摘要：負荷管理功能是LTE的E-UTRAN系統(tǒng)中RRM的一個重要組成部分。通過分析LTE系統(tǒng)中eNB負荷過載的場景，引出負荷管理功能的必要性，并進一步分析了負荷參量表示及負荷管理功能的主要處理內(nèi)容，對于移動通信系統(tǒng)負荷管理功能及其他RRM功能的設計、實現(xiàn)具有很強的指導意義。
關鍵詞：LTE；RRM；負荷管理；過載識別；過載解決
0 引言
任何移動通信系統(tǒng)都有一個可用相關參量的值來表示的系統(tǒng)負荷門限值，LTE也不例外。如果系統(tǒng)實際的負荷值超過了這個負荷門限值，則判定系統(tǒng)處于負荷過載狀態(tài)。
正常情況下，如果系統(tǒng)進行了恰當?shù)囊?guī)劃，并且RRM中的接納控制等算法都正常且高效工作，則可以大大降低系統(tǒng)負荷過載的發(fā)生的概率。再進一步，如果接納控制完全理想，系統(tǒng)就永遠不會出現(xiàn)負荷過載。
1 系統(tǒng)負荷過載發(fā)生的場景
系統(tǒng)負荷過載發(fā)生的場景包括以下幾個方面：
接納控制預估不準確 在接納控制過程，用戶會分配無線、傳輸?shù)确矫娴馁Y源。接納控制功能應該正確評估申請資源的用戶的QoS特性及資源需求，設置最佳的控制門限判決用戶是否能夠接入。但實際網(wǎng)絡中用戶傳輸業(yè)務時的信道特性很難準確預估，當出現(xiàn)系統(tǒng)真正調(diào)度用戶所需要的資源大于接納預估的資源時，將很容易導致系統(tǒng)負荷過載。
鄰區(qū)干擾的隨機性 在用戶或業(yè)務接入時，在做基于干擾的接納控制時，統(tǒng)計得到的鄰區(qū)干擾對于服務小區(qū)來說是一個統(tǒng)計平均值。但實際系統(tǒng)中鄰小區(qū)的干擾不可能總是恒定，在鄰小區(qū)干擾變化非常大的某個時刻，可能導致系統(tǒng)或小區(qū)負荷瞬時過載。
邊緣用戶功率提升 在下行鏈路，分配給每個UE的發(fā)射功率都是基于UE所處位置及對應的信道狀況的，但有的時候大部分UE可能都處于小區(qū)邊緣的惡劣信道狀態(tài)下，而小區(qū)中總的下行發(fā)射功率是一定的，因此，對處于小區(qū)邊緣惡劣信道條件下的相關UE或業(yè)務進行的功率提升，在一定條件下會導致小區(qū)負荷過載。
業(yè)務速率變化 由于系統(tǒng)支持可變速率傳輸，處于基站附近信息狀況良好的用戶如果突然提高傳輸速率，則會瞬時增加對系統(tǒng)資源的使用需求。從空口來看，則需要占用更多的空口資源去調(diào)度以滿足業(yè)務的OoS要求。如果此時系統(tǒng)空口剩余RB資源不足，將會導致系統(tǒng)負荷過載。
切換失敗 在基于覆蓋的切換過程中，由于具有一定OoS要求的UE目標小區(qū)資源不夠被拒絕而發(fā)生切換失敗，致使UE依然以連接態(tài)處于原服務小區(qū)，則UE相關業(yè)務的QoS要求同樣會導致原小區(qū)負荷過載。
突發(fā)的隨機接入 在小區(qū)中，隨機接人信道PRACH的數(shù)量是有限的，而UE發(fā)起的隨機接入具有突發(fā)性和隨機性，并且這些隨機信號對于系統(tǒng)也是有干擾的。所以，當UE突發(fā)發(fā)起的隨機接入過程的數(shù)量瞬時超過了小區(qū)內(nèi)PRACH信道容量，也會因為干擾的增加導致系統(tǒng)負荷過載。
2 負荷管理功能引入
當系統(tǒng)負荷過載時，如果不采取有效措施降低系統(tǒng)的負荷，會導致系統(tǒng)的性能急劇變差甚至引起系統(tǒng)崩潰。這就自然對RRM功能提出負荷管理的需求，即RRM所定義的負荷管理功能應能使系統(tǒng)迅速且可控的回歸到網(wǎng)絡規(guī)劃所定義的目標負荷值。
對于負荷管理功能來說，主要實現(xiàn)兩方面的內(nèi)容：即負荷過載識別和負荷過載解決。其功能組成如圖1所示。
3 負荷管理功能分析
3．1 負荷過載識別
系統(tǒng)一旦準備就緒，隨著UE的接入，就會有相應的負荷，所以負荷過載識別應該是周期性的，伴隨著整個系統(tǒng)的生命周期。
負荷過載識別的關鍵是利用什么參量來合理評價系統(tǒng)負荷以及檢測負荷過載的方法。
下面簡要分析幾種評估系統(tǒng)負荷的參量及檢測方法。
3．1．1 基于eNB系統(tǒng)的硬件資源如CPU，DSP的使用率
系統(tǒng)中每接入一個用戶或業(yè)務，都要占用一定的CPU，DSP等硬件資源的開銷，所以可以根據(jù)CPU，DSP使用率評估系統(tǒng)負荷情況。即設定關于CPU，DSP一定的使用率門限，當檢測到CPU，DSP的使用率超過這個門限時，則判定系統(tǒng)負荷過載。
3．1．2 基于干擾和功率
LTE和CDMA系統(tǒng)類似，也是一個軟容量系統(tǒng)，在上行體現(xiàn)為干擾受限，在下行體現(xiàn)為發(fā)射功率受限，所以可以基于干擾和功率來評估系統(tǒng)的負荷情況。
(1)基于發(fā)射功率的負荷評估
下行的負荷決定于下行總的發(fā)射功率Ptotal，則下行負荷因子可以定義為當前總的發(fā)射功率Ptotal和系統(tǒng)允許的最大下行發(fā)射功率Pmax之比。當實際測得的基于發(fā)射功率的負荷因子值高于預定義的門限值時，可判定系統(tǒng)為下行過載。
(2)基于干擾的負荷評估
系統(tǒng)負荷因子定義為來自本小區(qū)和鄰小區(qū)的總干擾功率之和與總帶寬干擾之比。假設本小區(qū)干擾功率為Iown，其他小區(qū)干擾功率為Ioth，背景噪聲為Po，則系統(tǒng)負荷因子可以表示為Iown與Ioth的和與Po，Iown，Ioth三者的和之比。當實際測得的基于干擾的負荷因子值高于預定義的門限值時，可判定系統(tǒng)為上行過載。
3．1．3 基于吞吐量
從系統(tǒng)中所有業(yè)務的吞吐量可以知道當前系統(tǒng)業(yè)務量的負荷情況，如果系統(tǒng)吞吐量過高，說明系統(tǒng)處理的負荷過重。吞吐量可從上下行兩個方向評估，上行總的吞吐量為所有業(yè)務上行吞吐量之和，下行總的吞吐量為所有業(yè)務下行吞吐量之和。根據(jù)測量得到的上下行吞吐量值，與系統(tǒng)預定義的吞吐量門限值進行比較，如果在任何一個方向上的吞吐量值高于系統(tǒng)預定義的吞吐量門限值，則認定為系統(tǒng)負荷負載。
3．2 負荷過載解決
負荷過載解決，就是根據(jù)負荷過載識別的結(jié)果，確定系統(tǒng)的負載狀況，并根據(jù)負載狀況，采取相應措施降低系統(tǒng)的負荷。并在系統(tǒng)處于輕負荷時，采取相應的負荷回復措施。
在實際中，可以采取很多種方法使系統(tǒng)從負荷過載的狀態(tài)中轉(zhuǎn)移出來，但無論采用什么類型的負荷過載方法，都涉及到得到用戶負荷操作優(yōu)先級和負荷處理兩方面內(nèi)容。
3．2．1 得到用戶負荷操作優(yōu)先級
把服務的用戶按照QoS從高到低進行排序，具有高QoS要求的用戶具有最高優(yōu)先級，而那些對傳輸時延和速率都不敏感的用戶則具有最低的優(yōu)先級。在衡量用戶的優(yōu)先級時，把不同的QoS參數(shù)，如傳輸速率、傳輸時延等作為輸入，然后根據(jù)輸出值的大小對用戶排序，得到在處理系統(tǒng)負荷過載時操作用戶的優(yōu)先級。
3．2．2 負荷處理(包括負荷降低策略和負荷恢復策略)
當檢測出系統(tǒng)負荷過載時，需要采取多種方法降低用戶對于系統(tǒng)資源的占用，從而降低系統(tǒng)負荷。當檢測出系統(tǒng)負荷已有效降低，則需要視情況決定是否執(zhí)行負荷恢復措施。
(1)負荷過載處理(降負荷)的方法和措施
可考慮將系統(tǒng)的負荷設置兩個過載門限：負荷輕載門限和負荷重載門限。負荷重載門限大于等于負荷輕載門限。當系統(tǒng)中的負荷高于負荷輕載門限時，可以采取一些溫和措施降低小區(qū)中的負荷，比如忽略功率提升命令等。如果采取溫和措施后沒有有效降低系統(tǒng)負荷，且系統(tǒng)的負荷高于負荷重載門限，那么，可以采取較為嚴厲的措施來迅速降低系統(tǒng)負荷，比如掉話、接納禁止等。
負荷過載處理考慮有以下措施：廣播參數(shù)修改、選擇UE或業(yè)務強制掉話、限制或降低業(yè)務流量、接納拒絕、小區(qū)間負荷均衡、調(diào)整調(diào)度策略、調(diào)整小區(qū)切換門限、調(diào)整小區(qū)選擇重選門限、忽略功率提升命令等。
(2)負荷處理(負荷恢復)的方法和措施
負荷恢復也要設定不同的門限，通過對發(fā)生負荷過載的小區(qū)進行恢復檢測，把得到的負荷結(jié)果與設定的門限值比較，如果低于設定的門限值，則說明系統(tǒng)已消除了本區(qū)間的負荷過載。負荷恢復措施也需要考慮根據(jù)負荷恢復檢測結(jié)果確定負荷恢復等級，并與降負荷措施相對應，采取不同的恢復處理。
相對于負荷過載解決，負荷恢復處理有以下措施可以選擇：恢復廣播參數(shù)修改、停止選擇UE或業(yè)務強制掉話、恢復限制或降低業(yè)務流量、恢復接納拒絕、停止小區(qū)間負荷均衡、恢復調(diào)整調(diào)度策略、恢復調(diào)整小區(qū)切換門限、恢復調(diào)整小區(qū)選擇重選門限、正常執(zhí)行功率提升命令等。
4 結(jié)論
負荷管理是移動通信系統(tǒng)必備的功能，是無線資源管理RRM的重要組成部分，它周期性的檢測系統(tǒng)的負荷狀況，并根據(jù)負荷狀況劃分負荷等級，根據(jù)不同的等級做出相應的決策，提供恰當合理的負荷處理解決方案，盡量使系統(tǒng)保持在正常的負荷水平。負荷管理也是優(yōu)化網(wǎng)絡質(zhì)量的重要手段。
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