LTE中负荷管理功能分析

摘要：负荷管理功能是LTE的E-UTRAN系统中RRM的一个重要组成部分。通过分析LTE系统中eNB负荷过载的场景，引出负荷管理功能的必要性，并进一步分析了负荷参量表示及负荷管理功能的主要处理内容，对于移动通信系统负荷管理功能及其他RRM功能的设计、实现具有很强的指导意义。
关键词：LTE；RRM；负荷管理；过载识别；过载解决

0 引言
    任何移动通信系统都有一个可用相关参量的值来表示的系统负荷门限值，LTE也不例外。如果系统实际的负荷值超过了这个负荷门限值，则判定系统处于负荷过载状态。
    正常情况下，如果系统进行了恰当的规划，并且RRM中的接纳控制等算法都正常且高效工作，则可以大大降低系统负荷过载的发生的概率。再进一步，如果接纳控制完全理想，系统就永远不会出现负荷过载。

1 系统负荷过载发生的场景
    系统负荷过载发生的场景包括以下几个方面：
    接纳控制预估不准确  在接纳控制过程，用户会分配无线、传输等方面的资源。接纳控制功能应该正确评估申请资源的用户的QoS特性及资源需求，设置最佳的控制门限判决用户是否能够接入。但实际网络中用户传输业务时的信道特性很难准确预估，当出现系统真正调度用户所需要的资源大于接纳预估的资源时，将很容易导致系统负荷过载。
    邻区干扰的随机性  在用户或业务接入时，在做基于干扰的接纳控制时，统计得到的邻区干扰对于服务小区来说是一个统计平均值。但实际系统中邻小区的干扰不可能总是恒定，在邻小区干扰变化非常大的某个时刻，可能导致系统或小区负荷瞬时过载。
    边缘用户功率提升  在下行链路，分配给每个UE的发射功率都是基于UE所处位置及对应的信道状况的，但有的时候大部分UE可能都处于小区边缘的恶劣信道状态下，而小区中总的下行发射功率是一定的，因此，对处于小区边缘恶劣信道条件下的相关UE或业务进行的功率提升，在一定条件下会导致小区负荷过载。
    业务速率变化  由于系统支持可变速率传输，处于基站附近信息状况良好的用户如果突然提高传输速率，则会瞬时增加对系统资源的使用需求。从空口来看，则需要占用更多的空口资源去调度以满足业务的OoS要求。如果此时系统空口剩余RB资源不足，将会导致系统负荷过载。
    切换失败  在基于覆盖的切换过程中，由于具有一定OoS要求的UE目标小区资源不够被拒绝而发生切换失败，致使UE依然以连接态处于原服务小区，则UE相关业务的QoS要求同样会导致原小区负荷过载。
    突发的随机接入  在小区中，随机接人信道PRACH的数量是有限的，而UE发起的随机接入具有突发性和随机性，并且这些随机信号对于系统也是有干扰的。所以，当UE突发发起的随机接入过程的数量瞬时超过了小区内PRACH信道容量，也会因为干扰的增加导致系统负荷过载。

2 负荷管理功能引入
    当系统负荷过载时，如果不采取有效措施降低系统的负荷，会导致系统的性能急剧变差甚至引起系统崩溃。这就自然对RRM功能提出负荷管理的需求，即RRM所定义的负荷管理功能应能使系统迅速且可控的回归到网络规划所定义的目标负荷值。
    对于负荷管理功能来说，主要实现两方面的内容：即负荷过载识别和负荷过载解决。其功能组成如图1所示。

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3 负荷管理功能分析
3．1 负荷过载识别
    系统一旦准备就绪，随着UE的接入，就会有相应的负荷，所以负荷过载识别应该是周期性的，伴随着整个系统的生命周期。
    负荷过载识别的关键是利用什么参量来合理评价系统负荷以及检测负荷过载的方法。
    下面简要分析几种评估系统负荷的参量及检测方法。
3．1．1 基于eNB系统的硬件资源如CPU，DSP的使用率
    系统中每接入一个用户或业务，都要占用一定的CPU，DSP等硬件资源的开销，所以可以根据CPU，DSP使用率评估系统负荷情况。即设定关于CPU，DSP一定的使用率门限，当检测到CPU，DSP的使用率超过这个门限时，则判定系统负荷过载。
3．1．2 基于干扰和功率
    LTE和CDMA系统类似，也是一个软容量系统，在上行体现为干扰受限，在下行体现为发射功率受限，所以可以基于干扰和功率来评估系统的负荷情况。
    (1)基于发射功率的负荷评估
    下行的负荷决定于下行总的发射功率Ptotal，则下行负荷因子可以定义为当前总的发射功率Ptotal和系统允许的最大下行发射功率Pmax之比。当实际测得的基于发射功率的负荷因子值高于预定义的门限值时，可判定系统为下行过载。
    (2)基于干扰的负荷评估
    系统负荷因子定义为来自本小区和邻小区的总干扰功率之和与总带宽干扰之比。假设本小区干扰功率为Iown，其他小区干扰功率为Ioth，背景噪声为Po，则系统负荷因子可以表示为Iown与Ioth的和与Po，Iown，Ioth三者的和之比。当实际测得的基于干扰的负荷因子值高于预定义的门限值时，可判定系统为上行过载。
3．1．3 基于吞吐量
    从系统中所有业务的吞吐量可以知道当前系统业务量的负荷情况，如果系统吞吐量过高，说明系统处理的负荷过重。吞吐量可从上下行两个方向评估，上行总的吞吐量为所有业务上行吞吐量之和，下行总的吞吐量为所有业务下行吞吐量之和。根据测量得到的上下行吞吐量值，与系统预定义的吞吐量门限值进行比较，如果在任何一个方向上的吞吐量值高于系统预定义的吞吐量门限值，则认定为系统负荷负载。
3．2 负荷过载解决
    负荷过载解决，就是根据负荷过载识别的结果，确定系统的负载状况，并根据负载状况，采取相应措施降低系统的负荷。并在系统处于轻负荷时，采取相应的负荷回复措施。
    在实际中，可以采取很多种方法使系统从负荷过载的状态中转移出来，但无论采用什么类型的负荷过载方法，都涉及到得到用户负荷操作优先级和负荷处理两方面内容。
3．2．1 得到用户负荷操作优先级
    把服务的用户按照QoS从高到低进行排序，具有高QoS要求的用户具有最高优先级，而那些对传输时延和速率都不敏感的用户则具有最低的优先级。在衡量用户的优先级时，把不同的QoS参数，如传输速率、传输时延等作为输入，然后根据输出值的大小对用户排序，得到在处理系统负荷过载时操作用户的优先级。
3．2．2 负荷处理(包括负荷降低策略和负荷恢复策略)
    当检测出系统负荷过载时，需要采取多种方法降低用户对于系统资源的占用，从而降低系统负荷。当检测出系统负荷已有效降低，则需要视情况决定是否执行负荷恢复措施。
    (1)负荷过载处理(降负荷)的方法和措施
    可考虑将系统的负荷设置两个过载门限：负荷轻载门限和负荷重载门限。负荷重载门限大于等于负荷轻载门限。当系统中的负荷高于负荷轻载门限时，可以采取一些温和措施降低小区中的负荷，比如忽略功率提升命令等。如果采取温和措施后没有有效降低系统负荷，且系统的负荷高于负荷重载门限，那么，可以采取较为严厉的措施来迅速降低系统负荷，比如掉话、接纳禁止等。
    负荷过载处理考虑有以下措施：广播参数修改、选择UE或业务强制掉话、限制或降低业务流量、接纳拒绝、小区间负荷均衡、调整调度策略、调整小区切换门限、调整小区选择重选门限、忽略功率提升命令等。
    (2)负荷处理(负荷恢复)的方法和措施
    负荷恢复也要设定不同的门限，通过对发生负荷过载的小区进行恢复检测，把得到的负荷结果与设定的门限值比较，如果低于设定的门限值，则说明系统已消除了本区间的负荷过载。负荷恢复措施也需要考虑根据负荷恢复检测结果确定负荷恢复等级，并与降负荷措施相对应，采取不同的恢复处理。
    相对于负荷过载解决，负荷恢复处理有以下措施可以选择：恢复广播参数修改、停止选择UE或业务强制掉话、恢复限制或降低业务流量、恢复接纳拒绝、停止小区间负荷均衡、恢复调整调度策略、恢复调整小区切换门限、恢复调整小区选择重选门限、正常执行功率提升命令等。

4 结论
    负荷管理是移动通信系统必备的功能，是无线资源管理RRM的重要组成部分，它周期性的检测系统的负荷状况，并根据负荷状况划分负荷等级，根据不同的等级做出相应的决策，提供恰当合理的负荷处理解决方案，尽量使系统保持在正常的负荷水平。负荷管理也是优化网络质量的重要手段。