［董鵬程］

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集群系統(tǒng)中基于群組呼叫的負載均衡策略

［董鵬程］

摘要為解決負載均衡中熱點小區(qū)的擁塞問題，提高系統(tǒng)資源利用率，保障更多用戶的QoS，文章針對集群系統(tǒng)中群組視頻業(yè)務(wù)的特點，提出了一種基于群組呼叫的負載優(yōu)化策略。該策略首先考慮切換系統(tǒng)中的群組業(yè)務(wù)，因為同一個群組內(nèi)的用戶可以通過共享廣播信道來接收相同的數(shù)據(jù)，如果群組業(yè)務(wù)的用戶切換不可用，再考慮點對點業(yè)務(wù)用戶的切換。仿真結(jié)果表明，該算法可以平衡系統(tǒng)負載，降低呼叫阻塞率，同時有效地提高了系統(tǒng)容量。

關(guān)鍵詞：集群系統(tǒng)負載均衡群呼視頻業(yè)務(wù)

董鵬程

重慶郵電大學(xué)，通信學(xué)院。

1　引言

無線通信系統(tǒng)中由于基站的覆蓋范圍有限，用戶分布不均勻等因素，容易出現(xiàn)某些熱點小區(qū)，這些小區(qū)的業(yè)務(wù)請求因遠大于可接受的程度，導(dǎo)致出現(xiàn)較高的請求阻塞概率，而與之相鄰的一些小區(qū)可能負載卻較低，而白白浪費了無線資源。對于這種情況，可以通過整個系統(tǒng)的負載均衡算法，均衡每個小區(qū)的負載，來改善高負載小區(qū)的負載壓力，提高無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

LTE的負載均衡技術(shù)主要圍繞兩種應(yīng)用場景來進行研究：垂直方向的Inter-LTE負載均衡和水平方向的Intra-LTE負載均衡，如圖1：

圖1　負載均衡應(yīng)用場景

Inter-LTE的負載均衡是屬于一個地域范圍內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)重復(fù)覆蓋下小區(qū)之間的負載均衡。即存在多種接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，例如WIFI、WiMAX、GSM、WCDMA、HSDPA、LTE等。在這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，使用高效合理的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)負載均衡算法將這個地域范圍內(nèi)的不同業(yè)務(wù)要求的用戶接入到適合用戶本身的接入網(wǎng)絡(luò)當中，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下的負載均衡，從而保證無線網(wǎng)絡(luò)資源的合理有效的利用。

Intra-LTE的負載均衡主要是在水平方向上的相鄰小區(qū)間進行負載轉(zhuǎn)移。根據(jù)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)方式，可以通過借用信道、調(diào)整基站的發(fā)射功率、調(diào)整切換參數(shù)等幾種方案來實現(xiàn)。

2　相關(guān)研究

通過信道借用技術(shù)來實現(xiàn)負載均衡方案的原理是輕負載小區(qū)把空閑、可用的信道借給高負載的小區(qū)使用，以達到負載均衡的目的。文獻［1］提出了一種簡單的信道借用方法。每個小區(qū)除了擁有一個供自己使用的固定信道集合之外，還擁有一個允許借出用于負載均衡的信道集合。這樣一旦低負載小區(qū)中一個信道被借出，為了避免同頻干擾現(xiàn)象的發(fā)生，頻率復(fù)用距離以內(nèi)的相同信道就會被屏蔽。該方案雖有效防止了同頻干擾，卻是以降低頻率利用率為代價。文獻［2］提出了無鎖定信道借用負載均衡方案。當高負載小區(qū)的資源不夠用時，系統(tǒng)就會自動將部分相鄰小區(qū)的空閑信道資源借給當前高負載小區(qū)使用。該方案為了防止同頻干擾，降低了基站的發(fā)送功率。

基于調(diào)整基站發(fā)射功率的負載均衡方案是重負載的源小區(qū)通過減小基站發(fā)射功率來減小覆蓋范圍，輕負載的目標小區(qū)通過功率放大器來增大基站的發(fā)射功率，從而增加基站的服務(wù)面積。通過對基站發(fā)射功率的調(diào)整來實現(xiàn)不同小區(qū)之間的負載均衡。文獻［3］提出了一種通過規(guī)劃基站的發(fā)射功率，充分考慮小區(qū)的呼吸效應(yīng)，在用戶分配過程中，對用戶和基站之間的連接關(guān)系進行了優(yōu)化，使得每個基站間的負載相對均衡。

基于調(diào)整切換參數(shù)的負載均衡方案是通過調(diào)整切換參數(shù)，例如切換差值，觸發(fā)時間，小區(qū)偏移量等來實現(xiàn)負載均衡。文獻［4］中針對關(guān)于移動魯棒性與負載均衡之間的沖突，提出相應(yīng)的為了實現(xiàn)沖突避免的負載均衡解決方案。主要思想是通過切換參數(shù)不等式調(diào)整來限制負載均衡中允許的切換范圍，以此避免移動魯棒性與負載均衡之間的沖突，有效降低了兵乓效應(yīng)和優(yōu)化資源配置。

基于業(yè)務(wù)負載轉(zhuǎn)移的負載均衡策略是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，使得高負載小區(qū)轉(zhuǎn)移一部分小區(qū)重疊區(qū)域的負載到相鄰的輕負載小區(qū)。文獻［5］提出了一種輔助移動呼叫接入算法（MACA）負載均衡方案，其主要思想就是將重負載小區(qū)的多余業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到相鄰的較輕負載的小區(qū)中。

LTE寬帶集群系統(tǒng)中視頻業(yè)務(wù)最顯著的特點之一就是用戶以群組的形式分發(fā)和執(zhí)行任務(wù)?；究赡茉诤芏虝r間內(nèi)就會變成負載小區(qū)。為了平衡系統(tǒng)的負載并且降低呼叫阻塞概率，需要根據(jù)集群系統(tǒng)的特點，提出適合LTE寬帶集群系統(tǒng)的有關(guān)負載均衡算法。

3　負載均衡優(yōu)化方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)模型分析

多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)主要包括：小區(qū)集合C，每個小區(qū)都被一個位于的基站服務(wù)著；用戶集合K，每個用戶UE 都有自己的位置向量并且用戶的業(yè)務(wù)請求速率大小為Dk；信道中的熱噪聲為N0；c小區(qū)基站的發(fā)射功率為cP；Pc，n表示小區(qū)c在資源塊n上分得的功率值；信道增益為G；系統(tǒng)的總帶寬為B；小區(qū)負載的參考值為cρ。

判斷小區(qū)c是否處于過載狀態(tài)可由小區(qū)負載的參考值來判斷。ρc可以通過小區(qū)用戶需求的資源塊數(shù)目Nneed與總共可用的資源塊數(shù)目N的比值來進行計算。用戶需求的資源塊數(shù)目Nneed與用戶申請的業(yè)務(wù)速率Dk和用戶k在每個資源塊上可提供的速率R（ SINRk）有關(guān)。

當小區(qū)負載參考ρc的值大于1時，表明該小區(qū)處于過載狀態(tài)，即小區(qū)中的用戶所需要的RB數(shù)大于小區(qū)能夠提供的RB數(shù)。當采用吞吐量公平的調(diào)度算法時，假設(shè)小區(qū)c中的所有用戶數(shù)為Kc，則可以求出過載的用戶數(shù)z為：

我們假定用戶k被小區(qū)c所服務(wù)，則有：c= X（ k）。其中，X（ k）是一個連接函數(shù)，表示每個用戶可以連接且只能連接一個基站。

由以上參數(shù)的定義，我們得到用戶k在每個RB上的的SINRk值：

假定使用最合適的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法，則用戶k可以得到的最大速率值可用式（4）表示：

由公式（5）可知，系統(tǒng)的總?cè)萘考礊椋?/p>

由以上分析可以看出，系統(tǒng)的總?cè)萘恐饕β屎陀脩舻男诺涝鲆嬗嘘P(guān)。要得到更大的系統(tǒng)容量就意味著用戶需要更大的功率或者更好的信道增益。

3.2算法描述

負載均衡算法主要是通過負載預(yù)測發(fā)現(xiàn)過載的小區(qū)，然后通過過載小區(qū)的用戶切換到其他小區(qū)，達到負載均衡。因此，這里主要考慮兩方面的內(nèi)容：第一，選擇過載小區(qū)的哪些用戶進行切換以實現(xiàn)負載均衡；第二，如何為進行切換的用戶選擇合適的切換小區(qū)。

對于處于過載的熱點小區(qū)來說，小區(qū)內(nèi)存在很多的用戶，研究的目的主要是：針對LTE寬帶集群系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點，如何選擇合適的切換用戶，切換到哪個目標小區(qū)可以最大限度的降低丟包率和提高系統(tǒng)的總體吞吐量。

當熱點小區(qū)的基站向相鄰小區(qū)基站發(fā)起負載均衡機制時，根據(jù)LTE集群系統(tǒng)的特點，優(yōu)先考慮組呼業(yè)務(wù)（點對多點業(yè)務(wù)）。這是因為屬于同一個群組的用戶接收相同信息并且可以共享無線信道的資源。如果當滿足時，可以將屬于同一個群組的用戶盡可能的切換到同一個基站中。其中?system_ capacity，表示用戶k從源基站切換到目的基站后，系統(tǒng)容量的變化值。因為用戶k的傳輸速率與信道增益和基站分配功率有關(guān)，所以?system_ capacity≥0不僅說明用戶k切換到目的小區(qū)后系統(tǒng)的總?cè)萘孔兇?，而且表明用戶k擁有更好的信道增益或者更高的分配功率。當群組中的用戶被切換到了目的小區(qū)，目的基站不需要為這些用戶提供資源塊，因此不需要考慮目的基站的額外負載。

當然，上述場景并不總是存在。比如，當屬于同一個群組的用戶彼此遠離時，因為不同的信道質(zhì)量，用戶不可能被切換到同一個小區(qū)之中。又或者此時的承載系統(tǒng)中沒有群組呼叫業(yè)務(wù)。在這種情況下，我們就需要找到一個適合點對點業(yè)務(wù)的負載均衡算法，此時目標基站需要為切換用戶提供額外的RB資源，因此就必須要充分考慮到目標小區(qū)自身的負載情況。具體可從以下幾個方面來考慮：

首先，選取過載源小區(qū)的邊緣用戶。因為小區(qū)邊緣的用戶處于小區(qū)重復(fù)覆蓋的區(qū)域，適合切換到鄰小區(qū)。測量用戶在鄰小區(qū)的信號強度，選取擁有最大信號強度的用戶進行越區(qū)切換。

其次，選取R（ SINRk）較小的用戶進行切換。因為用戶的R（ SINRk）值越小，在小區(qū)中占用的無線資源越多，選擇切換該用戶的話，在源小區(qū)釋放的無線資源就越多。

再者，選擇切換小區(qū)時，要盡量避免目的小區(qū)也同樣是過載小區(qū)的情況。因此，在選擇切換用戶的時候，也要考慮到切換該用戶的目的小區(qū)是否有較大的負載。如果是，則不選擇切換該用戶。

終上所述，為了選擇負載均衡的目標小區(qū)和切換用戶，構(gòu)造一個判定函數(shù)：

在該判定函數(shù)中，變量c表示目標小區(qū)，該變量的取值范圍是1≤ c≤ C，C表示與源小區(qū)相鄰的小區(qū)個數(shù)；ρc表示小區(qū)c的負載值；f（ ρc）是c小區(qū)負載的函數(shù)表達式。由式（7）可知，f（ ρc）定義為隨著小區(qū)c的負載ρc逐漸增大，函數(shù)值呈指數(shù)減小。SINRk，c表示用戶k在小區(qū)c內(nèi)的信道質(zhì)量，它的值越大，判定函數(shù)的函數(shù)值就越大，說明選擇用戶k切換到小區(qū)c上的可能就越大。R（ SINRk）則表示用戶k可以得到的最大速率值，其值越大，由前文分析可知，選擇的可能性越小。因此，R（ SINRk）為判定函數(shù)的消極因子。

LTE寬帶集群系統(tǒng)中負載均衡算法可以使用圖2的流程圖表示。

4　實驗結(jié)果與分析

本文使用C++對系統(tǒng)進行建模處理后，對LTE寬帶集群系統(tǒng)中的負載均衡算法進行評估。仿真拓撲結(jié)構(gòu)中共包含7個蜂窩小區(qū)，如圖3。小區(qū)形狀為正六邊形結(jié)構(gòu)，小區(qū)半徑為500m，相鄰的小區(qū)間距為688m。

圖2　LTE寬帶集群系統(tǒng)中負載均衡算法流程

圖3　仿真實驗中的小區(qū)和用戶模型

本文將基于群組的負載均衡優(yōu)化算法與文獻［2］中提到的無鎖定信道借用負載均衡方案的進行了性能比較。圖4展示了用戶平均丟包率隨用戶個數(shù)的變化曲線性能。本文提到的優(yōu)化策略比無鎖定信道借用負載均衡方案的用戶平均丟包率有明顯改善。特別是隨著用戶個數(shù)的逐漸增大，本文提到的優(yōu)化策略的優(yōu)勢越來越明顯。這是因為通過該優(yōu)化方案，均衡了各個小區(qū)的負載情況，有效減輕了過載小區(qū)內(nèi)用戶的擁塞情況，降低了用戶平均丟包率。

圖4　用戶平均丟包率隨用戶個數(shù)的變化曲線

圖5展示了系統(tǒng)吞吐量隨用戶個數(shù)的變化曲線性能。本文提到的優(yōu)化策略比無鎖定信道借用負載均衡方案具有更高的系統(tǒng)容量。這是因為優(yōu)化策略中構(gòu)造的進行負載均衡時的判定函數(shù)，根據(jù)該判定函數(shù)選擇切換負載用戶時，切換僅發(fā)生在容量變化大于0的時候。并且該方案首先考慮切換組呼業(yè)務(wù)，這樣可以達到共享RB的效果，有效地節(jié)省了無線資源。

圖5　系統(tǒng)吞吐量隨用戶個數(shù)的變化曲線

5　總結(jié)

負載均衡算法可以解決熱點小區(qū)的擁塞問題，提高系統(tǒng)的資源利用率，為更多的用戶提供保證QoS的服務(wù)。本文根據(jù)集群系統(tǒng)中視頻組呼業(yè)務(wù)的特點，提出了一種適用于集群系統(tǒng)中的負載均衡策略，可以有效平衡系統(tǒng)負載，降低呼叫阻塞率，同時有效地提高了系統(tǒng)容量。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.009

收稿日期：（2016-04-02）