异构无线网络负载均衡控制策略与算法分析

1、第一章引言自上世纪末以來，面临互联网的严峻挑战，通信网经历了历史性的变革，确定了以ip 为核心的下一代网络(ngn)的演进方向。多年来，ngn技术不断发展和完善，其核心 目标就是借鉴和继承互联网和传统电信网技术，摒弃按业务构建网络的传统思路，实现可 运营、可管理、可赢利的网络融合。其发展历程包含两个层面的融合，首先是网络层面的 融合，众多分离的业务网络通过网关接入ip分组网络，最终目标是一个统一的全ip网络， 该网络利用移动ip (mip)技术支持用户的全球移动性。其次是更深层次的业务融合，通 过引入信息网络的中间件技术和api技术，实现通信网的开放和网络层与业务层的分离， 最终目标是一个全业

2、务的ip通信网。各种宽带无线接入技术不断出现，由于其优异的性能和相对低廉的成木正日益受到市 场的青睞，得到非常广泛的应用，形成了覆盖范围越来越广的包含多种无线接入技术的异 构无线接入环境。未来多无线电环境的异构性体现在三个方面。首先是无线接入技术(rat) 的异构性。近年来业界提出了许多富有竞争力的rat,它们采用不同的技术、呈现不同的 性能、面向不同的应用、覆盖不同的范围，典型的技术包括2g/3g/e3g、wimax、wifi、 uwb、bluetooth等，按其作用范围划分分别属于wwan、wman、wlan和wpan技 术。其次是组网方式的界构性。除了经由bs/ap接入的单跳式无线网络以

3、外，还有多跳式 的无线自组织网(manet)和网状网，这些网络覆盖范围可能互相重叠，面向不同的应 用场景或互补组网，其中多跳网络除了物理层和链路层技术以外，还有其自身的路由技术 和分布协同的控制方式，和依赖于基础设施集中控制的蜂窝通信网有很大的不同。第三是 通信终端的异构性。由于业务应用的多样性以及ic技术的不断提升，通信终端已从常规 的便携式电脑、手机等扩展到各种类型的信息终端、娱乐终端、移动办公终端、嵌入式终 端等，它们具有不同程度的智能，就异构网络融合而言，这些终端必须是多模终端。显然， 要将这样的异构接入环境融合成为一个统一的系统，有许多值得研究的技术热点。1.1课题背景无线业务迅速增

4、长，各种无线标准与网络相继出现，有许多适用于不同领域的宽带无 线标准，涵盖了小型无线家庭网络、wlan、wimax、无线广域网等多个方面。下一代 的无线网络环境是宽带移动无线接入和界构分布的网络，是各种无线接入技术(geran、南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言utran、e-utran. wlan、wtmax等）、多类业务并存与融合的异构型混合网络。 不同接入技术互联互通，系统将演化为基于公共核心网的“全ip"网络，同时用户终端也向 多种无线模式配置演化，可以工作在不同制式的网络。在异构融合网络的系统中，用户基于统一综合的网络平台，通过不同的终端进行通信, 任何时候、任何地点

5、都可以享受无缝的通信服务，目前对异构网络融合的研究主要集中在 以下几个方面：（1）垂直切换技术：现有水平切换的准则均为无线信号的质量，且实际应用大多为 最简单的信号强度准则。但是在多无线电环境下，不同无线接入系统的覆盖范围往往是重 叠的，引起切换的原因除了信号下降以外，还可能是岀于改善性能、负荷均衡等多种因素 的考虑。在涉及白组织网络的情况下，除了链路层的因素以外，还需考虑白组织网络的路 由问题。因此，垂直切换本质上是一个多判据的决策优化问题，不但涉及多个无线接入系 统，而且涉及无线链路、网络层、管理平面等多个层面，远较水平切换复杂。（2）融合网络qos保障技术：任何通信网的基本功能归根结底就

6、是为应用提供可 靠、安全和可信的连接，确保应用的服务质量（qos）。这样的qos保障是端到端的，其 实现需要从底层直至应用层的多层协作，以及传送、控制、管理平面的多平面协作。目前, 对于面向固定网的ngn的qos研究己经取得比较多的成果，但是对于涉及无线接口的端 到端qos问题还有待研究解决。首先，由于无线链路的i古i有质量缺陷，无线接口通常是 qos的瓶颈，特别是在多无线电异构接入环境下，垂肓切换过程中的性能下降将会严重影 响通信质量，因此qos应是切换技术研究需要考虑的重要因素。其次，原先针对固定网 络环境设计的传输层技术直接用于无线网络环境将会有严重的问题，特别是tcp协议，由 无线传输

7、和接口切换引起的丢包和时延导致的虚假拥塞将触发tcp的慢启动过程，致使 qos进一步恶化。对此，学术界作了很多研究，提出了改进技术。（3）终端重配置技术：异构融合网络中的终端应具有支持多种无线接口的能力，并 体现跨层优化的技术，一般文献上均假定其为能接入多个无线网络的多模终端。为了能更 灵活地自适应多无线电环境，接入未知的异构网络，近年来国际上开始硏究将软件无线电（sdr）技术引入无线终端和网络设备的开发，提出可重配置终端的概念。进一步考虑， 为了能充分利用共享的无线资源，提升异构无线网络系统的容量，又将重配置概念引入网 络，提岀了网络重配置的概念。终端重配置和网络重配置的引入无疑将提高异构网

8、络的灵 活性和有效性，它们构成异构网络融合的一个重要的前沿研究内容。（4）联合无线资源管理技术：联合无线资源管理包括准入控制、负载均衡、分组调 度、动态信道分配、功率控制、拥塞控制等，相关算法的研究与实现一直是工业学术界的南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言热点研究领域。当前，异构网络的联合无线资源管理的研究已经吸引了广泛的关注。在联 合无线资源管理的研究中，异构无线网络中的负载均衡和联合接纳控制一直是学术界的研 究热点，而这两点也正是木论文研究的主要内容。12研究意义因为每种无线接入技术都存在一些固有缺陷，例如蜂窝网的小区干扰、wlan覆盖范 围有限、各种无线网络可能存在着通信盲区等等，

9、因此未来的网络强调不同系统之间的互 联互通，以保证用户能够跨过这些异构的无线接入技术实现漫游。在当前以及未来各种无 线网络并存的环境中，不同的无线接入技术在网络覆盖、业务支持能力、使用成本上都有 很大的差异，而h不同的业务对qos有着不同的要求。因此运营商必须要对整个系统进 行优化控制，合理分配网络业务负载。在异构无线网络环境中，一个必须要考虑并解决的关键问题是：如何使任何用户在任 何时间、任何地点都能获得具有qos保证的服务。异构无线网络的优化资源分配以及网 络负载均衡问题使得异构网络中具备qos保证的关键技术研究变得非常必要，已成为下 一代网络技术研究的重要方面。冃前研究主要集屮在接纳控制

10、、垂直切换、异构网络资源 分配和网络选择等资源管理算法上面。传统移动通信网络的资源管理分配算法己经被广泛 研究并取得了丰硕成果，而在异构无线网络系统屮的资源管理以及负载均衡问题由于各网 络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性以及不确定性，给课题的研究带来 了很大的挑战。3gpp组织对自组网络(son, self-organized network) r，1的研究中，把son的主要功 能 划分为自配置(self-configuration)> 自优化(self-optimization)和自恢复(self-healing) 三个方面，而把负载均衡归属于自优化中的与切换相关的一个很

11、重要优化问题进行研究。在下一代无线网络中，负载均衡策略对于提高整个异构无线网络的资源利用率以及为 用户提供qos保证具有至关重要的意义。尽管各种单一的无线接入系统屮的负载均衡策 略的设计目标是相似的，但是当这些无线网络融合成一个统一的网络时，如果不对系统中 原有的负载均衡策略进行联合管理与协调，那么就会降低无线网络的资源利用率和移动用 户的qoso因此为了在异构无线网络中充分利用各系统无线资源和向用户提供qos保证， 对异构无线网络的的融合及负载均衡机制的研究是非常有必要的。在通信热点地区，可能会出现用户业务比较密集，业务流量较犬，新呼叫的阻塞率或 者切换失败率以及掉话率很高的情况，而对于非热

12、点小区，可能会出现业务流量很低，资源过剩的情况。这样整个系统资源并未充分利用，而且没有为用户提供很好的服务保证， 因此造成系统资源利用率很低，整个系统性能下降。因此，通过引入负载均衡机制，在重 载小区和轻载小区之间进行合理的均衡，在用户期望的qos水平依然被满足的情况下， 可以改善服务等级(gos, grade of service)参数，如阻塞率和掉话率，从而提高异构无线 网络系统的资源利用率，增加网络容量，为用户提供更好的服务，提高系统的整体性能。 因此对负载均衡控制机制和算法的研究有着很大的实际意义。1.3论文主要内容和本人主要工作木课题来源于国家自然科学基金项目基于跨层跨系统合作的异构

13、网络融合关键技术 研究下的子课题“异构网络联合无线资源管理相关技术研究”。研究目标是通过对当前异 构融合无线网络无线资源管理及son中负载均衡相关机制的研究，以及对负载均衡控制 策略和算法的总结，提出自己的负载均衡机制和算法，以提高异构无线网络系统的资源利 用率，增加网络容量，为用户提供更好的服务，提高系统的整体性能。该选题的研究内容 是深入了解当前多种无线网络并存的架构，认真学习无线资源管理尤其是负载均衡机制等 相关内容，了解802.21> lte/sae提出的异构网络架构标准，以及son中提出的负载均 衡机制，调研和总结学术界有关学者提出的无线资源管理及负载均衡控制策略和算法，最 后

14、提岀适合界构无线网络的负载均衡机制或算法，并给岀仿真结果。研究过程分为以下四 个阶段：第一阶段，研究总结lte/sae和802.21提出的异构网络融合架构。第二阶段，研究 总结无线资源管理中的负载均衡、垂直切换以及负载均衡的概念以及它们之间的相互关系。第三阶段，研究负载均衡的机制和方法。第四阶段，提岀适合于异构无线网络的负载均衡算法和机制，并对所提算法和机制进 行仿真。论文结构安排如下：第二章主要介绍当前3gpp组织以及802委员会对异构网络融合所作的研究以及他们 分别所提出的基于3gpp核心网的和基于802.21协议的异构网络融合架构。第三章主要介绍无线资源管理的相关概念，总结负载均衡的各种

15、实现架构、机制和方 法。第四章提岀异构无线网络中基于强制切换的负载均衡机制和算法，并对所提算法进行南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言了仿真验证和分析。第五章提出异构无线网络中基于负载均衡的联合接纳控制机制，并对 提出的机制进行仿真验证和分析。第二章异构网络融合架构研究21概述下一代异构无线网络环境是各种无线接入技术的异构融合环境，强调不同系统之间的 互联互通，以保证用户能够跨过这些异构的无线接入技术实现漫游，保证任何时候任何地 点能够为任何用户提供任何服务。对于应当采用何种方式实现异构无线网络的互联互通， 不同的组织提出了不同的解决方法o3gpp通过把各种无线接入技术都接入到3gpp的核

16、心 网来实现互通，而802.21则给出了与接入技术无关的异构网络融合策略。在保持现有无线网络结构完整性的基础上，通过增加某些中间节点可以实现异构网络 的互联互通，根据增加屮间节点的位置不同，异构无线网络的融合模式可以分为紧耦合模 式和松耦合模式两种。所谓紧耦合模式，就是在网络融合中，使一个网络(如网络a) 完全成为另一个网络(网络b)的一部分，在结构上，仅增加少量网元或在现有网元上仅 增加必要的功能模块以实现两个网络的互通；在功能上，使网络a实现接入网络b所支持的 所有功能；在管理上，这两个网络可以位于同一个管理域，由同一运营商统一维护和管理。 所谓松耦合模式，就是两个网络的互联互通需要第三方

17、网络辅助完成，在结构上仍然保持 各自独立的网络结构和协议。3gpp提出的异构网络融合方案，把各种非3gpp接入网络(wimax、wlan等)都 接入其核心网，因此属于紧耦合模式的融合方案。而基于ieee 802.21的融合架构是媒体 独立的融合架构，则属于松耦合模式，接下来2.2和2.3节中将对这两种融合架构进行详 细介绍。2.2 3gpp提出的异构网络融合架构3gpp将无线接入网分为3gpp网络和非3gpp网络。其中，gsm/gprs、 wcdma/td-scdma及lte接入到演进分组核心网(epc)称为3gpp接入方式；非 3gpp接入方式则主要包括1eee8021 ( wlan )、i

18、eee802.16 ( wimax )以及 cdmalx、cdma2000 等接入类型"j业务架构演进(sae, service architecture evolution)是3gpp的一个研究项目，目标 是为3gpp系统向高数据率、低延迟、针对分组优化的演进开发一个支持多射频接入技术 (rat)的系统架构，该架构应支持多种无线接入技术接入一个统一的核心网，并支持它们之间的无缝漫游与切换，保证业务的连续性。文献6中对3gpp提出的异构网络融合架构进行总结，具体如图21所示:非3gpp接 入图21 3gpp提出的异构网络融合架构 从该架构我们可以看出，3gpp 除了支持 3gpp 接

19、入网（geran、utran、e-utran）接入它的核心网epc之外，还支持非3gpp接入网如wimax、wlan等接入其核心网， 这是一种紧耦合的异构网络融合模式。在3gpp核心网中，有三个重要的功能实体：mme、s-gw和pgw,这三个功能实 体的功能分别为：mme负责与用户和会话管理有关的控制平面功能；s-gw是连接 e-utran的分组数据接口的终点。当移动终端在e-utran中的不同基站z间移动时， 服务网关用作本地的移动锚点，当终端在e-utran与其他的3gpp网络间移动时，分组 通过服务网关进行路由；p-gw （分组数据网关）是连接外部分组数据网络的锚点，还支 持策略增强功能

20、以及分组过滤和增强计费功能。对于架构中的各个接口及其功能，具体描述如下：s1：位于mme/s-gw和e-utran之间，支持e-utran和epc之间的控制平面业务。 s2a：在pdn-gw和可信任的非3gpp ip接入之间，给用户平面提供相关的控制和移动性 支持。s2b：在epdg和pdn-gw之间，给用户平面提供相关的控制和移动性支持。s3：位于mme和2g/3gsgsn之间，支持以空闲状态或激活状态在系统间移动的用户和 承载信息的交互。s4：位于sgw和2g/3gsgsn之间，支持系统间移动的用户平面数据传输。s5：位于s-gw和pdn-gw之间，支持承载管理和用户平面数据隧道传输。s6

21、a： mme和hss之间接口用于认证和授权。gx：位于pdn网关和pcrf之间，支持从pcrf到epc的策略和计费规则传递过程。s11：位于mme和sgw之间，支持承载管理。sgi：位于pdn gw和分组数据网络之间。分组数据网络可以是运营商的公网，也可以是 私网，或者是运营商内部的一个网络，如提供ims业务的网络。为了能够更好地实现 不同无线接入技术之间的互联互通，3gpp还提出了在网络架构中，新增一个网络实体"接入网络发现和选择功能”(andsf, access network discovery and selection function), andsf包括数据管理和控制功能

22、，提供系统间移动性策略和接入网 发现信息。用户设备通过和网络侧的andsf功能实体进行交互，可以获得有效的接入网 络信息；ue可以保留和使用这些andsf提供的接入网络信息直到收到下一次更新信息。 这样，ue就不需要通过不断地周期性扫描发现周围存在哪些可用网络，节省了终端电量， 同吋也降低了终端设计的复杂度。2.3基于802.21的异构网络融合架构未来的无线通信要求从wlan、3g到wimax都可实现语咅与数据传输，ii能无缝 融合oieee 802.21的目的是使移动终端在异构网络间漫游吋能自动选择最佳网络连接类型 并无缝切换。通过802.21,移动终端在漫游过程中可随时发现周圉的可用网络，

23、并根据当 前业务需要改变网络使用状态。802.21是实现无线网络融合愿景的关键技术。ieee 802.2117,1291 中提出的与媒体无关的切换(mih, media independent handover)方 案，在开放系统互联(osi)协议栈的第2、第3层之间定义了一个新的mih子层，用于 屏 蔽不同的mac层所带来的差异，从而在异构无线网络实现终端的移动性。mih能为 更高的网络层提供链路层信息及其他相关网络信息，以最优化异构网络之间的效能。2.3.1 mih通信模型图2-2给出的mih通信模型说明了 mih功能在网络中的不同角色以及它们之间的通 信关系。终端侧mih网络实体2-2

24、mih通信模型图22中，mih业务点(pos, point of service)是位于网络侧的mih功能实体，与 mn上的mih功能模块交互mih消息。同一 mih网络实体对每个具有mih功能的mn 都包含一个明确的mih pos以便交换mih信息。同一 mih pos可服务于多个mih业务。 同一 mih网络实体可包含多个mih pos,根据订阅或漫游条件分别为mn提供不同的mih 业务组合。二层接入点(l2 poa, l2 point of attachment)是指链路上的网络侧端点(如 ap或bs),链路侧的另一端为移动节点mno这里的网络可以是子网、子网+vlan、或 广播域、路由

25、域。在链路交换事件(link_switch_event)中，移动节点的服务接入点(poa) 是链路交换事件发生之前的接入点，而目标poa则为链路交换事件发牛之后的接入点。mih功能之间可以根据各种不同的目的进行通信。移动终端mn通过mih业务点交 换mih信息。当网络中的实体与支持mih功能的mn直接通信时，该网络实体就变成一 个mih业务接入点poso在具有mih代理的通信模型中，mih网络实体与mih代理交互 信息，并不直接与mn通信。同一网络实体可仍然作为其它mn的mih pos使用。一个具有mih能力的mn,其接口并不完全用于mih通信。例如，一个mn同时配 置了 802.3、802.

26、11、802.16的l2接口，802.3接口可仅用于系统管理和维护操作，而802.11 和802.16接口用于提供mih服务。mn可使用l2传输与同时作为其poa的mih pos交 换mih信息，而使用l3传输与并不与poa位于同一网络实体的mih pos交换mih信息。图2-2中各个参考点的说明如下：r1参考点：r1参考点指示的mih过程发生在移动节点mn上的mih功能与同时作 为mn的服务poa的网络实体上的mih pos之间。r1可以包括l2和l3接口以及l3之 上的通信接口。r2参考点:r2参考点指示的m1h过程发生在移动节点mn上的mih功能与备选poa 的网络实体上的mih pos

27、之间。r2可以包括l2和l3接口以及l3之上的通信接口。r3参考点：r3参考点指示的mih过程发生在移动节点mn上的mih功能与非poa 的网络实体上的mih pos z间。r3可以包括l3接口及其z上的通信接口。r4参考点：r4参考点指示的mih过程发生在网络实体内的mih pos与另一网络实 体内非poamih功能实体之间。r4可以包括l3接口及其之上的通信接口。r5参考点：r5参考点指在不同的网络实体内mih pos之间的mih过程。r5可以 包括l3接口以及其之上的通信接口。2.3.2 mih逻辑网络参考模型mih逻辑网络参考模型如图2-3所示。具有mih能力的移动节点支持多种接入技术

28、。 每种接入技术通告其mih能力或响应mih终端的请求。图中，mn通过周期性访问其服 务提供商的媒体无关信息服务(miis, media independent information service)获取有关信 息(如新漫游列表、优先级及其他有关使用接入网络服务的信息)。移动节点也可以通过 访问网络pos,从访问网络中获取有关访问网络的信息。在网络侧，mih pos的位置并不 是确定的，可根据运营商布置的网络环境或mih结构而变化。mih pos可与poa相邻， 或pos和poa位于家乡网络或访问网络的同一节点上。拜访m1hpos信息服 务器r4/r5拜访核心网3/r4/r5r1/r2/r3

29、wlan poa接入网iv-aaar3/r4zr5r3/r4/r5k4/r5r1/r2/r3h-aaainternetr3/r4/r5v-aaar1/r2/r3归属mihpos信息服接入网4802.3 poa有线连接 _c802ju_cn接入网2w max poar3/r4/r!归属核心网芹访核心网r3/r1/r5r1vaaa拜访核心网接入网cellular图2-3逻辑网络参考模型图23中，mn内的mih实体通过rl、r2或r3参考点与mih网络实体通信，两个 网络实体之间通过r4或r5参考点通信。当服务接入网络中的poa同时具有mih功能时, rl参考点在poa处结束，而r3参考点在访问核心

30、网或家乡网络的任何非poa mih网络 实体处结束。具有mih能力的poa也可以通过r3或r4参考点与其他mih网络实体通 信。具有mih能力的mn也可以通过r2参考点与位于备选接入网络的其他poa进行mih 通信，以便获得关于备选网络的信息。在图中，蜂駕接入网作为家乡网络，由家乡运营商管理。蜂贯漫游可能跨越不同的蜂 窝接入网或其他网络。对于蜂窝网络，poa的定义和位置由运营商决定，如bs、rnc、 ggsn或pdsn等，它可位于访问网络或家乡网络。因此，当mih poa位于ggsn/pdsn 时，rl在蜂窝家乡网络结束了 mih pos和poa,家乡网络使用r3和r4接口访问其他 mih实体

31、(如家乡或访问mih信息服务器)。2.3.3 mih功能业务mih功能通过服务访问点(sap)提供3类业务，如图24所示：(i)媒体无关事件业 务(mies, media independent event service)； (2)媒体无关命令业务(mics, media independent command service ) ； ( 3 )媒体无关信息业务(miis , media independentinformation service）o图2-4mih功能及业务媒体无关事件业务（mies）：负责检测低层事件（如检测出新链路、链路即断等），这 些事件均是由低层产生、mihf传递的

32、；媒体无关命令业务（mics）：负责实现高层对低层的控制，高层可以有多种不同的命 令选择，如设定链路参数阈值等。命令业务数据流与事件业务数据流的方向相反；媒体无关信息业务（miis）：负责提供一定地理范围内的网络信息（包括静态的链路 信息及高层可用业务的信息），低层及高层均可以访问miiso2.4本章小结下一代异构无线网络环境是宽带移动无线接入和异构分布的网络，是各种无线接入技 术的异构融合，强调不同系统之间的互联互通，以保证用户能够跨过这些异构的无线接入 技术实现漫游。对于应当采用何种方式实现异构无线网络的互联互通，不同的组织提出了 不同的解决方法。3gpp通过把各种无线接入技术都接入到3g

33、pp的核心网來实现互通，而 802.21则给出了与接入技术无关的异构网络融合策略本章介绍了 lte/sae和802委员会两个不同的组织分别提出的异构网络的融合架构的 研究成果。两者都充分考虑了 ieee 802系列以及3gpp、3gpp2等规范中定义的各种无线 接入技术。lte/sae是3gpp提出的，因此其架构和方案均是站在3gpp的角度提出的；mih是 由ieee 802.21工作组提岀用于解决802系列各种有线/无线、固定/移动网络以及蜂窝移动 通信之间基于移动ip协议的漫游和切换问题，主要规范mac层，该标准符合ip化的技 术发展趋势。第三章 无线资源管理及负载均衡机制和策略研究3.1

34、概述无线资源管理包括接纳控制、负载均衡、分组调度、功率控制、拥塞控制等，相关算 法的研究与实现一直是学术界的热点研究领域。传统无线资源管理的资源管理算法各自作 业，尽力而为地为网络内无线用户终端提供业务质量保证。未来的异构无线资源管理则是 一组控制机制的集合，采用统一的方式进行管理，支持网络信息共享、资源共享，从而实 现无线资源的联合优化管理。联合无线资源管理实现无线资源的联合优化使用，主要完成 网络间无线资源的协调管理，其目标是扩展网络容量和覆盖范围，最优化无线资源的利用 率。3.2异构无线网络的联合资源管理异构无线网络的联合无线资源管理主要包括以下几个方面：(1) 切换控制当处于连接状态的

35、移动台从一个小区移动到另一个小区，或者移动台 发现了新的可用网络吋，都可能会涉及到切换过程。切换不仅影响服务质量，还与系统的无线资源使用情 况有着密切的联系。如果切换过程进行得不好的话，很可能造成小区过载或者终端掉话， 使网络服务质量大大下降。(2) 接纳控制接纳控制的任务是接受或者拒绝新的无线承载的建立请求。为了做到 这一点，接纳控制就要考虑系统中整体无线资源状况、各种业务的qos要求和优先级水平、正在进行的 会话业务的qos要求以及新的无线承载请求的qos要求。接纳的冃的是确保高的无线资 源利用率，同时要保证止在进行会话的合适的qos,当资源有限不允许接入时就拒绝新的 无线承载。(3) 动

36、态资源分配(dra)分组调度(ps)分组调度要解决的基本问题是：当多 个分组业务流等待接受服务时，必须确定合理的服务规则，安排流的服务顺序和服务时间，以满足各个业务流的qos要求。qos性能参 数包括：吋延、抖动、吞吐量和丢包率等等。(4) 小区间干扰协调(icic)小区间干扰协调的任务是管理无线资源，以便小区间的干扰处于可控的范围内。icic 属于多小区的无线资源管理，需要考虑到来自多个小区的信息（例如资源利用状况和业务 负载情况）。上行和下行首选的icic算法是可以不同的。当网络存在着多小区覆盖的情 况时（例如小区边缘、多小区同覆盖等），需要对各个小区的网络实时资源进行协调（例 如负载失衡

37、、小区间干扰等），从而影响各个小区中相应的调度。（5）负载均衡无线资源管理的一个重要任务是确保系统不过载并维持稳定。负载均 衡功能用于处理多个小区间不均衡的业务量，通过均衡小区间不均衡的业务量分配，提高无线资源的利用 率，将正在进行中的会话的qos保持在一个合理的水平，降低掉话率。负载均衡算法可 能会导致部分终端进行切换或小区重选，以均衡小区间的负载状况。相比传统的具有典型意义的蜂窝网络的无线资源管理的方式，未来的异构无线资源管 理的模式不再局限于单一的集中式管理，而是可以采用集中式、分布式，以及介于两者之 间的分级式的管理方式旳叭3.2.1集中式联合无线资源管理图31给岀了集中式联合无线资源

38、资源管理的架构，从图中我们可以看岀，所谓集中 式无线资源管理，就是对于系统中不同的无线接入技术，在核心网侧有一个集中控制的实 体。这个集屮控制实体收集它所管辖范围内的多个无线网络的无线资源的使用情况，并对 这些无线资源进行统一的分配和管理。图31集中式无线资源管理架构集中式联合无线资源管理在功能上可以划分为两个实体：集中管理实体和独立执行实 体。集中管理实体独立于各种无线接入技术，是联合无线资源管理的执行点，主要执行联 合接纳控制、联合负载控制、联合切换控制、联合资源分配等。独立执行实体，即原来各无线接入网络内部已有的无线资源管理实体，主要完成用户业务相关的具体无线传输中所使用的无线资源分配并

39、进行传输执行。可以说，集中式联合无线资源管理是对资源的一种 集中控制，无线网络侧的独立执行实体向集中管理实体上报无线网络中的资源信息和负载 信息，以便集中管理实体执行统一的无线资源估计和分配，进而集中管理实体会把分配的 方案下发到无线侧的各个独立执行实体中。3.2.2分布式联合无线资源管理图32给出了分布式无线资源管理模式，与集中式无线资源管理模式相比，分布式无 线资源管理模式没有一个集中的管理实体来对各种无线接入网络中的资源进行统一协调 控制。在这种模式下，统一的协调功能分散在各个地位对等的无线接入网络中。不同的小 区间可以交互，从而获得各个相邻小区的资源分配情况和负载情况，根据小区自身资源

40、信 息以及邻小区资源信息，对无线资源进行管理。分布式联合无线资源管理一方面能够降低 各个节点的计算复杂度，另一方面也增加了系统的冗余度。冗余度的增加意味着当某些节 点发生故障时，不会对分布式节点的计算和管理产生破坏性影响。然而分布式管理机制不 具备集中管理实体，不能针对所有被管实体进行统一调整以及针对某些目标进行统一计 算，从而在高效获得系统的全局最优方案方面具有一定难度。3.2.3混合式联合无线资源管理在不少情况下，异构无线资源管理可以采用如图3-3所示的混合无线资源管理架构。3.3 son中负载均衡的相关研究由上面3.2节的介绍可知，负载均衡是无线资源管理的一个重要组成部分，也是当前 学者

41、研究的一项重要内容。3gpp标准中提出了 son的概念，即自组网络。在son中， 把负载均衡定义为：网络可以以一种自动的方式（不需要人工干预）及时而准确地发现负 载不均衡的小区，从而采用一系列措施，来达到负载均衡的目的。当网络中一些小区的负载比它的邻接小区的负载重时，负载失衡的现象就出现了。这 时，需要从重载小区中转移一些负载到其它的轻载小区或者到使用其它无线接入技术的小 区。负载均衡可以改善gos参数，如阻塞率和掉话率，但同时也会改善或者影响到 qos（quality of service）参数，如吞吐量和时延等。当然，用户期望的qos水平依然要被 满足。son中负载均衡的目标有二：其一，不

42、需要通过人工干预就可以及吋而准确地发现 负载不均衡的小区；其二，自动地采取一些措施，通过转移负载到轻载小区來达到负载均 衡的目的。待转移会话的选择是基于无线传播条件以及这些会话所占用的资源等因素来考 虑的。对于负载均衡机制來说，最重要的输入参数是基站的测量值：某小区及其邻近小区的上下行链路的负载测量值。（如正在进行的实时和非实时的 连接数目）资源利用率，如已占用的上下行链路资源与全部可用资源的比值。上下行链路qos参数。（吞吐量，吋延等）。gos参数。（阻塞率和调话率）。负载评估参数。（小区具有的可用容量）。执行负载均衡需要一些参数，网络运营 商可以利用这些参数来控制负载均衡的过程。参数列表有

43、：在触发负载均衡检查之前，允许的负载最大值。也就是说，当处于低等或中等负 载水平时，可以不触发负载均衡。在触发负载均衡z前，相比于邻接小区，允许的最大负载不平衡程度。为解决负载不平衡，允许的最大交互次数。每次交互过程中，转移的负载数量。负载均衡过程中将被优化的参数有：处于active状态终端的切换门限，如迟滞参数。处于idle状态终端的小区重选参数。控制小区覆盖范围的参数，如天线倾斜、导频功率等。负载均衡功能将执行以 下动作：在同种无线接入技术之内，或者在不同种无线接入技术之间，改变小区重选参数， 从而将处于idle状态的终端转移到轻载小区。在同种无线接入技术z内，或者在不同种无线接入技术z间

44、，改变切换参数，从 而将处于active状态的终端转移到轻载小区。通过调整导频功率，改变小区及其邻接小区的覆盖范围。整个负载均衡优化算法 执行以下步骤：网络监测分析负载均衡相关的测量值并与参考值进行比较。获取最优的参数，可能有一些交互步骤。配置这些优化的参数。把受重配置影响的小区告之非邻接小区。检查重配置是否成功。通过执行以上优化算法，网络可以以一种自动的方式及时而 准确地发现负载不均衡的小区，从而采用一系列措施解决负载不均衡现象。最终的目标是：相比于静态或者非优化 的网络容量，在网络管理和任务优化的过程屮，以最少的人工干预，获得最大的系统容量。 尽管基站的厂商不同，但是测量值应该具有相同的含

45、义，对于给定的情况应该是相同的值。 所以在邻接小区之间交互的负载测量值和资源利用率应该标准化，这将在第四章中进行具 体介绍。-负载均衡自优化算法自动调整的参数如下：触发负载均衡时的负载数量，转移到其他 小区的负载数量，负载转移多久发生一次，釆取何种动作来转移负载等等。这些负载均衡 参数的自动调整是基于网络对于其负载情况的历史测量值的，如gos、qos等等。当邻接 小区已经拥塞不能再接纳更多的呼叫时，考虑在过载小区及其邻接小区临时触发中档/低档 /较低档的比特速率（假设这样并不会严重影响到qos/gos）o另外，对于负载均衡产生的 “连锁反应”，还需要决定“连锁反应”可以通过网络传播多远（最多经

46、过多少跳），并且讨论 这个效应是否合适。son中负载均衡的相关研究，对笔者课题研究提供了一个理论基础， 对后续的研究有很大帮助。3.4异构无线网络中的负载均衡机制及策略异构无线网络的联合无线资源管理可以采取三种机制，负载均衡机制同样分为集中 式、分布式和混合式三类。在集屮式的负载均衡系统屮，全局的负载信息被一个单独的节点收集，该节点称为中 央调度器。其它的节点均为局部节点，发送他们的负载状态消息到中央调度器。所有的负 载均衡决定都由中央调度器根据收集来的消息加以定夺。集中式的负载均衡机制的主要问 题是可靠性相对较低。中央调度器一旦失效将使得负载均衡策略无法执行。在分布式的负载均衡系统屮，每个节

47、点周期性地广播各自的负载信息到其它的节点来 更新他们维护的局部负载表。使得每个节点都能够不停地了解全局的系统负载状态。该方 法的主要缺点是每个节点都需要了解新来的更新消息，而且需要产生自己的更新消息。而混合式就是将集屮式和分布式两种策略结合起來。对于集屮式机制来说集屮控制 点可能成为整个网络的性能瓶颈。而分布式机制中，在每个独立的接入点中维护状态信息，设计更为模块化，便于升级，而口分布式的状态维护 机制减少了网络维护的开销。因此目前比较受欢迎的是负载均衡机制是分布式。负载均衡可以分为两种场景：使用不同载波或者属于不同无线接入技术但是覆盖相 同地理区域的重复覆盖的小区簇；或者使用相同载波或无线接

48、入技术的相邻小区簇。通过调研文献发现，异构重叠网络中实现负载均衡可以通过垂直切换、接纳控制以及 参数优化等方法來实现。（1）通过转移负载到轻载小区，即通过垂宜切换 切换，就是指将一个正处于呼叫建 立状态或忙状态的ms转移到新的业务信道上的过程。现有水平切换的准则均为无线信号的质量，且实际应用大多为最简单的信号强度准则， 即只有当服务基站的信号强度下降到一定的门限以下时需要发牛切换。垂直切换则是指发 牛在不同系统之间的切换。在多无线电环境下，不同无线接入系统的覆盖范围往往是重叠 的，引起切换的原因除了信号下降以外，还可能是出于改善性能、负荷均衡、网络资费等 多种因素的考虑。当在异构网络z间出现下

49、列情形时，发生垂直切换：1）当用户移出当前服务网络，并将立即进入另一个覆盖网络时；2）当用户已连接到某一个网络，但为了未来服务的需要选择切换到另一个无线网络；3）当需要在不同系统z间分配整个网络负载时（以优化网络的性能），垂直切换是指过 载小区强行使某些移动台转移到邻接的轻载小区。这里所说的垂直切换是由于负载均衡引 起的，而不是由于移动性管理引起的。第三种情况即是我们所说的当网络中出现负载不平衡情况吋，通过垂直切换来转移负 载，实现系统中负载均衡。（2）通过接纳控制来实现负载均衡接纳控制算法的功能就是在保证已有通信质量的 基础上判断是否接纳新的连接。当业务连接的呼叫到达时，如果系统中有足够的带

50、宽供其使用，该呼叫将继续下去；如果没有 足够的带宽供其使用，该呼叫将被阻塞或加入队列。接纳控制可以防止用户选择一个重载 的接入网络。接纳控制需要考虑的因素有很多，我们可以把各个小区的负载情况作为其中 一个考虑因素，从而在接纳控制的时候可控制各个小区的负载情况，在保证用户业务qos 的前提下，控制各个小区，从而避免有些小区负载过重，有些小区负载过轻的情况发生， 进而实现负载均衡，提高系统整体的资源利用率。(3) 通过优化小区相关参数实现负载均衡川自组网络的研究屮，提出通过优化小区 相关参数，也可以实现负载均衡，提高系统容量。该策略既可用于重叠覆盖小区，也可用于相邻小区。可以优化的小区参数有：1)

51、 导频功率轻载小区可通过提高高频功率扩大覆盖范围，从而为重载小区分担负载。具 体如图3-5所示：2)切换门限重载小区可提高切换门限，以减少用户切入该小区，具体流程见图36。3)迟滞时间重载小区将减小用户切换迟滞时间以使更多的用户能够更快地切换到其 他小区，具体流程见图36。丿、负载不均衡？n开启迟滞定时器负載依皿均衡?如果为过载小区， 提高切换门限，减 小用户切换迟滞时 间如杲为轻载小区，提咼导频功率辽负载均衡? y结朿决策实体图3-6参数调整实现负载均衡4) qos调整：qos调整是指在无线网络资源有限的情况下，当用户请求的qos等 级为可调的时候，基站可以根据网络负载状况来调整业务的服务质

52、量，使得一方面在网络 负载较轻的时候可以以最佳的质量提供接入服务，另一方面在负载较大的时候可以和用户 协商，根据用户提供的请求策略，适当调整qos等级，以最大化网络容量，为更多的用 户提供服务。在异构无线网络负载均衡中，对于正在进行的服务，如果岀现本小区和相邻 小区相比较负载不均的情况，或者同一个小区覆盖范围内不同接入技术之间的负载不均， 则可以根据用户提供的请求策略调整qos等级，通过水平切换或者垂直切换将正在进行 的业务切换到邻近小区或者不同的无线接入系统中。对于新的呼叫则需要接纳控制机制的 配合执行。以上给出的各种实现负载均衡的方法，如果相互之间能够很好配合，将会更高效地合 理利用系统资

53、源。论文第四章和第五章将主要对第一种和第二种方法进行具体研究。3.5本章小结本章首先介绍了界构无线网络联合无线资源管理的主要内容。联合无线资源管理实现 无线资源的联合优化使用，主要完成网络间无线资源的协调管理，其目标是扩展网络容量 和覆盖范围，最优化无线资源的利用率，主要功能包含切换控制、接纳控制、负载控制、 分组调度等等。然后介绍了异构网络联合无线资源管理的三种结构：集中式、分布式和混 合式。接着介绍了 son中负载均衡相关的概念和定义，和联合无线资源管理一样也可分为 三种架构：集中式、分布式和混合式，这三种架构各有其优缺点。集中式的负载均衡架构 能够对系统中无线资源进行统一的管理，对系统负

54、载进行集中控制，这就使得这种模式最 容易达到全局资源最优使用和最大化系统容量的冃标，但是这种方式的灵活性比较差。分 布式负载均衡架构可以很好地解决可扩展性的问题，具有比较高的灵活性，小区之间地位 对等，都分别通过和相邻小区交互来获得周围可用小区的负载状况，但是和集中式的方式 相比在总体性能上述是有所差距。混合式就是将这两种方式结合起来。最后总结了文献调研中所涉及的负载均衡的机制和方法：接纳控制、垂直切换、参数 调整以及qos调整。当然在实际系统中，各种方法是并存并且相互依赖的。第四章异构网络中基于强制切换的负载均衡算法研究4.1概述在下一代网络中，不同的无线网络，如gsm、wlan、gprs、

55、cdma2000、wcdma 等将共存，共同来提供无线接入。这些界构无线网络时常会有较大的重叠覆盖区域。为了 满足越来越多的通信服务需求以及为了服务更多的移动台，不同的无线网络必将互相协 作。在某些热点区域或者当大量的移动台在少数的bs或ap下通信的吋候，某些小区将 出现过载的情况，但是其它小区却依然轻载。为了增加整个系统的利用率从而尽可能地服 务更多的移动台，不平衡的负载必须被分配到每个小区当中。因此，负载均衡应该被考虑 并执行。负载均衡的任务是处理多个小区间业务负荷不均衡的分布。因此负载均衡的目的 是在确保高效利用无线资源和保证现有qos的前提下，改变小区负荷的分布情况。由于 业务负荷的重

56、新分布，负载均衡算法将可能会导致切换或小区重选判决。4.2负载均衡算法研究现状4.2.1同构网络的负载均衡研究现状传统的负载均衡方法一般需要通过小区间的信道资源共享实现负载均衡，通常有两种 方法：信道借用1°和负载转移15161。信道借用主要指重载小区从轻载小区借用未被使用 的信道，而轻负载小区只能向重负载小区借出信道。负载转移是指将重载小区部分用户切 换到临近轻载小区，实现整个网络内负载的均衡分布。对于信道借用，文献12提出了三类信道分配方案：固定分配方案、动态分配方案、 灵活分配方案。固定分配方案：一些信道被永久地分配给每个小区。当其它小区距离上述 小区足够远时，这些信道能够被复

57、用，这些小区被称为同频小区。由于距离足够远，所以 同频干扰可以忽略。虽然该方案非常简单，但是如果呼叫数冃超过了已分配的信道数冃， 那些超出的呼叫将被阻塞。动态分配方案：信道按需分配，來源于一个全局的信道池。此 方案的缺点是在不同网元之间交互消息的开销很大。灵活分配方案：结合了固定和动态的 分配方案。有一些固定的信道分配给每个小区，但是若出现短缺，还可以从全局的信道池 中分配。文献12提出的负载均衡结合了信道分配和信道借用两种技术，并且给岀了信道 分配，信道借用和信道释放的算法。文献13指出在蜂窝网络中，意想不到的流量激增可 能发生在一个特定的小区当中。为了减轻这种流量激增导致的过载情况，可以采

58、用频带迁移的方法，将所有的流量分成了 3组：切换流量（组1）、全新的呼叫流量（组2）以及因为负载均衡被其它小区请求的流 量（组3）。另外，每一个流量组都被分为了两类：类1 （实吋数据）和类2（非实吋数据）。 根据小区的不同状态将小区分为3类：p（peak）状态、pp（potential_peak）状态以及s（safe）状 态。p小区是过载小区，为了实现负载均衡，需要进行频带迁移。pp小区不参与任何的频 带迁移一既不借出也不借入。这样的小区处于中立的地位，防止小区在p和s状态之间 來回往返。s小区有足够的可用频带，因此p小区可以从s小区屮借频带。在频带迁移之 时，为了避免频带干扰，迁移的频带必须被锁定，不仅在当前簇的借出小区中而h在邻接 簇的同频复用小区中，该