网络负载均衡技术对HRPD网络的性能提升

阮恭勤，王月珍，尹 珂，梁健生

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 引言

随着移动通信的快速发展，特别是3G网络和智能终端的迅速普及，中国电信集团公司 （以下简称中国电信）HRPD网络的用户数呈现不断上升的趋势，这种趋势造成数据业务量的快速增长，并加重网络负荷。为了提升网络容量，改善用户体验，中国电信开展了HRPD智能网络关键技术的研究与试验，其中的网络负载均衡（NLB）技术能有效地改善网络负载不均衡的情况。

目前，现网普遍存在网络负载不均衡现象，这种现象主要表现为重负载小区通常被相邻的轻负载小区所包围，而且这种不均衡性会随着时间、用户行为、用户分布等因素的变化而变化。NLB技术的提出正是为了改善这种网络负载不均衡现象，该技术充分考虑了相邻各个扇区的网络负载情况，并结合终端的无线环境因素，实现扇区内和扇区间的资源优化配置，通过降低网络负载不均衡性提升用户体验。本文首先介绍NLB技术的基本原理，再通过将NLB技术运用在HRPD现网环境下评估对网络的性能提升。

2 NLB技术基本原理

网络负载均衡技术通过将边缘用户从重负载扇区转移到轻负载扇区来提升整个网络的容量。图1给出了NLB技术原理的示例，对于相邻小区的负载不均衡情况，虽然高负载服务小区——扇区2的信噪比较高（可以从DRC（数据速率控制）申请速率判断出），但小区下的服务用户数较多，网络负荷较重（负载为80%），因此，单用户分配到业务时隙也较少，如图1中边缘用户的实际速率只有61 kbit/s；相反，虽然低负载邻区扇区1的信噪比相对低，但是该小区负载较轻，因此通过NLB技术将终端从扇区2转移到扇区1能有效提升用户的实际速率，如图1中边缘用户的实际速率提高到124 kbit/s。这样，不仅该终端的用户体验得到改善，其原来在重负载服务小区——扇区2所占用的时隙被释放给其他终端，从而提高了整个网络的性能。

图1 NLB技术示意

NLB技术的实现方式可分为BSC判决方式和终端判决方式。通过BSC判决的NLB实现方式支持现网终端，而通过终端判决的实现方式需要新终端的支持。目前CDMA网络暂时没有支持该实现方式的终端，因此，本次现场试验只采用BSC判决方式的NLB技术，NLB由网络BSC根据基站负载信息及终端的信噪比进行计算，进而控制终端与哪个基站进行数据收发。

图2为BSC判决方式的NLB技术具体实现过程。假设BTSA为终端的当前服务基站小区，BTSB为相邻的激活集小区，其中Neff值通过测量小区的等待调度用户数得到，因此，Neff值的大小表示小区负荷程度的大小。图2中BTSA的负载（Neff=4X）比BTSB的负载（Neff=X）重。

过程1：BTSA和BTSB定期测量小区的Neff值，并上报给 BSC；BSC向终端发送路由更新请求 （route updaterequest）消息，终端通过路由更新响应 （route update response）消息上报激活集导频Ec/Io信息。

图2 NLB原理——BSC判决方式

过程2：BSC根据上报的Ec/Io估计终端激活集每个小区的SINR值，计算该终端在激活集扇区的Metric=SINRNeff。Metric表示终端选择某扇区时可达到的实际速率。假如Metric最大的扇区不是目前服务扇区，BSC就可以考虑把该终端从目前的扇区转移出去。

过程3：BTSA的Metric小于BTSB时，则BSC指示BTSA该终端的DRCLock应该为0。在终端检测到BTSA的DRCLock=0之后，就会切换到BTSB作为服务扇区。

从NLB技术原理可以看出，终端在选择服务小区时，除了考虑激活集小区的无线环境外，还结合了Neff负载信息，这样在负载不均衡场景下，能有效地平衡相邻基站小区的无线资源，使系统达到最优配置，从而实现网络负载均衡。

3 NLB技术的性能分析

为了验证NLB技术在现网下的实际性能提升效果，选取某城市进行现网试验，分别统计NLB技术在该城市开启前后各一周的所有载扇的吞吐量、Neff等指标，数据采样的时间间隔为每半小时统计一次。通过对NLB开启前后的数据进行分析对比，可以评估NLB技术对HRPD网络的性能提升情况。

NLB功能主要是通过将边缘用户从重负荷载扇转移到轻负荷载扇，改善重负荷载扇的网络负荷，提升整体性能。通过图3的算法评估整网重负荷载扇的改善效果，评估方式有网络容量增益和用户体验增益。

图3对网络容量增益和用户体验增益的评估方法可分为如下3步进行。

图3 网络容量增益与用户体验增益的评估方法

（1）首先采用滑动窗口对各个载扇侧指标进行统计，滑动窗口的好处是能有效地、平滑地处理短时间内由现网波动引起的评估误差，降低了现网波动对NLB性能评估的影响。如选取10 h的滑动窗口，相应的时间段为：6:00-16:00、7:00-17:00、…、14:00-24:00。

（2）在每次滑动窗口采集数据指标后，分别计算平均吞吐量和平均BDR（表示用户速率），平均吞吐量是通过对滑动窗口所包含的时间段内，整网所有载扇的吞吐量平均计算得到；平均BDR计算是先通过Neff值对所有载扇的半小时采样点进行由高到低排序，再选取排名靠前的重负荷载扇，且这些载扇的总吞吐量占整网吞吐量的Y%，计算这些重负荷载扇的BDR，其中BDR=吞吐量/Neff，并对所有计算得到的BDR取平均。

（3）根据上述计算得到平均吞吐量和平均BDR，可以画出BDR和吞吐量的关系曲线。通过NLB开启前后的BDR随吞吐量变化的关系曲线，评估网络容量增益和用户体验增益。网络容量增益的评估方式：固定BDR值，计算在相同BDR（即用户速率不变）的情况下，网络吞吐量的变化情况。用户体验增益的评估方式：固定吞吐量值，计算在相同吞吐量值（即网络容量不变）的情况下，BDR的变化情况。

选取滑动窗口大小为10 h，吞吐量占整网吞吐量30%的情况，BDR随吞吐量变化的关系曲线如图4所示。

图4中虚线为NLB功能打开前的关系，实线为NLB打开后的关系。根据图4的关系曲线，可以得出如下的网络容量增益和用户体验增益。

网络容量增益：

·BDR为900 kbit/s时，网络吞吐量从242 Mbit/s到280 Mbit/s，容量增益为16%；

·BDR为950 kbit/s时，网络吞吐量从 222 Mbit/s到

图4 滑动窗口10 h，吞吐量30%的重负荷载扇BDR随吞吐量变化的关系曲线（数据来源：高通）

表1 NLB开启前后，不同N eff值的载扇数变化情况

260 Mbit/s，容量增益为17%；

·BDR为1 050 kbit/s时，网络吞吐量从185 Mbit/s增大到220 Mbit/s，容量增益为19%。用户体验增益：

·网络吞吐量为180 Mbit/s时，BDR从1 060 kbit/s到1 100 kbit/s，用户体验增益为3.8%；

·网络吞吐量为220 Mbit/s时，BDR从960 kbit/s到1 050 kbit/s，用户体验增益为9.4%；

·网络吞吐量为260 Mbit/s时，BDR从860 kbit/s到950 kbit/s，用户体验增益为10.5%。

从分析结果可知，开启NLB功能后，对于30%吞吐量的重负荷载扇，网络容量增益约为19%，用户体验增益约为10.5%。表明NLB技术能有效提升重负载扇区的网络容量，并能改善重负载扇区的用户体验。

NLB功能的作用体现在重负荷载扇的Neff值下降 （即载扇负荷降低），对于整网忙时不同Neff值的载扇数变化情况评估，可以统计NLB开启前后，各个Neff值所对应的载扇数变化情况，结果如表1所示。

从表 1中可以得出，NLB开启后，Neff＞1.5的载扇数会下降，0＜Neff≤1.5的载扇数会上升，特别是 2

4 结束语

NLB技术通过轻负载扇区分担重负载扇区的数据业务来提升整体网络的性能，它能平衡相邻小区间的前向链路负荷，提升用户实际的体验速率，终端通过考虑相邻小区负载和无线环境，来选择速率最优的服务小区，从而提升网络容量增益和用户体验增益。从上述对某城市应用NLB技术情况来看，整网30%重负载扇区的用户体验增益约为10%，网络容量增益约为19%，而对于 Neff＞2的重负载扇区，能有效降低其网络负荷。因此，NLB技术能有效地提高HRPD网络的资源利用率，节省频率资源，降低网络运营成本。

1 3GPP2 C.S 0024.cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification,2012

2 3GPP2 A.S 008.Interoperability Specification(IOS)for High Rate Packet Data (HRPD)Radio Access Network Interfaces with Session Control in the Access Network,2006

3 Qualcomm.DO Advanced Smart Networks Overview,2011