自組織無線網絡中的移動負載均衡技術

摘要：文章認為基于人工進行的網絡優化方法難以適應未來網絡發展需要，為此LTE系統引入了自組織網絡技術。自組織網絡技術涉及網絡部署、運行的各個環節，其中移動負載均衡技術是自組織網絡技術的一個關鍵技術。移動負載均衡技術通過用戶在不同小區之間的切換實現負載的轉移，從而實現負載的均衡分布，提高網絡性能。針對很多移動負載均衡算法沒有考慮用戶的服務質量（QoS）要求，文章介紹了一種保證QoS要求的移動負載均衡算法。

關鍵詞：自組織網絡；移動負載均衡；切換

Abstract：Artificial network optimization does not adequately allow networks to adapt to future developments. In this paper， we introduce self-organizing network （SON） technology in LTE systems. SONs are involved in all aspects of network deployment and operation， and mobility load balancing is a key technology in an SON. The load can be transferred by switching users between different cells. In this way， MLB can distribute the load in a balanced way and can improve network performance. In this paper， a QoS-guaranteed MLB scheme is introduced in detail.

Key words：self-organizing networks； MLB； handover

由于無線應用對無線網絡速率、帶寬的要求越來越高，無線網絡的規模越來越大，并且同一運營商可能同時運行多個網絡，如GSM、WCDMA、LTE宏站，以及它們的小站，從而形成異構網絡，使得網絡結構越來越復雜、網絡參數眾多，并導致網絡參數之間錯綜復雜的相互關系，由此造成網絡部署、運維、排障的復雜度指數式上升。同時，由于在傳統的網絡中，網絡部署、運維、排障等基本上都是人工的方式（如路測、用戶反饋而進行），顯然，需要投入大量的人力，將帶來巨大的運行成本。根據市場調查公司Infonetics Research的分析報告[1]，各大運營商的運營成本基本上都占各自收入的70%。并且，隨著無線網絡的發展，依靠人工的方式越來越難以實現網絡的最優化。因此，亟待一種技術能夠幫助運營商解決復雜網絡的優化復雜性問題，降低運維成本相對總收入的比例，提高設備使用效率。自組織網絡技術的出現正是為了降低網絡規劃、部署、維護、排障、優化的成本，使運營商能高效運營、維護網絡，在滿足客戶需求的同時，自身也能夠持續發展。

自組織網絡是由下一代移動網絡（NGMN）聯盟中的運營商主導，聯合主要的設備制造商，提出了自組織網絡的概念[2-3]。自組織網絡包括自配置、自優化、自愈合等3個方面，涵蓋網絡規劃、部署、維護、優化和排障等各個環節，并定義了相應的用例。自組織網絡的概念提出以來，3GPP一直在LTE和LTE-A的框架中積極推動相關的標準化工作[4-5]。目前，3GPP完成了R8、R9、R10、R11中自組織網絡的標準化工作，為相關技術的商用打下了標準基礎。由于自組織網絡技術的顯著優勢，目前，已經引起了廣泛的關注，并將它推廣到其他網絡，如移動通信系統陸地無線接入網（UTRAN）、無線局域網（WLAN）中，正在進行相應的標準化工作，將在新的版本中進行應用。

自組織網絡中的自優化技術是指網絡設備初始配置完成，網絡進入運行階段后對網絡參數的自主、自動優化，以使網絡處于最優狀態，充分發揮網絡的性能。自優化技術包括如容量與覆蓋的優化、網絡節能、干擾協調、移動負載均衡、移動性優化、隨機接入優化等，并且，隨著研究和標準化工作的深入，自優化技術所包含的內容將進一步擴展到其他方面。本文僅討論其中的移動負載均衡技術。

1 負載均衡的基本概念

負載通常定義為被占用的資源與所有可用的資源之間的比值。在無線網絡中，由于用戶分布的不均勻，導致不同小區中業務量因負載分布的不均勻而形成的不均勻。負載分布的不均勻使得不同小區中無線資源的利用率不均衡：繁忙小區中由于負載較重，無線資源非常緊張，難以接納新的呼叫，甚至難以保證已有用戶的服務質量（QoS）要求；而空閑小區中由于負載較低，未使用的無線資源較多，無線資源利用率很低，造成無線資源的浪費。因此，為了保證無線資源的合理使用，提高運營商承載業務的能力，需要通過一定的方法改變負載的分布，使得負載在各小區中基本均勻分布，避免出現過忙或過閑小區，即實現負載均衡。

2 移動負載均衡的基本算法

由于負載的不均勻分布對網絡性能影響很大，負載均衡問題自蜂窩移動通信系統出現以來就一直受到研究人員的關注，并提出了各種解決方法。

一類較常用的負載均衡算法是基于無線資源管理的負載均衡算法[6-9]。在這類方法中，基于小區負載分布，在多個小區之間聯合進行無線資源的自適應調度，從而保證不出現高負載小區。文獻中已有大量相應算法。比如，繁忙小區通過“借用”空閑小區或信道資源池中的空閑信道，從而實現無線資源的最優利用的算法。這類算法在GSM和3G系統中應用比較多。另一類是基于切換的，即移動負載均衡算法[10-13]。在這類方法中，將繁忙小區中的服務用戶通過切換，轉移到空閑小區中去，或通過適當的接納控制算法，使新接入用戶接入到空閑小區，從而實現負載在各小區間的均衡分布。圖1為移動負載均衡示意圖。其中，小區A為繁忙小區，小區B、小區C為空閑小區。小區A由于負載較高，需要將部分用戶切換到小區B或小區C中，從而實現負載在各小區之間的均衡分布，避免出現高負載小區。

自組織網絡中采用第二類負載均衡算法，即移動負載均衡算法。在移動負載均衡算法中，需要通過用戶的切換來實現負載的轉移，從而實現負載均衡。因此，用戶的切換機制是移動負載均衡算法的核心內容。在用戶切換機制上，主要包括基于強制切換和基于切換參數調整的機制。

2.1 基于強制切換的移動負載均衡

技術

正常情況下，用戶是否應該發生切換是需要依據一定的準則來進行判斷的[14]。只有滿足相應的條件，才允許用戶進行切換。而在基于強制切換的移動負載均衡技術中，為了實現負載從繁忙小區到空閑小區的轉移，不論用戶是否滿足切換條件，都會將用戶切換到目標小區中去。這種強制切換由于以實現負載均衡為目標，沒有考慮移動性的優化，可能會帶來較高的無線鏈路失敗率、切換失敗率、乒乓切換概率，導致切換性能的下降。因此，為了提高負載均衡算法的性能，并保證移動性的性能，待切換用戶的選擇是這類算法中的一個重要問題。這類算法的優點是能較快地實現負載均衡，并且由于能對待切換用戶進行選擇，因此，可以實現比較精確的負載控制。因此，這類算法是移動負載均衡技術的一個重要的發展方向。

2.2 基于切換參數調整的移動負載

均衡技術

在這類移動負載均衡算法中，和正常切換技術一樣，需要對切換參數進行調整，以便于用戶的切換，實現負載均衡。但是，由于負載均衡算法的目標是有利于用戶的切換，而移動性優化的目標是實現切換的魯棒性，并不完全一致，因此，可能導致對切換參數的調整方向不一致，從而導致移動負載均衡技術和移動性優化技術之間存在沖突。因此，在這類移動負載均衡技術中，與移動性優化技術的協調，成為需要解決的一個重要問題。這類算法的一個缺點是，由于只是基于對切換參數的調整來實現用戶的切換，對滿足切換條件的用戶都將進行切換，并且在進行切換參數的調整時，難以根據負載情況進行參數調整，因此，難以實現負載轉移的精確控制。

3 一種保證用戶QoS要求

的移動負載均衡算法

目前，針對移動負載均衡技術的研究已經較多。但是，很多算法都沒有考慮用戶的QoS要求。本文介紹一種能滿足用戶QoS要求的移動負載均衡算法。

考慮如圖2所示的網絡模型。

在這個網絡中，有兩類用戶：常速率（CBR）用戶，用來模擬保證速率（GBR）業務；盡力而為（BE）用戶，用來模擬非GBR用戶。因此，用戶k在第i個小區中時，其第l個物理無線資源塊（PRB）上的信干噪比（SINR）可寫成：

其中g i ， l ， k （τ），p i ， l （τ）分別為在τ時刻從i小區到用戶k的信道增益和信號發射功率，N為噪聲功率。

在[t -1，t ]間隔中，用戶k的帶寬效率為：

其可達速率為R i ，k （t ）=w i ，k （t ）e i ，k （t ），其中w i ，k （t ）為所獲得的帶寬。

定義負載：

其中分子，分母分別為占用的無線資源和總的無線資源數，I i ， k （t ）表示用戶k與小區i的連接關系。當取1時表示有連接，為0時沒有連接，并且用戶只與一個小區連接。

定義GBR用戶的負載均衡指標：

其中 N 表示小區數量。因此，對GBR用戶來說，目標是要實現負載均衡指標的最大化。定義非GBR用戶的網絡效用函數：

其中Um （ ）是單個非GBR用戶的效用函數，可根據情況進行定義。因此，對非GBR用戶來說，是要實現網絡效用函數的最大化。

因此，可建立以下的保證QoS要求的移動負載均衡最優化模型：

約束條件包括：

對這個多目標優化問題直接求最優解復雜度很高，因此，往往尋求次最優解。該次最優解可分解成若干個步驟，以保證負載均衡的優化和QoS要求。限于篇幅，本文不詳細描述具體過程，具體可參見文獻[15]。

為了驗證算法的性能，對有關指標進行了仿真研究。圖3為不同算法下的阻塞率比較。圖4為不同算法下非GBR用戶5%吞吐量的性能。從圖3、圖4中可以看出，提出的負載均衡算法具有明顯的性能優勢。

4 結束語

自組織網絡技術經過幾年的發展，已經不僅僅是停留在標準和研究階段的新技術。隨著算法的日漸成熟，以及運營商對運維成本控制越來越嚴格，自組織網絡特性成為新建LTE網絡的必備選項和LTE設備的標準配置。因此，它必將擁有廣闊的應用前景。另一方面，自組織網絡中的關鍵技術，如移動負載均衡技術等，還會隨著自組織網絡技術向其他網絡的拓展而進一步向前發展。

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收稿日期：2012-11-06

作者簡介

潘志文，東南大學移動通信國家重點實驗室教授；主要研究領域為新一代寬帶無線通信無線傳輸技術、新型無線網絡技術及自組織網絡；已主持和參加基金項目10余項，獲國家技術發明獎一等獎、教育部技術發明一等獎各1項；已發表論文20余篇，申請和授權發明專利30余項。

尤肖虎，東南大學移動通信國家重點實驗室主任、教授，東南大學信息科學與工程學院院長，教育部長江學者特聘教授，“863”計劃信息領域專家組成員，“新一代寬帶無線移動通信網”國家科技重大專項副總工，IEEE Fellow；主要研究領域為新一代寬帶無線通信無線傳輸技術、新型無線網絡技術及自組織網絡；已主持基金項目20余項，獲國家技術發明獎一等獎、國家科技進步獎二等獎、教育部技術發明獎一等獎各1項；已發表論文100余篇，申請和授權發明專利40余項。