4G網絡負荷均衡方法研究

王曉剛

（中國聯通山西分公司，山西太原030006）

0 前言

當前2I2C業務迅猛增加，為應對流量爆發和節約投資，需要進行4G負載均衡方式的研究。2017年在聯通冰激凌、騰訊大網卡等業務的迅猛發展和高流量的拉動下，4G網絡業務量快速增長，造成4G網絡負荷快速增長，尤其是重點場景局部區域話務過熱，導致下載速率降低，用戶感知下降，網頁打開緩慢，視頻緩沖時延大,視頻卡頓等。故對多用戶重點區域進行負載提升勢在必行。

本文研究了用戶感知與負荷的關系、負載均衡的方式和流程、負載均衡的規則及評估標準、載波聚合，并通過案例進行闡述，提出了應對4G網絡流量增長和效益平衡的方向和措施。

1 研究用戶感知與負荷的關系

隨著LTE網絡負荷的增加，RRC用戶數增加，流量增加，下行PRB利用率增加，故分配給每個用戶的PRB數相對降低，每個用戶的可用資源減少，單用戶速率降低，用戶感知下降。為研究網絡負荷與用戶感知的關系，找出影響用戶感知的網絡負荷節點，包括流量門限、PRB利用率門限、RRC用戶數門限，提取山西省多載波站點單用戶下行速率、下行流量、RRC平均用戶數、PRB利用率，分析結果如下：

a）PRB利用率與單用戶下行速率成反比，PRB利用率越大，單用戶速率越??；當PRB利用率大于50%，單用戶下行速率小于10 Mbit/s。

b）單用戶下行速率與下行流量成反比，下行流量越大，單用戶速率越小。

c）單用戶下行速率與RRC平均用戶數成反比，RRC平均用戶數越大，單用戶速率越??；當RRC平均用戶數大于80，單用戶下行速率小于10 Mbit/s。

d）單用戶下行速率與每帶寬承載流量成反比，每帶寬承載流量越大，單用戶速率越??；當每帶寬承載流量大于350 MB，單用戶下行速率小于10 Mbit/s。

2 LTE負載均衡原理

2.1 負載均衡流程（愛立信）

為了使不同載波間的負荷均衡，引入IFLB功能，通過遷移連接態的UE達到不同載波負荷分擔的作用。

2.1.1 IFLB生效條件

a）要求激活基于覆蓋的異頻切換（Coverage-Triggered Inter-Frequency Handover）。

b）IFLB涉及的2個站點間要有正常的X2鏈路（load information進行exchange）。

c）IFLB只能發生在Ericsson的基站上。

d）保證載波間負載均衡功能打開，同站異頻鄰區互配負載均衡關系（loadBalancing設置為ALLOWED）。

e）激活異頻切換功能Intra-LTE Inter-Mode Handover feature，負載均衡能夠應用于Inter-Mode（FDD and TDD）。

2.1.2 IFLB處理步驟

負載信息的評估是通過用戶負荷（基站內部虛擬運算）開展的，如果主服小區和目標小區的用戶負荷相差3%（lbThreshold）即啟動負載均衡，當主服小區的RSRP小于-44 dBm（a5Threshold1Rsrp，很容易達到，相當于對主服不設限）且目標小區的RSRP大于-95 dBm（a5Threshold2Rsrp，為了確保目標小區的覆蓋良好）即觸發負載均衡的實施。

Step1：Load Assessment；依據subscription ratio進行評估。

Step2：Load Information Exchange；負載信息交互通過X2鏈路進行，一個小區可以收到多個本站/其他站小區的load report；目標小區的選擇由參數loadBalancing控制；而且負載信息交互只發生在配置了LB的相關小區上。

Step3：Load Balancing Action；基于收到的load information，源小區決定切換給目標小區負荷的差異化分配。具體依據如下：

a）不同目標小區的負荷差異。

b）載波負荷差（lbThreshold）觸發LB的執行。

c）源小區總的卸載量，如果存在多個target cell，那么負載在這些小區間分配。

d）最大load差（lbCeiling）為一個負荷分擔周期（15 s）可卸載的最大用戶，多余用戶等待下一個IFLB周期。

Step4：LB是通過HO來實現的，采用A5事件；如果isHoAllowed設置為FALSE，HO到目標小區是被禁止的；如果目標小區在Handover Restriction List（HRL）中，那么將被禁止切換。

2.2 負載均衡流程（華為）

負載均衡可基于用戶數觸發，或者基于PRB模式觸發。目前現網大部分采用用戶數模式觸發，即用戶數模式滿足觸發條件，則觸發異頻負載均衡，且均轉移同步態的UE。

2.2.1 觸發/停止負載均衡

2.2.1 .1基于PRB模式觸發

選擇PRB模式觸發時，若連續5 s內（可配置）同時滿足以下條件，則觸發異頻PRB利用率負載平衡。

a）小區某類PRB利用率≥異頻負載平衡門限（InterFreqMlbThd）+負載偏置（LoadOffset）。

b）小區同步態用戶數≥MLB最小用戶數門限（MlbMinUeNumThd）+MLB最小用戶數偏置（MlbMinUeNumOffset）。

選擇PRB模式觸發時，若連續5 s（可配置）內滿足以下任一條件，則停止異頻PRB利用率負載平衡。

a）小區所有PRB利用率類型＜異頻負載平衡門限（InterFreqMlbThd）。

b）小區同步態用戶數＜MLB最小用戶數門限（MlbMinUeNumThd）。

2.2.1 .2基于用戶數觸發

選擇用戶數模式觸發時，若連續5 s內（可配置），小區同步態用戶數≥異頻負載均衡用戶數門限（Inter-FreqMlbUeNumThd）+負載均衡用戶數偏置（MlbUeNumOffset），則觸發異頻同步態用戶數負載平衡。

選擇用戶數模式觸發時，若連續5 s內小區同步態用戶數＜異頻負載均衡用戶數門限（InterFreqMlbUe-NumThd），則停止異頻同步態用戶數負載平衡。

2.2.2 目標小區選擇

eNodeB根據參數異頻負載平衡開關（MlbAlgo-Switch）和負載均衡鄰區范圍（LoadBalanceNCellScope）的配置情況，在異頻鄰區列表中篩選負載平衡鄰區選擇范圍。目前MlbAlgoSwitch僅選擇打開異頻負載平衡開關，負載平衡鄰區選擇范圍是：同站重疊覆蓋鄰區和配置了X2鏈路的異站重疊覆蓋鄰區，但后者使用很少，基于現網部署情況，負載均衡更傾向于同站重疊覆蓋鄰區。

觸發負載平衡時啟動負載信息交互，對于站內鄰區，服務小區從所屬eNodeB直接獲取鄰區的PRB利用率、同步態用戶數、傳輸資源和硬件資源負載信息，而對于站間鄰區，服務小區所屬eNodeB將對候選鄰區中配置了X2鏈路的異站鄰區發起負載信息交互流程，鄰區所屬基站按照請求消息指示的交互周期回復PRB利用率、同步態用戶數、傳輸資源和硬件資源負載信息。

候選鄰區中，能獲取到其負載信息的小區即為交互鄰區。交互鄰區按照部分默認和設定的條件進行篩選，需要注意的是以下條件是需要網絡設置的：服務小區與鄰小區PRB利用率差值大于負載差門限（Load-DiffThd）的小區，鄰區InterFreqMlbUeNumThd-鄰區同步態用戶數＞0的小區，或者滿足（服務小區同步態用戶數-鄰區同步態用戶數）/服務小區同步態用戶數＞用戶數差值門限（UeNumDiffThd）的小區。然后根據負載均衡頻點選擇策略（FreqSelectStrategy）的配置選擇滿足頻點要求的小區，形成當前執行周期的目標小區列表。

界面取值范圍：公平選擇策略（FAIRSTRATEGY）、根據MLB頻點優先級選擇（PRIORITYBASED）、基于負載的頻點優先級（LOADPRIORITY）。

2.2.3 負載均衡執行

UE的選擇：UE不處于CA狀態，沒有建立QCI1的業務，不處于懲罰階段。轉移出的UE個數要小于負載均衡最大切換出用戶數。每異頻負載評估周期（InterFreqLoadEvalPrd）內轉移的最大UE個數不能超過負載均衡最大切換出用戶數（MlbMaxUeNum），負載轉移時，使用基于測量的EventA4。

當收到的切換請求消息攜帶的負載平衡切換原因為Reduce load in serving cell時，目標小區不做接納判斷，按照正常切換流程處理。當收到的切換請求消息攜帶的負載平衡切換原因為Resource Optimisation Handover時，如果目標小區PRB利用率或同步態用戶數處于潛在高載狀態或者負載平衡觸發狀態，則目標小區回復切換拒絕響應消息HANDOVER PREPARATION FAILURE，否則按照正常切換流程處理。

2.3 分場景細分多載波策略

2.3.1 帶內L1800異頻場景

Band3多載波帶內異頻場景多為室分1650 20M+室分1506 10M，子載波間隔14.4 MHz。

帶內L1800異頻場景載波策略：帶內1650與1506有相同的空閑態重選優先級，空閑態隨機駐留；連接態優先級相同；1650與1506互操作方式為異頻切換、基于用戶數的負載均衡。

2.3.2 帶間L1800與L2100異頻場景

帶間L1800與L2100異頻場景多為宏站1650（20M）負責覆蓋+宏站375（15M）增加容量。

帶間L1800與L2100異頻場景載波策略：L1800與L2100有相同的空閑態重選優先級，空閑態隨機駐留；連接態優先級相同；L1800與L2100互操作方式為異頻切換、基于用戶數的負載均衡。

2.3.3 Inter-mode：FDD與TDD負載均衡

FDD與TDD場景適用于：用戶集中，容量需求大，需重點解決網絡容量問題；FDD已經進行CA擴容，無頻率可用，需要使用TDD進行熱點業務吸收。

TDD分流策略為：

a）4G用戶數多、負荷高已經擴容FDD場景，增加TDD基站。以FDD為主覆蓋，TDD吸收熱點流量。

b）配置TDD高優先級或等優先級，根據頻段的差異，通過設定不同的重選門限，使終端均勻地駐留在TDD/FDD網絡。

c）FDD與TDD之間通過連接態負荷均衡+空閑態負荷均衡來調整2張網絡間的負荷。當FDD網絡負荷較高時，將數據業務均衡到TDD網絡上。

d）TDD與FDD互操作方式為：異頻切換、基于用戶數的負載均衡。

3 負載均衡評估標準

IFLB實現機制：現網設置通過RRC用戶數差值判斷是否觸發負載均衡；當載波1、載波2用戶數差值大于設置值，觸發IFLB，并通過異頻切換進行off loading。

研究方法：使用一周小時級數據，篩選RRC用戶數均衡（載波1、載波2RRC用戶數差值小于參數設定值）小區，分析其PRB利用率差值。

帶內：在RRC用戶數均衡的前提下，90%的小區均可滿足PRB利用率差值在20%以內；故PRB利用率差值在20%以內判斷為負載均衡（見圖1）；當載波1、載波2PRB利用率差值在20%以內，單用戶下行速率大于20 Mbit/s（見圖2）。

圖1 帶內PRB利用率差值統計

圖2 帶內單用戶下行速率與PRB差值關系

帶間：在RRC用戶數均衡的前提下，90%的小區均可滿足PRB利用率差值在20%以內；故PRB利用率差值在20%以內判斷為負載均衡（見圖3）；當載波1、載波2PRB利用率差值在20%以內，單用戶下行速率大于15 Mbit/s（見圖4）。

評估方法：一周每天實際忙時的PRB利用率，取7天均值；分別計算載波1、載波2負荷（PRB利用率、流量、用戶數），PRB利用率差值＞20%，判斷為不均衡；統計時段：評估為自然周（周一到周日），自忙時。

表1示出的是負載均衡情況統計。

圖3 帶間PRB利用率差值統計

圖4 帶間單用戶下行速率與PRB差值關系

表1 負載均衡情況統計

負載均衡標準：載波1、載波2PRB利用率差值小于20%。

4 負載均衡優化

多載波站點負載均衡優化方法如下：

a）核查負載均衡License、相關功能狀態是否開啟。

b）核查同站異頻鄰區是否互配負載均衡關系（loadBalancing設置為ALLOWED），若未配置，進行添加。

c）核查基站狀態是否正常，是否存在告警；若有告警，推動告警處理。

d）對問題小區統計的指標進行載波1小區與載波2小區PRB利用率分析，根據當前用戶數門限設置用戶數啟動門限。若載波1 PRB利用率高，載波2 PRB利用率低，則減小載波1小區用戶數啟動門限，降低用戶數差值門限，調節A5使載波1用戶更容易觸發負載均衡切換至載波2，載波2用戶不易觸發負載均衡切換至載波1。若載波1 PRB利用率低，載波2 PRB利用率高，則增大載波1小區用戶數啟動門限，提高用戶數差值門限，調節A5使載波2用戶更容易觸發負載均衡切換至載波1，載波1用戶不易觸發負載均衡切換至載波2。

e）載波1、載波2的覆蓋區域應大體一致，若覆蓋區域基本無重疊，載波間負載不均衡需要進行天饋調整。加強入網管控、定期檢查工程參數，確保擴容載波與已有載波覆蓋一致。

5 載波聚合

目前全省多載波站點已全部開啟負載均衡、載波聚合，且。開啟載波聚合可提高小區速率，提升用戶感知。

a）開啟CA站點，主載波一直處于開啟狀態，為節省電量，輔載波動態激活和去激活。

b）當無線環境SINR大于門限值sCellScheduleSinrThres（現網設置為0），且RLCbutter數據傳輸時長大于sCellActDeactDataThres，輔載波激活觸發。

c）當無線環境SINR小于門限值sCellScheduleSinrThres（現網設置為0），或者RLCbutter數據傳輸時長小于sCellActDeactDataThres-sCellActDeact-DataThresHyst，輔載波去激活觸發。

負載均衡、載波聚合開啟后，載波1單用戶速率提升17.73%，載波2單用戶速率提升30.78%（見圖5）；負載均衡、載波聚合開啟后，載波1、載波2PRB利用率、RRC用戶數、流量更加均衡（見圖6和圖7）。

圖5 載波間單用戶下載速率對比

6 結束語

通過本文研究分析，梳理出用戶感知與負荷的關系，負荷越高，用戶感知越差。為緩解高熱區域負荷，對多載波站點進行負載均衡優化。經過多載波分場景細分，分為帶內L1800異頻場景、帶間L1800與L2100異頻場景、inter-mode：FDD與TDD負載均衡，進行多載波策略、參數優化，負載均衡評估標準，載波聚合開啟場景研究，確定了負載均衡評估標準及優化方法，為日后負載均衡日常優化明確了思路和方法。

圖6 載波間PRB利用率對比

圖7 開啟CA前后RRC平均用戶數對比