基本介紹
- 中文名：移動性負載均衡
- 外文名：Mobility load balancing
- 套用學科：通信
套用場景,技術方案,OAM需求,
套用場景
由於網路套用和服務的快速增長，資源需求也隨之快速增長，這使得資源短缺成為普遍問題；另一方面，靜態的、預先設定好的網路並不能很好地適應不斷變化的負荷。移動性負載均衡技術可根據當前小區負載狀況及鄰小區負載狀況實時調整移動性參數，從而將高負載小區中的部分業務轉移到負載相對較低的小區，以使各小區的負載比較均衡，防止網路局部過載。相比於設定靜態的移動性參數或不進行參數最佳化，移動性負載均衡能夠提高資源利用率，增加系統的總體容量，提升用戶體驗。並且，這種最佳化能夠最小化網路管理中的人工干預，從而降低網路運營成本。
綜上所述，移動性負載均衡最佳化的期望結果如下。
根據切換機制，小區邊緣的部分UE切換至負載較低的小區。
防止網路局部過載，各小區的負載比較均衡。
提高資源利用率、增加系統容量。
最小化網路管理和最佳化工作中的人工干預。
為達到以上目標，移動性負載均衡需要一套算法來完成空閒態和激活態的負載均衡。移動性負載均衡可分為兩類。一類是終端處於激活狀態的移動性負載均衡，它可以通過調整切換參數來使部分用戶切換到負載較低的小區；另一類是終端處於空閒態的移動性負載均衡，它可以通過調整小區重選參數使部分用戶重選到負載較低的小區，從而避免由空閒態終端發起呼叫而引起的潛在負載不均衡情況的發生。實現方案主要是在相鄰小區之間共享負載信息，基於鄰小區負載信息調整小區切換參數和小區重選參數，從而達到負載均衡的目的。
值得注意的是，負載均衡不能以犧牲用戶的服務質量為代價，要保證用戶切換到鄰小區之後能夠得到所需要的QoS。
技術方案
1．功能架構
3GPP對移動性負載均衡功能的總體功能需求定義如下。
eNB監控小區負載情況，並通過X2或S1接口與鄰小區交換相關信息。
需要一種算法，通過比較各小區負載情況、當前服務類型、小區配置等，在相鄰小區之間或共覆蓋小區之間重新分配負載。
對於intra-LTE的情況，需要一種算法來評估是否需要調整切換參數的設定。如果需要調整切換參數，相關的eNB之間需要進行協商，由源小區的eNB向目標小區eNB提出修改目標小區切換參數的建議。
對於inter-RAT的情況，需要一種算法來評估是否需要調整切換參數的設定。
基於以上總體功能需求的定義，移動性負載均衡的功能架構應由負載報告、基於切換的負載均衡過程和調整切換參數和/或重選參數三部分功能模組組成。移動性負載均衡的功能架構如圖1所示。
圖1 SON移動性負載均衡功能架構（1）負載報告
負載報告功能用於在相鄰小區之間互動小區的負載信息，intra-LTE場景通過X2接口，inter-RAT場景通過S1接口。負載信息如下。
①intra-LTE場景。
無線資源利用率（RadioResourceUsage）：上行/下行GBRPRB利用率、上行/下行non-GBRPRB利用率、上行/下行總PRB利用率。
硬體負載指示（HWloadindicator）：上行/下行硬體負載狀態，分為低、中、高、過載。
傳輸網路層負載指示（TNLloadindicator）：上行/下行傳輸網路層負載狀態，分為低、中、高、過載。
（可選）小區容量等級（CellCapacityClassvalue）：上行/下行相對容量值，把E-UTRAN、UTRANandGERAN的小區容量映射為相同的等級分類。
可用容量（Capacityvalue）：上行/下行可用容量，小區當前可用容量與小區總容量的比值）。
②inter-RAT場景。
小區容量等級（CellCapacityClassvalue）：上行/下行相對容量值，把E-UTRAN、UTRAN和GERAN的小區容量映射為相同的等級分類。
可用容量（Capacityvalue）：上行/下行當前可用容量，小區當前可用容量與小區總容量的比值）。
事件觸發的inter-RAT負載報告：當小區負載超過門限值時，相應網元傳送事件觸發的inter-RAT負載報告。
值得注意的是，負載報告過程應獨立於現有的激活態移動性過程。
（2）基於切換的負載均衡過程
源小區可發起基於負載均衡的切換，目標小區對其執行準入控制。基於負載均衡的切換準備應與其他切換相區別，這樣目標小區可針對其執行相應的準入控制。
（3）調整切換參數和/或重選參數
該功能用於向目標小區請求修改切換參數和/或小區重選參數。源小區發起負載平衡估計過程，以確定是否需要修改源小區和/或目標小區的移動參數配置。如果有必要進行修改，源小區會向目標小區發起移動性參數協商過程。
源小區將新的移動性參數配置情況及修改原因通知目標小區，修改原因可以是負載均衡請求等。切換觸發門限由當前值與修改值的相對值表示。可根據切換參數的修改情況來調整小區重選參數。目標小區需向源小區做出回復，如回復失敗指示，應包括允許的切換觸發門限修改範圍，這個範圍也是一個相對值。
切換和重選參數的修改都必須在OAM要求的範圍之內。
2．負載不均衡狀態的判定
負載均衡算法需要與調度機制、準入控制機制結合使用。由於未對non-GBR用戶速率設定最低保障，當小區用戶數量沒有達到最大準入用戶數量時，non-GBR用戶可以接收數據。另外，運營商也可為non-GBR用戶強制配置最小吞吐量，此時，non-GBR用戶應受到調度機制的制約。對於GBR用戶，調度機制是非常重要的，它用來保證所有RB得到其簽約資源，從而能夠滿足用戶的特定服務。因此，當用戶沒有被拒絕分配資源，並且分配到的資源能夠滿足其QoS需求時，這樣的系統就可被稱為“負載均衡”的系統。
對於non-GBR的情況，可以將門限設定為低、中、高3種負載情況，並分別對應一個給定的激活態用戶數量。這些可以作為修改小區間重選參數和/或切換參數的觸發門限。然而，小區為了滿足一小部分GBR用戶的需求就有可能造成小區滿負荷，所以對於GBR用戶還需要更智慧型的負載門限計算方法。
3．激活態的移動性負載均衡
對於激活態的移動性負載均衡，系統有現成的測量機制。因此，結合調度機制和X2、S1接口，系統可以進行較為精確的基於負載的切換判決。基於負載的切換應通過切換訊息將切換原因傳送給目標小區，以避免目標小區使用常規切換門限（未考慮負載均衡的切換門限）將用戶突然“切回”源小區。
（1）Intra-LTE移動性負載均衡的實現方案
①負載信息的互動
負載均衡的實現要以負載信息的互動為基礎。除了自身的負載情況，eNB還需要獲得鄰小區負載信息，才能據此選擇合適的負載均衡目標小區。對於Intra-LTE情況，通過X2接口進行鄰小區負載信息的互動。
小區準備好接收可用容量指示的相應大小的流量，但這不是強制性的。由eNB計算可用容量指示，運營商可根據自身情況定製算法。
負載信息互動由ResourceStatusReportingprocedure實現，如圖2所示。
eNB1向eNB2傳送RESOURCESTATUSREQUEST訊息，從而發起資源狀態報告過程。如果RegistrationRequestIE設定為“start”，eNB2按照eNB1的請求對相應參數進行測量；如果RegistrationRequestIE設定為“stop”，eNB2會停止所有的小區測量和上報過程。
如圖3所示，如果eNB2無法執行eNB1請求的測量，eNB2會回復RESOURCESTATUSFAILURE訊息，並攜帶失敗原因，如“測量暫不可用”或“無此項測量”等。
圖2 資源狀態報告初始流程：成功操作
圖3 資源狀態報告初始流程：失敗操作如圖4所示，通過傳送RESOURCESTATUSUPDATE訊息，eNB2將測量結果通知eNB1。
②切換參數的協商確定
eNB1向eNB2傳送更改切換參數的請求：eNB1將其切換參數調整情況通知給eNB2，並向eNB2提出調整切換參數的請求。如果參數調整在eNB2的允許範圍之內，那么eNB2會同意eNB1的請求；否則，eNB2會拒絕eNB1的請求並告知其允許的調整範圍。eNB1可根據eNB2的允許範圍重新發起更改切換參數的請求。
切換觸發門限的協商確定由MobilitySettingsChangeprocedure實現，具體過程如圖5和圖6所示：
圖4 資源狀態報告流程：成功操作
圖5 移動性設定變更流程：成功操作③對協定和接口的修改
X2接口協定中定義了ResourceStatusReportingprocedures及相應的IE，用於eNB之間的負載信息互動。
X2接口協定中定義了MobilitySettingsChangeprocedure及MobilityParametersInformationIE，用於eNB之間協商確定切換參數。
圖6（2）Inter-RAT移動性負載均衡的實現方案
Inter-RAT的移動性負載均衡實現方案主要用到負載信息的互動過程，由此給原有協定帶來了新的要求。
①負載信息的互動
Inter-RAT移動性負載均衡支持E-UTRAN、UTRAN、GERAN。與LTE系統內負載均衡相同，eNB需要獲得自身負載信息及鄰小區負載信息，才能據此選擇合適的負載均衡目標小區。不同的是，eNB需要通過核心網向異系統的小區索取負載信息。
Inter-RAT移動性負載均衡通過RIM功能互動負載信息。RAN信息管理（RANInformationManagement，RIM）功能用於無線接入網之間通過核心網互動信息，包括eNBDirectInformationTransfer和MMEDirectInformationTransfer，如圖7和圖8所示。
圖7 eNB直接信息傳送過程eNB向MME傳送ENBDIRECTINFORMATIONTRANSFER訊息，其中的RIM-Transfer信元中攜帶RIM路由地址信元。如果RIM訊息的目標節點為UTRAN中的RNC，那么RIM路由地址信元中應包含TargetRNC-ID；如果RIM訊息的目標節點為GERAN中的BSC，那么RIM路由地址信元中應包含GERAN-Cell-ID。
圖8 MME直接信息傳送過程MME向eNB傳送DIRECTINFORMATIONTRANSFER訊息，其中的Inter-systemInformationTransferType信元中的信息類型設定為RIM類型。若該eNB為最終的目標節點，那么訊息中不包含RIM路由地址信元。
基於Iu接口的RIM功能包括RNC發起的DirectInformationTransfer訊息和CN發起的DirectInformationTransfer訊息。
如圖9所示，RNC向CN傳送DIRECTINFORMATIONTRANSFER訊息，其中Inter-systemInformationTransferType信元中的信息類型設定為RIM類型，RIM-Transfer信元中攜帶RIM路由地址信元。如果RIM訊息的目標節點為E-UTRAN中的eNB，那么RIM路由地址信元中應包含TargeteNB-ID；如果RIM訊息的目標節點為UTRAN中的RNC，那么RIM路由地址信元中應包含TargetRNC-ID。
圖9 RNC發起的直接信息傳送訊息如圖10所示，CN向RNC傳送DIRECTINFORMATIONTRANSFER訊息，其中Inter-systemInformationTransferType信元中的信息類型設定為RIM類型，若該RNC為最終的目標節點，那么訊息中不包含RIM路由地址信元。
圖10 CN發起的直接信息傳送訊息②對協定和接口的修改
定義了專門用於異系統小區間進行小區負載請求、小區負載報告的過程，通過RIM（RANInformationManagement）功能實現。
對BSSGP規範進行了修改，支持基於RIM機制的負載信息互動。
為了在UTRAN和E-UTRAN之間路由RIM訊息，需要對RANAP、S1AP、使用GTPv2-C的核心網接口進行修改。
4．空閒態移動性負載均衡
在2G/3G已有空閒態負載均衡的套用，但SON的空閒態移動性負載均衡是實時地修改小區間重選參數來達到小區間空閒態負載的平衡。
在LTE系統中，當UE處於空閒狀態時，只有在UE傳送TAU訊息或UE進行跟蹤區更新時，網路才知道UE駐留在哪一個小區。因此，對於空閒態負載均衡，沒有現成的機制來輔助系統做出空閒態用戶過多的判斷。
為解決這一問題，系統可基於當前激活態用戶情況來調整小區重選參數。隨著一個小區中實時流量的增長和/或QoS要求的提高，小區應該能夠調整小區重選參數，迫使小區邊緣用戶重選到信號最強的鄰小區或切換到當前資源較多的同覆蓋小區。
OAM需求
通過OAM系統，運營商可以開啟和關閉移動性負載均衡功能，並可設定切換參數的調整範圍和重選參數的調整範圍。
（1）IRP管理器能夠關閉和開啟移動性負載均衡功能，IRP代理器應將其是否成功開啟或關閉的信息通知給IPR管理器。
（2）IRP管理器應能獲得eNodeB的負載信息。
（3）IRP管理器可以向eNodeB請求開啟從源小區到目標小區的負載均衡。
（4）IRP管理器可以向eNodeB請求禁止從源小區到目標小區的負載均衡。
（5）IPR管理器可使用下表中的一個或多個指標來評估負載均衡的性能，並且可以配置性能評估指標的目標值，也可為每個指標設定不同的權重。
表8-5 負載均衡的性能評估指標
指標名稱 | 定義 | 取值範圍 |
與負載不均衡有關的RRC連線建立失敗率 | 1．與負載不均衡有關的RRC連線建立失敗次數/總的RRC連線建立嘗試次數； 2．實際值小於目標值，則滿足要求 | 0～100% |
與負載不均衡有關的E-RAB建立失敗率 | 1．與負載不均衡有關的E-RAB建立失敗次數/總的E-RAB建立嘗試次數； 2．可參考TS36.413中定義的與負載不均衡有關的E-RAB建立失敗原因：“降低服務小區的負載”和“無線資源不可用”； 3．實際值小於目標值，則滿足要求 | 0～100% |
與負載不均衡有關的RRC連線異常釋放率 | 1．與負載均衡有關的RRC連線釋放次數/總的RRC連線釋放次數； 2．實際值小於目標值，則滿足要求 | 0～100% |
與負載不均衡有關的E-RAB異常釋放率 | 1．負載不均衡有關的E-RAB異常釋放率次數/總E-RAB釋放次數； 2．可參考TS36.413中定義的與負載不均衡有關的E-RAB建立失敗原因：“降低服務小區的負載”和“無線資源不可用”； 3．實際值小於目標值，則滿足要求 | 0～100% |
與負載不均衡有關的切換失敗率 | 1．與負載不均衡有關的切換失敗次數/總的切換嘗試次數； 2．實際值小於目標值，則滿足要求 | 0～100% |
