基于垂直切换的TD—LTE与LTE—FDD异系统负载均衡算法研究

李永刚+任阳+张治中

【摘 要】为了提高多制式混合组网时的吞吐量和资源利用率，以网络资源利用率为参考对系统内的用户进行异系统垂直切换，从而使混合组网后的系统负载得到均衡。通过该整合系统的仿真，在保证无线链路丢失率不受显著影响的前提下，该方法使得蜂窝小区的平均吞吐率有所提高，并能找到使吞吐率最大时的最佳切换阈值。

【关键词】负载均衡 系统切换 资源块 下行链路

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.015 中图分类号：TN915.81 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）24-0072-06

1 引言

LTE系统同时定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。FDD采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号，发生与接收信道分离到不通的频段上。FDD的频带是成对的频率，用频率进行上下行区分，其单方向的资源在时间上是连续的[1]。TDD在同一频率上接收和发送，但是要用不同时隙来作为时隙信道，上下行方向分配时间资源[1]。市场上，多家全球领先的芯片厂商都在研制同时支持TDD和FDD的产品。这类同时支持LTE-FDD和TDD产品的市场急剧扩大，逐渐完善运营商的自身网络需求，并满足了全球漫游需求。为了融合FDD和TDD的标准，在LTE被提出时，各大运营商就考虑到了将这两个标准予以兼顾，从而吸取了3G的经验教训[2]。未来的移动通信系统将是LTE-FDD与TD-LTE共存的情况，在此种情况下，需对其相互干扰[3，4]以及负载分布情况进行研究。负载分布方面，无论是TD-LTE小区还是LTE-FDD小区，都会存在小区负载过载情况，移动用户的移动特性造成数据流量的不均衡以及随着用户的总量增大，流量负载不仅不均衡还使得网络总负载发生很大变化，负载的不均衡会造成基站为用户分配的信道不均匀，小区内的信道资源极易造成浪费。所以为均衡每个小区的负载量需合理分配网络系统资源，在TD-LTE与LTE-FDD小区基站共址的前提下，用户需在两个系统间根据网络负载情况进行相互切换。

关于负载均衡基本方法的研究，文献[5]提出了LTE-WLAN异构网络的结构框架，并指出未来LTE和WLAN在接入网和核心网的融合方式。文献[6]通过仿真验证了通过WLAN可以降低LTE网络的负载。文献[7]研究了异构网络场景中的不同节能机制，指出低功率基站和WiFi-AP能够提高蜂窝通信系统的能效。文献[8]提出了一种LTE和WLAN异构网络的负载均衡方法，该方法能够通过均衡LTE和WLAN的负载来提高系统的总吞吐量。但其只针对网络中的固定速率（Constant Bit Rate，CBR）业务，而没有考虑非CBR业务对网络吞吐量的影响。文献[9]针对LTE宏微异构基站共存网络，不同类型的基站负载不均衡情况，提出了一种基于最大化凸性利用度函数的负载均衡方法，并给出了非CBR业务使网络资源利用度函数最大的资源分配方式，但该文没有涉及LTE和WLAN异构网络，同时给出的均衡算法求解复杂。

对于CDMA/WLAN混合的异构网络环境，文献[10]设计了在用户接入网络时，需进行联合会话的机制。该机制建立的模型根据CDMA网络里的信干比和中断率、WLAN中的数据包时延和吞吐率等参数来进行会话的接入控制，QoS的状态作为其接入控制的判决依据。然而，网内承载的业务类型、用户的移动特性模型考虑有限，网络的动态变化的问题也未涉及。对于CDMA、WMAN以及WLAN三种不同制式下的异构网络，文献[11]针对该三种制式混合的网络模型研究了非合作博弈的情形下带宽分配，首先文献评估异构网络中的带宽分布状态，对业务的准入的判定根据带宽分布状态的评估结果来进行控制，为新到业务提供QoS要求的带宽服务，但其未给出用户移动时的带宽分布情况。

綜上LTE、WLAN及CDMA系统中的负载均衡方面的文献分析，针对异系统垂直切换机制[12]的负载均衡，迄今还未有文献考虑TD-LTE与LTE-FDD系统间的负载均衡策略及其仿真。本文将在第二部分对情形进行分析，并在第三部分给出算法结构，最后对算法进行仿真分析。

2 资源利用率及负载均衡分析

LTE系统在进行数据传输时，将上行、下行时频域物理资源组成资源块（RB），它是调度的最小单位，由12个连续子载波组成，带宽180 kHz，时域上持续时间为1 ms（1个子帧或2个时隙）。LTE的每一帧的时间长度为10 ms，每一帧共有307 200个采样点，系统根据业务特性以及用户需求分配所需的RB资源。SINR（信干比）可作为TD-LTE中的CQI（信道质量指示）的判别依据之一，SINR对信号的接收有直接的影响，SINR高时有大概率进行正确接收，因此，共享信道中的每个RB所对应的SINR都要进行计算。这样RB就有可能承载数据或者空闲，从而就有了RB资源利用率的量度参数，将此量度参数归一化本文中LTE的负载量。

LTE-FDD与TD-LTE都有各自的双工方式，针对两者不同的双工方式，LTE定义了两种帧结构，由FDD的帧结构可以看到，每一个FDD帧包括20个时隙，编号从0到19，10长度为0.5，每两个连续的时隙构成一个子帧。一帧中共有10个子帧都可用于数据传输，TDD每个帧包含两个半帧，与FDD不同。每帧除了有用于数据传输的子帧外，还有特殊子帧。TDD的帧支持7种不同的配置方式。在每个特殊子帧中DwPTS表示下行导频时隙、GP表示保护时隙和UpPTS表示上行导频时隙。对于每个特殊子帧，DwPTS、GP和UpPTS的总长度都为30 720 Ts=1 ms。每种特殊子帧配置类型都支持5 ms和10 ms的下行到上行切换周期[13]。

TD-LTE与LTE-FDD两系统间的负载量差别过大时，说明其中某个小区负载量过高，小区用户也过于密集，需要将其均衡到另外一个小区中。至此，需设置两个阈值，两系统负载差阈值th1以及其中高负载小区阈值为th2。

在满足th1和th2条件时进行系统的切换，启动切换事件的条件借鉴3GPP标准中定义[14]的异系统切换的B2事件，与3GPP标准中B2事件切换启动条件的阈值1和阈值2不同的是，这里的th1和th2分别为两系统间的负载差和高负载小区负载量。

3 算法实现

根据第二小节的分析，需对基站共址的TD-LTE与LTE-FDD的混合组网系统进行仿真，仿真所用拓扑为呈六边形分布的七基站的蜂窝小区，如图1所示：

3.1 参数设定

TD-LTE的系统带宽为20 MHz，理论峰值速率100 Mbps，LTE-FDD下行峰值速率3.1 Mbps。TD-LTE的eNodeB和LTE-FDD基站发射功率43 dBm，TD-LTE的天线增益17 dBi，LTE-FDD的天线增益0 dBi，天线类型均为全向天线。TD-LTE系统的无线信道大尺度衰落模型采用TS36942模型，调度方式均采取轮询方式，平均每小区用户数为40个，移动速度为3 km/h，用户以1/8的概率接入到LTE-FDD系统，反馈到接收机的时延均为0 ms。仿真时长设为100 s，基站间距离为500 m，共7个基站。

3.2 算法步骤

图2为仿真流程图，算法可分为五步完成。

Step 1：小区检测，LTE-FDD与TD-LTE任两个系统之间重叠覆盖时，两个系统间的平均每用户负载差异大于负载差门限th1，且高负载系统的负载大于负载门限th2，则启动系统间的负载均衡。

Step 2：选择用户。在高负载系统中，随机选择当前信号质量较差的用户（处于小区边缘的用户）。

Step 3：用戶检测。启动低负载系统的测量，若该选择的用户UE此时所在位置满足一定信噪比条件（如A4/B2事件，该用户平均信干比大于阈值3（本次仿真设为0）），则选择该用户进行异系统切换。若不满足，则回到Step 2，选择除此之外的其他UE进行监测。

Step 4：重新监测。切换每一个UE之后，重新对两个系统进行小区检测，检查是否依然满足负载均衡的两个条件，即两个系统间的平均负载差异大于门限th1，且高负载系统的负载大于门限th2。

Step 5：是否继续。若Step 4重新监测之后依然满足负载均衡的两个门限条件，则回到Step 2，若不满足，则说明两个系统的负载已经得到均衡，结束算法。

4 仿真结果分析

网络内数据传输是通过链路层级完成的，处于较底层的链路级仿真输出差错率以及SINR之间互相映射的关系，差错率包括误比特率、误块率或误帧率。本文的仿真需以链路层仿真做基础，链路层仿真的部分结果作为参数，映射到系统级仿真接口上，链路层仿真给出了相应的调制编码，这些调制编码速率对应链路的自适应门限、链路层传输的性能曲线以及传输块的大小容量。

表1是TD-LTE的MCS对照表，TD-LTE通过链路层仿真可得到误块率或误码率曲线，根据误块率曲线获得所规定的误块率所对应的SINR。通过表1查到SINR查到该用户的调制方式以及传输块的大小，吞吐量的值可通过用户传输正确的比特数得到，正确传输的比特数与传输块大小相关。LTE误块率（BLER）或误码率曲线数据文件可以提供给仿真做AWGN信道下的调制方式的估计。LTE中，CQI表用UE的信干比做CQI映射。从10%误块率点得到的（基本上是线性）信干比与误块率之间的映射为相应的CQI。

仿真结果如图3至图8所示，红色曲线为负载均衡之后的性能曲线，蓝色为负载均衡前的性能曲线。仿真的时间为用户完全加入基站后运行100 s，系统可近似进入到稳态过程。用户优先接入到TD-LTE系统，然后根据资源占用情况再进行两系统之间的切换，负载差阈值预设为5%，高负载阈值为80%。

由图3和图4可知，TD-LTE与LTE-FDD重叠覆盖时进行负载均衡，有55 kbps的速率增益，23.83 Mbps的吞吐量增益，启动负载均衡后使得吞吐量提高了41.85%。当系统进入稳态后，启动负载均衡后的吞吐量与平均速率稳定在一个差值内。

图5中，对于系统资源的占用率，LTE-FDD系统将时隙资源（RB）平均分配给在网用户，TD-LTE的RB资源占用率也与UE接入数量有关，初期TD-LTE的UE较多，平均每个UE获得RB资源较少，从而增大了TD-LTE负载量。启动负载均衡后，可以将TD-LTE某些用户切换到LTE-FDD系统中去，使得LTE-FDD系统在启动负载均衡后的RB资源利用率有所提升，但随着时间的推移，RB资源利用率将趋于一个稳态值。

对于链路丢失率RLF，从图6可看出，启动负载均衡前后RLF的变化不是很明显。用户在进行系统之间的切换后，用户被切换到了RB资源相对丰富，信号质量相对较好的异系统中去，从而使得RLF有稍许减低。TD-LTE系统RLF下降了0.01%，LTE-FDD系统的RLF提高了1.07%，启动负载均衡后重叠系统的RLF几乎没保持不变。

本仿真为得到最优的th1和th2值，如图7和图8所示，利用仿真控制模块去测试每个可能的th1和th2。为了减少计算量，首先用设置th1从4%以步长4%变化到20%。th2从50%以步长5%变化到75%。

从图7可以看出th1和th2的吞吐量最佳值分别为4%和85%。这个最优值会根据网络拓扑及每个用户的状态改变而改变，对于图8系统中负载均衡的切换次数，当th1取值较小时，系统的切换次数更高一些，最高切换次数可达10次。

5 结束语

TD-LTE与LTE-FDD重叠的蜂窝小区内，根据资源利用率进行负载均衡时，使得稳态下网络吞吐量及下行数据速率得到了显著提高。另外，算法在有限的范围内选取最优的切换阈值-负载差阈值th1与高负载阈值th2，在有限的范围内选取最优的th1、th2。所找到的th1和th2的取值使得负载均衡后网络吞吐率提高至少41.85%。

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