網絡負載均衡技術對HRPD網絡的性能提升

阮恭勤，王月珍，尹 珂，梁健生

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

隨著移動通信的快速發展，特別是3G網絡和智能終端的迅速普及，中國電信集團公司 （以下簡稱中國電信）HRPD網絡的用戶數呈現不斷上升的趨勢，這種趨勢造成數據業務量的快速增長，并加重網絡負荷。為了提升網絡容量，改善用戶體驗，中國電信開展了HRPD智能網絡關鍵技術的研究與試驗，其中的網絡負載均衡（NLB）技術能有效地改善網絡負載不均衡的情況。

目前，現網普遍存在網絡負載不均衡現象，這種現象主要表現為重負載小區通常被相鄰的輕負載小區所包圍，而且這種不均衡性會隨著時間、用戶行為、用戶分布等因素的變化而變化。NLB技術的提出正是為了改善這種網絡負載不均衡現象，該技術充分考慮了相鄰各個扇區的網絡負載情況，并結合終端的無線環境因素，實現扇區內和扇區間的資源優化配置，通過降低網絡負載不均衡性提升用戶體驗。本文首先介紹NLB技術的基本原理，再通過將NLB技術運用在HRPD現網環境下評估對網絡的性能提升。

2 NLB技術基本原理

網絡負載均衡技術通過將邊緣用戶從重負載扇區轉移到輕負載扇區來提升整個網絡的容量。圖1給出了NLB技術原理的示例，對于相鄰小區的負載不均衡情況，雖然高負載服務小區——扇區2的信噪比較高（可以從DRC（數據速率控制）申請速率判斷出），但小區下的服務用戶數較多，網絡負荷較重（負載為80%），因此，單用戶分配到業務時隙也較少，如圖1中邊緣用戶的實際速率只有61 kbit/s；相反，雖然低負載鄰區扇區1的信噪比相對低，但是該小區負載較輕，因此通過NLB技術將終端從扇區2轉移到扇區1能有效提升用戶的實際速率，如圖1中邊緣用戶的實際速率提高到124 kbit/s。這樣，不僅該終端的用戶體驗得到改善，其原來在重負載服務小區——扇區2所占用的時隙被釋放給其他終端，從而提高了整個網絡的性能。

圖1 NLB技術示意

NLB技術的實現方式可分為BSC判決方式和終端判決方式。通過BSC判決的NLB實現方式支持現網終端，而通過終端判決的實現方式需要新終端的支持。目前CDMA網絡暫時沒有支持該實現方式的終端，因此，本次現場試驗只采用BSC判決方式的NLB技術，NLB由網絡BSC根據基站負載信息及終端的信噪比進行計算，進而控制終端與哪個基站進行數據收發。

圖2為BSC判決方式的NLB技術具體實現過程。假設BTSA為終端的當前服務基站小區，BTSB為相鄰的激活集小區，其中Neff值通過測量小區的等待調度用戶數得到，因此，Neff值的大小表示小區負荷程度的大小。圖2中BTSA的負載（Neff=4X）比BTSB的負載（Neff=X）重。

過程1：BTSA和BTSB定期測量小區的Neff值，并上報給 BSC；BSC向終端發送路由更新請求 （route updaterequest）消息，終端通過路由更新響應 （route update response）消息上報激活集導頻Ec/Io信息。

圖2 NLB原理——BSC判決方式

過程2：BSC根據上報的Ec/Io估計終端激活集每個小區的SINR值，計算該終端在激活集扇區的Metric=SINRNeff。Metric表示終端選擇某扇區時可達到的實際速率。假如Metric最大的扇區不是目前服務扇區，BSC就可以考慮把該終端從目前的扇區轉移出去。

過程3：BTSA的Metric小于BTSB時，則BSC指示BTSA該終端的DRCLock應該為0。在終端檢測到BTSA的DRCLock=0之后，就會切換到BTSB作為服務扇區。

從NLB技術原理可以看出，終端在選擇服務小區時，除了考慮激活集小區的無線環境外，還結合了Neff負載信息，這樣在負載不均衡場景下，能有效地平衡相鄰基站小區的無線資源，使系統達到最優配置，從而實現網絡負載均衡。

3 NLB技術的性能分析

為了驗證NLB技術在現網下的實際性能提升效果，選取某城市進行現網試驗，分別統計NLB技術在該城市開啟前后各一周的所有載扇的吞吐量、Neff等指標，數據采樣的時間間隔為每半小時統計一次。通過對NLB開啟前后的數據進行分析對比，可以評估NLB技術對HRPD網絡的性能提升情況。

NLB功能主要是通過將邊緣用戶從重負荷載扇轉移到輕負荷載扇，改善重負荷載扇的網絡負荷，提升整體性能。通過圖3的算法評估整網重負荷載扇的改善效果，評估方式有網絡容量增益和用戶體驗增益。

圖3對網絡容量增益和用戶體驗增益的評估方法可分為如下3步進行。

圖3 網絡容量增益與用戶體驗增益的評估方法

（1）首先采用滑動窗口對各個載扇側指標進行統計，滑動窗口的好處是能有效地、平滑地處理短時間內由現網波動引起的評估誤差，降低了現網波動對NLB性能評估的影響。如選取10 h的滑動窗口，相應的時間段為：6:00-16:00、7:00-17:00、…、14:00-24:00。

（2）在每次滑動窗口采集數據指標后，分別計算平均吞吐量和平均BDR（表示用戶速率），平均吞吐量是通過對滑動窗口所包含的時間段內，整網所有載扇的吞吐量平均計算得到；平均BDR計算是先通過Neff值對所有載扇的半小時采樣點進行由高到低排序，再選取排名靠前的重負荷載扇，且這些載扇的總吞吐量占整網吞吐量的Y%，計算這些重負荷載扇的BDR，其中BDR=吞吐量/Neff，并對所有計算得到的BDR取平均。

（3）根據上述計算得到平均吞吐量和平均BDR，可以畫出BDR和吞吐量的關系曲線。通過NLB開啟前后的BDR隨吞吐量變化的關系曲線，評估網絡容量增益和用戶體驗增益。網絡容量增益的評估方式：固定BDR值，計算在相同BDR（即用戶速率不變）的情況下，網絡吞吐量的變化情況。用戶體驗增益的評估方式：固定吞吐量值，計算在相同吞吐量值（即網絡容量不變）的情況下，BDR的變化情況。

選取滑動窗口大小為10 h，吞吐量占整網吞吐量30%的情況，BDR隨吞吐量變化的關系曲線如圖4所示。

圖4中虛線為NLB功能打開前的關系，實線為NLB打開后的關系。根據圖4的關系曲線，可以得出如下的網絡容量增益和用戶體驗增益。

網絡容量增益：

·BDR為900 kbit/s時，網絡吞吐量從242 Mbit/s到280 Mbit/s，容量增益為16%；

·BDR為950 kbit/s時，網絡吞吐量從 222 Mbit/s到

圖4 滑動窗口10 h，吞吐量30%的重負荷載扇BDR隨吞吐量變化的關系曲線（數據來源：高通）

表1 NLB開啟前后，不同N eff值的載扇數變化情況

260 Mbit/s，容量增益為17%；

·BDR為1 050 kbit/s時，網絡吞吐量從185 Mbit/s增大到220 Mbit/s，容量增益為19%。用戶體驗增益：

·網絡吞吐量為180 Mbit/s時，BDR從1 060 kbit/s到1 100 kbit/s，用戶體驗增益為3.8%；

·網絡吞吐量為220 Mbit/s時，BDR從960 kbit/s到1 050 kbit/s，用戶體驗增益為9.4%；

·網絡吞吐量為260 Mbit/s時，BDR從860 kbit/s到950 kbit/s，用戶體驗增益為10.5%。

從分析結果可知，開啟NLB功能后，對于30%吞吐量的重負荷載扇，網絡容量增益約為19%，用戶體驗增益約為10.5%。表明NLB技術能有效提升重負載扇區的網絡容量，并能改善重負載扇區的用戶體驗。

NLB功能的作用體現在重負荷載扇的Neff值下降 （即載扇負荷降低），對于整網忙時不同Neff值的載扇數變化情況評估，可以統計NLB開啟前后，各個Neff值所對應的載扇數變化情況，結果如表1所示。

從表 1中可以得出，NLB開啟后，Neff＞1.5的載扇數會下降，0＜Neff≤1.5的載扇數會上升，特別是 2

4 結束語

NLB技術通過輕負載扇區分擔重負載扇區的數據業務來提升整體網絡的性能，它能平衡相鄰小區間的前向鏈路負荷，提升用戶實際的體驗速率，終端通過考慮相鄰小區負載和無線環境，來選擇速率最優的服務小區，從而提升網絡容量增益和用戶體驗增益。從上述對某城市應用NLB技術情況來看，整網30%重負載扇區的用戶體驗增益約為10%，網絡容量增益約為19%，而對于 Neff＞2的重負載扇區，能有效降低其網絡負荷。因此，NLB技術能有效地提高HRPD網絡的資源利用率，節省頻率資源，降低網絡運營成本。

1 3GPP2 C.S 0024.cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification,2012

2 3GPP2 A.S 008.Interoperability Specification(IOS)for High Rate Packet Data (HRPD)Radio Access Network Interfaces with Session Control in the Access Network,2006

3 Qualcomm.DO Advanced Smart Networks Overview,2011