協作通信網絡中基于協作概率的負載均衡機制

劉占軍，彭 霞，何俞璟，陳前斌

(重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

協作通信網絡中基于協作概率的負載均衡機制

劉占軍，彭 霞，何俞璟，陳前斌

(重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

在協作通信存在的網絡中，針對已有的負載均衡技術沒有考慮用戶切換后協作概率的不足，在已有的負載均衡技術基礎上，利用目標小區負載狀況得到切換后的協作概率，與小區信號強度和負載狀況相結合，設計出應用于協作通信網絡中具有負載均衡功能的切換判決函數，提高切換判決的精度。仿真表明該機制在均衡網絡負載的同時，提高了系統容量和公平性。

用戶協作；協作概率；切換；負載均衡；公平性

0 引 言

在無線通信中，由于終端分布隨機性會造成網絡負載不均衡，從而使得網絡性能下降，在未來通信網絡中這一問題會更加嚴重。隨著電子技術發展，未來無線通信網絡的特點是通信用戶密集分布，業務種類越來越多，并且移動用戶和業務的分布帶有隨機性，可導致一些小區過載，而另外一些小區的無線資源得不到充分利用，因此需要負載均衡[1-2]。

協作通信網絡中，通信終端利用鄰近設備提供接收分集增加接收端的信噪比以提高通信質量和網絡資源利用率，正是由于協作通信的這些優點，其被LTE-Advanced和802.16 m所廣泛采用[3-5]。因此協作通信網絡中的負載均衡就成為無線接入網絡不可避免的問題之一。

目前針對無線通信網中負載均衡的研究成果有很多，文獻[6]通過“切換參數調整”實現負載均衡；文獻[7]采用“小區重選”方式均衡網絡負載；文獻[8-9]則基于博弈論來動態調整參數實現網絡負載均衡；文獻[10-11]將網絡負載均衡問題轉化為最優化模型求解，從而提高網絡性能。但上述的成果都沒有考慮到協作對網絡中負載均衡的影響。文獻[12]是針對協作通信場景下的負載均衡技術，但該技術的前提假設是終端在切換后必定會有協作發生，而實際網絡并不能保證協作必定發生。如何建立更加符合實際場景協作通信網絡負載均衡機制就成為一個有意義的課題。

本文正是以此為研究目標，根據協作概率，聯合終端的接收信號強度和基站負載設計切換判決函數，從而更好地實現在協作無線通信網絡中的負載均衡。

1 切換判決函數設計

基于切換的負載均衡是通過設計合理的切換判決函數來實現網絡負載均衡，而在協作通信存在的無線網絡中，影響切換主要有3個因素：①基站給終端的接收信號強度；②基站負載；③用戶協作概率。

定義協作概率是指用戶接入某基站存在協作伙伴的概率。

假定基站的覆蓋半徑相同為r，每個用戶發起呼叫的概率為p，每個接收到協作請求的用戶愿意幫忙協作的概率為β，根據以上信息可以預測得到用戶切換后在目標基站實現協作的概率。

實現協作需滿足2個條件：①終端需要協作；②有終端提供協作。令：A表示事件{終端需要協作}，即A?{RSSI|RSSI

P(C)=P(A)·P(B)

(1)

(2)

P(B)=P(B1∩B2)

(3)

假設網絡中的終端在地理位置上服從均勻分布，則

(4)

(4)式中：Sarea表示協作區域面積；Sb表示小區面積。令α=Sarea/Sb。根據欲切換終端到目標基站距離d的不同，α可分為以下2種情況

則有

P(B1)=1-(1-α)N

(5)

(5)式中，N表示基站中的終端數。用n表示小區中正在通話終端數量，假定每個通話終端所占用的資源為re，而小區資源總量為RE，故小區資源占有率ρ=n·re/RE?？傻?/p>

n=ρ·RE/re

(6)

又因

(7)

(7)式中，Di表示事件{小區中終端總數為Ni，通話終端數為n}。若令j表示N個終端中落入協作區域的終端數，則根據(5)式和(7)式可得

(8)

P(B2)=[1-(1-β)j]

(9)

將(8)式和(9)式帶入(3)式得

(10)

(10)式與(2)式聯立帶入(1)式可得

(11)

從(11)式可以看出，根據用戶的接收信號強度和基站負載，可以得到目標小區的協作概率。根據文獻[13]中提出的負載均衡機制的權值函數，這里命名為IRL(integration of RSSI and load)函數，可進一步修正為

IRLC(RSSI,ρ)=k1RSSI·exp(k2ρ)+k3P(C)

(12)

2 基于協作概率的負載均衡機制

基于協作概率的負載均衡機制IRLC(integration of RSSI，load and cooperative probability)的流程如圖1所示，具體步驟如下。

Step 1 基站周期性地廣播同步信號，在同步信號中包含了基站的負載信息。

Step 2 用戶根據接收信號強度、負載信息以及協作概率，計算切換判決函數值，并以此作為切換判決依據。

Step 3 用戶選出判決函數值最大的基站，與服務基站所對應的判決函數值比較是否超過閾值。

Step 4 如果沒有達到閾值則等待下一個負載均衡周期。

Step 5 如果達到閾值則將此基站作為目標基站并向發送切換請求。

Step 6 基站收到切換請求后，給此用戶預留資源并給用戶設備發送同步信號。

Step 7 用戶設備斷開與源基站的連接，建立與目標基站的連接，切換完成。

圖1 IRLC流程圖Fig.1 IRLC flow chart

3 數據仿真及分析

為驗證IRLC負載均衡的性能，在MATLAB上搭建平臺進行仿真分析。仿真場景設置為7個基站，移動終端在網絡中的位置隨機均勻分布，系統仿真配置參數詳見表1。

表1 系統仿真配置參數

在用戶協作通信網絡中，針對不進行負載均衡、文獻[16]中IRL負載均衡和本文的IRLC負載均衡得到的不滿意用戶數、公平性、信噪比以及容量這幾個方面進行分析。

圖2所示為不滿意用戶終端數，橫坐標是網絡中的終端總數量，縱坐標是不滿意終端數量，不滿意用戶終端數量是指所有過載基站的用戶終端數量之和。從圖2中可以看出，隨著網絡中終端總數的增加，不滿意用戶數增加。在終端總數在140個和160個的時候不滿意用戶數量快速增加，這是因為網絡中終端達到一定的數目后，由于存在漲落原因而導致有基站過載，其所服務的終端服務得不到滿足。而IRLC和IRL的性能會保持一致，表明IRLC保留了IRL中對信號和負載綜合考慮的優點。

圖2 不滿意用戶終端數Fig.2 Number of unsatisfied user

圖3所示為系統容量性能，系統容量是指網絡中所有基站和移動終端之間的信道容量之和。從圖3中可以看出，采用負載均衡機制之后的系統容量要大于不采用負載均衡的系統容量，這是因為采用負載均衡之后將重負載小區的邊緣用戶切換到輕負載小區，而輕負載小區資源充分，能夠通過給切換用戶分配更多的資源來補償切換后用戶接收信號強度的下降，從而導致系統容量的增加。

圖3 系統容量Fig.3 System capacity

圖4所示為兩種算法的容量之差。從圖4中可以看出，采用IRLC比采用IRL得到的容量略有提高，分析得到提高0.07%～0.21%，這是因為IRLC對資源開銷的預測更準確，從而導致IRLC所選擇的切換目標基站提供充足信道資源的概率優于IRL算法。

圖4 兩種算法的容量之差Fig.4 Capacity difference between two algorithms

圖5所示為不采用負載均衡，采用IRL以及采用IRLC下的網絡Jain氏公平指數。從圖5中可以看出，在公平性上IRLC和IRL要優于不采用負載均衡，而采用IRLC的公平性最好，比IRL提高0.56%～3.26%，比不采用負載均衡提高了5.21%～22.32%。這是因為在切換判決中考慮用戶切換之后獲得協作的概率，從而對能否獲得足夠資源的判斷就更加準確，導致公平性更高。

圖5 網絡公平性Fig.5 Network fairness

4 結束語

在協作通信存在的無線網絡中的負載均衡技術是在假設切換后有節點提供協作，或者是假設切換后沒有協作的基礎上來實現的，而實際網絡中切換到新小區協作是以一定概率發生的，這就造成負載均衡中進行切換判決時與實際不相符，從而造成切換結果不能很好地提高網絡性能。針對這個問題，在對協作通信網絡中的協作概率分析的基礎上，研究了協作網絡中目標小區提供協作的概率計算方法，從而對切換后是否協作做出一定的預測，為用戶切換后所能得到的服務質量做出較準確的預測，并據此在已有的IRL負載均衡的切換判決函數的基礎上提出改進，將小區負載、信號強度和協作概率聯合，使得協作通信網絡中負載均衡的切換判決函數中增加了協作概率因子，來實現具有協作通信功能的無線網絡中的負載均衡。仿真結果表明，隨著網絡中移動終端數量增加，IRLC 機制在用戶的滿意度上沒有比IRL下降，但網絡容量提高了0.07%～0.21%，而網絡公平性比使用IRL提高了0.56%～3.26%。

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劉占軍(1975-)，男，河北人，副教授，主要研究方向為無線通信。E-mail:liuzj@cqupt.edu.cn。

彭 霞(1991-)，女，重慶人，在讀研究生，主要研究方向為無線通信。E-mail:454660432@qq.com。 何俞璟(1992-)，女，重慶人，在讀研究生，主要研究方向為無線通信。E-mail：530832796@qq.com。 陳前斌(1967-)，男，教授，博士生導師，主要研究領域為新一代無線通信系統關鍵技術。E-mail: chenqb@cqupt.edu.cn。

(編輯：田海江)

Load balancing mechanism based on cooperation probability in cooperative communication network

LIU Zhanjun, PENG Xia, HE Yujing, CHEN Qianbin

(Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China)

In cooperative communication networks, in order to overcome the shortcoming of existing load balancing technologies that they don’t take the cooperation probability of user after handover into consideration, the handover decision function which makes a combination of the received signal strength, the load of BS (base station) and the cooperation probability calculated by the load of BS is designed to improve the accuracy of handover decision and balance the load based on the existing load balancing technology. The simulation results show that the mechanism can improve the system capacity and network fairness while balancing the network load.

user cooperation; cooperation probability; handover; load balancing; fairness

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.002

2015-08-31

2016-03-12

劉占軍 liuzj@cqupt.edu.cn

國家863高技術研究發展計劃項目基金(2014AA01A701)

Foundation Item：The National High Technology Research and Development Program of China (2014AA01A701)

TN914.53

A

1673-825X(2016)06-0758-05