分布式無線通信系統(tǒng)中的負(fù)載均衡

分布式無線通信系統(tǒng)中的負(fù)載均衡

1多處理節(jié)點(diǎn)協(xié)同分布無線通信系統(tǒng)（dwps）采用分布式思想重新定義了傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中的天線和基站功能結(jié)構(gòu)。DWCS以交換網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)(PN,processingnode)構(gòu)成分布式處理網(wǎng)絡(luò)(DPN,distributedprocessingnetwork),PN是基站功能的超集,包括部分MSC的功能。天線通過光纖連接至某個(gè)處理節(jié)點(diǎn)。如圖1所示,3～6號(hào)天線采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)與移動(dòng)站X通信,構(gòu)成X的虛擬小區(qū),而處理節(jié)點(diǎn)A和B則構(gòu)成了為X服務(wù)的虛擬基站。與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)不同,DWCS以用戶為中心進(jìn)行資源分配和信號(hào)處理,多天線及多處理節(jié)點(diǎn)協(xié)同為某一用戶服務(wù)。圖1中,天線5的信號(hào)經(jīng)該天線隸屬的處理節(jié)點(diǎn)B預(yù)處理后,可以由A、B或C任一節(jié)點(diǎn)完成后繼任務(wù),通過分布式控制技術(shù)協(xié)調(diào)多用戶信號(hào)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)和多節(jié)點(diǎn)間并行處理。由于各節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等,DPN實(shí)際是一個(gè)分布式并行處理系統(tǒng)。PN采用軟件無線電技術(shù)或者網(wǎng)絡(luò)無線電技術(shù)構(gòu)造。每個(gè)用戶信道的實(shí)時(shí)信號(hào)流由一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)處理,中頻、基帶和比特流處理3個(gè)部分之間通過光纖背板總線或者ATM交換機(jī)連接,各部分的計(jì)算任務(wù)可以在節(jié)點(diǎn)間調(diào)度。無線通信系統(tǒng)中,各基站的負(fù)載呈現(xiàn)時(shí)變特征,熱點(diǎn)地區(qū)基站的處理能力易達(dá)到飽和而造成呼損,但是在第2代和第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,相鄰基站無法共享處理器資源。而在DWCS中節(jié)點(diǎn)間處理器資源重分配可以均勻分布系統(tǒng)負(fù)載并提高用戶接納水平,同時(shí),均衡技術(shù)允許所有PN設(shè)計(jì)成為處理能力相同的結(jié)構(gòu),從而簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)和制造過程。2區(qū)域負(fù)荷和區(qū)域負(fù)荷平衡策略2.1分布式均衡域劃分文獻(xiàn)中描述的DWCS系統(tǒng)拓?fù)涫且环N節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等的扁平結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的物理拓?fù)淇梢圆捎眯切?、總線、環(huán)形或超立方體結(jié)構(gòu)。為此引入“域(domain)”的概念管理分布式處理網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)。定義負(fù)載均衡域(LBD,loadbalancingdomain)為:{N|Ni,Nj存在關(guān)系:f(Ni,Nj),i≠j;i,j=1,2,3,…},其中,N表示處理節(jié)點(diǎn);f(Ni,Nj)表示處理節(jié)點(diǎn)i和j之間可以交換負(fù)載。根據(jù)不同的功能組織方式,邏輯上一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)可能隸屬于多個(gè)不同類型的功能域。不同類型的域之間可能產(chǎn)生交叉和重疊。圖2中處理節(jié)點(diǎn)A～P被劃分為負(fù)載均衡域和切換域(HOD,handOffdomain)。負(fù)載均衡域LBD1～LBD3內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)采用交換網(wǎng)絡(luò)連接,但切換域HOD1和HOD2則依據(jù)頻率資源的分配劃分。均衡域的劃分影響均衡的效果。均衡域一旦劃定,在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度(以周或者月為計(jì)量單位)內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的。將分布式處理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)均衡域時(shí)需要考慮到節(jié)點(diǎn)呼損分布約束:min(Q1,Q2,…,Qn)<ε且D(Q)=1nD(Q)=1n∑i=1n∑i=1n(Qi?Qˉˉˉ)2＞S(Qi-Qˉ)2＞S?ε,AΔ與D(Q)同向增長(zhǎng)其中,Qi為同一繁忙時(shí)刻處理節(jié)點(diǎn)Ni的呼損概率;ε→0和S>0均為依經(jīng)驗(yàn)確定的常量,其取值通過統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)得到;AΔ為系統(tǒng)接納能力提高的水平。該約束條件使得繁忙時(shí)刻均衡域內(nèi)同時(shí)存在處理能力不足和富余的節(jié)點(diǎn);在ε一定時(shí),S值越大,應(yīng)用均衡技術(shù)后接納能力提高的效果越明顯。2.2任務(wù)調(diào)度及負(fù)載評(píng)價(jià)基于時(shí)間尺度,負(fù)載均衡可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均衡2種粒度。靜態(tài)均衡在較大時(shí)間尺度上規(guī)劃均衡域或部署新的處理節(jié)點(diǎn),一般以月、季度或年為調(diào)整單位。動(dòng)態(tài)均衡是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻,以分鐘或小時(shí)為單位,根據(jù)某種策略平衡處理節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載。負(fù)載遷移過程中的調(diào)度對(duì)象只能是一個(gè)或者數(shù)個(gè)具備原子性的任務(wù)。任務(wù)調(diào)度對(duì)象的粒度包括:①某一根天線接收或發(fā)送的全部信號(hào);②某個(gè)用戶的信號(hào);③某個(gè)信道的信號(hào);④前述3類信號(hào)的中頻、基帶和比特流處理等。由于天線信號(hào)包含大量的用戶信號(hào),以天線信號(hào)處理作為原子任務(wù)粒度過大?？紤]到圖1所示面向用戶的虛擬基站概念,不適宜將單一信道信號(hào)作為調(diào)度單位,故以用戶信號(hào)作為原子任務(wù)調(diào)度較為合理。負(fù)載評(píng)價(jià)方法直接影響均衡的效果和均衡算法的復(fù)雜度。對(duì)影響負(fù)載的各種因素加權(quán)求和是一種常用方法。針對(duì)DWCS處理節(jié)點(diǎn)可以采用以下3種方法:①基于處理器占用時(shí)間、存儲(chǔ)器占用容量等指標(biāo)評(píng)估;②基于服務(wù)中的用戶數(shù)量評(píng)估;③基于用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量評(píng)估?？紤]到以用戶信號(hào)作為任務(wù)調(diào)度粒度,選用服務(wù)中的用戶數(shù)量作為負(fù)載評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較合適。2.3中心式策略與平臺(tái)一致性文獻(xiàn)中對(duì)負(fù)載均衡策略做了分類。按照均衡決策的參與者不同,負(fù)載均衡策略分為中心式和分布式;按照均衡決策過程觸發(fā)者的不同,分為源初始化(過載節(jié)點(diǎn)尋求向外分發(fā)負(fù)載)以及服務(wù)器初始化(輕載節(jié)點(diǎn)尋求遷入負(fù)載)。中心式策略需在均衡域內(nèi)依選舉算法選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為均衡調(diào)度中心,該策略會(huì)增大調(diào)度中心的網(wǎng)絡(luò)通信量,調(diào)度中心易成為性能瓶頸。故從抗毀性、穩(wěn)定性角度考慮,DWCS系統(tǒng)中采用分布式均衡策略較好。3平衡算法和模擬3.1節(jié)點(diǎn)負(fù)載控制本文用一種分布式的時(shí)間驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡,該算法采用源初始化策略。均衡域中的任一處理節(jié)點(diǎn)均將其他節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)保存在本地表中,該表表項(xiàng)Ln通過接收域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)定期廣播更新(time-driven)。廣播間隔時(shí)間主要影響各PN負(fù)載狀態(tài)表的有效性,較長(zhǎng)的間隔會(huì)使負(fù)載狀態(tài)表逐漸失效,這里取10s作為廣播間隔。當(dāng)某個(gè)源節(jié)點(diǎn)負(fù)載超過均衡門限ηt(節(jié)點(diǎn)負(fù)載與節(jié)點(diǎn)最大處理能力之比),并且高于均衡域內(nèi)平均Lavg=1nLavg=1n∑n∑nLn負(fù)載水平時(shí),就查詢自己的負(fù)載狀態(tài)表尋找一個(gè)負(fù)載最小的候選節(jié)點(diǎn)與其協(xié)商。均衡域內(nèi)單節(jié)點(diǎn)處理能力n=100,取ηt=0.8,這樣會(huì)避免在域內(nèi)節(jié)點(diǎn)呼損概率非常小的時(shí)候均衡而引入額外的任務(wù)調(diào)度代價(jià)。在協(xié)商過程中,源節(jié)點(diǎn)與候選節(jié)點(diǎn)交換彼此的負(fù)載信息,并且更新自身負(fù)載狀態(tài)表中與對(duì)方有關(guān)的表項(xiàng)。此外,改進(jìn)了候選節(jié)點(diǎn)接納遷入負(fù)載的方法,使用負(fù)載遷入接納算法做接納控制,若協(xié)商成功,源節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)任務(wù)遷移到候選節(jié)點(diǎn)。若協(xié)商不成功或者候選節(jié)點(diǎn)不可達(dá),源節(jié)點(diǎn)依據(jù)更新后的負(fù)載狀態(tài)表重新選擇候選節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)負(fù)載的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是服務(wù)中的用戶數(shù)量,以用戶信號(hào)作為任務(wù)調(diào)度的最小粒度。處理節(jié)點(diǎn)為每個(gè)用戶信號(hào)分配獨(dú)立的處理器資源,由該處理器完成中頻、基帶以及比特流處理的任務(wù),仿真只考慮單業(yè)務(wù)模型,認(rèn)為每個(gè)用戶占用相同的系統(tǒng)資源。各節(jié)點(diǎn)負(fù)載在用戶呼叫接納控制部分均衡,流程是:均衡調(diào)度算法在用戶請(qǐng)求接入時(shí)選擇為其服務(wù)的處理節(jié)點(diǎn),若該用戶被接納,在不考慮切換的情況下,會(huì)話過程中用戶信號(hào)始終由此節(jié)點(diǎn)處理;若系統(tǒng)無法均衡并且當(dāng)前處理節(jié)點(diǎn)容量飽和,則拒絕該用戶。將每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)M/M/n/n排隊(duì)模型,各處理節(jié)點(diǎn)客戶按參數(shù)為λi(i=1,2,…)的泊松分布到達(dá),客戶到達(dá)時(shí)間間隔及顧客占用系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間均為負(fù)指數(shù)分布,平均服務(wù)時(shí)長(zhǎng)為μ,這是一個(gè)即時(shí)拒絕系統(tǒng)。通過改變域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)客戶到達(dá)速率λ之比,分析節(jié)點(diǎn)呼損分布約束條件。負(fù)載遷入接納算法采用候選節(jié)點(diǎn)任務(wù)優(yōu)先策略。在保證自身呼損小于B時(shí),B∈(0,1),候選節(jié)點(diǎn)接納遷入負(fù)載。為此候選節(jié)點(diǎn)在接納時(shí)需預(yù)留n個(gè)用戶的處理能力,其中,n滿足1-∑i=0n+1∑i=0n+1(λt)ii!e?λt≤B＜1?(λt)ii!e-λt≤B＜1-∑i=1n∑i=1n(λt)ii!e?λt(λt)ii!e-λt。由呼損的服務(wù)等級(jí)函數(shù)定義:用戶滿意度G(B)=(1-B)k,k依經(jīng)驗(yàn)取10;則n要滿足∑i=1n∑i=1n(λt)ii!e?λt(λt)ii!e-λtk<G≤∑i=0n+1∑i=0n+1(λt)ii!e?λt(λt)ii!e-λtk,取G=99%,t=1。由排隊(duì)論可知,M/M/n/n模型的呼損Ploss=ρnn!Ρloss=ρnn!∑j=0n∑j=0nρij!ρij!-1,在單位時(shí)間內(nèi)占用服務(wù)窗的均值k=ρ(1-Ploss),其中ρ=λμ稱為系統(tǒng)負(fù)荷水平。由于在ρ=n附近kˉ?ρkˉ-ρ曲線曲率較大,故主要分析此處的系統(tǒng)特性。3.2節(jié)點(diǎn)群內(nèi)負(fù)載時(shí)的仿真當(dāng)構(gòu)成均衡域的4個(gè)處理節(jié)點(diǎn)的客戶到達(dá)速率λ相同時(shí),一次蒙特卡洛仿真所呈現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況如圖3和圖4所示。在節(jié)點(diǎn)負(fù)載達(dá)到均衡門限ηt=0.8后,均衡態(tài)各節(jié)點(diǎn)負(fù)載分布明顯比非均衡態(tài)均勻,節(jié)點(diǎn)處理能力達(dá)到容量上限而導(dǎo)致呼損的次數(shù)也減少。在計(jì)算平均呼損以及域內(nèi)負(fù)載時(shí),取100次仿真的平均數(shù)據(jù),同時(shí)忽略掉每次仿真過程中系統(tǒng)負(fù)載不穩(wěn)定(仿真時(shí)間小于250s)的數(shù)據(jù)。圖5和圖6顯示了域中4個(gè)具有相同λ的節(jié)點(diǎn)通過均衡提高了接納能力。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)的ρ值偏離n較多時(shí)均衡的效果不明顯。圖7和圖8所示的仿真過程中取λPN1∶λPN2∶λPN3∶λPN4=0.5∶0.8∶1∶1,對(duì)比平均系統(tǒng)負(fù)荷水平ρˉ=14ρˉ=14∑i=14∑i=14ρi與平均呼損及域內(nèi)負(fù)載的關(guān)系上看,均衡態(tài)明顯優(yōu)于非均衡態(tài)。對(duì)比圖5和圖7及圖6和圖8,在同樣的節(jié)點(diǎn)群