一种lte网络多目标负载均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信系统的网络优化技术领域，具体是一种LTE自优化网络中的 多目标负载均衡算法。
【背景技术】
[0002] 目前普遍应用的LTE负载均衡算法是单目标负载均衡算法。例如移动性负载均衡 (MLB)技术，它主要是根据网络的负载状况来自动优化小区的移动性参数，实现用户的自动 转移，以达到均衡网络负载的目的。还有一些以均衡网络负载为目标的优化方法，使得目标 函数最大化从而解决负载均衡问题。以上这些优化算法，都有一个共同的缺点，就是所有的 算法过程都是从服务小区的角度来看，其最终目标都是热点小区完成卸载即可。它并没有 考虑到用户转移后的服务质量，在负载均衡结束判决时对目标小区是否还能容纳更多的负 载也没有进行考虑，所以没有实现真正意义上的多小区负载均衡，系统的资源利用率并没 有很大的提升。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种LTE网络负载均衡方法，使得考虑整个网络的负载均 衡状况，尽可能最大化均衡网络负载的同时有效利用系统资源，降低呼叫阻塞率。
[0004] 实现本发明目的的技术方案为：一种LTE网络多目标负载均衡方法，包括以下步 骤：
[0005] 步骤1 :建立LTE网络下行链路的仿真平台；
[0006] 步骤2 :计算LTE网络中的所有用户在其服务小区的信噪比和负载值，在其相邻小 区的预测信噪比和预测负载值，并计算每个小区的虚拟负载值；
[0007] 步骤3 :负载均衡时刻开始时，判断小区虚拟负载值是否大于1，如果存在虚拟负 载值大于1的小区，则触发负载均衡过程，继续以下步骤，否则等待下一个负载均衡时刻到 来；
[0008] 步骤4 :分别建立轻载小区和热点小区的负载均衡博弈模型，找到热点小区的最 佳转移用户，并生成最佳转移用户列表1u1, u2，...，un};
[0009] 步骤5 :建立蚁群算法在LTE负载均衡中的距离矩阵、启发因子矩阵和信息素矩 阵，同时计算概率原则;根据轮盘赌选择算法找到步骤3中最佳转移用户相匹配的最佳 目标小区，并生成和最佳转移用户列表相对应的最佳目标小区列表，····，气}_;
[0010] 步骤6 :根据转移用户和目标小区配对列表，将每个转移用户转移到相匹配的目 标小区，同时更新转移用户的服务小区和负载值；
[0011] 步骤7 :负载均衡时刻+1，重复步骤2~7 ;同时每隔IOs更新用户。
[0012] 本发明通过建立多目标负载均衡博弈模型寻求热点小区中最佳的转移用户，并利 用蚁群算法特性建立相应概率原则寻求转移用户的最佳匹配目标小区，完成LTE网络的负 载均衡过程。本发明与单目标LTE负载均衡方法相比，优点体现在：（1)不是仅仅考虑热点 小区负载情况，而是综合考虑全网的负载情况；（2)尽可能最大化均衡网络负载的同时有 效利用网络资源；（3)呼叫阻塞率降低；（4)易于实现。
【附图说明】
[0013] 图1是负载均衡过程流程图。
[0014] 图2是网络呼叫阻塞率。
[0015] 图3是网络负载公平性指数。
[0016] 图4是网络吞吐量。
【具体实施方式】
[0017] 本发明采用基于经济博弈论的多目标负载均衡模型，将LTE网络中的满意用户数 和平均网络负载增量作为该博弈模型的策略空间，寻求最优的转移用户，并利用蚁群优化 算法的鲁棒性和优良的分布计算机制，找到最佳的相邻小区，完善负载均衡过程。
[0018] 考虑蜂窝网络中的用户均为固定请求速率用户，计算用户u在当前热点小区中的 接收信干噪比，根据接收信干噪比计算用户u在热点小区中所占物理资源块的比率，并预 测出该用户转移后在目标小区中所占物理资源块的比率。同时计算每个小区的虚拟负载， 根据小区的虚拟负载大小来划分热点小区和轻载小区，当虚拟负载值大于1时，判定该小 区为热点小区。
[0019] 在负载均衡选择最佳转移用户过程中，如果效用函数只由满意用户数来衡量，为 了最大化效用函数，就可能会产生一些特定的在目标区域信道条件很差的转移用户，当它 们从热点小区转移到目标小区后，为了满足它们所需的数据速率，会导致在目标小区占据 大量的资源。为了避免这种情况，将平均负载增量作为该负载均衡博弈模型另一个目标函 数，且其值越小越好。这样能够在保证最大化均衡LTE网络负载的同时，使网络平均负载维 持一个良好水平，降低网络呼叫阻塞率，提高系统资源利用率。
[0020] 考虑到一个LTE网络中存在热点小区和轻载小区，负载均衡的目的是将热点小区 中满足转移条件的用户转移到相邻满足接收负载条件的轻载小区中，所以负载均衡博弈模 型分为热点小区和轻载小区两部分。可以将此热点小区和轻载小区的博弈模型建立为如下 的优化模型：
[0021] Iiiaxutilityi= a (U //UiHd-α ) (-Δ φ)，i e轻载小区
[0022] maxutility。= a (U。，/U〇) + (l-a ) (-Δ φ)，〇 e热点小区
[0024] 其中，utilityjP utility。分别为轻载小区和热点小区的效用函数，由满意用户 数IV/U1, U。'/U。和网络平均负载增量Δ Φ确定。Φ i是小区i的负载值，φ t是特定负载 阈值。
表示^个用户转移到轻载小区i后的负载总量。为了使两个目标的值可以同 等进行比较，将满意用户数目标函数进行了归一化处理，并利用线性加权和法构造单一效 用函数。α是加权系数，α的不同取值会导致不同的效用函数值。同时该博弈模型需要满 足一定的负载转移条件。通过该多目标负载均衡博弈模型可以找出最佳的转移用户，和使 用A3事件判定的不同在于，可以辨别用户所处小区的方向及其邻区的负载状况。
[0025] 其次，利用蚁群算法鲁棒性和优良的分布计算机制可以找出最佳转移用户所匹配 的最优目标小区。将用户看作是蚂蚁，利用基于负载均衡原理设定的"信息素"，建立待选小 区的概率原则，并应用轮盘赌选择算法寻求匹配小区。
[0026] 通过以上建模，当网络监测到热点小区时，LTE负载均衡过程开始。仿真场景选择 有多个热点小区相毗邻的网络，对所有小区均计算其效用函数，通过最大化网络满意用户 数和最小化网络平均负载增量，该效用函数可以将热点小区所需转移的用户明确表示，BP 间接表明用户所处小区的大致方位。
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0028] 本发明一种多目标LTE网络负载均衡方法，通过建立热点小区、轻载小区的负载 均衡博弈模型，以满意用户数和平均负载增量作为博弈模型的目标优化变量，同时与蚁群 算法相结合完成负载均衡过程。
[0029] 以3GPP LTE下行链路多小区网络负载均衡为例，考虑蜂窝网络系统，每个小区由 位于其中心的一个演进型基站eNB控制，小区内不再分扇区。那么每一个用户的信噪比为
[0031] 其中X(U) = c表示用户U与小区c建立连接；A1,是用户U到小区c的平均 信道增益，|a表示用户u所分布的位置；Ptx^是小区c的发射功率；组合项
可以理解为所有传输中在预期时间和频率（物理资源块）上产生的预期干扰，即网络中其 他小区对该用户产生的干扰；σ 2表示加性高斯白噪声。
[0032] 用吞吐量Ru= R(γ 表示每一个物理资源块根据所给的γu，。产生的数据速率， 利用香农定理可以描述为
[0033] R(Yu c) =Bff · Iog2 (l+yUiC) (2)
[0034] 其中BW是一个物理资源块（PRB)的传输带宽（在LTE系统中一个PRB的带宽是 180kHz)。那么，小区c的虚拟负载为
[0036] 其中Du是用户u所需的数据速率，
：是用户u携带的负载；Ntot为网络的 总资源块数。處的物理意义是：分布在小区c中所有用户所占资源块总数和网络中总资源 块总数的比值。当A >i时，c小区为热点小区。当热点小区中的用户转移到相邻小区时， 其所携带的负载是变化的，通过上述公式可知用户负载与其信干噪比相关。所以当用户转 移后用户在目标小区的信噪比可以预测为
[(
[0038] 其中SJP S 2分别是用户所在热点小区和目标小区的信号强度电平（RSRP)，γ 是用户在热点小区的信噪比值。
[0039] -个携带负载值Φ JP用户数U1S 0的轻载小区i接收X1个转移用户后，其满意 用户数IV可以表示为
[0041] 其中
表示\个用户转移到轻载小区i后的负载总量。当 Φ' 1时，满意用户数是随着转移到小区i的用户线性递增的；当Φ' 1时，小区i中 部分用户不能被满足，该小区的容量受限。此时满意用户数用一个floor取整操作来表示。 假设小区i的可容纳负载Sy1，该博弈模型的一个原则就是热点小区要转移到轻载小区i 的用户总负载必须满足
[0042] 对于热点小区，分布的用户1]。> 0和初始负载值Φ。> 1时，它的满意用户数可以 表示为
[0044] 其中
表示X。个用户从热点小区转移前的负载总量。将热点 小区满意用户数Uc;和轻载小区满意用户数1^'作为该负载均衡博弈模型目标函数之一，且 其值越大越好。
[0045] 根据用户在热点小区所携带的负载容量和转移到相邻轻载小区后所携带的负载 容量，网络中的平均负载增量定义为
[0047] 其中
是所有轻载小区全部接收的负载容量总和，nu是轻载小区数；
是所有热点小区转移用户的负载容量总和，I是热点小区数；N是全网络总小区 数。平均负载增量的物理意义在于用户转移后，目标轻载小区为其所分配的资源和原有在 热点小区得到的负载资源相比，不会有太大范围的抖动。将平均负载增量作为该负载均衡 博弈模型另一个目标函数，且其值越小越好。
[0048] 考虑约束条件和轻载小区i接收负载的最坏情况，即只接收一个转移用户负载值 就大于1。设最坏情况下轻载小区i的接受负载为y%那么y#的上界可以表示为
[0051] 只有当轻载小区i的负载超过特定的阈值<i>t时才能达到y _。如果轻载小区被 高度占用，很有可能没有用户转移到该小区即剩余负载Y1= 1-Φ i可能和用户不匹配。因 此，轻载小区i的剩余负载可以表示为
[0053] 因此，该负载均衡博弈模型建立如下：