基于垂直切換的TD—LTE與LTE—FDD異系統負載均衡算法研究

李永剛+任陽+張治中

【摘 要】為了提高多制式混合組網時的吞吐量和資源利用率，以網絡資源利用率為參考對系統內的用戶進行異系統垂直切換，從而使混合組網后的系統負載得到均衡。通過該整合系統的仿真，在保證無線鏈路丟失率不受顯著影響的前提下，該方法使得蜂窩小區的平均吞吐率有所提高，并能找到使吞吐率最大時的最佳切換閾值。

【關鍵詞】負載均衡 系統切換 資源塊 下行鏈路

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.015 中圖分類號：TN915.81 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）24-0072-06

1 引言

LTE系統同時定義了頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種方式。FDD采用兩個對稱的頻率信道來分別發射和接收信號，發生與接收信道分離到不通的頻段上。FDD的頻帶是成對的頻率，用頻率進行上下行區分，其單方向的資源在時間上是連續的[1]。TDD在同一頻率上接收和發送，但是要用不同時隙來作為時隙信道，上下行方向分配時間資源[1]。市場上，多家全球領先的芯片廠商都在研制同時支持TDD和FDD的產品。這類同時支持LTE-FDD和TDD產品的市場急劇擴大，逐漸完善運營商的自身網絡需求，并滿足了全球漫游需求。為了融合FDD和TDD的標準，在LTE被提出時，各大運營商就考慮到了將這兩個標準予以兼顧，從而吸取了3G的經驗教訓[2]。未來的移動通信系統將是LTE-FDD與TD-LTE共存的情況，在此種情況下，需對其相互干擾[3，4]以及負載分布情況進行研究。負載分布方面，無論是TD-LTE小區還是LTE-FDD小區，都會存在小區負載過載情況，移動用戶的移動特性造成數據流量的不均衡以及隨著用戶的總量增大，流量負載不僅不均衡還使得網絡總負載發生很大變化，負載的不均衡會造成基站為用戶分配的信道不均勻，小區內的信道資源極易造成浪費。所以為均衡每個小區的負載量需合理分配網絡系統資源，在TD-LTE與LTE-FDD小區基站共址的前提下，用戶需在兩個系統間根據網絡負載情況進行相互切換。

關于負載均衡基本方法的研究，文獻[5]提出了LTE-WLAN異構網絡的結構框架，并指出未來LTE和WLAN在接入網和核心網的融合方式。文獻[6]通過仿真驗證了通過WLAN可以降低LTE網絡的負載。文獻[7]研究了異構網絡場景中的不同節能機制，指出低功率基站和WiFi-AP能夠提高蜂窩通信系統的能效。文獻[8]提出了一種LTE和WLAN異構網絡的負載均衡方法，該方法能夠通過均衡LTE和WLAN的負載來提高系統的總吞吐量。但其只針對網絡中的固定速率（Constant Bit Rate，CBR）業務，而沒有考慮非CBR業務對網絡吞吐量的影響。文獻[9]針對LTE宏微異構基站共存網絡，不同類型的基站負載不均衡情況，提出了一種基于最大化凸性利用度函數的負載均衡方法，并給出了非CBR業務使網絡資源利用度函數最大的資源分配方式，但該文沒有涉及LTE和WLAN異構網絡，同時給出的均衡算法求解復雜。

對于CDMA/WLAN混合的異構網絡環境，文獻[10]設計了在用戶接入網絡時，需進行聯合會話的機制。該機制建立的模型根據CDMA網絡里的信干比和中斷率、WLAN中的數據包時延和吞吐率等參數來進行會話的接入控制，QoS的狀態作為其接入控制的判決依據。然而，網內承載的業務類型、用戶的移動特性模型考慮有限，網絡的動態變化的問題也未涉及。對于CDMA、WMAN以及WLAN三種不同制式下的異構網絡，文獻[11]針對該三種制式混合的網絡模型研究了非合作博弈的情形下帶寬分配，首先文獻評估異構網絡中的帶寬分布狀態，對業務的準入的判定根據帶寬分布狀態的評估結果來進行控制，為新到業務提供QoS要求的帶寬服務，但其未給出用戶移動時的帶寬分布情況。

綜上LTE、WLAN及CDMA系統中的負載均衡方面的文獻分析，針對異系統垂直切換機制[12]的負載均衡，迄今還未有文獻考慮TD-LTE與LTE-FDD系統間的負載均衡策略及其仿真。本文將在第二部分對情形進行分析，并在第三部分給出算法結構，最后對算法進行仿真分析。

2 資源利用率及負載均衡分析

LTE系統在進行數據傳輸時，將上行、下行時頻域物理資源組成資源塊（RB），它是調度的最小單位，由12個連續子載波組成，帶寬180 kHz，時域上持續時間為1 ms（1個子幀或2個時隙）。LTE的每一幀的時間長度為10 ms，每一幀共有307 200個采樣點，系統根據業務特性以及用戶需求分配所需的RB資源。SINR（信干比）可作為TD-LTE中的CQI（信道質量指示）的判別依據之一，SINR對信號的接收有直接的影響，SINR高時有大概率進行正確接收，因此，共享信道中的每個RB所對應的SINR都要進行計算。這樣RB就有可能承載數據或者空閑，從而就有了RB資源利用率的量度參數，將此量度參數歸一化本文中LTE的負載量。

LTE-FDD與TD-LTE都有各自的雙工方式，針對兩者不同的雙工方式，LTE定義了兩種幀結構，由FDD的幀結構可以看到，每一個FDD幀包括20個時隙，編號從0到19，10長度為0.5，每兩個連續的時隙構成一個子幀。一幀中共有10個子幀都可用于數據傳輸，TDD每個幀包含兩個半幀，與FDD不同。每幀除了有用于數據傳輸的子幀外，還有特殊子幀。TDD的幀支持7種不同的配置方式。在每個特殊子幀中DwPTS表示下行導頻時隙、GP表示保護時隙和UpPTS表示上行導頻時隙。對于每個特殊子幀，DwPTS、GP和UpPTS的總長度都為30 720 Ts=1 ms。每種特殊子幀配置類型都支持5 ms和10 ms的下行到上行切換周期[13]。

TD-LTE與LTE-FDD兩系統間的負載量差別過大時，說明其中某個小區負載量過高，小區用戶也過于密集，需要將其均衡到另外一個小區中。至此，需設置兩個閾值，兩系統負載差閾值th1以及其中高負載小區閾值為th2。

在滿足th1和th2條件時進行系統的切換，啟動切換事件的條件借鑒3GPP標準中定義[14]的異系統切換的B2事件，與3GPP標準中B2事件切換啟動條件的閾值1和閾值2不同的是，這里的th1和th2分別為兩系統間的負載差和高負載小區負載量。

3 算法實現

根據第二小節的分析，需對基站共址的TD-LTE與LTE-FDD的混合組網系統進行仿真，仿真所用拓撲為呈六邊形分布的七基站的蜂窩小區，如圖1所示：

3.1 參數設定

TD-LTE的系統帶寬為20 MHz，理論峰值速率100 Mbps，LTE-FDD下行峰值速率3.1 Mbps。TD-LTE的eNodeB和LTE-FDD基站發射功率43 dBm，TD-LTE的天線增益17 dBi，LTE-FDD的天線增益0 dBi，天線類型均為全向天線。TD-LTE系統的無線信道大尺度衰落模型采用TS36942模型，調度方式均采取輪詢方式，平均每小區用戶數為40個，移動速度為3 km/h，用戶以1/8的概率接入到LTE-FDD系統，反饋到接收機的時延均為0 ms。仿真時長設為100 s，基站間距離為500 m，共7個基站。

3.2 算法步驟

圖2為仿真流程圖，算法可分為五步完成。

Step 1：小區檢測，LTE-FDD與TD-LTE任兩個系統之間重疊覆蓋時，兩個系統間的平均每用戶負載差異大于負載差門限th1，且高負載系統的負載大于負載門限th2，則啟動系統間的負載均衡。

Step 2：選擇用戶。在高負載系統中，隨機選擇當前信號質量較差的用戶（處于小區邊緣的用戶）。

Step 3：用戶檢測。啟動低負載系統的測量，若該選擇的用戶UE此時所在位置滿足一定信噪比條件（如A4/B2事件，該用戶平均信干比大于閾值3（本次仿真設為0）），則選擇該用戶進行異系統切換。若不滿足，則回到Step 2，選擇除此之外的其他UE進行監測。

Step 4：重新監測。切換每一個UE之后，重新對兩個系統進行小區檢測，檢查是否依然滿足負載均衡的兩個條件，即兩個系統間的平均負載差異大于門限th1，且高負載系統的負載大于門限th2。

Step 5：是否繼續。若Step 4重新監測之后依然滿足負載均衡的兩個門限條件，則回到Step 2，若不滿足，則說明兩個系統的負載已經得到均衡，結束算法。

4 仿真結果分析

網絡內數據傳輸是通過鏈路層級完成的，處于較底層的鏈路級仿真輸出差錯率以及SINR之間互相映射的關系，差錯率包括誤比特率、誤塊率或誤幀率。本文的仿真需以鏈路層仿真做基礎，鏈路層仿真的部分結果作為參數，映射到系統級仿真接口上，鏈路層仿真給出了相應的調制編碼，這些調制編碼速率對應鏈路的自適應門限、鏈路層傳輸的性能曲線以及傳輸塊的大小容量。

表1是TD-LTE的MCS對照表，TD-LTE通過鏈路層仿真可得到誤塊率或誤碼率曲線，根據誤塊率曲線獲得所規定的誤塊率所對應的SINR。通過表1查到SINR查到該用戶的調制方式以及傳輸塊的大小，吞吐量的值可通過用戶傳輸正確的比特數得到，正確傳輸的比特數與傳輸塊大小相關。LTE誤塊率（BLER）或誤碼率曲線數據文件可以提供給仿真做AWGN信道下的調制方式的估計。LTE中，CQI表用UE的信干比做CQI映射。從10%誤塊率點得到的（基本上是線性）信干比與誤塊率之間的映射為相應的CQI。

仿真結果如圖3至圖8所示，紅色曲線為負載均衡之后的性能曲線，藍色為負載均衡前的性能曲線。仿真的時間為用戶完全加入基站后運行100 s，系統可近似進入到穩態過程。用戶優先接入到TD-LTE系統，然后根據資源占用情況再進行兩系統之間的切換，負載差閾值預設為5%，高負載閾值為80%。

由圖3和圖4可知，TD-LTE與LTE-FDD重疊覆蓋時進行負載均衡，有55 kbps的速率增益，23.83 Mbps的吞吐量增益，啟動負載均衡后使得吞吐量提高了41.85%。當系統進入穩態后，啟動負載均衡后的吞吐量與平均速率穩定在一個差值內。

圖5中，對于系統資源的占用率，LTE-FDD系統將時隙資源（RB）平均分配給在網用戶，TD-LTE的RB資源占用率也與UE接入數量有關，初期TD-LTE的UE較多，平均每個UE獲得RB資源較少，從而增大了TD-LTE負載量。啟動負載均衡后，可以將TD-LTE某些用戶切換到LTE-FDD系統中去，使得LTE-FDD系統在啟動負載均衡后的RB資源利用率有所提升，但隨著時間的推移，RB資源利用率將趨于一個穩態值。

對于鏈路丟失率RLF，從圖6可看出，啟動負載均衡前后RLF的變化不是很明顯。用戶在進行系統之間的切換后，用戶被切換到了RB資源相對豐富，信號質量相對較好的異系統中去，從而使得RLF有稍許減低。TD-LTE系統RLF下降了0.01%，LTE-FDD系統的RLF提高了1.07%，啟動負載均衡后重疊系統的RLF幾乎沒保持不變。

本仿真為得到最優的th1和th2值，如圖7和圖8所示，利用仿真控制模塊去測試每個可能的th1和th2。為了減少計算量，首先用設置th1從4%以步長4%變化到20%。th2從50%以步長5%變化到75%。

從圖7可以看出th1和th2的吞吐量最佳值分別為4%和85%。這個最優值會根據網絡拓撲及每個用戶的狀態改變而改變，對于圖8系統中負載均衡的切換次數，當th1取值較小時，系統的切換次數更高一些，最高切換次數可達10次。

5 結束語

TD-LTE與LTE-FDD重疊的蜂窩小區內，根據資源利用率進行負載均衡時，使得穩態下網絡吞吐量及下行數據速率得到了顯著提高。另外，算法在有限的范圍內選取最優的切換閾值-負載差閾值th1與高負載閾值th2，在有限的范圍內選取最優的th1、th2。所找到的th1和th2的取值使得負載均衡后網絡吞吐率提高至少41.85%。

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