網(wǎng)絡(luò)負載均衡技術(shù)對HRPD網(wǎng)絡(luò)的性能提升

阮恭勤，王月珍，尹 珂，梁健生

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

隨著移動通信的快速發(fā)展，特別是3G網(wǎng)絡(luò)和智能終端的迅速普及，中國電信集團公司 （以下簡稱中國電信）HRPD網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，這種趨勢造成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的快速增長，并加重網(wǎng)絡(luò)負荷。為了提升網(wǎng)絡(luò)容量，改善用戶體驗，中國電信開展了HRPD智能網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究與試驗，其中的網(wǎng)絡(luò)負載均衡（NLB）技術(shù)能有效地改善網(wǎng)絡(luò)負載不均衡的情況。

目前，現(xiàn)網(wǎng)普遍存在網(wǎng)絡(luò)負載不均衡現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)為重負載小區(qū)通常被相鄰的輕負載小區(qū)所包圍，而且這種不均衡性會隨著時間、用戶行為、用戶分布等因素的變化而變化。NLB技術(shù)的提出正是為了改善這種網(wǎng)絡(luò)負載不均衡現(xiàn)象，該技術(shù)充分考慮了相鄰各個扇區(qū)的網(wǎng)絡(luò)負載情況，并結(jié)合終端的無線環(huán)境因素，實現(xiàn)扇區(qū)內(nèi)和扇區(qū)間的資源優(yōu)化配置，通過降低網(wǎng)絡(luò)負載不均衡性提升用戶體驗。本文首先介紹NLB技術(shù)的基本原理，再通過將NLB技術(shù)運用在HRPD現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下評估對網(wǎng)絡(luò)的性能提升。

2 NLB技術(shù)基本原理

網(wǎng)絡(luò)負載均衡技術(shù)通過將邊緣用戶從重負載扇區(qū)轉(zhuǎn)移到輕負載扇區(qū)來提升整個網(wǎng)絡(luò)的容量。圖1給出了NLB技術(shù)原理的示例，對于相鄰小區(qū)的負載不均衡情況，雖然高負載服務(wù)小區(qū)——扇區(qū)2的信噪比較高（可以從DRC（數(shù)據(jù)速率控制）申請速率判斷出），但小區(qū)下的服務(wù)用戶數(shù)較多，網(wǎng)絡(luò)負荷較重（負載為80%），因此，單用戶分配到業(yè)務(wù)時隙也較少，如圖1中邊緣用戶的實際速率只有61 kbit/s；相反，雖然低負載鄰區(qū)扇區(qū)1的信噪比相對低，但是該小區(qū)負載較輕，因此通過NLB技術(shù)將終端從扇區(qū)2轉(zhuǎn)移到扇區(qū)1能有效提升用戶的實際速率，如圖1中邊緣用戶的實際速率提高到124 kbit/s。這樣，不僅該終端的用戶體驗得到改善，其原來在重負載服務(wù)小區(qū)——扇區(qū)2所占用的時隙被釋放給其他終端，從而提高了整個網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖1 NLB技術(shù)示意

NLB技術(shù)的實現(xiàn)方式可分為BSC判決方式和終端判決方式。通過BSC判決的NLB實現(xiàn)方式支持現(xiàn)網(wǎng)終端，而通過終端判決的實現(xiàn)方式需要新終端的支持。目前CDMA網(wǎng)絡(luò)暫時沒有支持該實現(xiàn)方式的終端，因此，本次現(xiàn)場試驗只采用BSC判決方式的NLB技術(shù)，NLB由網(wǎng)絡(luò)BSC根據(jù)基站負載信息及終端的信噪比進行計算，進而控制終端與哪個基站進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2為BSC判決方式的NLB技術(shù)具體實現(xiàn)過程。假設(shè)BTSA為終端的當前服務(wù)基站小區(qū)，BTSB為相鄰的激活集小區(qū)，其中Neff值通過測量小區(qū)的等待調(diào)度用戶數(shù)得到，因此，Neff值的大小表示小區(qū)負荷程度的大小。圖2中BTSA的負載（Neff=4X）比BTSB的負載（Neff=X）重。

過程1：BTSA和BTSB定期測量小區(qū)的Neff值，并上報給 BSC；BSC向終端發(fā)送路由更新請求 （route updaterequest）消息，終端通過路由更新響應(yīng) （route update response）消息上報激活集導(dǎo)頻Ec/Io信息。

圖2 NLB原理——BSC判決方式

過程2：BSC根據(jù)上報的Ec/Io估計終端激活集每個小區(qū)的SINR值，計算該終端在激活集扇區(qū)的Metric=SINRNeff。Metric表示終端選擇某扇區(qū)時可達到的實際速率。假如Metric最大的扇區(qū)不是目前服務(wù)扇區(qū)，BSC就可以考慮把該終端從目前的扇區(qū)轉(zhuǎn)移出去。

過程3：BTSA的Metric小于BTSB時，則BSC指示BTSA該終端的DRCLock應(yīng)該為0。在終端檢測到BTSA的DRCLock=0之后，就會切換到BTSB作為服務(wù)扇區(qū)。

從NLB技術(shù)原理可以看出，終端在選擇服務(wù)小區(qū)時，除了考慮激活集小區(qū)的無線環(huán)境外，還結(jié)合了Neff負載信息，這樣在負載不均衡場景下，能有效地平衡相鄰基站小區(qū)的無線資源，使系統(tǒng)達到最優(yōu)配置，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載均衡。

3 NLB技術(shù)的性能分析

為了驗證NLB技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)下的實際性能提升效果，選取某城市進行現(xiàn)網(wǎng)試驗，分別統(tǒng)計NLB技術(shù)在該城市開啟前后各一周的所有載扇的吞吐量、Neff等指標，數(shù)據(jù)采樣的時間間隔為每半小時統(tǒng)計一次。通過對NLB開啟前后的數(shù)據(jù)進行分析對比，可以評估NLB技術(shù)對HRPD網(wǎng)絡(luò)的性能提升情況。

NLB功能主要是通過將邊緣用戶從重負荷載扇轉(zhuǎn)移到輕負荷載扇，改善重負荷載扇的網(wǎng)絡(luò)負荷，提升整體性能。通過圖3的算法評估整網(wǎng)重負荷載扇的改善效果，評估方式有網(wǎng)絡(luò)容量增益和用戶體驗增益。

圖3對網(wǎng)絡(luò)容量增益和用戶體驗增益的評估方法可分為如下3步進行。

圖3 網(wǎng)絡(luò)容量增益與用戶體驗增益的評估方法

（1）首先采用滑動窗口對各個載扇側(cè)指標進行統(tǒng)計，滑動窗口的好處是能有效地、平滑地處理短時間內(nèi)由現(xiàn)網(wǎng)波動引起的評估誤差，降低了現(xiàn)網(wǎng)波動對NLB性能評估的影響。如選取10 h的滑動窗口，相應(yīng)的時間段為：6:00-16:00、7:00-17:00、…、14:00-24:00。

（2）在每次滑動窗口采集數(shù)據(jù)指標后，分別計算平均吞吐量和平均BDR（表示用戶速率），平均吞吐量是通過對滑動窗口所包含的時間段內(nèi)，整網(wǎng)所有載扇的吞吐量平均計算得到；平均BDR計算是先通過Neff值對所有載扇的半小時采樣點進行由高到低排序，再選取排名靠前的重負荷載扇，且這些載扇的總吞吐量占整網(wǎng)吞吐量的Y%，計算這些重負荷載扇的BDR，其中BDR=吞吐量/Neff，并對所有計算得到的BDR取平均。

（3）根據(jù)上述計算得到平均吞吐量和平均BDR，可以畫出BDR和吞吐量的關(guān)系曲線。通過NLB開啟前后的BDR隨吞吐量變化的關(guān)系曲線，評估網(wǎng)絡(luò)容量增益和用戶體驗增益。網(wǎng)絡(luò)容量增益的評估方式：固定BDR值，計算在相同BDR（即用戶速率不變）的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化情況。用戶體驗增益的評估方式：固定吞吐量值，計算在相同吞吐量值（即網(wǎng)絡(luò)容量不變）的情況下，BDR的變化情況。

選取滑動窗口大小為10 h，吞吐量占整網(wǎng)吞吐量30%的情況，BDR隨吞吐量變化的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4中虛線為NLB功能打開前的關(guān)系，實線為NLB打開后的關(guān)系。根據(jù)圖4的關(guān)系曲線，可以得出如下的網(wǎng)絡(luò)容量增益和用戶體驗增益。

網(wǎng)絡(luò)容量增益：

·BDR為900 kbit/s時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量從242 Mbit/s到280 Mbit/s，容量增益為16%；

·BDR為950 kbit/s時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量從 222 Mbit/s到

圖4 滑動窗口10 h，吞吐量30%的重負荷載扇BDR隨吞吐量變化的關(guān)系曲線（數(shù)據(jù)來源：高通）

表1 NLB開啟前后，不同N eff值的載扇數(shù)變化情況

260 Mbit/s，容量增益為17%；

·BDR為1 050 kbit/s時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量從185 Mbit/s增大到220 Mbit/s，容量增益為19%。用戶體驗增益：

·網(wǎng)絡(luò)吞吐量為180 Mbit/s時，BDR從1 060 kbit/s到1 100 kbit/s，用戶體驗增益為3.8%；

·網(wǎng)絡(luò)吞吐量為220 Mbit/s時，BDR從960 kbit/s到1 050 kbit/s，用戶體驗增益為9.4%；

·網(wǎng)絡(luò)吞吐量為260 Mbit/s時，BDR從860 kbit/s到950 kbit/s，用戶體驗增益為10.5%。

從分析結(jié)果可知，開啟NLB功能后，對于30%吞吐量的重負荷載扇，網(wǎng)絡(luò)容量增益約為19%，用戶體驗增益約為10.5%。表明NLB技術(shù)能有效提升重負載扇區(qū)的網(wǎng)絡(luò)容量，并能改善重負載扇區(qū)的用戶體驗。

NLB功能的作用體現(xiàn)在重負荷載扇的Neff值下降 （即載扇負荷降低），對于整網(wǎng)忙時不同Neff值的載扇數(shù)變化情況評估，可以統(tǒng)計NLB開啟前后，各個Neff值所對應(yīng)的載扇數(shù)變化情況，結(jié)果如表1所示。

從表 1中可以得出，NLB開啟后，Neff＞1.5的載扇數(shù)會下降，0＜Neff≤1.5的載扇數(shù)會上升，特別是 2

4 結(jié)束語

NLB技術(shù)通過輕負載扇區(qū)分擔重負載扇區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來提升整體網(wǎng)絡(luò)的性能，它能平衡相鄰小區(qū)間的前向鏈路負荷，提升用戶實際的體驗速率，終端通過考慮相鄰小區(qū)負載和無線環(huán)境，來選擇速率最優(yōu)的服務(wù)小區(qū)，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量增益和用戶體驗增益。從上述對某城市應(yīng)用NLB技術(shù)情況來看，整網(wǎng)30%重負載扇區(qū)的用戶體驗增益約為10%，網(wǎng)絡(luò)容量增益約為19%，而對于 Neff＞2的重負載扇區(qū)，能有效降低其網(wǎng)絡(luò)負荷。因此，NLB技術(shù)能有效地提高HRPD網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，節(jié)省頻率資源，降低網(wǎng)絡(luò)運營成本。

1 3GPP2 C.S 0024.cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification,2012

2 3GPP2 A.S 008.Interoperability Specification(IOS)for High Rate Packet Data (HRPD)Radio Access Network Interfaces with Session Control in the Access Network,2006

3 Qualcomm.DO Advanced Smart Networks Overview,2011