4G網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷均衡方法研究

王曉剛

（中國(guó)聯(lián)通山西分公司，山西太原030006）

0 前言

當(dāng)前2I2C業(yè)務(wù)迅猛增加，為應(yīng)對(duì)流量爆發(fā)和節(jié)約投資，需要進(jìn)行4G負(fù)載均衡方式的研究。2017年在聯(lián)通冰激凌、騰訊大網(wǎng)卡等業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展和高流量的拉動(dòng)下，4G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量快速增長(zhǎng)，造成4G網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷快速增長(zhǎng)，尤其是重點(diǎn)場(chǎng)景局部區(qū)域話務(wù)過(guò)熱，導(dǎo)致下載速率降低，用戶(hù)感知下降，網(wǎng)頁(yè)打開(kāi)緩慢，視頻緩沖時(shí)延大,視頻卡頓等。故對(duì)多用戶(hù)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行負(fù)載提升勢(shì)在必行。

本文研究了用戶(hù)感知與負(fù)荷的關(guān)系、負(fù)載均衡的方式和流程、負(fù)載均衡的規(guī)則及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、載波聚合，并通過(guò)案例進(jìn)行闡述，提出了應(yīng)對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)流量增長(zhǎng)和效益平衡的方向和措施。

1 研究用戶(hù)感知與負(fù)荷的關(guān)系

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，RRC用戶(hù)數(shù)增加，流量增加，下行PRB利用率增加，故分配給每個(gè)用戶(hù)的PRB數(shù)相對(duì)降低，每個(gè)用戶(hù)的可用資源減少，單用戶(hù)速率降低，用戶(hù)感知下降。為研究網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷與用戶(hù)感知的關(guān)系，找出影響用戶(hù)感知的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，包括流量門(mén)限、PRB利用率門(mén)限、RRC用戶(hù)數(shù)門(mén)限，提取山西省多載波站點(diǎn)單用戶(hù)下行速率、下行流量、RRC平均用戶(hù)數(shù)、PRB利用率，分析結(jié)果如下：

a）PRB利用率與單用戶(hù)下行速率成反比，PRB利用率越大，單用戶(hù)速率越??；當(dāng)PRB利用率大于50%，單用戶(hù)下行速率小于10 Mbit/s。

b）單用戶(hù)下行速率與下行流量成反比，下行流量越大，單用戶(hù)速率越小。

c）單用戶(hù)下行速率與RRC平均用戶(hù)數(shù)成反比，RRC平均用戶(hù)數(shù)越大，單用戶(hù)速率越??；當(dāng)RRC平均用戶(hù)數(shù)大于80，單用戶(hù)下行速率小于10 Mbit/s。

d）單用戶(hù)下行速率與每帶寬承載流量成反比，每帶寬承載流量越大，單用戶(hù)速率越??；當(dāng)每帶寬承載流量大于350 MB，單用戶(hù)下行速率小于10 Mbit/s。

2 LTE負(fù)載均衡原理

2.1 負(fù)載均衡流程（愛(ài)立信）

為了使不同載波間的負(fù)荷均衡，引入IFLB功能，通過(guò)遷移連接態(tài)的UE達(dá)到不同載波負(fù)荷分擔(dān)的作用。

2.1.1 IFLB生效條件

a）要求激活基于覆蓋的異頻切換（Coverage-Triggered Inter-Frequency Handover）。

b）IFLB涉及的2個(gè)站點(diǎn)間要有正常的X2鏈路（load information進(jìn)行exchange）。

c）IFLB只能發(fā)生在Ericsson的基站上。

d）保證載波間負(fù)載均衡功能打開(kāi)，同站異頻鄰區(qū)互配負(fù)載均衡關(guān)系（loadBalancing設(shè)置為ALLOWED）。

e）激活異頻切換功能Intra-LTE Inter-Mode Handover feature，負(fù)載均衡能夠應(yīng)用于Inter-Mode（FDD and TDD）。

2.1.2 IFLB處理步驟

負(fù)載信息的評(píng)估是通過(guò)用戶(hù)負(fù)荷（基站內(nèi)部虛擬運(yùn)算）開(kāi)展的，如果主服小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的用戶(hù)負(fù)荷相差3%（lbThreshold）即啟動(dòng)負(fù)載均衡，當(dāng)主服小區(qū)的RSRP小于-44 dBm（a5Threshold1Rsrp，很容易達(dá)到，相當(dāng)于對(duì)主服不設(shè)限）且目標(biāo)小區(qū)的RSRP大于-95 dBm（a5Threshold2Rsrp，為了確保目標(biāo)小區(qū)的覆蓋良好）即觸發(fā)負(fù)載均衡的實(shí)施。

Step1：Load Assessment；依據(jù)subscription ratio進(jìn)行評(píng)估。

Step2：Load Information Exchange；負(fù)載信息交互通過(guò)X2鏈路進(jìn)行，一個(gè)小區(qū)可以收到多個(gè)本站/其他站小區(qū)的load report；目標(biāo)小區(qū)的選擇由參數(shù)loadBalancing控制；而且負(fù)載信息交互只發(fā)生在配置了LB的相關(guān)小區(qū)上。

Step3：Load Balancing Action；基于收到的load information，源小區(qū)決定切換給目標(biāo)小區(qū)負(fù)荷的差異化分配。具體依據(jù)如下：

a）不同目標(biāo)小區(qū)的負(fù)荷差異。

b）載波負(fù)荷差（lbThreshold）觸發(fā)LB的執(zhí)行。

c）源小區(qū)總的卸載量，如果存在多個(gè)target cell，那么負(fù)載在這些小區(qū)間分配。

d）最大load差（lbCeiling）為一個(gè)負(fù)荷分擔(dān)周期（15 s）可卸載的最大用戶(hù)，多余用戶(hù)等待下一個(gè)IFLB周期。

Step4：LB是通過(guò)HO來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用A5事件；如果isHoAllowed設(shè)置為FALSE，HO到目標(biāo)小區(qū)是被禁止的；如果目標(biāo)小區(qū)在Handover Restriction List（HRL）中，那么將被禁止切換。

2.2 負(fù)載均衡流程（華為）

負(fù)載均衡可基于用戶(hù)數(shù)觸發(fā)，或者基于PRB模式觸發(fā)。目前現(xiàn)網(wǎng)大部分采用用戶(hù)數(shù)模式觸發(fā)，即用戶(hù)數(shù)模式滿足觸發(fā)條件，則觸發(fā)異頻負(fù)載均衡，且均轉(zhuǎn)移同步態(tài)的UE。

2.2.1 觸發(fā)/停止負(fù)載均衡

2.2.1 .1基于PRB模式觸發(fā)

選擇PRB模式觸發(fā)時(shí)，若連續(xù)5 s內(nèi)（可配置）同時(shí)滿足以下條件，則觸發(fā)異頻PRB利用率負(fù)載平衡。

a）小區(qū)某類(lèi)PRB利用率≥異頻負(fù)載平衡門(mén)限（InterFreqMlbThd）+負(fù)載偏置（LoadOffset）。

b）小區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)≥MLB最小用戶(hù)數(shù)門(mén)限（MlbMinUeNumThd）+MLB最小用戶(hù)數(shù)偏置（MlbMinUeNumOffset）。

選擇PRB模式觸發(fā)時(shí)，若連續(xù)5 s（可配置）內(nèi)滿足以下任一條件，則停止異頻PRB利用率負(fù)載平衡。

a）小區(qū)所有PRB利用率類(lèi)型＜異頻負(fù)載平衡門(mén)限（InterFreqMlbThd）。

b）小區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)＜MLB最小用戶(hù)數(shù)門(mén)限（MlbMinUeNumThd）。

2.2.1 .2基于用戶(hù)數(shù)觸發(fā)

選擇用戶(hù)數(shù)模式觸發(fā)時(shí)，若連續(xù)5 s內(nèi)（可配置），小區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)≥異頻負(fù)載均衡用戶(hù)數(shù)門(mén)限（Inter-FreqMlbUeNumThd）+負(fù)載均衡用戶(hù)數(shù)偏置（MlbUeNumOffset），則觸發(fā)異頻同步態(tài)用戶(hù)數(shù)負(fù)載平衡。

選擇用戶(hù)數(shù)模式觸發(fā)時(shí)，若連續(xù)5 s內(nèi)小區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)＜異頻負(fù)載均衡用戶(hù)數(shù)門(mén)限（InterFreqMlbUe-NumThd），則停止異頻同步態(tài)用戶(hù)數(shù)負(fù)載平衡。

2.2.2 目標(biāo)小區(qū)選擇

eNodeB根據(jù)參數(shù)異頻負(fù)載平衡開(kāi)關(guān)（MlbAlgo-Switch）和負(fù)載均衡鄰區(qū)范圍（LoadBalanceNCellScope）的配置情況，在異頻鄰區(qū)列表中篩選負(fù)載平衡鄰區(qū)選擇范圍。目前MlbAlgoSwitch僅選擇打開(kāi)異頻負(fù)載平衡開(kāi)關(guān)，負(fù)載平衡鄰區(qū)選擇范圍是：同站重疊覆蓋鄰區(qū)和配置了X2鏈路的異站重疊覆蓋鄰區(qū)，但后者使用很少，基于現(xiàn)網(wǎng)部署情況，負(fù)載均衡更傾向于同站重疊覆蓋鄰區(qū)。

觸發(fā)負(fù)載平衡時(shí)啟動(dòng)負(fù)載信息交互，對(duì)于站內(nèi)鄰區(qū)，服務(wù)小區(qū)從所屬eNodeB直接獲取鄰區(qū)的PRB利用率、同步態(tài)用戶(hù)數(shù)、傳輸資源和硬件資源負(fù)載信息，而對(duì)于站間鄰區(qū)，服務(wù)小區(qū)所屬eNodeB將對(duì)候選鄰區(qū)中配置了X2鏈路的異站鄰區(qū)發(fā)起負(fù)載信息交互流程，鄰區(qū)所屬基站按照請(qǐng)求消息指示的交互周期回復(fù)PRB利用率、同步態(tài)用戶(hù)數(shù)、傳輸資源和硬件資源負(fù)載信息。

候選鄰區(qū)中，能獲取到其負(fù)載信息的小區(qū)即為交互鄰區(qū)。交互鄰區(qū)按照部分默認(rèn)和設(shè)定的條件進(jìn)行篩選，需要注意的是以下條件是需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的：服務(wù)小區(qū)與鄰小區(qū)PRB利用率差值大于負(fù)載差門(mén)限（Load-DiffThd）的小區(qū)，鄰區(qū)InterFreqMlbUeNumThd-鄰區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)＞0的小區(qū)，或者滿足（服務(wù)小區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)-鄰區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)）/服務(wù)小區(qū)同步態(tài)用戶(hù)數(shù)＞用戶(hù)數(shù)差值門(mén)限（UeNumDiffThd）的小區(qū)。然后根據(jù)負(fù)載均衡頻點(diǎn)選擇策略（FreqSelectStrategy）的配置選擇滿足頻點(diǎn)要求的小區(qū)，形成當(dāng)前執(zhí)行周期的目標(biāo)小區(qū)列表。

界面取值范圍：公平選擇策略（FAIRSTRATEGY）、根據(jù)MLB頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)選擇（PRIORITYBASED）、基于負(fù)載的頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)（LOADPRIORITY）。

2.2.3 負(fù)載均衡執(zhí)行

UE的選擇：UE不處于CA狀態(tài)，沒(méi)有建立QCI1的業(yè)務(wù)，不處于懲罰階段。轉(zhuǎn)移出的UE個(gè)數(shù)要小于負(fù)載均衡最大切換出用戶(hù)數(shù)。每異頻負(fù)載評(píng)估周期（InterFreqLoadEvalPrd）內(nèi)轉(zhuǎn)移的最大UE個(gè)數(shù)不能超過(guò)負(fù)載均衡最大切換出用戶(hù)數(shù)（MlbMaxUeNum），負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí)，使用基于測(cè)量的EventA4。

當(dāng)收到的切換請(qǐng)求消息攜帶的負(fù)載平衡切換原因?yàn)镽educe load in serving cell時(shí)，目標(biāo)小區(qū)不做接納判斷，按照正常切換流程處理。當(dāng)收到的切換請(qǐng)求消息攜帶的負(fù)載平衡切換原因?yàn)镽esource Optimisation Handover時(shí)，如果目標(biāo)小區(qū)PRB利用率或同步態(tài)用戶(hù)數(shù)處于潛在高載狀態(tài)或者負(fù)載平衡觸發(fā)狀態(tài)，則目標(biāo)小區(qū)回復(fù)切換拒絕響應(yīng)消息HANDOVER PREPARATION FAILURE，否則按照正常切換流程處理。

2.3 分場(chǎng)景細(xì)分多載波策略

2.3.1 帶內(nèi)L1800異頻場(chǎng)景

Band3多載波帶內(nèi)異頻場(chǎng)景多為室分1650 20M+室分1506 10M，子載波間隔14.4 MHz。

帶內(nèi)L1800異頻場(chǎng)景載波策略：帶內(nèi)1650與1506有相同的空閑態(tài)重選優(yōu)先級(jí)，空閑態(tài)隨機(jī)駐留；連接態(tài)優(yōu)先級(jí)相同；1650與1506互操作方式為異頻切換、基于用戶(hù)數(shù)的負(fù)載均衡。

2.3.2 帶間L1800與L2100異頻場(chǎng)景

帶間L1800與L2100異頻場(chǎng)景多為宏站1650（20M）負(fù)責(zé)覆蓋+宏站375（15M）增加容量。

帶間L1800與L2100異頻場(chǎng)景載波策略：L1800與L2100有相同的空閑態(tài)重選優(yōu)先級(jí)，空閑態(tài)隨機(jī)駐留；連接態(tài)優(yōu)先級(jí)相同；L1800與L2100互操作方式為異頻切換、基于用戶(hù)數(shù)的負(fù)載均衡。

2.3.3 Inter-mode：FDD與TDD負(fù)載均衡

FDD與TDD場(chǎng)景適用于：用戶(hù)集中，容量需求大，需重點(diǎn)解決網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題；FDD已經(jīng)進(jìn)行CA擴(kuò)容，無(wú)頻率可用，需要使用TDD進(jìn)行熱點(diǎn)業(yè)務(wù)吸收。

TDD分流策略為：

a）4G用戶(hù)數(shù)多、負(fù)荷高已經(jīng)擴(kuò)容FDD場(chǎng)景，增加TDD基站。以FDD為主覆蓋，TDD吸收熱點(diǎn)流量。

b）配置TDD高優(yōu)先級(jí)或等優(yōu)先級(jí)，根據(jù)頻段的差異，通過(guò)設(shè)定不同的重選門(mén)限，使終端均勻地駐留在TDD/FDD網(wǎng)絡(luò)。

c）FDD與TDD之間通過(guò)連接態(tài)負(fù)荷均衡+空閑態(tài)負(fù)荷均衡來(lái)調(diào)整2張網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)荷。當(dāng)FDD網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均衡到TDD網(wǎng)絡(luò)上。

d）TDD與FDD互操作方式為：異頻切換、基于用戶(hù)數(shù)的負(fù)載均衡。

3 負(fù)載均衡評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

IFLB實(shí)現(xiàn)機(jī)制：現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置通過(guò)RRC用戶(hù)數(shù)差值判斷是否觸發(fā)負(fù)載均衡；當(dāng)載波1、載波2用戶(hù)數(shù)差值大于設(shè)置值，觸發(fā)IFLB，并通過(guò)異頻切換進(jìn)行off loading。

研究方法：使用一周小時(shí)級(jí)數(shù)據(jù)，篩選RRC用戶(hù)數(shù)均衡（載波1、載波2RRC用戶(hù)數(shù)差值小于參數(shù)設(shè)定值）小區(qū)，分析其PRB利用率差值。

帶內(nèi)：在RRC用戶(hù)數(shù)均衡的前提下，90%的小區(qū)均可滿足PRB利用率差值在20%以?xún)?nèi)；故PRB利用率差值在20%以?xún)?nèi)判斷為負(fù)載均衡（見(jiàn)圖1）；當(dāng)載波1、載波2PRB利用率差值在20%以?xún)?nèi)，單用戶(hù)下行速率大于20 Mbit/s（見(jiàn)圖2）。

圖1 帶內(nèi)PRB利用率差值統(tǒng)計(jì)

圖2 帶內(nèi)單用戶(hù)下行速率與PRB差值關(guān)系

帶間：在RRC用戶(hù)數(shù)均衡的前提下，90%的小區(qū)均可滿足PRB利用率差值在20%以?xún)?nèi)；故PRB利用率差值在20%以?xún)?nèi)判斷為負(fù)載均衡（見(jiàn)圖3）；當(dāng)載波1、載波2PRB利用率差值在20%以?xún)?nèi)，單用戶(hù)下行速率大于15 Mbit/s（見(jiàn)圖4）。

評(píng)估方法：一周每天實(shí)際忙時(shí)的PRB利用率，取7天均值；分別計(jì)算載波1、載波2負(fù)荷（PRB利用率、流量、用戶(hù)數(shù)），PRB利用率差值＞20%，判斷為不均衡；統(tǒng)計(jì)時(shí)段：評(píng)估為自然周（周一到周日），自忙時(shí)。

表1示出的是負(fù)載均衡情況統(tǒng)計(jì)。

圖3 帶間PRB利用率差值統(tǒng)計(jì)

圖4 帶間單用戶(hù)下行速率與PRB差值關(guān)系

表1 負(fù)載均衡情況統(tǒng)計(jì)

負(fù)載均衡標(biāo)準(zhǔn)：載波1、載波2PRB利用率差值小于20%。

4 負(fù)載均衡優(yōu)化

多載波站點(diǎn)負(fù)載均衡優(yōu)化方法如下：

a）核查負(fù)載均衡License、相關(guān)功能狀態(tài)是否開(kāi)啟。

b）核查同站異頻鄰區(qū)是否互配負(fù)載均衡關(guān)系（loadBalancing設(shè)置為ALLOWED），若未配置，進(jìn)行添加。

c）核查基站狀態(tài)是否正常，是否存在告警；若有告警，推動(dòng)告警處理。

d）對(duì)問(wèn)題小區(qū)統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)進(jìn)行載波1小區(qū)與載波2小區(qū)PRB利用率分析，根據(jù)當(dāng)前用戶(hù)數(shù)門(mén)限設(shè)置用戶(hù)數(shù)啟動(dòng)門(mén)限。若載波1 PRB利用率高，載波2 PRB利用率低，則減小載波1小區(qū)用戶(hù)數(shù)啟動(dòng)門(mén)限，降低用戶(hù)數(shù)差值門(mén)限，調(diào)節(jié)A5使載波1用戶(hù)更容易觸發(fā)負(fù)載均衡切換至載波2，載波2用戶(hù)不易觸發(fā)負(fù)載均衡切換至載波1。若載波1 PRB利用率低，載波2 PRB利用率高，則增大載波1小區(qū)用戶(hù)數(shù)啟動(dòng)門(mén)限，提高用戶(hù)數(shù)差值門(mén)限，調(diào)節(jié)A5使載波2用戶(hù)更容易觸發(fā)負(fù)載均衡切換至載波1，載波1用戶(hù)不易觸發(fā)負(fù)載均衡切換至載波2。

e）載波1、載波2的覆蓋區(qū)域應(yīng)大體一致，若覆蓋區(qū)域基本無(wú)重疊，載波間負(fù)載不均衡需要進(jìn)行天饋調(diào)整。加強(qiáng)入網(wǎng)管控、定期檢查工程參數(shù)，確保擴(kuò)容載波與已有載波覆蓋一致。

5 載波聚合

目前全省多載波站點(diǎn)已全部開(kāi)啟負(fù)載均衡、載波聚合，且。開(kāi)啟載波聚合可提高小區(qū)速率，提升用戶(hù)感知。

a）開(kāi)啟CA站點(diǎn)，主載波一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，為節(jié)省電量，輔載波動(dòng)態(tài)激活和去激活。

b）當(dāng)無(wú)線環(huán)境SINR大于門(mén)限值sCellScheduleSinrThres（現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置為0），且RLCbutter數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)大于sCellActDeactDataThres，輔載波激活觸發(fā)。

c）當(dāng)無(wú)線環(huán)境SINR小于門(mén)限值sCellScheduleSinrThres（現(xiàn)網(wǎng)設(shè)置為0），或者RLCbutter數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)小于sCellActDeactDataThres-sCellActDeact-DataThresHyst，輔載波去激活觸發(fā)。

負(fù)載均衡、載波聚合開(kāi)啟后，載波1單用戶(hù)速率提升17.73%，載波2單用戶(hù)速率提升30.78%（見(jiàn)圖5）；負(fù)載均衡、載波聚合開(kāi)啟后，載波1、載波2PRB利用率、RRC用戶(hù)數(shù)、流量更加均衡（見(jiàn)圖6和圖7）。

圖5 載波間單用戶(hù)下載速率對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文研究分析，梳理出用戶(hù)感知與負(fù)荷的關(guān)系，負(fù)荷越高，用戶(hù)感知越差。為緩解高熱區(qū)域負(fù)荷，對(duì)多載波站點(diǎn)進(jìn)行負(fù)載均衡優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多載波分場(chǎng)景細(xì)分，分為帶內(nèi)L1800異頻場(chǎng)景、帶間L1800與L2100異頻場(chǎng)景、inter-mode：FDD與TDD負(fù)載均衡，進(jìn)行多載波策略、參數(shù)優(yōu)化，負(fù)載均衡評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，載波聚合開(kāi)啟場(chǎng)景研究，確定了負(fù)載均衡評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及優(yōu)化方法，為日后負(fù)載均衡日常優(yōu)化明確了思路和方法。

圖6 載波間PRB利用率對(duì)比

圖7 開(kāi)啟CA前后RRC平均用戶(hù)數(shù)對(duì)比