CN105517056A - 多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法，属于移动通信技术领域。在该方法中，多制式移动通信网络负载进行分层处理，使得每一层的负载达到均衡，所承载的业务及资源利用率达到最大，每一层的网元都是下一层负载均衡后的子网络；在对当前层的网元进行负载均衡时，在不同网络制式之间进行切换使得每个网元选择有利于网络负载均衡优化的网络制式。本方法能够保证整个网络负载能够均衡到最佳状态，并且不影响用户体验。

Description

多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法。

背景技术

未来移动通信网络将融合各种不同的制式，在现阶段运营成熟的3G移动通信网(包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)下，网络逐渐过渡到了4G的LTE-A制式，进一步在LTE-Advanced系统中，将会使得FDD-LTE与TDD-LTE融合，未来更有5G这样基于虚拟化的移动通信网。所以这些不同制式的系统间的切换成为了不同类型小区系统特性所决定的重要过程，是处于连接模式下的UE实现移动性的重要过程。在多制式并存系统中的切换管理在传统网络中的水平切换管理之外又增加了异构网络间的垂直切换管理，这是未来网络环境中切换管理的一个新内容。在多系统网络环境中，用户跨越接入技术不同的网络、运营商不同的网络、以及服务提供商不同的网络而发生的切换被称为是垂直切换(VerticalHandoff)。用户在垂直切换过程中不仅要选择合适的接入小区或网元，还要根据各种主观和客观因素选择最佳的接入网络。

审视研究这一问题，提出适用于新网络环境的合理高效的垂直切换机制。垂直切换的过程按照发生的先后顺序可以分为以下三个阶段：系统发现、切换决策、切换执行。这三个阶段的实现方法决定着垂直切换实施的效率、网络的收益以及用户的满意度。现阶段国内外对垂直切换的研究主要是从以下几个方面开展的：切换性能优化、切换决策制定、切换判断及算法优化等功能。目前关于上述几个方面的研究已取得了一定的成果，但是还有很多不足，尤其是在切换的决策和算法上，已有决策机制的效率和可行性还有待进一步提高，垂直切换决策需要考虑比水平切换多很多的主观和客观因素，是一个典型的多标准目标决策问题，研究双系统网络环境中的垂直切换对今后异构网络的垂直切换研究有一定的理论和现实意义。

在3G及4G移动通信系统中，负载均衡技术通过均衡系统中小区间的负载，可以使无线通信系统的频谱资源获得高效的利用。负载均衡的实现算法也一直是各方关注的焦点，尤其是在5G中，网络层面逐渐虚拟化，层面更加细化，所以对5G的负载均衡更需要层面的分布式处理。现有负载均衡算法主要是通过信道借用和负载转移实现的：其中信道借用的原理是当重负载小区负载超过门限值后向轻负载小区借用信道，增强本小区容量；而负载转移的基本原理则是将重负载小区的业务切换到轻负载小区当中。有文献提出了自动流水均衡算法，通过对切换参数的调整，将本小区的负载均衡到相邻小区；也有从经济学博弈论的角度出发，对异构网络中的负载均衡策略进行了研究。尤其是基SON技术，小区之间通过对周围无线环境中的测量，自适应的调整切换门限等无线参数。这种自组织的模式使得负载均衡过程更能适应小区业务量的随机性变化，充分发挥负载均衡过程的作用，提高系统峰值数据速率和频谱利用效率。

在多制式移动通信网存的无线网络系统中，根据层级级联的负载均衡来考虑系统的垂直切换是一个新的研究点，移动用户接入其中一个网络系统时要考察当前网络负载情况，根据负载的实时状态信息来在两个系统之间进行垂直切换。考虑到实际情况中的多制式网络并存的状况，每个制式的网络的层级并不相同，要使得做到融合网络下的负载均衡，必须考虑各个网络层面对负载均衡的配合协调，使得网络处于良好的运行状态，用户的各种QoS参数可以得到进一步提高，此研究点有一定的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法，在该方法中，多制式移动通信网络负载进行分层处理，使得每一层的负载达到均衡，所承载的业务及资源利用率达到最大，每一层的网元都是下一层负载均衡后的子网络。在对当前层的网元进行负载均衡时，在不同网络制式之间进行切换使得每个网元选择有利于网络负载均衡优化的网络制式，保证了整个网络负载能够均衡到最佳状态，并且不影响用户体验。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法，在该方法中，多制式移动通信网络负载进行分层处理，使得每一层的负载达到均衡，所承载的业务及资源利用率达到最大，每一层的网元都是下一层负载均衡后的子网络；在对当前层的网元进行负载均衡时，在不同网络制式之间进行切换使得每个网元选择有利于网络负载均衡优化的网络制式。

进一步，该方法根据网元所处的层次进行不同网络制式切换的负载均衡，负载均衡完毕的子网作为更上一层次的网元进行上一级的负载均衡，具体包括以下步骤：

1)从最底层的网元开始，对网络接入的每个UE随机选择网络制式，并运用当前层次网元垂直切换算法使得UE所处的网络达到负载均衡；

2)将网络层次提高一层，记第i层，对该层i的网元按优先级选择某个网络制式；

3)运用当前层次网元垂直切换算法调整第i层网络负载；已经负载均衡的第i层网络虚拟化为上一层网络的一个网元，并且i减去1，如未到最顶层，则返回步骤2)。

进一步，所述当前层次网元垂直切换算法具体包括：

1)新的网元接入，并进行小区检测：当有多制式网络重叠覆盖时，每个小区网络制式不同，多个系统间的负载差异大于门限Th1，且高负载系统的负载大于门限Th2，则启动系统间的负载均衡；

2)选择低信号质量的网元：在高负载系统中，随机选择当前信号质量差的网元；

3)启动低负载系统的测量：若选择的切换目标小区的绝对信噪比门限条件大于Th3，则选择该网元进行异系统切换；若不满足Th3，则回到步骤1)，选择除此之外的其他网元进行监测；

4)重新监测：切换每一个网元之后，重新对各个系统进行小区检测，检查是否依然满足负载均衡的两个条件，即两个系统间的负载差异大于门限Th1，且高负载系统的负载大于门限Th2；

5)是否继续：若Step4重新监测之后依然满足负载均衡的两个门限条件，监测是否还有新网元加入，如没有，网络达到负载均衡，结束算法。然后监测是否达到小区所能容纳网元数的容限值，若没达到，则回到Step1，若满足，则说明系统已经满载，结束算法。

本发明的有益效果在于：在本方法中，多制式移动通信网络负载进行分层处理，使得每一层的负载达到均衡，所承载的业务及资源利用率达到最大，每一层的网元都是下一层负载均衡后的子网络。在对当前层的网元进行负载均衡时，在不同网络制式之间进行切换使得每个网元选择有利于网络负载均衡优化的网络制式，保证了整个网络负载能够均衡到最佳状态，并且不影响用户体验。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明层间级联负载均衡方法的流程图；

图2为多制式多层移动通信网层级级联负载均衡说明图；

图3为多制式移动通信网端到端的通信过程示意图；

图4为异系统切换时各系统资源分布情况图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明层间级联负载均衡方法的流程图，如图所示：本发明所述的多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法包括以下步骤：1)第i层的网元按优先级选择某个网络制式；2)用子算法Φ调整第i层网络负载；3)接入新网元；4)两制式小区负载差异大于门限Th1；5)高负载小区的负载大于门限Th2；6)随机选择高负载小区中信号质量差的一个网元；7)目标小区满足信噪比门限Th3；8)异系统垂直切换；9)判断是否有新网元加入，并判断小区达到最大网元容限；10)已经负载均衡的第i层网络虚拟化为上一层网络的一个网元；11)切换到高一层，并判断是否到最上层。

具体来说：

在多制式移动通信网中，网络被分为各个层级，比如LTE网络可大致分为用户设备层、无线接入层、核心层。第五代移动通信系统为了做到网络架构的扁平化，对低层次的网元进行更进一步的细分，从而又出现了微元层(Femtocell)和宏元层(Macrocell)。未来的移动通信网络将是CDMA、LTE及5G相融合的异构网络系统，内部的层级结构也将愈加增多，使得网络负载的均衡复杂化。传统的对整个系统做网优的方法很难做到收敛及高效，所以需要对整个系统进行分布式的优化，在每个层级优化完毕后接入上一层进一步优化，实现层级网络的负载优化。

图2为多制式多层移动通信网层级级联负载均衡说明图，在图中，一个有四个层级的多制式无线移动网络，u1～ur的具有相同网络制式UE用户均接入到第三层的小型的子网络内(如在5G系统内可定义为由femetocell组成的微元网)，从而形成图2浅蓝色的第三层子网，用户接入到G3后，G3网络根据自身的负载分布情况，对网络内的UE按照子算法1进行负载均衡，在当前时刻选择影响G3负载最大的UE进行网络制式的切换，单个UE可在3G制式(如WCDMA)、4G制式(如TDD-LTE)以及5G制式之间进行切换。横向来看，v1～vs用户与u1～ur用户的网络制式不同，接入到网络G4中,形成第三层浅绿色G4子网。在第三层面，该层的网元(5G中的femtocell和3/4G制式的UE)融合在一起构成，在该层面，网元直接接入到上一层网元，或经过本层一段路由后接入到第二层网元，在第二层网元中对第三层的接入网络(G3、G4、w1～wt)进行垂直切换，将对吞吐量及负载性能最差的接入网均衡到其他负载比较小的网络制式，从而完成第三层的负载均衡。比如在G1中，发现G3与G4的负载不均衡，G4的负载量较高，那么G4中的某个性能最差的UE(图2中的a)由G4切换到G3，图2中的虚线表示已被垂直切换出的部分网元。对第二层的网络G1、G2的负载均衡按照算法1在网络G0中进行计算完成使得接入到网络G0的负载及吞吐量达到最优，就此整个负载均衡过程通过层间级联的方式在最高一层完成，使得网络系统所接入的UE平均吞吐量、速率及负载达到最佳。

通过图2的范例，有以下定义：

$R_i^l=\max \left({\mathrm{\Σ}}_j{R}_j^{l-1}\right)---\left(1\right)$

上式中，是指第l层的第i个网元所接入的负载量，该网元所连的地层网元总的负载量通过子算法1进行负载均衡使得网络负载最大化。每层通过接入到上一层网元实现层级级联的负载均衡。

对于多制式移动通信网端到端的通信来讲，如图3所示，Z1网网元与Z2网网元运行在不同制式下，P1与P2为不同的频率层，M层为最高层，低层级P1相同制式的网元接入到上层P2网元中。比如节电s与f建立通路，P1层的Z1网元数据由s→a(如果P1层处于UE层面，则不存在s→a，数据应该直接接入上层)，然后接入到P2建立s→a→a’，P2层建立a’→b，然后b接入到c，再返回P2层,在P2层的f’切换到制式Z2将数据发送给f，从而建立路径s→a→a’→b→c→d→e’→f’→f。整条通路大都工作在Z1网制式下，那么Z1网的负载要远高于Z2网的负载，尤其是P2层的Z1网与Z2网之间的负载差最大。如果运用我们提出的层间级联的负载均衡算法在数据到达c后以Z2制式传送给P2层的h’，然后在h’根据负载均衡将P1层的h网元切换为Z2网制式，那么通路就变为s→a→a’→b→c→h’→h→f，Z1与Z2网根据层间的配合负载可得到均衡。

假设LTE的系统下，两制式TDD-LTE与FDD-LTE基站共址，该基站就分别有TDD-LTE和FDD-LTE两个小区，并且采取的都是全向天线。如图4所示，带宽为20Mhz的LTE网络，那么可用RB资源数目为100(如图4的c->)，设在TDD-LTE系统最高速率为21Mb/s，那么单用户最多可占用20个RB(如图4的a->)；设FDD-LTE系统最高速率为34Mb/s，那么单用户最多可占用34个RB(如图4的b->)。

对于FDD用户，当UE接入网络时，随机选择两种制式，但一般会设置某个制式(TDD-LTE和FDD-LTE)的优先级较高，则用户会优先驻留到优先级高的系统，发起业务也在优先级高的系统上发起业务，然后通过负载均衡将用户从高优先级系统上切换到优先级低的系统上，达到两系统间负载均衡。TDD-LTE与FDD-LTE重叠覆盖时，两个系统间的负载差异大于门限1，且高负载系统的负载大于门限2，则启动系统间的负载均衡，也就是将高负载的系统下的用户切换到低负载系统上(一个一个用户进行基于负载的切换)，直到不满足启动系统间负载均衡为止。

选择切换用户的方法：随机选连接用户，或选当前的信号质量差的连接用户，再启动低负载系统的测量，若异系统的信号质量大于绝对门限Th3(LTE协议中称为A4事件)，则选择该用户进行异系统切换；若不满足A4事件，则选其他用户进行异系统测量，直到满足条件则进行异系统切换。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法，其特征在于：在该方法中，多制式移动通信网络负载进行分层处理，使得每一层的负载达到均衡，所承载的业务及资源利用率达到最大，每一层的网元都是下一层负载均衡后的子网络；在对当前层的网元进行负载均衡时，在不同网络制式之间进行切换使得每个网元选择有利于网络负载均衡优化的网络制式。

2.根据权利要求1所述的多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法，其特征在于：该方法根据网元所处的层次进行不同网络制式切换的负载均衡，负载均衡完毕的子网作为更上一层次的网元进行上一级的负载均衡，具体包括以下步骤：

1)从最底层的网元开始，对网络接入的每个UE随机选择网络制式，并运用当前层次网元垂直切换算法使得UE所处的网络达到负载均衡；

2)将网络层次提高一层，记第i层，对该层i的网元按优先级选择某个网络制式；

3)运用当前层次网元垂直切换算法调整第i层网络负载；已经负载均衡的第i层网络虚拟化为上一层网络的一个网元，并且i减去1，如未到最顶层，则返回步骤2)。

3.根据权利要求2所述的多制式移动通信网中基于网络制式切换的层间级联负载均衡方法，其特征在于：所述当前层次网元垂直切换算法具体包括：

1)新的网元接入，并进行小区检测：当有多制式网络重叠覆盖时，每个小区网络制式不同，多个系统间的负载差异大于门限Th1，且高负载系统的负载大于门限Th2，则启动系统间的负载均衡；

2)选择低信号质量的网元：在高负载系统中，随机选择当前信号质量差的网元；

3)启动低负载系统的测量：若选择的切换目标小区的绝对信噪比门限条件大于Th3，则选择该网元进行异系统切换；若不满足Th3，则回到步骤1)，选择除此之外的其他网元进行监测；

4)重新监测：切换每一个网元之后，重新对各个系统进行小区检测，检查是否依然满足负载均衡的两个条件，即两个系统间的负载差异大于门限Th1，且高负载系统的负载大于门限Th2；

5)是否继续：若Step4重新监测之后依然满足负载均衡的两个门限条件，监测是否还有新网元加入，如没有，网络达到负载均衡，结束算法。然后监测是否达到小区所能容纳网元数的容限值，若没达到，则回到Step1，若满足，则说明系统已经满载，结束算法。