多用戶QoS需求的負載均衡算法研究與分析

江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司 唐 欣 屈 剛

多用戶QoS需求的負載均衡算法研究與分析

江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司 唐 欣 屈 剛

本文基于LTE網(wǎng)絡對多業(yè)務類型的負載均衡算法進行了研究，提出一種基于用戶QoS要求的負載均衡算法，該算法能有效保障實時類業(yè)務的QoS要求，減少了高負載小區(qū)中的不滿意用戶數(shù)。

LTE；負載均衡；QoS

1 引言

在2G/3G階段,移動通信的業(yè)務主要集中在語音業(yè)務和少量的數(shù)據(jù)業(yè)務。在UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)向LTE演進過程中,語音和數(shù)據(jù)業(yè)務都是通過IP數(shù)據(jù)包形式進行分組發(fā)送,數(shù)據(jù)包大小和不同QoS要求導致業(yè)務質量的差異化。用戶移動的隨機性和業(yè)務需求時間的不確定性會導致LTE網(wǎng)絡出現(xiàn)負載難以均衡的問題。負載均衡的算法思路就是通過將高負載或過負載小區(qū)的用戶轉移到低負載小區(qū)來減小負載不均的影響,從而提高網(wǎng)絡系統(tǒng)資源的利用率。

文獻［1］通過調節(jié)切換參數(shù)中的小區(qū)特定偏置參數(shù)CIO(Cell Individual Offset)來達到系統(tǒng)容量負載均衡的目的,但也導致了系統(tǒng)的某些性能指標的降低,如乒乓切換等問題。文獻［2］指出在進行負載均衡時,不僅考慮無線接入網(wǎng)(RN)而且考慮了傳輸網(wǎng)(TN),同時綜合考慮GBR(Guaranteed Bit Rate)和non-GBR業(yè)務的需求,最終提高了網(wǎng)絡性能。

本文在分析LTE相關協(xié)議的基礎上,采用小區(qū)多業(yè)務類型負載估計方法和輕負載鄰區(qū)預測方法,通過調節(jié)小區(qū)中部分用戶的小區(qū)便宜CIO值來實現(xiàn)業(yè)務實時性QoS要求,進而達到提高網(wǎng)絡容量的目的。

2 算法原理

在傳統(tǒng)的負載均衡算法中,在高負載小區(qū)中對不同QoS要求的用戶有不同影響,對于CBR(Constant Bit Rate)用戶,由于資源得不到滿足,所以會造成CBR用戶較高用戶阻塞率,而對于BE用戶,由于該類用戶沒有固定資源要求,所以BE用戶的阻塞率沒有嚴重的惡化,但是小區(qū)高負載的原因,邊緣用戶的吞吐量將嚴重惡化。本算法考慮到負載均衡對不同用戶QoS要求的影響,對用戶的業(yè)務類型進行分組,算法的目標在于保證實時類業(yè)務用戶的QoS要求。

在負載均衡算法中,主要是改變小區(qū)邊緣用戶的的小區(qū)特定偏執(zhí)參數(shù),使用戶強制切換到負載相對低的鄰小區(qū),從而平衡各小區(qū)的負載,提升全網(wǎng)的性能。在多種業(yè)務中,不同的業(yè)務的特性不同,對于BE用戶,并不要求保證用戶的性能,而僅僅對接入的用戶數(shù)有限制。而對CBR用戶需要滿足其特定業(yè)務的無線承載資源。本文在負載均衡時,為優(yōu)先保證CBR用戶的性能,選擇將過載小區(qū)中的Non-GBR用戶切換到鄰小區(qū)中。而對于邊緣位置的CBR業(yè)務用戶,仍沿用基于信號強度的切換過程,減少其鏈路失敗的發(fā)生。

2.1 負載門限的判定問題

對小區(qū)的負載進行監(jiān)測是將基站下的負載劃分為不同的區(qū)間,如圖1所示。

圖1 負載閾值圖

圖1中通過設定三個閾值,將小區(qū)的負載劃分為高、中、低三個區(qū)間。基站通過讀取測量信息,獲得當前負載信息,在不同的負載容量下,采取相應的動作。

2.2 用戶切換判決問題

對于CBR用戶的切換條件是基于切換性能原因的切換,而對于BE(Best Effort)用戶切換是基于負載均衡的切換。

使其滿足：

此時用戶將會強制切換到鄰小區(qū)。不同業(yè)務類型的用戶其 取值不同,要求如下：對CBR用戶的BE用戶的

對于CBR的CIO值為初始默認值0不變,CBR用戶的切換基于信號強度的切換調節(jié)CIO。而對于BE用戶,基于當前負載的情況,調節(jié)CIO。

最終BE用戶：

2.3 CBR用戶與BE用戶的效用函數(shù)

CBR用戶的效用函數(shù),即CBR用戶阻塞率,用公式可表示為：

BE用戶的效用函數(shù),即全網(wǎng)的平均負載最高即鄰近小區(qū)的負載方差,用公式表示為：

對于多用戶QoS要求的負載均衡算法,在過載小區(qū)中,對CBR用戶效用函數(shù)值即用戶阻塞率越小時,此時需要切換的BE用戶數(shù)越多。過載小區(qū)與低負載小區(qū)間的負載方差越小,此時需要切換的BE用戶數(shù)越多。

算法實現(xiàn)流程圖如圖2所示,該算法實現(xiàn)的部分偽代碼如下：

圖2 基于多業(yè)務QoS要求的負載均衡算法流程圖

該流程圖為基于業(yè)務類型負載均衡算法圖,具體步驟如下。

(1)在基站的OAM(Operations, Administration, and Maintenance)系統(tǒng)中負載均衡模塊對源小區(qū)中負載信息進行周期性監(jiān)測。

(3)當被選取用戶的在鄰區(qū)的RSRP(Reference SiGnal Received Power)值進行測量,選取最優(yōu)鄰區(qū),并對鄰區(qū)的基于負載大小排序,獲取目標鄰區(qū)的可用資源。

(4)將兩種QoS需求的用戶進行分組,選擇在邊緣位置的QoS要求低的BE用戶(考慮時延和速率)進行切換。為了保證實時類業(yè)務服務質量,優(yōu)先將非實時業(yè)務的用戶選取為切換用戶。

(5)提升CBR用戶和盡BE用戶兩類用戶的效用函數(shù)。對于CBR用戶使該類用戶的效用函數(shù),即CBR用戶的阻塞率值取最小值;對于BE用戶,使該類用戶效用函數(shù)最大化,即使網(wǎng)絡間的負載方差值最小化。

(6)切換執(zhí)行,將選取的切換用戶切換行為映射到A3公式中的CIO參數(shù)中。此時使所選取的切換用戶滿足A3事件切換條件。

(7)基于定義的負載均衡KPI指標, 即當前的負載情況,反饋到負載均衡算法中的監(jiān)測判決過程中。

3 仿真分析

本文中的仿真采用LTE系統(tǒng)級仿真,其主要配置參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3表示小區(qū)中兩類用戶不同的到達率時CBR用戶的阻塞率。首先,隨著用戶的到達率的速率加快,兩種方案的CBR用戶阻塞率上升,但是與傳統(tǒng)的均衡算法比較,改進后的的算法的CBR用戶的的阻塞率平均比傳統(tǒng)的算法低75%,在用戶到達率0.34用戶/秒時,CBR用戶的阻塞

圖3 用戶到達率與CBR用戶阻塞率圖

圖4 CIO與CBR用戶容量的關系

圖5 CIO值與切換次數(shù)的關系

率接近于0,即此時可避免CBR用戶阻塞。所以結果表明改進后的算法是降低了CBR用戶的不滿意數(shù)量,提高了CBR用戶的效益。

傳統(tǒng)的負載均衡算法中,當CIO值較大時,此時重負載小區(qū)中的大量用戶滿足負載均衡的觸發(fā)條件,大量的切換到輕負載小區(qū)中,在本章由于多業(yè)務QoS要求,對實時性業(yè)務的用戶,即CBR用戶,提高了該類用戶的切換門限,避免了該類用戶切換到信道質量太差的相鄰的輕負載小區(qū)中,由圖4可以看出CBR用戶的容量得到大量提升。

圖5表示為傳統(tǒng)的負載方法,以及基于業(yè)務的負載均衡方法切換次數(shù)關系圖。由圖5可以得出與系統(tǒng)無負載均衡時CIO=0時相比,基于多業(yè)務QoS要求的負載均衡方法要比傳統(tǒng)的負載均衡方法的切換的次數(shù)都要低。主要是因為對負載均衡影響較大的BE的業(yè)務優(yōu)先切換到鄰小區(qū)。

實驗結果表明,該算法能有效地降低過載小區(qū)中不滿意的用戶數(shù)目,保證實時性業(yè)務的QoS要求,達到了提高網(wǎng)絡容量的目的。

4 結束語

基于用戶不同QoS業(yè)務類型的情況,本文給出的負載均衡解決方案能適應不同用戶的QoS需求、提高用戶的可接入性以及提升全網(wǎng)的資源利用率。根據(jù)仿真的結果,在啟用負載均衡算法后,其它的一些KPI關鍵績效指標如乒乓切換,切換次數(shù)是增加的,所以系統(tǒng)容量的提升,是以犧牲切換性能為代價的。對于所要求的性能目標,這需要在實際網(wǎng)絡運營中進行取舍。

[1]Junichi Suga,Yuji Kojima,M．Okuda．Centralized Mobility Load Balancing Scheme in LTE Systems[C]．2011 8th International Symposium on Wireless Communication Systems,2011:306-310．

[2]Zhao Liang,Li Xi．Load Balancing of Radio and Transport Networks in LTE System[J]．IEEE Communication Magazine． 2011,49(6): 5-24．