CN1553739A - 一种实现分层小区层间负载平衡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现分层小区层间负载平衡的方法，该方法包括以下步骤：1)为分层小区结构中每个层次的每个小区设置一个负载目标值和一个负载准入门限值；2)每个小区进行负载评估，判断本小区当前负载是否超过负载目标值，当一小区的负载超过其负载目标值时，在该小区中选择部分用户切换到与本小区层次相邻层次中的当前负载在负载准入门限值内的目标小区中。本发明的这种方法极大地缓解了本小区拥塞，且不会造成其相邻层次小区拥塞，提高了系统的稳定性。

Description

一种实现分层小区层间负载平衡的方法

技术领域

本发明涉及蜂窝移动通信系统中分层小区结构(HCS)的实现技术，特别涉及一种实现分层小区层间负载平衡的方法。

背景技术

现有的蜂窝移动通信系统中，通常将一个大的地理区域覆盖范围划分为若干小区，使用小功率发射机(基站)覆盖每个小区，与用户建立通讯，小区的覆盖半径较小，但是许多个小区就可以覆盖整个大地理区域。同时，在不同的小区使用相同的频率，可以极大地提高频谱资源的利用率；而在用户密集的区域增加使用不同频率的小区，则可以提高该区域的系统容量。

当移动台(UE)离开一个小区进入另外一个小区时，此移动台所接收到的原来小区的信号必然越来越弱，而它所接收到的正在进入小区的信号也就将越来越强。为了保持移动台的通信质量，必需将该移动台的接续从原来的基站转移到新进入的信号较强的基站，这就是蜂窝移动通信系统中切换的概念。

随着蜂窝移动通信系统用户的增多，在一些集会场所、商业中心、繁华地段将会对系统容量提出更高的要求，于是就必须增加更多的小型小区来增加系统容量，所以蜂窝移动通信系统开始采用HCS分层小区结构。

HCS分层小区结构参见图1，图1为HCS分层小区结构示意图。图1是分三层的HCS结构，在实际应用中，可能分两层或分更多层次。图1中的一个椭圆就是一个小区，小区根据其规划目的的不同会有不同的覆盖范围。为了满足覆盖要求的小区一般面积较大，而为了满足容量要求的小区一般面积较小。一般来说，宏小区层用于处理快速移动的移动台业务，微小区层用于处理慢速移动的移动台业务，中间层处理相对中速移动的移动台业务。每层处理的移动台的速度门限，可以根据实际情况在一定范围内进行调整。

HCS分层小区结构的引入带来了一个现实的问题，那就是用户的移动对切换造成的影响。切换是UE与小区基站连接的转移过程，这个过程需要在UE和网络间进行多条信令的交互，包括：测量控制，测量报告，切换命令，命令确认等。而且连接的接续过程势必对通信业务造成瞬时的影响。当小区面积较大，UE移动速度较低的情况下，切换发生的频率不高，因此切换过程引起的信令增加对整个系统来说影响不是很大，对业务的瞬时冲击用户也能忍受；但是随着小区的变小，想象一下当UE连接在微小区层时，如果UE的移动速度很高，那切换将会发生得非常频繁。显而易见，如果分层小区中很多快速移动的用户在进行通信时都保持和微小区的连接，则对于整个系统来说，频繁的切换信令将导致信令负载的急剧上升，甚至可能导致信令的拥塞，严重影响系统内的其它功能和整体性能。同时，过多的切换对通信中的用户来说，也会产生一定的影响，例如通信质量的下降，掉话率的提高等等。

解决这个问题的一般方法是根据用户的移动速度对用户进行调度：首先设置两个速度的门限A和B，其中A大于B。当用户的移动速度大于门限A时，则该用户被认为是高速移动用户，当用户的速度小于门限B时，则该用户被当作是低速用户。这里，速度门限是指单位时间内，用户在本层小区之间的切换次数。然后根据速度判决结果，将系统中高速移动的用户分配到具有更大小区半径的宏小区层中的宏小区，将低速移动的用户分配到具有小区半径较小的微小区层中的微小区，将速度界于A、B之间的用户分配到中间层小区。这样，分层小区在提供大容量大覆盖时，也能同时把系统内的用户切换限制在合理的范围内。

凡事有利必有弊，根据移动速度对用户进行调度虽然能够减少切换，但是由于这种调度只考虑了用户的速度，而没有考虑系统的负载情况，所以负载问题也就随之浮出水面。本文中的微小区层是相对的概念，指的是面积相对较小，为满足容量需求而规划的小区组成的层次，并不特指哪一层。宏小区层也是一个相对的概念，指的是面积相对较大，为满足覆盖而规划的小区所组成的层次，并不特指哪一层。就这种定义而言，如图1所示的“中间层”对于“微小区层”来说也是一个宏小区层，以下为了说明清楚仍使用“中间层”的名称。HCS分层小区结构中的微小区层虽然是为了满足容量的要求，但是如果用户数量饱和，在某些时刻由于用户数据业务的突发传输可能造成小区总负载过重，系统总性能下降，从而对小区中其他用户造成影响，业务质量无法得到可靠保证。

由于HCS分层小区网络引入了由速度估计触发的层间切换，因此不同速度的用户将会被分配到不同的层次，当集中在某个速度区间的用户数量比较大的时候。该层次内将会十分拥挤，例如当上班时间车流量很大，而通讯负荷也很大的时候，相关层次将会发生拥塞现象。

现有技术解决拥塞的方法是：当一个层次发生拥塞时动态调整该层这度估计的门限，由速度估计触发层间切换算法，将拥塞层次的用户切换到其他层次中去。

但是，速度估计门限是针对一个层次生效的，但一个层次的门限调整后势必会影响其相邻层次，这是因为一个层次的门限调整后，会根据新的门限将部分用户切换到相邻层次。而一个层次覆盖的范围很大，这样，用户分布的不均匀使得拥塞的发生具有局部特征。例如：图1中的宏小区和中间层小区是相邻层，如果在A地区是宏小区拥塞，而B地区恰好是中间层小区拥塞，此时，动态调整宏小区速度估计门限，将该层速度门限提高，则会将速度在原门限和新门限之间的部分用户调整到中间层小区，这样的确可以解决A地区的拥塞情况，却加重了B地区的拥塞情况，无法两全其美。

可见，现有技术并不能完全解决小区拥塞的问题，不能保证系统的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现分层小区层间负载平衡的方法，尽可能地缓解本小区拥塞，而不会造成其相邻层次小区拥塞，提高系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种实现分层小区层间负载平衡的方法，该方法包括以下步骤：

1)为分层小区结构中每个层次的每个小区设置一个负载目标值和一个负载准入门限值；

2)每个小区进行负载评估，判断本小区当前负载是否超过负载目标值，当一小区的负载超过其负载目标值时，在该小区中选择部分用户切换到与本小区层次相邻层次中的当前负载在负载准入门限值内的目标小区中。

该方法可以进一步包括：为每个被小区切换的用户设置一个负载平衡切换标识，供小区判别哪些是通过负载平衡切换过来的用户。

所述的负载平衡切换标识，可以在其标识用户的速度状态发生改变时清除；也可以在其标识用户的速度状态与其所在层次相匹配时清除。

步骤1)所述的负载目标值和负载准入门限值，可以是根据每个小区能够承受的负载极限和网络规划时根据该小区的实际用户分布情况设置的。

所述步骤2)中，每个小区可以按预定周期进行负载评估；也可以在小区对用户进行准入判决时进行负载评估。

步骤2)中所述的选择部分用户进行切换的选择前提可以为：选择只有非实时数据业务，没有语音业务，且不处于软切换状态的用户。

步骤2)中所述的选择部分用户进行切换的选择优先级自高到低依次可以为：在层间负载平衡方法调整过程中切换过来的用户；或用户的速度状态与本层次不匹配，应该进行层间切换却暂时停留在本层的用户；或随机选择的用户。

所述步骤2)可以进一步包括，选择用户数量的确定方法：对本小区进行负载估计，选择切换用户的数量能够保证小区总的负载不超过负载目标值即可。

步骤2)可以进一步包括，目标层次的选择方法：将在层间负载平衡方法调整过程中切换过来的用户，切换回原层次；或根据用户当前速度状态选择与当前速度相匹配的相邻层次为目标层次；或直接选择速度状态比本层快的上一层次为目标层次。

该方法可以进一步包括：用户被切换到相邻层次的目标小区中后，该小区将该用户的当前速度状态设置为与目标小区所在层次的速度状态定义相匹配。

步骤2)可以进一步包括，目标小区的选择方法：在相邻层次中选择质量最好，且当前负载低于负载准入门限值的小区为目标小区。

步骤2)可以进一步包括：在选定的目标小区拒绝接受被切换的用户时，放弃本次切换；或选择质量次好，且当前负载低于负载准入门限值的小区为目标小区进行切换。

步骤2)中所述的切换可以是用异频硬切换的方法进行的层间切换。

该方法还可以进一步包括：用户被切换到相邻层次的目标小区中后，该小区为该用户启动一个层间切换禁止定时器，在定时时间内该用户不允许被再次进行层间切换。

由本发明的技术方案可见，本发明的这种实现分层小区层间负载平衡的方法，通过对小区进行负载评估，在当前负载超过负载目标值时，将本小区中的部分用户切换到相邻层次的当前负载在负载准入门限值之内的小区中，极大地缓解了本小区拥塞，且不会造成其相邻层次小区拥塞，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为HCS分层小区结构示意图；

图2为本发明一个层间负载平衡方法实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

本发明以在图1所示的三层HCS结构中实现层间负载平衡为实施例。

为了说明的方便，先做一个假设：假设用速度估计算法对每一个UE做出一个速度状态估计(快速、正常、慢速)，快速表示该UE的移动状态相对这个层次来说太快了，需要切换到相邻的上一层去，正常表示该UE的移动状态相对这个层次来说正合适，慢速表示该UE的移动状态相对于这个层次来说比较慢，可以调整到相邻的下一层去，例如：图1所示HCS结构中，一个UE当前处于中间层小区，它的速度状态为正常，则不用切换，如果下一时刻，它的速度状态为快速，则将该用户切换到上一层——宏小区层；如果下一时刻，它的速度状态为慢速，则将该用户切换到下一层——微小区层。当然，如果速度估计算法能够给出更为精确的速度估计，也能够映射到这三个状态中去。需要说明的是，速度状态估计的定义是与层次相关的，对于速度不变的同一个UE，如果它处于宏小区层可能被定义成“慢速”，而处于微小区层则很可能被定义为“快速”。下面表述的层间负载平衡方法并不依赖于这一假设，本专利包含但并不限于这一种假设。

本实施例假设层次内的负载平衡已经无法解决小区的拥塞情况，其主要包括：

(1)为HCS分层小区结构网络中的每一个小区设置一个负载目标值(例如75％)和一个负载准入门限值(例如30％)，使用负载评估策略衡量每个小区的当前负载，当负载超过目标值时就认为系统过载。

(2)采取用户选择策略选择部分用户进行层间切换。

(3)采取目标选择策略为每个用户选择异层目标小区。

(4)进行层间切换后采取效果保证策略保障负载平衡效果。

具体过程参见图2，图2为本发明一个层间负载平衡方法实施例的流程图。在进入图2所示流程之前，为HCS分层小区结构网络中的每一个小区确定一个负载目标值(例如75％)和一个负载准入门限值(例如30％)，不同小区的负载目标值和负载准入门限值可以不同，可以根据各个小区能够承受的负载极限和该小区实际用户的分布来设置。例如：两个同层的小区A、B，如果A小区实际用户量大，B小区用户量相对较少，则可以将A小区的负载目标值设置的比B小区梢大一些。如果系统已经存在层内的负载平衡算法，那么这个负载目标值应当比层内负载平衡算法的负载门限值要高。

如图2所示，该方法还包括以下步骤：

步骤201，使用负载评估方法对小区负载进行监控。本实施例中每个小区可以按预定周期进行负载评估；或在新用户接入或用户切换进入小区时进行负载评估。

如果按预定周期进行负载评估，周期可以设得较长。

如果在新用户接入或用户切换进入小区时进行负载评估，则由准入算法触发负载评估过程。比如每N次准入触发一次，或者每次准入都触发负载评估过程。

其中，准入算法是现有技术，是通讯系统中的一个必备算法，当有移动用户申请与本小区进行业务连接时，由准入算法决定是否允许进行连接。准入算法生效的时机有两个，一是新用户在本小区发起呼叫的时候，二是相邻小区的用户申请切换到本小区继续其服务的时候。

每次准入都触发负载评估过程如下：首先用负载评估方法估计一下当前小区的负载情况如何，然后根据用户申请的业务评价一下如果允许建立业务连接，将会对小区的负载情况造成多大的增长(这就是负载预测)，如果负载增长后依然在小区能够承受的范围内，则准入，否则拒绝。如果切换遭到拒绝，则选择其他小区。

负载评估方法也是一种现有技术，是对当前小区负载情况的一种评估方法，分为上行和下行，下行负载指的是小区的发射负载，例如功率大小，上行负载指的是小区的接收负载，例如噪声水平(小区用户越多，小区接收的各种信号就越多，噪声水平越高)。小区的收发能力受设备的物理特性限制，发射功率不可能无限制上升，接收灵敏度也有限制，噪声太大就无法正确解调信号(就好像如果8个人同时对一个人说话，这个人就谁也听不清一样)。因此负载只有在一个合理的范围内，小区才能为移动用户正常服务。

步骤202，判断本小区当前负载是否超过负载目标值，直到小区的实际负载超过了目标值，就认为该小区负载过重，进入步骤203。

步骤203，开始进行负载调整，在本小区中选择部分用户准备进行层间小区切换。只有满足下列条件的才被作为候选用户：

①只有非实时数据业务，没有语音业务，

②不处于软切换状态，软切换状态是指用户切换后与原来的小区并不马上断开连接，而是可以与几个小区同时存在连接，软切换的前提条件是这几个小区必须具有相同的发射频率。

其中满足下列条件的优先选择：

①在层间负载平衡方法调整过程中切换过来的用户，

②用户的速度判决状态不是“正常”，即该用户的速度状态与本层次不匹配，原来就该切换到其他层次中去，但是因为某种原因而暂时停留在本层。

如果用户在上述同等条件下，或小区中没有上述用户时则随机选择用户。

候选用户数量的确定：这部分可以使用类似准入算法的负载估计来进行，当选择的数量能够保证小区总的负载水平达到一个不超过负载目标的合适水平就可以了。

步骤204，为选择的用户选择目标层次和目标小区。目标层次的选择方法包括：

①如果该用户是由层间负载平衡方法调整后切换过来的，那么将该用户切换回初始的层次。

②如果该用户的速度状态估计不是“正常”，则根据其速度状态估计来选择目标层次。例如，对一个当前处于中间层小区的用户来说。如果下一时刻该用户的速度状态估计为“快速”，则以相邻的宏小区层作为目标层次；如果下一时刻该用户的速度状态估计为“慢速”，则以相邻的微小区层作为目标层次。

③其他情况下，以相邻的宏小区层作为目标层次。

目标小区选择方法为：在目标层次中选择质量最好且当前负载低于负载准入门限的小区作为目标小区。在宽带码分多址(WCDMA)系统中，每个小区有一个信道叫做公共导频信道(CPICH)，小区使用固定的功率不停地通过这个信道发射广播消息。由于小区发射功率固定，所以手机接收这个信道并根据接收到的信号质量就可以判断自己在哪个小区的服务范围内，该小区的质量如何。根据3GPP的协议，信号质量标准有两个，一个是接收信号码功率(RSCP)，一个是码功率/噪声水平(Ec/No)，前者越大说明信号越强，后者越大说明信号越清晰。一般使用Ec/No来判断小区的质量，但是本发明不限制只使用这个指标。

如果选定的目标小区拒绝接受被切换的用户，则可以放弃本次切换；也可以选择质量次好，且当前负载低于负载准入门限值的小区为目标小区。

步骤205，将选择的用户切换到选择的目标层次的目标小区中。使用异频硬切换将候选用户切换到目标小区。

异频硬切换是相对于软切换来说的，指用户切换后即与原来小区断开连接，任何时候都只与一个小区存在连接。既然如此，那么如果用户发生切换的目标小区和原来小区用的是不同发射频率的话，就只能做硬切换，这就是异频硬切换。本发明中所说的HCS分层小区是异频分层，即宏小区层与微小区层使用的频率是不同的。

步骤206，在目标小区中，对于切换过来的用户进行处理，保证负载平衡的效果。由于在采用了HCS分层小区结构的网络中RNC会根据UE的速度状态估计将UE自动调整到合适的层次。而层间负载平衡方法则是将过载小区的用户切换到了其他层次，可能造成UE的速度状态与所处的层次不匹配，于是很快触发层间负载平衡方法又切回来。因此必须采取效果保证策略来保证负载平衡算法的效果。

本实施例采取的方法是：层间负载平衡算法调整结束后，网络给每个调整的用户加上负载平衡切换标识，标识该用户是由层间负载平衡算法切换过来的。并且给每个被调整的用户设置其在新层次的速度估计状态初始值，该初始值与新层次的速度状态定义相匹配，例如：如果该用户从中间层小区切换到宏小区层小区，则设置初始速度估计状态为“慢速”；如果该用户从中间层小区切换到微小区层小区，则设置初始速度估计状态为“快速”。

同时，为每个调整的用户启动一个层间切换禁止定时器。在该定时器定时内禁止再做层间切换，由于速度估计状态改变会触发层间切换，因此这里加上禁止主要就是为了防止该用户被速度估计算法切回到原先的层次中去，以保证层间负载平衡方法的调整效果。

另外，本实施例还对负载平衡切换标识进行维护，方法为：这个标识是为下一次启动负载平衡算法而预设置的，提供了负载平衡方法中用户选择的一部分先验信息。基于各种考虑，该标识的维护也可以有多种方法。这里给出其中二种：考虑到该用户可能发生速度变化，可以让速度估计触发的层间切换来处理，因此可以在该用户的速度估计状态发生改变时清除这个标识；考虑到只要该用户速度状态不与当前层次匹配都可以让它交由负载平衡算法来调整，所以只在该用户的速度估计状态变成“正常”，即该UE已经与所处层次相匹配时才将这个标识清除。

由上述的实施例可见，本发明的这种实现分层小区层间负载平衡的方法，解决了引入HCS分层小区网络结构后的负载平衡问题，由于本发明的层间负载平衡算法可以与无HCS网络中的负载平衡方法协同作用，达到网络的优化。同时，本发明综合考虑了业务、速度、切换状态来选择用户，根据HCS层次优先级和负载状态来选择目标小区，最大限度降低优化方法对用户通信质量的影响。HCS层次优先级是由协议规定的，通过这个来区分相邻的两个层次哪个是宏小区层，哪个是微小区层。另外，本发明还考虑了负载平衡调整后的效果保证，使得算法具备真正可行性，附加的切换标识维护使得本发明方法可以与HCS固有的速度估计触发的层间切换无缝连接。面向每个小区确定负载目标而不是针对整个层次调整门限，使得层间负载平衡可以针对个别热点小区完成，而不会影响同层其他小区，这对于负载不均匀分布的实际网络环境更具适用性。

Claims (14)

1、一种实现分层小区层间负载平衡的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)为分层小区结构中每个层次的每个小区设置一个负载目标值和一个负载准入门限值；

2)每个小区进行负载评估，判断本小区当前负载是否超过负载目标值，当一小区的负载超过其负载目标值时，在该小区中选择部分用户切换到与本小区层次相邻层次中的当前负载在负载准入门限值内的目标小区中。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：为每个被小区切换的用户设置一个负载平衡切换标识，供小区判别哪些是通过负载平衡切换过来的用户。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的负载平衡切换标识，在其标识用户的速度状态发生改变时清除；或在其标识用户的速度状态与其所在层次相匹配时清除。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述的负载目标值和负载准入门限值，是根据每个小区能够承受的负载极限和网络规划时根据该小区的实际用户分布情况设置的。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，每个小区按预定周期进行负载评估；或在小区对用户进行准入判决时进行负载评估。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述的选择部分用户进行切换的选择前提为：选择只有非实时数据业务，没有语音业务，且不处于软切换状态的用户。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述的选择部分用户进行切换的选择优先级自高到低依次为：在层间负载平衡方法调整过程中切换过来的用户；或用户的速度状态与本层次不匹配，应该进行层间切换却暂时停留在本层的用户；或随机选择的用户。

8、如权利要求1、6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤2)进一步包括，选择用户数量的确定方法：对本小区进行负载估计，选择切换用户的数量能够保证小区总的负载不超过负载目标值即可。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)进一步包括，目标层次的选择方法：将在层间负载平衡方法调整过程中切换过来的用户，切换回原层次；或根据用户当前速度状态选择与当前速度相匹配的相邻层次为目标层次；或直接选择速度状态比本层快的上一层次为目标层次。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：用户被切换到相邻层次的目标小区中后，该小区将该用户的当前速度状态设置为与目标小区所在层次的速度状态定义相匹配。

11、如权利要求1或9所述的方法，其特征在于，步骤2)进一步包括，目标小区的选择方法：在相邻层次中选择质量最好，且当前负载低于负载准入门限值的小区为目标小区。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤2)进一步包括：在选定的目标小区拒绝接受被切换的用户时，放弃本次切换；或选择质量次好，且当前负载低于负载准入门限值的小区为目标小区进行切换。

13、如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述的切换是用异频硬切换的方法进行的层间切换。

14、如权利要求1或10所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：用户被切换到相邻层次的目标小区中后，该小区为该用户启动一个层间切换禁止定时器，在定时时间内该用户不允许被再次进行层间切换。

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