论文研究-URLLC业务建模与仿真 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.64M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn URLLC 业务建模与仿真管清琴，赵新胜** （东南大学信息科学与工程学院，南京 210096） 5 摘要：高可靠低时延通信（URLLC）具有低时延和高可靠性的传输特性，针对此类业务的建模和性能评估是进行通信系统设计和规划的实际需求。本文采用包括会话层和分组层的两层模型对 URLLC 业务进行建模，会话层通过会话间隔和会话大小描述业务的会话请求特性，分组层的分组到达间隔和分组大小用于描述业务的分组特性，并针对配电自动化业务、车联 10 网云计算游戏和增强驾驶业务进行了建模和仿真，分析了业务的数据速率。仿真结果表明，所采用的两层业务模型具有一定的准确性。关键词：通信与信息系统;URLLC 业务;业务模型中图分类号：TN929. 5 15 20 25 Service modeling and Simulation for URLLC Guan Qingqin, Zhao Xinsheng (School of Information Science and Engineer ing, Southest University, Nanjing 211100) Abstrac t:Ult ra re liab le and low latency commun ication (URLLC) has the transmission characteristics of low latency and high reliability. The modeling and evaluation work of URLLC service is the necessary requirement of co mmunication systemdesign and planning. In this paper, the URLLC service is modeled by a two-layer model includ ing a session layer and a packet layer. The session layer describes the session request characteristicsthrough the session arrival interval and the session size. The inter a rrival time and size of the packetare used to describe the packet characteristics in packet layer. The electricity d istributionautomation service, c loud computing ga me and enhanced driving service under e V2X scenario a re mode led and simulated , the data rate o f each service is analy zed as we ll. The simu lation results show that the adopted two-layer service model has obtained a certain degree of accuracy. Ke ywor ds: Co mmunication and information system; URLLC service; service model 0 引言 30 高可靠低时延通信主要应用于工业制造、智慧城市、远程医疗和智能电网等领域，该类业务具有低时延和高可靠性的传输特性，例如，触觉互联网业务需要实现数据传输时延低于 0.5ms，工业自动化业务的数据传输可靠性需要达到 10-9[1]。不同应用场景中 URLLC 业务具有差异化的业务特征和性能需求，3GPP 在文献[2]中指出，5G 系统需要为九种应用场景中的 URLLC 业务提供支持，例如，在智能电网中支持频繁小数据包传送的配电自动化业务， 35 在虚拟现实业务中实现大数据流量的快速可靠传输。 URLLC 业务具有严格的传输性能需求和多样化的业务特性，对此类业务进行建模和性能评估是设计和规划通信系统的实际需求。传统的三层业务模型、ON/OFF 模型和自相似模型尚未考虑 URLLC 业务的多样性，因此，本文采用两层模型进行 URLLC 业务的建模，模型包括会话层和分组层，不同应用场景下模型的选择由对应的业务生成特性确定。 40 本文的后续结构为：部分 1 介绍业务模型的研究现状，部分 2 详细介绍所采用的两层业作者简介：管清琴（1994-），女，东南大学硕士研究生，主要研究方向：移动通信网络和资源管理技术通信联系人：赵新胜（1963-），男，东南大学教授、博导，主要研究方向：移动通信与通信网. E-mail: xszhao@seu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 务模型，部分 3 进行业务模型的仿真和性能分析，部分 4 对全文进行总结。 1 业务模型的研究现状传统业务模型包括三层模型、ON/OFF 模型和自相似模型。三层模型通常用于建模人类间通信（H2H, Human to Human）业务，通过会话层、链接层和分组层描述业务生成特性。 ON/OFF 模型主要反映业务生成过程中的状态转移特性，自相似模型通常用于建模具有自相似特征的业务。三层模型主要用于描述单个非实时用户的业务流量生成特性，模型包括三个层次：会话层、链接层和分组层，单个用户的整体业务流由用户一次会话中所有应用链接的分组到达过程叠加而成，该模型的主要参数有：会话到达间隔、会话大小、链接到达间隔、链接数据大小、分组到达间隔时间和分组数据大小[3]。 45 50 ON/OFF 模型采用 2 状态马尔科夫过程描述业务源在激活状态（ON 状态）和静默状态（OFF 状态）之间切换。ON/OFF 模型可以表示为，为 ON 状态的平均时间长度，为 OFF 状态的平均时间长度。在 ON 状态时，业务源以恒定速率发送固定大小的数据，OFF 状态时不发送数据[4]。 55 业务源处于 ON 状态的概率如式（1）所示。业务源发送数据的平均值如式（2）所示。（1）（2）通信系统中的流量通常在时间尺度上表现出自相关特性，根据流量自相关的强弱程度，业务流量模型分为长相关模型和短相关模型，短相关模型主要包括马尔科夫模型和自回归模型，长相关模型主要包括分形布朗运动模型和分形高斯噪声模型[5]。 60 在马尔科夫模型中，单个用户的业务产生通过状态转移图和状态转移矩阵表示，业务请求的到达率服从 Poisson 分布。马尔科夫模型主要用于描述业务流量的到达特性，无法描述流量的长相关特性。自回归模型在时间尺度上利用业务流量的历史数据和系统噪声特性实现对未来业务流量的预测，主要包括线性回归过程、滑动平均过程和自回归滑动平均过程。其中，自回归滑 65 动平均过程可以表示为式（3）所示。其中，为时刻的业务流量，为白噪声，和为自回归系数。分形布朗运动模型中，时刻的业务流量满足式（4），为业务请求到达率，为方差和均值的比值，为标准分形布朗运动。（3）分形高斯噪声过程是分形布朗运动过程的增量过程，通常用于突发业务流量的建模。分 70 形高斯噪声过程为平稳随机过程，并且是严格的二阶自相似过程。（4） - 2 - ,,onoffTTronToffTronononoffpTTTonErrp,ARMApq112211221tttptptttqqttt12,,,p12,,,qtaHtB0,0HtttaBta

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2 URLLC 业务建模 URLLC 业务建模采用两层模型，如图 1 所示，会话层用于描述用户发起会话请求的特性，关键参数包括会话到达间隔和会话长度；分组层主要描述每个会话所包含的分组特性，关键参数包括分组到达间隔和分组大小。 75 图 1 两层业务模型两层业务模型是对传统三层业务模型的简化，降低了由链接层造成的物理含义不明确和建模复杂度。两层模型根据不同应用场景中的业务生成特性，分别为会话层和分组层进行差异化的模型选择，使模型更加符合 URLLC 业务在不同应用领域中的业务多样性。 80 假设通过两层业务模型仿真得到的业务数据传输速率为 R，系统可实现的频谱利用率为，根据文献[6]，满足该业务数据传输速率所需的带宽如式（5）所示。本文后续部分针对 URLLC 在智能电网和车联网领域中的应用进行详细的业务模型研（5）究。 2.1 智能电网应用场景下的业务模型 85 智能电网应用场景中的配电自动化业务需要实现端到端时延小于 1ms，分组丢失率小于 10-4[2]，在此类业务中，本地测量的电能质量信息被发送到远程控制中心进行处理并触发自动动作反应，该动作可以是向发电厂发送电报、加速或降低电力发送以保持电压相位的稳定性。 90 图 2 配电自动化的业务模型 - 3 - sTsLpTpL时间会话层Session level分组层Packet level……B(Hz)BR时间会话层Session level分组层Packet level指数分布……ON状态OFF状态ON状态指数分布常数Pareto分布分组大小

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 配电自动化的业务模型如图 2 所示。会话层的会话到达建模为 ON/OFF 模型，业务源处于 ON 状态对应事件触发，OFF 状态对应事件结束。业务源在 ON 状态期间生成固定间隔的数据分组，分组大小服从 Pareto 分布，业务源处于 ON/OFF 状态的时间长度服从指数分布。业务源处于 ON 状态时以固定周期发送分组，分组大小服从截短的 Pareto 分布， 95 其概率密度函数如式（6）所示。其中，被称为 Pareto 分布的比例参数，被称为形状参数（或尾指数）。（6）业务源处于 ON 状态和 OFF 状态的时间长度分别表示为和，均服从指数分布，均值分别为和，并有，其概率密度函数如式（7）所示。（7）在一个完整的 ON/OFF 状态转移周期内，业务源所能达到的数据传输速率由其 ON 100 状态期间发送的数据量和 ON/OFF 状态的总持续时间决定，如式（8）所示。（8） 2.2 车联网应用场景下的业务模型车联网有利于提高出行安全、改善交通管理并提高交通运输的收益。在该应用场景下，车载传感器用于感知周边环境，车辆之间互相关联，并连接到基础设施和交通网络的其他部分。车联网应用于车辆碰撞避免、减少拥堵和改善交通流量[7]。车联网应用场景中的 URLLC 业务主要包括 3D 云计算机游戏和增强驾驶业务。 105 在 3D 云计算机游戏业务中，假设大部分游戏计算发生在云端，用户终端只进行视频播放。该业务的性能指标为：平均用户吞吐量大于 50~120Mbps，端到端时延低于 7.5ms。图 3 车辆内 3D 云计算游戏的业务模型 110 当用户在车辆内部发起云计算机游戏业务请求时，该业务需要实现较高的数据吞吐量以满足用户的游戏体验需求。参考文献[8]中在线游戏的分组特性，车辆内 3D 云计算游戏的业务模型如图 3 所示，会话层始终处于激活状态，对应分组层发送的分组大小服从截短的高斯分布，均值为，标准差为，最小值和最大值分别为、，其概率密度函数 - 4 - psgTsgXsgl1sg1,,01sgsgsgsgsgsgXsgsgsgsgsglfxlxhxlhonToffTonoffonoff11exp,011exp,0onoffTononToffoffftttftttsgR1onpsgTTsgionoffiRXTT时间分组层Packet level……均匀分布高斯分布分组大小……pcgXpcglpcgh

中国科技论文在线如式（9）所示。 http://www.paper.edu.cn （9） 115 分组到达间隔建模为均匀分布，最小值为，最大值为，分组到达间隔的概率分布函数满足式（10）。（10）增强驾驶用于实现半自动或全自动驾驶。假设车间距离较长，每个车辆和路边单元（RSU, Road Side Unit）共享本地传感器获取的邻近车辆数据，以协调车辆的运动轨迹。该类业务有利于实现安全驾驶、碰撞避免和交通效率的改善。 120 增强驾驶应用场景中的 URLLC 业务主要包括互联自动驾驶汽车的协作碰撞避免和紧急路线校准。为使车辆能更好地评估事故发生的可能性并协调不同车辆的路线，传感器数据、动作列表和横向/纵向控制信息需要在不同车辆之间共享。紧急路线校准消息包括协作规避机制的传感器数据和状态信息，用于增强在意外路况下的安全性。通过传感器获得道路障碍物信息后，车辆执行事故避免的策略计算，并将紧急情况通知其他车辆，临近车辆执行轨迹 125 校准以协助应对紧急情况。图 4 增强驾驶的业务模型增强驾驶的业务模型如图 4 所示，会话层处于 ON 状态时，发送大小服从均匀分布的分组，分组大小的概率密度函数如式（11）所示。（11） 130 ON 状态期间，分组层的分组到达间隔服从指数分布，均值为，概率密度函数如式（12）所示。会话层处于 OFF 状态时，分组层以固定时间间隔发送大小为的分组。（12） - 5 - 221exp,22pcgpcgpcgXxlxhfxpcgTtcgltcgl1,pcgTtcgtcgtcgtcgftlthhl时间会话层Session level分组层Packet level指数分布……ON状态OFF状态ON状态指数分布指数分布均匀分布分组大小……常数常数poffonX1,onXpvpvpvpvxflxhhlponTpon11expponTponponfttpoffoffs

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 会话层在 ON 状态和 OFF 状态的持续时间分别服从均值为和的指数分布，其概率密度函数如式（13）所示。（13） 135 3 仿真及性能分析 URLLC 的业务模型仿真采用 Monte-Carlo 方法，根据两种应用场景中 URLLC 业务的分组生成特性，进行次业务分组发送过程的模拟，由统计方法得到数据速率的概率密度函数（PDF, Probability Density Function）和累积分布函数（CDF, Cumulative Distribution Function）曲线，并统计数据速率的平均值和最大值，进行业务数据速率的特性分析。 140 3.1 智能电网应用场景下 URLLC 业务的模型仿真智能电网应用场景下配电自动化业务的模型仿真参数如表 1 所示，仿真中的分组大小参考文献[9]进行选取。表 1 配电自动化业务的模型仿真参数参数含义分组最小值分组最大值 Pareto 分布形状参数分组到达间隔 ON 状态持续时间均值 OFF 状态持续时间均值取值 200bytes 1521bytes 1.5 0.01s 0.03s 0.02s 145 图 5 配电自动化业务中数据速率的 PDF 曲线 - 6 - onoff11exp11exponoffTononToffofffttftt610sglsghsgpsgT_sgonT_sgoffT

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 5 和图 6 分别为配电自动化业务中数据速率的 PDF 和 CDF 曲线。由 PDF 曲线可知，配电自动化业务的数据传输速率较低，主要集中在 0.5Mbps 以下，对应的 CDF 曲线图显示，该类业务数据传输速率低于 0.5Mbps 的概率接近 0.9。通过统计次仿真结果得到，配电自动化业务数据速率的最大值约为 2.0409Mbps，平均值约为 0.3525Mbps。仿真结果与电气和 150 电子工程师协会（IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers）在文献[10]中提出变电站自动监控和维护业务需满足 0.48Mbps 的数据速率需求相吻合。假设系统可实现的频谱利用率为 25bps/Hz，由式（1）可知，系统需要为配电自动化业务提供 14.1KHz 的带宽，以满足业务的数据速率需求。 155 图 6 配电自动化业务中数据速率的 CDF 曲线 3.2 车联网应用场景下 URLLC 业务的模型仿真车联网应用场景中 3D 云计算游戏的业务模型仿真参数如表 2 所示。图 7 和图 8 分别为 3D 云计算游戏中业务数据速率的 PDF 曲线和 CDF 曲线，PDF 曲线显示，该业务的数据传输速率较高，在 CDF 曲线中，数据传输速率高于 50Mbps 的概率接近于 0.9。通过统计次 160 仿真结果，3D 云计算游戏业务的数据速率平均值为 73.3177Mbps，最大值为 120.0016Mbps，该数据速率特性与文献[7]提出的速率需求相一致。假设系统可实现的频谱利用率为 25bps/Hz，由式（1）可知，系统需要为该种业务提供 4.8MHz 的带宽，以满足 3D 云计算游戏业务的数据速率需求。表 23D 云计算游戏的业务模型仿真参数参数含义分组最小值分组最大值 Pareto 分布形状参数分组到达间隔 - 7 - 取值 200bytes 1521bytes 1.5 0.01s 6106102tcgltcgh

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 165 图 73D 云计算游戏业务中数据速率的 PDF 曲线图 83D 云计算游戏业务中数据速率的 CDF 曲线车联网应用场景中增强驾驶业务的模型仿真参数如表 3 所示。 170 表 3 增强驾驶业务的模型仿真参数参数含义 ON 状态持续时间的平均值 OFF 状态持续时间的平均值 ON 状态发送分组大小的最小值 ON 状态发送分组大小的最大值 ON 状态分组到达间隔的平均值 OFF 状态分组到达间隔 OFF 状态分组大小 - 8 - 取值 100ms 100ms 200bytes 2000bytes 10ms 10ms 1200bytes onoffpcglpcghponpoffoffs

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