CN102202350B - 一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法，事先小区间相互交换各自的负荷信息，当进行负载均衡时，该方法包括：S1.当所有小区中的任意小区i的负荷小于小区轻载负荷阈值，且同邻小区负荷相比最小时，小区i根据邻小区的负荷信息确定待调整小区，向待调整小区发送用户查询请求；待调整小区根据请求查看本小区用户的业务信道质量，确定候选目标用户，并将用户信息返回给小区i；S2.小区i顺序查询候选目标用户并确定一个目标用户，小区i预算该用户切换到小区i后造成的负荷；S3.小区i判断其是否过载，若否，小区i将所述目标用户的用户设备ID发送给该用户所属小区，小区将该用户切出，并执行步骤S2，若是，小区i停止目标用户的选择。

Description

一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法

技术领域

本发明涉及3GPP长期演进(LTE)技术领域，具体涉及一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法。

背景技术

3GPP长期演进(LTE)技术被看作“准4G”，被视作从3G向4G演进的主流技术。LTE演进网络由三部分组成，包括演进无线接入网(E-UTRAN)、演进分组核心网(EPC)和用户设备(UE)。演进无线接入网由若干演进基站(eNB)组成，演进分组核心网中有移动性管理实体(MME)和服务网关(S-GW)。MME用于为用户设备提供移动性管理和控制面功能，而S-GW实现用户面功能和为本地移动性提供锚点。

随着演进网络架构扁平化的发展，未来移动网络的运营变得更加复杂，而且环境也越来越复杂，运营商为了让运营更加简单、高效，自组织网络(SON)的概念应运而生，以减少手工的工作量、节约运营成本。其中负载均衡是降低eNB过载、提高系统容量的重要途径，即网络能自动检测到eNB的过载情况，而无需人工干预，并且能自动地将相应小区中的业务转移到轻载的小区。

目前，实现小区间负载均衡的方法，主要采用以下技术方案：当某一小区的负载过高时，通过某种优化算法，调整切换参数或功率，并从该小区的相邻小区中选出目标小区，将小区中的部分用户(如小区边缘用户)调整到目标小区中，以实现小区间的负载均衡。由于演进的无线接入网络中不存在具有集中控制功能的无线网络控制器，所有关于无线接入控制、小区间负载均衡或切换的功能均被下放到eNB中。

上述方法虽然能够在一定程度上提高移动通信网络的质量，但主要在过载eNB端驱动并完成负载均衡，期间额外的信令开销可能加重过载eNB的负担；其次，由过载eNB控制负载均衡过程，会出现如下问题：过载小区的用户转移到周围某个轻载小区后，这个轻载小区同时还有可能接收其相邻的其它过载小区的用户，结果这个轻载小区最后也过载，导致整个网络中的小区不能协同起来优化整个网络的性能，同时，也会带来过载小区用户在短时间内多次切换的问题，导致负载均衡的效果不明显。

综上所述，现有技术在相邻小区间实现负载均衡时，存在额外的信令开销加重过载eNB的负担、整个网络的小区间协调性差、以及负载均衡有效性差等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法，以减轻过载eNB的负担，改善整个网络小区间的协调性和负载均衡的有效性，提高移动通信网络的质量。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法，包括以下步骤：

事先小区间相互交换各自的负荷信息，当进行负载均衡时，该方法包括：

S1、当所有小区中的任意小区i的负荷小于事先设置的小区轻载负荷阈值，且同相邻小区的负荷相比最小时，小区i根据小区间相互交换的负荷信息和事先设置的小区过载负荷阈值，确定各待调整小区，并通过互连接口X2向所有待调整小区发送用户查询请求；

所有待调整小区根据查询请求查看本小区各用户的业务信道质量，根据各用户的业务信道质量和事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，确定各候选目标用户，并将各候选目标用户的小区ID、用户设备ID、用户接收到的当前服务基站的信号强度测量值RSRP_Current、用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP_i、及用户业务要求的物理资源块PRB返回给小区i，执行步骤S2；

S2、小区i按照先后顺序查询候选目标用户，根据候选目标用户的RSRP_Current、RSRP_i和事先设定的切换延迟hysteresis，确定一个目标用户，小区i预算所述目标用户切换到小区i后造成的负荷，执行步骤S3；

S3、小区i根据上述负荷和事先设置的小区过载负荷阈值判断小区i是否过载，若没过载，小区i将所述目标用户的用户设备ID发送给该目标用户所属的待调整小区，所述待调整小区将该目标用户切出，同时执行步骤S2，若已过载，小区i停止目标用户的选择。

本发明的有益效果为，通过轻载小区主动发起负载均衡优化过程，将负载均衡的驱动、决策到实施由过载小区转移至轻载小区，有效解决现有技术在相邻小区间实现负载均衡时存在的有效性、协作性差及信令开销加重过载侧负担的问题，可以提高移动通信网络的质量。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的界面示意图；

图3为本发明实施例的界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例并参见附图，对本发明进行详细说明。

LTE(Long Term Evolution，长期演进)项目是3G的演进，被通俗的称为3.9G，这种以OFDM/FDMA为核心的技术的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟；支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务等。

按照LTE技术规范的规定，eNB之间通过X2接口相互连接，X2接口提供相邻eNB之间负载信息的信令交互，演进网络的小区之间可通过X2接口自动相互交换各自的负荷信息，小区间负荷信息交换的频率由运营商根据实际需要进行控制，进行负荷信息交换的所有小区的集合是运营商根据实际需要(如人口、用户、实际的业务量等)确定的。

本发明的方法流程如图1所示，一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法，包括以下步骤：

步骤101：当所有小区中的任意小区i的负荷小于事先设置的小区轻载负荷阈值，且同相邻小区的负荷相比最小时，小区i主动发起负载均衡。

小区间相互交换各自的负荷信息，进行负荷信息交换的所有小区记为小区集合C，C内每一个小区都在与C内其它小区进行负荷信息的交换，则C内的任一小区一旦发现自身的负荷小于小区轻载负荷阈值且同相邻小区相比负荷最小，即满足条件[1]和[2]时，就主动发起负载均衡优化过程，我们记这个小区为i，

ρ_i＜LightLoadThreshold    [1]

${\mathrm{\ρ}}_i=\underset{C}{\min }{\mathrm{\ρ}}_j,j\∈C---\left[2\right]$

其中，C为某小区与其相邻小区的集合，ρ_i为小区i的负荷，LightLoadThreshold为小区轻载负荷阈值，由运营商根据实际需要事先设定，且应随网络负荷状况调整，例如，小区整体呈现高负荷时，应增大LightLoadThreshold。

步骤102：小区i根据小区间相互交换的负荷信息和事先设置的小区过载负荷阈值，确定各待调整小区。

小区i从相邻小区中选出满足条件[3]的小区作为进行负载均衡的待调整小区，所述待调整小区可能有一个或多个，记为集合T：

ρ＞OverloadThreshold    [3]

其中，ρ为小区的负荷，OverloadThreshold为小区过载负荷阈值，由运营商根据实际需要事先设定，且可以随网络负荷状况调整，例如，小区整体呈现高负荷时，可以增大OverloadThreshold。

步骤103：小区i通过互连接口X2向所有待调整小区发送用户查询请求。

用户查询请求包括：根据用户的业务信道质量CQI和事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，确定候选目标用户；将候选目标用户的Cell ID、UEID、用户接收到的当前服务基站的信号强度测量值RSRP_Current、用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP_i、及用户业务要求的物理资源块PRB返回给小区i。Cell ID为小区ID，UE ID为用户设备ID。

步骤104：所有待调整小区根据查询请求查看本小区各用户的业务信道质量，根据各用户的业务信道质量和事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，确定各候选目标用户。

所有待调整小区接收到用户查询请求消息后，下行查看各自小区用户的业务信道质量CQI。

业务信道质量CQI(Channel quality indicator)，是无线信道的通信质量的测量标准，可用不同的性能指标表征，包括：信噪比SNR(Signal to NoiseRatio)，信号干扰噪声比SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)，参考信号接收功率RSRP(Reference Signal Receiving Power)，参考信号接收质量RSRQ(Reference Signal Receiving Quality)，误比特率BER(bit error rate)，误块率BLER(block error rate)，误帧率FER(frame error rate)，调制编码方式MCS(modulation coding scheme)，根据实际需要使用上述一个或多个性能指标表征CQI；针对每一个性能指标，根据实际需要预先设定该性能指标的阈值，表征CQI的阈值。

将符合下面条件的作为候选目标用户：

QualityTraffic_t，u＜QualityTrafficThreshold，t∈T    [4]

上式中，QualityTraffic_t，u为待调整小区t中表征用户u的CQI的性能指标，QualityTrafficThreshold为该性能指标阈值，表征相应的CQI阈值，它对应于该性能指标优劣的临界值。若CQI由多个性能指标来表征，则多个性能指标必须同时小于相应的性能指标阈值，才能确定为候选目标用户。

步骤105：所有待调整小区根据查询请求将各候选目标用户的Cell ID、UE ID、用户接收到的当前服务基站的信号强度测量值RSRP_Current、用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP_i、及用户业务要求的物理资源块PRB返回给小区i。

事先将待调整小区帧结构中的控制信息位置为1，可实现事件触发上报机制，即当待调整小区接收到小区i的用户查询请求这一事件时，可控制待调整小区内所有UE自行上报UE测量报告，测量报告中包含用户的Cell ID、UE ID、RSRP_Current、RSRP_i等信息。

用户业务要求的PRB由待调整小区的基站来计算，方法如下：

先计算UE的信号干扰噪声比SINR_u：

${\mathrm{SINR}}_u=\frac{P_c*L_{c,u}}{N+\underset{c\≠X\left(u\right)}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{LOAD}}_c*P_c*L_{c,u}}$

P_c是基站端的发射功率，L_c，u是基站到UE的传播损耗，N是热噪声功率，LOAD_c是小区负荷，X(u)为当前服务小区，c是变量，对应一个小区集合，即与待调整小区相互交换负载信息的所有小区的集合，c≠X(u)表示集合中不包含所述的待调整小区。

其中，L_c，u由基站下行查询UE得到，N是常数。

再由香农公式算该SINR_u对应的数据速率R(SINR_u)：

R(SINR_u)＝log₂(1+SINR_u)

则UE需要的物理资源块PRB是：

${\mathrm{PRB}}_u=\frac{D_u}{R\left({\mathrm{SINR}}_u\right)}$

D_u是用户要求的数据速率，由待调整小区的基站下行查询UE得到。

上述关于物理资源块PRB的计算方法属于现有公知技术。

所有待调整小区将各候选目标用户的Cell ID、UE ID、RSRP_Current、RSRP_i、及用户业务要求的PRB作为用户查询响应消息返回给小区i。

步骤106：小区i按照先后顺序查询候选目标用户，根据候选目标用户的RSRP_Current、RSRP_i和事先设定的切换延迟hysteresis，确定一个目标用户。

按照先后顺序查询候选目标用户，既可以按轮循的顺序进行查询，也可以按用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP的大小的顺序进行查询，还可以按给每个UE分配的优先级顺序进行查询，下面分别对这三种查询方式进行说明。

第一种查询方式：按轮循的顺序进行查询。

将具有相同Cell ID的候选目标用户列于一个队列中，所有队列以小区负荷从大到小排列，负荷大的优先处理，已从一个队列切换一个目标用户或查询完该队列所有候选目标用户，否则不能查询下一个队列，从一个队列切换下一个目标用户前，其他所有队列必须都被查询过一遍，除非只有一个队列。

例如：若有待调整小区A和B，候选目标用户按Cell ID分别分在A小区队列和B小区队列中，若A小区的负荷高于B小区的负荷，按轮循的顺序进行查询时，先查询A小区队列中的用户，若发现A小区的一个候选目标用户满足目标用户的选择和切换条件，完成切换后，转入B小区队列进行查询，若查询到B小区的一个候选目标用户不满足目标用户的选择和切换条件时，继续查询B小区的下一个候选目标用户，直到查询到B小区的一个候选目标用户满足目标用户的选择和切换条件，且完成切换后，再转入A小区队列进行查询，若B小区的候选目标用户均不满足目标用户的选择和切换条件时，则查询完B小区的所有候选目标用户后，再转入A小区队列进行同样查询。如此交叉查询、切换，以尽可能保证各个待调整小区都有候选目标用户可以得到查询、切换，促进所有小区间整体的负载均衡。

目标用户的选择条件为：用户的RSRP_i大于RSRP_Current且超出一定的切换延迟hysteresis；

目标用户的切换条件为：小区i预算所述目标用户切换到小区i后造成的负荷没有超过小区过载负荷阈值；

所述切换是指小区i将目标用户的UE ID发送给该目标用户的当前服务的待调整小区，待调整小区将该目标用户切出，小区i接受该目标用户的切入，成为该目标用户的当前服务小区。

第二种查询方式：按用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP大小的顺序进行查询。

所有候选UE，RSRP越大越先被查询，这种方法可表示为：

$k=\arg \underset{i}{\max }\left({\mathrm{RSRP}}_i\right)i=\mathrm{1,2},...,N$ (N是候选UE总数)

RSRP_i为所述候选用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值。

arg表示选择满足后项条件的序号i，k为接受查询的UE。

此方式主要从给用户提供最佳服务为出发点，让接收到小区i的基站的信号强的用户优先得到切换，保证用户的通信服务质量。

第三种查询方式：按给每个UE分配的优先级顺序进行查询。

设当前服务小区切换了i个UE，UE_i为其当前服务小区切换出去的第i个UE，N_ui为UE_i需要的物理资源块PRB，给每个UE_i分配一个相应的优先级prio_i，优先级越大越先被查询：

${\mathrm{prio}}_i=\frac{\mathrm{RSR}{P}_i}{N_i}$

RSRP_i为UE_i接收到的小区i的基站的信号强度测量值N_i为UE_i当前服务小区切换出去的所有UE需要的物理资源块PRB的累积和，

即j为自然数此方法可以表示为

i＝1，2，...，N(N是小区候选UE总数)arg表示选择满足后项条件的序号i，k为接受查询的UE。

若某小区切换出去的UE越多，则上式中的分母N_i越大，则该小区后面被查询的机会就越少，将更多查询的机会让给切换用户少的过载小区，有助于各个过载小区之间的负载均衡。

对于按上述三种方式顺序查询到的每一个候选目标用户，如果所述候选目标用户的RSRP_i大于RSRP_Current且超出一定的切换延迟hysteresis，即

RSRP_i＞RSRP_Current+hysteresis    [5]

则该候选目标用户被选定为目标用户。

公式[5]是由3GPP的规范定义的，切换延迟hysteresis由运营商根据实际需要事先设定，也可以根据实际需要进行调整。

步骤107：小区i预算所述目标用户切换到小区i后造成的负荷。

负荷用物理资源块PRB利用率衡量，PRB利用率是指已用PRB占PRB总数的比值。

其中，PRB_i为小区i当前的物理资源块，PRB_u为该目标用户业务要求的物理资源块。

步骤108：小区i根据上述负荷和事先设置的小区过载负荷阈值判断小区i是否过载，若已过载，执行步骤109，若没过载，同时执行步骤106和步骤110。

当满足条件：σ＞OverloadThreshold时，表示过载

其中，σ为预算某一目标用户切换到小区i后造成的负荷，OverloadThreshold为小区过载负荷阈值。

步骤109：小区i停止目标用户的选择。

为了使小区i发起负载均衡优化时，小区i自身不至于过载，在切入目标用户之前，先预算其切换过来后造成的负荷，一旦发现某个目标用户切换过来后造成小区i过载，则不将该目标用户切换过来，停止查询候选目标用户，从而停止目标用户的选择。

步骤110：小区i将所述目标用户的UE ID发送给该目标用户所属的待调整小区，所述待调整小区将该目标用户切出。

现举例说明：

参见图2，为本发明实施例中多个小区的示意图，话务密集区域中包括多个小区，如小区A、B、C、D、E、F、G，对应的负荷分别为10％、20％、35％、45％、15％、25％、50％。若设小区的轻载负荷阈值是20％(小区整体呈现高负荷时，可做适当提升)，过载负荷阈值是40％(小区整体呈现高负荷时，可做适当提升)。根据本发明的方法，小区A将主动发起负载均衡，分别向待调整小区D、G通过互连接口x2发送用户查询请求消息。

参见图3，小区D、G根据上述用户查询请求查看本小区各用户的业务信道质量，根据各用户的业务信道质量和事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，确定小区D的候选目标用户是UE1、UE2，小区G的候选目标用户是UE3、UE4、UE5。

小区D、G返回用户查询响应消息给小区A，该消息携带有候选目标用户的Cell ID、UE ID、UE接收到的当前服务基站的信号强度的测量值RSRP_Current、UE接收到的小区i的基站的信号强度的测量值RSRP_i、及用户业务要求的物理资源块PRB。

若按轮循的顺序进行查询，则小区A将上述消息按Cell ID区分成D、G两组，先从负荷高的G组中取出一个候选目标用户，若为UE3，如果其RSRP_i大于RSRP_Current且超出一定的切换延迟hysteresis，则作为目标用户，并且预算UE3切换到小区A后造成的负荷，若发现小区A没有过载，则小区A将UE3的UE ID发送给小区G，小区G将UE3切出，然后转入小区D进行查询，若小区D的UE1和UE2都不满足目标用户的选择和切换条件，则查询完UE1、UE2后转入小区G继续查询，若小区D的UE1、UE2中有满足目标用户的选择和切换条件的，则查询直至产生一个目标用户，并预算该用户切换过来后造成的负荷，一旦过载，就停止目标用户的选择和切换。如此轮流判断直至查询完D、G两组，或预算过载。

若按用户接收到的小区A的基站的信号强度测量值RSRP大小的顺序进行查询，则小区A仅按UE1、UE2、UE3、UE4、UE5的RSRP大小的顺序进行查询，查询顺序与UE所属的小区无关。若查询到其中的UE2，其RSRP_i大于RSRP_Current且超出一定的切换延迟hysteresis，则作为目标用户，同时，预算UE2切换到小区A后造成的负荷，若发现小区A没有过载，则小区A将UE2的UE ID发送给小区G，小区G将UE2切出，小区A成为UE2的当前服务小区，然后按RSRP大小顺序继续查询下一个UE。

若按给每个UE分配的优先级顺序进行查询，则按本发明实施例所述方法得到每个UE的优先级，按此优先级顺序对候选目标用户进行查询、切换。

按照以上三种方式查询候选目标用户，确定相应的目标用户，同时预算目标用户切换到小区A后造成的负荷，若小区A没有过载，则按相应的顺序继续查询和切换，一旦预算发现小区A过载，则小区A立即停止目标用户的选择。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种由轻载小区主动发起的负载均衡优化方法，其特征在于，事先小区间相互交换各自的负荷信息，当进行负载均衡时，该方法包括以下步骤：

S1、当所有小区中的任意小区i的负荷小于事先设置的小区轻载负荷阈值，且同相邻小区的负荷相比最小时，小区i根据小区间相互交换的负荷信息和事先设置的小区过载负荷阈值，确定各待调整小区，并通过互连接口X2向所有待调整小区发送用户查询请求；

所有待调整小区根据查询请求查看本小区各用户的业务信道质量，根据各用户的业务信道质量和事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，确定各候选目标用户，并将各候选目标用户的小区ID、用户设备ID、用户接收到的当前服务基站的信号强度测量值RSRP_Current、用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP_i、及用户业务要求的物理资源块PRB返回给小区i，执行步骤S2；

S2、小区i按照先后顺序查询候选目标用户，根据候选目标用户的RSRP_Current、RSRP_i和事先设定的切换延迟hysteresis，确定一个目标用户，小区i预算所述目标用户切换到小区i后造成的负荷，执行步骤S3；

S3、小区i根据上述负荷和事先设置的小区过载负荷阈值判断小区i是否过载，若没过载，小区i将所述目标用户的用户设备ID发送给该目标用户所属的待调整小区，所述待调整小区将该目标用户切出，同时执行步骤S2，若已过载，小区i停止目标用户的选择；

其中，所述小区i根据小区间相互交换的负荷信息和事先设置的小区过载负荷阈值，确定各待调整小区的方法包括：

对于与小区i相互交换负荷信息的其它任一小区，若该小区的负荷大于事先设置的小区过载负荷阈值，则该小区被小区i确定为待调整小区。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各用户的业务信道质量和事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，确定各候选目标用户的方法包括：

若某用户的业务信道质量小于事先设置的相应的用户业务信道质量阈值，则该用户被小区i确定为候选目标用户；

所述用户的业务信道质量由一个或多个性能指标表征，用户业务信道质量阈值由相应的性能指标阈值表征。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小区i按照先后顺序查询候选目标用户的方法包括：

将具有相同小区ID的候选目标用户列于一个队列中，所有队列以小区负荷从大到小排列，负荷大的优先处理，已从一个队列切换一个目标用户或查询完该队列所有候选目标用户，否则不能查询下一个队列，从一个队列切换下一个目标用户前，其他所有队列必须都被查询过一遍，除非只有一个队列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小区i按照先后顺序查询候选目标用户的方法包括：

对于所有候选目标用户，所述候选目标用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP越大越先被查询。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小区i按照先后顺序查询候选目标用户的方法包括：

给每个候选目标用户分配一个优先级,优先级越大越先被查询；

所述优先级等于候选目标用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值除以所述候选目标用户当前服务小区切换出去的所有用户的物理资源块PRB的累积和。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据候选目标用户的RSRP_Current、RSRP_i和事先设定的切换延迟hysteresis，确定一个目标用户的方法包括：

所述候选目标用户接收到的小区i的基站的信号强度测量值RSRP_i大于该候选目标用户接收到的当前服务基站的信号强度测量值RSRP_Current且超出切换延迟hysteresis，则该候选目标用户被设定为目标用户。