多用戶QoS需求的負(fù)載均衡算法研究與分析

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 唐 欣 屈 剛

多用戶QoS需求的負(fù)載均衡算法研究與分析

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 唐 欣 屈 剛

本文基于LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)多業(yè)務(wù)類型的負(fù)載均衡算法進(jìn)行了研究，提出一種基于用戶QoS要求的負(fù)載均衡算法，該算法能有效保障實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)的QoS要求，減少了高負(fù)載小區(qū)中的不滿意用戶數(shù)。

LTE；負(fù)載均衡；QoS

1 引言

在2G/3G階段,移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)主要集中在語音業(yè)務(wù)和少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)向LTE演進(jìn)過程中,語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都是通過IP數(shù)據(jù)包形式進(jìn)行分組發(fā)送,數(shù)據(jù)包大小和不同QoS要求導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量的差異化。用戶移動(dòng)的隨機(jī)性和業(yè)務(wù)需求時(shí)間的不確定性會(huì)導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)負(fù)載難以均衡的問題。負(fù)載均衡的算法思路就是通過將高負(fù)載或過負(fù)載小區(qū)的用戶轉(zhuǎn)移到低負(fù)載小區(qū)來減小負(fù)載不均的影響,從而提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的利用率。

文獻(xiàn)［1］通過調(diào)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(dá)到系統(tǒng)容量負(fù)載均衡的目的,但也導(dǎo)致了系統(tǒng)的某些性能指標(biāo)的降低,如乒乓切換等問題。文獻(xiàn)［2］指出在進(jìn)行負(fù)載均衡時(shí),不僅考慮無線接入網(wǎng)(RN)而且考慮了傳輸網(wǎng)(TN),同時(shí)綜合考慮GBR(Guaranteed Bit Rate)和non-GBR業(yè)務(wù)的需求,最終提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

本文在分析LTE相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)上,采用小區(qū)多業(yè)務(wù)類型負(fù)載估計(jì)方法和輕負(fù)載鄰區(qū)預(yù)測(cè)方法,通過調(diào)節(jié)小區(qū)中部分用戶的小區(qū)便宜CIO值來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性QoS要求,進(jìn)而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)容量的目的。

2 算法原理

在傳統(tǒng)的負(fù)載均衡算法中,在高負(fù)載小區(qū)中對(duì)不同QoS要求的用戶有不同影響,對(duì)于CBR(Constant Bit Rate)用戶,由于資源得不到滿足,所以會(huì)造成CBR用戶較高用戶阻塞率,而對(duì)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(yán)重的惡化,但是小區(qū)高負(fù)載的原因,邊緣用戶的吞吐量將嚴(yán)重惡化。本算法考慮到負(fù)載均衡對(duì)不同用戶QoS要求的影響,對(duì)用戶的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行分組,算法的目標(biāo)在于保證實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)用戶的QoS要求。

在負(fù)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(qiáng)制切換到負(fù)載相對(duì)低的鄰小區(qū),從而平衡各小區(qū)的負(fù)載,提升全網(wǎng)的性能。在多種業(yè)務(wù)中,不同的業(yè)務(wù)的特性不同,對(duì)于BE用戶,并不要求保證用戶的性能,而僅僅對(duì)接入的用戶數(shù)有限制。而對(duì)CBR用戶需要滿足其特定業(yè)務(wù)的無線承載資源。本文在負(fù)載均衡時(shí),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(duì)于邊緣位置的CBR業(yè)務(wù)用戶,仍沿用基于信號(hào)強(qiáng)度的切換過程,減少其鏈路失敗的發(fā)生。

2.1 負(fù)載門限的判定問題

對(duì)小區(qū)的負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)是將基站下的負(fù)載劃分為不同的區(qū)間,如圖1所示。

圖1 負(fù)載閾值圖

圖1中通過設(shè)定三個(gè)閾值,將小區(qū)的負(fù)載劃分為高、中、低三個(gè)區(qū)間。基站通過讀取測(cè)量信息,獲得當(dāng)前負(fù)載信息,在不同的負(fù)載容量下,采取相應(yīng)的動(dòng)作。

2.2 用戶切換判決問題

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

使其滿足：

此時(shí)用戶將會(huì)強(qiáng)制切換到鄰小區(qū)。不同業(yè)務(wù)類型的用戶其 取值不同,要求如下：對(duì)CBR用戶的BE用戶的

對(duì)于CBR的CIO值為初始默認(rèn)值0不變,CBR用戶的切換基于信號(hào)強(qiáng)度的切換調(diào)節(jié)CIO。而對(duì)于BE用戶,基于當(dāng)前負(fù)載的情況,調(diào)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(fù)載最高即鄰近小區(qū)的負(fù)載方差,用公式表示為：

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

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

圖2 基于多業(yè)務(wù)QoS要求的負(fù)載均衡算法流程圖

該流程圖為基于業(yè)務(wù)類型負(fù)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(fù)載均衡模塊對(duì)源小區(qū)中負(fù)載信息進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)。

(3)當(dāng)被選取用戶的在鄰區(qū)的RSRP(Reference SiGnal Received Power)值進(jìn)行測(cè)量,選取最優(yōu)鄰區(qū),并對(duì)鄰區(qū)的基于負(fù)載大小排序,獲取目標(biāo)鄰區(qū)的可用資源。

(4)將兩種QoS需求的用戶進(jìn)行分組,選擇在邊緣位置的QoS要求低的BE用戶(考慮時(shí)延和速率)進(jìn)行切換。為了保證實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量,優(yōu)先將非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)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(duì)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(duì)于BE用戶,使該類用戶效用函數(shù)最大化,即使網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)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(shí)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(fù)載均衡KPI指標(biāo), 即當(dāng)前的負(fù)載情況,反饋到負(fù)載均衡算法中的監(jiān)測(cè)判決過程中。

3 仿真分析

本文中的仿真采用LTE系統(tǒng)級(jí)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(dá)率時(shí)CBR用戶的阻塞率。首先,隨著用戶的到達(dá)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(jìn)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(dá)率0.34用戶/秒時(shí),CBR用戶的阻塞

圖3 用戶到達(dá)率與CBR用戶阻塞率圖

圖4 CIO與CBR用戶容量的關(guān)系

圖5 CIO值與切換次數(shù)的關(guān)系

率接近于0,即此時(shí)可避免CBR用戶阻塞。所以結(jié)果表明改進(jìn)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(fù)載均衡算法中,當(dāng)CIO值較大時(shí),此時(shí)重負(fù)載小區(qū)中的大量用戶滿足負(fù)載均衡的觸發(fā)條件,大量的切換到輕負(fù)載小區(qū)中,在本章由于多業(yè)務(wù)QoS要求,對(duì)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)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(zhì)量太差的相鄰的輕負(fù)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(fù)載方法,以及基于業(yè)務(wù)的負(fù)載均衡方法切換次數(shù)關(guān)系圖。由圖5可以得出與系統(tǒng)無負(fù)載均衡時(shí)CIO=0時(shí)相比,基于多業(yè)務(wù)QoS要求的負(fù)載均衡方法要比傳統(tǒng)的負(fù)載均衡方法的切換的次數(shù)都要低。主要是因?yàn)閷?duì)負(fù)載均衡影響較大的BE的業(yè)務(wù)優(yōu)先切換到鄰小區(qū)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的QoS要求,達(dá)到了提高網(wǎng)絡(luò)容量的目的。

4 結(jié)束語

基于用戶不同QoS業(yè)務(wù)類型的情況,本文給出的負(fù)載均衡解決方案能適應(yīng)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(jié)果,在啟用負(fù)載均衡算法后,其它的一些KPI關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)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(jià)的。對(duì)于所要求的性能目標(biāo),這需要在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中進(jìn)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．