（通信与信息系统专业论文）lte网络负载均衡及信令仿真测试研究.pdf

摘要 传统的无线通信系统负载均衡都是针对用户业务数据量进行，全部集中在接入网一 侧，并没有上升到核心网。在l t e 无线通信系统中，e n b 与核心网的信令交互都是通 过s 1 接口由m m e 控制，所以m m e 在整个l t e 系统中扮演着重要的角色。因此，在 这种采用m m e 资源池的l t e 核心网模式下，m m e 负载均衡也显得尤为重要。 论文首先介绍了l t e 系统的整体网络架构，以及l t e 系统用户面与控制面协议栈 的结构。然后对s 1 接口和x 2 接口进行了介绍，同时根据s 1 接口与x 2 接口上有关负 载均衡的部分信令流程分析，引出m m e 负载均衡的主要步骤与方式。然后根据l t e 网络接口一致性测试关键技术，搭建了基于g t r 的s i & x 2 接口信令一致性测试系统， 包括g t r 测试系统的环境结构，测试系统的脚本语言t t c n 3 以及测试系统的组件。 通过利用u e 开机附着的三个重要信令流程：s 1 接口建立流程、初始u e 消息流程以 及初始上下文建立流程，来着重论述具体的信令消息模板、m m e 的行为函数和测试用 例，说明如何通过t t c n 3 语言以及g t r 仿真平台对不同的信令流程进行仿真测试。 最后，本文通过对现有的主流n n s f 算法的分析得知，n n s f 算法是一种静态算法， 当池区内的m m e 已经无法满足业务需求需要进行扩容时，必须人为地重新修改预先 设置好的容量因子，此算法不能很好的自动调整m m e 的容量因子，所以本文对m m e 上附着的u e 数与正在服务的u e 数之比大小，以及m m e 剩余容量多少的分析，可以 区分出不同m m e 的负荷情况，然后根据文中的负载均衡仿真测试研究，设计了一种 基于附着服务比的m m e 负载均衡选择算法。该算法除考虑到对系统运行初期新接入 e n b 的u e 如何分配不造成单一m m e 负载过高，还考虑了在整个系统运行较长时间， 池区内m m e 基本达到饱和时，如何均衡m m e 上的负载。仿真结果也表明，本文所设 计的附着服务比算法在随着u e 大量接入时，能更好地降低u e 溢出概率，使系统在较 高负载情况下也能实现信令的有效传输。 关键词tl t e ；m m e ；s i & x 2 ：负载均衡；附着服务比；剩余容量 a b s t r a c t a i lt r a d i t i o n a ll o a db a l a n c i n gp o l i c i e sa r eo nh o wt ob a l a l i c et h ea m o u n to fd a t af o ru s e r s ， w h i c ha r ea l lc o n c e n t r a t e da tt h ea c c e s sn e t w o r ks i d e ，a n da r en o tu pt ot h ec o r en e t w o r k i n t h el t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h es i g n a l i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e ne n ba n dt h ec o r e n e t w o r ki sc o n t r o l l e db yt h em m ev i as1 i n t e r f a c e ，s om m ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e l t es y s t e m w h i l ei nt h em m er e s o u r c ep o o lm o d ei nl t es y s t e m ，m m el o a db a l a n c i n gi s a l s op a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ew h o l en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo f l t es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep r o t o c o ls t a c ko fu s e rp l a n ea n dc o n t r o lp l a n e t h e ni ti n t r o d u c e s s1a n dx 2i n t e r f a c e s m e a n w h i l e ，t h r o u g ht h ea n l a y s i so ft h es i g n a l i n gp r o c e d u r e so fl o a d b a l a n c i n go ns 1a n dx 2i n t e r f a c e s ，t h em a i nm a n n e r sa n ds t e p so fm m el o a db a l a n c i n gc a n b eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ei n t e r f a c ec o n s i s t e n c yt e s tf o rl t e n e t w o r ki n t e r f a c e ，at e s ts y s t e mb a s e do ng t rw a ss e tu p ，i n c l u d i n gt h et e s te n v i r o n m e n t s t r u c t u r e ，t h es c r i p t i n gl a n g u a g e “t t c n 3 ”o ft h et e s ts y s t e m ，a n dt h ec o m p o n e n t so ft h et e s t s y s t e m a n dt h r o u g ht h r e ei m p o r t a n ts i g n a l i n gp r o c e d u r e so fu e sa t t a c h m e n t , t h i st h e s i s m a i n l ye x p l a i n st h es p e c i f i ct e m p l a t e so ft h es i g n a l i n gm e s s a g e ，t h eb e h a v i o rf u n c t i o n so f m m ea n dt h et e s tc a s e s b e s i d e s ，i ta l s oe x p l a i n sh o wt ou s et t c n 3a n dg t rs i m u l a t i o n p l a t f o r mt ot e s tt h ed i f f e r e n ts i g n a l i n gp r o c e d u r e s f i n a l l y , i nt h i st h e s i s ，谢t l lt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gm a i n s t r e a mn n s fa l g o d t h r n ，i ti s i n f o r m e dt h a tt h et h en n s fa l g o r i t h mi sas t a t i ca l g o r i t h m w h e nt h em m e so ft h ep o o l r e g i o nh a v eb e e nu n a b l et om e e tt h es e r v i c ed e m a n da n dh a v et oe x t e n dt h ec a p a c i t y , t h e p r e - s e tc a p a c i t yf a c t o rm u s tb em o d i f i e da r t i f i c i a l l y , b e c a u s et h i ss t a t i ca l g o r i t h mc a nn o t a u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ec a p a c i t yf a c t o ro ft h em m e b ya n a l y z i n gt h ea v a i l a b l ec a p a c i t yo f t h em m e ，an e wm m el o a db a l a n c i n ga l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nt h ep r o p o r t i o no f “a t t a c h m e n tt os e r v i c e i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h i sn e wa l g o r i t h mn o to n l yt a k e si ti n t o a c c o u n tt h a th o wt oa l l o c a t et h eu e sa c c e s s e dt ot h ee n bw i t h o u tc a u s i n gas i n g l em m e o v e r l o a di nt h ee a r l ys t a g eo fs y s t e mo p e r a t i o n ，b u ta l s oc o n s i d e r st h a th o wt ob a l a n c et h e l o a d so ft h em m e sw h e na l lm m e si nt h ep o o la r es a t u r a t e da f t e rt h es y s t e mi sr u n n i n ga l o n gt i m e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tw i t ht h eu e s a c c e s s i n go n eb yo n e ，t h i s d e s i g n e d a t t a c h m e n tt os e r v i c e ”a l g o r i t h mc a l lb ea b l et or e d u c et h eb l o c k i n gr a t em u c h b e t t e ra n db ea b l et or e d u c et h el o s so ft h es i g n a l i n g ，a n dt om a k et h es y s t e mt r a n s m i tt h e s i g n a l i n ge f f e c t i v e l yu n d e rh i g l ll o a dc o n d i t i o n k e yw o r d s ：l t e ；m m e ；si & x 2 ；l o a db a l a n c i n g ；a t t a c h m e n tt os e r v i c e ；a v a i l a b l e c a p a c i t y 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 目前，移动通信技术正在飞速向前发展，并且广泛应用于各领域。并且，随着通信 承载业务的多元化发展和用户对服务体验度的越来越高的要求，用户对更高速率的数据 无线通信的渴求变得越来越强烈，同时对系统更快的响应速度也有着比以往更高的期 望，这就对未来的移动通信发展提出了两个需要同时进行的方向，高速率和低时延。l t e 技术的诞生恰好就迎合了这两个发展方向的要求，其高速的数据传输速率与更低的时延 标准都是其他2 g 、3 g 技术( 如w c d m a ) 无法比拟的。然而，l t e 系统摒弃了电路 域和分组域共存的通信模式，采用单一分组交换模式，话音业务与数据业务共同采用分 组交换，这就为l t e 系统的业务处理提出了一个挑战，在多种业务并存的通信模式下， 如何有效地提高整个系统的吞吐率，使得有限的资源能够更大程度地被利用起来。系统 负载均衡就是其中最重要的一个提高系统效率的手段，但是目前的系统负载均衡都局限 在均衡数据业务上，很少涉及到对信令方面的负载均衡，且很多研究都仅限于某一e n b 之下的负载均衡，为了突破这一技术瓶颈，利用信令控制来实现整个m m e 池区的负载 均衡也成为了一个十分可行的方向。传统负载均衡具有两方面的含义：首先，单个重负 载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总， 返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。其次，大量的并发访问或数据流量分担到 多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间i l j 。在传统负载均衡中，有一部分 研究是基于纳什均衡的方法，通过博弈论的方式让每个小区独立决定负载数量，以最大 化系统吞吐率，其中的博弈规则、对象以及策略都由小区自己决定。这种让小区独立决 定负载并未上升到m m e 层面，虽然从一定程度上节省了链路开销【2 j ，但是却具有相对 的封闭性。还有一些研究是基于小区呼吸技术，通过功率管理来实现负载均衡。此方式 是通过建立中央控制器来管理所有接入点的负载状态，相应地执行功率管理，在分布式 方式下，此方式能避免接入点之间的重复操作和额外的管理信令开销1 3 j 。这种方式主要 是通过研究接入点解决负载均衡问题，进一步引申到利用功率控制来调节小区覆盖范 围，最终达到系统负载均衡的目的。 可以看出，传统的负载均衡是针对业务数据量进行的，大多都是基于一个或几个小 区下，集中在接入网一侧，通过一个控制节点来调节一个或几个小区的负载，并没有上 升到核心网。但是，为了应对未来无线通信系统对高速率低延时的要求，仅仅从接入网 一侧进行负载均衡已经远远无法满足需求，信令的负载均衡则需要核心网的支持，需要 m m e 提供相关协助，这样才能完善信令以及业务的共同负载均衡。 l t e 系统中的m m e 负载均衡是指在系统操作过程中，根据m m e 池区中m m e 的 处理能力来均衡每个m m e 上的负载。其含义是将新接入的u e 分配到池区中的不同 m m e 上。m m e 负载均衡的实现是通过在s 1 接口建立过程中m m e 向其所服务的所有 e n b 发送自身相关的m m e 能力信息，这一能力信息决定着每一个e n b 如何将新接入 的u e 分配给m m e 池区中的m m e 。另外，当池区内所有m m e 都处在过载状态时， 也可以通过增添备用m m e 来均衡负载，而当池区内m m e 都比较空闲时，则可以撤销 备用m m e ，以达到降低能耗的目的。当增添或撤销m m e 时都需要通过s 1 接口信令 通知e n b 。所以，m m e 负载均衡需要相关接口上的信令支持，而m m e 负载均衡的目 的也是为了保证接入m m e 的每一个u e 的信令流程通畅，不会因为单一m m e 过载而 产生信令丢失等情况。 为了使得m m e 负载均衡能够顺利实现，l t e 系统中的各个接口起到了非同凡响 的作用，其中s 1 接口和x 2 接口又直接关系着m m e 负载均衡能否成功实现，在3 g p p t s 3 6 4 1 3 标准中定义了s 1 接口的相关功能，其中就提到有关如何利用s l 接口上的信 令流程来控制u e 向m m e 的接入方式，而t s 3 6 4 2 3 标准则定义了x 2 接口的功能， 这为均衡负载后如何切换u e 提供了理论基础，但是t s 3 6 4 2 3 标准中都仅仅只是涉及 到均衡之前的资源报告的信令流程，对于均衡过程的信令流程并未做特别说明。目前 有部分研究对t s 3 6 4 2 3 标准中关于均衡过程的信令流程做了增添，将标准中没有的均 衡信令流程和自适应信令流程做了增添【4 】。针对m m e 负载均衡算法，目前的主流算法 主要是快速节点选择算法( n n s f ) ，但是这是一种静态算法，无法根据接入u e 的多 少动态调整每一m m e 的能力因子，当接入的u e 过多时会造成能力因子大的m m e 的 负载加重，造成拥塞，导致部分信令丢失。有部分研究是基于负载转移的方面，当某 些m m e 处在高负载状况下时，通过动态调整的方式，将部分u e 转移至低负载m m e ， 这种方式也能有效实现m m e 快速负载均衡1 5 j 。 综上所述，传统负载均衡主要针对的是用户业务数据，并没有考虑到信令方面的 研究，而在l t e 无线通信系统中，m m e 又扮演着十分重要的角色，不光具有移动性 管理的能力，控制e p s 的各种承载，更大程度上是掌控着每一个u e 的信令流程，所 以针对其上的信令负载均衡显得很有必要也十分重要，这在很大程度上影响着整个系 统的吞吐量、资源利用率和用户的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 等性能。 1 2 国内外研究现状 目前国内外在基于s l & x 2 接口的负载均衡方面的研究基本处于空白状态，只有 3 g p pt s 3 6 4 1 3 ，t s 3 6 3 0 0 等标准有少量描述。文献【1 】是有关l t e 演进技术的经典著 作，其中对l t e 负载均衡有少量描述，提供一部分参考。文献【2 】提出了一种移动自组 织网络( m a n e t ) q b 均匀分配业务量、减轻网络局部拥塞的多路径负载均衡方法。多路 径负载均衡方法路径选择标准为链路生存时间、端到端时延和转发路径当前的负载情 况。文献【3 】提出了一种基于小区呼吸技术，通过功率管理的新型负载均衡算法。通过 建立中央控制器来管理所有接入点的负载状态，相应地执行功率管理，因此，在分布 式方式下，此方式能避免接入点之间的重复操作和额外的管理信令开销。由于目前许 多机制都致力于研究通过接入点解决负载均衡问题，而本文通过小区呼吸技术，通过 控制覆盖范围来实现负载均衡，又为这方面的研究提供了新的参考与方向。文献【4 】在 x 2 接口方面对t s 3 6 4 2 3 标准进行了部分填充，将x 2 接口仅支持的负载报告过程进行 了扩展，将整个负载均衡分为：“报告”、“均衡”、“自适应”三个过程，并增添了后两 个过程的相关信令流程，此文献为接口信令如何设计提供了可参考的方向。文献【5 】提 出了一种负载均衡算法，此算法评估了本小区和邻小区的负载情况，还估计了改变切 换参数对负载情况的影响，以此来提升网络的整体性能。同时，还提出了一种发生切 换之后的负载估算方式，此方式是基于信干噪比预计和利用u e 的测量报告来估算。 此文献中对于本小区和邻小区负载情况的估计为本课题中基于x 2 接口实现负载均衡 提供了方式。文献 7 8 】是3 g p p 有关s 1 & x 2 接1 3 i 相关方面的技术标准，其中文献 8 9 】 提到有关s l & x 2 接口负载均衡方面的问题。文献 1 2 1 介绍了文中提出了一种新的基于 终端移动与业务认知的动态负载均衡机制，该机制重点关注业务潜在用户，通过动态 优化的联合业务接入控制，使得每个无线接入点的业务量与其通信资源保持匹配关系， 实现网络的负载均衡。文献【1 3 】基于自主管理技术和博弈理论提出一种自主负载均衡管 理方法博弈分流自主负载均衡法。新方法能解决现有方法中基站交叠面积不受控 和切换机制阻碍均衡行为的问题。文献【1 5 】是关于m m e 负载均衡的，且对本论文具有 较强参考价值的一篇文献，其中提出了在m m e 资源池组网模式下的一种动态负荷均 衡算法，此算法能够快速均衡池区内以及池区间u e 的快速转移，以此来均衡每一个 m m e 上的负载。文献【1 7 】展示了一种基于切换门限自调整的分布式频内移动性负载均 衡策略，此策略能大大降低通话拥塞率，并提高l t e 小区边缘吞吐率。文中仿真结果 显示，即使通过非常简单的移动性负载均衡机制，通话阻塞率和边缘用户吞吐率也可 能获得显著增益。但是结果也指出，对于移动性负载均衡策略来说，即便是在持续比 特流的情况下，物理资源块也并不能足以作为小区负载的指示。文献【1 8 】介绍了一种流 量估算器，其更够基于先前发送的包作出流量计算，也介绍了一种新的模型用于评估 多径路由方式下的负载均衡。与此同时，本文研究了在a dh o c 网络下多径路由用于均 衡负载方面的效果，提出了指数递减的流量负载估算方式是一种通用的流量估算方式。 文献 1 9 】提出了两种流量负载均衡方式用于提升独立载波调度策略的性能，此策略是用 在基于载波汇聚的l t e a d v a n c e d 系统中。一种方式是利用高级用户分配法则，但是此 法则不能从根本上通过连接载波来均衡流量负载，另一种是把部分处在不同工作状态 下的载波连接在一起。仿真结果显示，精心设计的用户分配法则通过连接部分载波能 比简单随机分配法则达到更好的流量负载均衡。此外，在不考虑流量大小和使用的用 户分配法则时，部分载波连接方式能让独立载波调度策略像联合载波调度策略一样达 到性能的优化。文献【2 1 】提出了一种新的基于链路间负载均衡的呼叫准入控制算法，来 避免“虚假拥塞”现象，同时提示网络性能。此算法的目的是均衡异构网络上行链路与 下行链路负载。文献【2 2 】提出了一种新的路由准则用于无线m e s h 网的负载均衡，叫做 期望传输时间一负载均衡，此准则是利用期望传输时间和带宽利用率。这一准则的提出， 主要是因为目前存在的路由协议大多用来简化最短路径准则，假设所有链路质量都相 同，不考虑诸如带宽，丢包率，包大小等。对于无线m e s h 网，只有一部分性能准则会 考虑到不同链路质量，如期望传输时间和期望传输总数，虽然这些准则能提供比按跳 计数准则更高效的性能，但是却没法兼顾无线m e s h 网的骨干特征。文献【2 3 】是一个有 关l t e 系统负载均衡的专利，此专利利用负载均衡事件测量上报，标记满足负载均衡 切换的终端，缩小了查找满足负载均衡切换终端的范围，从而缩短了负载均衡实施时 间；通过周期负载均衡处理和两步负载均衡切换处理，更好地实现了各小区间的负载 均衡，避免了由于负载均衡过程引起的新的负载不均衡，提高了负载均衡收敛速度， 有效避免了乒乓效应。文献【2 4 】是一个有关x 2 接口负载均衡的专利，主要解决长期演 进型系统l t e a d v a n c e d 中负载均衡行为只考虑单一小区的局限性问题。此专利的一个 创新在于涉及到x 2 接口交互不同小区间的负载情况，由此可以引申到m m e 层面的负 载均衡研究，因为一个m m e 下存在多个e n b 。通过上述众多研究文献来看，大部分 对于负载均衡的研究都是集中在3 g 及其以下网络或无线局域网络中，针对l t e 方面 的负载均衡研究数量十分少，而为数不多的l t e 负载均衡的研究文献也主要针对终端 到基站端，即基站上的负载均衡，仅有文献【4 】【5 】涉及到l t e 方面的负载均衡，文献 2 4 】 虽然提到有关x 2 接口的负载均衡但却没有上升到i v t m e 层面，只是局限在不同小区的 e n b 上的负载均衡可以利用x 2 接口交换信息。然而在未来的l t e 、l t e - a 技术中， m m e 扮演着重要角色，m m e 上的负载情况直接关系着整个网络的性能，所以本论文 从这个方面入手，利用s i & x 2 接口，研究m m e 上负载均衡的一系列问题。 1 3 论文研究内容和目的 研究分析现有的无线通信系统中负载均衡算法，结合s i & x 2 接口的特点，通过信 令的交互，快速实现m m e 池区内的每个m m e 的负载均衡，本论文主要的研究内容为： 1 s i & x 2 接口相关信令测试设计及m m e 负载均衡测试系统的构建 构建一个基于s i & x 2 接口，快速实现池区内m m e 负载均衡的信令测试与仿真平 台。本文首先根据现有的3 g p p 标准中s i & x 2 接口相关信令流程，利用相关测试语言 建立基本的s i & x 2 接口信令交互测试与仿真平台。此处的测试语言使用专用通信测试 语言t t c n 3 。然后本文需要根据所设计的m m e 负载均衡方案，研究m m e 负载均衡 所涉及的相关信令流程，完善相关信令系统，使其最大程度上与s 1 & x 2 接口其他信令 流程兼容，从而完成m m e 负载均衡信令交互测试与仿真平台。 2 m m e 负载均衡方案研究 本文基于l t e 现有标准，对现有无线通信系统负载均衡进行学习和分析，借鉴当 前研究系统负载均衡的文献的优点和可取之处，之后设计针对l t e 系统m m e 负载均 衡的相关方案，并针对新的方案改进以及补充s 1 接口和x 2 接口信令系统，同时在所 搭建的信令交互测试与仿真平台中进行仿真模拟。首先，依据现有的3 g p pl t e 相关标 准，分析当前无线通信网络的负载均衡方案，继承其中的优点，为本文对m m e 负载 均衡的研究提供参考。其次，设计l t e 系统m m e 负载均衡算法以及所需要的信令交 互流程。这些信令交互包括过载启动、过载停止、m m e 状态更新、n a s 传输，s 1 建 立等等。在现有l t e 技术规范中，e u t r a n 沿用了u t r a n 控制面与用户面分离的协 议栈模式，l t e 技术规范中规定了l t e 的通用协议栈分为用户面和控制面，其中用户 面主要是负责用户数据传输，控制面负责信令传输。这也使我们可以在对m m e 进行 负载均衡控制时，不造成对用户的数据业务的干扰。 在l t e 系统中，e n b 的相关信令控制是由m m e 来执行，从研究背景中的e u t r a n 框架图能看出，e n b 与m m e 是通过s l 接口连接的多对多关系，这为通过s l 接口实 现m m e 负载均衡提供了理论基础。根据对3 g p p 相关标准中有关m m e 负载均衡内容 的研读，本文主要从以下两个方面来设计m m e 负载均衡方案： 1 ) 分布式分配l i e 法，均衡m m e 负载。当整个系统运行一段时间，处于相对平稳状 态时，对于某一e n b 下新接入的用户，并非直接将其全部接入控制此e n b 的单一 m m e ，而是将接入的用户按一定的策略分配给m m e 池区内的不同m m e 上，以 免造成单一m m e 负载过高而影响整个系统性能。针对每一m m e 上具体负载情况， 在s l 接口建立过程时，m m e 需要将具体容量情况告知每一个与其相连接的e y e 。 在系统运行期间，由e n b 充当中间节点，利用x 2 接口，定时相互交换m m e 的负 载情况，以此决定新接入的u e 应分配给池区内当前负载最低的m m e 。 2 ) 过载检测法，均衡m m e 负载。此方法主要是当系统运行一段时间之后，随着新接 入的u e 数量的不断增加，m m e 的负荷会逐渐增大，当所有与源e n b 相连接的 m m e 的负荷都超过系统设定的负载阈值时，系统会启动过载检测程序，通过x 2 接口获取到与邻e y e 相连接的m m e 的负载情况，然后源e n b 再将满足切换条件 的u e 切换至邻心m ，由邻e n b 将其分配给负载较轻的m m e ，以此来缓解与源 e n b 相连的m m e 的过载状态。 i 4 论文章节安排 本文的其他部分安排如下： 第2 章，首先介绍l t e 的系统架构，然后介绍m m e 在l t e 系统中的功能与作用， 包括安全性管理、承载控制等，最后介绍s 1 接口与x 2 接口在l t e 系统中承担的角色 与相关功能以及这两个接口上的相关信令流程。 第3 章，首先介绍接口信令一致性测试的相关原理，然后介绍整个测试系统的构 建框架、机制，最后介绍m m e 侧发送与接收信令一致性测试的相关技术要求与测试 步骤，包括测试用例的编写、参数类型等，以及e n b 侧的反馈信息以及对整个测试结 果的要求。 第4 章，首先介绍传统负载均衡与m m e 负载均衡的差异，之后介绍m m e 负载均 衡的主流算法实现和所需要用到的s 1 接口与x 2 接口相关信令流程，以及在此基础之 上的针对m m e 负载均衡的一些扩展信令流程。然后本论文提出了一种基于附着服务 比的动态选择算法来均衡各个m m e 上的负载，详细描述了此算法的原理以及整个算 法的流程。最后在相关仿真平台上对此算法进行仿真分析，得出仿真结果。 最后，概括性地总结全文，并指出需进一步研究的问题和需要做的工作。 第二章l t e 系统中si & x 2 接口负载均衡基础研究 2 1l t e 系统网络架构 随着移动通信技术的不断发展，人们对通信可靠性与用户体验也在逐渐提高，这就 对整个通信系统的性能提出了一个巨大的考验，要求更高的数据传输速率、更低的系 统延迟以及更低的阻塞率。所以，l t e 系统采用了更加扁平化的网络架构，如图2 1 ， 在接入网e u t r a n 一侧只设置一个节点，即与u e 相连的e n b ，而核心网e p c 一侧 由服务网关、业务网关和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 ) 共同组成。e n b 与m m e 是通过s 1 接口连接的多对多关系，e n b 之间通过x 2 接口相连，而e n l 与m m e 的多 对多关系就涉及到一种新的组网方式，这种组网方式打破了传统网络中一个无线网络 节点只能连接到一个核心网节点的限制，而是将多个e n l 连接到多个m m e 上，由这 多个m m e 共同组成一个池区，称为m m e 池区，为所连接的c n b 提供服务。 e n b 关 图2 ll t e 接入网架构图 从图2 1 的架构图也可以看出，s 1 接口所连接的核心网一侧包含m m e 与s a e 网 关，与m m e 的连接称为控制面，与s a e 网关的连接称为用户面。在l t e 系统中，呼 叫建立的时延需要比现在的蜂窝系统明显降低。这有两方面的需求，一是提供更加良 好的用户体验，二是最大限度地发挥手机终端的电池寿命，因为让终端从空闲状态快 速地过渡到激活状态能节约更多电量，降低了终端功耗。 从这两个指标可以看出，在数据业务和信令控制上，负载均衡的重要性体现得十分 清楚，未来的无线通信目标也是尽可能地降低时延，所以对于负载均衡的研究不会一 劳永逸。和以往任何蜂窝通信系统采用的电路交换模式不同的是，l t e 系统只支持分 组交换业务。其目的是让分组数据网络与用户终端( u e ) 间建立无缝相连的移动i p 。 l t e 既包含了无线接入技术的演进，同时也包含了系统架构的演进( s a e ) ，即演进后 的分组交换核心网( e p c ) 。l t e 和s a e 共同构成了演进型分组系统( e p s ) ，一个e p s 承载是分组数据网网关和u e 间满足定服务质量的i p 流【6 1 ，如图2 - 2 所示，其为整 个e p s 承载服务架构。 卜一e - u t r a n t i 一一e p c 卜i n t e r n 刊卜一 图2 - 2e p s 承载服务架构 另外，用户的安全性和私密性通常是通过几个承担不同角色的e p s 网元来实现的。 如图2 3 所示，其包含了系统网元以及标准化的接口。 图2 - 3e p s 网元图 在高层，l t e 网络是由核心网( e p c ) 与演进型接入网( e u t r a n ) 共同组成。 核心网由多个逻辑节点组成，而接入网一侧只有一个节点，即与u e 相连接的e n o d e b 。 所有的网元都是通过不同的接口相互连接，通过对各个接口的标准化即可满足不同供 应商的产品之间的互操作性，使得通信运营商可以从不同的产品供应商处获得不同的 网元产品，使之相互兼容。 e u t r a n 与e p c 功能分布如图2 4 所示。 e n b 小n f 司r r m r b 控制 i 连接移动性控制 无线准入控制 e n o d e b 测量配置和规定 动态资源分配 调度器) ：r r c p d c p 1 1 r l c i m a c p h y 2 2s l 接口协议分析 s 1 m m e n a s 安全性 空闲模式处理 e p s 承载控制 s - g w 移动性锚链 图2 - 4e u t r a n 与e p c 功能划分图 s 1 接口是将e n b 连接到e p c 的接口，根据连接到e p c 不同网元的区分，s 1 接口 又被分为连接到m m e 的s 1 m m e 接口，用于控制面操作，和连接到s - g w 的s 1 - u 接口，用于用户面操作。以下将详细讨论有关s 1 接口的协议结构和s 1 接口的相关功 能。 2 2 1s 1 接口协议结构 s 1 接口的协议结构是基于全p 协议栈的，不依赖于传统的n o 7 信令系统的网络 配置，这一改变也为l t e 的网络部署节省了费用。 1 。用户面协议结构 l u 8 e r p e p d u s jl 1 r g t p u u d p i p d a t al i n kl a y e r p h y s i c a ll a y e r 图2 7s 1 u 用户面协议栈 s l 用户面接口( s 1 u ) 是定义在e n b 和s g w 之间的。s 1 一u 接口提供了e n b 与 s - g w 之间用户面p d u 的非保证传输。如图2 7 所示为s l 接口的用户面协议栈，此协 议结构基于u m t s 网络中的g t p u d p 协议栈。传输网络层是建立在口传输之上的， g t p u 处在u d p i p 层之上，用于承载e n b 与s g w 之间的用户面p d u 。 为了支持3 g p p 内部的移动性，l t e 系统使用了g t p 用户面。另外，对于用户面 协议栈来说，m 版本号和数据链路层是任意选择的。 2 控制面协议结构 i s 1 a p i jl 1r 图2 8s 1 m m e 控制面协议栈 s 1 控制面接1 2 1 ( s 1 m m e ) 定义在e n b 和m m e 之间。如图2 8 所示为s 1 接1 ：3 的 控制面协议栈。传输网络层同样是建立在口传输之上，与用户面类似，但是为了使得 信令消息能够可靠地传输，控制面协议栈在i p 层之上添加了s c t p 层。 s c t p 协议由于延续了t c p 的优秀特点，除了可以保证所需信令消息的可靠传输， 还可以实现多流处理，可以避免“头行堵塞 和“多重寻址 。 2 2 2s 1 接口初始化过程 本论文主要研究的是在e n b 分配l i e 下的m m e 负载均衡过程，m m e 过载时的负 载均衡过程做次要研究。由于分配u e 时的均衡过程需要s 1 接口信令中的三个主要信 令流程：s l 接口建立、n a s 传输中的初始u e 消息传输、u e 上下文建立。故下述这 三个信令流程的基本信息。 s 1 接口的初始化分两个步骤，首先是鉴别与e n b 相连的m m e ，之后是建立传输 网络层( 耵儿) 。此时的m m e 鉴别，主要是通过获取m m e 的容量大小，为之后选择 u e 所接入的m m e 做铺垫工作。 由于l t e 系统具有s 1 f l e x 功能的支持，所以，一开始，e n b 先要向与其相连的池 区中的每一个m m e 初始化一个s 1 接口。初始化的相应远程i p 地址和池区中的m m e 列表可以在网络部署的初期由e n b 配置，也可以用其他方式产生。之后，e n b 便会利 用这个p 地址建立t n l ，每一对e n b 和m m e 之间只建立一个s c t p 组合。 当t n l 建立成功后，用于系统操作的基本应用程序配置数据便可以通过由e n b 发 起的“s 1 建立”流程实施交换。在m m e 负载均衡的过程中，通过“s 1 建立”流程交 换的数据主要是m m e 的容量大小。这一流程与早期的系统常用人工手动配置相比可 以减少通信运营商在数据配置上的人力财力投入。并且，这一流程也成为l t e 系统所 提供的网络自配置的实例。 另一个可以通过“s l 建立 流程实现自动配置基本数据的实例便是跟踪区域标识。 因为跟踪区域直接对应于u e 寻呼区，并且其与e n b 的映射关系必须与e p c 和 e u t r a n 的映射保持一致，所以，这些标识对于系统运行来说显得异常重要。因此， 只要在每个e n b 节点内配置完成所有跟踪区域标识，这些标识便会在“s 1 建立 流程 中自动发送给池区中的相关m m e 。一旦“s l 建立”流程完成，即可使用s l 接口。 2 2 3s 1 接口初始u e 消息过程( n a s ) n a s 传输过程的目的是在s 1 接口上提供u e 到m m e 之间的信令传输，n a s 消息 不被e n b 解析，e n b 只负责在u e 与m m e 之间透明传输n a s 消息。这个过程可以使 用现存的u e 相关s 1 逻辑连接，如果没有现存的u e 相关s 1 逻辑连接则在这个过程中 建立一个连接。 当e n b 已经从无线接口收到第一个u l n a s 消息，要转发给没有该u e 对应的u e 相关的s 1 逻辑连接的m m e 时，e n b 将调用n a s 传输过程并向m m e 发送包含n a s 消息( 作为n a s p d ui e ) f 拘i n i t i a lu em e s s a g e 。e n b 将为u e 分配一个唯一的e n b s 1 a pu e 标识，并将该标识包含在i n i t i a lu em e s s a g e 消息中。此过程是向m m e 提供需要接入的u e 相关信息。 2 2 4s 1 接口上下文管理过程 在每一个m m e 池区内，为了让驻留在该池区的u e 能与某特定的m m e 关联起来， 需要在此m m e 中为u e 创建一个上下文。这特定的m m e 是在u e 进入到该池区时， 由与其相连接的e n b 根据“节点选择功能 实现的。节点选择功能，在目前的标准中 使用的是静态算法，主要根据m m e 自身容量大小来设置容量因子，优先将u e 接入容 量大的m m e ，节点选择功能能在系统运行初期快速填充容量大的m m e ，使得系统初 期负荷得到快速均衡，但是随着系统运行时间的增长，静态选择功能容易造成单一 m m e 过载，这也是本论文集中研究，需要改进此功能的地方。将静态算法动态化，达 到m m e 负载均衡。 当某一u e 在小区覆盖区域从空闲态转变为激活态时，m m e 会向与此u e 相连接 的e n b 发送“初始上下文建立请求 ，如图2 - 9 所示，让e n b 创建此u e 的上下文， 以便管理激活状态下的u e 行为。当u e 重新回到空闲状态时，m m e 会向e n - b 发送“u e 上下文释放 消息，e n b 响应后，其中的l i e 上下文随之被清除，仅在m m e 中保留 u e 上下文，以便下次使用。只有当e n b 创建上下文成功后，u e 才算成功接入m m e ， 负载分配的流程才算结束，整个节点选择功能到此才成功完成。但是此时的m m e 负 载均衡仅是e n b 分配u e 时的负载均衡，而不包含m m e 过载之后的负载均衡。本论 文也主要集中研究e n b 分配u e 下的负载均衡。 2 2 5s l 接口上负载管理 图2 - 9 初始上下文建立流程图 s 1 接口上的负载管理流程分为三种：1 分发业务时的“负载均衡”过程，2 克服负 载填充过程中突发峰值的“过载流程”以及部分或完全卸载m m e 的“负载在均衡 过程【。7 1 。 m m e 负载均衡的目的是根据m m e 池区中每一m m e 的自身能力，公平地向m m e 分配接入的u e 引。m m e 负载均衡通常是利用“快速节点选择( n n s f ) ”功能实现， 此功能作为s 1 f l e x 功能的一部分，被置于每个e n b 之中。如果在系统业务开始之初， e n b 可以事先根据每个m m e 的能力获得一个权重因子，则在分配u e 时便可以对 n n s f 进行加权，不需要进一步操作便可以实现m m e 间达到统计均衡的负载分布。当 然，利用n n s f 进行节点选择仅仅限于普通理想状态，对于某些特定场景，仍然需要 进一步操作才能更好地实现m m e 负载均衡。 1 ) 当遇到预料之外的负载高峰时，过载的m m e 便会通过s 1 接口向e n b 发送“过 载 消息，告知接收消息的e n 8 需要临时性限制某些业务的进行，m m e 可以 定义限制业务的类型和进行临时性业务限制的e n b 数量。 2 ) 当新的m m e 引入或移除时，相应地此m m e 需要临时增加或减少加权因子， 使其可以优先承载更多或更少的业务，直到池区的m m e 达到稳定的负载水平。 3 ) 当m m e 使用再均衡功能时，m m e 会快速卸载部分或全部l i e 。此功能通过 u e 释放指令中s 1 接口相关的“原因值强行将u e 连接到另一m m e 上。此 过程可以用于处在空闲态的u e 上，也可以用