協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中基于協(xié)作概率的負(fù)載均衡機(jī)制

劉占軍，彭 霞，何俞璟，陳前斌

(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中基于協(xié)作概率的負(fù)載均衡機(jī)制

劉占軍，彭 霞，何俞璟，陳前斌

(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

在協(xié)作通信存在的網(wǎng)絡(luò)中，針對已有的負(fù)載均衡技術(shù)沒有考慮用戶切換后協(xié)作概率的不足，在已有的負(fù)載均衡技術(shù)基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)小區(qū)負(fù)載狀況得到切換后的協(xié)作概率，與小區(qū)信號強(qiáng)度和負(fù)載狀況相結(jié)合，設(shè)計出應(yīng)用于協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中具有負(fù)載均衡功能的切換判決函數(shù)，提高切換判決的精度。仿真表明該機(jī)制在均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時，提高了系統(tǒng)容量和公平性。

用戶協(xié)作；協(xié)作概率；切換；負(fù)載均衡；公平性

0 引 言

在無線通信中，由于終端分布隨機(jī)性會造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡，從而使得網(wǎng)絡(luò)性能下降，在未來通信網(wǎng)絡(luò)中這一問題會更加嚴(yán)重。隨著電子技術(shù)發(fā)展，未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的特點是通信用戶密集分布，業(yè)務(wù)種類越來越多，并且移動用戶和業(yè)務(wù)的分布帶有隨機(jī)性，可導(dǎo)致一些小區(qū)過載，而另外一些小區(qū)的無線資源得不到充分利用，因此需要負(fù)載均衡[1-2]。

協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，通信終端利用鄰近設(shè)備提供接收分集增加接收端的信噪比以提高通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)資源利用率，正是由于協(xié)作通信的這些優(yōu)點，其被LTE-Advanced和802.16 m所廣泛采用[3-5]。因此協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡就成為無線接入網(wǎng)絡(luò)不可避免的問題之一。

目前針對無線通信網(wǎng)中負(fù)載均衡的研究成果有很多，文獻(xiàn)[6]通過“切換參數(shù)調(diào)整”實現(xiàn)負(fù)載均衡；文獻(xiàn)[7]采用“小區(qū)重選”方式均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；文獻(xiàn)[8-9]則基于博弈論來動態(tài)調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡；文獻(xiàn)[10-11]將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化模型求解，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。但上述的成果都沒有考慮到協(xié)作對網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡的影響。文獻(xiàn)[12]是針對協(xié)作通信場景下的負(fù)載均衡技術(shù)，但該技術(shù)的前提假設(shè)是終端在切換后必定會有協(xié)作發(fā)生，而實際網(wǎng)絡(luò)并不能保證協(xié)作必定發(fā)生。如何建立更加符合實際場景協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡機(jī)制就成為一個有意義的課題。

本文正是以此為研究目標(biāo)，根據(jù)協(xié)作概率，聯(lián)合終端的接收信號強(qiáng)度和基站負(fù)載設(shè)計切換判決函數(shù)，從而更好地實現(xiàn)在協(xié)作無線通信網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡。

1 切換判決函數(shù)設(shè)計

基于切換的負(fù)載均衡是通過設(shè)計合理的切換判決函數(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，而在協(xié)作通信存在的無線網(wǎng)絡(luò)中，影響切換主要有3個因素：①基站給終端的接收信號強(qiáng)度；②基站負(fù)載；③用戶協(xié)作概率。

定義協(xié)作概率是指用戶接入某基站存在協(xié)作伙伴的概率。

假定基站的覆蓋半徑相同為r，每個用戶發(fā)起呼叫的概率為p，每個接收到協(xié)作請求的用戶愿意幫忙協(xié)作的概率為β，根據(jù)以上信息可以預(yù)測得到用戶切換后在目標(biāo)基站實現(xiàn)協(xié)作的概率。

實現(xiàn)協(xié)作需滿足2個條件：①終端需要協(xié)作；②有終端提供協(xié)作。令：A表示事件{終端需要協(xié)作}，即A?{RSSI|RSSI

P(C)=P(A)·P(B)

(1)

(2)

P(B)=P(B1∩B2)

(3)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的終端在地理位置上服從均勻分布，則

(4)

(4)式中：Sarea表示協(xié)作區(qū)域面積；Sb表示小區(qū)面積。令α=Sarea/Sb。根據(jù)欲切換終端到目標(biāo)基站距離d的不同，α可分為以下2種情況

則有

P(B1)=1-(1-α)N

(5)

(5)式中，N表示基站中的終端數(shù)。用n表示小區(qū)中正在通話終端數(shù)量，假定每個通話終端所占用的資源為re，而小區(qū)資源總量為RE，故小區(qū)資源占有率ρ=n·re/RE。可得

n=ρ·RE/re

(6)

又因

(7)

(7)式中，Di表示事件{小區(qū)中終端總數(shù)為Ni，通話終端數(shù)為n}。若令j表示N個終端中落入?yún)f(xié)作區(qū)域的終端數(shù)，則根據(jù)(5)式和(7)式可得

(8)

P(B2)=[1-(1-β)j]

(9)

將(8)式和(9)式帶入(3)式得

(10)

(10)式與(2)式聯(lián)立帶入(1)式可得

(11)

從(11)式可以看出，根據(jù)用戶的接收信號強(qiáng)度和基站負(fù)載，可以得到目標(biāo)小區(qū)的協(xié)作概率。根據(jù)文獻(xiàn)[13]中提出的負(fù)載均衡機(jī)制的權(quán)值函數(shù)，這里命名為IRL(integration of RSSI and load)函數(shù)，可進(jìn)一步修正為

IRLC(RSSI,ρ)=k1RSSI·exp(k2ρ)+k3P(C)

(12)

2 基于協(xié)作概率的負(fù)載均衡機(jī)制

基于協(xié)作概率的負(fù)載均衡機(jī)制IRLC(integration of RSSI，load and cooperative probability)的流程如圖1所示，具體步驟如下。

Step 1 基站周期性地廣播同步信號，在同步信號中包含了基站的負(fù)載信息。

Step 2 用戶根據(jù)接收信號強(qiáng)度、負(fù)載信息以及協(xié)作概率，計算切換判決函數(shù)值，并以此作為切換判決依據(jù)。

Step 3 用戶選出判決函數(shù)值最大的基站，與服務(wù)基站所對應(yīng)的判決函數(shù)值比較是否超過閾值。

Step 4 如果沒有達(dá)到閾值則等待下一個負(fù)載均衡周期。

Step 5 如果達(dá)到閾值則將此基站作為目標(biāo)基站并向發(fā)送切換請求。

Step 6 基站收到切換請求后，給此用戶預(yù)留資源并給用戶設(shè)備發(fā)送同步信號。

Step 7 用戶設(shè)備斷開與源基站的連接，建立與目標(biāo)基站的連接，切換完成。

圖1 IRLC流程圖Fig.1 IRLC flow chart

3 數(shù)據(jù)仿真及分析

為驗證IRLC負(fù)載均衡的性能，在MATLAB上搭建平臺進(jìn)行仿真分析。仿真場景設(shè)置為7個基站，移動終端在網(wǎng)絡(luò)中的位置隨機(jī)均勻分布，系統(tǒng)仿真配置參數(shù)詳見表1。

表1 系統(tǒng)仿真配置參數(shù)

在用戶協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，針對不進(jìn)行負(fù)載均衡、文獻(xiàn)[16]中IRL負(fù)載均衡和本文的IRLC負(fù)載均衡得到的不滿意用戶數(shù)、公平性、信噪比以及容量這幾個方面進(jìn)行分析。

圖2所示為不滿意用戶終端數(shù)，橫坐標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)中的終端總數(shù)量，縱坐標(biāo)是不滿意終端數(shù)量，不滿意用戶終端數(shù)量是指所有過載基站的用戶終端數(shù)量之和。從圖2中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)中終端總數(shù)的增加，不滿意用戶數(shù)增加。在終端總數(shù)在140個和160個的時候不滿意用戶數(shù)量快速增加，這是因為網(wǎng)絡(luò)中終端達(dá)到一定的數(shù)目后，由于存在漲落原因而導(dǎo)致有基站過載，其所服務(wù)的終端服務(wù)得不到滿足。而IRLC和IRL的性能會保持一致，表明IRLC保留了IRL中對信號和負(fù)載綜合考慮的優(yōu)點。

圖2 不滿意用戶終端數(shù)Fig.2 Number of unsatisfied user

圖3所示為系統(tǒng)容量性能，系統(tǒng)容量是指網(wǎng)絡(luò)中所有基站和移動終端之間的信道容量之和。從圖3中可以看出，采用負(fù)載均衡機(jī)制之后的系統(tǒng)容量要大于不采用負(fù)載均衡的系統(tǒng)容量，這是因為采用負(fù)載均衡之后將重負(fù)載小區(qū)的邊緣用戶切換到輕負(fù)載小區(qū)，而輕負(fù)載小區(qū)資源充分，能夠通過給切換用戶分配更多的資源來補(bǔ)償切換后用戶接收信號強(qiáng)度的下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量的增加。

圖3 系統(tǒng)容量Fig.3 System capacity

圖4所示為兩種算法的容量之差。從圖4中可以看出，采用IRLC比采用IRL得到的容量略有提高，分析得到提高0.07%～0.21%，這是因為IRLC對資源開銷的預(yù)測更準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致IRLC所選擇的切換目標(biāo)基站提供充足信道資源的概率優(yōu)于IRL算法。

圖4 兩種算法的容量之差Fig.4 Capacity difference between two algorithms

圖5所示為不采用負(fù)載均衡，采用IRL以及采用IRLC下的網(wǎng)絡(luò)Jain氏公平指數(shù)。從圖5中可以看出，在公平性上IRLC和IRL要優(yōu)于不采用負(fù)載均衡，而采用IRLC的公平性最好，比IRL提高0.56%～3.26%，比不采用負(fù)載均衡提高了5.21%～22.32%。這是因為在切換判決中考慮用戶切換之后獲得協(xié)作的概率，從而對能否獲得足夠資源的判斷就更加準(zhǔn)確，導(dǎo)致公平性更高。

圖5 網(wǎng)絡(luò)公平性Fig.5 Network fairness

4 結(jié)束語

在協(xié)作通信存在的無線網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡技術(shù)是在假設(shè)切換后有節(jié)點提供協(xié)作，或者是假設(shè)切換后沒有協(xié)作的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)的，而實際網(wǎng)絡(luò)中切換到新小區(qū)協(xié)作是以一定概率發(fā)生的，這就造成負(fù)載均衡中進(jìn)行切換判決時與實際不相符，從而造成切換結(jié)果不能很好地提高網(wǎng)絡(luò)性能。針對這個問題，在對協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作概率分析的基礎(chǔ)上，研究了協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)小區(qū)提供協(xié)作的概率計算方法，從而對切換后是否協(xié)作做出一定的預(yù)測，為用戶切換后所能得到的服務(wù)質(zhì)量做出較準(zhǔn)確的預(yù)測，并據(jù)此在已有的IRL負(fù)載均衡的切換判決函數(shù)的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)，將小區(qū)負(fù)載、信號強(qiáng)度和協(xié)作概率聯(lián)合，使得協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡的切換判決函數(shù)中增加了協(xié)作概率因子，來實現(xiàn)具有協(xié)作通信功能的無線網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡。仿真結(jié)果表明，隨著網(wǎng)絡(luò)中移動終端數(shù)量增加，IRLC 機(jī)制在用戶的滿意度上沒有比IRL下降，但網(wǎng)絡(luò)容量提高了0.07%～0.21%，而網(wǎng)絡(luò)公平性比使用IRL提高了0.56%～3.26%。

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劉占軍(1975-)，男，河北人，副教授，主要研究方向為無線通信。E-mail:liuzj@cqupt.edu.cn。

彭 霞(1991-)，女，重慶人，在讀研究生，主要研究方向為無線通信。E-mail:454660432@qq.com。 何俞璟(1992-)，女，重慶人，在讀研究生，主要研究方向為無線通信。E-mail：530832796@qq.com。 陳前斌(1967-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為新一代無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。E-mail: chenqb@cqupt.edu.cn。

(編輯：田海江)

Load balancing mechanism based on cooperation probability in cooperative communication network

LIU Zhanjun, PENG Xia, HE Yujing, CHEN Qianbin

(Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China)

In cooperative communication networks, in order to overcome the shortcoming of existing load balancing technologies that they don’t take the cooperation probability of user after handover into consideration, the handover decision function which makes a combination of the received signal strength, the load of BS (base station) and the cooperation probability calculated by the load of BS is designed to improve the accuracy of handover decision and balance the load based on the existing load balancing technology. The simulation results show that the mechanism can improve the system capacity and network fairness while balancing the network load.

user cooperation; cooperation probability; handover; load balancing; fairness

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.002

2015-08-31

2016-03-12

劉占軍 liuzj@cqupt.edu.cn

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目基金(2014AA01A701)

Foundation Item：The National High Technology Research and Development Program of China (2014AA01A701)

TN914.53

A

1673-825X(2016)06-0758-05