CN102395157B - 蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法，主要解决先进型国际移动通信IMT-Advanced系统中的负载均衡行为只考虑单一小区对的局限性问题。主要技术特点为：1.将负载均衡场景从单一小区对扩展到由多个小区组成的区域内；2.通过构造效用函数，使得负载均衡区域内的各个小区以效用值最大化为目标来进行负载均衡；3.通过改变小区相对于特定邻小区的偏移量CIO，实现用户的切换和负载转移。本发明契合了IMT-Advanced系统自组织网络架构的分布式特点，采用多区联动的策略，有效降低了系统的平均阻塞率，提升了系统内用户的服务质量和负载均衡收敛速度，避免了区域内负载均衡的震荡问题。

Description

蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及到高级国际移动通信IMT-Advanced系统架构中的蜂窝小区负载均衡，具体的说是区域内的多个小区同时进行负载均衡，可用于均衡通信系统中的负载。

背景技术

第三代移动通信合作伙伴计划3GPP长期演进系统以其较高的带宽可以为用户提供更丰富的多媒体业务，但是运营商最关心的还是通过有效的控制运行和维护的成本来取得较高的利润。因此，在长期演进系统中控制运行和维护的成本将会成为一个非常具有挑战性的问题。而3GPP为长期演进系统提出了一个新的运维策略，即长期演进系统运营商通过自组织机制有效降低运维成本，进一步提升长期演进系统的竞争优势。

移动性负载均衡MLB是长期演进系统LTE中自组织网络SON的一个重要用例。MLB的主要内容是根据当前小区和邻居小区的负载状况来自动优化通信系统内或系统间的移动性参数，相对于静态的移动参数来说，能够提升系统容量，并且降低网络管理与优化工作中的人工工作量。它应当考虑到接入技术的服务容量，网络的覆盖结构，例如高容量小区与低容量小区的重叠。

移动性负载均衡的目标就是优化小区重选与切换参数，进而降低切换总数和不必要的切换数，进一步达到负载均衡。其期望的结果包括四个方面：一是根据小区重选与切换机制，使部分用户UE重选到或者切换到低负载小区；二是使小区之间的负载更加均衡；三是进一步提升系统的容量；四是降低网络管理与优化方面的人工工作量。

对传统的MLB的讨论一般局限在2个相邻小区之间，如图1所示，假设小区7、小区12和小区13的负载均较重，当小区7的负载大于传统MLB的门限值时，小区7先触发MLB。假设小区7选择与小区8进行负载均衡，则小区7只和小区8交互各自当前的负载信息，然后通过调整小区7和小区8之间的切换参数，使小区7的用户切换到小区8中，实现小区7和小区8这两个小区的负载均衡。本次负载均衡结束后，仅使小区7的负载减轻，并没有使小区12和小区13的负载减轻，然后经过一段时间后，小区12和小区13也会触发MLB，导致图1所示的区域内负载均衡的次数增多，而且小区12可能会选择小区7做负载均衡，从而导致小区7的负载重新加重，则小区7很快又会触发MLB，形成震荡。

综上，现有的负载均衡存在如下缺点：一是每次负载均衡只考虑单一小区对，不能减轻其它小区的负载，导致区域内负载均衡次数的增多；二是存在负载均衡震荡问题，使某一小区触发负载均衡的次数过多，影响区域内用户的服务质量和系统性能的提升。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法，将多个小区组成一个区域，区域内的小区同时做负载均衡，增强负载均衡效果，可以减少区域内负载均衡的次数，避免区域内负载均衡的震荡，使区域内各个小区的负载趋于平均值，提升区域内用户的服务质量和系统性能。

本发明主要包括如下步骤：

(1)区域负载均衡初始化：

1a)将目标小区及其相邻小区组成负载均衡区域并设置区域负载均衡触发门限值ρ″；

1b)记录目标小区及其邻小区的移动性参数值，统计目标小区及其邻小区的物理资源块占用率ρ_i，i＝1，2，...，7，并统计负载均衡区域内的物理资源块占用率均值ρ′；

其中，目标小区的物理资源块占用率为ρ₁；

1c)如果负载均衡区域内的负载均衡区域内的物理资源块占用率均值ρ′大于等于区域负载均衡触发门限ρ″，则执行步骤(3)；否则，执行步骤1d)；

1d)计算负载均衡区域内的各个小区的效用值：

1d1)构造负载均衡区域的效用函数U：

$U=\left\{\begin{array}{cc}-{\mathrm{\ρ}}_i^2+\frac{1+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}\·{\mathrm{\ρ}}_i& {\mathrm{\ρ}}_i\≤{\mathrm{\ρ}}^{\′}\\ -{\mathrm{\ρ}}_i^2+\frac{1+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}\·{\mathrm{\ρ}}_i+\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}{\mathrm{\ρ}}^{\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}& {\mathrm{\ρ}}_i>{\mathrm{\ρ}}^{\′}\end{array}\right.;$

其中，ρ_i是负载均衡区域内的各个小区，即目标小区及其邻小区的物理资源块占用率，i＝1，2，...，7；

1d2)将目标小区及其邻小区的物理资源块占用率ρ_i，i＝1，2，...，7，代入效用函数U，求出负载均衡区域内的各个小区的的效用值并保存结果；

1e)比较负载均衡区域内各个小区的物理资源块占用率ρ_i与ρ′的大小，i＝1，2，...，7，列出重负载小区集合和轻负载小区集合；

所述的重负载小区集合，是由负载均衡区域内的各个小区的物理资源块占用率大于等于ρ′的小区组成的集合；

所述的轻负载小区集合，是由负载均衡区域内的各个小区的物理资源块占用率小于ρ′的小区组成的集合；

(2)对区域负载进行均衡：

2a)如果重负载小区集合为空，则执行步骤(3)；否则执行步骤2b)；

2b)从重负载小区集合中选择当前效用值最小的重负载小区，再从轻负载小区集合中选择与此重负载小区相邻的当前效用值最小的轻负载小区，并将该重负载小区和轻负载小区组成小区对；

2c)记录该小区对的移动性参数，执行步骤1d2)并记录两个小区的效用值，逐步调整小区对中两个小区之间的移动性参数并执行切换事件，再执行步骤1d2)并记录两个小区调整后的效用值，如果两个小区当前物理资源块占用率均小于ρ″，且两个小区当前效用值均大于移动性参数调整前各自的效用值，则返回步骤2a)；否则，重置该小区对的移动性参数为步骤2c)中的记录值，执行切换事件，并在重负载小区集合中删除所述的小区对中的重负载小区，返回步骤2a)；

(3)区域负载均衡结束：

将目标小区及其邻小区的物理资源块占用率均ρ_i与ρ″进行比较，i＝1，2，...，7，如果目标小区及其邻小区的物理资源块占用率均ρ_i均小于ρ″，i＝1，2，...，7，则区域负载均衡成功结束；否则，区域负载均衡失败，重置目标小区及其邻小区的移动性参数值为步骤1b)中的记录值并执行切换事件，重新选择目标小区并检测其物理资源块占用率，如果所述重选后的目标小区的物理资源块占用率大于等于ρ″时，启动区域负载均衡。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

首先，将负载均衡场景从单一小区对扩展到由多个小区组成的区域内，从而可以使负载在所述的区域内均匀分布；

其次，由于区域内的所有小区都参与了负载均衡过程，所以有效减少了区域内负载均衡的次数以及负载均衡的震荡问题；

再次，通过构造负载均衡区域的效用函数，使得负载均衡区域内的各个小区以效用值最大化为目标来进行负载均衡；

最后，通过改变小区相对于特定邻小区的偏移量CIO，实现用户的切换和负载的转移。

附图说明

图1是现有移动性负载均衡MLB场景示意图；

图2是本发明的场景示意图；

图3是本发明的流程图；

图4是本发明的仿真场景示意图；

图5是现有MLB方法和本发明方法对系统平均阻塞率的影响比较图；

图6是现有MLB方法和本发明方法对系统不满意用户数的影响比较图；

图7是现有MLB方法和本发明方法对系统负载分布的影响比较图。

具体实施方式

本发明的应用场景如图2所示，系统由多个长期演进LTE小区组成，图中的每个黑色实线正六边形小区都表示一个LTE小区，小区1的邻小区为小区2、3、4、5、6、7。

参照图3，本发明提出的区域负载均衡方法，包括如下步骤：

步骤1，区域负载均衡初始化

1a)将小区1及其邻小区2、3、4、5、6、7组成负载均衡区域，其中，小区1为目标小区，并设置区域负载均衡触发门限ρ″，ρ″为大于0.5且小于1的常数；

1b)记录小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的移动性参数值，统计小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的物理资源块占用率ρ_i，i＝1，2，...，7，并统计负载均衡区域内的物理资源块占用率均值ρ′；

其中，小区1的物理资源块占用率为ρ₁，即所述的目标小区的物理资源块占用率为ρ₁；所述的移动性参数值，是由3GPP TS 36.331-a10标准所定义的小区相对于特定邻小区的偏移量CIO；

1c)如果负载均衡区域内的物理资源块占用率均值ρ′大于等于区域负载均衡触发门限ρ″，则执行步骤3；否则，执行步骤1d)；

1d)计算小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的效用值：

首先，构造负载均衡区域的效用函数U：

$U=\left\{\begin{array}{cc}-{\mathrm{\ρ}}_i^2+\frac{1+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}\·{\mathrm{\ρ}}_i& {\mathrm{\ρ}}_i\≤{\mathrm{\ρ}}^{\′}\\ -{\mathrm{\ρ}}_i^2+\frac{1+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}\·{\mathrm{\ρ}}_i+\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}{\mathrm{\ρ}}^{\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}& {\mathrm{\ρ}}_i>{\mathrm{\ρ}}^{\′}\end{array}\right.;$

其中，ρ_i是小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7，即目标小区及其邻小区的物理资源块占用率，i＝1，2，...，7；

然后，将小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的物理资源块占用率ρ_i，i＝1，2，...，7，代入效用函数U，求出七个小区的效用值U_i，i＝1，2，…，7；

1e)比较小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的物理资源块占用率ρ_i与ρ′的大小，i＝1，2，…，7，将小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7中的物理资源块占用率大于等于ρ′的小区组成重负载小区集合，将小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7中的物理资源块占用率小于ρ′的小区组成轻负载小区集合，并对重负载小区集合和轻负载小区集合进行保存；

步骤2，对区域负载进行均衡

2a)检查重负载小区集合，如果重负载小区集合不为空，则执行步骤2b)；否则执行步骤3；

2b)从重负载小区集合中选择当前效用值最小的重负载小区h，再从轻负载小区集合中选择与此重负载小区相邻的当前效用值最小的轻负载小区s，并将重负载小区h和轻负载小区s组成小区对；

2c)记录重负载小区h和轻负载小区s的当前移动性参数值，通过步骤1d)所述的方法，计算并保存当前效用值U_h、U_s，逐步调整重负载小区h和轻负载小区s之间的移动性参数值并执行切换事件，再通过步骤1d)所述的方法，计算并保存重负载小区h和轻负载小区s调整后的效用值U′_h和U′_s，如果U′_h大于U_h，U′_s大于U_s，且重负载小区h和轻负载小区s的物理资源快占用率ρ_h和ρ_s均小于ρ″，则返回步骤2a)；否则，重置重负载小区h和轻负载小区s的移动性参数为步骤2c)中的记录值，执行切换事件，并删除重负载小区集合中的重负载小区h，返回步骤2a)；

所述的切换事件，是由3GPP TS 36.331-a10标准所定义的A3事件。

所述的逐步调整重负载小区h和轻负载小区s之间的移动性参数值，是指以0.5dB为步长，逐步增大或者逐步减小重负载小区h相对于轻负载小区s的CIO。

步骤3，区域负载均衡结束

将小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的物理资源块占用率ρ_i与区域负载均衡触发门限ρ″进行比较，i＝1，2，…，7，如果小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的物理资源块占用率ρ_i，i＝1，2，…，7，均小于ρ″，则区域负载均衡成功结束；否则，区域负载均衡失败，重置小区1及其相邻小区2、3、4、5、6、7的移动性参数值为步骤1b)中的记录值并执行切换事件，重新选择目标小区并检测其物理资源块占用率，如果所述重选后的目标小区的物理资源块占用率大于等于ρ″时，启动区域负载均衡。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.场景描述：

系统仿真场景由19个长期演进LTE小区及其镜像小区构成，如图4所示，实线六边形小区为LTE小区，虚线六边形小区为所述的19个LTE小区的镜像小区。用户的到达过程为泊松过程，且用户只在图4中所示的红色小圆圈内到达。每个用户携带速率为64Kbps的保证比特率业务，且业务持续时间服从均值为3分钟的几何分布，系统仿真参数见表1。

表1系统仿真参数

2.仿真内容和结果分析：

仿真1，统计了两小时内由所有的被阻塞用户数与该段时间内所有到达的用户数之比所定义的系统平均阻塞率指标，如图5所示，所述的被阻塞用户，是用户向基站发送服务请求后，在给定的接入时延内，该基站的剩余资源不能满足其服务需求的用户，图5中‘●’曲线代表现有移动性负载均衡MLB方法控制下的系统平均阻塞率变化，‘▲’曲线代表本发明方法控制下的系统平均阻塞率变化，横坐标表示仿真时间，纵坐标表示系统平均阻塞概率。通过图5可以看出，较之MLB方法，本发明方法可以更加显著的降低系统的平均阻塞率，尤其在用户处于峰值到达率处，更有接近一倍的增益。

仿真2，按照标准的定义方法，统计了两小时内系统不满意用户数的瞬时变化情况，如图6所示，图6中‘●’曲线代表MLB方法控制下的系统不满意用户数的瞬时变化，‘▲’曲线代表本发明方法控制下的系统不满意用户数的瞬时变化，横坐标表示仿真时间，纵坐标表示系统不满意用户数量，由图6可知，本发明方法较之MLB方法可以显著减少系统内的不满意用户数，从用户侧的角度体现了本发明的性能优势。

仿真3，将小区的物理资源块占用率定义为该小区的当前负载，实时记录系统内所有小区的物理资源块占用率，即可反映出系统负载分布的变化情况，如图7所示，其中，图7(a)为两小时内在MLB方法的控制下，系统的负载分布变化；图7(b)为两小时内在本发明方法的控制下，系统的负载分布变化；从图7可以看出，在本发明方法控制下，系统的负载分布更加均匀。

术语解释：

IMT-Advanced：International Mobile Telecom-Advanced先进型国际移动通信

LTE：Long Term Evolution长期演进

SON：Self-Organized Network自组织网络

3GPP：3rd Generation Partnership Program第三代移动通信合作伙伴计划

UE：User Equipment用户设备

MLB：Mobility Load Balance移动负载均衡

CIO：Cell Individual Offset小区特定偏移量。

Claims (4)

1.一种蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法，包括如下步骤：

（1）区域负载均衡初始化：

1a)将目标小区及其相邻小区组成负载均衡区域并设置区域负载均衡触发门限值ρ″；

1b)记录目标小区及其邻小区的移动性参数值，统计目标小区及其邻小区的物理资源块占用率ρ_i，i=1,2,…,7，并统计负载均衡区域内的物理资源块占用率均值ρ′；

其中，目标小区的物理资源块占用率为ρ₁；

1c)如果负载均衡区域内的物理资源块占用率均值ρ′大于等于区域负载均衡触发门限ρ″，则执行步骤（3）；否则，执行步骤1d)；

1d)计算负载均衡区域内的各个小区的效用值：

1d1)构造负载均衡区域的效用函数U：

$U=\left\{\begin{array}{cc}-{\mathrm{\ρ}}_i^2+\frac{1+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}\·{\mathrm{\ρ}}_i& {\mathrm{\ρ}}_i\≤{\mathrm{\ρ}}^{\′}\\ -{\mathrm{\ρ}}_i^2+\frac{1+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}\·{\mathrm{\ρ}}_i+\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}{\mathrm{\ρ}}^{\′2}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}& {\mathrm{\ρ}}_i>{\mathrm{\ρ}}^{\′}\end{array}\right.;$

其中，ρ_i是负载均衡区域内的各个小区，即目标小区及其邻小区的物理资源块占用率，i=1,2,…,7；

1d2)将目标小区及其邻小区的物理资源块占用率ρ_i，i=1,2,…,7，代入效用函数U，求出负载均衡区域内的各个小区的的效用值并保存结果；1e)比较负载均衡区域内各个小区的物理资源块占用率ρ_i与ρ′的大小，i=1,2,…,7，列出重负载小区集合和轻负载小区集合；

所述的重负载小区集合，是由负载均衡区域内的各个小区的物理资源块占用率大于等于ρ′的小区组成的集合；

所述的轻负载小区集合，是由负载均衡区域内的各个小区的物理资源块占用率小于ρ′的小区组成的集合；

（2）对区域负载进行均衡：

2a)如果重负载小区集合为空，则执行步骤（3）；否则执行步骤2b)；

2b)从重负载小区集合中选择当前效用值最小的重负载小区，再从轻负载小区集合中选择与此重负载小区相邻的当前效用值最小的轻负载小区，并将该重负载小区和轻负载小区组成小区对；

2c)记录该小区对的移动性参数，执行步骤1d2)并记录两个小区的效用值，逐步调整小区对中两个小区之间的移动性参数并执行切换事件，再执行步骤1d2)并记录两个小区调整后的效用值，如果两个小区当前物理资源块占用率均小于ρ″，且两个小区当前效用值均大于移动性参数调整前各自的效用值，则返回步骤2a)；否则，重置该小区对的移动性参数为步骤2c)中的记录值，执行切换事件，并在重负载小区集合中删除所述的小区对中的重负载小区，返回步骤2a)；

（3）区域负载均衡结束：

将目标小区及其邻小区的物理资源块占用率均ρ_i与ρ″进行比较，i=1,2,…,7，如果目标小区及其邻小区的物理资源块占用率均ρ_i均小于ρ″，i=1,2,…,7，则区域负载均衡成功结束；否则，区域负载均衡失败，重置目标小区及其邻小区的移动性参数值为步骤1b)中的记录值并执行切换事件，重新选择目标小区并检测其物理资源块占用率，如果所述重选后的目标小区的物理资源块占用率大于等于ρ″时，启动区域负载均衡。

2.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法，其中步骤1b)中所述的移动性参数值，是由3GPP TS36.331-a10标准所定义的小区相对于特定邻小区的偏移量CIO。

3.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法，其中步骤2c)中所述的逐步调整小区对中两小区之间的移动性参数，是指以0.5dB为步长，逐步增大或者逐步减小两小区间的CIO。

4.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信系统中的区域负载均衡方法，其中步骤2c)中所述的切换事件，是由3GPP TS36.331-a10标准所定义的A3事件。

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