基于垂直切換的TD—LTE與LTE—FDD異系統(tǒng)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(wǎng)時的吞吐量和資源利用率，以網(wǎng)絡(luò)資源利用率為參考對系統(tǒng)內(nèi)的用戶進行異系統(tǒng)垂直切換，從而使混合組網(wǎng)后的系統(tǒng)負載得到均衡。通過該整合系統(tǒng)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(qū)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(guān)鍵詞】負載均衡 系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)射和接收信號，發(fā)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(qū)分，其單方向的資源在時間上是連續(xù)的[1]。TDD在同一頻率上接收和發(fā)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(lǐng)先的芯片廠商都在研制同時支持TDD和FDD的產(chǎn)品。這類同時支持LTE-FDD和TDD產(chǎn)品的市場急劇擴大，逐漸完善運營商的自身網(wǎng)絡(luò)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(jīng)驗教訓[2]。未來的移動通信系統(tǒng)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(qū)還是LTE-FDD小區(qū)，都會存在小區(qū)負載過載情況，移動用戶的移動特性造成數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)總負載發(fā)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(qū)內(nèi)的信道資源極易造成浪費。所以為均衡每個小區(qū)的負載量需合理分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，在TD-LTE與LTE-FDD小區(qū)基站共址的前提下，用戶需在兩個系統(tǒng)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載情況進行相互切換。

關(guān)于負載均衡基本方法的研究，文獻[5]提出了LTE-WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框架，并指出未來LTE和WLAN在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的融合方式。文獻[6]通過仿真驗證了通過WLAN可以降低LTE網(wǎng)絡(luò)的負載。文獻[7]研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中的不同節(jié)能機制，指出低功率基站和WiFi-AP能夠提高蜂窩通信系統(tǒng)的能效。文獻[8]提出了一種LTE和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的總吞吐量。但其只針對網(wǎng)絡(luò)中的固定速率（Constant Bit Rate，CBR）業(yè)務，而沒有考慮非CBR業(yè)務對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。文獻[9]針對LTE宏微異構(gòu)基站共存網(wǎng)絡(luò)，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(shù)的負載均衡方法，并給出了非CBR業(yè)務使網(wǎng)絡(luò)資源利用度函數(shù)最大的資源分配方式，但該文沒有涉及LTE和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，同時給出的均衡算法求解復雜。

對于CDMA/WLAN混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，文獻[10]設(shè)計了在用戶接入網(wǎng)絡(luò)時，需進行聯(lián)合會話的機制。該機制建立的模型根據(jù)CDMA網(wǎng)絡(luò)里的信干比和中斷率、WLAN中的數(shù)據(jù)包時延和吞吐率等參數(shù)來進行會話的接入控制，QoS的狀態(tài)作為其接入控制的判決依據(jù)。然而，網(wǎng)內(nèi)承載的業(yè)務類型、用戶的移動特性模型考慮有限，網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)，文獻[11]針對該三種制式混合的網(wǎng)絡(luò)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬分布狀態(tài)，對業(yè)務的準入的判定根據(jù)帶寬分布狀態(tài)的評估結(jié)果來進行控制，為新到業(yè)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(tǒng)中的負載均衡方面的文獻分析，針對異系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)在進行數(shù)據(jù)傳輸時，將上行、下行時頻域物理資源組成資源塊（RB），它是調(diào)度的最小單位，由12個連續(xù)子載波組成，帶寬180 kHz，時域上持續(xù)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(tǒng)根據(jù)業(yè)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(zhì)量指示）的判別依據(jù)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(shù)據(jù)或者空閑，從而就有了RB資源利用率的量度參數(shù)，將此量度參數(shù)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(jié)構(gòu)，由FDD的幀結(jié)構(gòu)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(xù)的時隙構(gòu)成一個子幀。一幀中共有10個子幀都可用于數(shù)據(jù)傳輸，TDD每個幀包含兩個半幀，與FDD不同。每幀除了有用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訋?，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(tǒng)間的負載量差別過大時，說明其中某個小區(qū)負載量過高，小區(qū)用戶也過于密集，需要將其均衡到另外一個小區(qū)中。至此，需設(shè)置兩個閾值，兩系統(tǒng)負載差閾值th1以及其中高負載小區(qū)閾值為th2。

在滿足th1和th2條件時進行系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)間的負載差和高負載小區(qū)負載量。

3 算法實現(xiàn)

根據(jù)第二小節(jié)的分析，需對基站共址的TD-LTE與LTE-FDD的混合組網(wǎng)系統(tǒng)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(qū)，如圖1所示：

3.1 參數(shù)設(shè)定

TD-LTE的系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的無線信道大尺度衰落模型采用TS36942模型，調(diào)度方式均采取輪詢方式，平均每小區(qū)用戶數(shù)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(tǒng)，反饋到接收機的時延均為0 ms。仿真時長設(shè)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(qū)檢測，LTE-FDD與TD-LTE任兩個系統(tǒng)之間重疊覆蓋時，兩個系統(tǒng)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(tǒng)的負載大于負載門限th2，則啟動系統(tǒng)間的負載均衡。

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

Step 3：用戶檢測。啟動低負載系統(tǒng)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(shè)為0）），則選擇該用戶進行異系統(tǒng)切換。若不滿足，則回到Step 2，選擇除此之外的其他UE進行監(jiān)測。

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

Step 5：是否繼續(xù)。若Step 4重新監(jiān)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(tǒng)的負載已經(jīng)得到均衡，結(jié)束算法。

4 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)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(guān)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(chǔ)，鏈路層仿真的部分結(jié)果作為參數(shù)，映射到系統(tǒng)級仿真接口上，鏈路層仿真給出了相應的調(diào)制編碼，這些調(diào)制編碼速率對應鏈路的自適應門限、鏈路層傳輸?shù)男阅芮€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(jù)誤塊率曲線獲得所規(guī)定的誤塊率所對應的SINR。通過表1查到SINR查到該用戶的調(diào)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(shù)得到，正確傳輸?shù)谋忍財?shù)與傳輸塊大小相關(guān)。LTE誤塊率（BLER）或誤碼率曲線數(shù)據(jù)文件可以提供給仿真做AWGN信道下的調(diào)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(jié)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(tǒng)可近似進入到穩(wěn)態(tài)過程。用戶優(yōu)先接入到TD-LTE系統(tǒng)，然后根據(jù)資源占用情況再進行兩系統(tǒng)之間的切換，負載差閾值預設(shè)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(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，啟動負載均衡后的吞吐量與平均速率穩(wěn)定在一個差值內(nèi)。

圖5中，對于系統(tǒng)資源的占用率，LTE-FDD系統(tǒng)將時隙資源（RB）平均分配給在網(wǎng)用戶，TD-LTE的RB資源占用率也與UE接入數(shù)量有關(guān)，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(tǒng)中去，使得LTE-FDD系統(tǒng)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(wěn)態(tài)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(tǒng)之間的切換后，用戶被切換到了RB資源相對豐富，信號質(zhì)量相對較好的異系統(tǒng)中去，從而使得RLF有稍許減低。TD-LTE系統(tǒng)RLF下降了0.01%，LTE-FDD系統(tǒng)的RLF提高了1.07%，啟動負載均衡后重疊系統(tǒng)的RLF幾乎沒保持不變。

本仿真為得到最優(yōu)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(shè)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(yōu)值會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲及每個用戶的狀態(tài)改變而改變，對于圖8系統(tǒng)中負載均衡的切換次數(shù)，當th1取值較小時，系統(tǒng)的切換次數(shù)更高一些，最高切換次數(shù)可達10次。

5 結(jié)束語

TD-LTE與LTE-FDD重疊的蜂窩小區(qū)內(nèi)，根據(jù)資源利用率進行負載均衡時，使得穩(wěn)態(tài)下網(wǎng)絡(luò)吞吐量及下行數(shù)據(jù)速率得到了顯著提高。另外，算法在有限的范圍內(nèi)選取最優(yōu)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(nèi)選取最優(yōu)的th1、th2。所找到的th1和th2的取值使得負載均衡后網(wǎng)絡(luò)吞吐率提高至少41.85%。

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