TD-LTE负载均衡技术初探

陈其铭，毛剑慧

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623 2.中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

TD-LTE负载均衡技术初探

陈其铭1，毛剑慧2

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623 2.中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

通过对TD-LTE系统负载均衡技术的基本原理、关键算法和流程进行详细介绍，论述了适于TD-LTE系统的小区负载评价准则，给出了当前主流设备厂商对该技术的支持情况和典型场景下外场测试结果，并提出了后续优化建议。

TD-LTE 负载均衡 小区负载评价准则

1 引言

近年来，我国移动通信网络技术发展进入了快车道。TD-LTE是我国自主知识产权3G制式TDSCDMA的后续演进技术。它通过OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）等先进技术的应用，可以为用户提供超过100Mbps的下行峰值速率，极大地提升用户的数据业务使用感受[1]。作为首个我国自主创新并成为国际主流的移动通信标准，TD-LTE得到了国家的大力支持和推广，工信部将2 500—2 690MHz共190MHz频率都划分给了TD-LTE，为TD-LTE未来的发展打下了良好的基础。

对TD-LTE相关技术的研究已经成为业界的热点。随着TD-LTE网络的大规模建设和商用，关于TD-LTE负载均衡技术的关注也越来越多[2-5]。其中大多数为负载均衡理论算法和仿真性能的论述，而对当前网络设备对该技术的支持情况以及外场实测的性能提升效果则未有提及。

本文说明了TD-LTE系统负载均衡技术的原理、算法和流程，论述了适于TD-LTE系统的小区负载评价准则，给出了当前主流设备厂商对该技术的支持情况和典型场景下外场测试结果，提出了后续优化建议，可供从事TD-LTE网络规划和优化的相关人员参考。

2 负载均衡原理

在移动蜂窝网络中，由于移动业务的突发性和用户移动的随机性，存在负载不均衡问题。即在某一时段内，系统中某些小区的资源利用率、用户数或需求的服务量远大于同覆盖的邻区，导致这些小区内的用户体验较差或是小区的服务拒绝率较高，而周边邻区网络资源没有被完全利用的情况[2]。

TD-LTE同样存在这一问题。而且由于TD-LTE频谱资源丰富，未来TD-LTE系统必将出现多个频点覆盖同一区域的情况。根据3GPP规范，在LTE系统中，一个频点就是一个小区。因此，小区间负载均衡将是TD-LTE频谱资源得以充分利用的关键因素。

负载均衡算法的基本思路是：当小区负载超过警戒值时，通过负载均衡操作（一般是用户切换）将重负载小区中部分用户转移到轻负载的邻小区中，实现小区间负载均衡，从而提高热点小区或拥塞小区中用户的体验，优化网络性能。算法的关键在于如何通过一定的负载评价准则准确地判断小区的负载状态。

2.1 负载评价准则

负载评价准则是用来描述小区资源使用情况的方法和原则。在传统的基于电路域交换的蜂窝移动通信系统中，业务类型简单，且由专用信道资源进行承载，小区负载通常是用信道利用率和呼叫阻塞概率来进行评估。而在基于分组交换的LTE系统中，由于使用的是共享信道，且同一用户可以同时使用话音、上网等多种业务，不同业务对QoS（Quality of Service，服务质量）要求不同，从而对资源占用要求差异很大，因此简单地以小区实际网络资源占用情况来评价小区负载状况是不够准确的。

目前，业界对LTE系统的负载评价准则正在广泛讨论，还没有一个通用的评价准则。笔者认为应针对TD-LTE系统的不同业务，对小区负荷进行综合评价。

根据Q o S不同，L T E业务可以分为G B R（Guranteed Bit Rate）业务和Non-GBR业务这2类。对于GBR业务，网络将保证分配足够的资源，即使在网络资源紧张的情况下，GBR业务的传输速率也能够保持。相反的，网络对Non-GBR业务则采用“尽力而为”的资源分配原则，在网络空闲时，网络可将所有空闲的网络资源都分配给该业务，该业务的传输速率可以远超其最低要求；而在网络拥挤的情况下，该业务原占有的网络资源可能被“抢夺”，传输速率无法得到保证。

因此，TD-LTE系统的小区负载可评估如下：

小区负载=(∑GBR业务资源占用量+∑Non-GBR业务资源占用量)/小区总资源量 （1）

PRB（Physics Resource Block，物理资源块）是TD-LTE系统小区无线资源的最小单位。对于GBR业务，由于网络需要保障其业务速率，分配给它的PRB就是这一业务的实际资源需求，因此GBR业务资源占用量可用它实际占用的PRB数量来表征。对于Non-GBR业务，由于其“尽力而为”的特性，实际占用的PRB数量并不与它实际需求的资源相同，因此评估小区容量时，Non-GBR业务的资源占用量不能简单地用实际分配给它的PRB数量进行表征，需要进行换算。可考虑基于该Non-GBR业务的QCI（QoS Class Identifier，QoS等级标识）对应的最低用户体验速率，推算出最小需求的PRB数量，即为该Non-GBR业务的资源占用量，其中最低用户体验速率可以根据现网业务等级等方面进行灵活配置。该算法综合考虑了LTE业务的不同QoS要求和资源共享特性，能比较准确地反映出小区的实际负荷水平。

2.2 LTE负载均衡流程

负载均衡的大致流程如图1所示。

负荷均衡针对的是激活态的UE，其过程一般包含3个阶段：测量、判断和执行。

（1）测量阶段主要是测量小区内的负荷情况，同时通过小区之间的接口获得邻区（包括同覆盖、包含、被包含和相邻）的负荷信息。

（2）判断阶段是根据测量值，判断本小区是否需要执行负荷均衡，若需要则执行第3个阶段操作，否则小区将重复前两个阶段对系统执行实时监控。

图1 负载均衡流程示意图

（3）在执行阶段，高负荷的小区要选择合适的UE切换到低负荷小区，使得区域内各个小区的负荷相当。

3 厂家支持情况和测试结果

3.1 厂家支持情况

经过调研和测试，目前主流无线设备厂家均已支持负载均衡功能。

3.2 测试场景和方法

选择一般城区场景进行测试，周围是居民楼、商铺和医院。该区域由TD-LTE的2个不同频点（记为D频点、F频点）的小区重叠覆盖，空闲态频率驻留优先级设置为D频点优先。负载均衡设置为当主小区PRB利用率超过70%，则开始进行负载均衡操作。采用10部测试终端，在测试区域内分别采用用户均匀分布（好/中/差点终端数量比例为3:4:3）和好点集中分布（好点10个终端）这2种情况进行测试，观察负载均衡功能关闭和开启时D、F小区的连接用户数。

3.3 测试结果

实测结果具体如表1所示。

由此可见，通过开启负载均衡，无论用户是均匀分布还是集中分布，TD-LTE双频网络无线资源分配更为合理，总吞吐量均得到了提升。在用户集中分布时，提升效果更为明显。

3.4 后续建议

经过测试和调研发现，虽然各主流厂商均已实现负载均衡功能，但仍存在以下问题：

（1）不同设备厂家对负载评价准则的理解和负载信息参数不完全一致。

（2）用户选择算法过于单一，未结合QCI类型、用户等级、用户位置信息等方面进行综合考虑。

为了更好地发挥负载均衡功能，后续应该在负载评价以及用户选择算法方面继续优化，实现异厂家负载均衡，满足实际商用的需求。

4 结束语

负载均衡是TD-LTE网络充分发挥频率资源优势的重要功能，目前主流的无线设备厂商都已支持。本文在详细说明了负载均衡的基本原理、算法和流程的基础上，给出了典型场景的外场测试结果，对现有TDLTE设备负载均衡功能对网络性能的提升效果进行了验证。

测试结果表明，现有TD-LTE设备已具备负载均衡功能。建议在体育馆、大剧院等话务热点开启负载均衡功能，从而 提升网络性能和用户感知，并总结应用经验，为后续大规模开启该功能做好准备。

表1 负载均衡测试情况

[1] 沈嘉,索士强,全海洋,等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008.

[2] 王浩,李知航,潘志文,等. LTE网络中具备QoS保障的动态负载均衡算法[J]. 中国科学: 信息科学, 2012,42(6): 674-686.

[3] 覃武凌,彭木根,张洪岩,等. LTE-Advanced系统中的移动负载均衡算法研究[J]. 移动通信, 2013(7): 69-73.

[4] 刁枫. LTE网络负载均衡技术研究[J]. 通信与信息技术, 2012(3): 58-60.

[5] 黄妙娜,冯穗力,陈军,等. LTE网络中多目标优化的动态负载均衡算法[J]. 电子与信息学报, 2014,36(9): 2152-2157.★

Preliminary Study on Load Balancing in TD-LTE Networks

CHEN Qi-ming1, MAO Jian-hui2

(1. China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou 510623, China; 2. Research Institute of China Mobile Co., Ltd., Beijing 100053, China)

In this paper, the basic principles, key algorithms and their fl ows of load balancing technique in TD-LTE networks were expounded. Then, cell load evaluation criteria suitable for TD-LTE system were discussed. Further, the newest supports of mainstream vendors to this technique and the outfield test results in typical scenes were presented. Finally, follow-up optimization recommendations were put forward.

TD-LTE load balancing cell load evaluation criteria

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.08.010

TN929.53

A

1006-1010(2015)08-0048-03

陈其铭,毛剑慧. TD-LTE负载均衡技术初探[J]. 移动通信, 2015,39(8): 48-50.

2015-01-21

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn