集群系統(tǒng)中基于群組呼叫的負(fù)載均衡策略

［董鵬程］

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集群系統(tǒng)中基于群組呼叫的負(fù)載均衡策略

［董鵬程］

摘要為解決負(fù)載均衡中熱點(diǎn)小區(qū)的擁塞問題，提高系統(tǒng)資源利用率，保障更多用戶的QoS，文章針對集群系統(tǒng)中群組視頻業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，提出了一種基于群組呼叫的負(fù)載優(yōu)化策略。該策略首先考慮切換系統(tǒng)中的群組業(yè)務(wù)，因?yàn)橥粋€(gè)群組內(nèi)的用戶可以通過共享廣播信道來接收相同的數(shù)據(jù)，如果群組業(yè)務(wù)的用戶切換不可用，再考慮點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)用戶的切換。仿真結(jié)果表明，該算法可以平衡系統(tǒng)負(fù)載，降低呼叫阻塞率，同時(shí)有效地提高了系統(tǒng)容量。

關(guān)鍵詞：集群系統(tǒng)負(fù)載均衡群呼視頻業(yè)務(wù)

董鵬程

重慶郵電大學(xué)，通信學(xué)院。

1　引言

無線通信系統(tǒng)中由于基站的覆蓋范圍有限，用戶分布不均勻等因素，容易出現(xiàn)某些熱點(diǎn)小區(qū)，這些小區(qū)的業(yè)務(wù)請求因遠(yuǎn)大于可接受的程度，導(dǎo)致出現(xiàn)較高的請求阻塞概率，而與之相鄰的一些小區(qū)可能負(fù)載卻較低，而白白浪費(fèi)了無線資源。對于這種情況，可以通過整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載均衡算法，均衡每個(gè)小區(qū)的負(fù)載，來改善高負(fù)載小區(qū)的負(fù)載壓力，提高無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

LTE的負(fù)載均衡技術(shù)主要圍繞兩種應(yīng)用場景來進(jìn)行研究：垂直方向的Inter-LTE負(fù)載均衡和水平方向的Intra-LTE負(fù)載均衡，如圖1：

圖1　負(fù)載均衡應(yīng)用場景

Inter-LTE的負(fù)載均衡是屬于一個(gè)地域范圍內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)重復(fù)覆蓋下小區(qū)之間的負(fù)載均衡。即存在多種接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋時(shí)，例如WIFI、WiMAX、GSM、WCDMA、HSDPA、LTE等。在這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，使用高效合理的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡算法將這個(gè)地域范圍內(nèi)的不同業(yè)務(wù)要求的用戶接入到適合用戶本身的接入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下的負(fù)載均衡，從而保證無線網(wǎng)絡(luò)資源的合理有效的利用。

Intra-LTE的負(fù)載均衡主要是在水平方向上的相鄰小區(qū)間進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移。根據(jù)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)方式，可以通過借用信道、調(diào)整基站的發(fā)射功率、調(diào)整切換參數(shù)等幾種方案來實(shí)現(xiàn)。

2　相關(guān)研究

通過信道借用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡方案的原理是輕負(fù)載小區(qū)把空閑、可用的信道借給高負(fù)載的小區(qū)使用，以達(dá)到負(fù)載均衡的目的。文獻(xiàn)［1］提出了一種簡單的信道借用方法。每個(gè)小區(qū)除了擁有一個(gè)供自己使用的固定信道集合之外，還擁有一個(gè)允許借出用于負(fù)載均衡的信道集合。這樣一旦低負(fù)載小區(qū)中一個(gè)信道被借出，為了避免同頻干擾現(xiàn)象的發(fā)生，頻率復(fù)用距離以內(nèi)的相同信道就會(huì)被屏蔽。該方案雖有效防止了同頻干擾，卻是以降低頻率利用率為代價(jià)。文獻(xiàn)［2］提出了無鎖定信道借用負(fù)載均衡方案。當(dāng)高負(fù)載小區(qū)的資源不夠用時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將部分相鄰小區(qū)的空閑信道資源借給當(dāng)前高負(fù)載小區(qū)使用。該方案為了防止同頻干擾，降低了基站的發(fā)送功率。

基于調(diào)整基站發(fā)射功率的負(fù)載均衡方案是重負(fù)載的源小區(qū)通過減小基站發(fā)射功率來減小覆蓋范圍，輕負(fù)載的目標(biāo)小區(qū)通過功率放大器來增大基站的發(fā)射功率，從而增加基站的服務(wù)面積。通過對基站發(fā)射功率的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)不同小區(qū)之間的負(fù)載均衡。文獻(xiàn)［3］提出了一種通過規(guī)劃基站的發(fā)射功率，充分考慮小區(qū)的呼吸效應(yīng)，在用戶分配過程中，對用戶和基站之間的連接關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化，使得每個(gè)基站間的負(fù)載相對均衡。

基于調(diào)整切換參數(shù)的負(fù)載均衡方案是通過調(diào)整切換參數(shù)，例如切換差值，觸發(fā)時(shí)間，小區(qū)偏移量等來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。文獻(xiàn)［4］中針對關(guān)于移動(dòng)魯棒性與負(fù)載均衡之間的沖突，提出相應(yīng)的為了實(shí)現(xiàn)沖突避免的負(fù)載均衡解決方案。主要思想是通過切換參數(shù)不等式調(diào)整來限制負(fù)載均衡中允許的切換范圍，以此避免移動(dòng)魯棒性與負(fù)載均衡之間的沖突，有效降低了兵乓效應(yīng)和優(yōu)化資源配置。

基于業(yè)務(wù)負(fù)載轉(zhuǎn)移的負(fù)載均衡策略是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，使得高負(fù)載小區(qū)轉(zhuǎn)移一部分小區(qū)重疊區(qū)域的負(fù)載到相鄰的輕負(fù)載小區(qū)。文獻(xiàn)［5］提出了一種輔助移動(dòng)呼叫接入算法（MACA）負(fù)載均衡方案，其主要思想就是將重負(fù)載小區(qū)的多余業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到相鄰的較輕負(fù)載的小區(qū)中。

LTE寬帶集群系統(tǒng)中視頻業(yè)務(wù)最顯著的特點(diǎn)之一就是用戶以群組的形式分發(fā)和執(zhí)行任務(wù)?；究赡茉诤芏虝r(shí)間內(nèi)就會(huì)變成負(fù)載小區(qū)。為了平衡系統(tǒng)的負(fù)載并且降低呼叫阻塞概率，需要根據(jù)集群系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出適合LTE寬帶集群系統(tǒng)的有關(guān)負(fù)載均衡算法。

3　負(fù)載均衡優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)模型分析

多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)主要包括：小區(qū)集合C，每個(gè)小區(qū)都被一個(gè)位于的基站服務(wù)著；用戶集合K，每個(gè)用戶UE 都有自己的位置向量并且用戶的業(yè)務(wù)請求速率大小為Dk；信道中的熱噪聲為N0；c小區(qū)基站的發(fā)射功率為cP；Pc，n表示小區(qū)c在資源塊n上分得的功率值；信道增益為G；系統(tǒng)的總帶寬為B；小區(qū)負(fù)載的參考值為cρ。

判斷小區(qū)c是否處于過載狀態(tài)可由小區(qū)負(fù)載的參考值來判斷。ρc可以通過小區(qū)用戶需求的資源塊數(shù)目Nneed與總共可用的資源塊數(shù)目N的比值來進(jìn)行計(jì)算。用戶需求的資源塊數(shù)目Nneed與用戶申請的業(yè)務(wù)速率Dk和用戶k在每個(gè)資源塊上可提供的速率R（ SINRk）有關(guān)。

當(dāng)小區(qū)負(fù)載參考ρc的值大于1時(shí)，表明該小區(qū)處于過載狀態(tài)，即小區(qū)中的用戶所需要的RB數(shù)大于小區(qū)能夠提供的RB數(shù)。當(dāng)采用吞吐量公平的調(diào)度算法時(shí)，假設(shè)小區(qū)c中的所有用戶數(shù)為Kc，則可以求出過載的用戶數(shù)z為：

我們假定用戶k被小區(qū)c所服務(wù)，則有：c= X（ k）。其中，X（ k）是一個(gè)連接函數(shù)，表示每個(gè)用戶可以連接且只能連接一個(gè)基站。

由以上參數(shù)的定義，我們得到用戶k在每個(gè)RB上的的SINRk值：

假定使用最合適的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法，則用戶k可以得到的最大速率值可用式（4）表示：

由公式（5）可知，系統(tǒng)的總?cè)萘考礊椋?/p>

由以上分析可以看出，系統(tǒng)的總?cè)萘恐饕β屎陀脩舻男诺涝鲆嬗嘘P(guān)。要得到更大的系統(tǒng)容量就意味著用戶需要更大的功率或者更好的信道增益。

3.2算法描述

負(fù)載均衡算法主要是通過負(fù)載預(yù)測發(fā)現(xiàn)過載的小區(qū)，然后通過過載小區(qū)的用戶切換到其他小區(qū)，達(dá)到負(fù)載均衡。因此，這里主要考慮兩方面的內(nèi)容：第一，選擇過載小區(qū)的哪些用戶進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；第二，如何為進(jìn)行切換的用戶選擇合適的切換小區(qū)。

對于處于過載的熱點(diǎn)小區(qū)來說，小區(qū)內(nèi)存在很多的用戶，研究的目的主要是：針對LTE寬帶集群系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，如何選擇合適的切換用戶，切換到哪個(gè)目標(biāo)小區(qū)可以最大限度的降低丟包率和提高系統(tǒng)的總體吞吐量。

當(dāng)熱點(diǎn)小區(qū)的基站向相鄰小區(qū)基站發(fā)起負(fù)載均衡機(jī)制時(shí)，根據(jù)LTE集群系統(tǒng)的特點(diǎn)，優(yōu)先考慮組呼業(yè)務(wù)（點(diǎn)對多點(diǎn)業(yè)務(wù)）。這是因?yàn)閷儆谕粋€(gè)群組的用戶接收相同信息并且可以共享無線信道的資源。如果當(dāng)滿足時(shí)，可以將屬于同一個(gè)群組的用戶盡可能的切換到同一個(gè)基站中。其中?system_ capacity，表示用戶k從源基站切換到目的基站后，系統(tǒng)容量的變化值。因?yàn)橛脩鬹的傳輸速率與信道增益和基站分配功率有關(guān)，所以?system_ capacity≥0不僅說明用戶k切換到目的小區(qū)后系統(tǒng)的總?cè)萘孔兇螅冶砻饔脩鬹擁有更好的信道增益或者更高的分配功率。當(dāng)群組中的用戶被切換到了目的小區(qū)，目的基站不需要為這些用戶提供資源塊，因此不需要考慮目的基站的額外負(fù)載。

當(dāng)然，上述場景并不總是存在。比如，當(dāng)屬于同一個(gè)群組的用戶彼此遠(yuǎn)離時(shí)，因?yàn)椴煌男诺蕾|(zhì)量，用戶不可能被切換到同一個(gè)小區(qū)之中。又或者此時(shí)的承載系統(tǒng)中沒有群組呼叫業(yè)務(wù)。在這種情況下，我們就需要找到一個(gè)適合點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)的負(fù)載均衡算法，此時(shí)目標(biāo)基站需要為切換用戶提供額外的RB資源，因此就必須要充分考慮到目標(biāo)小區(qū)自身的負(fù)載情況。具體可從以下幾個(gè)方面來考慮：

首先，選取過載源小區(qū)的邊緣用戶。因?yàn)樾^(qū)邊緣的用戶處于小區(qū)重復(fù)覆蓋的區(qū)域，適合切換到鄰小區(qū)。測量用戶在鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，選取擁有最大信號(hào)強(qiáng)度的用戶進(jìn)行越區(qū)切換。

其次，選取R（ SINRk）較小的用戶進(jìn)行切換。因?yàn)橛脩舻腞（ SINRk）值越小，在小區(qū)中占用的無線資源越多，選擇切換該用戶的話，在源小區(qū)釋放的無線資源就越多。

再者，選擇切換小區(qū)時(shí)，要盡量避免目的小區(qū)也同樣是過載小區(qū)的情況。因此，在選擇切換用戶的時(shí)候，也要考慮到切換該用戶的目的小區(qū)是否有較大的負(fù)載。如果是，則不選擇切換該用戶。

終上所述，為了選擇負(fù)載均衡的目標(biāo)小區(qū)和切換用戶，構(gòu)造一個(gè)判定函數(shù)：

在該判定函數(shù)中，變量c表示目標(biāo)小區(qū)，該變量的取值范圍是1≤ c≤ C，C表示與源小區(qū)相鄰的小區(qū)個(gè)數(shù)；ρc表示小區(qū)c的負(fù)載值；f（ ρc）是c小區(qū)負(fù)載的函數(shù)表達(dá)式。由式（7）可知，f（ ρc）定義為隨著小區(qū)c的負(fù)載ρc逐漸增大，函數(shù)值呈指數(shù)減小。SINRk，c表示用戶k在小區(qū)c內(nèi)的信道質(zhì)量，它的值越大，判定函數(shù)的函數(shù)值就越大，說明選擇用戶k切換到小區(qū)c上的可能就越大。R（ SINRk）則表示用戶k可以得到的最大速率值，其值越大，由前文分析可知，選擇的可能性越小。因此，R（ SINRk）為判定函數(shù)的消極因子。

LTE寬帶集群系統(tǒng)中負(fù)載均衡算法可以使用圖2的流程圖表示。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文使用C++對系統(tǒng)進(jìn)行建模處理后，對LTE寬帶集群系統(tǒng)中的負(fù)載均衡算法進(jìn)行評估。仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中共包含7個(gè)蜂窩小區(qū)，如圖3。小區(qū)形狀為正六邊形結(jié)構(gòu)，小區(qū)半徑為500m，相鄰的小區(qū)間距為688m。

圖2　LTE寬帶集群系統(tǒng)中負(fù)載均衡算法流程

圖3　仿真實(shí)驗(yàn)中的小區(qū)和用戶模型

本文將基于群組的負(fù)載均衡優(yōu)化算法與文獻(xiàn)［2］中提到的無鎖定信道借用負(fù)載均衡方案的進(jìn)行了性能比較。圖4展示了用戶平均丟包率隨用戶個(gè)數(shù)的變化曲線性能。本文提到的優(yōu)化策略比無鎖定信道借用負(fù)載均衡方案的用戶平均丟包率有明顯改善。特別是隨著用戶個(gè)數(shù)的逐漸增大，本文提到的優(yōu)化策略的優(yōu)勢越來越明顯。這是因?yàn)橥ㄟ^該優(yōu)化方案，均衡了各個(gè)小區(qū)的負(fù)載情況，有效減輕了過載小區(qū)內(nèi)用戶的擁塞情況，降低了用戶平均丟包率。

圖4　用戶平均丟包率隨用戶個(gè)數(shù)的變化曲線

圖5展示了系統(tǒng)吞吐量隨用戶個(gè)數(shù)的變化曲線性能。本文提到的優(yōu)化策略比無鎖定信道借用負(fù)載均衡方案具有更高的系統(tǒng)容量。這是因?yàn)閮?yōu)化策略中構(gòu)造的進(jìn)行負(fù)載均衡時(shí)的判定函數(shù)，根據(jù)該判定函數(shù)選擇切換負(fù)載用戶時(shí)，切換僅發(fā)生在容量變化大于0的時(shí)候。并且該方案首先考慮切換組呼業(yè)務(wù)，這樣可以達(dá)到共享RB的效果，有效地節(jié)省了無線資源。

圖5　系統(tǒng)吞吐量隨用戶個(gè)數(shù)的變化曲線

5　總結(jié)

負(fù)載均衡算法可以解決熱點(diǎn)小區(qū)的擁塞問題，提高系統(tǒng)的資源利用率，為更多的用戶提供保證QoS的服務(wù)。本文根據(jù)集群系統(tǒng)中視頻組呼業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，提出了一種適用于集群系統(tǒng)中的負(fù)載均衡策略，可以有效平衡系統(tǒng)負(fù)載，降低呼叫阻塞率，同時(shí)有效地提高了系統(tǒng)容量。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.009

收稿日期：（2016-04-02）