LTE系統(tǒng)的移動(dòng)負(fù)載均衡

1、LTE系統(tǒng)的移動(dòng)負(fù)載均衡技術(shù)摘要一在本文中我們提出的仿真結(jié)果表明，一個(gè)基于自動(dòng)調(diào)節(jié)切換門限的簡(jiǎn)單的分布式同頻負(fù)載均衡算法能顯著降低LTE（Long Term Evolution,長(zhǎng)期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)中的呼叫阻塞率，并提高蜂窩邊緣的吞吐量?！娟P(guān)鍵詞】LTE負(fù)載均衡切換 SON無(wú)線電資源管理（RRM）簡(jiǎn)介負(fù)載均衡的描述為，將過(guò)載小區(qū)的負(fù)載分配給輕載的相鄰小區(qū)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 無(wú)線資源運(yùn)用更有效率。在本文中，我們所關(guān)心的是同頻負(fù)載平衡機(jī)制， 它在幾 分鐘或幾小時(shí)內(nèi)測(cè)量反應(yīng)時(shí)間，并能在長(zhǎng)期演進(jìn)網(wǎng)（LTE）中以最低的額外信令 實(shí)現(xiàn)。有很多方法可以重新分配小區(qū)之間的負(fù)載。 一種方法是通過(guò)修改導(dǎo)頻功率來(lái) 調(diào)整小區(qū)的覆

2、蓋范圍1。一個(gè)更強(qiáng)的導(dǎo)頻功率實(shí)際上可以允許更多的遠(yuǎn)距離的 用戶進(jìn)入小區(qū)，從而達(dá)到增加覆蓋范圍的目的。 然而，自動(dòng)調(diào)節(jié)小區(qū)覆蓋范圍冒 著可能會(huì)造成覆蓋漏洞的風(fēng)險(xiǎn)。另一種重新分配小區(qū)負(fù)載方法是修改兩個(gè)相鄰小 區(qū)之間的切換區(qū)域。這種方法被稱為移動(dòng)負(fù)載均衡（ MLB）。移動(dòng)負(fù)載均衡的規(guī) 則是一偏置切換測(cè)量值來(lái)調(diào)整切換區(qū)域，致使超載小區(qū)的邊緣用戶切換到負(fù)載較 輕的相鄰小區(qū)，從而提高資源的利用效率 2。其結(jié)果是在呼叫阻塞率的降低和 蜂窩邊緣的吞吐量的提高。由于小區(qū)間負(fù)載分配自動(dòng)的被完成，這種技術(shù)是自組 織網(wǎng)絡(luò)（SON）算法的一種。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：在第二節(jié)中將介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式負(fù)載均衡算法； 在第三節(jié)

3、中，將介紹一個(gè)仿真模型并給出仿真結(jié)果；最后的結(jié)論將在第四節(jié)給出。移動(dòng)負(fù)載均衡根據(jù)文獻(xiàn)3,切換可以被許多事件所觸發(fā)。在這篇文章中我們只涉及一個(gè) 特定的事件，這個(gè)事件被稱為事件 A3,觸發(fā)事件A3是當(dāng)一個(gè)特定用戶檢測(cè)到 一個(gè)相鄰小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量比當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的好時(shí)進(jìn)行切換觸發(fā)。這個(gè)觸發(fā)條件可以被描述為公式（1）,其中i和j分別是當(dāng)前小區(qū)和相鄰小區(qū)，Mi和Mj分別是 用戶測(cè)量到小區(qū)i和j的信號(hào)強(qiáng)度，Oi（f）和Oj"）分別是小區(qū)i和j的頻率fi （cs）（ cn）與fj的頻率偏移，Oi 是服務(wù)小區(qū)的小區(qū)偏置，O,j 是小區(qū)i對(duì)j的小區(qū)偏 置，己和“分別是一個(gè)滯后術(shù)語(yǔ)和一個(gè)固定的偏移量。Mi的

4、測(cè)量值可以是一個(gè) 單位為dBm的參考信號(hào)接收功率的形式，或者是單位為 dB的參考信號(hào)接收質(zhì) 量的形式4。在本文中我們只考慮同頻切換，在這種情況下，公式（1）變換為 公式（2）。從公式（2）可以看出，通過(guò)增加偏移，小區(qū)i的移動(dòng)用戶可以切換 到相鄰小區(qū)j,從而減輕小區(qū)i的負(fù)載。%+0，）+7 此+ op + o產(chǎn)）十co% - M 。產(chǎn)+ 6+ .（2）-J J在本文中，基于小區(qū)負(fù)載測(cè)量，我們通過(guò)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)來(lái)進(jìn)行負(fù)載均衡。 我 們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)達(dá)到這個(gè)目的，如公式（3）所示。min（。擾+ A,。管 l/0-p叱4一 max（。及 一 A, -。黑 ifp-p） P*。療，ifpi-p

5、Pti,其中A是偏移量步長(zhǎng)，Pi和Pj分別是小區(qū)i和j的負(fù)載量，Pth0是一個(gè)觸 發(fā)負(fù)載均衡的預(yù)定義門限，所有 Oj）都初始化為00定期更新（3）的應(yīng)用，以應(yīng) 對(duì)每個(gè)小區(qū)新的負(fù)載測(cè)量值。因此，這個(gè)方法適合于分布式的實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)小 區(qū)和相鄰小區(qū)交換負(fù)載測(cè)量值和偏移值。O（cn） （Cn （cn）,j = - Oj,i這點(diǎn)對(duì) 于確保用戶從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)然后再切換回去（就是防止乒乓切換） 是很重要的。為了應(yīng)用公式（3）的更新，小區(qū)負(fù)載的測(cè)量是必須的。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)測(cè)量負(fù)載就是計(jì)算小區(qū)中物理資源塊 （PRBs）的平均使用率，如公式（4）所示。 這里nk是在一個(gè)測(cè)量周期 AT內(nèi)分配給持有者

6、K的物理資源模塊的總數(shù)，K系 統(tǒng)帶寬中的物理資源模塊的總數(shù)，而它們的總和是執(zhí)行所有持有者連接到小區(qū)i在測(cè)量周期內(nèi)。注意，Pi實(shí)在一個(gè)范圍值以內(nèi)的，04Pi1。用這個(gè)方法的 問(wèn)題是，PRB的利用率不是總是一個(gè)小區(qū)實(shí)際負(fù)載很好的體現(xiàn)。如果有非法的 持有者連接到小區(qū)，PRB的利用率可能看起來(lái)總是很高，因?yàn)檎{(diào)度程序?qū)⒎峙湫^(qū)內(nèi)任何空余的資源給這些用戶。 即使在總帶寬負(fù)載的情況下，一個(gè)高的PRB 的利用率可能不是一個(gè)高負(fù)荷的可靠指標(biāo)，因?yàn)樗赡軙?huì)有效的運(yùn)用 PRB在分 組延遲略有增加的情況下，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)所有連接用戶的 QoS請(qǐng)求。通過(guò)考慮 到所有連接者的QoS請(qǐng)求，我們可以得到一個(gè)更有用的負(fù)載測(cè)量值，

7、 如公式（5） 所示。這里Tk是持有者K在周期AT內(nèi)取得的吞吐量，Rk（req）是持有者K承載 它的QoS請(qǐng)求所需的平均數(shù)據(jù)傳輸率5（在非法服務(wù)的情況下，Rk（req）代表一個(gè)”等價(jià)的GBR"，既是對(duì)于一個(gè)非法用戶來(lái)說(shuō)，最低吞吐量是可以被接受的）。Kc是一個(gè)正實(shí)常數(shù)（通常約為2.0）用來(lái)保證負(fù)載在一個(gè)合理的數(shù)量之下，萬(wàn)一 Tk由于一個(gè)特定用戶惡劣的無(wú)線信道質(zhì)量變得非常低P尸工KAT(4)(5)數(shù)值計(jì)算結(jié)果A.仿真模型模擬是用來(lái)評(píng)估所提出的在一個(gè) LTE網(wǎng)絡(luò)下負(fù)載均衡方案的性能的。主要 模擬參數(shù)列于表1,我們假設(shè)數(shù)據(jù)流以每個(gè)用戶 64kbps的速度傳輸，平均通話 時(shí)間為3分鐘。負(fù)載均衡

8、的相對(duì)緩慢的行動(dòng)意味著需要長(zhǎng)時(shí)間的仿真來(lái)研究它的行為。我們模擬了周期為4小時(shí)，小區(qū)為21個(gè)的網(wǎng)絡(luò)，其中小區(qū)偏置 0,洞每60秒更新 一次。對(duì)于這種規(guī)模的仿真，完全模擬 MAC的調(diào)度，RLC、HARQ和物理層將 變得非常復(fù)雜。作為替換，我們用一個(gè)簡(jiǎn)化的模型如下面所描述。在每個(gè)框架中， 每個(gè)用戶的，值都用公式（6）進(jìn)行計(jì)算。公式中N0是熱噪聲譜密度，« j,k 是用戶K和小區(qū)j之間的平均路徑增益，P是小區(qū)發(fā)射功率，i是服務(wù)小區(qū)給用 戶K的指數(shù)，？N是代表用戶K與小區(qū)i之間瑞利衰落的幾何分布隨機(jī)變量平 均值。XikaikP九=八（6）N。+ Pg %*博:k值是在查表的基礎(chǔ)上通過(guò)鏈路級(jí)仿真

9、映射到一個(gè)調(diào)制和編碼方案（MCS）上，以達(dá)到一個(gè)瞬間可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)率 °這是一個(gè)公平按比例調(diào)度計(jì) 算出來(lái)給每個(gè)用戶的，如公式（7）所示。其中0=1.5是一個(gè)確定的參數(shù)，是 用戶K得到的平均吞吐量。以=今在每一個(gè)小區(qū)中，每個(gè)接入用戶都以 Uk依次排序，每個(gè)用戶都根據(jù)需要分 配PRB來(lái)騰空隊(duì)列直到說(shuō)有用戶都得到服務(wù)或者所有 PRBs都被應(yīng)用。每個(gè)小區(qū)都有一種準(zhǔn)入控制機(jī)制6,當(dāng)負(fù)載測(cè)量值達(dá)到0.7是阻止行的接 入，并試圖阻止切換當(dāng)負(fù)載測(cè)試值到達(dá) 0.8,擁塞控制機(jī)制7還包括阻止當(dāng)測(cè)量 值達(dá)到0.9時(shí)的掉話問(wèn)題。呼叫到達(dá)被模擬為一個(gè)泊松過(guò)程，并模擬了非均勻分布的地理交通的影響。根據(jù)下面的思想我

10、們假設(shè)新的呼叫發(fā)生在群集位置，在任何給定的時(shí)間這里終會(huì)有同樣數(shù)量的Nclust。每個(gè)群集的存在都是有固定期限 Tciust的，當(dāng)一個(gè)群集達(dá) 到一個(gè)新的群集，它將在任何位置取代新的群集。每個(gè)群集呼叫到達(dá)率隨著時(shí)間 從0到增長(zhǎng)最大值在時(shí)間Tciust/2時(shí)，然后再慢慢降低到0。通話到達(dá)率的峰值是 不變的，對(duì)所有的群集也一樣。該集群的生命周期以 Tciust/Nciust偏移，從而確 保在任何時(shí)候呼叫到達(dá)率的總和在所有群集中保持不變（例如，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均呼叫到達(dá)率在整個(gè)仿真過(guò)程中都保持不變）。新的用戶的位置是通過(guò)添加一個(gè)隨 機(jī)位移到原群集的中心位置而產(chǎn)生的， 這個(gè)位移是通過(guò)二維正態(tài)分布產(chǎn)生的， 環(huán)

11、繞也是被考慮的。該模型產(chǎn)生一個(gè)提供不斷的逐漸改變的通信量分配，同時(shí)維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一 個(gè)恒定的平均呼叫到達(dá)率。速率的變化是由參數(shù)Tciust管理的，我們將之設(shè)置為2 小時(shí)（經(jīng)過(guò)2個(gè)小時(shí)的周期循環(huán)，所有原有的的群集都將被取代，通信量分布也 將完全被改變）。傳輸?shù)淖杂啥鹊亩ㄎ皇怯扇杭霃剿卸ǖ?，例如，在新用?的位置之間的r.m.s距離和原群集的中心位置點(diǎn)。為了方便講解，圖 1顯示了在 第一個(gè)15分鐘模擬中生成用戶的位置點(diǎn)，其中 Nclust =32,群集半徑從25m至IJ 100m。B.結(jié)果在第一組的模擬結(jié)果中，群集半徑固定為100米，模擬是在不同平均呼叫到 達(dá)率的情況下進(jìn)行的，因此我們提供的每

12、個(gè)小區(qū)平均負(fù)載從1Mbps到4Mbps變化。我們比較在沒(méi)有移動(dòng)負(fù)載均衡，移動(dòng)負(fù)載均衡基于PRB的利用率和PRB基于負(fù)載等情況下的各種結(jié)果。圖2到圖4顯示了作為提供負(fù)載功能的話阻、掉 話和切換失敗的概率。正如所料，由于所提供了負(fù)載的增加，產(chǎn)生阻塞的可能性 大大的增加了。然而，以負(fù)載為基礎(chǔ)的移動(dòng)負(fù)載均衡與其他方案相比，大大降低了話阻的可能性。基于PRB的利用率的移動(dòng)負(fù)載均衡的效果很不理想，事實(shí)證 明，PRB的利用率不是一個(gè)實(shí)際小區(qū)負(fù)載的可靠指標(biāo)。通過(guò)偏置切換決定，當(dāng)它們接收到的目標(biāo)小區(qū)無(wú)線信號(hào)不好時(shí)用戶將被切 換，從而增加了掉話的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。然而，如圖 3所示，移動(dòng)負(fù)載均衡操作引起的掉話率變化很?。?/p>

13、通過(guò)調(diào)整最大偏移參數(shù)omax（cn）的手段，改善后的話阻和惡化 的掉話之間的交換可以被調(diào)整）。如圖4所示，基于負(fù)載的移動(dòng)負(fù)載均衡在中等負(fù)荷的情況下， 大大的減少了 切換失敗的概率，但是在高負(fù)荷的情況下，切換失敗的概率有所增加。如圖5所示，在中等負(fù)荷的情況下，以負(fù)荷為基礎(chǔ)的移動(dòng)負(fù)載均衡增加了當(dāng) 前用戶5%的吞吐量，卻對(duì)用戶平均吞吐量沒(méi)有多大影響。在兩個(gè)超負(fù)荷和輕負(fù) 荷的情況下，移動(dòng)負(fù)載均衡顯示對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有什么好處，因?yàn)樵谶@些情況下，小區(qū)之間的負(fù)載變化通常都沒(méi)有大到觸發(fā)移動(dòng)負(fù)載均衡的程度。如圖6所示，小區(qū)負(fù)載的CDF聚集在所有小區(qū)和整個(gè)仿真的過(guò)程中，以提 供平均2.5Mbps的速率給每一個(gè)小區(qū)。正如

14、預(yù)期的那樣，移動(dòng)負(fù)載均衡再一個(gè)比 較窄的CDF范圍之內(nèi)（即更均勻地分布負(fù)載），但是平均負(fù)荷值變得更高了。平 均負(fù)荷值的增加是因?yàn)橐苿?dòng)負(fù)載均衡操作是的小區(qū)邊緣的用戶過(guò)早切換到相鄰 小區(qū)，導(dǎo)致目標(biāo)小區(qū)的無(wú)線信號(hào)條件更糟。 這不會(huì)導(dǎo)致小區(qū)吞吐量的損失，因?yàn)?它被更加均勻分布在小區(qū)里的用戶更好的補(bǔ)償了。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，提供的平均負(fù)載值被設(shè)定在每個(gè)小區(qū)2.5Mbps,群集的半徑方位則被限制在25m到400m之間。圖7到圖9顯示了在群集半徑不同的情況 下，沒(méi)有移動(dòng)負(fù)載均衡操作和有基于負(fù)載的移動(dòng)負(fù)載均衡操作下，各話阻率、掉話率和切換失敗概率的情況。這些結(jié)果表明，如預(yù)期的那樣，隨著群集半徑的增加，移動(dòng)負(fù)載均衡

15、操作的 效益慢慢減小，由于大量的群集使得流量的分布更加的均勻， 這使得小區(qū)間的負(fù) 載分布更加的均勻。另一方面，少量的群集產(chǎn)生一種高度不均勻的流量分布， 從 而創(chuàng)造了小區(qū)之間更大的負(fù)載差異。 在這些結(jié)果中，更好的移動(dòng)負(fù)載均衡操作效 益也可以發(fā)生在小規(guī)模的群集之中，即使在這種情況下，移動(dòng)負(fù)載均衡操作的效 益很顯然的依賴于該集群相對(duì)于小區(qū)切換邊界的確切位置。結(jié)論在本文中，模擬仿真是為了調(diào)查 LTE網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)負(fù)載均衡操作的效益。雖 然這需要做更多的工作，但是結(jié)果表明，即使運(yùn)用一個(gè)簡(jiǎn)單的移動(dòng)負(fù)載均衡機(jī)制， 大大的改進(jìn)話阻和邊緣用戶吞吐量也是有可能的。然而，這也表明了PRB的利用率并不是小區(qū)對(duì)移動(dòng)負(fù)載均衡

16、評(píng)價(jià)的完全指標(biāo)， 即使是在恒定比特速率業(yè)務(wù)的 情況下。致謝TML作為NEC公司的全資子公司，作者在此感謝他們的建設(shè)性意見(jiàn)和日本NEC公司的建設(shè)性意見(jiàn)。參考文獻(xiàn)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, 2

17、007.2 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 Rad

18、io 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

19、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 System

20、s", Proc. of IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), Fall,2010.7 R. Kwan, R. Arnott et al., “On Pre-emption and Congestion Control for LTE Systems' , Proc. of IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), Fall, 2010.8 NGMN Alliance, NGMN Radio Access Performance Evaluation Methodology, Ja

21、nuary, 2008.Table I Simulation ParametersSystem bandwidth5MHz (25 PRBs)Simulation duration4 hoursCell LayoutHexagonal grid, 7 cell sites. 3 sectors per site with urap-aroundInter-Site Disuncc (ISD)500mPath loss128.15 - 37.6logif( max(d-0.035)ShadowingLog-normal with standard deviation 8 dBIntra-site

22、 correlation 1.0Inter-site correlation 0.SAntenna pattern (horizontal)f z>.4(6) =-min 12I ,1!、必諭j,where 4曲=70 dcgt Am - 20 dBe、B Tx Antennas1 per sectorLIE receive antennas2Load measurement averaging period AT400 ms tor admission control and congestion control, further averaged over 60 seconds to

23、r MLB。丁 update rate60 seconds6 dBA0.5 dBMLB trigger threshold, p“025SchedulerProportional FairTraffic modelConstant bit rate 64 kbps (64 bytes 8ms)Call durauonCicometric with mean 80 secondsR嚴(yán))64 kbpsUE speed1 m s random walkHandover hysteresis3dBHandover measurement period100 msAC load threshold0.7

24、 tor new users. 0.8 tor handover usersCC trigger load threshold0.9心32Tchat2 hoursC -ste Raoius 25rs £Jd ?5Q0-roRad-s 10OtFigure 1 L E positions generated in first 15 minutesFigure 2 Blocking probability as a function of offered load.0.25Figure 3 Dropping probability as a function of offered load.£ boi 一 two。e-No MLBe-PRB utilisation-based MLB<>Load-based MLB1(他 qoldaln-g JQ>OPU£e-No MLBe-PRB utilisation-based MLB-e-Load-based MLBOfered Lead MbpsFigure 4 Handover failure probability as a function of offered load.350e Nc