LTE系統(tǒng)的移動負載均衡要點

1、LTE系統(tǒng)的移動負載均衡技術摘要一在本文中我們提出的仿真結果表明，一個基于自動調(diào)節(jié)切換門限的簡 單的分布式同頻負載均衡算法能顯著降低 LTE（Long Term Evolution,長期演進）網(wǎng) 絡中的呼叫阻塞率，并提高蜂窩邊緣的吞吐量。【關鍵詞】LTE負載均衡切換 SON無線電資源管理（RRM）簡介負載均衡的描述為，將過載小區(qū)的負載分配給輕載的相鄰小區(qū)使整個網(wǎng)絡的 無線資源運用更有效率。在本文中，我們所關心的是同頻負載平衡機制， 它在幾 分鐘或幾小時內(nèi)測量反應時間，并能在長期演進網(wǎng)（LTE）中以最低的額外信令 實現(xiàn)。有很多方法可以重新分配小區(qū)之間的負載。 一種方法是通過修改導頻功率來 調(diào)整小

2、區(qū)的覆蓋范圍1。一個更強的導頻功率實際上可以允許更多的遠距離的 用戶進入小區(qū)，從而達到增加覆蓋范圍的目的。 然而，自動調(diào)節(jié)小區(qū)覆蓋范圍冒 著可能會造成覆蓋漏洞的風險。另一種重新分配小區(qū)負載方法是修改兩個相鄰小 區(qū)之間的切換區(qū)域。這種方法被稱為移動負載均衡（ MLB ）。移動負載均衡的規(guī) 則是一偏置切換測量值來調(diào)整切換區(qū)域，致使超載小區(qū)的邊緣用戶切換到負載較 輕的相鄰小區(qū)，從而提高資源的利用效率 2。其結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)間負載分配自動的被完成，這種技術是自組 織網(wǎng)絡（SON）算法的一種。本文的結構安排如下：在第二節(jié)中將介紹一個簡單的分布式負載均衡算法；

3、在第三節(jié)中，將介紹一個仿真模型并給出仿真結果；最后的結論將在第四節(jié)給出。移動負載均衡根據(jù)文獻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 特定的事件，這個事件被稱為事件 A3，觸發(fā)事件A3是當一個特定用戶檢測到 一個相鄰小區(qū)的信號質(zhì)量比當前服務小區(qū)的好時進行切換觸發(fā)。這個觸發(fā)條件可以被描述為公式（1），其中i和j分別是當前小區(qū)和相鄰小區(qū)，Mi和Mj分別是 用戶測量到小區(qū)i和j的信號強度，Of）和Oj（f）分別是小區(qū)i和j的頻率fi 與fj的頻率偏移，Oi（）是服務小區(qū)的小區(qū)偏置，O,j 是小區(qū)i對j的小區(qū)偏 置，E和n分別是一個滯后術語和一個固定的偏移量。Mi的測量值可以是一個 單

4、位為dBm的參考信號接收功率的形式，或者是單位為dB的參考信號接收質(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，通過增加偏移，小區(qū)i的移動用戶可以切換 到相鄰小區(qū)j，從而減輕小區(qū)i的負載。Mj + O +Mi + Os）+n （1）Mj 一 M, > Of3 _ 0管 + g + 77.（2）在本文中，基于小區(qū)負載測量，我們通過自動調(diào)整參數(shù)來進行負載均衡。 我 們可以通過一個簡單的方法來達到這個目的，如公式（ 3）所示。min（Q： + A, if Pj- Pi 二 Q”nm（©”> - ，- O 鶯 ifp-Pj

5、> p,h其中是偏移量步長，Pi和Pj分別是小區(qū)i和j的負載量，Pth>0是一個觸 發(fā)負載均衡的預定義門限，所有 O,j（cn）都初始化為0。定期更新的應用，以應 對每個小區(qū)新的負載測量值。因此，這個方法適合于分布式的實現(xiàn)，其中每個小 區(qū)和相鄰小區(qū)交換負載測量值和偏移值。Q（cn）（cn）,i,j = -Oj,i這點對于確保用戶從一個小區(qū)切換到另一個小區(qū)然后再切換回去（就是防止乒乓切換） 是很重要的。為了應用公式（3）的更新，小區(qū)負載的測量是必須的。一個簡單的方法來 測量負載就是計算小區(qū)中物理資源塊 （PRBs）的平均使用率，如公式（4）所示。 這里nk是在一個測量周期 AT內(nèi)分配

6、給持有者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在測量周期內(nèi)。注意，Pi實在一個范圍值以內(nèi)的，0咗Pi咗1。用這個方法的 問題是，PRB的利用率不是總是一個小區(qū)實際負載很好的體現(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總是很高，因為調(diào)度程序將分配 小區(qū)內(nèi)任何空余的資源給這些用戶。 即使在總帶寬負載的情況下，一個高的PRB 的利用率可能不是一個高負荷的可靠指標，因為它可能會有效的運用PRB在分組延遲略有增加的情況下，同時還能實現(xiàn)所有連接用戶的QoS請求。通過考慮到所有連接者的QoS請求，我們可以得到一個更有用的負載測量

7、值， 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請求所需的平均數(shù)據(jù)傳輸率5（在非法服務的情況下，只/®）代表一個“等價的GBR”既是對于一個非法用戶來說，最低吞吐量是可以被接受的）。Kc是一個正實常數(shù)（通常約為2.0）用來保證負載在一個合理的數(shù)量之下，萬一 Tk由于一個特定用戶惡劣的無線信道質(zhì)量變得非常低K&T(4)k(7)數(shù)值計算結果A.仿真模型模擬是用來評估所提出的在一個 LTE網(wǎng)絡下負載均衡方案的性能的。主要 模擬參數(shù)列于表1我們假設數(shù)據(jù)流以每個用戶 64kbps的速度傳輸，平均通話 時間為3分鐘。負載均衡的

8、相對緩慢的行動意味著需要長時間的仿真來研究它的行為。我們模擬了周期為4小時，小區(qū)為21個的網(wǎng)絡，其中小區(qū)偏置 0,呦每60秒更新 一次。對于這種規(guī)模的仿真，完全模擬 MAC的調(diào)度，RLC、HARQ和物理層將 變得非常復雜。作為替換，我們用一個簡化的模型如下面所描述。在每個框架中， 每個用戶的值都用公式（6）進行計算。公式中N。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是服務小區(qū)給用 戶K的指數(shù)，i,k是代表用戶K與小區(qū)i之間瑞利衰落的幾何分布隨機變量平 均值。(6)k值是在查表的基礎上通過鏈路級仿真映射到一個調(diào)制和編碼方案（MCS）上，以達到

9、一個瞬間可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)率 。這是一個公平按比例調(diào)度計 算出來給每個用戶的，如公式（7）所示。其中B =1.5是一個確定的參數(shù)，人是 用戶K得到的平均吞吐量。在每一個小區(qū)中，每個接入用戶都以 Uk依次排序，每個用戶都根據(jù)需要分 配PRB來騰空隊列直到說有用戶都得到服務或者所有PRBs都被應用。每個小區(qū)都有一種準入控制機制6，當負載測量值達到0.7是阻止行的接 入，并試圖阻止切換當負載測試值到達 0.8,擁塞控制機制7還包括阻止當測量 值達到0.9時的掉話問題。呼叫到達被模擬為一個泊松過程，并模擬了非均勻分布的地理交通的影響。 根據(jù)下面的思想我們假設新的呼叫發(fā)生在群集位置，在任何給定的時間這里終會有

10、同樣數(shù)量的Nclust。每個群集的存在都是有固定期限 Tdust的，當一個群集達 到一個新的群集，它將在任何位置取代新的群集。每個群集呼叫到達率隨著時間 從0到增長最大值在時間Tdust/2時，然后再慢慢降低到0。通話到達率的峰值是 不變的，對所有的群集也一樣。該集群的生命周期以 Tciust / Nclust偏移，從而確 保在任何時候呼叫到達率的總和在所有群集中保持不變（例如，整個網(wǎng)絡的平均呼叫到達率在整個仿真過程中都保持不變）。新的用戶的位置是通過添加一個隨 機位移到原群集的中心位置而產(chǎn)生的，這個位移是通過二維正態(tài)分布產(chǎn)生的， 環(huán)繞也是被考慮的。該模型產(chǎn)生一個提供不斷的逐漸改變的通信量分配

11、，同時維持整個網(wǎng)絡的一 個恒定的平均呼叫到達率。速率的變化是由參數(shù)Tciust管理的，我們將之設置為2 小時（經(jīng)過2個小時的周期循環(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模?，在新用?的位置之間的r.m.s距離和原群集的中心位置點。為了方便講解，圖1顯示了在第一個15分鐘模擬中生成用戶的位置點，其中 Neg =32，群集半徑從25m到 100m。B.結果在第一組的模擬結果中，群集半徑固定為100米，模擬是在不同平均呼叫到 達率的情況下進行的，因此我們提供的每個小區(qū)平均負載從1Mbps到4Mbps變化。我們比較在沒有移動負載均衡，移

12、動負載均衡基于PRB的利用率和PRB基于負載等情況下的各種結果。圖2到圖4顯示了作為提供負載功能的話阻、掉 話和切換失敗的概率。正如所料，由于所提供了負載的增加，產(chǎn)生阻塞的可能性 大大的增加了。然而，以負載為基礎的移動負載均衡與其他方案相比，大大降低了話阻的可能性?；赑RB的利用率的移動負載均衡的效果很不理想，事實證 明，PRB的利用率不是一個實際小區(qū)負載的可靠指標。通過偏置切換決定，當它們接收到的目標小區(qū)無線信號不好時用戶將被切 換，從而增加了掉話的風險系數(shù)。然而，如圖 3所示，移動負載均衡操作引起的 掉話率變化很?。ㄍㄟ^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

13、間的交換可以被調(diào)整）。如圖4所示，基于負載的移動負載均衡在中等負荷的情況下， 大大的減少了 切換失敗的概率，但是在高負荷的情況下，切換失敗的概率有所增加。如圖5所示，在中等負荷的情況下，以負荷為基礎的移動負載均衡增加了當 前用戶5%的吞吐量，卻對用戶平均吞吐量沒有多大影響。在兩個超負荷和輕負 荷的情況下，移動負載均衡顯示對系統(tǒng)沒有什么好處，因為在這些情況下，小區(qū)之間的負載變化通常都沒有大到觸發(fā)移動負載均衡的程度。如圖6所示，小區(qū)負載的CDF聚集在所有小區(qū)和整個仿真的過程中，以提 供平均2.5Mbps的速率給每一個小區(qū)。正如預期的那樣，移動負載均衡再一個比 較窄的CDF范圍之內(nèi)（即更均勻地分布負

14、載），但是平均負荷值變得更高了。平 均負荷值的增加是因為移動負載均衡操作是的小區(qū)邊緣的用戶過早切換到相鄰 小區(qū)，導致目標小區(qū)的無線信號條件更糟。 這不會導致小區(qū)吞吐量的損失，因為 它被更加均勻分布在小區(qū)里的用戶更好的補償了。在第二個實驗中，提供的平均負載值被設定在每個小區(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，沒有移動負載均衡操作和有基于負載的移動負載均衡操作下，各話阻率、掉話率和切換失敗概率的情況。這些結果表明，如預期的那樣，隨著群集半徑的增加，移動負載均衡操作的 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

15、區(qū)間的負 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)之間更大的負載差異。 在這些結果中，更好的移動負載均衡操作效 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，移動負載均衡操作的效 益很顯然的依賴于該集群相對于小區(qū)切換邊界的確切位置。結論在本文中，模擬仿真是為了調(diào)查 LTE網(wǎng)絡中移動負載均衡操作的效益。雖 然這需要做更多的工作，但是結果表明，即使運用一個簡單的移動負載均衡機制， 大大的改進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)對移動負載均衡評價的完全指標， 即使是在恒定比特速率業(yè)務的 情況下。致謝TML作為NE

16、C公司的全資子公司，作者在此感謝他們的建設性意見和日本NEC公司的建設性意見。參考文獻1 K. A. Ali, H. S. Hassanein, and H. T. Mouftah, "Directional Cell Breathing Based Reactive Con gestion Control in WCDMA Cellular Networks", in Proc. of IEEE Symposium on Computers and Communi cati ons, July 1-4, 2007.2 R. Nasri and Z. Altman, “Ha

17、ndover Adaptation for Dynamic Load Balancing in3GPP Long Term Evolution Systems' , Proc. of International Conference on Adva nenes in Mobile Computi ng & Multimedia (MoMM),Dec. 2007.3 TS 36.331 3rd Gen eration Part nership Project; Tech nical Specificatio n Group Radio Access Network; Evolve

18、d Un iversal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Con trol (RRC); Protocol specificati on (Release 8).4 TS 36.214, 3rd Gen eratio n Part nership Project; Tech nical Specificatio n Group Radio Access Network; Evolved Un iversal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer - Measurem

19、ents (Release 8). TS 36.413, 3rd Gen eratio n Part nership Project; Tech nical Specificatio n Group Radio Access Network; Evolved Uni versal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) S1 Applicatio n Protocol (S1AP) (Release 8). R. Kwan, R. Arnott et al., “On Radio Admission Control for LTE Systems', Pro

20、c. of IEEE Vehicular Techno logy Co nference (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 Allianee, NGMN Radio Access Performanee Evaluation Methodology, Ja nuary, 20

21、08.Table I Simulation ParametersSj-stem bandwidth5MHz(25 PRBs)Simulation duration4 hoursCell LayoutHexagonal grid, 7 cell sites. 3 sectors per site with wraparoundInter-Site Disuncc (ISD)500mPath loss128.15 37.6logM max(d*0035)ShadowingLognonnal with standard deviation 8 dB Intra-site correlation 1.

22、0Inter-site correlation 0.5Antenna pattern (horizontal)f zx2A4(8) = min 12I ,1!、4宀,where 0idB - 70 dcgt Am - 20 dBcB Tx Antennas1 per sectorLIE receive antennas2Load measurement averaging period A 7*400 ms tor admission control and congestion control, further averaged over 60 seconds tor MLBQ："

23、)update rate60 seconds少”)6dBA0.5 dBMLB trigger threshold, p氓025SchedulerProportional FairTraffic modelConstant bit rate 64 kbps (64 bytes 8ms)Call durauonCicometnc with mean 】80 secondsR嚴)64 kbps(JE speed1 m s random ualkHandover hysteresis3dBHandover measurement period100 msAC load threshold0.7 tor

24、 new users. 0.8 tor handover usersCC trigger load threshold0.9322 hoursC -ste Raoius 25rCm® Rad-s 10OtFigure 1 L E positions generated in first 15 minutesOfered Load MbpsFigure 2 Blocking probability as a function of offered load.0.25Figure 3 Dropping probability as a function of offered load.e No MLB6 PRB utilisation-based MLBLoad-based MLBNo MLB20»S PRB utilisation七ased MLB4L22.53Ofered Lead MbpsFigure 4 Handover failure probabi