基于臨界觸發(fā)的LTE負(fù)載均衡算法

1 引言

LTE[1]通過采用OFDM、SC-FDMA、MIMO等多種關(guān)鍵技術(shù)[2]可以顯著降低用戶平面和控制平面的時(shí)延，實(shí)現(xiàn)比目前2G/3G系統(tǒng)更快的數(shù)據(jù)速率、提供更高的小區(qū)吞吐量。因此，作為立體網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，LTE勢(shì)必將承擔(dān)大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但是在蜂窩移動(dòng)通信中，用戶的到達(dá)率、傳輸業(yè)務(wù)類型都是隨機(jī)變化的，即不均衡的，這就導(dǎo)致了在熱點(diǎn)小區(qū)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一個(gè)可接受的水平，而另一些小區(qū)則仍然具備可用資源來服務(wù)更多的用戶。這種采取負(fù)載轉(zhuǎn)移的方式把熱點(diǎn)小區(qū)中過多的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到業(yè)務(wù)量較輕的小區(qū)中被稱為LB（Load Balancing，負(fù)載均衡）。

負(fù)載均衡能夠解決熱點(diǎn)小區(qū)的擁塞問題，提高系統(tǒng)的資源利用率，為更多的用戶提供保證QoS（Quality of Sevice，服務(wù)質(zhì)量）的服務(wù)。因此，在數(shù)據(jù)為王的今天，關(guān)于LTE的負(fù)載均衡研究已經(jīng)掀起一股高潮。文獻(xiàn)[3]通過分析熱點(diǎn)小區(qū)的過載用戶，通過定位接收功率大的鄰區(qū)并加以轉(zhuǎn)移，來達(dá)到降低小區(qū)負(fù)載的目標(biāo)。這種方法比較簡單，但欠缺對(duì)優(yōu)化后的小區(qū)在接收新的用戶后仍然存在負(fù)載升高的可能性分析。文獻(xiàn)[4]提出了一種負(fù)載分級(jí)的思想，采用3個(gè)離散值將小區(qū)負(fù)載狀態(tài)分為了4個(gè)等級(jí)，進(jìn)而提出一種分布式負(fù)載均衡算法。該算法通過監(jiān)測(cè)本小區(qū)超載，從而觸發(fā)小區(qū)間的負(fù)載信息交互，這樣勢(shì)必會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。文獻(xiàn)[5]也給出了一種比較常見的LTE負(fù)載均衡算法，但側(cè)重于分析與負(fù)載均衡相關(guān)的數(shù)據(jù)模型及相關(guān)參數(shù)。

為此，本文提出一種新的基于臨界觸發(fā)（Critical Trigger）的LTE負(fù)載均衡算法CTLB（Critical Trigger Load Balancing for LTE），通過設(shè)定臨界觸發(fā)點(diǎn)，將目標(biāo)小區(qū)的負(fù)載進(jìn)行針對(duì)性分析，與周邊的鄰區(qū)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整負(fù)載的目標(biāo)。

2 算法模型

觸發(fā)臨界點(diǎn)的思想源于：當(dāng)小區(qū)的負(fù)載不小于1時(shí)，直接觸發(fā)轉(zhuǎn)移；而當(dāng)小區(qū)的負(fù)載小于1時(shí)，由于小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)用戶的分布不均勻而導(dǎo)致邊緣用戶的QoS得不到保證，邊緣速率低下而觸發(fā)負(fù)載轉(zhuǎn)移。

首先提出CTLB算法的相關(guān)模型。

2.1 觸發(fā)點(diǎn)

對(duì)于因小區(qū)過載導(dǎo)致的負(fù)載轉(zhuǎn)移，設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)K1，滿足：

K1=1 （1）

對(duì)于小區(qū)i因用戶分布不均勻而導(dǎo)致的負(fù)載轉(zhuǎn)移，設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)K2，i，滿足：

（2）

其中，Φi為小區(qū)i的負(fù)載；σi為小區(qū)i的邊緣用戶與中心用戶數(shù)量比。

式（2）的意義表示轉(zhuǎn)移觸發(fā)的容易程度與小區(qū)負(fù)載及用戶分布成反比，即小區(qū)負(fù)載越大、用戶分布在邊緣，就越容易觸發(fā)負(fù)載均衡。

2.2 用戶信噪比

對(duì)于LTE小區(qū)c內(nèi)每個(gè)用戶ui的信噪比SINR，定義如下：

（3）

其中，Px為小區(qū)x的發(fā)射功率；為用戶ui到小區(qū)x的路徑損耗；N為熱噪聲。

2.3 資源塊能力

根據(jù)香農(nóng)定理：

C=B*log2（1+SINR） （4）

由文獻(xiàn)[6]可知，每個(gè)用戶ui申請(qǐng)的業(yè)務(wù)速率可由下式計(jì)算：

（5）

其中，表示用戶ui占用的物理資源塊數(shù)量；BW表示每個(gè)物理資源塊的占用帶寬，即180kHz。

假設(shè)服務(wù)用戶ui的每個(gè)物理資源塊能力是一樣的，則資源塊能力計(jì)算如下：

（6）

2.4 LTE小區(qū)負(fù)載Φc

對(duì)于小區(qū)c，其負(fù)載Φc定義如下：

（7）

其中，PRBTot，c為小區(qū)c內(nèi)總的物理資源塊；為用戶ui申請(qǐng)的業(yè)務(wù)速率；為服務(wù)于用戶ui的每個(gè)資源塊可以提供的速率。

因此，根據(jù)式（6）可進(jìn)一步演算：

（8）

由此可計(jì)算出，當(dāng)小區(qū)c發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí)（包括移入和移出），其負(fù)載變化量如下：

（9）

此式表明只要核算出轉(zhuǎn)移的用戶占有物理資源塊數(shù)量，即可推算出小區(qū)的負(fù)載變化量。當(dāng)不同小區(qū)的物理資源塊數(shù)量相同時(shí)，此式也適用于不同小區(qū)之間的負(fù)載變化量計(jì)算。

2.5 均衡因子β

定義小區(qū)負(fù)載均衡因子β如下：

β （10）

其中，N為待核算的LTE基站數(shù)量。當(dāng)β接近于1時(shí)，各基站的負(fù)載均衡；當(dāng)β接近1/N時(shí)，各基站的小區(qū)負(fù)載嚴(yán)重不均衡。

3 CTLB算法

為了簡述方便，假設(shè)均衡區(qū)域共有N個(gè)LTE基站。

步驟1：首先選擇具備最大負(fù)載的基站eNBi，假設(shè)eNBi共有k個(gè)鄰區(qū)，即{eNBm，eNBm+1，…，eNBm+k-1}，找到其中具備最小負(fù)載的基站eNBj（j≠i）。

步驟2：觸發(fā)點(diǎn)核算。

若Φi>K1，則在eNBi和eNBj間進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，計(jì)算轉(zhuǎn)移量如下：

（11）

其中，abs（·）表示絕對(duì)值函數(shù)。

否則，計(jì)算{eNBm，eNBm+1，…，eNBm+k-1}的平均負(fù)載為：

（12）

根據(jù)式（2）計(jì)算，可得：

（13）

（14）

如果K2，i≤K2，k，不進(jìn)行任何負(fù)載轉(zhuǎn)移，否則計(jì)算轉(zhuǎn)移量：

（15）

步驟3：假設(shè)eNBi和eNBj重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有用戶為Uij={uij，1，uij，2，…，uij，h}，根據(jù)式（9）計(jì)算將其全部轉(zhuǎn)往eNBj所產(chǎn)生的負(fù)載變化量：

（16）

計(jì)算實(shí)際真正產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移負(fù)載變化量：

（17）

根據(jù)式（9）計(jì)算：

（18）endprint

其中，ceil為天花板函數(shù)。

步驟4：從eNBi中轉(zhuǎn)移滿足式（18）指定物理資源塊數(shù)量的用戶至目標(biāo)基站eNBj中，并根據(jù)式（7）更新所有小區(qū)的負(fù)載。

步驟5：根據(jù)式（10）計(jì)算均衡因子β，并計(jì)算以下條件是否滿足：

ε （19）

其中，β0表示可接受的均衡狀態(tài)；ε表示收斂目標(biāo)值。

如是，則CTLB算法結(jié)束；否則，重復(fù)步驟1直到條件滿足為止。

4 仿真

4.1 仿真環(huán)境

本文采用MATLAB進(jìn)行仿真，共設(shè)有19個(gè)eNB，每個(gè)基站3扇區(qū)，基站間距500m，傳播環(huán)境采用COST231-Hata模型，陰影衰落方差為9dB，熱噪聲密度為-174dBm/Hz，帶寬為20MHz。

在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)隨機(jī)地撒下用戶，使得eNB小區(qū)負(fù)載存在不均衡，假設(shè)所有用戶的請(qǐng)求速率為512kbps。

4.2 仿真結(jié)果與分析

（1）均衡收斂

在CTLB算法的協(xié)作下，各小區(qū)負(fù)載向一致性收斂。設(shè)定β0=0.999，ε=0.01%，給出算法的收斂仿真結(jié)果如圖1所示。

算法經(jīng)歷15次迭代，很快達(dá)到預(yù)期的收斂結(jié)果，各小區(qū)負(fù)載達(dá)到均衡。

（2）過載用戶

過載用戶的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[3]，即：

（20）

其中，Mc表示小區(qū)c中的所有用戶數(shù)。

過載用戶的仿真結(jié)果如圖2所示：

圖2 過載用戶仿真

在本次仿真中，存在負(fù)載大于1的過載小區(qū)，并且最大負(fù)載與最小負(fù)載存在很大差異，因此經(jīng)過步驟2后直接進(jìn)行大量負(fù)載的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致過載用戶迅速削減為0。最大負(fù)載與最小負(fù)載小區(qū)的轉(zhuǎn)移過程分別如圖3和圖4所示：

圖3 最大負(fù)載小區(qū)均衡過程

圖4 最小負(fù)載小區(qū)均衡過程

（3）小區(qū)吞吐量

由于小區(qū)吞吐量與上下行時(shí)隙比例相關(guān)，本仿真中以貼合實(shí)際組網(wǎng)的2：2為例[7]進(jìn)行說明，挑選負(fù)載最大與最小的2個(gè)極端小區(qū)吞吐量，給出CTLB在收斂均衡過程中對(duì)小區(qū)上/下行吞吐量的影響，分別如圖5和圖6所示。

隨著迭代過程的進(jìn)行，負(fù)載大的小區(qū)吞吐量逐漸減小，負(fù)載小的小區(qū)吞吐量則逐漸增加。在小區(qū)負(fù)載穩(wěn)定過程中，由于仿真假設(shè)每用戶申請(qǐng)的速率是一致的，其SINR也保持不變，小區(qū)吞吐量出現(xiàn)臨時(shí)性的持平。

5 結(jié)束語

LTE的小區(qū)負(fù)載均衡能夠解決熱點(diǎn)小區(qū)的擁塞問題，提高系統(tǒng)的資源利用率，盡可能地保持業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。本文通過提出基于臨界觸發(fā)的小區(qū)間負(fù)載轉(zhuǎn)移的方法，來達(dá)到負(fù)載均衡的目的。LTE需要考慮多種移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的用戶切換和互操作，但限于篇幅及復(fù)雜性，本文僅限于討論LTE系統(tǒng)內(nèi)部的小區(qū)均衡，系統(tǒng)間的負(fù)載均衡有待進(jìn)一步補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

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