基于网络演算的通信系统建模理论及特性研究

The shortcoming of parallel-server system model in network calculus theory causes inconvenience to the performance analysis of a network with multiple parallel channels. From the theoretical viewpoint, the most challenging points include, the properties of every single server consist of multiple factors and randomness, and when they work in a parallel mode, the coupling and interconnectivity between multiple servers further increase the difficulty of modeling and analysis. This project will derive the mathematical description for the aggregated parallel-server system's property, on the basis of min-plus algebra, virtual time function analysis and other models, together with consideration of scheduling mechanisms and key factors of each server. After establishing theoretical models, typical parallel-server scenarios in main stream communication systems will be relied on to derive its properties through model abstract and parameter mapping. Further with the input traffic model, the quality of service guarantee provided to different traffic will be analyzed. In addition, operation data collected from practically deployed networks will be relied on to validate the aforementioned theoretical outcomes.

网络演算理论中对并联服务器模型研究的欠缺，为分析具有多个并行信道的网络性能带来了不便。从理论角度来说，推导并联服务器服务模型的难点在于，各并联服务器自身特性本就包含多元性和随机性，当它们并联时，服务器之间的相互耦合和关联进一步增加了建模和分析的难度。本项目拟基于最小加代数、虚拟时间函数分析法等数学模型，结合调度算法、各服务器性能等核心因素，推导并联服务器系统整体服务特性的数学描述。在理论基础完善后，选取当今主流通信系统中的典型并联服务器场景，经过模型提取、参数映射，推导系统特性的理论分析结果。再进一步结合输入系统的业务流模型，分析系统能够为不同的业务提供服务质量保证的情况。此外，采自实际部署网络的运营数据也将用于对上述理论结果进行匹配验证。

随着通信技术的发展，现代通信网络的业务特性和系统服务特性均呈现多样化，导致通信系统的建模也趋向复杂化。排队论作为一项经典理论在通信网络的发展过程中起到了至关重要的作用。然而，在如今业务和系统特性多样化的通信系统中，基于排队论的分析复杂度越来越高，甚至不再适用。基于此，排队论的演进理论-网络演算-得到了越来越广泛的应用。本项目着眼于利用网络演算理论建立通用模型和提供性能分析的一般方法，结合实际场景，获得理论与应用两方面的结论与指导。. 本项目推导得出了多种条件下的多服务系统的等效服务曲线，并结合具体的业务到达特性所得到的业务到达曲线，利用最小加代数理论以及概率论求得业务的时延性能。值得强调的是，本项目所提出的求解并联服务器等效服务曲线的方法仅依赖系统的服务特性的统计信息，非常适用于工程实践。通过将相关研究结果与经典的M/M/K模型的分析结果和基于现网话务数据的分析结果进行对比，验证了基于网络演算方法的正确性。. 理论与实际场景的联合研究也是本项目的一个重要构成部分，主要包括针对能量收集与消耗场景和针对认知无线电系统的研究。在能量相关的研究中，分析了系统能量耗尽的概率分布、有限能量存储下业务的时延分布，以及在给定约束条件下，通信系统可接入的业务速率和能量收集速率的数学关系；在认知无线电系统的研究中，重点对信道检测错误进行建模，分析了主用户和次用户的时延和积压性能的通用数学表达式。，并在多信道系统中提出了改善次用户QoS性能的策略。此外，本项目同时也紧跟无线通信网络的发展方向，对LTE网络的动态TDD技术、超密集网络中的小区动态开关技术和多点协作技术、LTE在非授权频带的共存机制等技术进行了研究。这部分内容为网络演算理论与实际应用的结合提供了基础。. 综上所述，本项目在关注理论基础的同时也注重于工程实践，所输出的成果既包含理论方面的突破，也适用于实际工程指导。