李永剛+任陽+張治中

【摘 要】為了提高多制式混合組網(wǎng)時(shí)的吞吐量和資源利用率，以網(wǎng)絡(luò)資源利用率為參考對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的用戶進(jìn)行異系統(tǒng)垂直切換，從而使混合組網(wǎng)后的系統(tǒng)負(fù)載得到均衡。通過該整合系統(tǒng)的仿真，在保證無線鏈路丟失率不受顯著影響的前提下，該方法使得蜂窩小區(qū)的平均吞吐率有所提高，并能找到使吞吐率最大時(shí)的最佳切換閾值。

【關(guān)鍵詞】負(fù)載均衡 系統(tǒng)切換 資源塊 下行鏈路

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.015 中圖分類號(hào)：TN915.81 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）24-0072-06

1 引言

LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）兩種方式。FDD采用兩個(gè)對(duì)稱的頻率信道來分別發(fā)射和接收信號(hào)，發(fā)生與接收信道分離到不通的頻段上。FDD的頻帶是成對(duì)的頻率，用頻率進(jìn)行上下行區(qū)分，其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的[1]。TDD在同一頻率上接收和發(fā)送，但是要用不同時(shí)隙來作為時(shí)隙信道，上下行方向分配時(shí)間資源[1]。市場上，多家全球領(lǐng)先的芯片廠商都在研制同時(shí)支持TDD和FDD的產(chǎn)品。這類同時(shí)支持LTE-FDD和TDD產(chǎn)品的市場急劇擴(kuò)大，逐漸完善運(yùn)營商的自身網(wǎng)絡(luò)需求，并滿足了全球漫游需求。為了融合FDD和TDD的標(biāo)準(zhǔn)，在LTE被提出時(shí)，各大運(yùn)營商就考慮到了將這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)予以兼顧，從而吸取了3G的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[2]。未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)將是LTE-FDD與TD-LTE共存的情況，在此種情況下，需對(duì)其相互干擾[3，4]以及負(fù)載分布情況進(jìn)行研究。負(fù)載分布方面，無論是TD-LTE小區(qū)還是LTE-FDD小區(qū)，都會(huì)存在小區(qū)負(fù)載過載情況，移動(dòng)用戶的移動(dòng)特性造成數(shù)據(jù)流量的不均衡以及隨著用戶的總量增大，流量負(fù)載不僅不均衡還使得網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載發(fā)生很大變化，負(fù)載的不均衡會(huì)造成基站為用戶分配的信道不均勻，小區(qū)內(nèi)的信道資源極易造成浪費(fèi)。所以為均衡每個(gè)小區(qū)的負(fù)載量需合理分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，在TD-LTE與LTE-FDD小區(qū)基站共址的前提下，用戶需在兩個(gè)系統(tǒng)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行相互切換。

關(guān)于負(fù)載均衡基本方法的研究，文獻(xiàn)[5]提出了LTE-WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框架，并指出未來LTE和WLAN在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的融合方式。文獻(xiàn)[6]通過仿真驗(yàn)證了通過WLAN可以降低LTE網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。文獻(xiàn)[7]研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中的不同節(jié)能機(jī)制，指出低功率基站和WiFi-AP能夠提高蜂窩通信系統(tǒng)的能效。文獻(xiàn)[8]提出了一種LTE和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡方法，該方法能夠通過均衡LTE和WLAN的負(fù)載來提高系統(tǒng)的總吞吐量。但其只針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的固定速率（Constant Bit Rate，CBR）業(yè)務(wù)，而沒有考慮非CBR業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。文獻(xiàn)[9]針對(duì)LTE宏微異構(gòu)基站共存網(wǎng)絡(luò)，不同類型的基站負(fù)載不均衡情況，提出了一種基于最大化凸性利用度函數(shù)的負(fù)載均衡方法，并給出了非CBR業(yè)務(wù)使網(wǎng)絡(luò)資源利用度函數(shù)最大的資源分配方式，但該文沒有涉及LTE和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)給出的均衡算法求解復(fù)雜。

對(duì)于CDMA/WLAN混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了在用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需進(jìn)行聯(lián)合會(huì)話的機(jī)制。該機(jī)制建立的模型根據(jù)CDMA網(wǎng)絡(luò)里的信干比和中斷率、WLAN中的數(shù)據(jù)包時(shí)延和吞吐率等參數(shù)來進(jìn)行會(huì)話的接入控制，QoS的狀態(tài)作為其接入控制的判決依據(jù)。然而，網(wǎng)內(nèi)承載的業(yè)務(wù)類型、用戶的移動(dòng)特性模型考慮有限，網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化的問題也未涉及。對(duì)于CDMA、WMAN以及WLAN三種不同制式下的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[11]針對(duì)該三種制式混合的網(wǎng)絡(luò)模型研究了非合作博弈的情形下帶寬分配，首先文獻(xiàn)評(píng)估異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬分布狀態(tài)，對(duì)業(yè)務(wù)的準(zhǔn)入的判定根據(jù)帶寬分布狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果來進(jìn)行控制，為新到業(yè)務(wù)提供QoS要求的帶寬服務(wù)，但其未給出用戶移動(dòng)時(shí)的帶寬分布情況。

綜上LTE、WLAN及CDMA系統(tǒng)中的負(fù)載均衡方面的文獻(xiàn)分析，針對(duì)異系統(tǒng)垂直切換機(jī)制[12]的負(fù)載均衡，迄今還未有文獻(xiàn)考慮TD-LTE與LTE-FDD系統(tǒng)間的負(fù)載均衡策略及其仿真。本文將在第二部分對(duì)情形進(jìn)行分析，并在第三部分給出算法結(jié)構(gòu)，最后對(duì)算法進(jìn)行仿真分析。

2 資源利用率及負(fù)載均衡分析

LTE系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將上行、下行時(shí)頻域物理資源組成資源塊（RB），它是調(diào)度的最小單位，由12個(gè)連續(xù)子載波組成，帶寬180 kHz，時(shí)域上持續(xù)時(shí)間為1 ms（1個(gè)子幀或2個(gè)時(shí)隙）。LTE的每一幀的時(shí)間長度為10 ms，每一幀共有307 200個(gè)采樣點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)特性以及用戶需求分配所需的RB資源。SINR（信干比）可作為TD-LTE中的CQI（信道質(zhì)量指示）的判別依據(jù)之一，SINR對(duì)信號(hào)的接收有直接的影響，SINR高時(shí)有大概率進(jìn)行正確接收，因此，共享信道中的每個(gè)RB所對(duì)應(yīng)的SINR都要進(jìn)行計(jì)算。這樣RB就有可能承載數(shù)據(jù)或者空閑，從而就有了RB資源利用率的量度參數(shù)，將此量度參數(shù)歸一化本文中LTE的負(fù)載量。

LTE-FDD與TD-LTE都有各自的雙工方式，針對(duì)兩者不同的雙工方式，LTE定義了兩種幀結(jié)構(gòu)，由FDD的幀結(jié)構(gòu)可以看到，每一個(gè)FDD幀包括20個(gè)時(shí)隙，編號(hào)從0到19，10長度為0.5，每兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)子幀。一幀中共有10個(gè)子幀都可用于數(shù)據(jù)傳輸，TDD每個(gè)幀包含兩個(gè)半幀，與FDD不同。每幀除了有用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訋?，還有特殊子幀。TDD的幀支持7種不同的配置方式。在每個(gè)特殊子幀中DwPTS表示下行導(dǎo)頻時(shí)隙、GP表示保護(hù)時(shí)隙和UpPTS表示上行導(dǎo)頻時(shí)隙。對(duì)于每個(gè)特殊子幀，DwPTS、GP和UpPTS的總長度都為30 720 Ts=1 ms。每種特殊子幀配置類型都支持5 ms和10 ms的下行到上行切換周期[13]。

TD-LTE與LTE-FDD兩系統(tǒng)間的負(fù)載量差別過大時(shí)，說明其中某個(gè)小區(qū)負(fù)載量過高，小區(qū)用戶也過于密集，需要將其均衡到另外一個(gè)小區(qū)中。至此，需設(shè)置兩個(gè)閾值，兩系統(tǒng)負(fù)載差閾值th1以及其中高負(fù)載小區(qū)閾值為th2。

在滿足th1和th2條件時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的切換，啟動(dòng)切換事件的條件借鑒3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義[14]的異系統(tǒng)切換的B2事件，與3GPP標(biāo)準(zhǔn)中B2事件切換啟動(dòng)條件的閾值1和閾值2不同的是，這里的th1和th2分別為兩系統(tǒng)間的負(fù)載差和高負(fù)載小區(qū)負(fù)載量。

3 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)第二小節(jié)的分析，需對(duì)基站共址的TD-LTE與LTE-FDD的混合組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真所用拓?fù)錇槌柿呅畏植嫉钠呋镜姆涓C小區(qū)，如圖1所示：

3.1 參數(shù)設(shè)定

TD-LTE的系統(tǒng)帶寬為20 MHz，理論峰值速率100 Mbps，LTE-FDD下行峰值速率3.1 Mbps。TD-LTE的eNodeB和LTE-FDD基站發(fā)射功率43 dBm，TD-LTE的天線增益17 dBi，LTE-FDD的天線增益0 dBi，天線類型均為全向天線。TD-LTE系統(tǒng)的無線信道大尺度衰落模型采用TS36942模型，調(diào)度方式均采取輪詢方式，平均每小區(qū)用戶數(shù)為40個(gè)，移動(dòng)速度為3 km/h，用戶以1/8的概率接入到LTE-FDD系統(tǒng)，反饋到接收機(jī)的時(shí)延均為0 ms。仿真時(shí)長設(shè)為100 s，基站間距離為500 m，共7個(gè)基站。

3.2 算法步驟

圖2為仿真流程圖，算法可分為五步完成。

Step 1：小區(qū)檢測，LTE-FDD與TD-LTE任兩個(gè)系統(tǒng)之間重疊覆蓋時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)間的平均每用戶負(fù)載差異大于負(fù)載差門限th1，且高負(fù)載系統(tǒng)的負(fù)載大于負(fù)載門限th2，則啟動(dòng)系統(tǒng)間的負(fù)載均衡。

Step 2：選擇用戶。在高負(fù)載系統(tǒng)中，隨機(jī)選擇當(dāng)前信號(hào)質(zhì)量較差的用戶（處于小區(qū)邊緣的用戶）。

Step 3：用戶檢測。啟動(dòng)低負(fù)載系統(tǒng)的測量，若該選擇的用戶UE此時(shí)所在位置滿足一定信噪比條件（如A4/B2事件，該用戶平均信干比大于閾值3（本次仿真設(shè)為0）），則選擇該用戶進(jìn)行異系統(tǒng)切換。若不滿足，則回到Step 2，選擇除此之外的其他UE進(jìn)行監(jiān)測。

Step 4：重新監(jiān)測。切換每一個(gè)UE之后，重新對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行小區(qū)檢測，檢查是否依然滿足負(fù)載均衡的兩個(gè)條件，即兩個(gè)系統(tǒng)間的平均負(fù)載差異大于門限th1，且高負(fù)載系統(tǒng)的負(fù)載大于門限th2。

Step 5：是否繼續(xù)。若Step 4重新監(jiān)測之后依然滿足負(fù)載均衡的兩個(gè)門限條件，則回到Step 2，若不滿足，則說明兩個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載已經(jīng)得到均衡，結(jié)束算法。

4 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是通過鏈路層級(jí)完成的，處于較底層的鏈路級(jí)仿真輸出差錯(cuò)率以及SINR之間互相映射的關(guān)系，差錯(cuò)率包括誤比特率、誤塊率或誤幀率。本文的仿真需以鏈路層仿真做基礎(chǔ)，鏈路層仿真的部分結(jié)果作為參數(shù)，映射到系統(tǒng)級(jí)仿真接口上，鏈路層仿真給出了相應(yīng)的調(diào)制編碼，這些調(diào)制編碼速率對(duì)應(yīng)鏈路的自適應(yīng)門限、鏈路層傳輸?shù)男阅芮€以及傳輸塊的大小容量。

表1是TD-LTE的MCS對(duì)照表，TD-LTE通過鏈路層仿真可得到誤塊率或誤碼率曲線，根據(jù)誤塊率曲線獲得所規(guī)定的誤塊率所對(duì)應(yīng)的SINR。通過表1查到SINR查到該用戶的調(diào)制方式以及傳輸塊的大小，吞吐量的值可通過用戶傳輸正確的比特?cái)?shù)得到，正確傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)與傳輸塊大小相關(guān)。LTE誤塊率（BLER）或誤碼率曲線數(shù)據(jù)文件可以提供給仿真做AWGN信道下的調(diào)制方式的估計(jì)。LTE中，CQI表用UE的信干比做CQI映射。從10%誤塊率點(diǎn)得到的（基本上是線性）信干比與誤塊率之間的映射為相應(yīng)的CQI。

仿真結(jié)果如圖3至圖8所示，紅色曲線為負(fù)載均衡之后的性能曲線，藍(lán)色為負(fù)載均衡前的性能曲線。仿真的時(shí)間為用戶完全加入基站后運(yùn)行100 s，系統(tǒng)可近似進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)過程。用戶優(yōu)先接入到TD-LTE系統(tǒng)，然后根據(jù)資源占用情況再進(jìn)行兩系統(tǒng)之間的切換，負(fù)載差閾值預(yù)設(shè)為5%，高負(fù)載閾值為80%。

由圖3和圖4可知，TD-LTE與LTE-FDD重疊覆蓋時(shí)進(jìn)行負(fù)載均衡，有55 kbps的速率增益，23.83 Mbps的吞吐量增益，啟動(dòng)負(fù)載均衡后使得吞吐量提高了41.85%。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，啟動(dòng)負(fù)載均衡后的吞吐量與平均速率穩(wěn)定在一個(gè)差值內(nèi)。

圖5中，對(duì)于系統(tǒng)資源的占用率，LTE-FDD系統(tǒng)將時(shí)隙資源（RB）平均分配給在網(wǎng)用戶，TD-LTE的RB資源占用率也與UE接入數(shù)量有關(guān)，初期TD-LTE的UE較多，平均每個(gè)UE獲得RB資源較少，從而增大了TD-LTE負(fù)載量。啟動(dòng)負(fù)載均衡后，可以將TD-LTE某些用戶切換到LTE-FDD系統(tǒng)中去，使得LTE-FDD系統(tǒng)在啟動(dòng)負(fù)載均衡后的RB資源利用率有所提升，但隨著時(shí)間的推移，RB資源利用率將趨于一個(gè)穩(wěn)態(tài)值。

對(duì)于鏈路丟失率RLF，從圖6可看出，啟動(dòng)負(fù)載均衡前后RLF的變化不是很明顯。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)之間的切換后，用戶被切換到了RB資源相對(duì)豐富，信號(hào)質(zhì)量相對(duì)較好的異系統(tǒng)中去，從而使得RLF有稍許減低。TD-LTE系統(tǒng)RLF下降了0.01%，LTE-FDD系統(tǒng)的RLF提高了1.07%，啟動(dòng)負(fù)載均衡后重疊系統(tǒng)的RLF幾乎沒保持不變。

本仿真為得到最優(yōu)的th1和th2值，如圖7和圖8所示，利用仿真控制模塊去測試每個(gè)可能的th1和th2。為了減少計(jì)算量，首先用設(shè)置th1從4%以步長4%變化到20%。th2從50%以步長5%變化到75%。

從圖7可以看出th1和th2的吞吐量最佳值分別為4%和85%。這個(gè)最優(yōu)值會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼懊總€(gè)用戶的狀態(tài)改變而改變，對(duì)于圖8系統(tǒng)中負(fù)載均衡的切換次數(shù)，當(dāng)th1取值較小時(shí)，系統(tǒng)的切換次數(shù)更高一些，最高切換次數(shù)可達(dá)10次。

5 結(jié)束語

TD-LTE與LTE-FDD重疊的蜂窩小區(qū)內(nèi)，根據(jù)資源利用率進(jìn)行負(fù)載均衡時(shí)，使得穩(wěn)態(tài)下網(wǎng)絡(luò)吞吐量及下行數(shù)據(jù)速率得到了顯著提高。另外，算法在有限的范圍內(nèi)選取最優(yōu)的切換閾值-負(fù)載差閾值th1與高負(fù)載閾值th2，在有限的范圍內(nèi)選取最優(yōu)的th1、th2。所找到的th1和th2的取值使得負(fù)載均衡后網(wǎng)絡(luò)吞吐率提高至少41.85%。

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