CN103458465A - Lte-a中多小区分布式m2m负荷均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LTE-A中多小区分布式M2M负荷均衡方法，它采用分布式并行优化思路，即基站发送系统广播信息，M2M终端接收信号质量、系统带宽等信息后，构造收益函数，根据收益最大化原则得到服务小区等工作由M2M终端独立完成，避免了终端到基站的巨额反馈量以及由反馈引起的开销和时延。收益函数构造过程中，根据M2M终端接入各小区的收益和各小区负荷成反比的原则，将终端接入小区的可达数据速率看作其效用，结合各小区负荷得到设备接入各小区的收益，最大化接入收益得到各设备最优接入小区，实现小区间的负荷均衡，提升了小区接入吞吐量及用户接入时延性能。

Description

LTE-A中多小区分布式M2M负荷均衡方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，具体涉及一种适用于高级长期演进LTE-A场景下的多小区分布式机器间通信M2M负荷均衡方法，特别是LTE-A中多小区分布式M2M负荷均衡方法。

背景技术

机器间通信M2M是指不需要人为介入的机器到机器间的通信方式。M2M拥有万亿级的通信设备，大量终端的同时接入很容易造成移动通信网的无线接入网过载以及信令网络拥塞，进而导致M2M用户接入时延增大、分组丢失甚至是服务中断。因此3GPP提出了接入类禁止ACB机制等很多方案解决单小区中的拥塞过载问题。

但是，由于M2M终端的分布不均衡，很容易发生某个小区过载，而其他相邻小区空闲的情况，导致小区间负荷不均，密集区发生连续拥塞，设备接入时延性能差异明显以及系统整体吞吐量性能和时延性能降低。因此有必要研究多小区场景下的M2M终端负荷均衡方法。

现有的M2M负荷均衡方法往往是在网络侧实现的，需要大量M2M终端和网络侧设备的信息交互，带来了很大的信令开销，且容易产生信令拥塞。而随着集成电路技术的飞速发展，移动终端已经拥有了强大的处理能力，并逐步变成一个综合信息处理平台，可以完成复杂的处理任务，我们完全可以充分发挥终端强大的处理能力，缓解网络侧压力。

因此有必要设计与开发终端侧分布式负荷均衡方法，M2M终端测量可能为其提供服务的小区的信号质量和各小区的负荷状态，通过分布式优化算法计算自己在各小区的效益函数，选择最优服务小区，在改善系统吞吐量和时延性能的同时，降低信令开销，缓解网络过载和拥塞现象。

发明内容

本发明的目的在于公开一种适用于LTE-A多小区场景下的分布式M2M负荷均衡方法，在降低信令开销的同时，改善由小区间接入负荷不均引起的不同小区M2M设备接入时延性能差异，同时提高系统吞吐量，降低各小区内用户接入时延。

实现本发明目的的技术是：LTE-A中多小区分布式M2M负荷均衡方法，其特征是：至少包括如下步骤：

（1）M2M终端接收基站发送的系统广播消息SI，获取基站的系统带宽B_u,i，并测量小区信号质量Γ_u,i，u=1,...,K，i=1,...,M，其中M为测量区域内的小区数，K为M2M终端数；

（2）M2M终端根据系统带宽B_u,i和小区信号质量Γ_u,i，计算接入各小区可获得的数据速率R_u,i=B_u,i·log₂(1+Γ_u,i)；

（3）M2M终端利用接入各小区的可达数据速率R_u,i，计算各小区的接入概率

接入概率取值范围为[0,1]，终端u接入各小区概率的和不大于1，终端u接入小区的概率与小区信号质量成正比，即p_u,j/p_u,i=Γ_u,j/Γ_u,i；

其中， $F_{u,i}\left(p\right)=(R_{u,i}\·(1-s_{u,i}\left(p\right))-g_u\·s_{u,i}\left(p\right))/\underset{u=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(1-s_{u,i}\left(p\right))$ 为M2M终端u接入小区i的收益函数， $s_{u,i}\left(p\right)={(p_{u,i}/N*(1-\underset{l\≠u}{\mathrm{\Π}}(1-p_{l,i}/N)))}^N$ 为终端u接入小区i的负荷因子，g_u>0为效用代价比率，反映了终端为获得可达数据速率其效用与代价的比率，该参数由终端根据自己的实际情况设定；

（4）各M2M终端选择其接入概率最大的小区作为服务小区，实现小区间的负荷均衡。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明采用分布式并行优化思路，即基站发送系统广播信息，M2M终端接收信号质量、系统带宽等信息后，构造收益函数，根据收益最大化原则得到服务小区等工作由M2M终端独立完成，避免了终端到基站的巨额反馈量以及由反馈引起的开销和时延。

2)收益函数构造过程中，根据M2M终端接入各小区的收益和各小区负荷成反比的原则，将终端接入小区的可达数据速率看作其效用，结合各小区负荷得到设备接入各小区的收益，最大化接入收益得到各设备最优接入小区，实现小区间的负荷均衡，提升了小区接入吞吐量及用户接入时延性能。

附图说明

图1为本发明使用的场景图；

图2为本发明的整体实现流程图；

图3为使用本发明的负荷均衡方法前后的吞吐量性能对比仿真结果；

图4为使用本发明的负荷均衡方法前后的时延性能对比仿真结果。

具体实施方式

参照图1，本发明的应用场景为LTE-A系统多小区场景，测量区域内M2M终端均匀分布。

参照图2，本发明的具体步骤如下：

步骤一：M2M终端接收基站发送的系统广播消息SI，获取基站的系统带宽B_u,i，并测量小区信号质量Γ_u,i，u=1,...,K，i=1,...,M，其中M为测量区域内的小区数，K为M2M终端数；

步骤二：M2M终端根据系统带宽B_u,i和小区信号质量Γ_u,i，计算接入各小区可获得的数据速率R_u,i=B_u,i·log₂(1+Γ_u,i)；

步骤三：M2M终端利用接入各小区的可达数据速率R_u,i，计算各小区的概率

接入概率取值范围为[0,1]；终端u接入各小区概率的和不大于1，终端u接入小区的概率与小区信号质量成正比，即p_u,j/p_u,i=Γ_u,j/Γ_u,i；

其中， $F_{u,i}\left(p\right)=(R_{u,i}\·(1-s_{u,i}\left(p\right))-g_u\·s_{u,i}\left(p\right))/\underset{u=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(1-s_{u,i}\left(p\right))$ 为M2M终端u接入小区i的收益函数， $s_{u,i}\left(p\right)={(p_{u,i}/N*(1-\underset{l\≠u}{\mathrm{\Π}}(1-p_{l,i}/N)))}^N$ 为终端u接入小区i的负荷因子，g_u>0为效用代价比率，反映了终端为获得可达数据速率其效用与代价的比率，该参数由终端根据自己的实际情况设定；

步骤四：各M2M终端选择其接入概率最大的小区作为服务小区，实现小区间的负荷均衡。

本发明的效果可通过理论分析和仿真来进一步说明。

1.仿真参数配置

表1  仿真参数配置

2.仿真内容

测量区域内有2个小区，M2M终端到达服从泊松过程，随机接入过程采用时隙接入及均匀退避机制。100000ms的仿真时间内，在表一所示仿真参数配置下，对无负荷均衡和负荷均衡作用下的M2M随机接入的吞吐量性能和时延性能进行仿真，吞吐量性能仿真结果如图3所示，时延性能仿真结果如图4所示。

3.仿真结果及理论分析

图3为测量区域内无负荷均衡和负荷均衡方法作用下的M2M随机接入过程的吞吐量仿真曲线，横坐标为测量区域内M2M终端到达率，纵坐标为接入吞吐量，四条曲线依次为无负荷均衡和负荷均衡方法作用下的平均接入吞吐量，无负荷均衡和负荷均衡方法作用下的最低接入吞吐量。由图3可以看出，各到达率下负荷均衡方法作用的测量区域内平均接入吞吐量及小区最低接入吞吐量均大于无负荷均衡作用的相应的吞吐量，如到达率为240时，系统平均接入吞吐量由0.0164提升为0.0173，最低接入吞吐量由0.0128提升为0.0167，吞吐量性能有所提升。

图4为测量区域内无负荷均衡和负荷均衡方法作用下的M2M随机接入过程的接入时延仿真曲线，横坐标为测量区域内M2M终端到达率，纵坐标为接入时延，四条曲线依次为无负荷均衡和负荷均衡方法作用下的用户平均接入时延，无负荷均衡和负荷均衡方法作用下的最大小区内用户平均接入时延。由图4可以看出，负荷均衡方法作用下的测量区域内用户平均接入时延及最大小区内用户平均接入时延均小于无负荷均衡作用的相应的接入时延，如到达率为240时，用户平均接入时延由0.203s减小为0.200s，最大用户接入时延由0.246s减小为0.207s，用户接入时延性能有所提升。

由于收益函数构造中考虑了M2M终端的干扰状况及小区负荷，M2M终端会根据收益最大化原则进行小区选择和接入，选择附近较空闲且信干噪比较大的小区作为其服务小区，进而改善各小区间负荷不均的状况，提高测量区域内系统接入吞吐量，减小用户接入时延，仿真结果符合理论分析。

本实施例没有详细叙述的部分和英文缩写属本行业的公知常识，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.LTE-A中多小区分布式M2M负荷均衡方法，其特征是：至少包括如下步骤：

（1）M2M终端接收基站发送的系统广播消息SI，获取基站的系统带宽B_u,i，并测量小区信号质量Γ_u,i，u=1,...,K，i=1,...,M，其中M为测量区域内的小区数，K为M2M终端数；

（2）M2M终端根据系统带宽B_u,i和小区信号质量Γ_u,i，计算接入各小区可获得的数据速率R_u,i=B_u,i·log₂(1+Γ_u,i)；

（3）M2M终端利用接入各小区的可达数据速率R_u,i，计算各小区的概率

接入概率取值范围为[0,1]；终端u接入各小区概率的和不大于1，终端u接入小区的概率与小区信号质量成正比，即p_u,j/p_u,i=Γ_u,j/Γ_u,i；

其中， $F_{u,i}\left(p\right)=(R_{u,i}\·(1-s_{u,i}\left(p\right))-g_u\·s_{u,i}\left(p\right))/\underset{u=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(1-s_{u,i}\left(p\right))$ 为M2M终端u接入小区i的收益函数， $s_{u,i}\left(p\right)={(p_{u,i}/N*(1-\underset{l\≠u}{\mathrm{\Π}}(1-p_{l,i}/N)))}^N$ 为终端u接入小区i的负荷因子，g_u>0为效用代价比率，反映了终端为获得可达数据速率其效用与代价的比率，该参数由终端根据自己的实际情况设定；

（4）各M2M终端选择其接入概率最大的小区作为服务小区，实现小区间的负荷均衡。

Images