分类保证不同等级用户服务质量要求的负载均衡优化方法

摘要

本发明是一种移动通信系统中分类保证不同等级用户服务质量要求的负载均衡优化方法，由于考虑到不同业务等级的用户，在进行负载均衡切换时，可以优先保证高等级GBR用户的保障比特率要求，其次提高低等级non-GBR用户实际可得速率，并且分别优先选择占用系统资源数最多的用户来进行负载均衡的切换，因此，大大降低了切换次数，从而降低了系统的信令开销，并降低了GBR用户接入阻塞率，提高了系统资源利用率和系统总吞吐量。

说明书

技术领域

本发明是一种移动通信系统中分类保证不同等级用户服务质量要求的负载 均衡优化方法，属于移动通信中的网络技术领域。

背景技术

在蜂窝移动通信系统中，各小区间的负载往往是不均衡的，有的小区负载比 较高，有的小区负载比较低，从而导致高负载小区无线资源紧张而不能满足用户 的服务质量(QoS，Quality of Service)要求，而在低负载小区，出现了浪费无线 资源的情况。为了提高无线资源的利用率，人们提出了负载均衡算法，即通过将 高负载小区中的边缘用户切换到低负载小区中，实现小区间负载的近似均衡。对 于不同业务类型的用户，负载均衡达到的效果是不同的。对于有保障比特率 (GBR)要求的高优先级用户，应首先满足其保障比特率要求，则负载均衡可以 降低该类业务用户的接入阻塞率；对于没有保障比特率(non-GBR)要求的低优 先级用户，应在满足所有GBR用户的保障比特率要求后，为所有non-GBR用户 按速率公平的原则分配剩余资源，使他们得到相同的实际可得速率，则负载均衡 可以提高繁忙小区中non-GBR用户实际可得速率。现有的负载均衡算法在进行 负载均衡时没有考虑不同优先级的业务，因此不能保证不同业务相应的QoS要 求，从而导致较低的系统资源利用率和高负载小区中较差的用户服务质量。本发 明提出了一种优先保证高等级GBR用户的保障比特率要求，其次提高低等级 non-GBR用户实际可得速率的负载均衡优化方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种移动通信系统中分类保证不同等级用户 服务质量要求的负载均衡优化方法，从而在达到负载均衡的同时，降低了GBR 用户接入阻塞率，提高了系统资源利用率和系统总吞吐量。

技术方案：本发明的目的是提出一种移动通信系统中分类保证不同等级用户 服务质量要求的负载均衡优化方法，包括如下步骤：

第一步，在一个负载均衡周期内，每一个小区对于本小区内不同等级的用户， 按照其相应的保障比特率及最大需求速率要求分配系统资源；

第二步，各基站与其相邻基站交换各自的负载信息，负载信息包括小区内所 有有保障比特率GBR(Guaranteed Bit Rate)用户占用的资源数ρ^GBR及所有没有 保障比特率non-GBR(non Guaranteed Bit Rate)用户占用的资源数ρ^non-GBR；

第三步，对任一小区i，若其内所有GBR用户占用的资源数ρ_i^GBR超过给定 的由运行商根据自己的要求设定的对于GBR用户的负载均衡切换门限ψ^GBR，则 需进行GBR用户负载均衡切换。对于所有处于小区i边缘而且可以切换到相邻 小区中的GBR用户，根据以下公式选择在本小区内占用资源数最多的用户k^·为 首选切换用户

k^·＝arg maxρ_i，k^GBR

其中ρ_i，k^GBR是小区i分配给GBR用户k的资源数，对于首选切换用户k^·， 选择所有满足如下两个条件的相邻小区为备选小区：

条件一：${\mathrm{SINR}}_{{j,k}^{·}}\ge \mathrm{AC}\_\mathrm{threshold}$

条件二：${{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}+{{\rho }_{{j,k}^{·}}}^{\mathrm{GBR}}\le {\psi }^{\mathrm{GBR}}$

其中Ac_threshold是由运行商根据自己要求设定的用户接入门限，是首选切换用户k^·在备选小区j中的信干噪比。条件一即用户k^·在备选小区中 的信干噪比不低于由运行商根据自己要求设定的用户接入门限Ac_threshold； ρ_j^GBR是备选小区j内所有GBR用户占用的资源数，是首选切换用户k^·在 备选小区j中达到其保障比特率要求所需占用的资源数，条件二即用户k^·切换 到任一备选小区后在该小区中占用的资源数与该小区内原有的所有GBR用户占 用的资源数之和不高于该小区GBR用户负载均衡切换门限ψ^GBR。

在所有满足上述条件的备选小区中，根据以下公式选择切换完成后所有 GBR用户占用的资源数最低的小区j^·为目标小区

则将用户k^·由源小区i切换至目标小区j^·；

第四步，在当前的负载均衡周期内，重复第三步，直到小区i内所有GBR 用户占用的资源数ρ_i^GBR低于GBR用户负载均衡切换门限ψ^GBR或没有满足切换 条件的边缘用户(即所有剩余的边缘GBR用户不能同时满足条件一和条件二)， 则小区i停止GBR用户负载均衡切换；

第五步，在当前负载均衡周期内，对于所有小区完成第三，四两步，停止全 网内GBR用户负载均衡切换；

第六步，对于任一小区i，若其中non-GBR用户实际可得速率没有达到用户 需求的最大速率，则需进行non-GBR用户负载均衡切换。对于所有处于小区i 边缘可以切换到相邻小区中的non-GBR用户k，根据以下公式选择在本小区内占 用资源数最多的non-GBR用户k^·为首选切换用户

k^·＝arg max ρ_i，k^non-GBR

其中ρ_i，k^non-GBR是小区i分配给non-GBR用户k的资源数，对于首选切换用 户k^·，选择所有满足如下两个条件的相邻小区为备选小区：

条件三：${\mathrm{SINR}}_{{j,k}^{·}}\ge \mathrm{Ac}\_\mathrm{threshold}$

条件四：$V_{{i,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}<V_{{j,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}$

条件三即首选切换用户k^·在备选小区中的信干噪比不低于运行商根据自己 要求设定的用户接入门限Ac_threshold；是用户k^·在源小区中实际可得 速率，是用户k^·在备选小区j中实际可得速率，条件四即用户k^·在备选 小区中的实际可得速率要大于在源小区中的实际可得速率。

在所有满足上述条件的备选小区中，根据以下公式选择切换完成后总负载最 低的小区j^·为目标小区

$j^{·}=\arg \min ({{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}+{{\rho }_j}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}+{{\rho }_{{j,k}^{·}}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}})$

其中ρ_j^GBR是备选小区j内已有的所有GBR用户占用的资源数，ρ_j^non-GBR是 备选小区j内已有的所有non-GBR用户占用的资源数，是non-GBR用 户k^·在备选小区j中占用的资源数。

则将用户k^·由源小区i切换至目标小区j^·；

第七步，在当前的负载均衡周期内，重复第六步，直到小区i内所有non-GBR 用户达到他们的最大需求速率要求或没有满足切换条件的边缘用户(即所有剩余 的边缘non-GBR用户不能同时满足条件一和条件二)，则小区i停止non-GBR用 户负载均衡切换；

第八步，在当前负载均衡周期内，对于所有小区完成第六，七两步，停止全 网non-GBR用户负载均衡切换，算法结束。

对于GBR用户负载均衡切换时首选切换用户k^·及相应目标小区j^·的选择：

k^·＝arg max ρ_i，k^GBR

$j^{·}=\arg \min ({{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}+{{\rho }_{{j,k}^{·}}}^{\mathrm{GBR}})$

对于non-GBR用户负载均衡切换时首选切换用户k^·及相应目标小区j^·的 选择：

k^·＝arg max ρ_i，k^non-GBR

$j^{·}=\arg \min ({{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}+{{\rho }_j}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}+{{\rho }_{{j,k}^{·}}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}})$

的方法为：首先定义以下变量：

GBR用户k在某一小区i中所占资源数

${{\rho }_{i,k}}^{\mathrm{GBR}}=\frac{{\theta }_k}{B*{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{i,k})}---\left[1\right]$

其中θ_k为GBR用户k的保障比特率要求，B为一个最小资源单位的等价带 宽，SINR_i，k为用户k在小区i中的信干噪比。

对于网络中任一小区i，定义其内所有GBR用户占用的资源数：

${\rho }_i^{\mathrm{GBR}}={\Sigma }_{k=1}^{G_i}{\rho }_{i,k}^{\mathrm{GBR}}---\left[2\right]$

即小区i分配给其内所有GBR用户的总资源数。其中G_i是小区i中所有的GBR 用户；为小区i给GBR用户k分配的资源数。

non-GBR用户k在某一小区i中所占资源数

${{\rho }_{i,k}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=\frac{V_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}}{B*{\log }_2(1-{\mathrm{SINR}}_{i,k})}$

[3]

其中B为一个最小资源单位的等价带宽，SINR_i，k为用户k在小区i中的信干 噪比，为小区i中所有non-GBR用户的实际可得速率，可按下述方法得 到：

对小区i中的每个non-GBR用户k，可测得其在小区i中收到的信干噪比 SINR_i，k，从而可求得其在一个最小资源单位上的实际可得速率

$T_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=B*{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{i,k})$

[4]

求出小区i内所有non-GBR用户在一个最小资源单位上的实际可得速率 的最小公倍数lcm，则由于小区i中所有non-GBR用户要得到相同实际 可得速率，可知任一non-GBR用户k分得的虚拟资源数

${\rho }_{i,k}=\frac{\mathrm{lcm}}{T_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}}$

[5]

则non-GBR用户k实际可以分得的资源数为

${\rho }_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=\frac{\mathrm{Virtual}\_{\rho }_{i,k}}{{\Sigma }_{k=1}^{N_i}\mathrm{Virtual}\_{\rho }_{i,k}}*(S-{\rho }_i^{\mathrm{GBR}})$

[6]

其中N_i是小区i中所有的non-GBR用户，S是小区总资源。

则小区i所有non-GBR用户的实际可得速率可由其任一用户k按下式得到

$V_i^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}={\rho }_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}*T_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}$

[7]

若小区i内所有non-GBR用户的实际可得速率超过其最大需求速率，则将小区i 内所有non-GBR用户的实际可得速率设置为其最大需求速率。

对于网络中任一小区i，定义其所有non-GBR用户占用的资源数：

${\rho }_i^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}={\Sigma }_{k=1}^{N_i}{\rho }_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}---\left[8\right]$

即小区i分给其内所有non-GBR用户的总资源数。

假设小区i中的GBR用户k^·因为负载均衡而切换到目标小区j，为了保证 负载均衡切换的有效性，应满足以下条件：

条件一：${\mathrm{SINR}}_{{j,k}^{·}}\ge \mathrm{AC}\_\mathrm{threshold}$

条件二：${{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}+{{\rho }_{{j,k}^{·}}}^{\mathrm{GBR}}\le {\psi }^{\mathrm{GBR}}$

条件一即用户k^·接收到的备选小区的信干噪比不低于由运行商根据自己要 求设定的用户接入门限Ac_threshold。条件二即用户k^·切换到任一备选小区后 在该小区中占用的资源数加上该小区内原有的所有GBR用户占用的资源数之和 不高于该小区的GBR用户负载均衡切换门限ψ^GBR。

仅当上述条件均满足时，该用户才能进行负载均衡的切换。

假设小区i中的non-GBR用户k^·因为负载均衡而切换到目标小区j，为了保 证负载均衡切换的有效性，应满足以下条件：

条件三：${\mathrm{SINR}}_{{j,k}^{·}}\ge \mathrm{Ac}\_\mathrm{threshold}$

条件四：$V_{{i,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}<V_{{j,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}$

条件三即用户k^·到备选小区的信干噪比不低于由运行商根据自己要求设定 的用户接入门限Ac_threshold。条件四即用户k^·在备选小区中的实际可得速率 要大于在源小区中的实际可得速率，且用户k^·在备选小区中获得的实际可得速 率应由备选小区的剩余资源计算得出，即备选小区内已有的non-GBR用户自身 实际可得速率不下降。

其中用户在源小区的实际可得速率可由[1]～[7]得到。

用户k^·在目标小区j中的实际可得速率可按下述方式求得：

$V_{j{,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=B*{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{j{,k}^{·}})*(S-{{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}-{{\rho }_j}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}})$

[9]

若小区j内所有non-GBR用户的实际可得速率超过其最大需求速率，则将小区j 内所有non-GBR用户的实际可得速率设置为其最大需求速率。注意切换用户k^·在目标小区j内的实际可得速率只取决于目标小区j中的剩余资源数，从而目标 小区j内已有的non-GBR用户自身实际可得速率不下降。

仅当上述条件均满足时，该用户才能进行负载均衡的切换。

有益效果：由于考虑到不同业务等级的用户，在进行负载均衡切换时，可以 优先保证高等级GBR用户的保障比特率要求，其次提高低等级non-GBR用户实 际可得速率，并且分别优先选择占用系统资源数最多的用户来进行负载均衡的切 换，因此，大大降低了切换次数，从而降低了系统的信令开销，并降低了GBR 用户接入阻塞率，提高了系统资源利用率和系统总吞吐量。

具体实施方式

本发明提出了一种移动通信系统中分类保证不同等级用户服务质量要求的 负载均衡优化方法。

以LTE系统为例来给出一种实施例：

首先定义以下变量：

GBR用户k在某一小区i中所占资源数

${{\rho }_{i,k}}^{\mathrm{GBR}}=\frac{{\theta }_k}{B*{\log }_2(1-{\mathrm{SINR}}_{i,k})}---\left[1\right]$

其中θ_k为GBR用户k的保障比特率要求，B为一个最小资源单位的等价带 宽，SINR_i，k为用户k在小区i中的信干噪比。

对于网络中任一小区i，定义其内所有GBR用户占用的资源数：

${\rho }_i^{\mathrm{GBR}}={\Sigma }_{k=1}^{G_i}{\rho }_{i,k}^{\mathrm{GBR}}---\left[2\right]$

即小区i分配给其内所有GBR用户的总资源数。其中G_i是小区i中所有的GBR 用户；为小区i给GBR用户k分配的资源数。

non-GBR用户k在某一小区i中所占资源数

${{\rho }_{i,k}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=\frac{V_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}}{B*{\log }_2(1-{\mathrm{SINR}}_{i,k})}$

[3]

其中B为一个最小资源单位的等价带宽，SINR_i，k为用户k在小区i中的信干 噪比，为小区i中所有non-GBR用户的实际可得速率，可按下述方法得 到：

对小区i中的每个non-GBR用户k，可测得其在小区i中收到的信干噪比 SINR_i，k，从而可求得其在一个最小资源单位上的实际可得速率

$T_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=B*{\mathrm{lon}}_2(1+{\mathrm{SINR}}_{i,k})$

[4]

求出小区i内所有non-GBR用户在一个最小资源单位上的实际可得速率 的最小公倍数lcm，则由于小区i中所有non-GBR用户要得到相同实际 可得速率，可知任一non-GBR用户k分得的虚拟资源数

${\mathrm{Virtual}\_\rho }_{i,k}=\frac{\mathrm{lcm}}{T_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}}$

[5]

则non-GBR用户k实际可以分得的资源数为

${\rho }_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=\frac{\mathrm{Virtual}\_{\rho }_{i,k}}{{\Sigma }_{k=1}^{N_i}\mathrm{Virtual}\_{\rho }_{i,k}}*(S-{\rho }_i^{\mathrm{GBR}})$

[6]

其中N_i是小区i中所有的non-GBR用户，S是小区总资源。

则小区i所有non-GBR用户的实际可得速率可由其任一用户k按下式得到

$V_i^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}={\rho }_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}*T_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}$

[7]

若小区i内所有non-GBR用户的实际可得速率超过其最大需求速率，则将小区i 内所有non-GBR用户的实际可得速率设置为其最大需求速率。

对于网络中任一小区i，定义其所有non-GBR用户占用的资源数：

${\rho }_i^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}={\Sigma }_{k=1}^{N_i}{\rho }_{i,k}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}---\left[8\right]$

即小区i分给其内所有non-GBR用户的总资源数。

假设小区i中的GBR用户k^·因为负载均衡而切换到目标小区j，为了保证 负载均衡切换的有效性，应满足以下条件：

条件一：${\mathrm{SINR}}_{{j,k}^{·}}\ge \mathrm{Ac}\_\mathrm{threshold}$

条件二：${{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}+{{\rho }_{{j,k}^{·}}}^{\mathrm{GBR}}\le {\psi }^{\mathrm{GBR}}$

条件一即用户k^·接收到的备选小区的信干噪比不低于由运行商根据自己要 求设定的用户接入门限Ac_threshold。条件二即用户k^·切换到任一备选小区后 在该小区中占用的资源数加上该小区内原有的所有GBR用户占用的资源数之和 不高于该小区的GBR用户负载均衡切换门限ψ^GBR。

仅当上述条件均满足时，该用户才能进行负载均衡的切换。

假设小区i中的non-GBR用户k^·因为负载均衡而切换到目标小区j，为了保 证负载均衡切换的有效性，应满足以下条件：

条件三：${\mathrm{SINR}}_{{j,k}^{·}}\ge \mathrm{Ac}\_\mathrm{threshold}$

条件四：$V_{{i,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}<V_{{j,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}$

条件三即用户k^·到备选小区的信干噪比不低于由运行商根据自己要求设定 的用户接入门限Ac_threshold。条件四即用户k^·在备选小区中的实际可得速率 要大于在源小区中的实际可得速率，且用户k^·在备选小区中获得的实际可得速 率应由备选小区的剩余资源计算得出，即备选小区内已有的non-GBR用户自身 实际可得速率不下降。

其中用户在源小区的实际可得速率可由[1]～[7]得到。

用户k^·在目标小区j中的实际可得速率可按下述方式求得：

$V_{j{,k}^{·}}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}}=B*{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{j{,k}^{·}})*(S-{{\rho }_j}^{\mathrm{GBR}}-{{\rho }_j}^{\mathrm{non}-\mathrm{GBR}})$

[9]

若小区j内所有non-GBR用户的实际可得速率超过其最大需求速率，则将小区j 内所有non-GBR用户的实际可得速率设置为其最大需求速率。注意切换用户k^· 在目标小区j内的实际可得速率只取决于目标小区j中的剩余资源数，从而目标 小区j内已有的non-GBR用户自身实际可得速率不下降。

仅当上述条件均满足时，该用户才能进行负载均衡的切换。

第一步，在一个负载均衡周期内，每个小区对于本小区内所有GBR用户， 按照最大化最小(max-min)公平的方式分配系统资源，严格保证所有该类用户 的保障比特率要求；对于所有最大需求速率要求的non-GBR用户，以速率公平 的方式分配剩余的系统资源；

第二步，各eNB(E-UTRAN NodeB)通过X2接口，交换各自小区的由公 式[2]定义的所有GBR用户占用的资源数和由公式[4]定义的所有non-GBR用户 占用的资源数信息；

第三步，对任一小区i，根据公式[2]计算其内所有GBR用户占用的资源数 ρ_i^GBR。若其内所有GBR用户占用的资源数ρ_i^GBR超过给定的由运行商根据自己的 要求设定的对于GBR用户的负载均衡的切换门限ψ^GBR，则需进行GBR用户负 载均衡切换，后转入第四步。若其内所有GBR用户占用的资源数ρ_i^GBR小于门限 ψ^GBR，则直接转入第五步；

第四步，在当前的负载均衡周期内，重复第三步，直到小区i内所有GBR 用户占用的资源数低于GBR用户负载均衡切换门限ψ^GBR或没有满足切换条件的 边缘用户，则小区i停止GBR用户负载均衡切换；

第五步，在当前负载均衡周期内，对于所有小区完成第三，四两步，停止全 网内GBR用户负载均衡切换；

第六步，对任一小区i内所有non-GBR用户根据公式[1]～[7]计算其实际可得 速率。若其实际可得速率没有达到用户需求的最大速率，则需进 行non-GBR用户负载均衡切换，后转入第七步。若其实际可得速率达到 用户需求的最大速率，则直接转入第八步；

第七步，在当前的负载均衡周期内，重复第六步，直到小区i中所有non-GBR 用户均达到他们的最大需求速率或没有满足切换条件的边缘用户，则小区i停止 non-GBR用户负载均衡切换；

第八步，在当前负载均衡周期内，对于所有小区完成第六，七两步，停止全 网内non-GBR用户负载均衡切换，算法结束。