一種lte網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)負(fù)載均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種LTE自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的 多目標(biāo)負(fù)載均衡算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前普遍應(yīng)用的LTE負(fù)載均衡算法是單目標(biāo)負(fù)載均衡算法。例如移動(dòng)性負(fù)載均衡 (MLB)技術(shù)，它主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況來自動(dòng)優(yōu)化小區(qū)的移動(dòng)性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶的自動(dòng) 轉(zhuǎn)移，以達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的。還有一些以均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為目標(biāo)的優(yōu)化方法，使得目標(biāo) 函數(shù)最大化從而解決負(fù)載均衡問題。以上這些優(yōu)化算法，都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是所有的 算法過程都是從服務(wù)小區(qū)的角度來看，其最終目標(biāo)都是熱點(diǎn)小區(qū)完成卸載即可。它并沒有 考慮到用戶轉(zhuǎn)移后的服務(wù)質(zhì)量，在負(fù)載均衡結(jié)束判決時(shí)對(duì)目標(biāo)小區(qū)是否還能容納更多的負(fù) 載也沒有進(jìn)行考慮，所以沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的多小區(qū)負(fù)載均衡，系統(tǒng)的資源利用率并沒 有很大的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方法，使得考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均 衡狀況，盡可能最大化均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)有效利用系統(tǒng)資源，降低呼叫阻塞率。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種LTE網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)負(fù)載均衡方法，包括以下步 驟：
[0005] 步驟1 :建立LTE網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的仿真平臺(tái)；
[0006] 步驟2 :計(jì)算LTE網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶在其服務(wù)小區(qū)的信噪比和負(fù)載值，在其相鄰小 區(qū)的預(yù)測(cè)信噪比和預(yù)測(cè)負(fù)載值，并計(jì)算每個(gè)小區(qū)的虛擬負(fù)載值；
[0007] 步驟3 :負(fù)載均衡時(shí)刻開始時(shí)，判斷小區(qū)虛擬負(fù)載值是否大于1，如果存在虛擬負(fù) 載值大于1的小區(qū)，則觸發(fā)負(fù)載均衡過程，繼續(xù)以下步驟，否則等待下一個(gè)負(fù)載均衡時(shí)刻到 來；
[0008] 步驟4 :分別建立輕載小區(qū)和熱點(diǎn)小區(qū)的負(fù)載均衡博弈模型，找到熱點(diǎn)小區(qū)的最 佳轉(zhuǎn)移用戶，并生成最佳轉(zhuǎn)移用戶列表1u1, u2，...，un};
[0009] 步驟5 :建立蟻群算法在LTE負(fù)載均衡中的距離矩陣、啟發(fā)因子矩陣和信息素矩 陣，同時(shí)計(jì)算概率原則;根據(jù)輪盤賭選擇算法找到步驟3中最佳轉(zhuǎn)移用戶相匹配的最佳 目標(biāo)小區(qū)，并生成和最佳轉(zhuǎn)移用戶列表相對(duì)應(yīng)的最佳目標(biāo)小區(qū)列表，····，氣}_;
[0010] 步驟6 :根據(jù)轉(zhuǎn)移用戶和目標(biāo)小區(qū)配對(duì)列表，將每個(gè)轉(zhuǎn)移用戶轉(zhuǎn)移到相匹配的目 標(biāo)小區(qū)，同時(shí)更新轉(zhuǎn)移用戶的服務(wù)小區(qū)和負(fù)載值；
[0011] 步驟7 :負(fù)載均衡時(shí)刻+1，重復(fù)步驟2~7 ;同時(shí)每隔IOs更新用戶。
[0012] 本發(fā)明通過建立多目標(biāo)負(fù)載均衡博弈模型尋求熱點(diǎn)小區(qū)中最佳的轉(zhuǎn)移用戶，并利 用蟻群算法特性建立相應(yīng)概率原則尋求轉(zhuǎn)移用戶的最佳匹配目標(biāo)小區(qū)，完成LTE網(wǎng)絡(luò)的負(fù) 載均衡過程。本發(fā)明與單目標(biāo)LTE負(fù)載均衡方法相比，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：（1)不是僅僅考慮熱點(diǎn) 小區(qū)負(fù)載情況，而是綜合考慮全網(wǎng)的負(fù)載情況；（2)盡可能最大化均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)有 效利用網(wǎng)絡(luò)資源；（3)呼叫阻塞率降低；（4)易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0013] 圖1是負(fù)載均衡過程流程圖。
[0014] 圖2是網(wǎng)絡(luò)呼叫阻塞率。
[0015] 圖3是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載公平性指數(shù)。
[0016] 圖4是網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明采用基于經(jīng)濟(jì)博弈論的多目標(biāo)負(fù)載均衡模型，將LTE網(wǎng)絡(luò)中的滿意用戶數(shù) 和平均網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增量作為該博弈模型的策略空間，尋求最優(yōu)的轉(zhuǎn)移用戶，并利用蟻群優(yōu)化 算法的魯棒性和優(yōu)良的分布計(jì)算機(jī)制，找到最佳的相鄰小區(qū)，完善負(fù)載均衡過程。
[0018] 考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的用戶均為固定請(qǐng)求速率用戶，計(jì)算用戶u在當(dāng)前熱點(diǎn)小區(qū)中的 接收信干噪比，根據(jù)接收信干噪比計(jì)算用戶u在熱點(diǎn)小區(qū)中所占物理資源塊的比率，并預(yù) 測(cè)出該用戶轉(zhuǎn)移后在目標(biāo)小區(qū)中所占物理資源塊的比率。同時(shí)計(jì)算每個(gè)小區(qū)的虛擬負(fù)載， 根據(jù)小區(qū)的虛擬負(fù)載大小來劃分熱點(diǎn)小區(qū)和輕載小區(qū)，當(dāng)虛擬負(fù)載值大于1時(shí)，判定該小 區(qū)為熱點(diǎn)小區(qū)。
[0019] 在負(fù)載均衡選擇最佳轉(zhuǎn)移用戶過程中，如果效用函數(shù)只由滿意用戶數(shù)來衡量，為 了最大化效用函數(shù)，就可能會(huì)產(chǎn)生一些特定的在目標(biāo)區(qū)域信道條件很差的轉(zhuǎn)移用戶，當(dāng)它 們從熱點(diǎn)小區(qū)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)小區(qū)后，為了滿足它們所需的數(shù)據(jù)速率，會(huì)導(dǎo)致在目標(biāo)小區(qū)占據(jù) 大量的資源。為了避免這種情況，將平均負(fù)載增量作為該負(fù)載均衡博弈模型另一個(gè)目標(biāo)函 數(shù)，且其值越小越好。這樣能夠在保證最大化均衡LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載維 持一個(gè)良好水平，降低網(wǎng)絡(luò)呼叫阻塞率，提高系統(tǒng)資源利用率。
[0020] 考慮到一個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)中存在熱點(diǎn)小區(qū)和輕載小區(qū)，負(fù)載均衡的目的是將熱點(diǎn)小區(qū) 中滿足轉(zhuǎn)移條件的用戶轉(zhuǎn)移到相鄰滿足接收負(fù)載條件的輕載小區(qū)中，所以負(fù)載均衡博弈模 型分為熱點(diǎn)小區(qū)和輕載小區(qū)兩部分。可以將此熱點(diǎn)小區(qū)和輕載小區(qū)的博弈模型建立為如下 的優(yōu)化模型：
[0021] Iiiaxutilityi= a (U //UiHd-α ) (-Δ φ)，i e輕載小區(qū)
[0022] maxutility。= a (U。，/U〇) + (l-a ) (-Δ φ)，〇 e熱點(diǎn)小區(qū)
[0024] 其中，utilityjP utility。分別為輕載小區(qū)和熱點(diǎn)小區(qū)的效用函數(shù)，由滿意用戶 數(shù)IV/U1, U。'/U。和網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載增量Δ Φ確定。Φ i是小區(qū)i的負(fù)載值，φ t是特定負(fù)載 閾值。
表示^個(gè)用戶轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)i后的負(fù)載總量。為了使兩個(gè)目標(biāo)的值可以同 等進(jìn)行比較，將滿意用戶數(shù)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了歸一化處理，并利用線性加權(quán)和法構(gòu)造單一效 用函數(shù)。α是加權(quán)系數(shù)，α的不同取值會(huì)導(dǎo)致不同的效用函數(shù)值。同時(shí)該博弈模型需要滿 足一定的負(fù)載轉(zhuǎn)移條件。通過該多目標(biāo)負(fù)載均衡博弈模型可以找出最佳的轉(zhuǎn)移用戶，和使 用A3事件判定的不同在于，可以辨別用戶所處小區(qū)的方向及其鄰區(qū)的負(fù)載狀況。
[0025] 其次，利用蟻群算法魯棒性和優(yōu)良的分布計(jì)算機(jī)制可以找出最佳轉(zhuǎn)移用戶所匹配 的最優(yōu)目標(biāo)小區(qū)。將用戶看作是螞蟻，利用基于負(fù)載均衡原理設(shè)定的"信息素"，建立待選小 區(qū)的概率原則，并應(yīng)用輪盤賭選擇算法尋求匹配小區(qū)。
[0026] 通過以上建模，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)到熱點(diǎn)小區(qū)時(shí)，LTE負(fù)載均衡過程開始。仿真場(chǎng)景選擇 有多個(gè)熱點(diǎn)小區(qū)相毗鄰的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所有小區(qū)均計(jì)算其效用函數(shù)，通過最大化網(wǎng)絡(luò)滿意用戶 數(shù)和最小化網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載增量，該效用函數(shù)可以將熱點(diǎn)小區(qū)所需轉(zhuǎn)移的用戶明確表示，BP 間接表明用戶所處小區(qū)的大致方位。
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028] 本發(fā)明一種多目標(biāo)LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方法，通過建立熱點(diǎn)小區(qū)、輕載小區(qū)的負(fù)載 均衡博弈模型，以滿意用戶數(shù)和平均負(fù)載增量作為博弈模型的目標(biāo)優(yōu)化變量，同時(shí)與蟻群 算法相結(jié)合完成負(fù)載均衡過程。
[0029] 以3GPP LTE下行鏈路多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡為例，考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)小區(qū)由 位于其中心的一個(gè)演進(jìn)型基站eNB控制，小區(qū)內(nèi)不再分扇區(qū)。那么每一個(gè)用戶的信噪比為
[0031] 其中X(U) = c表示用戶U與小區(qū)c建立連接；A1,是用戶U到小區(qū)c的平均 信道增益，|a表示用戶u所分布的位置；Ptx^是小區(qū)c的發(fā)射功率；組合項(xiàng)
可以理解為所有傳輸中在預(yù)期時(shí)間和頻率（物理資源塊）上產(chǎn)生的預(yù)期干擾，即網(wǎng)絡(luò)中其 他小區(qū)對(duì)該用戶產(chǎn)生的干擾；σ 2表示加性高斯白噪聲。
[0032] 用吞吐量Ru= R(γ 表示每一個(gè)物理資源塊根據(jù)所給的γu，。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率， 利用香農(nóng)定理可以描述為
[0033] R(Yu c) =Bff · Iog2 (l+yUiC) (2)
[0034] 其中BW是一個(gè)物理資源塊（PRB)的傳輸帶寬（在LTE系統(tǒng)中一個(gè)PRB的帶寬是 180kHz)。那么，小區(qū)c的虛擬負(fù)載為
[0036] 其中Du是用戶u所需的數(shù)據(jù)速率，
：是用戶u攜帶的負(fù)載；Ntot為網(wǎng)絡(luò)的 總資源塊數(shù)。處的物理意義是：分布在小區(qū)c中所有用戶所占資源塊總數(shù)和網(wǎng)絡(luò)中總資源 塊總數(shù)的比值。當(dāng)A >i時(shí)，c小區(qū)為熱點(diǎn)小區(qū)。當(dāng)熱點(diǎn)小區(qū)中的用戶轉(zhuǎn)移到相鄰小區(qū)時(shí)， 其所攜帶的負(fù)載是變化的，通過上述公式可知用戶負(fù)載與其信干噪比相關(guān)。所以當(dāng)用戶轉(zhuǎn) 移后用戶在目標(biāo)小區(qū)的信噪比可以預(yù)測(cè)為
[(
[0038] 其中SJP S 2分別是用戶所在熱點(diǎn)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度電平（RSRP)，γ 是用戶在熱點(diǎn)小區(qū)的信噪比值。
[0039] -個(gè)攜帶負(fù)載值Φ JP用戶數(shù)U1S 0的輕載小區(qū)i接收X1個(gè)轉(zhuǎn)移用戶后，其滿意 用戶數(shù)IV可以表示為
[0041] 其中
表示\個(gè)用戶轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)i后的負(fù)載總量。當(dāng) Φ' 1時(shí)，滿意用戶數(shù)是隨著轉(zhuǎn)移到小區(qū)i的用戶線性遞增的；當(dāng)Φ' 1時(shí)，小區(qū)i中 部分用戶不能被滿足，該小區(qū)的容量受限。此時(shí)滿意用戶數(shù)用一個(gè)floor取整操作來表示。 假設(shè)小區(qū)i的可容納負(fù)載Sy1，該博弈模型的一個(gè)原則就是熱點(diǎn)小區(qū)要轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)i 的用戶總負(fù)載必須滿足
[0042] 對(duì)于熱點(diǎn)小區(qū)，分布的用戶1]。> 0和初始負(fù)載值Φ。> 1時(shí)，它的滿意用戶數(shù)可以 表示為
[0044] 其中
表示X。個(gè)用戶從熱點(diǎn)小區(qū)轉(zhuǎn)移前的負(fù)載總量。將熱點(diǎn) 小區(qū)滿意用戶數(shù)Uc;和輕載小區(qū)滿意用戶數(shù)1^'作為該負(fù)載均衡博弈模型目標(biāo)函數(shù)之一，且 其值越大越好。
[0045] 根據(jù)用戶在熱點(diǎn)小區(qū)所攜帶的負(fù)載容量和轉(zhuǎn)移到相鄰輕載小區(qū)后所攜帶的負(fù)載 容量，網(wǎng)絡(luò)中的平均負(fù)載增量定義為
[0047] 其中
是所有輕載小區(qū)全部接收的負(fù)載容量總和，nu是輕載小區(qū)數(shù)；
是所有熱點(diǎn)小區(qū)轉(zhuǎn)移用戶的負(fù)載容量總和，I是熱點(diǎn)小區(qū)數(shù)；N是全網(wǎng)絡(luò)總小區(qū) 數(shù)。平均負(fù)載增量的物理意義在于用戶轉(zhuǎn)移后，目標(biāo)輕載小區(qū)為其所分配的資源和原有在 熱點(diǎn)小區(qū)得到的負(fù)載資源相比，不會(huì)有太大范圍的抖動(dòng)。將平均負(fù)載增量作為該負(fù)載均衡 博弈模型另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，且其值越小越好。
[0048] 考慮約束條件和輕載小區(qū)i接收負(fù)載的最壞情況，即只接收一個(gè)轉(zhuǎn)移用戶負(fù)載值 就大于1。設(shè)最壞情況下輕載小區(qū)i的接受負(fù)載為y%那么y#的上界可以表示為
[0051] 只有當(dāng)輕載小區(qū)i的負(fù)載超過特定的閾值<i>t時(shí)才能達(dá)到y(tǒng) _。如果輕載小區(qū)被 高度占用，很有可能沒有用戶轉(zhuǎn)移到該小區(qū)即剩余負(fù)載Y1= 1-Φ i可能和用戶不匹配。因 此，輕載小區(qū)i的剩余負(fù)載可以表示為
[0053] 因此，該負(fù)載均衡博弈模型建立如下：