4G网络负荷均衡方法研究

王晓刚

（中国联通山西分公司，山西太原030006）

0 前言

当前2I2C业务迅猛增加，为应对流量爆发和节约投资，需要进行4G负载均衡方式的研究。2017年在联通冰激凌、腾讯大网卡等业务的迅猛发展和高流量的拉动下，4G网络业务量快速增长，造成4G网络负荷快速增长，尤其是重点场景局部区域话务过热，导致下载速率降低，用户感知下降，网页打开缓慢，视频缓冲时延大,视频卡顿等。故对多用户重点区域进行负载提升势在必行。

本文研究了用户感知与负荷的关系、负载均衡的方式和流程、负载均衡的规则及评估标准、载波聚合，并通过案例进行阐述，提出了应对4G网络流量增长和效益平衡的方向和措施。

1 研究用户感知与负荷的关系

随着LTE网络负荷的增加，RRC用户数增加，流量增加，下行PRB利用率增加，故分配给每个用户的PRB数相对降低，每个用户的可用资源减少，单用户速率降低，用户感知下降。为研究网络负荷与用户感知的关系，找出影响用户感知的网络负荷节点，包括流量门限、PRB利用率门限、RRC用户数门限，提取山西省多载波站点单用户下行速率、下行流量、RRC平均用户数、PRB利用率，分析结果如下：

a）PRB利用率与单用户下行速率成反比，PRB利用率越大，单用户速率越小；当PRB利用率大于50%，单用户下行速率小于10 Mbit/s。

b）单用户下行速率与下行流量成反比，下行流量越大，单用户速率越小。

c）单用户下行速率与RRC平均用户数成反比，RRC平均用户数越大，单用户速率越小；当RRC平均用户数大于80，单用户下行速率小于10 Mbit/s。

d）单用户下行速率与每带宽承载流量成反比，每带宽承载流量越大，单用户速率越小；当每带宽承载流量大于350 MB，单用户下行速率小于10 Mbit/s。

2 LTE负载均衡原理

2.1 负载均衡流程（爱立信）

为了使不同载波间的负荷均衡，引入IFLB功能，通过迁移连接态的UE达到不同载波负荷分担的作用。

2.1.1 IFLB生效条件

a）要求激活基于覆盖的异频切换（Coverage-Triggered Inter-Frequency Handover）。

b）IFLB涉及的2个站点间要有正常的X2链路（load information进行exchange）。

c）IFLB只能发生在Ericsson的基站上。

d）保证载波间负载均衡功能打开，同站异频邻区互配负载均衡关系（loadBalancing设置为ALLOWED）。

e）激活异频切换功能Intra-LTE Inter-Mode Handover feature，负载均衡能够应用于Inter-Mode（FDD and TDD）。

2.1.2 IFLB处理步骤

负载信息的评估是通过用户负荷（基站内部虚拟运算）开展的，如果主服小区和目标小区的用户负荷相差3%（lbThreshold）即启动负载均衡，当主服小区的RSRP小于-44 dBm（a5Threshold1Rsrp，很容易达到，相当于对主服不设限）且目标小区的RSRP大于-95 dBm（a5Threshold2Rsrp，为了确保目标小区的覆盖良好）即触发负载均衡的实施。

Step1：Load Assessment；依据subscription ratio进行评估。

Step2：Load Information Exchange；负载信息交互通过X2链路进行，一个小区可以收到多个本站/其他站小区的load report；目标小区的选择由参数loadBalancing控制；而且负载信息交互只发生在配置了LB的相关小区上。

Step3：Load Balancing Action；基于收到的load information，源小区决定切换给目标小区负荷的差异化分配。具体依据如下：

a）不同目标小区的负荷差异。

b）载波负荷差（lbThreshold）触发LB的执行。

c）源小区总的卸载量，如果存在多个target cell，那么负载在这些小区间分配。

d）最大load差（lbCeiling）为一个负荷分担周期（15 s）可卸载的最大用户，多余用户等待下一个IFLB周期。

Step4：LB是通过HO来实现的，采用A5事件；如果isHoAllowed设置为FALSE，HO到目标小区是被禁止的；如果目标小区在Handover Restriction List（HRL）中，那么将被禁止切换。

2.2 负载均衡流程（华为）

负载均衡可基于用户数触发，或者基于PRB模式触发。目前现网大部分采用用户数模式触发，即用户数模式满足触发条件，则触发异频负载均衡，且均转移同步态的UE。

2.2.1 触发/停止负载均衡

2.2.1 .1基于PRB模式触发

选择PRB模式触发时，若连续5 s内（可配置）同时满足以下条件，则触发异频PRB利用率负载平衡。

a）小区某类PRB利用率≥异频负载平衡门限（InterFreqMlbThd）+负载偏置（LoadOffset）。

b）小区同步态用户数≥MLB最小用户数门限（MlbMinUeNumThd）+MLB最小用户数偏置（MlbMinUeNumOffset）。

选择PRB模式触发时，若连续5 s（可配置）内满足以下任一条件，则停止异频PRB利用率负载平衡。

a）小区所有PRB利用率类型＜异频负载平衡门限（InterFreqMlbThd）。

b）小区同步态用户数＜MLB最小用户数门限（MlbMinUeNumThd）。

2.2.1 .2基于用户数触发

选择用户数模式触发时，若连续5 s内（可配置），小区同步态用户数≥异频负载均衡用户数门限（Inter-FreqMlbUeNumThd）+负载均衡用户数偏置（MlbUeNumOffset），则触发异频同步态用户数负载平衡。

选择用户数模式触发时，若连续5 s内小区同步态用户数＜异频负载均衡用户数门限（InterFreqMlbUe-NumThd），则停止异频同步态用户数负载平衡。

2.2.2 目标小区选择

eNodeB根据参数异频负载平衡开关（MlbAlgo-Switch）和负载均衡邻区范围（LoadBalanceNCellScope）的配置情况，在异频邻区列表中筛选负载平衡邻区选择范围。目前MlbAlgoSwitch仅选择打开异频负载平衡开关，负载平衡邻区选择范围是：同站重叠覆盖邻区和配置了X2链路的异站重叠覆盖邻区，但后者使用很少，基于现网部署情况，负载均衡更倾向于同站重叠覆盖邻区。

触发负载平衡时启动负载信息交互，对于站内邻区，服务小区从所属eNodeB直接获取邻区的PRB利用率、同步态用户数、传输资源和硬件资源负载信息，而对于站间邻区，服务小区所属eNodeB将对候选邻区中配置了X2链路的异站邻区发起负载信息交互流程，邻区所属基站按照请求消息指示的交互周期回复PRB利用率、同步态用户数、传输资源和硬件资源负载信息。

候选邻区中，能获取到其负载信息的小区即为交互邻区。交互邻区按照部分默认和设定的条件进行筛选，需要注意的是以下条件是需要网络设置的：服务小区与邻小区PRB利用率差值大于负载差门限（Load-DiffThd）的小区，邻区InterFreqMlbUeNumThd-邻区同步态用户数＞0的小区，或者满足（服务小区同步态用户数-邻区同步态用户数）/服务小区同步态用户数＞用户数差值门限（UeNumDiffThd）的小区。然后根据负载均衡频点选择策略（FreqSelectStrategy）的配置选择满足频点要求的小区，形成当前执行周期的目标小区列表。

界面取值范围：公平选择策略（FAIRSTRATEGY）、根据MLB频点优先级选择（PRIORITYBASED）、基于负载的频点优先级（LOADPRIORITY）。

2.2.3 负载均衡执行

UE的选择：UE不处于CA状态，没有建立QCI1的业务，不处于惩罚阶段。转移出的UE个数要小于负载均衡最大切换出用户数。每异频负载评估周期（InterFreqLoadEvalPrd）内转移的最大UE个数不能超过负载均衡最大切换出用户数（MlbMaxUeNum），负载转移时，使用基于测量的EventA4。

当收到的切换请求消息携带的负载平衡切换原因为Reduce load in serving cell时，目标小区不做接纳判断，按照正常切换流程处理。当收到的切换请求消息携带的负载平衡切换原因为Resource Optimisation Handover时，如果目标小区PRB利用率或同步态用户数处于潜在高载状态或者负载平衡触发状态，则目标小区回复切换拒绝响应消息HANDOVER PREPARATION FAILURE，否则按照正常切换流程处理。

2.3 分场景细分多载波策略

2.3.1 带内L1800异频场景

Band3多载波带内异频场景多为室分1650 20M+室分1506 10M，子载波间隔14.4 MHz。

带内L1800异频场景载波策略：带内1650与1506有相同的空闲态重选优先级，空闲态随机驻留；连接态优先级相同；1650与1506互操作方式为异频切换、基于用户数的负载均衡。

2.3.2 带间L1800与L2100异频场景

带间L1800与L2100异频场景多为宏站1650（20M）负责覆盖+宏站375（15M）增加容量。

带间L1800与L2100异频场景载波策略：L1800与L2100有相同的空闲态重选优先级，空闲态随机驻留；连接态优先级相同；L1800与L2100互操作方式为异频切换、基于用户数的负载均衡。

2.3.3 Inter-mode：FDD与TDD负载均衡

FDD与TDD场景适用于：用户集中，容量需求大，需重点解决网络容量问题；FDD已经进行CA扩容，无频率可用，需要使用TDD进行热点业务吸收。

TDD分流策略为：

a）4G用户数多、负荷高已经扩容FDD场景，增加TDD基站。以FDD为主覆盖，TDD吸收热点流量。

b）配置TDD高优先级或等优先级，根据频段的差异，通过设定不同的重选门限，使终端均匀地驻留在TDD/FDD网络。

c）FDD与TDD之间通过连接态负荷均衡+空闲态负荷均衡来调整2张网络间的负荷。当FDD网络负荷较高时，将数据业务均衡到TDD网络上。

d）TDD与FDD互操作方式为：异频切换、基于用户数的负载均衡。

3 负载均衡评估标准

IFLB实现机制：现网设置通过RRC用户数差值判断是否触发负载均衡；当载波1、载波2用户数差值大于设置值，触发IFLB，并通过异频切换进行off loading。

研究方法：使用一周小时级数据，筛选RRC用户数均衡（载波1、载波2RRC用户数差值小于参数设定值）小区，分析其PRB利用率差值。

带内：在RRC用户数均衡的前提下，90%的小区均可满足PRB利用率差值在20%以内；故PRB利用率差值在20%以内判断为负载均衡（见图1）；当载波1、载波2PRB利用率差值在20%以内，单用户下行速率大于20 Mbit/s（见图2）。

图1 带内PRB利用率差值统计

图2 带内单用户下行速率与PRB差值关系

带间：在RRC用户数均衡的前提下，90%的小区均可满足PRB利用率差值在20%以内；故PRB利用率差值在20%以内判断为负载均衡（见图3）；当载波1、载波2PRB利用率差值在20%以内，单用户下行速率大于15 Mbit/s（见图4）。

评估方法：一周每天实际忙时的PRB利用率，取7天均值；分别计算载波1、载波2负荷（PRB利用率、流量、用户数），PRB利用率差值＞20%，判断为不均衡；统计时段：评估为自然周（周一到周日），自忙时。

表1示出的是负载均衡情况统计。

图3 带间PRB利用率差值统计

图4 带间单用户下行速率与PRB差值关系

表1 负载均衡情况统计

负载均衡标准：载波1、载波2PRB利用率差值小于20%。

4 负载均衡优化

多载波站点负载均衡优化方法如下：

a）核查负载均衡License、相关功能状态是否开启。

b）核查同站异频邻区是否互配负载均衡关系（loadBalancing设置为ALLOWED），若未配置，进行添加。

c）核查基站状态是否正常，是否存在告警；若有告警，推动告警处理。

d）对问题小区统计的指标进行载波1小区与载波2小区PRB利用率分析，根据当前用户数门限设置用户数启动门限。若载波1 PRB利用率高，载波2 PRB利用率低，则减小载波1小区用户数启动门限，降低用户数差值门限，调节A5使载波1用户更容易触发负载均衡切换至载波2，载波2用户不易触发负载均衡切换至载波1。若载波1 PRB利用率低，载波2 PRB利用率高，则增大载波1小区用户数启动门限，提高用户数差值门限，调节A5使载波2用户更容易触发负载均衡切换至载波1，载波1用户不易触发负载均衡切换至载波2。

e）载波1、载波2的覆盖区域应大体一致，若覆盖区域基本无重叠，载波间负载不均衡需要进行天馈调整。加强入网管控、定期检查工程参数，确保扩容载波与已有载波覆盖一致。

5 载波聚合

目前全省多载波站点已全部开启负载均衡、载波聚合，且。开启载波聚合可提高小区速率，提升用户感知。

a）开启CA站点，主载波一直处于开启状态，为节省电量，辅载波动态激活和去激活。

b）当无线环境SINR大于门限值sCellScheduleSinrThres（现网设置为0），且RLCbutter数据传输时长大于sCellActDeactDataThres，辅载波激活触发。

c）当无线环境SINR小于门限值sCellScheduleSinrThres（现网设置为0），或者RLCbutter数据传输时长小于sCellActDeactDataThres-sCellActDeact-DataThresHyst，辅载波去激活触发。

负载均衡、载波聚合开启后，载波1单用户速率提升17.73%，载波2单用户速率提升30.78%（见图5）；负载均衡、载波聚合开启后，载波1、载波2PRB利用率、RRC用户数、流量更加均衡（见图6和图7）。

图5 载波间单用户下载速率对比

6 结束语

通过本文研究分析，梳理出用户感知与负荷的关系，负荷越高，用户感知越差。为缓解高热区域负荷，对多载波站点进行负载均衡优化。经过多载波分场景细分，分为带内L1800异频场景、带间L1800与L2100异频场景、inter-mode：FDD与TDD负载均衡，进行多载波策略、参数优化，负载均衡评估标准，载波聚合开启场景研究，确定了负载均衡评估标准及优化方法，为日后负载均衡日常优化明确了思路和方法。

图6 载波间PRB利用率对比

图7 开启CA前后RRC平均用户数对比