评估系统处理能力的仿真方法

技术领域

本发明涉及系统仿真方法，特别涉及评估系统处理能力的仿真方法。

背景技术

在完成一个服务系统的设计规划之前，往往要对可行的方案进行仿真， 以评估系统的处理能力以及服务质量等。特别是电子系统，比如自动化系统、 通信系统等，为了确定当前服务需求环境下系统配置能否满足要求、对比各 种方案的优缺点、定位系统处理能力的瓶颈等，需要在现有需求统计信息的 基础上对系统进行仿真，根据仿真结果判断系统处理服务请求的情况。

一个系统处理各种请求的过程实际上就是将系统资源分配给各个服务 对象的过程。但由于服务请求往往是不确定的，只是满足一定统计分布特性 随机事件，因此无法通过计算确定系统处理请求的情况，只能通过仿真归纳 处理结果、分析处理情况、评估处理能力。

在移动通信等电子领域，通常需要对某一系统进行定量的评估及测试， 比如蜂窝移动通信网络规划中，由于各种类型的小区极其多，如城市、农村、 交通区，城市又可分为密集城区和稀疏城区等，包含有很多特性如人口规模、 经济规模、经济梯度、消费倾向等，这些使得小区类型更加多样化。3G设备 商需要对蜂窝网的节点(NodeB)进行系列化，提供数种具有典型能力 的NodeB，以便于用较少的NodeB种类，加以合理布置与配置来满足全球各 种纷繁复杂的小区的需求。这需要对给定的备选方案进行仿真评估，逐步优 化，以期得到全面的最优方案，用尽量少的Node性能类型来满全球小区需 求。

一般系统处理能力评估的方法有实验测量和计算机仿真两种。

实验测量是通过进行实地试验测试记录服务情况及系统处理情况，来评 估系统性能；计算机仿真是通过建模仿真实际系统服务情况及请求产生处理 情况，并记录处理结果。前者由于操作困难、成本高昂等原因通常不被采用， 比如对于蜂窝移动通信的节点系统，实地实验时，需要将带评估系统方 案运行在实际小区上，然后进行推广试用或者模拟测试，在这一段时间内通 过系统测试及用户反馈得到实验结果，然后对实验结果做数据分析得到系统 处理能力的评价依据。而后者则较为方便易行而经常被采用，对于系统仿真 来说，其关键问题在于建模的合理性及算法复杂性。合理的建模可以正确仿 真请求产生于请求处理间的逻辑关系，而较低的复杂度使得仿真具有可行性。

在第三代移动通信系统合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project，简称“3GPP”)的标准之一地宽带码分多址移动通信系统(Wideband Code Division Multiple Access，简称“WCDMA”)的网络规划中，急需要 解决的问题就是如何拟定较少的NodeB系列去服务全球WCDMA市场。目 前通过城市调查等手段获得的数据已经比较充分，因此如何以一种简单有效 的方法把这些数据用于分析NodeB配置规划方案，并进而提炼出一种具有普 遍适应性的技术是当前业界急待解决的问题。

可见，如何给出一种简单可行、准确高效的定量评估系统处理能力的仿 真方法是当前各行各业不仅仅是移动通信领域的迫切需求。

当前业界往往是通过设计人员的工程经验完成系统处理能力的评估，以 及规划等进一步的工作。这种方法存在很大的主观不确定性，不是一种量化 的科学评估方法，对于规模较小的应用，可以满足需求，但对于WCDMA全 球网络规划这样的规模大、影响力大的应用则不合适。该方法最大的缺点在 于缺乏量化计算、精确度态度，特别是对于工作在复杂环境下的系统，这种 依靠工程经验的方法是否能真实模拟实际运行环境的可能性存在很大风险。

另一种方法即为实验测量方法，通过在实际应用环境中进行模拟实验， 产生相应的请求，在给定的系统配置方案下，观测并记录系统处理请求的情 况，根据记录结果分析评估系统处理能力。该方法成本高而且难以实现，请 求环境的模拟对评估精度有很大的影响，难以操作。

还有一种方法即是采用计算机仿真的方式，通过建模给出仿真方法，模 拟产生服务请求，并模拟给定配置方案的处理器进行处理所产生的请求，当 前一般采用的计算机仿真方法存在缺点，或者模型太简单而不够合理不够准 确，或者模型太复杂而不太可行，一般的计算机运行困难。特别对于某些工 作在复杂环境下的系统，一般的简单模型无法达到理想的效果。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：依靠工程经验进行评估和规划 的方法不够精确、没有定量化的评估；实验测量方法操作困难、不易实现、 不可靠；仿真方法则不够合理准确，或由于模型复杂度太高导致不可行。

造成这种情况的主要原因在于，凭借工程经验进行评估的方法主观性太 大、不可靠；实测方法需要进行实地实验，难以实现，且对于复杂环境难以 准确模拟；而目前的仿真方法建模简单则不够精确，建模复杂则不可行。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种评估系统处理能力的仿真方 法，使得通过简单易行、准确合理的仿真建模实现对系统请求、处理的模拟， 定量化地给出系统处理能力的评估依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种评估系统处理能力的仿真方法，包 含以下步骤，

A根据请求统计特性，在每个时间片内随机产生资源申请矩阵；

B在每个所述时间片内处理所述资源申请矩阵；

C根据所述资源申请矩阵的处理，记录系统处理指标；

其中，所述资源申请矩阵用于描述在所述时间片内所述请求对系统资源 的需求，所述系统处理指标用于评估系统处理能力。

其中，所述资源申请矩阵包含至少一个子矩阵，所述子矩阵与所述请求 的类型对应，所述子矩阵包含至少一行，所述行与所述请求对应，所述行包 含所述请求所需要的所述系统资源的数目、占用时间，所述系统资源的数目 与所述请求的类型对应，所述系统资源占用时间的分布符合所述请求统计特 性。

此外，所述系统资源按类型属于不同的资源池，所述资源池包含所述系 统所包含的所有所述系统资源，所述系统资源在同一时刻仅能分配给一个所 述请求。

此外，所述步骤A包含以下子步骤，

A1按照系统规划要求配置所述系统资源和所述系统资源池；

A2根据所述请求统计特性，在当前所述时间片内产生所述资源申请矩 阵；

A3在当前所述时间片结束时判断是否终止仿真，如果是，则退出流程， 否则进入下一个所述时间片并返回所述步骤A2。

此外，所述步骤B包含以下子步骤，

B1获取当前待处理的所述资源申请矩阵；

B2在当前所述时间片内，读取所述资源申请矩阵的当前行；

B3根据所述资源申请矩阵的当前行，在所述资源池中分配所述系统资源 并占用时间；

B4判断所述资源申请矩阵是否处理完毕，如果是则进入步骤B5，否则 进入所述资源申请矩阵的下一行并返回步骤B2；

B5在当前所述时间片结束时判断是否终止仿真，如果是，则退出流程， 否则进入下一个所述时间片并返回所述步骤B2。

此外，所述步骤B3进一步包含以下子步骤，

根据所述资源申请矩阵的当前行的所述系统资源的数目，分配相应数目 的空闲系统资源，置为非空闲系统资源；

根据所述资源申请矩阵的当前行的所述系统资源占用时间，设定所述非 空闲系统资源的定时器；

在所述非空闲系统资源的定时器超时时，置所述非空闲系统资源为所述 空闲系统资源。

此外，所述步骤C包含以下子步骤，

C1当所述步骤B3中分配所述系统资源成功，资源分配成功计数器增一；

C2当所述步骤B3中分配所述系统资源失败，资源分配失败计数器增一。

此外，所述系统分为至少两个子系统，所有所述子系统所包含的所述系 统资源之和等效于所述系统所包含的所述系统资源，对所述子系统进行仿真， 并根据所述子系统的仿真结果评估所述系统的处理能力。

此外，所述系统所包含的共享资源等效为具有逻辑关系的至少两个所述 系统资源。

此外，所述系统为宽带码分多址移动通信网络中的小区系统。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的主要区别在于，本 发明在系统统筹理论基础上，用资源申请矩阵的方式将具有一定统计分布特 性的请求信息按资源申请方式描述，对于系统则按资源池分配方式模拟，然 后通过划分时间片进行资源申请矩阵的产生和处理两个步骤的模拟，并记录 处理情况性能指标等模拟结果，用于评估系统处理能力，进一步进行系统规 划。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即坚实的理论基 础保证了仿真模型的准确性，资源申请矩阵和资源池的描述方式大大简化了 仿真，降低了算法复杂度，划分时间片的处理方式提供了异步仿真的灵活性 和独立性，资源申请成功和资源申请失败计数器对于系统处理能力的记录给 出了定量化评估系统处理能力的依据，从而简单可靠地给出了一种评估系统 处理能力的仿真方法。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的资源申请矩阵产生流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的资源申请矩阵处理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明作进一步地详细描述。

总的来说，本发明旨在提出合理可行仿真模型，实现对系统请求、处理 的模拟，并定量化给出系统处理能力的评估依据。根据本发明的原理，首先， 通过资源申请矩阵的方式简单有效地描述了符合一定统计特性的服务请求分 布；其次，通过划分时间片的方式将请求产生和请求处理两个环节独立地进 行等效模拟；并且在模拟过程中记录描述系统处理情况的各个指标，最终能 定量化地给出系统处理能力的评估依据。其中资源申请矩阵给出了一种精确 模拟服务请求统计特性的方法，直接简化了整个仿真模型的架构，使得精确 的仿真模型变得可行；而划分时间片进行独立模拟的流程则建立一种精确可 行的模拟机制，使得模拟更灵活更有效。

如上所述，如何评估一个系统的处理能力，是各行各业一直关注的一个 问题，尤其是对于工作在复杂环境下的系统，要能给出精确、可行、合理、 有效的评估方法是非常困难的。本发明通过理论分析建模，给出精确合理的 定量化评估方案。下面详细分析本发明建模的理论基础。

由于系统处理请求即可以看成一个服务系统，利用系统所具备的处理资 源对于各种服务请求处理，因此这一过程其本质就是一个合理分配系统处理 资源给各个服务请求的过程。而如何配置系统资源、设定系统服务方式，以 最优的方式满足符合一定统计特性的服务请求，是系统设计者所关心的问题。 本发明将系统处理请求的问题建模为一个服务系统分配处理资源给符合统计 特性的请求的统筹规划问题。这使得本发明给出的建模具有坚实的理论基础。

在本发明的一个实施例中，将符合统计分布的随机不确定的服务请求用 随机函数表征，用如下参数描述任一请求：所需要的资源类型、数目、占用 时间。比如对于WCDMA系统，一般请求可以分为不同数据率不同类型 的业务请求，如话音通信、数据业务等，不同的业务请求对系统资源有着不 同的要求，如话音通信由于其数据率较低而所需要的信道处理资源较少，而 一些多媒体数据业务不但所需要的信道处理资源较多而且还需要某些特定的 媒体编解码处理资源。进一步考虑到这些业务请求具有不确定的突发性，我 们只分析其统计特性，比如一定时间内话音通信请求的发生次数及时长等符 合一定的统计分布。

在本发明的一个实施例中，将系统资源用多个资源池表示，每个资源池 代表某一类型的处理资源的集合，其中对于资源池内的某个处理资源，我们 都假设为独占式资源，即该处理资源在同一时刻只能分配给一个请求，当该 资源分配去处理请求时，即被占用，系统无法再分配于处理其他请求，直到 处理完毕占用时间结束时被释放后才能再被分配于处理其他请求。比如对于 WCDMA系统，其处理资源可以分为编码处理、解码处理、载波资源、 扩频处理等，而多个编码处理单元可以集合为一个编码处理单元的资源池， 在分配时统筹进行。

熟悉本领域的技术人员可以理解，上述独占式资源是一种有效的简化方 式，在本发明的一个较佳实施例中，对于某些特殊的共享资源，通过等效得 转化为多个具有一定逻辑关系的独占式资源，而同样的进行建模仿真，对系 统处理能力的进行评估。比如对于某些互联网业务，如网络会议等，对于多 个与会者的请求，只需要以共享方式的分配某些提供多方服务的资源，这就 可以将这些资源在一定请求前提下分为多个独占式资源。

经过上述的理论建模，系统处理请求的问题即变得简单合理，通过将给 定的系统资源数量统筹分配给随机分布的请求，即可达到优化处理方案、模 拟处理过程的目的。在本发明的一个实施例中，采用资源申请矩阵的方式统 一描述随机请求产生情况及其资源需求分布情况，该资源申请矩阵按资源申 请方式的不同即请求类型的不同，又包含相应个数的子矩阵。每个子矩阵对 应一种资源申请方式。子矩阵中又包含有对应不同占用时长的请求行，子矩 阵每行对应随机产生的某一非确定时长的请求。下面给出了本发明的一个实 施例中的资源申请矩阵格式：

${\left[\begin{array}{ccccc}{r}_1& L& r_i& L& r_n\end{array}\right]}^T,$ 其中 $r_i=\left[\begin{array}{ccc}{x}_i& y_{i,l}& L\\ M& M& \\ x_i& y_{i,k}& L\\ M& M& \\ x_i& y_{i,K_i}& L\end{array}\right].$

其中子矩阵ri代表第i种资源申请方式，共有n种资源申请方式；ri中的 每一行代表一个随机产生的突发性资源申请，设在一定的时长内有Ki个突发 请求；ri中第k行的表示对于各种资源类型的需求资源个数xi和占用时间yi，k 等信息。该资源申请矩阵中各元素，比如占用时间yi，k是一随机变量，在仿真 时按照给定的统计特性而随机产生。比如对于满足分布密度函数为f(y)的占 用时间y，仿真是通过计算机的随机数产生方法产生给定数目的样本，填充 到资源申请矩阵中，即可合理的模拟随机突发的请求产生情况。

比如对于WCDMA系统，根据调查得到给定的某种类型小区的统计 数据，比如各种请求的发生频率、时长等，根据这些统计数据得到各种对应 的资源申请方式的统计分布，然后在模拟时随机产生一定的样本，填入资源 申请矩阵中，如话音通信请求在一个时间片内的发生次数平均为100次、每 次的时长符合均值为5分钟、标准差为1分钟的高斯分布，话音通信过程中 占用整套信道资源，则在资源申请矩阵中既有对应于话音通信请求的一个子 矩阵，子矩阵包含100行，每行代表一次随机突发的话音通信请求，其中请 求所占用相应资源的时长为随机变量的一个样本，所有样本总体符合前述的 均值为1分钟、标准差为2分钟的高斯分布。

可见在资源申请矩阵中，已将各种系统请求按资源申请方式的不同进行 统计，便于后续的系统处理过程的仿真，大大简化了仿真流程，降低计算复 杂度。

熟悉本领域的技术人员可以理解，上述资源申请矩阵的形式可以按照实 际设计具体的结构，而不限于所述子矩阵及行的形式，比如可以按一定的计 算机数据结构的方式表示，只要该形式能够以资源申请方式表示全面的随机 突发请求的资源需求信息，即可同样地实现发明目的，而不影响本发明的实 质和范围。

在本发明的一个实施例中，对于系统处理能力的评价进行量化，采用请 求成功次数和请求失败次数两个指标来表征系统处理请求的能力。在具体仿 真过程中，即采用资源申请成功计数器和资源申请失败计数器来进行记录。 对于资源申请矩阵中的每条资源申请，通过资源分配流程对其进行处理，如 果资源分配成功则资源申请计数器增一，否则资源申请失败计数器增一。最 终经过足够长的时间和足够多样本数的仿真之后，这两个指标之间的关系趋 向于稳定，由此得到的仿真结果即为统计意义上的系统处理请求的能力指标。

在本发明的一个实施例中，首先根据统计数据及相关要求产生符合实际 统计特性的资源申请矩阵，然后再模拟系统处理该请求，资源申请矩阵及系 统处理过程是按划分时间片的方式独立进行，即在每个时间片内产生一个资 源申请矩阵，而在同样长度的时间内仿真系统的处理过程。通过划分时间片 的方式，不但使得随机产生的资源申请矩阵的统计特性更加逼近真实情况， 使得仿真精确度更高，而且使得请求产生和请求处理两个步骤可以独立进行， 没有关联，便于实现。

由上，模拟系统处理请求的过程基本上可以分为两个步骤：在一定时间 片内产生资源申请矩阵，然后在同样长的时间片内处理所述资源申请矩阵， 并记录资源申请成功和失败次数等性能指标。

下面结合图1详细描述根据本发明的一个实施例的资源申请矩阵产生流 程。

首先在步骤101中，按照系统规划要求配置系统处理资源方案，在进行 系统评估或系统规划时，需要先配置好方案，然后对其进行仿真并给出评估。 比如对于WCDMA系统，仿真时需要给定备选方案，设置好类型、 处理资源分布，比如针对不同的小区设定预计的载波数量、编解码器数量等， 然后根据仿真评估系统配置方案的性能。

接着进入步骤102中，启动一个时间片长度的定时器。由于服务请求的 分布是以一个时间片为单位产生资源申请矩阵的，因此需要用定时器限定产 生资源申请矩阵的时间。

然后进入步骤103中，通过业务模拟，产生资源申请矩阵。这里业务模 拟是采用现有的方法，根据已有的调查资料给出一定的统计特性，然后随机 产生请求并填入资源申请矩阵中。比如对于WCDMA系统，根据已有的 数据，可以知道各类小区的请求分布情况，经过呼叫业务模拟得到统计特性， 并随机产生呼叫，转化为相应的资源申请填入资源申请矩阵中。

然后进入步骤104中，等待到定时器超时，发送生成的资源申请矩阵。 如果在定时器超时之前资源申请矩阵尚未生成，则说明仿真所用的计算机性 能不足以进行仿真，因此需要采用更高性能的计算机。

然后进入步骤105中，判断是否终止仿真，比如仿真总时长已经满足统 计需求，或者评估性能指标已经趋于稳定状态，则可以退出仿真，否则重新 回到步骤102中进行下一个时间片的仿真。

结合图2详细说明根据本发明的一个实施例的对于上述产生的资源申请 矩阵的模拟处理流程。

首先进入步骤201中，获取当前待处理的资源申请矩阵，这里资源申请 矩阵可以产生后先存储在存储器中，然后异步的进行处理，得到同样的效果， 因此这两个步骤不需要同步进行。比如在计算机上先产生足够多的资源申请 矩阵，然后在同一台计算机上对存储的资源申请矩阵进行模拟处理；也可以 在同一台或两台互联的计算机上同时进行产生和模拟过程，一个流程在产生 资源申请矩阵，同时另一流程在获取所述资源申请矩阵并进行同步的处理。

接着进入步骤202中，启动一个时间片长度的定时器。这里时间片的长 度与上述时间片的长度相同。为了在使得一个时间片内完成的处理具有连续 性，需要设定的时间片长度越小越好，但由于时间片长度太小会急剧增加仿 真算法的复杂度，因此需要进行复杂度和精度之间的折衷。

接着进入步骤203中，读取资源申请矩阵中下一行资源请求，根据所描 述的需求分配x个各个资源池中空闲的资源给该请求，标记所述资源为非空 闲，并设定资源占用定时器的时长为资源请求所需时长y。这里模拟系统处 理请求的方式，即为分配资源给各条请求。而这里的资源占用定时器用于模 拟资源被占用的时间，在定时器超时后自动回复资源状态为空闲状态。例如 在具体实现时，即可给资源池中的资源设定一个状态参数，该参数描述资源 还需要被占用的时长，而没过一个时钟周期即将所有资源上的占用时长参数 减一直到为0，于是如果资源的占用时长参数为0即表示资源为空闲状态， 可以被分配，否则表示非空闲状态，而每次分配时只需将该占用时长参数置 为相应请求的占用时间长度即可。

比如在WCDMA系统中，系统拥有多个资源池，比如编码器资源池 包含相应数目的编码处理资源、扩频资源池包含相应数目的扩频处理资源； 在仿真过程中，当处理一个请求比如时话音通信请求时，所需要的编码处理 资源为1个，占用时间为3分钟，扩频资源两个，占用时间3分钟，则在处 理时，即从编码器资源池中分配两个空闲状态的编码处理资源，并至其资源 占用定时器为3分钟，同样地还要分配两个扩频资源。

接着进入步骤204中，上述分配不一定能成功，因此需要判断分配是否 成功，如果成功，则在资源申请成功计数器增一，否则资源申请失败计数器 增一。实时记录资源分配情况，用于最终提供系统处理能力评估依据，而且 还能给仿真系统判断仿真结果是否趋向稳定。

接着进入步骤205中，判断当前资源申请矩阵是否处理完毕，如果是则 进入步骤206，否则返回步骤203。

接着进入步骤206中，等待到定时器超时。如果在定时器超时之前资源 申请矩阵尚未生成，则说明仿真所用的计算机性能不足以进行仿真，因此需 要采用更高性能的计算机。

接着进入步骤207中，判断仿真是否终止，如果是，则退出仿真流程， 否则返回步骤202进行下一个时间片的仿真。

在本发明的一个实施例中，通过上述仿真流程后，依据两个计数器的值 即资源申请成功计数器和资源申请失败计数器的值进行如下对系统处理能力 的评估：在特定的业务环境下，要使得某种业务的申请成功率达到目标值， 至少需要的资源池大小；在特定的业务环境下，给定大小的资源池能获得的 业务服务效果，比如拨通成功率；给定大小的资源池如果希望获得目标业务 效果，其最适合的业务环境的选择。

在本发明的另一个实施例中，对于复杂的多资源结构的系统，由于仿真 复杂度会增加，为了简化仿真，将系统分解为多个子系统，对于每个子系统 分别进行规模较小的仿真，得到各个子系统的仿真结果和系统处理能力评估 依据，最后按照各个子系统在整个系统中的重要性对其仿真结果进行加权平 均，综合评估整个系统的处理能力。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描 述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种 各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。