负载均衡切换信令是如何工作的？

负载均衡切换信令

背景介绍

随着智能终端和移动设备的快速增长，对于移动数据流量的需求急剧增加，超密集无线网络成为增加网络容量、满足用户需求的有效途径，在超密集网络中，用户移动不仅存在频繁的越区切换问题，还会导致网络的负载发生变化，影响用户的服务质量（Quality of Service, QoS），如何设计合理的切换策略，减少用户移动过程中的切换次数并保证用户体验成为亟待解决的问题。

基本概念

切换策略：为了避免频繁切换导致的乒乓效应，切换策略为当用户在触发时间（Time To Trigger, TTT）内持续满足切换条件才进行切换，现有的文献针对越区切换展开了大量研究，主要通过优化触发门限、偏置参数以及触发时间来提升切换性能。

负载均衡技术：有一些研究进一步根据用户的接收信号强度并结合负载状态来设计切换策略，也称为负载均衡技术，文献[5]根据小区的负载量大小来选择用户进行切换；文献[6]综合分析了切换算法中切换参数值、用户移动速度和小区负载对用户掉线率的影响，提出了一种结合用户移动速度和小区负载的切换优化算法。

主动切换策略：随着无线大数据和人工智能的快速发展，用户未来时刻的移动轨迹是可以预测的，因此可以利用预测信息来设计主动切换的策略，与传统的被动切换策略相比，主动切换无需再等待TTT时间，可以有效降低切换时延，提升用户切换时的QoS。

面向负载均衡的主动切换策略

本文提出了面向负载均衡的主动切换策略，主要贡献如下：

1、干扰协调策略：考虑到用户在小区边缘进行切换时会受到很强的小区间干扰，本文引入了干扰协调策略，通过优化小区中心到小区边缘的切换门限，可以在保证用户需求的情况下降低系统总开销。

2、基于网络负载优化切换门限：为了保证用户在移动过程中的QoS，根据网络负载优化用户在相邻两个小区的切换门限，通过提前或滞后的切换可以有效平衡负载。

3、预测用户未来大尺度信道信息：通过预测用户未来大尺度信道信息来设计主动的双门限切换策略，可以有效降低切换延迟。

系统模型

考虑一个多小区多用户网络，研究区域中有G个多天线的基站服务K个单天线的用户，每个基站有M个天线，用户单天线，假设用户请求有最小数据率需求的实时业务，对于第k个用户（记为UEk）需求的最小数据率为Rmin，根据信道的相干时间Δs（例如10 ms）把时间划分成多个时隙，瞬时信道增益（也称为小尺度信道增益）在每个时隙内保持不变，在不同的时隙发生变化，假设平均信道增益（也称为大尺度信道增益）在一个帧内的多个时隙保持相同，在不同的帧发生变化，考虑每个帧包含Tt个时隙，那么每个帧的长度为Δf=TtΔs（例如1 s），系统带宽记为B，单位资源块（Resource Block, RB）的带宽为ΔB，则系统在每个时隙可用RB总数为N=B/ΔB，可用RB的集合记为在第f帧内，第t个时隙，第k个用户与第g个基站（记为BSg）在第n个RB的瞬时信道响应可以表示为满足：

[ h_{gkn}^{(f,t)} = sqrt{β_{gkn}^{(f)}} cdot g_{gkn}^{(f,t)} ]

其中表示在第f帧内BSg到UEk的平均信道增益，β表示路径损耗因子表示UEk和BSg之间的距离，表示阴影衰落，是一个零均值、标准差为σX的高斯随机变量，令表示平均信道增益的对数形式，则有：

[ β_{gkn}^{(f)} = 10^{frac{PL(d_{gkn})}{10}} ]

移动切换和资源分配

为了避免用户频繁更换接入基站，我们假设用户每一帧接入的基站表示不变，用二元变量表示是否在第f帧把UEk从BSi切换到BSj（i≠j，i, j=1,…,G），因此称为切换变量，当用户切换接入基站之后，BSi和BSj的用户集合和可以表示：

[ C_{gi}^{(f)} = { k | f_{text{switch}}(k, i, j) = 1, text{for} ; t = 1, ldots, Tt } ]

[ C_{gj}^{(f+1)} = C_{gi}^{(f)} cup { k } ]

其中符号表示集合和的并集，表示从集合中去掉集合的元素，当确定接入基站之后，系统还需要为用户分配资源由于资源分配与小尺度信道增益密切相关，需要优化每个时隙的资源分配结果因此采用二元变量表示是否在第f帧内第t个时隙把第n个RB分给UEk，分给用户的RB个数不能超过可用的RB总数因此资源分配变量需要满足：

[ sum_{k=1}^{K} r_{kn}^{(f,t)} leq N, quad forall n in [1, N], quad t in [1, Tt], quad f in [1, F] ]

当UEk接入BSg,并且时，UEk的接收信号可以表示为：

[ y_{gkn}^{(f,t)} = sqrt{P_l} cdot h_{gkn}^{(f,t)} x_{kn}^{(f,t)} + z_{kn}^{(f,t)} ]

其中表示发送给UEk的信号，表示BSg服务UEk的预编码向量Pl,g表示BSg给UEk的发射功率考虑用户间等功率分配有表示BSg的最大发射功率表示BSg在第n个RB上服务的用户个数表示接收噪声为零均值方差为的高斯随机变量，为了消除小区内多用户干扰基站采用迫零预编码并限定小区每个RB上的最大接入用户数满足其中不超过基站的天线数个数M因此资源分配变量还满足：

[ sum_{k=1}^{K} r_{kn}^{(f,t)} leq M, quad forall n in [1, N], quad t in [1, Tt], quad f in [1, F] ]

用户性能

根据上述公式可以得到UEk的信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）为：

[ text{SINR}_{gkn}^{(f,t)} = frac{P_l cdot |h_{gkn}^{(f,t)}|^2}{sigma^2 + P_l cdot sum_{i=1, i

eq k}^{K} |h_{gin}^{(f,t)}|^2} ]

根据该公式UEk在第f帧的第t个时隙的瞬时数据率可以表示为：

[ R_{gkn}^{(f,t)} = Delta B log_2 (1 + text{SINR}_{gkn}^{(f,t)}) ]

对于实时业务用户要求在第f帧的第t个时隙的瞬时数据率满足：

[ R_{gkn}^{(f,t)} geq R_{min} ]

当实际的瞬时数据率低于用户的最小数据率需求时则出现服务中断因此UEk在第f帧的平均掉线概率可以表示为：

[ P_{kg}^{(f)} = frac{1}{Tt} sum_{t=1}^{Tt} 1(R_{gkn}^{(f,t)} < R_{min}) ]

其中1(·)表示指示函数。

系统性能

本文在移动切换时还考虑对负载平衡的影响因此使用RB资源占用率（Physical Resource Block Usage, PRBU）来评估各个小区的负载是否均衡，在第f帧BSg的资源占用率可以表示为：

[ text{PRBU}_g^{(f)} = frac{1}{Tt cdot N} sum_{t=1}^{Tt} sum_{n=1}^{N} sum_{k=1}^{K} r_{kn}^{(f,t)} ]

此时系统的总RB占用率为：

[ text{Total PRBU}^{(f)} = frac{1}{G} sum_{g=1}^{G} text{PRBU}_g^{(f)} ]

面向负载均衡的主动切换策略

传统的移动切换主要根据信道增益的变化指定切换策略即当即将接入基站的平均信道增益超过当前连接基站的平均信道增益一段时间后执行切换，考虑到用户切换不仅会影响到不同基站的负载量变化而且负载程度不同的基站能

LTE系统内负载均衡

按照邻区所归属的BBU不同可分为同基站邻区、跨基站邻区，同基站邻区和服务小区的负荷由同一个CC板进行计算因此邻区的负荷获取不是问题，对于跨基站邻区负荷源基站则需要通过X2口resource status report过程与目标邻区所归属的基站进行交互来获取，LTE系统内基于测量的负荷均衡服务小区及其邻区的负荷情况是不断变化的因此负荷均衡模块周期性的监控和测量小区的负荷状态，此功能有三种状态：负荷均衡功能关闭负荷均衡功能打开（基于UE盲切换方式）负荷均衡功能打开（基于UE测量切换方式），在一般情况下ZTE负荷均衡功能可以被划分为三个阶段：测量阶段判决阶段执行阶段，在测量阶段负荷均衡模块持续监控和更新服务小区的负荷状态和相邻小区的负荷状态，如果存在X2接口每5秒通过X2接口获取异站邻区负荷信息（该时间在后台可配置默认值是5秒）或者通过内部消息获取同基站邻区负荷信息，在判决阶段负荷均衡模块根据测量阶段收集的测量信息判断服务小区是否是处于高负荷状态，如果服务小区处于高负荷状态负荷均衡执行阶段将被触发，否则会重复进行负荷测量阶段和判决阶段，在执行阶段对于基于UE测量切换方式服务小区中的某些用户设备被选中去执行A4（LTE内的负荷均衡）根据UE的测量结果将选出用于切换的UE切换到低负荷邻区，对盲切换的方式UE直接被切换到低负荷的邻小区，无线资源负荷是这个阶段进行负荷均衡唯一要考虑的因素，LTE系统内盲负荷均衡负荷均衡可以采用不让UE进行A4测量直接切换的方式进行，此种情况下的负荷均衡功能开关状态如下：负荷均衡算法开关被设置为“opened based on blind HO”，当负荷均衡定时器超时服务小区激活UE数大于1执行下一步，否则等待下一个负荷均衡周期开始，如果小区满足条件LB_COND1执行下一步，否则回到第一步等待下一个负荷均衡周期开始，按照2.2.1.1.1节描述如果可以在同基站中获取到用于负荷均衡的服务小区执行下一步，否则回到第一步等待下一个负荷均衡周期开始，按照2.2.1.1.2节描述获取UE列表，然后用选中的10个目标UE执行对所有相邻小区A4测量（如果目标UE列表中的UE数目小于10个所以让所有在目标UE列表中的UE去执行A4测量），当UE上报了A4测量报告后按照2.2.1.1.3中方法获取切换目标邻区列表，根据2.2.1.1.4节中描述执行负荷均衡降负荷操作，当前负荷均衡周期结束回到第一步等待下一个周期开始。

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