王汝言,周曉軍,吳大鵬
(重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所,重慶400065)
帶有負(fù)載均衡的LTE自適應(yīng)切換算法
王汝言,周曉軍,吳大鵬
(重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所,重慶400065)
用戶在宏蜂窩和毫微微蜂窩之間頻繁執(zhí)行不必要的切換將導(dǎo)致系統(tǒng)掉話率增加,用戶服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低。提出一種帶有負(fù)載均衡的自適應(yīng)切換算法,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)切換滯后余量,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)容量、終端所需容量、接收信號(hào)強(qiáng)度、業(yè)務(wù)類型、移動(dòng)速度等多目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行綜合切換判決。結(jié)果表明所提切換算法可有效避免不必要切換的發(fā)生,降低切換次數(shù)并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
宏蜂窩;毫微微蜂窩;負(fù)載均衡;切換
隨著蜂窩無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,移動(dòng)終端(user equipment,UE)的數(shù)量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢(shì)。然而,統(tǒng)計(jì)表明當(dāng)前蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有50%的語音業(yè)務(wù)和90%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi);同時(shí),30%商業(yè)區(qū)域和45%住宅區(qū)域的UE信號(hào)覆蓋較差[1]。因此,為語音、視頻以及高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供良好的室內(nèi)覆蓋變得異常重要。長期演進(jìn)系統(tǒng)(long term evolution,LTE)以其寬帶寬、高速率、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn),得到世界各主流通信設(shè)備商和運(yùn)營商的廣泛關(guān)注[2]。但是,LTE可供室內(nèi)用戶使用的系統(tǒng)容量相對(duì)有限,并且,基站需要提高下行發(fā)送功率以克服穿透損耗,此種方式將會(huì)導(dǎo)致小區(qū)吞吐量降低。因此,為了有效解決上述問題,第3代合作伙伴計(jì)劃(the 3rd generation partner project,3GPP)于2008年提出了家庭基站的體系架構(gòu),家庭基站也稱為毫微微蜂窩(Femto Cell)期望通過大規(guī)模地部署Femto Cell解決室內(nèi)用戶的信號(hào)覆蓋問題,以達(dá)到為用戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量的目的。
Femto Cell[3]屬于短距離、低功耗、低成本的蜂窩無線通信系統(tǒng)接入點(diǎn),其允許標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)設(shè)備通過現(xiàn)有的寬帶網(wǎng)絡(luò)連接至蜂窩無線通信系統(tǒng),其具有自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、自動(dòng)軟件升級(jí)和自動(dòng)數(shù)據(jù)配置等功能。由于Femto Cell屬于用戶自行安裝的家用電子設(shè)備,因此,在宏蜂窩(Macro Cell)的覆蓋范圍內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)大量的Femto Cell,使得蜂窩無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分成兩層,即Macro Cell和Femto Cell雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。在Femto Cell大量部署的情況下,蜂窩無線通信系統(tǒng)的移動(dòng)性管理至關(guān)重要,其中小區(qū)切換技術(shù)更是重中之重,切換的成功與否和切換效率直接影響著UE的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)體驗(yàn)[5]。
在蜂窩無線通信系統(tǒng)中,當(dāng)UE從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)或者當(dāng)前服務(wù)小區(qū)信號(hào)太差、干擾太強(qiáng)時(shí),為了保證UE通信的持續(xù)性,需要將UE與基站之間的通信鏈路從當(dāng)前基站切換至其他基站[6]。然而,與原有蜂窩無線通信系統(tǒng)的架構(gòu)不同,LTE系統(tǒng)具有雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),降低頻繁和不必要的切換是雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵問題。在雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,各個(gè)小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量和UE數(shù)量不同使得各個(gè)小區(qū)的負(fù)載也不同,這樣就導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)所謂的“熱點(diǎn)”小區(qū),這些小區(qū)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求遠(yuǎn)高于可接受的水平,以至于出現(xiàn)較高的呼叫阻塞率,而其他小區(qū)還存在可用資源來服務(wù)更多的UE,使得各個(gè)小區(qū)的負(fù)載呈現(xiàn)出一定的非均衡特性,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率及吞吐量降低。可見,小區(qū)之間負(fù)載的均衡性也將會(huì)影響UE的QoS體驗(yàn)。對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶的切換過程來說,負(fù)載不均衡會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)具有較高的呼叫阻塞率;對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶的切換來說,負(fù)載不均衡會(huì)導(dǎo)致“熱點(diǎn)”小區(qū)中邊緣用戶吞吐量出現(xiàn)惡化。因此,系統(tǒng)需要根據(jù)各個(gè)小區(qū)的用戶數(shù)量及剩余資源狀態(tài),均衡地使用各小區(qū)資源,并通過負(fù)載均衡機(jī)制來降低UE的切換次數(shù)和不必要切換次數(shù),提高系統(tǒng)的資源利用率,從而提高系統(tǒng)吞吐量。由于Femto Cell的覆蓋范圍小,高速運(yùn)行的UE不可能在Femto Cell的覆蓋區(qū)域內(nèi)停留很長時(shí)間,若在其進(jìn)入和離開Femto Cell時(shí)均執(zhí)行切換操作,則將引起UE在各小區(qū)之間產(chǎn)生頻繁和不必要的切換[7]。同時(shí),LTE中Macro Cell和Femto Cell的切換屬于硬切換,這些頻繁和不必要的切換將會(huì)產(chǎn)生“乒乓效應(yīng)”,降低端到端的QoS體驗(yàn)性能,降低小區(qū)間的負(fù)載均衡性能及系統(tǒng)容量,浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。因此,在雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中減少頻繁和不必要的切換對(duì)保證用戶的QoS和系統(tǒng)性能是極其必要的。在寬帶寬、低時(shí)延、高速率的LTE系統(tǒng)中,切換參數(shù)設(shè)置不合適會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能,惡化用戶的QoS體驗(yàn)性能,甚至導(dǎo)致用戶掉話。因此,雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的切換決策需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和終端等各個(gè)層面的特性和需求,以合理的方式選擇切換判決參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)切換判決,以避免不必要的切換操作,減少對(duì)系統(tǒng)資源的浪費(fèi),提高系統(tǒng)吞吐量。
目前,國內(nèi)外研究人員針對(duì)LTE中Macro Cell和Femto Cell雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的切換機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8]提出一種基于多目標(biāo)參數(shù)的切換算法,采用接收信號(hào)強(qiáng)度(received signal strength,RSS)和可用帶寬資源作為參數(shù),通過帕累托最優(yōu)方法對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,結(jié)果表明其能提高切換成功率,降低切換延遲,但是它沒有考慮UE處于高速移動(dòng)的情況,不能有效抑制高速UE的頻繁和不必要的切換次數(shù)。文獻(xiàn)[9]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的切換算法,采用RSS和負(fù)載狀態(tài)作為參數(shù),通過負(fù)載閾值來調(diào)節(jié)切換滯后余量(handover hysteresis margin,HHM),結(jié)果表明其能有效降低切換阻塞率和掉話率,但是其采用了固定的負(fù)載閾值,降低了在不同場(chǎng)景的適用性,也未能有效降低不必要的切換次數(shù)和提高系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[10]提出一種基于多個(gè)信號(hào)強(qiáng)度閾值的切換算法,通過多個(gè)閾值進(jìn)行多重切換判決,結(jié)果表明其能有效降低切換次數(shù)并減少乒乓效應(yīng),但未能有效兼顧網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性,其閾值的設(shè)定并未考慮用戶動(dòng)態(tài)到達(dá)和離開的時(shí)變特性,使得系統(tǒng)吞吐量并未得到顯著提高。文獻(xiàn)[11]提出一種基于臨時(shí)區(qū)域合作的快速切換算法,通過UE之間的協(xié)作以確定目標(biāo)基站信息,結(jié)果表明其能夠有效降低切換時(shí)延,但UE隨機(jī)移動(dòng)性使得其協(xié)作的時(shí)變特性增強(qiáng),UE在不同協(xié)作區(qū)域內(nèi)交互搜集到目標(biāo)基站信息混亂以致產(chǎn)生過多無效切換,無法有效降低切換次數(shù)并提高系統(tǒng)吞吐量。
如上所述,針對(duì)現(xiàn)有的LTE家庭基站切換策略未能綜合考慮網(wǎng)絡(luò)容量和負(fù)載均衡的問題,提出一種帶有負(fù)載均衡的LTE家庭基站自適應(yīng)切換算法(load balancing adaptive handover algorithm in LTE,LB-HA)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)的綜合負(fù)載水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM,并且充分考慮網(wǎng)絡(luò)容量、終端業(yè)務(wù)所需容量、接收信號(hào)強(qiáng)度、速度、業(yè)務(wù)類型等5個(gè)方面因素,以分布式的方式進(jìn)行綜合切換判決,使得網(wǎng)絡(luò)達(dá)到更好的負(fù)載均衡效果。進(jìn)而,以更加合理的決策條件執(zhí)行切換操作,降低切換次數(shù),提高系統(tǒng)吞吐量。
在雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,給定Macro Cell小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)包含多個(gè)Femto Cell小區(qū)。然而,F(xiàn)emto Cell小區(qū)中所接入的UE數(shù)量不同,使得各個(gè)小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并不均衡,導(dǎo)致部分小區(qū)處于過載狀態(tài),同時(shí),部分小區(qū)處于輕載狀態(tài)。另外,UE具有隨機(jī)移動(dòng)性,其在各個(gè)小區(qū)間的移動(dòng)將使得各個(gè)小區(qū)的負(fù)載程度具有明顯的動(dòng)態(tài)特征。因此,本部分提出了一種基于三角模融合算子的網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載估計(jì)方法來進(jìn)行實(shí)時(shí)衡量小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
1.1 網(wǎng)絡(luò)容量的估計(jì)
LTE系統(tǒng)中,鄰近的正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiple,OFDM)載波被分成多個(gè)物理資源塊(physical resource block,PRB),且PRB為可分配給用戶的最小資源單元。當(dāng)UE連接基站后,基站通過媒體訪問控制層的調(diào)度器為UE合理地分配相應(yīng)的PRB。然而,PRB的數(shù)量與系統(tǒng)帶寬之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,小區(qū)帶寬越寬,PRB的數(shù)量越多,網(wǎng)絡(luò)容量就越大。因此,以PRB數(shù)量作為基本單元對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行估計(jì)。
根據(jù)雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可知,給定的Macro Cell小區(qū)內(nèi)包含M個(gè)Femto Cell小區(qū),同時(shí),N個(gè)UE隨機(jī)分布在Macro Cell覆蓋區(qū)域內(nèi),如果第k個(gè)UE連接在Macro Cell小區(qū),則它所得到的來自演進(jìn)型基站(evolved node B,eNB)分配的網(wǎng)絡(luò)容量(即第k個(gè)UE所占用的PRB數(shù)量)CkeNB的計(jì)算方法如式(1)所示,eNB表示Macro Cell的部署設(shè)備。
式中,P0表示家庭eNB(home eNB,HeNB)的發(fā)射功率,HeNB表示Femto Cell的部署設(shè)備;Pi(i≥1)表示第i個(gè)HeNB的發(fā)射功率;g0,k表示eNB與第k個(gè)UE之間的信道增益;gi,k表示第i個(gè)HeNB與第k個(gè)UE之間的信道增益;Dk表示第k個(gè)UE申請(qǐng)的業(yè)務(wù)速率;BW表示網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。
可見,通過式(1)可獲知服務(wù)小區(qū)為Macro Cell時(shí),UE可分配到的網(wǎng)絡(luò)容量。此外,當(dāng)UE處于第i個(gè)Femto Cell服務(wù)小區(qū)時(shí),第j個(gè)UE可分配到的網(wǎng)絡(luò)容量為Cji-HeNB,其計(jì)算方法為
由于Macro Cell和Femto Cell雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包含1個(gè)eNB和M個(gè)HeNB,且UE隨機(jī)分布在給定場(chǎng)景下,為了能夠獲知處于任意狀態(tài)下的UE(UE連接Macro Cell或者Femto Cell)可分配到的網(wǎng)絡(luò)容量,結(jié)合式(1)與式(2),可以得到第i個(gè)基站(包括eNB和HeNB)分配給第j個(gè)UE的網(wǎng)絡(luò)容量Cji,表示為
式中,∪i表示連接到基站i的UE集合。
1.2 網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載衡量方法
根據(jù)LTE中所制定的切換判決可知,當(dāng)UE需要切換到目標(biāo)小區(qū)時(shí),若目標(biāo)小區(qū)的負(fù)載過高或者網(wǎng)絡(luò)容量受限,將會(huì)導(dǎo)致UE由于無法獲得充分的資源而產(chǎn)生掉話,使得UE在執(zhí)行切換操作后仍得不到QoS保證。因此,為了自適應(yīng)地均衡各小區(qū)之間的負(fù)載,避免用戶由于小區(qū)負(fù)載過高導(dǎo)致掉話,所提出的切換機(jī)制充分考慮了小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量和負(fù)載,并且通過負(fù)載均衡機(jī)制從擁塞小區(qū)中切換一部分UE至其他小區(qū),使得小區(qū)之間的負(fù)載更加均衡,網(wǎng)絡(luò)能夠容納更多的用戶,提高系統(tǒng)的資源利用率。
雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)小區(qū)的負(fù)載可由當(dāng)前小區(qū)中總的網(wǎng)絡(luò)容量和UE已使用的網(wǎng)絡(luò)容量所決定,該參數(shù)隨著小區(qū)中UE的網(wǎng)絡(luò)容量使用率變化而變化。本文采用各小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量使用率(即各小區(qū)中所有UE的PRB占用率)作為雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)中各小區(qū)的負(fù)載度量。小區(qū)i的負(fù)載li表示為
如前所述,UE隨機(jī)分布在各個(gè)小區(qū)中,且移動(dòng)方向隨機(jī),使得小區(qū)之間的負(fù)載無法均衡。為了充分利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源,需要采用相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)移方法將負(fù)載較重小區(qū)中的用戶切換至負(fù)載較輕的鄰居小區(qū)。使用公平性指數(shù)ε(t)來估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)小區(qū)之間負(fù)載均衡性[12],該參數(shù)表示各個(gè)小區(qū)之間負(fù)載的均衡程度,稱之為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載公平性因子,表示為
式中,ε(t)∈[1/2,1].ε(t)越大,表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性越好;ε(t)越小,表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性越差。
從全局來看,通過網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡公平性因子可以得到全網(wǎng)絡(luò)中所有小區(qū)之間的負(fù)載均衡程度。在局部,本文使用各個(gè)小區(qū)的可用負(fù)載來衡量各個(gè)小區(qū)的負(fù)載均衡能力。即小區(qū)的可用負(fù)載越大,則可進(jìn)行負(fù)載均衡的能力越大。換言之,小區(qū)的可用負(fù)載越大,則可以切換到該小區(qū)的UE數(shù)量越多,小區(qū)之間更可能達(dá)到負(fù)載均衡。本文使用η(t)來表示小區(qū)i的可用負(fù)載水平,稱之為小區(qū)的i的負(fù)載均衡能力因子,表示為
式中,η(t)∈[0,1].η(t)越大,表示小區(qū)i在t時(shí)刻可用負(fù)載水平越大,該小區(qū)能夠接收更多的切換UE;η(t)越小,表示小區(qū)i在t時(shí)刻可用負(fù)載水平越小,該小區(qū)能夠接收更少的切換UE。
綜上所述,ε(t)參數(shù)描述了全網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡公平性,切換過程中單一地考慮這個(gè)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致部分Femto Cell小區(qū)過載。同時(shí),η(t)參數(shù)描述了小區(qū)i的剩余負(fù)載水平,單一地考慮這個(gè)參數(shù)將會(huì)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性。因此,綜合考慮這兩個(gè)參數(shù),將當(dāng)前t時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)負(fù)載公平性因子ε(t)和小區(qū)i的負(fù)載均衡能力因子η(t)進(jìn)行融合,得到能夠準(zhǔn)確衡量網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的綜合負(fù)載水平的參數(shù)f(t)。兩個(gè)因子的有效融合直接決定了綜合負(fù)載水平在衡量過程中的合理性。利用模糊數(shù)學(xué)中的三角模融合算子對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載公平性因子ε(t)和小區(qū)i的負(fù)載均衡能力因子η(t)進(jìn)行融合,得到小區(qū)i對(duì)于全網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t),表示為
式中,ε(t)和η(t)是兩個(gè)進(jìn)行融合的隸屬度函數(shù);ε(t)∈[1/2,1]和η(t)∈[0,1]也能滿足三角模融合算子的條件。三角模融合算子是在模糊推理思想下引入人工智能的理論方法,將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載公平性因子ε(t)和小區(qū)i的負(fù)載均衡能力因子η(t)這兩個(gè)單一的決策映射到另一空間,通過比較來完成融合判決,其具有同類信息的加強(qiáng)性和矛盾信息的調(diào)和性。可見,三角模融合算子能夠比較好地滿足本文中對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載公平性因子和各個(gè)小區(qū)負(fù)載均衡能力因子所進(jìn)行的模糊融合衡量要求,從而能夠比較真實(shí)客觀地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)載水平。
在雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,Macro Cell小區(qū)覆蓋范圍大,而Femto Cell小區(qū)覆蓋范圍小,UE頻繁地進(jìn)出Femto Cell小區(qū)產(chǎn)生頻繁和不必要的切換。運(yùn)營商推出Femto Cell的初衷是為了改善室內(nèi)覆蓋和提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量,從而提高UE的QoS。然而,在蜂窩無線通信系統(tǒng)中,頻繁和不必要的切換將會(huì)降低端到端的QoS,減少系統(tǒng)的容量。因此,在雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中減少頻繁和不必要的切換對(duì)保證UE的QoS的系統(tǒng)性能是極其必要的。在蜂窩無線通信系統(tǒng)中,信號(hào)強(qiáng)度是描述通信質(zhì)量的重要指標(biāo),在切換判決算法中被普遍使用。當(dāng)在給定區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)基站信號(hào)強(qiáng)度劇烈波動(dòng)時(shí),會(huì)引起UE在兩個(gè)基站之間來回重復(fù)切換產(chǎn)生“乒乓效應(yīng)”。為了解決這個(gè)問題,切換算法引入了HHM,HHM表示一個(gè)相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度,該參數(shù)通常與信號(hào)強(qiáng)度聯(lián)合使用,即目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度比服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)很多(即大于滯后余量)的情況下進(jìn)行小區(qū)切換。傳統(tǒng)的應(yīng)用HHM的切換算法基本都是使用固定HHM值,其切換判決條件為
式中,HHMdefault采用預(yù)先設(shè)定的方式,它不能隨著網(wǎng)絡(luò)容量和負(fù)載的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié),從而達(dá)不到理想的效果。因此,本文對(duì)傳統(tǒng)的HHM切換算法進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)的切換判決式為
即結(jié)合網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t)來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)HHM值??梢苑治龅玫剑S著網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t)變大,ΔH H M也相應(yīng)變大,此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡良好,切換判決則需要目標(biāo)小區(qū)比服務(wù)小區(qū)具有更大的信號(hào)強(qiáng)度差才能觸發(fā)切換,從而減少UE的切換次數(shù),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載均衡穩(wěn)定。反之,隨著網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t)變小,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡較差,切換判決則降低ΔHHM來減小切換的難度,UE則通過執(zhí)行切換操作來進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移達(dá)到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。然而,若目標(biāo)小區(qū)不能滿足新UE的業(yè)務(wù)所需網(wǎng)絡(luò)容量,則會(huì)導(dǎo)致UE切換失敗。為了能夠提高切換成功率,考慮了目標(biāo)小區(qū)的剩余網(wǎng)絡(luò)容量與UE業(yè)務(wù)所需網(wǎng)絡(luò)容量兩者之間的關(guān)系
此外,如前所述,F(xiàn)emto Cell的覆蓋范圍較小,高速移動(dòng)的UE在Femto Cell覆蓋區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間較短,若在其進(jìn)入和離開Femto Cell時(shí)均執(zhí)行切換操作,則將引起UE在各小區(qū)之間產(chǎn)生頻繁和不必要的切換,所以在滿足條件式(11)的情況下,規(guī)定了兩個(gè)速度閾值vth1和vth2來限制高速移動(dòng)UE切換到Femto Cell中,其中兩個(gè)速度閾值之間滿足條件vth1>vth2。根據(jù)UE的速度與閾值之間的關(guān)系不同,切換策略可分為以下3種情況:
①當(dāng)UE的速度v滿足v>vth1時(shí),UE不能切換進(jìn)Femto Cell,而是保持接入Macro Cell。
②當(dāng)UE的速度v滿足vth2<v≤vth1時(shí),若UE是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),并且滿足式(12)所示條件,則UE可以切換進(jìn)Femto Cell,否則UE保持接入Macro Cell。其主要原因在于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的延遲容忍度低于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),若服務(wù)小區(qū)的信道條件太差時(shí),實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)更容易產(chǎn)生掉話與丟包,嚴(yán)重影響UE的QoS性能體驗(yàn)。
③當(dāng)UE的速度v滿足v≤vth2時(shí),若滿足式(12)所示條件,則UE可以切換進(jìn)Femto Cell,否則UE保持接入Macro Cell。
綜上所述,本文綜合考慮接收信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載、UE速度、UE業(yè)務(wù)類型、小區(qū)剩余網(wǎng)絡(luò)容量和UE業(yè)務(wù)所需網(wǎng)絡(luò)容量等條件提出了自適應(yīng)HHM切換算法,該算法可以適用于以下3種切換場(chǎng)景:①UE當(dāng)前的服務(wù)小區(qū)為Macro Cell,下一時(shí)刻UE移動(dòng)進(jìn)入目標(biāo)Femto Cell,此時(shí)產(chǎn)生從Macro Cell到Femto Cell的切換;②UE當(dāng)前的服務(wù)小區(qū)為Femto Cell,下一時(shí)刻UE移動(dòng)進(jìn)入Macro Cell,此時(shí)產(chǎn)生從Femto Cell到Macro Cell的切換;③UE當(dāng)前的服務(wù)小區(qū)為Femto Cell,下一時(shí)刻UE移動(dòng)進(jìn)入鄰居Femto Cell,此時(shí)產(chǎn)生從Femto Cell到Femto Cell的切換。提出的自適應(yīng)切換算法偽代碼如表1所示。
表1 切換算法的偽代碼
3.1 仿真場(chǎng)景
本部分采用LTE-Sim仿真平臺(tái)[13]對(duì)所提出的切換算法進(jìn)行了驗(yàn)證,并與基于RSS的切換算法[14]、基于信號(hào)質(zhì)量(reference signal quality,RSQ)調(diào)節(jié)HHM的切換算法(RSQ-HHM)[15]進(jìn)行了對(duì)比,性能指標(biāo)分別為總切換次數(shù)、不必要切換次數(shù)、系統(tǒng)吞吐量。其中基于RSS的切換算法中UE通過接收到的來自目標(biāo)小區(qū)和當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度與相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度閾值比較來進(jìn)行切換判決,該算法沒有考慮HHM的影響;而基于RSQ-HHM切換算法中UE通過結(jié)合HHM比較來自目標(biāo)小區(qū)和當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量以進(jìn)行切換判決,該算法通過信號(hào)質(zhì)量自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM值,但其僅考慮了信號(hào)質(zhì)量參數(shù)。提出的LB-HA切換算法在充分考慮信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí),通過動(dòng)態(tài)變化的綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t)自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM值,并且充分考慮網(wǎng)絡(luò)容量、終端業(yè)務(wù)所需容量、接收信號(hào)強(qiáng)度、速度、業(yè)務(wù)類型等5個(gè)方面因素,以分布式的方式進(jìn)行綜合切換判決。此外,為了驗(yàn)證LB-HA機(jī)制中綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t)對(duì)該切換算法的影響,比較了未帶有負(fù)載均衡指數(shù)的切換機(jī)制(no load balancing adaptive handover algorithm in LTE,NLB-HA)機(jī)制與LB-HA機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)性能,其中NLB-HA機(jī)制與LB-HA機(jī)制的區(qū)別在于前者的HHM值未考慮綜合負(fù)載水平指數(shù)f(t)的影響,其采用固定值,切換判決如式(10)所示,但是也充分考慮網(wǎng)絡(luò)容量、終端業(yè)務(wù)所需容量、接收信號(hào)強(qiáng)度、速度、業(yè)務(wù)類型等5個(gè)方面因素。
本文的切換算法旨在針對(duì)Macro Cell與Femto Cell之間的切換做出仿真。仿真場(chǎng)景設(shè)置為單小區(qū)內(nèi)含有家庭基站。UE隨機(jī)分布在各個(gè)小區(qū)中,并且采用的移動(dòng)模型為隨機(jī)方向移動(dòng)模型。仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。
表2 仿真參數(shù)設(shè)置
3.2 數(shù)值結(jié)果
3.2.1 不同F(xiàn)emto Cell數(shù)量下網(wǎng)絡(luò)的性能
本節(jié)首先對(duì)不同F(xiàn)emto Cell數(shù)量場(chǎng)景下的性能進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,其中UE數(shù)量為80個(gè)。
圖1給出了各機(jī)制的總切換次數(shù)的性能。隨著Femto Cell數(shù)量增加,各種機(jī)制中的總切換次數(shù)明顯地增加。原因是隨著Femto Cell數(shù)量增加,UE在隨機(jī)移動(dòng)過程中,會(huì)有更多的機(jī)會(huì)穿梭在Macro Cell小區(qū)和Femto Cell小區(qū)之間,所以切換次數(shù)會(huì)有明顯的增加。可以看出,LB-HA機(jī)制與NLB-HA機(jī)制明顯優(yōu)于其他兩種機(jī)制,與RRS和RSQ-HHM機(jī)制相比,提出的LB-HA機(jī)制的性能增益分別為78.2%和59.9%。更進(jìn)一步地,考慮了f(t)的LB-HA機(jī)制更優(yōu)于未考慮f(t)的NLB-HA機(jī)制。其主要原因在于RRS機(jī)制單一考慮接收信號(hào)強(qiáng)度的影響,移動(dòng)中的UE會(huì)頻繁地比較服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度,導(dǎo)致頻繁地切換,切換次數(shù)最多;RSQ-HHM機(jī)制在考慮信號(hào)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上通過信號(hào)質(zhì)量自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM值,可以明顯降低切換次數(shù),切換次數(shù)居中;提出的LB-HA切換機(jī)制通過網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡條件f(t)自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM值,通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)之間的信號(hào)強(qiáng)度差閾值來觸發(fā)切換,從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)切換難易程度,控制切換操作次數(shù),使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載均衡穩(wěn)定。并且LB-HA算法綜合考慮了目標(biāo)小區(qū)的剩余網(wǎng)絡(luò)容量與UE所需容量要求以及UE的速度,可以減少由于目標(biāo)小區(qū)過載或者容量不足產(chǎn)生的失敗切換次數(shù)以及由于UE速度過高產(chǎn)生的不必要切換次數(shù),從而有效地降低了總切換次數(shù)。由于NLB-HA機(jī)制的HHM值忽略了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的影響,不能有效抑制一些由于負(fù)載不均衡使得目標(biāo)小區(qū)超載時(shí)產(chǎn)生的失敗切換,所以其性能略低于LB-HA機(jī)制。
圖1 總切換次數(shù)
圖2給出了各機(jī)制的不必要切換次數(shù)的性能。本文在仿真中,將不必要切換定義如下:若UE從Macro Cell(Femto Cell)小區(qū)切換至Femto Cell(Macro Cell)小區(qū)中后在60 s內(nèi)又重新切換回原小區(qū),或者UE在切換程序完成之后15 s內(nèi)中斷服務(wù)。仿真結(jié)果表明并非所有在Macro Cell小區(qū)和Femto Cell小區(qū)間運(yùn)動(dòng)的UE都需要進(jìn)行切換。隨著Femto Cell數(shù)量的增加,各種機(jī)制中的不必要切換次數(shù)明顯地增加。原因是隨著Femto Cell數(shù)量的增加,UE穿梭Femto Cell的概率增加了,總切換次數(shù)增加,從而不必要的切換次數(shù)也隨之增加。可以看出,本文提出的LB-HA機(jī)制與NLB-HA機(jī)制明顯優(yōu)于其他兩種機(jī)制,與RRS和RSQ-HHM機(jī)制相比,LB-HA機(jī)制的性能增益分別為85.3%和74.8%。與前者類似,LB-HA機(jī)制性能優(yōu)于NLB-HA機(jī)制。主要原因在于LB-HA綜合考慮了接收信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、UE速度、業(yè)務(wù)類型等條件,使得切換發(fā)生難度增加,從而抑制了一些不必要的切換,降低了不必要切換次數(shù)。
圖2 不必要切換次數(shù)
圖3給出了各機(jī)制的系統(tǒng)吞吐量的性能。隨著Femto Cell數(shù)量的增加,各種機(jī)制中的系統(tǒng)吞吐量明顯增加。原因是隨著Femto Cell數(shù)量增加,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量隨之增加,UE擁有足夠的物理資源可用,換言之,每個(gè)UE可以分配到足夠的帶寬資源,所以系統(tǒng)的吞吐量隨著Femto Cell小區(qū)數(shù)量增加而增加。可以看出,提出的LBHA機(jī)制與NLB-HA機(jī)制明顯優(yōu)于其他兩種機(jī)制,與RRS和RSQ-HHM機(jī)制相比,LB-HA機(jī)制分別提升了41.5%和19.4%。此外,LB-HA機(jī)制在系統(tǒng)吞吐量方面也優(yōu)于NLB-HA機(jī)制。其主要原因在于其他兩個(gè)算法在隨著Femto Cell小區(qū)數(shù)量增加的同時(shí)不必要的切換發(fā)生得太多,不必要的切換會(huì)占用一定量的物理資源,這些物理資源得不到及時(shí)釋放就導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量存在一定的下降,從而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量有所降低。而提出的LB-HA機(jī)制可以有效抑制部分不必要的切換,從而可以有效避免或者減輕這種危害,使得系統(tǒng)吞吐量有一定的提升。
圖3 系統(tǒng)吞吐量
3.2.2 不同UE數(shù)量下網(wǎng)絡(luò)的性能
另外,對(duì)不同UE數(shù)量對(duì)性能的影響進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,其中Femto Cell小區(qū)的數(shù)量為25個(gè)。
圖4給出了各機(jī)制的總切換次數(shù)的性能。隨著UE數(shù)量增加,各種機(jī)制中的總切換次數(shù)明顯增加。原因是隨著UE數(shù)量增加,在Macro Cell小區(qū)與Femto Cell小區(qū)中穿梭的UE數(shù)量增加,從而導(dǎo)致切換次數(shù)增加。可以看出,提出的LB-HA機(jī)制和NLB-HA機(jī)制明顯優(yōu)于其他兩種機(jī)制,與RRS和RSQ-HHM機(jī)制相比,LB-HA機(jī)制的性能增益分別為74.1%和62.0%。同時(shí),LB-HA機(jī)制性能優(yōu)于NLB-HA機(jī)制。其主要原因在于隨著UE數(shù)量增多,RRS機(jī)制單一的考慮接收信號(hào)強(qiáng)度的影響,UE會(huì)頻繁地比較服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度,導(dǎo)致頻繁地切換,切換次數(shù)最多;RSQ-HHM機(jī)制在考慮信號(hào)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上通過信號(hào)質(zhì)量自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM值,可以明顯降低切換次數(shù),切換次數(shù)居中;提出的LB-HA切換機(jī)制通過網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡條件f(t)自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM值,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)之間的信號(hào)強(qiáng)度差閾值來觸發(fā)切換,從而自適應(yīng)地調(diào)整切換難易程度,控制了切換操作次數(shù),使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載均衡穩(wěn)定。并且LB-HA算法綜合考慮了目標(biāo)小區(qū)的剩余網(wǎng)絡(luò)容量與UE所需容量要求以及UE的速度,可以減少由于目標(biāo)小區(qū)過載或者容量不足產(chǎn)生的失敗切換次數(shù)以及由于UE速度過高產(chǎn)生的不必要切換次數(shù),從而有效降低了總切換次數(shù)。由于NLB-HA機(jī)制的HHM采用固定值,忽略了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的影響,降低了UE切換的自適應(yīng)性,不能有效抑制部分本不需切換的UE產(chǎn)生的不必要切換。所以其性能略低于LB-HA機(jī)制。
圖4 總切換次數(shù)
圖5給出了各機(jī)制的不必要切換次數(shù)的性能。隨著UE數(shù)量增加,各種機(jī)制中的不必要切換次數(shù)也在明顯地增加。原因是隨著UE數(shù)量的增加,在Macro Cell小區(qū)與Femto Cell小區(qū)中來回運(yùn)動(dòng)的UE數(shù)量增加,UE的總切換次數(shù)增加,從而不必要的切換次數(shù)也隨之而增加??梢钥闯?,本文提出的LB-HA機(jī)制與NLB-HA機(jī)制明顯優(yōu)于其他兩種機(jī)制,含f(t)的LB-HA機(jī)制更優(yōu)于不含f(t)的NLB-HA機(jī)制。與RRS和RSQ-HHM機(jī)制相比,LB-HA機(jī)制的性能增益分別為69.4%和50.5%。其主要原因在于,雖然隨著UE數(shù)量的增加切換次數(shù)會(huì)增加,但是LB-HA機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)控各小區(qū)的負(fù)載情況,通過負(fù)載均衡條件抑制了部分從輕載小區(qū)轉(zhuǎn)到過載小區(qū)產(chǎn)生的切換,通過目標(biāo)小區(qū)的剩余網(wǎng)絡(luò)容量條件抑制了部分由于小區(qū)剩余容量不滿足UE所需容量產(chǎn)生的切換,通過UE的速度閾值限制了部分高速用戶產(chǎn)生的切換,以上這3種都屬于產(chǎn)生的不必要切換,LB-HA機(jī)制有效抑制了這些不必要切換,相對(duì)降低了不必要切換次數(shù)。
圖5 不必要切換次數(shù)
圖6給出了各機(jī)制的系統(tǒng)吞吐量的性能。隨著UE數(shù)量增加,各種機(jī)制中的系統(tǒng)吞吐量明顯地增加。原因是在網(wǎng)絡(luò)容量充足的同時(shí),隨著UE數(shù)量增加,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的通信業(yè)務(wù)量隨之增加,網(wǎng)絡(luò)容量得到充分利用,所以系統(tǒng)的吞吐量隨著UE數(shù)量增加而增加。可以看出,提出的LB-HA機(jī)制與NLB-HA機(jī)制明顯優(yōu)于其他兩種機(jī)制。與RRS和RSQ-HHM機(jī)制相比,LB-HA機(jī)制分別提升了38.6%和17.4%。其主要原因在于其他兩個(gè)算法在隨著UE數(shù)量增加的同時(shí)不必要的切換次數(shù)也增加,不必要的切換會(huì)使得切換失敗并占用了切換資源,導(dǎo)致部分由于信道質(zhì)量惡化本應(yīng)該得到切換的UE得不到及時(shí)切換,使得這些UE的服務(wù)質(zhì)量下降,甚至?xí)捎谛诺蕾|(zhì)量惡化而處于“餓死”狀態(tài),這就將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量存在一定的下降。而提出的LB-HA算法可以有效抑制了部分不必要的切換,從而可以有效避免或者減輕這種危害,使得系統(tǒng)吞吐量有一定的提升。
圖6 系統(tǒng)吞吐量
為了降低用戶在Macro Cell/Femto Cell雙層蜂窩網(wǎng)絡(luò)間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻繁切換和不必要切換次數(shù),提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量,提出了一種帶有負(fù)載均衡機(jī)制的LTE自適應(yīng)切換算法。該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)載水平自適應(yīng)調(diào)節(jié)HHM,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的剩余資源容量、用戶所需資源容量、接收信號(hào)強(qiáng)度、速度、業(yè)務(wù)類型等條件進(jìn)行綜合切換判決。仿真結(jié)果表明所提出切換算法能夠有效地降低切換次數(shù)和不必要切換次數(shù),以及提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐量。
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Load balancing adaptive handover algorithm in LTE
WANG Ru-yan,ZHOU Xiao-jun,WU Da-peng
(Broadband Ubiquitous Network Research Laboratory,Chongqing Univercity of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)
The frequent and unnecessary handovers caused by the movement of user equipment(UE)between Macro Cell and Femto Cell will reduce the quality of service(QoS)of UE and network throughput.A load balancing aware handover algorithm in long term evolution(LTE)is proposed,which adaptively updates handover hysteresis margin according to the comprehensive load level of network.Furthermore,multiple parameters are comprehensively exploited to make the handover decision,such as the residual resource capacity of network,required resource capacity of UE,receiving signal strength,service type.Eventually,simulation results show that the proposed algorithm can effectively reduce the handovers and unnecessary handovers,thus the network throughput can be improved.
Macro Cell;Femto Cell;load balancing;handover
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.09.30
王汝言(1969-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)榉涸诰W(wǎng)絡(luò)、全光網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、多媒體信息處理。
E-mail:wangry@cqupt.edu.cn
周曉軍(1988-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)長TE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換策略。
E-mail:hengheart@163.com
吳大鵬(1979-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)榉涸跓o線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量管理。
E-mail:wudapengphd@gmail.com
1001-506X(2015)09-2156-08
2014-09-24;
2014-12-11;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2014-12-11。
網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141211.1524.002.html
國家自然科學(xué)基金(61371097);重慶市自然科學(xué)重點(diǎn)基金(CSTC2013JJB40001,CSTC2013JJB40006);重郵青年自然科學(xué)基金(A2012-93)資助課題