被討論的與此RBS相連的其他RBS的數(shù)量決定的。</p><p>　　端口的非獨立容量部分的費

18、用。這個成本的也包括逐步功能和當(dāng)前端口所要求的必需容量的費用。</p><p>　　設(shè)備費用包括安裝費用和必需的次級設(shè)備的投資費用，如：處理器，儀器甲板等等。這個費用可以通過計算經(jīng)過當(dāng)前的設(shè)備以及正在使用的物理端口的通信量總和來得到。</p><p>　　除了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成本外，我們還定義了第二種網(wǎng)絡(luò)成本，用于描述網(wǎng)絡(luò)的可靠性。因此我們又稱之為處罰成本，由Cpen表示。在接入網(wǎng)的設(shè)計過程中，

19、考慮到網(wǎng)絡(luò)可靠性費用時很有可能將處罰成本也計算在內(nèi)。</p><p>　　為了計算Cpen，我們先要計算處罰數(shù)值w。如果我們限定了平均通信量損失Llim，使用一個適當(dāng)?shù)姆椒ň涂梢员硎久總€RBS的不可靠性。通過累加功能數(shù)值，就可以得到w，用來表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可靠性與期望網(wǎng)絡(luò)可靠性的差距。在我們的例子中，使用了簡單的函數(shù)表示，如圖3。</p><p>　　為了將w轉(zhuǎn)換成處罰成本，我們需要通過以下兩

20、個步驟來實現(xiàn)：</p><p>　　首先我們將w標(biāo)準(zhǔn)規(guī)一化，使其值為[0，1]之間。我們用0表示通信量損失低于每個RBS期望值Llim的情況，用1則表示通信量損失為迄今為止最壞的情況。</p><p>　　其次我們將規(guī)一化的w值代入到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成本大小的公式中。這樣我們就容易定義它在最后的最佳方案的成本中所占的比率。</p><p>　　處罰性樹形算法（PTA）<

21、;/p><p>　　在定義了適當(dāng)?shù)拈_銷函數(shù)后，我們草擬了一個被稱作“精致樹形”的算法，描繪了我們UMTS無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法的第一個階段。</p><p>　　這個算法包括了如下輸入：</p><p>　　1、RBSs和RNC的位置以及通信量需求。</p><p>　　2、樹的重疊深度和每一級廣度限制以及通信損失期望值L l i m</p>

22、;<p>　　3、設(shè)備、接口和鏈路的可用函數(shù)。</p><p>　　這個算法的輸出是一個綜合了所要求的由假定的拓?fù)浼s束和通信量需求定義的必要條件最小開銷的樹型拓?fù)洹?lt;/p><p>　　我們的設(shè)計方法在這一階段關(guān)鍵步驟是在保持基本結(jié)構(gòu)沒有冗余鏈路的情況下修改樹型拓?fù)?。在[4]我們曾在未慎重考慮的前提下提出過一個算法：在相同的條件下建立一個最合算的（幾乎是理想的）級數(shù)和水平都被

23、限制的樹型拓?fù)洹?lt;/p><p>　　簡要地說，這個算法有兩個主要的重復(fù)步驟：</p><p>　　首先：確定樹型結(jié)構(gòu)中位于RNC下第一水平層的RBSs。</p><p>　　第二：將剩余的RBSs連接到“第一水平層”RBSs下以組成一個最佳的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄩ_銷最小的）</p><p>　　基于meta-heuristic的方法被稱為Simula

24、ted Annealing（見[10]），這個算法周期性地重新分配第一水平層RBSs并在每個重復(fù)過程中重建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。是否接受當(dāng)前構(gòu)造是基于該構(gòu)造的開銷。</p><p>　　在這種情況下我們采用了相同的算法，但在每個步驟中我們估算虛擬和物理線性組合而成的構(gòu)造的總開銷以及(1)中給出與通信損失相關(guān)的開銷</p><p>　　Ctotal = ??Cpen + (1 – ??)Ctop

25、 (1)</p><p>　　通過調(diào)整?的數(shù)值，我們可以使運算法關(guān)注更高的可靠性。值得注意的是，在較低的相關(guān)值的情況下，所要求的通信損失（L l i m）不能達(dá)到所要求的值，因為Cpen在最理想的總的開銷總所占的比例少。另一方面，在較高的可靠性需求的情況下，具有冗余鏈路的開放性網(wǎng)絡(luò)將比目前所使用的“精致樹形”具有更高的效率。</p><p><b>　　增加可靠性的算法</

26、b></p><p>　　現(xiàn)在我們將提出通過插入額外的鏈路的方法來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性的運算法則。當(dāng)輸入時，我們需要考慮Llim的限制以及整個樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的損耗總和。當(dāng)輸出時，我們將盡力尋找一種保證平均通信損耗值低于Llim的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　在定義算法之前，我們先介紹一下我們假設(shè)的最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)：</p><p>　　首先，我們假定一個信號出錯的

27、情況，即在某個時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)僅有一個錯誤發(fā)生。</p><p>　　其次，我們指定任意一個RBS的備用信道最多只比默認(rèn)的RBS信道多繞一個節(jié)點。</p><p>　　第三，我們假定接入網(wǎng)的一些RBS的級別低于我們的級別限制。（另外，無法創(chuàng)造新的鏈路）。</p><p>　　第四，我們規(guī)定除了在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的時候，最新接入網(wǎng)絡(luò)的備用鏈路不傳送任何通信。</p>

28、<p>　　這些假設(shè)將會簡化我們在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中問題的復(fù)雜性。例如，假設(shè)僅有一個信號發(fā)生錯誤使得（網(wǎng)絡(luò)）可以共享備用信道，就像圖4所示。</p><p>　　如果我們想保護由RBS i和RBS j發(fā)起的通信，則我們需要在這兩者之間建立新的連接，同時我們又得為此增加新的備用鏈路。在僅有一個信號發(fā)生錯誤的前提下，一旦RBS i和RBS j的默認(rèn)鏈路出現(xiàn)脫節(jié)，則這些鏈路中在這段時間內(nèi)僅有一條無法工作。著就是為

29、什么在設(shè)計RBS i和RBS j的鏈路時我們只考慮兩個基站中可能出現(xiàn)的最大通信量，而不是兩者通信量之和。</p><p>　　接下來我們將介紹用于增加備用信道時的兩種算法。</p><p>　　迫切可靠性增加法（GRE）</p><p>　　第一種方法，我們在假設(shè)第一級RBS對故障最敏感的條件下建立了一個非常簡單的算法。我們將兩個一級的RBS直接連接起來，同時我們在

30、如圖4所示的精確的相同的方法下為其分配備用信道。當(dāng)我們需要連接一對RBS時，先簡單地估算RBS間的距離，然后我們選擇距離最小的一對連接起來，然后再尋找剩余的RBS中距離最小的相連，這樣的過程一直持續(xù)下去。這種方法很快，但不是很有效。此外，當(dāng)?shù)谝患塕BS的數(shù)量有限時，這個算法的提高（網(wǎng)絡(luò)的）可靠性的能力受到限制，所以我們只簡單介紹這個算法。</p><p>　　可靠性隨機增加法（RRE）</p>&l

31、t;p>　　此時我們將使用隨機化的方法來解決前面的問題（參加備用信道，譯者注）。我們分為以下幾個步驟來進行：</p><p>　　通過參照參數(shù)Llim，我們將違反了通信量損失限制的一組RBS分離開來。</p><p>　　我們將從上一步RBS中選出一個，并用隨機函數(shù)來表示通信量的損失。而且通信量損失越大的RBS越有可能被選中。</p><p>　　在聯(lián)合考慮了

32、開銷和可靠性的前提下，使用一種確定的方法為上步所選的RBS選擇另一個適當(dāng)?shù)泥徑黂BS，并在這兩個RBS之間插入新的鏈路將它們連接在一起。通過上述選擇適當(dāng)?shù)泥徑黂BS，我們可以得到簡單的估價值，如公式（2）所計算：</p><p>　　rate = ????C + ??(1 – ??A) + ??L (2)</p><p>　　式中??C 和 ??A 分別是我們新增加的鏈路的

33、成本和有效性的開銷，L則是這兩個RBS默認(rèn)路由的長度。??, ???和??固定參數(shù)，是前面三個變量的比例系數(shù)。</p><p>　　對于鄰近RBS，在必要時我們可以增加它的默認(rèn)路由的通信容量。因為一旦出現(xiàn)故障，這條路由需要能夠處理重發(fā)的通信業(yè)務(wù)。</p><p>　　最后，我們要記錄為被保護的RBS的新增備用信道，以及由它所屬的所有子RBS。（注釋：如果默認(rèn)路由是從j到i的話，RBS j就

34、是RBS i的子RBS。）</p><p>　　我們一直重復(fù)上述步驟，直到我們發(fā)現(xiàn)任意第一步中選出的RBS無須再進行保護為止。</p><p>　　在圖5中，我們展示了在簡單的只有6個RBS的網(wǎng)絡(luò)中我們算法的各個步驟。如圖所示，我們第一階段先將RBS b、e和c分離，認(rèn)為這些RBS對故障是最敏感的。并且挑選RBS e為第一個被保護（我們是隨機選取的），而RBS d則是唯一符合我們條件的鄰近

35、RBS。然后，我們增加一條新鏈路（步驟二），并根據(jù)新的需要，我們增加了d和f之間鏈路的容量。第三步，我們?yōu)镽BS e及未被保護的子RBS b、c分配備用信道。下一個步驟（4a），我們將重新計算每個RBS的可靠性，并且我們發(fā)現(xiàn)RBS b仍然是違反了通信量損失限制?，F(xiàn)在我們擁有兩個RBS（a和d）可以與RBS b增加新的鏈路，通過步驟2的估算，我們選擇RBS a。在加入新的鏈路之后，我們根據(jù)需要把RBS a默認(rèn)信道的容量。由于RBS b有兩

36、條備用信道（一個是經(jīng)過RBS a，另一個是經(jīng)過RBS d）在鏈路d到f之間有公用段，因此，現(xiàn)在我們不必要再次增加信道d到f的容量了。</p><p>　　我們需要記錄所有新增加鏈路的容量之和，也就是由端點發(fā)起的被稱為需要被保護的通信量。對一個RBS而言，這個值就是該點的未被保護的子網(wǎng)絡(luò)的通信量總和。所以，如果我們交換插入鏈路（e，d）和（b，a）的順序，則鏈路（e，d）只需要較低的容量，那么RBS b將只有一條備

37、用信道（階段4）</p><p>　　這就是采用隨機選擇的原因，在第二種情況下我們可得到更低花銷的解決方法。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在這篇文章中，我們介紹了UMTS可靠接入網(wǎng)的設(shè)計方法。在基于模擬技術(shù)以及樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們引進了兩種新的分析方法，使得網(wǎng)絡(luò)達(dá)到所要求的可靠性等級。在我們的第一個算法（PT

38、A）中，我們改良了最原始的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計算法，即我們在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的第一步時就將網(wǎng)絡(luò)的可靠性放入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須考慮的選項之一。因此，在PTA中，我們只是在保證網(wǎng)絡(luò)的樹形結(jié)構(gòu)的前提下改良了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在第二個算法（RRE）中，我們?yōu)榱吮Ｗo現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中對故障最敏感的部分（RBS，譯者注），而將網(wǎng)絡(luò)擴展。</p><p>　　我們發(fā)現(xiàn)，在對網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求不是很高時，只使用PTA就很有效率了；而如果要求較高的可靠性時，我

39、們則需要采用擴展的方法。實驗中，如果我們對網(wǎng)絡(luò)的損耗要求可達(dá)到為原始網(wǎng)絡(luò)的通信量損耗值的80%時，PTA將起作用。</p><p>　　而且，我們發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)PTA最佳優(yōu)化之前的等級（?）將影響RRE的效率，同時我們介紹了?是采用PTA和RRE對網(wǎng)絡(luò)進行最理想設(shè)計的方案的聯(lián)系點。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文