（通信与信息系统专业论文）son移动性负载均衡技术研究.pdf

肿f l l ll l l lll l l l l l li l li f l f u l l l l r l l l f y 2 0 6 6 9 3 8 捅要 自组织网络( s o n ，s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 技术被认为是解决未来网络管 理及维护工作、有效支持异构多网络并存、提高网络服务质量、大幅降低网络维 护成本的一条有效途径。 作为3 g p pl t e 系统s o n 自优化技术框架下的一个热点用例，移动性负载均 衡( m l b ，m o b i l i t yl o a db a l a n c i n g ) 技术通过把合适的资源及时提供给需要的过载 小区，有效提高了资源效率、吞吐量和网络的灵活性，其具体实现是通过移动性 参数的自适应调整，调节小区间负载差异，达到小区容量或资源与业务需求的匹 配。 本文首先概述了s o n 自优化技术框架下的m l b 研究现状并且详细介绍了实 现m l b 技术的一些必要预备知识，包括交互负载信息的x 2 接口，物理资源块的 定义以及m l b 典型应用场景的描述等内容；在此基础上，为了有效抑制传统m l b 带来的负载p i n g p o n g 转移问题，通过文中定义的隐藏小区，提出了一种基于该 类型信息的m l b 优化算法。更进一步，基于降低系统平均阻塞率的目的，本文 又提出了一种区域负载均衡( l l b ，l o c a l a r e al o a db a l a n c e ) 策略，其基本思想 是让负载在一个给定区域内达到基本均衡，以使史多小区远离负载均衡门限，从 而减小系统平均阻塞率，它是一个区域内多个小区负载重配的过程，而非简单的 卸载行为。然后，基于博弈理论，本文给出了一种实现l l b 技术的详细方案，包 括模型的设计以及具体实现步骤等内容，随后针对前述模型存在的不足，又设计 了一种l l b 的改进模型。最后，通过仿真分析验证了嵌入隐藏小区信息或没有嵌 入的情况下，m l b 和l l b 算法对系统性能的影响，同时基于仿真结果客观阐述 了可能存在的弊端和待改进方向等内容。 关键词：自组织网络自优化移动性负载均衡隐藏小区区域负载均衡 博弈理论 a b s 仃a c t s o n ( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) i sw i d e l yc o n s i d e r e da sa ne f f i c i e n tw a y t os o l v e t h ep r o b l e m so ff u t u r en e t w o r k sm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ，f u l l ys u p p o r tt h e m u l t i n e t w o r k sc o e x i s t e n c e ，i n c r e a s et h en e t w o r k s q u a l i t yo fs e r v i c ea n ds h a r p l y d e c r e a s et h ec o s to fn e t w o r k so p e r a t i o n a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu s ec a s eo f3 g p pl t es o n ，m l b ( m o b i l i t yl o a d b a l a n c i n g ) i n c r e a s e st h er e s o u r c eu t i l i t y , t h r o u g h p u ta n df l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m t h r o u g hp r o v i d i n gt h er e s o u r c ew h i c hi sn o tu s e dt os o m eo v e r l o a d e dc e l l s t h eb a s i c i m p l e m e n t a t i o no fm l b i sg r a d u a l l ya d j u s t i n gt h el o a dd i f f e r e n c ea m o n gc e l l st om a k e t h ec e l lc a p a c i t ya n ds e r v i c ed e m a n dm a t c hb ya u t ot u n i n gt h em o b i l i t yp a r a m e t e r s t h i sp a p e rf i r s to v e r v i e w st h ep r e s e n tr e s e a r c ho fm l ba n di n t r o d u c e st h er e l a t i v e p r e l i m i n a r yk n o w l e d g e ，i n c l u d i n gx 2i n t e r f a c eu s e df o rl o a di n f o r m a t i o ne x c h a n g i n g ， p h y s i c lr e s o u r c eb l o c kd e f i n i t i o na n dt h et y p i c a la p p l i c a t i o ns c e n a r i oo fm l b ，e t c ， t h e ni no r d e rt or e s t r a i nt h ee f f e c to fp i n g p o n gl o a dt r a n s f e r r i n g ，w ep r o p o s ea n o p t i m i z e dm l ba l g o r i t h mb a s e do nt h eh i d d e nc e l li n f o r m a t i o nw ed e f i n e d f u r t h e r - m o r e ，a n o t h e rn o v e ll o a db a l a n c i n gs t r a t e g yc a l l e dl l b ( l o c a l - a r e al o a db a l a n c e ) i s p r o p o s e d ，w h o s eb a s i ci d e ai st ob a l a n c et h el o a di nag i v e nl o c a la r e as oa st ot a k ea l a r g em a j o r i t yo fc e l l sf a rf r o mt h el o a db a l a n c i n gt h r e s h o l d ，c o n s e q u e n t l yt h ea v e r a g e b l o c k i n gp r o b a b i l i t yo ft h es y s t e mw i l lb el o w e rt h a no t h e rl o a db a l a n c i n gm e c h a n i s m s d o i ti sap r o c e s so fl o a dr e d i s t r i b u t i o n , n o tj u s to f f i o a d i n g t h e n , w ew o r ko u tag a m e t h e o r yb a s e ds c h e m et or e a l i z el l b ，i n c l u d i n gt h em o d e ld e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o n p r o c e s s ，e t c s u b s e q u e n t l y , a i m i n g a tt h ed e f e c t so ft h em o d e l ，w ed e s i g na ni m p r o v e d m o d e l f i n a l l y , w es i m u l a t ea n da n a l y z et h ei n f l u e n c et ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ef r o m a d o p t i n gl l b a n dm l b s t r a t e g yw i t l lo rw i t h o u tt a k i n gh i d d e nc e l li n f o r m a t i o ni n t o c o n s i d e r a t i o nr e s p e c t i v e l y ；m e a n w h i l ew ei l l u s t r a t et h ed e f e c to fo u rs c h e m e sa n dt h e i m p r o v i n gd i r e c t i o n k e y w o r d s ：s o ns e l f - o p t i m i z a t i o n m l bh i d d e nc e l ll l bg a m e t h e o r y 第一章绪论 近些年来，随着3 g 技术的普及，移动通信的应用业务类型迅速发展，手机 上网、手机银行、移动证券、移动商城和移动支付等应用让人们越来越感受到随 处享用宽带无线接入服务的便利。根据爱立信的研究显示，全球每日新增2 0 0 万 移动用户，预计2 0 1 5 年宽带移动用户将超过3 4 亿，而在2 0 0 9 年，这一数字仅为 3 6 亿。不难想象在这样的需求下，势必对移动通信网络提出更加高规格的要求。 如何在有限的频谱资源上满足不断增长的宽带无线多媒体业务需求，成为未来移 动通信技术发展的巨大挑战。 1 1 1s o n 与m l b 简介 1 1 研究背景及意义 s o n ( s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ) 技术被认为是解决未来网络管理及维护工作、 有效支持异构多网络并存、提高网络服务质量、大幅降低网络维护成本的一条有 效途径。一般意义下，s o n 技术是指网络自身能够探测周围环境信息及其变化并 能够由此做出自主决策，拥有对网络参数等自动配置、自动优化、自动管理、自 动愈合等通信网络功能，如图1 1 所示。 图1 1s o n 功能示意 2 0 0 8 年4 月2 1 日至2 5 日，第三代合作伙伴( 3 g p p ) 标准组织s a 5 工作组 在成都召开s a 5 第5 9 次会议，决定成立s o n 子工作组，专门讨论s o n 相关议 题【m 1 ，包括演进型节点( e n b ，e v o l v e dn o d e b ) 的自动发现、自动安装、自动配 置、自动优化和自动恢复等。3 g p pr a n 3 工作组主要讨论s o n 的相关用例定义 2 s o n 移动性负载均衡技术研究 和解决方案，以及x 2 s 1 接口协议标准化等内容。 3 g p p 为s o n 自优化技术定义了8 种基本用例，见表1 1 。 表1 1s o n 自优化功能 覆盖和容量优化移动性负载均衡优化 节能优化干扰抑制优化 邻小区列表优化随机信道接入优化 移动鲁棒性优化区间干扰协调优化 移动性负载均衡( m l b ，m o b i l i t yl o a db a l a n c i n g ) 是s o n 自优化技术框架 下的一个热点用例，其核心思想是通过把合适的资源及时提供给需要的过载小区， 有效提高了资源效率、吞吐量和网络的灵活性，增强了用户在任何时间、任何地 点都能获得具有服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证的服务的能力，特别是 对l t e 这样的高需求系统来说，更需要我们在有限的带宽上充分利用m l b 这样 的资源管理技术来提高资源的利用效率，由此可见研究m l b 对下一代通信系统 无线资源管理技术演进意义重大。 1 1 2m l b 的技术基础 u m 一、i 冷1 叁 图1 2l t e 总体系统构架 第一章绪论 3 l t e 系统是3 g 系统的演进版本，但是从系统架构上来看，3 g p p 还是对其进 行了较大的改动，如下图1 2 所示，总体结构由演迸型分组核心网( e v o l v e dp a c k e t c o r e n e t w o r k ，e p c ) ( 即图中的m m e s g w ) 和演进型接入网e u t 凡埘构成。 e u t 鼬蝌去掉了u t r a n 接入网的无线网络控制器( i 矾c ) 节点，其仅由多个 e n b 组成，将来可能还有r e l a y 、家庭基站( h o m ee n b ) 等节点加入。e n b 之间 通过x 2 接口直连，除某些光纤资源极度匮乏的地区( 如山区) 外，一般任意两 个e n b 之间总是存在x 2 接口。每个e n b 又通过s l 接口与e p c 中结点相连，比 如移动性管理实体( m m e ，m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ) 或服务网关( s g w ， s e r v i n gg a t e w a y ) 。 无 控制平面用户平面 线 网 络 应用协议 层 j 传 传输网络层传输网络层 输 控制 平面 用户平面 网 络 层 信令承载信邻载 tt 物理层 图1 3e u t r a n 接口的协议模型 e u t r a n 接口的通用协议栈模型【5 】如图1 3 所示。该协议栈模型继承了 u m t s 系统中u t r a n 接口的定义原则，即控制平面与用户平面相分离，无线网 络层与传输网络层相分离，这种定义方法大大减少了l t e 系统接口标准化的工作。 由于x 2 接口是m l b 技术负载信息交互的重要接口，所以下面对这个接口进行简 要介绍。 更高层协议 l g t p - u u d p i p v 4 或i p v 6 数据链路层 物理层 l x 2 a p i ji r s c t p i p 数据链路层 物理层 x 2 接口用户平面 x 2 接口控制平面 图1 4 x 2 接口的协议栈模型 x 2 接口是e n b 与e n b 之间的接口，其协议栈模型f 6 1 如图l ，4 所示。 4 s o n 移动性负载均衡技术研究 ( 1 ) x 2 接口用户平面 x 2 接口用户平面提供e n b 之间的用户数据传输功能。x 2 接口传输网络层与 s 1 接口基本类似。 ( 2 ) x 2 接口控制平面 x 2 接口控制平面协议栈与s l 接口基本保持一致，简化了网络的设计。 x 2 应用层协议的主要功能有：支持u e 在l t ea c t i v e 状态下接入系统后 的移动性管理功能，主要体现在切换过程中u e 上下文传输以及源e n b 与目标 e n b 之间对用户平面隧道的控制，此外还有多小区之间的无线资源管理功能和 x 2 接口自身的管理功能等。 2 、物理资源块定义 鲻 籁 m 整 一个下行时隙7 0 口 d l b 个o f d m 符号 图1 5 下行资源栅格 在l t e 系统中，用物理资源块【1 】【刀( r b ，r e s o u r c eb l o c k ) 描述资源，如图 1 5 所示，每一个r b 的基本元素称为资源粒子( r e ，r e s o u r c e se l e m e n t ) ，它通 第一章绪论 过索引对( 尼，z ) 来进行唯一标识，其中ki - o ，蜡蠼一1 和z = o ，碟6 1 ， 分别表示在频域和时域的序号。 一个物理资源块( p p j 3 ，p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ) 由碟6 个时域上连续的 o f d m 符号和嚣个在频域上连续的子载波结构成，p r b 参数配置见表1 2 。对 于常规循环前缀，一个上下行资源包括1 2 个连续子载波和7 个连续的s c f d m a 或s c o f d m 符号，时域上对应为一个时隙，在频域上对应为1 8 0 k h z ，因此一个 r b 包含8 4 个r e 。 表1 2 p r b 参数配置 配置 n 警绉 常规c p 1 27 a f = 1 5 k h z 扩展c p 6 a f = 1 5 k h z 2 43 n = 7 5 k h z 3 、负载信息定义 在l t e 系统中，负载信息【6 1 的表现形式有： 1 、当前无线资源状态( p r bu s a g e ) ，上行下行保证比特率物理资源快占用 比，上行下行非保证比特率物理资源快占用比，上行下行总物理资源快占用比； 2 、当前硬件设备负载状态指示( h wl o a di n d i c a t o r ) ，上行下行：低，中，高， 过载； 3 、s 1 接口传输网络层当前负载状态指示( s 1t n ll o a di n d i c a t o r ) ，上行下 行：低，中，高，过载； 4 、综合可用容量指示( c o m p o s i t ea v a i l a b l ec a p a c i t yi n d i c a t o r ) ，上行下行； 5 、小区容量等级指示( c e l lc a p a c i t yc l a s si n d i c a t o r ) ，上行下行； 注意到，对于h wl 0 a d 和s 1t n ll o a d ，这两项主要影响基站对数据的处理 时延，如果其指示为高或者过载，则处理时延一般较大。另外，s 1t n ll o a d 为 o v e r l o a d 时，表明s 1 接口传输网络层缓存区已满，新到分组都会被丢弃，对于综 合可用容量指示，其包含了剩余可用资源的概念，所述的剩余可用资源是p r b u s a g e ，h wl o a d 和s 1t n l l o a d 的综合指标。 6 s o n 移动性负载均衡技术研究 1 2 1 负载均衡技术现状 1 2 研究现状 负载均衡技术提供了一种高效且透明的方法来提升资源效率、增加吞吐量、 提高网络的灵活性。我们知道对于接入网络来说，其可用资源( 一般指带宽) 是 固定的，但是由于用户地理位置分布和突发种类的随机性，导致业务分布常常会 呈现不均衡状态，重负载区域由于无线资源匮乏而无法满足更多接入请求，同时 轻负载区域由于驻留用户较少，大部分资源都没有得到有效利用，从而网络实际 业务支持能力大打折扣，负载均衡技术将重负载区域的负载通过适当的方法转移 到轻负载区域或将轻负载区域的资源借给重负载区域，从而实现了资源的合理配 置和有效利用。下面简要介绍一下无线通信中的负载均衡技术研究现状。 从资源配置的角度来看，已有的负载均衡策略主要集中在转移负载【s 以l j 和借 用信道【1 2 d 4 】两个方面，转移负载主要是重负载小区将其区域边缘的用户( 业务) 切换至相邻的轻负载小区的过程，当然实现这种切换的前提是上述小区之间存在 重叠覆盖区域，且该用户处于所述区域；而借用信道是轻负载小区将其闲置资源 ( 如载波或信道) 临时借给其他异频段小区使用，从而减轻重负载小区负荷的过 程。 从技术实现的角度来看，主要有基于调整发射功率的负载均衡技术【1 5 。1 6 1 和基 于接纳控制的负载均衡技术，前者一般用于同构系统场景下，而后者则将负载均 衡功能扩展到了异构网络的范畴，c d m a 系统所广泛应用的小区呼吸技术就是典 型的调整发射功率实现负载均衡的技术，小区呼吸技术【l - 憾】是指基站根据小区业 务的变化动态调整覆盖面积的过程，当小区业务量饱和时，基站通过适当减小自 身发射功率来“呼出”负载，同时其轻负荷邻基站则通过适当增大自身发射功率 来“吸纳负载，实现均衡；反之亦然。当然，小区呼吸技术也需在一定条件下 使用，众所周知，c d m a 系统是一个干扰受限的系统，所以小区呼吸策略应充分 考虑所涉及小区的干扰指数，在保证系统整体性能和其他用户服务质量的前提下， 使用该策略才有意义。 1 2 2m l b 技术概述 如1 1 节所述，m l b 技术是3 g p pl t e 系统s o n 技术的一个热点用例，其利 用自组织特性，随着网络业务的涌动，使网络自适应的均衡负载，从而在”不知不 第一章绪论 7 觉“中提升或维持用户q o s 。m l b 通过移动性参数或小区重选参数的自适应调整 来实现负载均衡，本质上属于基于接纳控制的负载均衡技术。在3 g p pt r 3 6 9 0 2 标准文档中对m l b 进行了详细规范，其目标和实现方式概括如下： 1 、m l b 主要根据当前小区和邻居小区的负载状况来自动优化通信系统内或 系统间的移动性参数，相对于静态的移动参数来说，能够提升系统容量，并且降 低网络管理与优化工作中的人工工作量。m l b 通过把必要的小区资源及时提供给 需要的过载小区，甚至提前避免过载的发生，有效提高了资源利用效率和突发业 务的平均接入概率，从而达到提升网络性能的目的； 2 、m l b 的目标是在通过优化小区重选与切换参数达到负载均衡的同时，尽 量降低所需的切换总数和不必要的切换数。其期望的结果包括：根据小区重选与 切换机制，部分用户( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 重选到或者切换到低负载小区；小 区之间的负载更加均衡；系统容量的提升；网络管理与优化方面的人工工作量的 降低。m l b 的终极目标是提升用户q o s ，最终体现“以人为本 的通信理念； 3 、m l b 的实现是通过移动性参数的自适应调整，调节区间负载差异，达到 小区容量或资源与负载的匹配。具体过程是日标e n b 首先柃测所控制小区的负载 状态并且通过x 2 s 1 接口与邻基站实时交互相关信息，然后目标e n b 识别出所控 某小区的m l b 需求后，便运行相关m l b 算法通过转移该小区部分负载至其邻小 区( 包括不同制式小区) 实现负载均衡，需求的识别有多种方法，例如通过比较 各个小区的负载状态，正在接受的服务类型和小区配置等信息； 4 、m l b 的基本场景包括：l t e 系统内的m l b 和异构网络间的m l b ，本文 主要讨论前者。 需要注意的是，m l b 过程前后，基站的导频覆盖范围并没有变化，所以无需 考虑带来信号覆盖空洞的问题。 图1 6l t e 系统内的m l b 过程示意图 l t e 系统内的m l b 策略研究一般局限在2 个相邻小区之间，负载信息的交 互过程和内容也只涉及这两个小区，已有许多研究者提出了可行的策略【1 9 之0 1 ，算 法核心思路都是基于在m l b 小区对之间寻找最优的切换偏置值，使负载按预期 s o n 移动性负载均衡技术研究 转移，实现均衡。算法的目标是在没有任何m l b 对端基站接纳控制机制拒绝的 前提下，求解最优的切换偏置量，使尽可能少的用户切换，同时又能保证过载小 区的卸载。 如图1 6 所示，s e n b 处于重负载状态，t e n b 处于轻负载状态，此时s e n b 有m l b 的需求，且经过判断发现t e n b 是其最合适的m l b 目标小区，于是s e n b 开始与t e n b 协商进行m l b ，在图1 6 ( 1 ) 中，s e n b 与t e n b 的重叠区域用户 u 首先由s e n b 服务，s e n b 希望将该用户u 强制切换至t e n b 服务从而实现卸载， 于是经过协商后，t e n b 调整其相对于s e n b 的小区特定偏置参数，同时s e n b 也 调整其相对于t e n b 的对应参数，从而用户u 在位置不变的情况下，由于切换参 数的改变，发生了切换，如图1 6 ( 2 ) 所示。注意到，这里只发生了一个用户的 切换，实际中可能需要切换重叠区域的多个用户才能完成目标小区的卸载。至于 用户的切换过程，不是本文讨论的重点，可参照参考文献 1 】的移动性管理相关内 容，这里不再详述。 1 2 3m l b 与其他自优化技术 鎏赡隧敷_ 隧馥躺 ，j “爹”氅。，魄 一；tw ，r 覆盖空洞li 切至错误小区| 切换过晚 i 切换过早 c c o f 一一l i j 曩i i i i j n ：_ j 謦叻孽；肠；线倾焦优化l 也2 上_ 二盎二o ：二：。 五【圈 二翌遗，二 ； 小区覆盖高度重叠| i 小区过载 一一一。 爹 m l bi 切涣参数或熏选参数优化 图1 7s o n 用例间的相互影响 如1 2 2 小节所述，3 g p p 标准化工作组除了定义移动性负载均衡( m l b ) 用 例外，还定义了诸如邻区自动关联( 舢恹) 、移动鲁棒性优化( m r o ) 、覆盖与容 量优化( c & c o ) 、节电( e s ) 等其他8 种s o n 用例。如图1 7 所示，不难看出， 这些用例间往往存在着参数互操作的关系，即由于参数共用而引起的功能协调问 题。 1 2 ，2 节已经指出，m l b 的具体实现是通过切换参数的自适应调整完成的， 因此即使m l b 的目的是为了实现区间负载的自动均衡，但其过程也难免会影响 其他s o n 用例比如m r o ，而从影响用户q o s 的角度来看，移动性体验是应该首 要保障的指标，离开了m r o 的需求，m l b 就失去了意义，所以m r o 的优先级 第一章绪论 9 显然要高于m l b ；同理，其他功能模块也或多或少会在某些环境下影响m l b 。 更进一步分析，这些互操作关系将如何影响m l b 算法呢? 例如，在m l b 中，可 以将m r o 允许的切换偏置参数可调范围作为m l b 的一种边界条件，这样既体现 了m r o 对m l b 的影响，又缩小了切换偏置参数的可调范围，简化了计算。再比 如，某个小区执行m r o 时，更新切换参数的操作可能会加剧该区域的负载不均 衡分布，使得本身负载就很重的小区超载，从而触发m l b ，导致切换参数再次被 更新，继而可能再次触发m r o ，产生振荡。如果在做m r o 时，能同时考虑m l b ， 就可以避免这种恶化网络环境的情况发生。再比如，在邻区自动关联( a n r ) 用 例中，每个小区维护的邻小区禁止和允许列表也限制了m l b 中目标小区的选择 范围，进一步减小了运算量。所以应协调各功能模块的有效实现，分析其相互影 响，探索自优化技术的实现方式，设计自优化功能协作算法，形成运行中的网络 的自我调度，自我优化。当然，s o n 各个用例问除了存在相互制约的关系外，其 实也存在着许多协作的可能，比如下面将要谈到的网络节电( e s ，e n e r g ys a v i n g ) 和m l b 的协作。 网络节电( e s ，e n e r g ys a v i n g ) 是s o n 技术中提出的较新用例，其基本思 想足在某种监控策略下，如某小区或扇区在规定的时 j j 段内直处于空载状态， 那么控制该小区的基站可以暂时让该小区或扇区进入休眠。但我们知道，小区或 扇区处于空载的条件一般是较难达到的，往往轻负载状态是网络某些节点的常态， 而这种负载很低，却无法通过关闭小区或扇区的方法实现节电的场景，浪费了网 络节电的潜能，所以我们能否借助其他策略实现节电目标呢? m l b 技术给我们提 供了途径，如图1 8 所示，e n b 2 通过吸收e n b l 轻负载小区的用户使得所述小区由 轻负载状态转为空载状态，达到休眠条件；另外，若e n b 2 无法完全吸收e n b i 轻 负载小区用户，则可让e n b 3 吸收e n b 2 的负载，从而为e n b 2 空出容量来继续吸收 e 蜀的负载，更进一步，若休眠条件还不能满足，则可继续逐级吸收负载。由此 可见，借助m l b 技术实现的负载流动策略，大大增加了网络节电的潜力。 1 0 s o n 移动性负载均衡技术研究 图1 8 借助负载流动机制实现e s 综上所述，充分考虑m l b 技术与其他s o n 用例在不同场景下的优先级十分 必要，它不仅关系着其他s o n 技术能否实现，而且还会大大影响m l b 技术本身 的实际效用。 1 3 本文后续章节的内容安排 第二章，针对绪论1 2 2 章节中提到的l t e 系统内的两小区m l b 的传统实现 策略，分析了其应用于多小区场景下的不足，在此基础上，通过定义隐藏小区信 息，设计了一种基于该信息的m l b 优化算法，以改进所述的不足。 第三章，首先提出了一种区域负载均衡( l l b ，l o c a l a l g al o a db a l a n c i n g ) 的概念，并对l l b 和传统m l b 策略从技术思路和应用场景等方面进行了分析对 比，同时，对两种均衡策略可能产生的结果进行了描述；然后，基于博弈理论模 型设计了一种实现l l b 策略的算法，包括算法模型的设计以及具体实现步骤等内 容；最后，针对前述模型存在的不足，设计了一种l l b 的改进模型。 第四章，在m a t l a b 环境下搭建了仿真系统，通过仿真分析验证了嵌入隐 藏小区信息或没有嵌入的情况下，m l b 和l l b 算法对系统性能的影响，同时基 于仿真结果客观阐述了可能存在的弊端和待改进方向等内容。 第五章，总结全文并对m l b 技术的进一步发展方向进行了展望。 第二章基于隐藏小区信息的m l b 优化 m l b 技术是实现资源合理利用的有效手段，由绪论1 2 2 节的内容可知，传 统的m l b 策略实现主要局限在两个相邻小区对之间，并且在多数情况下这种策 略都可以较好的满足m l b 的需求，但对于诸如下文将会讨论的多小区m l b 场景， 传统的m l b 策略便存在着一些问题，如p i n g p o n g 负载转移等。本章的主要内容 就是基于我们所定义的隐藏小区信息，对传统的m l b 策略进行优化，以改进所 述问题。 2 1 隐藏小区 过载 重负载 负载适中 轻负载 图2 1m l b 场景图示 考虑图2 1 所示的一种负载分布场景，假设小区1 负载过重，它需要与邻小 区协商做m l b ，通过相关的负载信息交互( 一跳) ，小区1 判断出小区2 是最适 合的小区，于是小区l 便与小区2 协商进行m l b ，与此同时，小区4 由于一个大 突发接入使得负载陡然加重，小区l 与小区2 的m l b 完成后，小区4 再与小区2 协商执行m l b ，显然那时小区4 不但可分流业务的空间减小，而且甚至需要小区 2 向小区1 转移负载来帮助小区4 完成m l b ，这样显然导致了一次p i n gp o n g 负 载转移。此场景下，对小区1 而言，小区4 是不可见的，所以小区l 的m l b 行 为不会考虑小区4 的需求，我们将小区4 定义为小区l 的隐藏小区( h i d d e nc e l l ) 。 如果小区l 事先得知了小区4 的负载信息( 两跳内) ，那么小区1 便可以通过减小 自己的m l b 期望( 减少向邻区分流的业务) 或甚至选择其他的邻小区( 上图中的小 区6 ) 来做m l b ，这样小区4 就会有足够的空间与小区2 执行一次m l b ，而又 不会引起p i n gp o n g 负载转移，从而增强了m l b 的效果。 我们认为，m l b 需要更多的负载信息来支持，比如上述场景中的隐藏小区的 图吲阎圆纠劂幽u 1 2 s o n 移动性负载均衡技术研究 负载信息；引入该信息后，网络中的各个节点在m l b 时，不但要考虑自身的负 载均衡需求，还要理性的平衡自身与邻区甚至邻区的邻区( 隐藏小区) 潜在的 m l b 需求。从全网的角度来看，这种机制可以有效避免负载均衡的p i n gp o n g 问 题，提高m l b 的效率。 2 2 隐藏小区信息的交互 资源信息的交互是实现负载均衡必不可少的环节，l t e 系统内的m l b 的关 键问题也包含了如何利用x 2 接口实现所需信息的交互。下面基于x 2 接口应用层 协议吼具体描述如何交互嵌入隐藏小区信息( h i ，h i d d e nc e l li n f o r m a t i o n ) 的负 载信息。 首先，信息交互所涉及的基本进程包括： 资源状态报告初始化进程( r e s o u r c es t a t u sr e p o r t i n gi n i t i a t i o n ) - 此进程主要功能是源e n b 请求目标e n b 报告其负载信息，且为无u e 协助的 信令进程。如图2 2 所示为资源状态报告初始化进程成功操作示例。 e n b le n b 2 r e s o u r c es t a t u sr e q u e s t l r r e s o u r c es 1 - a t u sr e s p o n s e 图2 2 资源状态报告初始化 资源状态报告初始化进程首先由小慨向e n b 2 发送一条r e s o u r c es t a t u s r e q u e s t 消息，e n b 2 收到消息后，根据消息中指定的测量参数，启动一个测量 进程。对于每个请求测量的小区，e n b 2 将测量报告放入r e s o u r c es t a t u s u p d a t e 消息中反馈给源e n b 。如果e n b 2 可以提供测量，则向已嘲反馈 r e s o u 】陋es w 汛7 sr e s p o n s e 消息，否则反馈r e s o u 屺es 勘瓜7 sf 趾i ，i 瓜e 消息。如果资源状态请求消息中包含报告周期信息单元，则e n b ：按照该周期进行 资源状态报告。 资源状态报告进程( r e s o u r c es t a t u sr e p o r t i n g ) ： 此进程主要功能是目标孙份根据要求向源小份报告其负载信息，为无u e 协 助的信令进程。如图2 3 所示为资源状态报告初始化进程成功操作示例。 第二章基于隐藏小区信息的m l b 优化 c n b le n b 2 r e s o u r c es 1 - a 1 1 j su p d t e 图2 3 资源状态报告 资源状态报告进程由e n b 2 向峭周期性发送一条r e s o u r c es t a t u s u p d a t e 消息，该消息包含e n b 2 的负载信息。 - - - 图2 4 隐藏小区信息交互流程 参照图2 4 ，隐藏小区信息交互的具体实施步骤如下： 步骤1 ，初始化资源状态报告进程 1 a 源基站小嗡首先向邻基站e n b 2 发送一条资源状态请求消息r e s o u r c e s t a t u sr e q u e s t ，该资源状态请求消息包括注册请求信息、报告特征信息和报 1 4 s o n 移动性负载均衡技术研究 告周期等，其信令格式如表2 1 所示，该表2 1 的内容由3 g p pt s3 6 4 2 3 标准所 规定。在资源状态请求消息中，如果要求办峨停止报告资源状态信息，则注册请 求信息单元置为“停止”；如果请求e n b 2 开始报告信息，则置为“开始”，并将报告 特征信息单元放入资源状态请求消息中。如果小强请求e n b 2 报告无线资源状态， 将报告特征信息单元的第1 个比特位“周期性报告p r b 状态”置l ；如果洲| 晟请求 e n b 2 报告s l 接1 ：3 传输层负载指示，将报告特征信息单元的第2 个比特位“周期性 报告s 1 接口传输层负载指示”置l ；如果小氓请求e n b 2 报告硬件负载指示，将报 告特征信息单元中的第3 个比特位“周期性报告硬件负载指示”置1 ：如果小慨请 求e n b ：报告综合可用容量，将报告特征信息单元中的第4 个比特位“周期性报告 综合可用容量状态”置1 ；如果2 饿请求e n b 2 报告其邻小区资源状态，将报告特 征信息单元中的第6 个比特位“周期性报告综合邻小区资源状态”置1 ：如果小假 在定时器溢出后仍未收到e n b 2 的反馈消息，则向e n b ：重发资源状态请求消息。 表2 1 资源状态请求消息信令格式 i f g r o u p i eq p ea n dr e f e r e n c es e m a n t i c sd e s c r i i p t i o n n a m e r e g i s t r a t i o ne n u m e r a t e d ( s t a r t ， av a l u es e tt o “s t o p ”。i n d i c a t e sar e q u e s t r e q u e s ts t o p 。 t os t o pa l lc e l l sm e a s u r e m e n t s ) r e p o d b i t s t r i n ge a c hp o s i t i o ni nt h eb i t m a pi n d i c a t e s c h a r a c t e r i s t i c s ( s i z e ( 3 2 ) ) m e a s u r e m e n to b j e c it h ee n b 2i s r e q u e s t e dt or e p o r t f i r s tb i t = p r bp e r i o d i c s e c o n db i t = t n li o a di n dp e r i o d i c t h i r db i t = h wl o a dl n dp e r i o d i c f o u r t hb i t = c o m p o s i t ea v a i l a b l e c a p a c i t yp e r i o d i c ， f i f t hb i t = a b ss t a t u sp e r i o d i c s i x t hb i t = n e i g h b o rc e l lr e s o u r c e s t a t u sp e r i o d i c o t h e rb i t ss h a l lb ei g n o r e db yt h ee n b 2 r e p o r t i n ge n u m e r a t e d ( 1 0 0 0 m p e r i o d i c i t ys 2 0 0 0 m s ， 5 0 0 0 m s ，1 0 0 0 0 m s 一) 1 b 如果e n b 2 正确收到了资源状态请求消息，首先查看注册请求信息单元， 若注册请求信息单元为“停止”，则停止报告资源状态信息，并反馈资源状态请求 响应消息；若为“开始”，则判断小7 岛是否能提供消息中指定的测量，若能则向 第二章基于隐藏小区信息的m l b 优化 小喝反馈一条资源状态请求响应消息r e s o u r c es t a t u sr e s p o n s e ，资源状 态响应消息信令格式见表2 2 ，该表2 2 的内容由3 g p p t s3 6 4 2 3 标准所规定；若 e n b 2 不能提供相应测量则反馈条资源状态请求失败消息r e s o u r c es t a t u s f a i l u r e ，返回步骤1 a ，资源状态请求失败消息信令格式见表2 3 ，该表2 3 的 内容由3 g p pt s3 6 4 2 3 标准所规定。 表2 2资源状态请求响应消息信令格式 i e t y p ea n d s e m a n t i c sd e s c d p t i o n i e g r o u pn a m e r e f e r e n c e m e a s u r e mb i t s t r l n ge a c hp o s i t i o ni nt h eb i t m a pi n d i c a t e sm e a s u r e m e n to b j e c t e n tf a i l e d r e p o r t ( s i z e ( 3 2 ) ) t h a tf a i l e dt ob ei n i t i a t e di nt h ee n b 2 f i r s tb i t = p r bp e r i o d i c c h a r a c t e r i s t i c ss e c o n db i t - - t n li o a di n dp e r i o d i c t h i r db i t = h wl o a di n dp e r i o d i c f o u r t hb i t = c o m p o s i t ea v a i l a b l ec a p a c i t yp e r i o d i c ， f i f i hb n = a b ss t a t u sp e r i o d i c s i x t hb i t =