LTE系统的移动负载均衡技术

LTE系统的移动负载均衡技术摘要在本文中我们提出的仿真结果表明，一个基于自动调节切换门限的简单的分布式同频负载均衡算法能显著降低LTE(Long Term Evolution,长期演进)网络中的呼叫阻塞率，并提高蜂窝边缘的吞吐量。【关键词】LTE 负载均衡 切换 SON 无线电资源管理(RRM)简介负载均衡的描述为，将过载小区的负载分配给轻载的相邻小区使整个网络的无线资源运用更有效率。在本文中，我们所关心的是同频负载平衡机制，它在几分钟或几小时内测量反应时间，并能在长期演进网（LTE）中以最低的额外信令实现。有很多方法可以重新分配小区之间的负载。一种方法是通过修改导频功率来调整小区的覆盖范围1。一个更强的导频功率实际上可以允许更多的远距离的用户进入小区，从而达到增加覆盖范围的目的。然而，自动调节小区覆盖范围冒着可能会造成覆盖漏洞的风险。另一种重新分配小区负载方法是修改两个相邻小区之间的切换区域。这种方法被称为移动负载均衡（MLB）。移动负载均衡的规则是一偏置切换测量值来调整切换区域，致使超载小区的边缘用户切换到负载较轻的相邻小区，从而提高资源的利用效率2。其结果是在呼叫阻塞率的降低和蜂窝边缘的吞吐量的提高。由于小区间负载分配自动的被完成，这种技术是自组织网络（SON）算法的一种。本文的结构安排如下：在第二节中将介绍一个简单的分布式负载均衡算法；在第三节中，将介绍一个仿真模型并给出仿真结果；最后的结论将在第四节给出。移动负载均衡根据文献3，切换可以被许多事件所触发。在这篇文章中我们只涉及一个特定的事件，这个事件被称为事件A3，触发事件A3是当一个特定用户检测到一个相邻小区的信号质量比当前服务小区的好时进行切换触发。这个触发条件可以被描述为公式（1），其中i和j分别是当前小区和相邻小区，Mi和Mj分别是用户测量到小区i和j的信号强度，和分别是小区i和j的频率fi与fj的频率偏移，是服务小区的小区偏置，是小区i对j的小区偏置，和分别是一个滞后术语和一个固定的偏移量。Mi的测量值可以是一个单位为dBm的参考信号接收功率的形式，或者是单位为dB的参考信号接收质量的形式4。在本文中我们只考虑同频切换，在这种情况下，公式（1）变换为公式（2）。从公式（2）可以看出，通过增加偏移，小区i的移动用户可以切换到相邻小区j，从而减轻小区i的负载。 在本文中，基于小区负载测量，我们通过自动调整参数来进行负载均衡。我们可以通过一个简单的方法来达到这个目的，如公式（3）所示。 其中是偏移量步长，Pi和Pj分别是小区i和j的负载量，Pth0是一个触发负载均衡的预定义门限，所有 都初始化为0。定期更新(3)的应用,以应对每个小区新的负载测量值。因此，这个方法适合于分布式的实现，其中每个小区和相邻小区交换负载测量值和偏移值。公式（3）的一个特性是偏移量总是对称的，如= 这点对于确保用户从一个小区切换到另一个小区然后再切换回去（就是防止乒乓切换）是很重要的。为了应用公式（3）的更新，小区负载的测量是必须的。一个简单的方法来测量负载就是计算小区中物理资源块（PRBs）的平均使用率，如公式（4）所示。这里是在一个测量周期T内分配给持有者K的物理资源模块的总数，K系统带宽中的物理资源模块的总数，而它们的总和是执行所有持有者连接到小区i在测量周期内。注意，Pi实在一个范围值以内的，。用这个方法的问题是，PRB的利用率不是总是一个小区实际负载很好的体现。如果有非法的持有者连接到小区，PRB的利用率可能看起来总是很高，因为调度程序将分配小区内任何空余的资源给这些用户。即使在总带宽负载的情况下，一个高的PRB的利用率可能不是一个高负荷的可靠指标，因为它可能会有效的运用PRB在分组延迟略有增加的情况下，同时还能实现所有连接用户的QoS请求。通过考虑到所有连接者的QoS请求，我们可以得到一个更有用的负载测量值，如公式（5）所示。这里是持有者K在周期T内取得的吞吐量，是持有者K承载它的QoS请求所需的平均数据传输率5（在非法服务的情况下,代表一个“等价的GBR”，既是对于一个非法用户来说，最低吞吐量是可以被接受的）。是一个正实常数（通常约为2.0）用来保证负载在一个合理的数量之下，万一由于一个特定用户恶劣的无线信道质量变得非常低。数值计算结果A. 仿真模型模拟是用来评估所提出的在一个LTE网络下负载均衡方案的性能的。主要模拟参数列于表1，我们假设数据流以每个用户64kbps的速度传输，平均通话时间为3分钟。负载均衡的相对缓慢的行动意味着需要长时间的仿真来研究它的行为。我们模拟了周期为4小时，小区为21个的网络，其中小区偏置每60秒更新一次。对于这种规模的仿真，完全模拟MAC的调度，RLC、HARQ和物理层将变得非常复杂。作为替换，我们用一个简化的模型如下面所描述。在每个框架中，每个用户的值都用公式（6）进行计算。公式中是热噪声谱密度，是用户K和小区j之间的平均路径增益，P是小区发射功率，i是服务小区给用户K的指数，是代表用户K与小区i之间瑞利衰落的几何分布随机变量平均值。值是在查表的基础上通过链路级仿真映射到一个调制和编码方案（MCS）上，以达到一个瞬间可实现的数据率。这是一个公平按比例调度计算出来给每个用户的，如公式（7）所示。其中=1.5是一个确定的参数，是用户K得到的平均吞吐量。在每一个小区中，每个接入用户都以依次排序，每个用户都根据需要分配PRB来腾空队列直到说有用户都得到服务或者所有PRBs都被应用。每个小区都有一种准入控制机制6，当负载测量值达到0.7是阻止行的接入，并试图阻止切换当负载测试值到达0.8，拥塞控制机制7还包括阻止当测量值达到0.9时的掉话问题。呼叫到达被模拟为一个泊松过程，并模拟了非均匀分布的地理交通的影响。根据下面的思想我们假设新的呼叫发生在群集位置，在任何给定的时间这里终会有同样数量的。每个群集的存在都是有固定期限的，当一个群集达到一个新的群集，它将在任何位置取代新的群集。每个群集呼叫到达率随着时间从0到增长最大值在时间/2时，然后再慢慢降低到0。通话到达率的峰值是不变的，对所有的群集也一样。该集群的生命周期以 /偏移，从而确保在任何时候呼叫到达率的总和在所有群集中保持不变（例如，整个网络的平均呼叫到达率在整个仿真过程中都保持不变）。新的用户的位置是通过添加一个随机位移到原群集的中心位置而产生的，这个位移是通过二维正态分布产生的，环绕也是被考虑的。该模型产生一个提供不断的逐渐改变的通信量分配，同时维持整个网络的一个恒定的平均呼叫到达率。速率的变化是由参数管理的，我们将之设置为2小时（经过2个小时的周期循环，所有原有的的群集都将被取代，通信量分布也将完全被改变）。传输的自由度的定位是由群集半径所判定的，例如，在新用户的位置之间的r.m.s距离和原群集的中心位置点。为了方便讲解，图1显示了在第一个15分钟模拟中生成用户的位置点，其中=32，群集半径从25m到100m。B. 结果在第一组的模拟结果中，群集半径固定为100米，模拟是在不同平均呼叫到达率的情况下进行的，因此我们提供的每个小区平均负载从1Mbps到4Mbps变化。我们比较在没有移动负载均衡，移动负载均衡基于PRB的利用率和PRB基于负载等情况下的各种结果。图2到图4 显示了作为提供负载功能的话阻、掉话和切换失败的概率。正如所料，由于所提供了负载的增加，产生阻塞的可能性大大的增加了。然而，以负载为基础的移动负载均衡与其他方案相比，大大降低了话阻的可能性。基于PRB的利用率的移动负载均衡的效果很不理想，事实证明，PRB的利用率不是一个实际小区负载的可靠指标。通过偏置切换决定，当它们接收到的目标小区无线信号不好时用户将被切换，从而增加了掉话的风险系数。然而，如图3所示，移动负载均衡操作引起的掉话率变化很小（通过调整最大偏移参数的手段，改善后的话阻和恶化的掉话之间的交换可以被调整）。如图4所示，基于负载的移动负载均衡在中等负荷的情况下，大大的减少了切换失败的概率，但是在高负荷的情况下，切换失败的概率有所增加。如图5所示，在中等负荷的情况下，以负荷为基础的移动负载均衡增加了当前用户5%的吞吐量，却对用户平均吞吐量没有多大影响。在两个超负荷和轻负荷的情况下，移动负载均衡显示对系统没有什么好处，因为在这些情况下，小区之间的负载变化通常都没有大到触发移动负载均衡的程度。如图6所示，小区负载的CDF聚集在所有小区和整个仿真的过程中，以提供平均2.5Mbps的速率给每一个小区。正如预期的那样，移动负载均衡再一个比较窄的CDF范围之内（即更均匀地分布负载），但是平均负荷值变得更高了。平均负荷值的增加是因为移动负载均衡操作是的小区边缘的用户过早切换到相邻小区，导致目标小区的无线信号条件更糟。这不会导致小区吞吐量的损失，因为它被更加均匀分布在小区里的用户更好的补偿了。在第二个实验中，提供的平均负载值被设定在每个小区2.5Mbps，群集的半径方位则被限制在25m到400m之间。图7到图9显示了在群集半径不同的情况下，没有移动负载均衡操作和有基于负载的移动负载均衡操作下，各话阻率、掉话率和切换失败概率的情况。这些结果表明，如预期的那样，随着群集半径的增加，移动负载均衡操作的效益慢慢减小，由于大量的群集使得流量的分布更加的均匀，这使得小区间的负载分布更加的均匀。另一方面，少量的群集产生一种高度不均匀的流量分布，从而创造了小区之间更大的负载差异。在这些结果中，更好的移动负载均衡操作效益也可以发生在小规模的群集之中，即使在这种情况下，移动负载均衡操作的效益很显然的依赖于该集群相对于小区切换边界的确切位置。结论在本文中，模拟仿真是为了调查LTE网络中移动负载均衡操作的效益。虽然这需要做更多的工作，但是结果表明，即使运用一个简单的移动负载均衡机制，大大的改进话阻和边缘用户吞吐量也是有可能的。然而，这也表明了PRB的利用率并不是小区对移动负载均衡评价的完全指标，即使是在恒定比特速率业务的情况下。致谢TML作为NEC公司的全资子公司，作者在此感谢他们的建设性意见和日本NEC公司的建设性意见。参考文献1 K. A. Ali, H. S. Hassanein, and H. T. Mouftah, Directional Cell Breathing Based Reactive Congestion Control in WCDMA Cellular Networks, in Proc. of IEEE Symposium on Computers and Communications, July 1-4, 2007. 2 R. Nasri and Z. Altman, “Handover Adaptation for Dynamic Load Balancing in 3GPP Long Term Evolution Systems”, Proc. of International Conference on Advancnes in Mobile Computing & Multimedia (MoMM), Dec. 2007. 3 TS 36.331 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification (Release 8). 4 TS 36.214, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer Measurements (Release 8). 5 TS 36.413, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) S1 Application Protocol (S1AP) (Release 8).6 R. Kwan, R. Arnott et al., “On Radio Admission Control for LTE Systems”, Proc. of IEEE Vehicu