TD-LTE負載均衡技術初探

陳其銘，毛劍慧

（1.中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623 2.中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

TD-LTE負載均衡技術初探

陳其銘1，毛劍慧2

（1.中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623 2.中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

通過對TD-LTE系統負載均衡技術的基本原理、關鍵算法和流程進行詳細介紹，論述了適于TD-LTE系統的小區負載評價準則，給出了當前主流設備廠商對該技術的支持情況和典型場景下外場測試結果，并提出了后續優化建議。

TD-LTE 負載均衡 小區負載評價準則

1 引言

近年來，我國移動通信網絡技術發展進入了快車道。TD-LTE是我國自主知識產權3G制式TDSCDMA的后續演進技術。它通過OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）等先進技術的應用，可以為用戶提供超過100Mbps的下行峰值速率，極大地提升用戶的數據業務使用感受[1]。作為首個我國自主創新并成為國際主流的移動通信標準，TD-LTE得到了國家的大力支持和推廣，工信部將2 500—2 690MHz共190MHz頻率都劃分給了TD-LTE，為TD-LTE未來的發展打下了良好的基礎。

對TD-LTE相關技術的研究已經成為業界的熱點。隨著TD-LTE網絡的大規模建設和商用，關于TD-LTE負載均衡技術的關注也越來越多[2-5]。其中大多數為負載均衡理論算法和仿真性能的論述，而對當前網絡設備對該技術的支持情況以及外場實測的性能提升效果則未有提及。

本文說明了TD-LTE系統負載均衡技術的原理、算法和流程，論述了適于TD-LTE系統的小區負載評價準則，給出了當前主流設備廠商對該技術的支持情況和典型場景下外場測試結果，提出了后續優化建議，可供從事TD-LTE網絡規劃和優化的相關人員參考。

2 負載均衡原理

在移動蜂窩網絡中，由于移動業務的突發性和用戶移動的隨機性，存在負載不均衡問題。即在某一時段內，系統中某些小區的資源利用率、用戶數或需求的服務量遠大于同覆蓋的鄰區，導致這些小區內的用戶體驗較差或是小區的服務拒絕率較高，而周邊鄰區網絡資源沒有被完全利用的情況[2]。

TD-LTE同樣存在這一問題。而且由于TD-LTE頻譜資源豐富，未來TD-LTE系統必將出現多個頻點覆蓋同一區域的情況。根據3GPP規范，在LTE系統中，一個頻點就是一個小區。因此，小區間負載均衡將是TD-LTE頻譜資源得以充分利用的關鍵因素。

負載均衡算法的基本思路是：當小區負載超過警戒值時，通過負載均衡操作（一般是用戶切換）將重負載小區中部分用戶轉移到輕負載的鄰小區中，實現小區間負載均衡，從而提高熱點小區或擁塞小區中用戶的體驗，優化網絡性能。算法的關鍵在于如何通過一定的負載評價準則準確地判斷小區的負載狀態。

2.1 負載評價準則

負載評價準則是用來描述小區資源使用情況的方法和原則。在傳統的基于電路域交換的蜂窩移動通信系統中，業務類型簡單，且由專用信道資源進行承載，小區負載通常是用信道利用率和呼叫阻塞概率來進行評估。而在基于分組交換的LTE系統中，由于使用的是共享信道，且同一用戶可以同時使用話音、上網等多種業務，不同業務對QoS（Quality of Service，服務質量）要求不同，從而對資源占用要求差異很大，因此簡單地以小區實際網絡資源占用情況來評價小區負載狀況是不夠準確的。

目前，業界對LTE系統的負載評價準則正在廣泛討論，還沒有一個通用的評價準則。筆者認為應針對TD-LTE系統的不同業務，對小區負荷進行綜合評價。

根據Q o S不同，L T E業務可以分為G B R（Guranteed Bit Rate）業務和Non-GBR業務這2類。對于GBR業務，網絡將保證分配足夠的資源，即使在網絡資源緊張的情況下，GBR業務的傳輸速率也能夠保持。相反的，網絡對Non-GBR業務則采用“盡力而為”的資源分配原則，在網絡空閑時，網絡可將所有空閑的網絡資源都分配給該業務，該業務的傳輸速率可以遠超其最低要求；而在網絡擁擠的情況下，該業務原占有的網絡資源可能被“搶奪”，傳輸速率無法得到保證。

因此，TD-LTE系統的小區負載可評估如下：

小區負載=(∑GBR業務資源占用量+∑Non-GBR業務資源占用量)/小區總資源量 （1）

PRB（Physics Resource Block，物理資源塊）是TD-LTE系統小區無線資源的最小單位。對于GBR業務，由于網絡需要保障其業務速率，分配給它的PRB就是這一業務的實際資源需求，因此GBR業務資源占用量可用它實際占用的PRB數量來表征。對于Non-GBR業務，由于其“盡力而為”的特性，實際占用的PRB數量并不與它實際需求的資源相同，因此評估小區容量時，Non-GBR業務的資源占用量不能簡單地用實際分配給它的PRB數量進行表征，需要進行換算。可考慮基于該Non-GBR業務的QCI（QoS Class Identifier，QoS等級標識）對應的最低用戶體驗速率，推算出最小需求的PRB數量，即為該Non-GBR業務的資源占用量，其中最低用戶體驗速率可以根據現網業務等級等方面進行靈活配置。該算法綜合考慮了LTE業務的不同QoS要求和資源共享特性，能比較準確地反映出小區的實際負荷水平。

2.2 LTE負載均衡流程

負載均衡的大致流程如圖1所示。

負荷均衡針對的是激活態的UE，其過程一般包含3個階段：測量、判斷和執行。

（1）測量階段主要是測量小區內的負荷情況，同時通過小區之間的接口獲得鄰區（包括同覆蓋、包含、被包含和相鄰）的負荷信息。

（2）判斷階段是根據測量值，判斷本小區是否需要執行負荷均衡，若需要則執行第3個階段操作，否則小區將重復前兩個階段對系統執行實時監控。

圖1 負載均衡流程示意圖

（3）在執行階段，高負荷的小區要選擇合適的UE切換到低負荷小區，使得區域內各個小區的負荷相當。

3 廠家支持情況和測試結果

3.1 廠家支持情況

經過調研和測試，目前主流無線設備廠家均已支持負載均衡功能。

3.2 測試場景和方法

選擇一般城區場景進行測試，周圍是居民樓、商鋪和醫院。該區域由TD-LTE的2個不同頻點（記為D頻點、F頻點）的小區重疊覆蓋，空閑態頻率駐留優先級設置為D頻點優先。負載均衡設置為當主小區PRB利用率超過70%，則開始進行負載均衡操作。采用10部測試終端，在測試區域內分別采用用戶均勻分布（好/中/差點終端數量比例為3:4:3）和好點集中分布（好點10個終端）這2種情況進行測試，觀察負載均衡功能關閉和開啟時D、F小區的連接用戶數。

3.3 測試結果

實測結果具體如表1所示。

由此可見，通過開啟負載均衡，無論用戶是均勻分布還是集中分布，TD-LTE雙頻網絡無線資源分配更為合理，總吞吐量均得到了提升。在用戶集中分布時，提升效果更為明顯。

3.4 后續建議

經過測試和調研發現，雖然各主流廠商均已實現負載均衡功能，但仍存在以下問題：

（1）不同設備廠家對負載評價準則的理解和負載信息參數不完全一致。

（2）用戶選擇算法過于單一，未結合QCI類型、用戶等級、用戶位置信息等方面進行綜合考慮。

為了更好地發揮負載均衡功能，后續應該在負載評價以及用戶選擇算法方面繼續優化，實現異廠家負載均衡，滿足實際商用的需求。

4 結束語

負載均衡是TD-LTE網絡充分發揮頻率資源優勢的重要功能，目前主流的無線設備廠商都已支持。本文在詳細說明了負載均衡的基本原理、算法和流程的基礎上，給出了典型場景的外場測試結果，對現有TDLTE設備負載均衡功能對網絡性能的提升效果進行了驗證。

測試結果表明，現有TD-LTE設備已具備負載均衡功能。建議在體育館、大劇院等話務熱點開啟負載均衡功能，從而 提升網絡性能和用戶感知，并總結應用經驗，為后續大規模開啟該功能做好準備。

表1 負載均衡測試情況

[1] 沈嘉,索士強,全海洋,等. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008.

[2] 王浩,李知航,潘志文,等. LTE網絡中具備QoS保障的動態負載均衡算法[J]. 中國科學: 信息科學, 2012,42(6): 674-686.

[3] 覃武凌,彭木根,張洪巖,等. LTE-Advanced系統中的移動負載均衡算法研究[J]. 移動通信, 2013(7): 69-73.

[4] 刁楓. LTE網絡負載均衡技術研究[J]. 通信與信息技術, 2012(3): 58-60.

[5] 黃妙娜,馮穗力,陳軍,等. LTE網絡中多目標優化的動態負載均衡算法[J]. 電子與信息學報, 2014,36(9): 2152-2157.★

Preliminary Study on Load Balancing in TD-LTE Networks

CHEN Qi-ming1, MAO Jian-hui2

(1. China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou 510623, China; 2. Research Institute of China Mobile Co., Ltd., Beijing 100053, China)

In this paper, the basic principles, key algorithms and their fl ows of load balancing technique in TD-LTE networks were expounded. Then, cell load evaluation criteria suitable for TD-LTE system were discussed. Further, the newest supports of mainstream vendors to this technique and the outfield test results in typical scenes were presented. Finally, follow-up optimization recommendations were put forward.

TD-LTE load balancing cell load evaluation criteria

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.08.010

TN929.53

A

1006-1010(2015)08-0048-03

陳其銘,毛劍慧. TD-LTE負載均衡技術初探[J]. 移動通信, 2015,39(8): 48-50.

2015-01-21

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn