集群系统中基于群组呼叫的负载均衡策略

［董鹏程］



集群系统中基于群组呼叫的负载均衡策略

［董鹏程］

摘要为解决负载均衡中热点小区的拥塞问题，提高系统资源利用率，保障更多用户的QoS，文章针对集群系统中群组视频业务的特点，提出了一种基于群组呼叫的负载优化策略。该策略首先考虑切换系统中的群组业务，因为同一个群组内的用户可以通过共享广播信道来接收相同的数据，如果群组业务的用户切换不可用，再考虑点对点业务用户的切换。仿真结果表明，该算法可以平衡系统负载，降低呼叫阻塞率，同时有效地提高了系统容量。

关键词：集群系统负载均衡群呼视频业务

董鹏程

重庆邮电大学，通信学院。

1　引言

无线通信系统中由于基站的覆盖范围有限，用户分布不均匀等因素，容易出现某些热点小区，这些小区的业务请求因远大于可接受的程度，导致出现较高的请求阻塞概率，而与之相邻的一些小区可能负载却较低，而白白浪费了无线资源。对于这种情况，可以通过整个系统的负载均衡算法，均衡每个小区的负载，来改善高负载小区的负载压力，提高无线网络的整体性能。

LTE的负载均衡技术主要围绕两种应用场景来进行研究：垂直方向的Inter-LTE负载均衡和水平方向的Intra-LTE负载均衡，如图1：

图1　负载均衡应用场景

Inter-LTE的负载均衡是属于一个地域范围内的多种网络重复覆盖下小区之间的负载均衡。即存在多种接入技术的网络覆盖时，例如WIFI、WiMAX、GSM、WCDMA、HSDPA、LTE等。在这种异构网络环境中，使用高效合理的异构网络负载均衡算法将这个地域范围内的不同业务要求的用户接入到适合用户本身的接入网络当中，实现异构网络场景下的负载均衡，从而保证无线网络资源的合理有效的利用。

Intra-LTE的负载均衡主要是在水平方向上的相邻小区间进行负载转移。根据业务流转移的实现方式，可以通过借用信道、调整基站的发射功率、调整切换参数等几种方案来实现。

2　相关研究

通过信道借用技术来实现负载均衡方案的原理是轻负载小区把空闲、可用的信道借给高负载的小区使用，以达到负载均衡的目的。文献［1］提出了一种简单的信道借用方法。每个小区除了拥有一个供自己使用的固定信道集合之外，还拥有一个允许借出用于负载均衡的信道集合。这样一旦低负载小区中一个信道被借出，为了避免同频干扰现象的发生，频率复用距离以内的相同信道就会被屏蔽。该方案虽有效防止了同频干扰，却是以降低频率利用率为代价。文献［2］提出了无锁定信道借用负载均衡方案。当高负载小区的资源不够用时，系统就会自动将部分相邻小区的空闲信道资源借给当前高负载小区使用。该方案为了防止同频干扰，降低了基站的发送功率。

基于调整基站发射功率的负载均衡方案是重负载的源小区通过减小基站发射功率来减小覆盖范围，轻负载的目标小区通过功率放大器来增大基站的发射功率，从而增加基站的服务面积。通过对基站发射功率的调整来实现不同小区之间的负载均衡。文献［3］提出了一种通过规划基站的发射功率，充分考虑小区的呼吸效应，在用户分配过程中，对用户和基站之间的连接关系进行了优化，使得每个基站间的负载相对均衡。

基于调整切换参数的负载均衡方案是通过调整切换参数，例如切换差值，触发时间，小区偏移量等来实现负载均衡。文献［4］中针对关于移动鲁棒性与负载均衡之间的冲突，提出相应的为了实现冲突避免的负载均衡解决方案。主要思想是通过切换参数不等式调整来限制负载均衡中允许的切换范围，以此避免移动鲁棒性与负载均衡之间的冲突，有效降低了兵乓效应和优化资源配置。

基于业务负载转移的负载均衡策略是为了实现网络性能的优化，使得高负载小区转移一部分小区重叠区域的负载到相邻的轻负载小区。文献［5］提出了一种辅助移动呼叫接入算法（MACA）负载均衡方案，其主要思想就是将重负载小区的多余业务转移到相邻的较轻负载的小区中。

LTE宽带集群系统中视频业务最显著的特点之一就是用户以群组的形式分发和执行任务。基站可能在很短时间内就会变成负载小区。为了平衡系统的负载并且降低呼叫阻塞概率，需要根据集群系统的特点，提出适合LTE宽带集群系统的有关负载均衡算法。

3　负载均衡优化方案设计

3.1系统模型分析

多小区网络系统模型结构主要包括：小区集合C，每个小区都被一个位于的基站服务着；用户集合K，每个用户UE 都有自己的位置向量并且用户的业务请求速率大小为Dk；信道中的热噪声为N0；c小区基站的发射功率为cP；Pc，n表示小区c在资源块n上分得的功率值；信道增益为G；系统的总带宽为B；小区负载的参考值为cρ。

判断小区c是否处于过载状态可由小区负载的参考值来判断。ρc可以通过小区用户需求的资源块数目Nneed与总共可用的资源块数目N的比值来进行计算。用户需求的资源块数目Nneed与用户申请的业务速率Dk和用户k在每个资源块上可提供的速率R（ SINRk）有关。

当小区负载参考ρc的值大于1时，表明该小区处于过载状态，即小区中的用户所需要的RB数大于小区能够提供的RB数。当采用吞吐量公平的调度算法时，假设小区c中的所有用户数为Kc，则可以求出过载的用户数z为：

我们假定用户k被小区c所服务，则有：c= X（ k）。其中，X（ k）是一个连接函数，表示每个用户可以连接且只能连接一个基站。

由以上参数的定义，我们得到用户k在每个RB上的的SINRk值：

假定使用最合适的自适应调制编码方法，则用户k可以得到的最大速率值可用式（4）表示：

由公式（5）可知，系统的总容量即为：

由以上分析可以看出，系统的总容量主要跟功率和用户的信道增益有关。要得到更大的系统容量就意味着用户需要更大的功率或者更好的信道增益。

3.2算法描述

负载均衡算法主要是通过负载预测发现过载的小区，然后通过过载小区的用户切换到其他小区，达到负载均衡。因此，这里主要考虑两方面的内容：第一，选择过载小区的哪些用户进行切换以实现负载均衡；第二，如何为进行切换的用户选择合适的切换小区。

对于处于过载的热点小区来说，小区内存在很多的用户，研究的目的主要是：针对LTE宽带集群系统的业务特点，如何选择合适的切换用户，切换到哪个目标小区可以最大限度的降低丢包率和提高系统的总体吞吐量。

当热点小区的基站向相邻小区基站发起负载均衡机制时，根据LTE集群系统的特点，优先考虑组呼业务（点对多点业务）。这是因为属于同一个群组的用户接收相同信息并且可以共享无线信道的资源。如果当满足时，可以将属于同一个群组的用户尽可能的切换到同一个基站中。其中∆system_ capacity，表示用户k从源基站切换到目的基站后，系统容量的变化值。因为用户k的传输速率与信道增益和基站分配功率有关，所以∆system_ capacity≥0不仅说明用户k切换到目的小区后系统的总容量变大，而且表明用户k拥有更好的信道增益或者更高的分配功率。当群组中的用户被切换到了目的小区，目的基站不需要为这些用户提供资源块，因此不需要考虑目的基站的额外负载。

当然，上述场景并不总是存在。比如，当属于同一个群组的用户彼此远离时，因为不同的信道质量，用户不可能被切换到同一个小区之中。又或者此时的承载系统中没有群组呼叫业务。在这种情况下，我们就需要找到一个适合点对点业务的负载均衡算法，此时目标基站需要为切换用户提供额外的RB资源，因此就必须要充分考虑到目标小区自身的负载情况。具体可从以下几个方面来考虑：

首先，选取过载源小区的边缘用户。因为小区边缘的用户处于小区重复覆盖的区域，适合切换到邻小区。测量用户在邻小区的信号强度，选取拥有最大信号强度的用户进行越区切换。

其次，选取R（ SINRk）较小的用户进行切换。因为用户的R（ SINRk）值越小，在小区中占用的无线资源越多，选择切换该用户的话，在源小区释放的无线资源就越多。

再者，选择切换小区时，要尽量避免目的小区也同样是过载小区的情况。因此，在选择切换用户的时候，也要考虑到切换该用户的目的小区是否有较大的负载。如果是，则不选择切换该用户。

终上所述，为了选择负载均衡的目标小区和切换用户，构造一个判定函数：

在该判定函数中，变量c表示目标小区，该变量的取值范围是1≤ c≤ C，C表示与源小区相邻的小区个数；ρc表示小区c的负载值；f（ ρc）是c小区负载的函数表达式。由式（7）可知，f（ ρc）定义为随着小区c的负载ρc逐渐增大，函数值呈指数减小。SINRk，c表示用户k在小区c内的信道质量，它的值越大，判定函数的函数值就越大，说明选择用户k切换到小区c上的可能就越大。R（ SINRk）则表示用户k可以得到的最大速率值，其值越大，由前文分析可知，选择的可能性越小。因此，R（ SINRk）为判定函数的消极因子。

LTE宽带集群系统中负载均衡算法可以使用图2的流程图表示。

4　实验结果与分析

本文使用C++对系统进行建模处理后，对LTE宽带集群系统中的负载均衡算法进行评估。仿真拓扑结构中共包含7个蜂窝小区，如图3。小区形状为正六边形结构，小区半径为500m，相邻的小区间距为688m。

图2　LTE宽带集群系统中负载均衡算法流程

图3　仿真实验中的小区和用户模型

本文将基于群组的负载均衡优化算法与文献［2］中提到的无锁定信道借用负载均衡方案的进行了性能比较。图4展示了用户平均丢包率随用户个数的变化曲线性能。本文提到的优化策略比无锁定信道借用负载均衡方案的用户平均丢包率有明显改善。特别是随着用户个数的逐渐增大，本文提到的优化策略的优势越来越明显。这是因为通过该优化方案，均衡了各个小区的负载情况，有效减轻了过载小区内用户的拥塞情况，降低了用户平均丢包率。

图4　用户平均丢包率随用户个数的变化曲线

图5展示了系统吞吐量随用户个数的变化曲线性能。本文提到的优化策略比无锁定信道借用负载均衡方案具有更高的系统容量。这是因为优化策略中构造的进行负载均衡时的判定函数，根据该判定函数选择切换负载用户时，切换仅发生在容量变化大于0的时候。并且该方案首先考虑切换组呼业务，这样可以达到共享RB的效果，有效地节省了无线资源。

图5　系统吞吐量随用户个数的变化曲线

5　总结

负载均衡算法可以解决热点小区的拥塞问题，提高系统的资源利用率，为更多的用户提供保证QoS的服务。本文根据集群系统中视频组呼业务的特点，提出了一种适用于集群系统中的负载均衡策略，可以有效平衡系统负载，降低呼叫阻塞率，同时有效地提高了系统容量。

参考文献

1Kahwa T，Georganas N.A hybrid channel assignment scheme in large-scale，cellular-structured mobile communication systems［J］.Communications，IEEE Transactions on，1978，26（4）: 432-438

2H.Jiang，S.S.Rappaport.CBWL：A new charmel assignment and sharing method for cellular communication systems ［J］.IEEE Tram.Vehicular Technology，1994，43（2）: 313-322

3陈伟，蒋铃鸽，何晨.一种基于负载均衡的WCDMA基站站址选择算法［J］.上海交通大学学报，2008: 735-738

4余建涛，胡宏林，金圣等.移动负载均衡与移动鲁棒性优化的冲突协调［J］.计算机工程，2012: 37-41

5Wu X，Mukherjee B，Chan S H G.Maca-an efficient channel allocation scheme in cellular networks［C］.Global Telecommunications Conference，2000.GLOBECOM.IEEE.2000，1385-1389

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.009

收稿日期：（2016-04-02）