多用戶QoS需求的負載均衡算法研究與分析

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司 唐 欣 屈 剛

多用戶QoS需求的負載均衡算法研究與分析

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司 唐 欣 屈 剛

本文基于LTE網絡對多業務類型的負載均衡算法進行了研究，提出一種基于用戶QoS要求的負載均衡算法，該算法能有效保障實時類業務的QoS要求，減少了高負載小區中的不滿意用戶數。

LTE；負載均衡；QoS

1 引言

在2G/3G階段,移動通信的業務主要集中在語音業務和少量的數據業務。在UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)向LTE演進過程中,語音和數據業務都是通過IP數據包形式進行分組發送,數據包大小和不同QoS要求導致業務質量的差異化。用戶移動的隨機性和業務需求時間的不確定性會導致LTE網絡出現負載難以均衡的問題。負載均衡的算法思路就是通過將高負載或過負載小區的用戶轉移到低負載小區來減小負載不均的影響,從而提高網絡系統資源的利用率。

文獻［1］通過調節切換參數中的小區特定偏置參數CIO(Cell Individual Offset)來達到系統容量負載均衡的目的,但也導致了系統的某些性能指標的降低,如乒乓切換等問題。文獻［2］指出在進行負載均衡時,不僅考慮無線接入網(RN)而且考慮了傳輸網(TN),同時綜合考慮GBR(Guaranteed Bit Rate)和non-GBR業務的需求,最終提高了網絡性能。

本文在分析LTE相關協議的基礎上,采用小區多業務類型負載估計方法和輕負載鄰區預測方法,通過調節小區中部分用戶的小區便宜CIO值來實現業務實時性QoS要求,進而達到提高網絡容量的目的。

2 算法原理

在傳統的負載均衡算法中,在高負載小區中對不同QoS要求的用戶有不同影響,對于CBR(Constant Bit Rate)用戶,由于資源得不到滿足,所以會造成CBR用戶較高用戶阻塞率,而對于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重的惡化,但是小區高負載的原因,邊緣用戶的吞吐量將嚴重惡化。本算法考慮到負載均衡對不同用戶QoS要求的影響,對用戶的業務類型進行分組,算法的目標在于保證實時類業務用戶的QoS要求。

在負載均衡算法中,主要是改變小區邊緣用戶的的小區特定偏執參數,使用戶強制切換到負載相對低的鄰小區,從而平衡各小區的負載,提升全網的性能。在多種業務中,不同的業務的特性不同,對于BE用戶,并不要求保證用戶的性能,而僅僅對接入的用戶數有限制。而對CBR用戶需要滿足其特定業務的無線承載資源。本文在負載均衡時,為優先保證CBR用戶的性能,選擇將過載小區中的Non-GBR用戶切換到鄰小區中。而對于邊緣位置的CBR業務用戶,仍沿用基于信號強度的切換過程,減少其鏈路失敗的發生。

2.1 負載門限的判定問題

對小區的負載進行監測是將基站下的負載劃分為不同的區間,如圖1所示。

圖1 負載閾值圖

圖1中通過設定三個閾值,將小區的負載劃分為高、中、低三個區間。基站通過讀取測量信息,獲得當前負載信息,在不同的負載容量下,采取相應的動作。

2.2 用戶切換判決問題

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

使其滿足：

此時用戶將會強制切換到鄰小區。不同業務類型的用戶其 取值不同,要求如下：對CBR用戶的BE用戶的

對于CBR的CIO值為初始默認值0不變,CBR用戶的切換基于信號強度的切換調節CIO。而對于BE用戶,基于當前負載的情況,調節CIO。

最終BE用戶：

2.3 CBR用戶與BE用戶的效用函數

CBR用戶的效用函數,即CBR用戶阻塞率,用公式可表示為：

BE用戶的效用函數,即全網的平均負載最高即鄰近小區的負載方差,用公式表示為：

對于多用戶QoS要求的負載均衡算法,在過載小區中,對CBR用戶效用函數值即用戶阻塞率越小時,此時需要切換的BE用戶數越多。過載小區與低負載小區間的負載方差越小,此時需要切換的BE用戶數越多。

算法實現流程圖如圖2所示,該算法實現的部分偽代碼如下：

圖2 基于多業務QoS要求的負載均衡算法流程圖

該流程圖為基于業務類型負載均衡算法圖,具體步驟如下。

(1)在基站的OAM(Operations, Administration, and Maintenance)系統中負載均衡模塊對源小區中負載信息進行周期性監測。

(3)當被選取用戶的在鄰區的RSRP(Reference SiGnal Received Power)值進行測量,選取最優鄰區,并對鄰區的基于負載大小排序,獲取目標鄰區的可用資源。

(4)將兩種QoS需求的用戶進行分組,選擇在邊緣位置的QoS要求低的BE用戶(考慮時延和速率)進行切換。為了保證實時類業務服務質量,優先將非實時業務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。對于CBR用戶使該類用戶的效用函數,即CBR用戶的阻塞率值取最小值;對于BE用戶,使該類用戶效用函數最大化,即使網絡間的負載方差值最小化。

(6)切換執行,將選取的切換用戶切換行為映射到A3公式中的CIO參數中。此時使所選取的切換用戶滿足A3事件切換條件。

(7)基于定義的負載均衡KPI指標, 即當前的負載情況,反饋到負載均衡算法中的監測判決過程中。

3 仿真分析

本文中的仿真采用LTE系統級仿真,其主要配置參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖3表示小區中兩類用戶不同的到達率時CBR用戶的阻塞率。首先,隨著用戶的到達率的速率加快,兩種方案的CBR用戶阻塞率上升,但是與傳統的均衡算法比較,改進后的的算法的CBR用戶的的阻塞率平均比傳統的算法低75%,在用戶到達率0.34用戶/秒時,CBR用戶的阻塞

圖3 用戶到達率與CBR用戶阻塞率圖

圖4 CIO與CBR用戶容量的關系

圖5 CIO值與切換次數的關系

率接近于0,即此時可避免CBR用戶阻塞。所以結果表明改進后的算法是降低了CBR用戶的不滿意數量,提高了CBR用戶的效益。

傳統的負載均衡算法中,當CIO值較大時,此時重負載小區中的大量用戶滿足負載均衡的觸發條件,大量的切換到輕負載小區中,在本章由于多業務QoS要求,對實時性業務的用戶,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量太差的相鄰的輕負載小區中,由圖4可以看出CBR用戶的容量得到大量提升。

圖5表示為傳統的負載方法,以及基于業務的負載均衡方法切換次數關系圖。由圖5可以得出與系統無負載均衡時CIO=0時相比,基于多業務QoS要求的負載均衡方法要比傳統的負載均衡方法的切換的次數都要低。主要是因為對負載均衡影響較大的BE的業務優先切換到鄰小區。

實驗結果表明,該算法能有效地降低過載小區中不滿意的用戶數目,保證實時性業務的QoS要求,達到了提高網絡容量的目的。

4 結束語

基于用戶不同QoS業務類型的情況,本文給出的負載均衡解決方案能適應不同用戶的QoS需求、提高用戶的可接入性以及提升全網的資源利用率。根據仿真的結果,在啟用負載均衡算法后,其它的一些KPI關鍵績效指標如乒乓切換,切換次數是增加的,所以系統容量的提升,是以犧牲切換性能為代價的。對于所要求的性能目標,這需要在實際網絡運營中進行取舍。

[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．