黃妙娜 馮穗力? 陳軍 張永忠

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第七研究所，廣東 廣州 501310)

隨著通信技術(shù)及用戶業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越大，各種技術(shù)體制共存.長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)因其采用更有效的全新技術(shù)方案而成為4G的候選技術(shù)，它改進(jìn)了原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，引入家庭基站/演進(jìn)型基站(HNB/eNodeB)等節(jié)點(diǎn)取代原來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和eNodeB 節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)的架構(gòu)采用了更為簡(jiǎn)單有效的扁平化結(jié)構(gòu).eNodeB 間通過(guò)X2 接口相互連接.在LTE 網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)成千上萬(wàn)，如果仍然采用人工的工作方式完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及其優(yōu)化，操作的難度將越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)成本也越來(lái)越高.如何降低運(yùn)營(yíng)成本(OPEX)成為運(yùn)營(yíng)商優(yōu)先考慮的問(wèn)題.因此，各大運(yùn)營(yíng)商紛紛向第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)提出將LTE 網(wǎng)絡(luò)中的自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研討，其主要目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自主功能，包括前期的網(wǎng)絡(luò)自規(guī)劃和運(yùn)行過(guò)程中的自配置、自優(yōu)化、自修復(fù)等一系列技術(shù)，減少人工參與，降低運(yùn)營(yíng)成本.SON 有利于優(yōu)化運(yùn)營(yíng)商的操作維護(hù)，能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)性能，減少操作代價(jià)和成本［1-3］.

SON 網(wǎng)絡(luò)包括自配置、自優(yōu)化、自愈合3 個(gè)功能域，每個(gè)功能域可以分解為多個(gè)具體用例，移動(dòng)魯棒性優(yōu)化(MRO)和移動(dòng)負(fù)載均衡(MLB)是其中的兩個(gè)重要用例.MRO 功能主要用于解決小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備(UE)的切換問(wèn)題，保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，其目標(biāo)是最小化切換產(chǎn)生的問(wèn)題，如無(wú)線鏈路失敗(RLF)、乒乓切換等［4-5］，而MLB 功能主要用于解決小區(qū)之間負(fù)載不均衡問(wèn)題，保證網(wǎng)絡(luò)容量的最大化，其目標(biāo)是均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，將重載小區(qū)的用戶轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)［6］.MLB 功能收集小區(qū)內(nèi)的負(fù)載信息，根據(jù)負(fù)載情況對(duì)切換參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)小區(qū)之間的負(fù)載均衡;MRO 收集小區(qū)內(nèi)發(fā)生切換的UE 信息，對(duì)切換參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而減少或避免切換問(wèn)題的發(fā)生.然而MLB 功能與MRO 功能是同時(shí)存在的，即MLB 功能與MRO 功能同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行自優(yōu)化操作，因此，當(dāng)兩者在同一時(shí)刻對(duì)相同的切換參數(shù)向相反方向進(jìn)行調(diào)整時(shí)，沖突即會(huì)產(chǎn)生.

MLB 與MRO 的沖突問(wèn)題亟待解決，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降.3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研討，提出為這兩個(gè)用例設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)的方法，MLB 具有高的優(yōu)先級(jí)，在負(fù)載均衡期間，MRO 不能執(zhí)行優(yōu)化切換操作［7-8］.由于RLF 直接造成UE 與eNodeB 斷開(kāi)連接，因此，與MLB 功能相比，MRO 功能的性能優(yōu)劣更能直接影響到用戶體驗(yàn).在LTE 標(biāo)準(zhǔn)TR 36.902 以及TS 36.300 中，對(duì)MLB 的描述明確指出，MLB 的宗旨是在進(jìn)行相關(guān)自優(yōu)化操作之后，不得對(duì)MLB 操作之前UE 的服務(wù)質(zhì)量(QoS)造成影響，而對(duì)MLB 賦予更高的優(yōu)先級(jí)的方法與MLB標(biāo)準(zhǔn)是相互矛盾的，因此為這兩個(gè)用例設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)的解決方法并非是一個(gè)理想的方案.文獻(xiàn)［9］通過(guò)分析得出，切換問(wèn)題(過(guò)遲切換、過(guò)早切換、乒乓切換)產(chǎn)生的原因是由于MLB 調(diào)整切換參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致的，并得到不產(chǎn)生切換問(wèn)題的切換參數(shù)O(小區(qū)個(gè)性偏移量)的允許調(diào)整區(qū)間，但未考慮用戶的移動(dòng)模型;而考慮用戶移動(dòng)速度對(duì)用戶接收信號(hào)強(qiáng)度的影響，可提前觸發(fā)用戶切換，更有利于實(shí)現(xiàn)MLB.文獻(xiàn)［10］在文獻(xiàn)［9］的基礎(chǔ)上，考慮用戶的移動(dòng)速率，為不同移動(dòng)速率的用戶設(shè)置不同的觸發(fā)時(shí)長(zhǎng)(T)值［11］，但沒(méi)有考慮用戶的移動(dòng)方向;而用戶沿不同方向移動(dòng)的信號(hào)強(qiáng)度變化率差別很大，即移動(dòng)方向?qū)τ脩舻慕邮招盘?hào)強(qiáng)度變化影響很大;更突顯的問(wèn)題是文獻(xiàn)［9-10］均未給出計(jì)算調(diào)整切換參數(shù)O具體值的方法，只給出了其調(diào)整的范圍.

在文獻(xiàn)［9-10］的基礎(chǔ)上，文中考慮用戶在時(shí)間T 內(nèi)接收服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化量，為不同用戶動(dòng)態(tài)地確定小區(qū)個(gè)性偏移量O 的調(diào)整范圍，并對(duì)MLB 問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并將O 的取值范圍作為約束條件，在不改變其他切換參數(shù)(如A3 事件遲滯H，觸發(fā)時(shí)長(zhǎng)T)初始配置值的情況下，求得調(diào)整切換參數(shù)O'1，2和O'2，1的最優(yōu)值.同時(shí)，為將文中所提出的沖突避免策略付諸實(shí)踐，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的MLB 操作流程.

1 MRO 與MLB 的沖突分析

1.1 切換觸發(fā)過(guò)程

在連接模式下，LTE 系統(tǒng)內(nèi)切換是終端輔助網(wǎng)絡(luò)控制的切換，主要分成切換準(zhǔn)備、切換執(zhí)行和切換完成3 個(gè)部分.切換測(cè)量在切換算法中占有重要的地位，UE 的測(cè)量報(bào)告對(duì)eNodeB 的切換決策具有關(guān)鍵作用.UE 監(jiān)測(cè)所有被測(cè)小區(qū)的參考信號(hào)接收功率(RSRP)，當(dāng)測(cè)量結(jié)果滿足報(bào)告事件的觸發(fā)條件，UE將向網(wǎng)絡(luò)側(cè)上報(bào)測(cè)量結(jié)果.LTE 同頻切換判決事件準(zhǔn)則采用A3 事件，即相鄰小區(qū)質(zhì)量好于服務(wù)小區(qū)且差值超過(guò)指定門限，且此狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間(T)后，UE 向網(wǎng)絡(luò)側(cè)上報(bào)A3 事件報(bào)告.網(wǎng)絡(luò)側(cè)收到該報(bào)告后立刻進(jìn)行切換判決，判決成功后開(kāi)始向鄰小區(qū)切換.LTE 網(wǎng)絡(luò)中A3 事件的切換觸發(fā)條件為［12］

式中，M1和M2分別為用戶接收小區(qū)1(服務(wù)小區(qū))和小區(qū)2(目標(biāo)小區(qū))的平均RSRP 值，O1，2(小區(qū)個(gè)性偏移量)為小區(qū)1 為小區(qū)2 維護(hù)的小區(qū)特定偏置，H1(遲滯參數(shù))為小區(qū)1 設(shè)置的A3 事件遲滯.LTE網(wǎng)絡(luò)中切換觸發(fā)過(guò)程如圖1 所示.

圖1 切換觸發(fā)過(guò)程Fig.1 Handover trigger process

1.2 MRO 與MLB 間的沖突分析

MLB 通過(guò)周期性地檢測(cè)小區(qū)間的負(fù)載以解決其不均衡的問(wèn)題.當(dāng)發(fā)現(xiàn)負(fù)載不均衡時(shí)，調(diào)整切換參數(shù)O(小區(qū)個(gè)性偏移量).例如，假設(shè)小區(qū)1 處于高負(fù)載狀態(tài)，而其鄰區(qū)2 處于輕負(fù)載狀態(tài)，于是小區(qū)1 啟動(dòng)其MLB 功能，選擇鄰區(qū)2 作為轉(zhuǎn)移負(fù)載的目標(biāo)小區(qū).在此操作流程中，基站1 通過(guò)增大O1，2使切換提前觸發(fā)，當(dāng)用戶從小區(qū)1 向小區(qū)2 移動(dòng)時(shí)，將更早地切換到小區(qū)2，從而更快地減輕小區(qū)1 的負(fù)載.同時(shí)，基站1 通知基站2 把O2，1調(diào)低，推遲用戶從小區(qū)2到小區(qū)1 的切換，從而在一定程度上減緩小區(qū)1 負(fù)載的增加.

MRO 通過(guò)用戶的信息上報(bào)檢測(cè)切換問(wèn)題，其目標(biāo)是通過(guò)自適應(yīng)優(yōu)化切換參數(shù)，盡量減少RLF 和乒乓切換的發(fā)生.當(dāng)檢測(cè)到由于過(guò)早切換導(dǎo)致RLF時(shí)，MRO 將推遲觸發(fā)切換;反之，如果發(fā)現(xiàn)由于過(guò)遲切換導(dǎo)致RLF 發(fā)生，MRO 將提前觸發(fā)切換.MRO 也能解決乒乓切換的問(wèn)題，辦法是調(diào)整切換參數(shù)使其滿足不等式(2)［9］，從而避免乒乓切換的發(fā)生.

式中:H1和H2分別為小區(qū)1 和小區(qū)2 中設(shè)置的A3事件遲滯;O'1，2為小區(qū)1 為小區(qū)2 維護(hù)的小區(qū)特定偏置;O'2，1為小區(qū)2 為小區(qū)1 維護(hù)的小區(qū)特定偏置.

由以上分析可知，MRO 與MLB 雖然獨(dú)立進(jìn)行自優(yōu)化操作，但兩者關(guān)系密切，主要是由于這兩個(gè)功能都是通過(guò)調(diào)整切換參數(shù)的方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，當(dāng)它們朝相反方向調(diào)整同一參數(shù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沖突.MRO 與MLB 之間的沖突降低了兩個(gè)功能的優(yōu)化性能，一方面，沖突帶來(lái)的切換問(wèn)題嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)和浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源.另一方面，由于兩功能之間的乒乓效應(yīng)，降低了MLB 的優(yōu)化效率，重載小區(qū)得忍受更長(zhǎng)時(shí)間的重負(fù)載狀況，這將導(dǎo)致更多的呼叫阻塞和掉話.

1.3 切換參數(shù)O 的調(diào)整范圍分析

文獻(xiàn)［9］通過(guò)限制MLB 調(diào)整切換參數(shù)O 的范圍，避免了MRO 與MLB 之間的矛盾發(fā)生:假設(shè)cell1 為重載小區(qū)，cell2 為輕載小區(qū)，為了及時(shí)地將cell1 的負(fù)載轉(zhuǎn)移給cell2，根據(jù)文獻(xiàn)［9］的分析，MLB的優(yōu)化操作是增大O1，2以提前觸發(fā)用戶從cell1 切換到cell2，同時(shí)減小O2，1推遲用戶觸發(fā)從cell2 切換到cell1.為避免過(guò)早和過(guò)遲切換產(chǎn)生的無(wú)線鏈路失敗及乒乓切換，cell1 和cell2 各自的小區(qū)個(gè)性偏移量O 經(jīng)調(diào)整后的取值必須限制在一定的范圍之內(nèi)，必須同時(shí)滿足:①避免從cell1 到cell2 的過(guò)早切換而發(fā)生RLF;②避免從cell2 到cell1 的過(guò)遲切換而發(fā)生RLF;③避免發(fā)生乒乓切換.即經(jīng)過(guò)MLB 優(yōu)化操作后O'1，2和O'2，1的取值應(yīng)同時(shí)滿足以下不等式組:

式(3)可簡(jiǎn)化為

式中:H1和H2分別為小區(qū)1 和小區(qū)2 中設(shè)置的A3事件遲滯;Oi，j表示MLB 操作前，小區(qū)i 為小區(qū)j 維護(hù)的小區(qū)特定偏置;Oi，j，E與Oi，j，L分別表示UE 從小區(qū)i 切換至小區(qū)j 時(shí)不發(fā)生無(wú)線鏈路失敗并滿足A3事件進(jìn)入條件的切換參數(shù)Oi，j的最大值和最小值，由基站i 中的MRO 功能模塊統(tǒng)計(jì)得到;O'i，j表示經(jīng)MLB 操作后，重新設(shè)置的小區(qū)i 為小區(qū)j 維護(hù)的小區(qū)特定偏置.如圖2 所示，O1，2，E和O1，2，L分別為UE從小區(qū)1 切換至小區(qū)2 不發(fā)生無(wú)線鏈路失敗的A3事件進(jìn)入條件O1，2的最大值和最小值，圖2 中陰影部分為不發(fā)生RLF 的O1，2取值范圍.

圖2 O 取值范圍Fig.2 Allowable range of O

由式(4)可以得到調(diào)整O'1，2和O'2，1的取值范圍，凡O'1，2和O'2，1的取值滿足上述不等式的，即能避免MRO 與MLB 的沖突發(fā)生.

2 應(yīng)用最優(yōu)化理論的MRO 與MLB 間沖突避免策略

2.1 用戶接收信號(hào)強(qiáng)度變化量分析

考慮用戶接收信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)際變化情況，為不同用戶動(dòng)態(tài)地確定O 的調(diào)整范圍，使調(diào)整切換參數(shù)O 的取值范圍更符合用戶實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度變化情況.以下通過(guò)兩種方法，分析用戶在固定的時(shí)間T 內(nèi)分別接收服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化量.

2.1.1 基于用戶移動(dòng)模型的信號(hào)強(qiáng)度變化量分析

下面以UE 接收服務(wù)小區(qū)的RSRP 為例，分析UE 在時(shí)間T 內(nèi)RSRP 變化量，而UE 接收目標(biāo)小區(qū)的RSRP 變化量可采用類似的分析方法求得.

在啟動(dòng)MLB 功能模塊時(shí)，基站可通過(guò)定位技術(shù)［13］獲取用戶的位置信息，即獲得用戶相對(duì)于基站的位置坐標(biāo)A'(x，y)，假設(shè)基站的發(fā)射功率為Pt，基站位置為Z(x0，y0).如圖3 所示，假設(shè)用戶從A'點(diǎn)移動(dòng)到A 點(diǎn)，移動(dòng)時(shí)間為T，移動(dòng)速度大小為V，θ 為用戶速度方向與ZA'的夾角，則Z 點(diǎn)與A'點(diǎn)的距離dZA'和Z 與A 的距離dZA分別表示為:

通過(guò)路損公式可求得:

LZA'=128.1 +37.6lg(dZA')，

LZA=128.1 +37.6lg(dZA).

式中:dZA'和dZA的單位均為km.

則用戶在A'點(diǎn)和A 點(diǎn)的RSRP 值分別為:

從而得到用戶從A'點(diǎn)移動(dòng)到A 點(diǎn)的RSRP 值的變化量為

其中，ΔM1即為UE 在時(shí)間T 內(nèi)接收服務(wù)小區(qū)RSRP的變化量.用類似的分析方法可得到UE 在時(shí)間T內(nèi)接收目標(biāo)小區(qū)RSRP 的變化量ΔM2.

圖3 用戶移動(dòng)軌跡Fig.3 Trajectory of a user

2.1.2 基于UE 物理層測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度變化量分析

在LTE 系統(tǒng)中，通過(guò)UE 物理層的周期性測(cè)量及周期性上報(bào)，服務(wù)基站可獲得UE 接收服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的RSRP 值［14］.

服務(wù)基站通過(guò)UE 物理層周期性上報(bào)的測(cè)量結(jié)果，估算UE 在時(shí)間T 內(nèi)分別接收服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的RSRP 值變化量ΔM1和ΔM2.

2.2 切換參數(shù)O 取值范圍分析

假設(shè)cell1 為重載小區(qū)(負(fù)載率超過(guò)90%)，cell2 為輕載小區(qū)(負(fù)載率不超過(guò)80%)，則cell1 啟動(dòng)其MLB 功能模塊并選擇鄰區(qū)2 作為均衡負(fù)載的目標(biāo)小區(qū).基站1 和基站2 中的MRO 功能模塊周期性地統(tǒng)計(jì)記錄(O1，2，E，O1，2，L)與(O2，1，E，O2，1，L).如圖4所示，假設(shè)UE 以速度δ(V，θ)從cell1 向cell2 運(yùn)動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)［9］可知，A 點(diǎn)是MLB 調(diào)整切換參數(shù)范圍中既滿足切換條件又不發(fā)生無(wú)線鏈路失敗的最小值(臨界點(diǎn))，可以推出，不管用戶的速度是多少，或者T 取多大的值，UE 在A 點(diǎn)都不會(huì)發(fā)生過(guò)早切換而產(chǎn)生的RLF.也就是說(shuō)，如果切換的位置是A 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的位置，UE 就不會(huì)發(fā)生RLF.因此，A 點(diǎn)是MLB 調(diào)整切換參數(shù)范圍中既滿足切換條件又不發(fā)生無(wú)線鏈路失敗的用戶接收cell2 信號(hào)強(qiáng)度的最小值，記為M2，A，簡(jiǎn)稱為滿足最小值要求切換點(diǎn).

可以推斷出，如果用戶速度不為零，可將用戶的初始切換觸發(fā)點(diǎn)提前至A'點(diǎn)，設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)間T 后，用戶剛好到達(dá)A 點(diǎn)并執(zhí)行切換，由上述分析可知，用戶不會(huì)發(fā)生RLF，而負(fù)載均衡的目標(biāo)則是盡可能早地轉(zhuǎn)移重載小區(qū)1 的用戶，所以，將用戶的初始切換觸發(fā)點(diǎn)提前T 時(shí)間，不僅可以消除MRO 與MLB 之間的矛盾，還可以實(shí)現(xiàn)更有效的負(fù)載均衡.如圖4 所示，用戶在A'點(diǎn)接收cell2 的信號(hào)強(qiáng)度為M2，A'，在A點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度變?yōu)镸2，A，在A 點(diǎn)和A'點(diǎn)應(yīng)分別滿足關(guān)系式:

用戶從A'點(diǎn)移動(dòng)到A 點(diǎn)，接收cell1 信號(hào)強(qiáng)度的變化量為ΔM1=M1，A'-M1，A＞0，接收cell2 信號(hào)強(qiáng)度的變化量為ΔM2=M2，A'- M2，A＜0，其中ΔM1和ΔM2可通過(guò)2.1 節(jié)中兩種方法中任一種得到.則

聯(lián)合式(6)-(9)，可得到

則O'1，2和O'2，1的取值范圍由不等式組(4)變?yōu)?/p>

由不等式組(11)可知，考慮UE 在時(shí)間T 內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度變化量可將切換參數(shù)調(diào)整范圍提前，則UE 能更早地觸發(fā)切換，進(jìn)而負(fù)載均衡效果更加明顯.如圖4 所示，在不發(fā)生RLF 的情況下，UE 由原來(lái)的A 點(diǎn)提前到A'點(diǎn)觸發(fā)切換.

圖4 O 的調(diào)整范圍Fig.4 Adjusting range of O

2.3 MLB 問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模及分析

一般情況下，滿足不等式組(11)同時(shí)成立的O'1，2和O'2，1的取值有多種可能，而在文獻(xiàn)［9-10］中均未涉及如何確定這兩個(gè)變量具體值的方法，因此如何確定O'1，2和O'2，1的最優(yōu)值成為亟待解決的問(wèn)題.

通過(guò)分析MLB 的過(guò)程可知，增大O'1，2，即將小區(qū)1 向小區(qū)2 的切換觸發(fā)門限值降低，則用戶越早觸發(fā)切換，越能及時(shí)地轉(zhuǎn)移小區(qū)1 的負(fù)載，可直接實(shí)現(xiàn)重載小區(qū)1 負(fù)載的轉(zhuǎn)移，負(fù)載均衡效果越明顯，則為了更快地轉(zhuǎn)移負(fù)載，應(yīng)最大化O'1，2;而減小O'2，1，即將小區(qū)2 向小區(qū)1 的切換觸發(fā)門限值提高，由小區(qū)2 向小區(qū)1 移動(dòng)的用戶的切換進(jìn)入條件得以推遲，從而在一定程度上減緩小區(qū)1 負(fù)載的增加，即最小化O'2，1，能間接地實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的目的.

綜合以上分析，為了更好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，優(yōu)化目標(biāo)可表述如下:

(1)為了將重載小區(qū)1 的負(fù)載及時(shí)地轉(zhuǎn)移到輕載小區(qū)2，直接實(shí)現(xiàn)高負(fù)載小區(qū)1 中邊緣用戶的轉(zhuǎn)移，應(yīng)最大化O'1，2，可表示為max O'1，2.

(2)推遲UE 從小區(qū)2 切換到小區(qū)1，在一定程度上減緩小區(qū)1 負(fù)載的增加，間接實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，應(yīng)最小化O'2，1，可表示為min O'2，1.綜合考慮上述兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，并將2.2 節(jié)中求得的O'1，2和O'2，1取值范圍的不等式組(11)作為約束條件，得到聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件如下:

由于上述最優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)是線性的，并且其3 個(gè)約束條件均為線性約束條件，因此，上述最優(yōu)化問(wèn)題屬于線性規(guī)劃問(wèn)題，可通過(guò)內(nèi)點(diǎn)法求解得到O'1，2和O'2，1的最優(yōu)值［15］.此最優(yōu)值即為MLB 為實(shí)現(xiàn)其負(fù)載均衡目標(biāo)又不與MRO 產(chǎn)生沖突，為小區(qū)1(服務(wù)小區(qū))和小區(qū)2(目標(biāo)小區(qū))分別設(shè)置的小區(qū)個(gè)性偏移量的最優(yōu)取值.

2.4 切換參數(shù)調(diào)整流程

為將文中提出的沖突避免策略付諸實(shí)踐，設(shè)計(jì)相應(yīng)的MLB 操作流程，MLB 的具體操作流程如圖5所示.

圖5 MLB 操作流程Fig.5 Procedures of MLB

3 仿真與性能分析

3.1 仿真設(shè)置

仿真基于Matlab 搭建的系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)進(jìn)行.仿真平臺(tái)包括UE 模塊、eNodeB 模塊、拓?fù)淠K以及運(yùn)動(dòng)模塊，其中UE 模塊包括接入、測(cè)量、RLF 判斷、信息上報(bào)以及切換功能;eNodeB 模塊包括接入控制、分組調(diào)度、切換控制、MRO 以及MLB 功能.

如圖6 所示，仿真拓?fù)渲杏? 個(gè)蜂窩小區(qū)(7 個(gè)eNodeB)，每個(gè)eNodeB 采用全向天線單小區(qū)，相鄰eNodeB 的站間距為500 m，載波頻率為2 GHz，帶寬為5 MHz，基站發(fā)射功率為43 dBm.A3 事件遲滯H配置為3 dB，觸發(fā)時(shí)長(zhǎng)T 為100 ms，小區(qū)個(gè)性偏移量O 初始配置為0 dB.仿真設(shè)置的場(chǎng)景為:小區(qū)5 為重載小區(qū)，其周圍的6 個(gè)小區(qū)為輕載小區(qū)，重載小區(qū)5的用戶到達(dá)率取值范圍為0.08～0.32 個(gè)用戶/ms，輕載小區(qū)用戶到達(dá)率固定為0.04 個(gè)用戶/ms，用戶的到達(dá)時(shí)間均符合泊松過(guò)程，在線時(shí)間服從均值為20 s 的幾何分布，業(yè)務(wù)類型為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，用戶在接入系統(tǒng)時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生0～360°的移動(dòng)方向，之后保持移動(dòng)方向不變.仿真時(shí)間為500 s，在仿真中，接入控制模塊設(shè)置接入閥值為0.95，當(dāng)小區(qū)在500 ms 的滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)負(fù)載率超過(guò)0.95 時(shí)，則拒絕用戶接入.分組調(diào)度模塊采用比例公平調(diào)度算法.在仿真中，MRO和MLB 都通過(guò)調(diào)整小區(qū)個(gè)性偏移量O 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作，采用文獻(xiàn)［7-8］的方法檢測(cè)RLF 和乒乓切換.

圖6 仿真拓?fù)銯ig.6 Simulation topology

3.2 仿真結(jié)果及性能分析

針對(duì)現(xiàn)有方法(文獻(xiàn)［10］)和文中提出方法進(jìn)行了仿真評(píng)估，通過(guò)比較網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量、呼叫阻塞率和無(wú)線鏈路失敗率來(lái)衡量新方法的性能.在仿真中，分別對(duì)高速用戶和低速用戶進(jìn)行仿真，高速用戶速率是50 km/h，低速用戶速率是5 km/h.

圖7 是用戶分別為高速和低速時(shí)，呼叫阻塞率隨用戶到達(dá)率之間的關(guān)系圖.從圖7 可以得到，新方法的呼叫阻塞率低于現(xiàn)有方法.圖8 為用戶分別為高速和低速時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量隨用戶到達(dá)率的關(guān)系圖，從圖8 可知新方法的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量大于現(xiàn)有方法.新方法根據(jù)用戶在T 時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的變化量，得到調(diào)整O 的動(dòng)態(tài)范圍，并以更快均衡負(fù)載為目標(biāo)，得到O 最優(yōu)的調(diào)整值.因此，新方法可以更有效地緩解擁塞的狀況，從而能有效地降低重載小區(qū)的呼叫阻塞率，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量.

圖7 呼叫阻塞率與用戶到達(dá)率的關(guān)系Fig.7 Call blocking ratio versus arriving rate of UEs

圖8 網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量與用戶到達(dá)率的關(guān)系Fig.8 Average throughput versus arriving rate of UEs

從圖7 和圖8 可以得到，文中方法對(duì)高速用戶的改善效果比對(duì)低速用戶更明顯.高速用戶在T 時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離比低速用戶大，接收信號(hào)強(qiáng)度變化量相應(yīng)地比低速用戶大，則圖4 中的H1-O1，2，E值更大，即觸發(fā)點(diǎn)越提前，越能更及時(shí)有效地轉(zhuǎn)移負(fù)載，MLB 可以得到更快速、有效的操作.所以，高速用戶的優(yōu)化效果更明顯.

圖9 無(wú)線鏈路失敗率與用戶到達(dá)率的關(guān)系Fig.9 Radio link failure versus the arriving rate of UEs

圖9 是關(guān)于無(wú)線鏈路失敗率性能的比較，從圖9可以看到，不管用戶是高速還是低速，新方法的RLF都低于文獻(xiàn)［10］的方法，表明新方法能有效地避免MRO 與MLB 之間的沖突發(fā)生，證明了文中提出的方法的正確性和必要性.

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出一種利用最優(yōu)化理論的MRO 與MLB間沖突避免策略.首先，考慮用戶在T 時(shí)間內(nèi)接收服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化量，對(duì)用戶動(dòng)態(tài)調(diào)整切換范圍，使O 的取值范圍更符合用戶的實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度變化情況.其次，對(duì)MLB 問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并將O的取值范圍作為約束條件，求得調(diào)整切換參數(shù)O'1，2和O'2，1的最優(yōu)值.為將文中所提出的沖突避免策略付諸實(shí)踐，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的MLB 操作流程.仿真結(jié)果表明，該方法不僅能更有效地避免MRO 與MLB 間沖突發(fā)生，而且能更好地實(shí)現(xiàn)小區(qū)負(fù)載均衡，降低用戶接入阻塞率和無(wú)線鏈路失敗率，提高網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量.

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