TELKOM NIKA , Vol.14, No .1, March 2 0 1 6 , pp. 86~9 0   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.2358    86     Re cei v ed  Jul y  25, 201 5; Revi sed  No ve m ber 23, 201 5; Acce pted  De cem ber 1 0 ,  2015   Resear ch on Load Balancing in C-RAN with Femtocells      Zhanjun Liu* 1 , Xia Peng 2  ,Yujing  He 2 , Qichao Ma 2   1 Colle ge of Co mmunicati on E ngi neer in g,Cho ngq ing U n iv ers i t y ,Ch o n gqi ng  400 03 0,Chi n a   2 Chon gqi ng Ke y L abor ator y   of  Mobil e  Comm unic a tions T e chno log y ,    Cho ngq in g Uni v ersit y  of Posts  and T e lecom m unic a tion, Ch ong qin g  40 00 6 5 , P. R. China   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : liuzj@c qu pt.edu.cn, 45 466 0 432 @qq.com       A b st r a ct   T he trad itio nal  lo ad  ba la ncin g o p ti mi z a ti on   sche m e  ca nno t guar ante e  th e us er s  Q o S i n  the  C - RAN w i rel e ss  communic a tio n  netw o rks w h e n  al l the  ne i g h bori ng macroc ells are un der   the  situ atio n of  overl oad. In or der to resolv e this prob le m, w e  im pl e m e n t the femtoc ell t o  the macroce ll netw o rk, w h ich   consi ders t he  a d vanta ges  of f e mtoc el l,  i . e ., sm al l  co ve ra ge l o w co st  a n d  be tte r si gn al  qua l i t y. Th e r e f o r e, i n   this pa per, the  joi n t loa d  b a la ncin mech an i s m is  pro pose d  to ach i ev e the j o int o p ti mi z a ti on  of femt o c el l   and  macr oce ll  netw o rk by all o w i ng the us ers  of overlo ad ed  macr ocel l to h and over to the  femtoc ell. F i na l l y,  the si mu lati on  results sh ow  th at the  prop ose d   mech an is m greatly i m pr ov es  the user  sat i sfaction  as w e ll as   the resourc e  ut ili z a ti on rate of  the femtoc ell n e tw ork  w h ile decreas es the bl ockin g  rate an d drop pin g  rate    Ke y w ords : F e mtoce ll, Lo ad  Bala ncin g, Join Optim i z a tion, Reso urce Util i z ation       Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  To meet the  gro w ing  cap a city dema n d s in  wi rel e ss co mmuni ca tion netwo rks, Cloud   Radi Acce ss Network (C-RA N ) ha b een pro p o s e d  for th e p u rpose of  satisf ying the  cap a city   requi rem ents  and  scala b ility probl em s [1 -2]. C-RA N i s  co mpo s ed  of  a Ba seBa nd  Unit (BB U ) a nd  a remote  radio unit (RRU), an d it also has better flexibility because it breaks the fixed  con n e c tion  relation ship  b e twee n BBU and  RRU [ 3 ]. More over, som e  n o ta ble featu r e s   are  inclu ded  in  C-RA N, e.g.,  centrali zed  p r oce s sing,  coll aborative  rad i o,  re al-time  clou d com put ing   infrast r u c ture,  and cle an sy stem [4].   Since the  di stribution a n d  se rvice  req u i reme nt  of the users a r st ocha stic in  C-RAN  wirel e ss a ccess net work  [5-6], therefo r e, the  loa d   balan cing te chonol ogy is i nevitable in t he  ca se of   solvi ng the p r o b le m of unb alan ced  cell  and i m provin g the  resou r ce utili zation.  Ho we ver,  the tra d itional  load  bal an ci ng  schem es  only allo th e  users  of ove r loade d ma cro c ell to  ha ndo ver   to the n e igh borin g ma cro c ell s . Con s e quently, there will  be  no  suita b le n e i ghbo ring  cell s to  sup port the u s ers’ ha ndov er wh en the  neigh bori ng ce lls are also overloa d , an d it also can not  alleviate the unbal an ced p r oble m  [9-11]   With the in creases of  th e data u s age  of   wirele ss   commu nic a t i on sy st e m  o c c u r s  in   indoo r, the rese arch of in door  se rvice  are be co min g  more a nd  more imp o rta n t [12]. As the   femtocell  ha s the adva n ta ges  of sm all  coverage, l o w cost  and  b e tter si gnal  q uality, therefo r e, it  has  bee n se lected  as th e prim ary  ca nditate techn o logy to resolve the p r o b lem of in do or  coverage   in  the  future 5G wirel e ss communi ction.  The Femto c ell Acce ss  Point (FAP) of  femtocell an d  existing networks as a b a ckha ul  con n e ctivity can meet the upcoming dem an d of  high d a ta rate and  extend  the coverag e  area[13 -15] . More over, t he coexiste n c e of  ma cro   cell  and femtocell  can also all o w the users of over loade d macro c ell to handove r  to the femtocell.  Therefore, a j o int optimizati on schem e of load bal a n ci ng in C-RA N two tier networks is  pro p o s ed   The re main d e r of this p a per i s  organi zed a s  follo ws: In Se ctio n 2, we de ccrib e  the  system m ode l. Section 3 a nalyze s   the  deta iled p r o c edure of the  prop osed  Joi n t Optimizati on  Load Bla n ci n g  Base d on  The Coexiste nce  of Femt ocell s  (JO L B )  me chni sm.  The si mulati on   results a r e di scusse d in Section 4.  We con c lu de the  pape r in Secti on 5.    2. Sy stem Model  In the C-RA N radio a c cess network, wh en the ce ll is  overloa d , the netwo rk tri e to move  the mobile u s ers of the  overloa ded  cell to t he ap prop riate fe mtocell to a c hieve the l oad   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Re sea r ch on  Load Bala nci ng in C-RA N with Fem t oce lls (Zh anju n  L i u)  87 balan cing   whi l e ma ke  re asonabl e u s e  of  femtocell  resource s. Th system mo del   is a s  shown i n   Figure 1.          Figure 1. System model       As we  can  se e form Figu re  1, there are t h ree m a cro c e lls  RR U1 RR U2  an RR U3  in the  C- RAN wi rel e s s   a c c e s s  netwo rk.  RRU 1  i s  ove r l oade d,  RR U2  and   RRU3  are the t w neigh bori ng  macro c ell s  with different load level s APi-j  denote s  the  i-th  femtocell in the  j-th  macroc ell. If the  RR U2  an RR U3  are  all und er the  situation  of heavy overlo ad, the u s e r s of     RR U1  are n o t  allowed to  h andove r  to th RRU 2  and   RR U3 and  th en the  u s ers  of  RR U1  will be   hand overe d  to the femto c ell. For  example,  the u s ers of RRU1  will be  han dovere d  to t h e   femtocell s  su ch a s   AP1-1 AP1-2  and  AP 1 - 3  for the p u rpo s e of rea c hin g  the loa d  balan cing.       3. Joint Opti mization Loa d Blancing Based  on Th e Coexis t en ce  of Femtoc ells(JOL B)  The detaie d  p r ocedu re of JOLB algo rith m is as follo ws:   Step1 : Co mp are the cell lo ad with the predefine d   overload thre sh ol d. If  the load value is  greate r  th an  the thre sh old  value, it will   be tre a ted  as the ove r loa d ed  cell. Th en , to identify the  neigh bori ng  cell s wh ose load is  small e r than the  t h re shol d, an d gene rate a  target cell li st  cell_li st.  Step2 : Analy z e the  loa d  state of neig h bor  cell s in  the cell_li st, a nd then  arra nge the   cell_li st in ascen d ing o r de r accordi ng to the load state .     Step3 : Get th e ue_li s t in descen d ing o r der ba se d on  the sign al st rength of users .  Step4 : If the   cell_li st is not  empty, hand over the first  use r  of the u e_list to the first cell of  the cell_list,  and u pdate  the u e_list  an d cell_list  ba s ed o n  the  sig nal  stren g th  of users a nd  load   state of cell s, sepa rately. If the   cell_list  is empty, handover the first use r  of the ue_li s t to the   adja c ent femtocell, an d up date the ue_li s based on t he sig nal stre ngth of use r Step5 : Ch eck if the cell is still overl oad.  If the  cell is ove r l oad, rep eat  Step2-4 otherwise go  to  Step6 ;   Step6 : Te rmi nate the load  balan cing a n d  then wa it fo r the next load balan cing  p e riod.       3. Simulation Resul t s an d Analy s is   In this se ctio n, we describ e the simulati on enviro n me nt and re sult s of the perfo rman ce  of the p r o p o s ed  scheme.   We  assu me t hat 37  RRUs  are  located  in  the n e two r k,  and th e n u m ber   of cells is 3 7 .  Morever, e a ch  RRU co vers on e cell , and the users a r e rand omly distribut ed in  each cell. Th e system  mo del is a s   sho w n in Fi gure  1, whi c h ind i cate s the di stributio n of the   use r s a nd  ba se statio ns, a nd the simul a tion para m ete r s a r e liste d in Table 1.   The sim u lation results m a inly focus on t he resources ut ilization, the number of the  unsatisfied u s er, blo ckin g   rate  a nd cal l   drop pi ng  ra te of the JO LB algo rithm. The  comp ared  algorith m s in clud e No L o ad Balan c ing  (NLB), Lo ad  Balancin g o n ly with macrocell s  (LB ) , and  Joint Otimi z at ion Loa d Blan cing b a sed o n   the coexi s tence of femtocell (JOLB ) .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  86 – 90   88   Table 1. Simulation pa ram e ters  Parameter  Value   RRU distance    500m   RRU tra n smit pow e r   46dBm  Mobility  mode    velocity 5km/h,3 0 km/h,60km/h   direction :( 0,360   Load balancing p e riod  200ms  The pass-loss model  L=32.44+20lgd(k m )+ 20lgf(Mhz)       In Figure  2, we can  see t hat with the i n cr ea se s of the user a rriv a l rate, the a v erage   resou r ces util ization of JO LB is large r  than t he NLB  and LB sche mes. Thi s  is becau se wh e n  the  neigh bori ng  macro c ell s  are in heavy lo ads, the LB  can only tra n sf er a  small a m ount of users to   the ma crocell s  u n til it is in  overloa d . Ho wever,   the  JOLB  can  shift the u s e r   of the ove r loa d e d  cell  to femtocell  whe n  the n e i ghbo ring  ma crocells are  in  overloa d . Th erefo r e, the  JOLB sch e me  can   improve the resource ut ilization of both macrocell s  and femtocell s            Figure 2. Average  re sou r ce utilization rate       In Figure 3,  we  can  se e that with the  increa se s of t he u s e r  arriv a l rate, the  n u mbe r  of  unsatisfied  u s er of  JO LB i s   smalle r th a n  the  NLB  an d LB  schem e s . Thi s  i s   be cause  whe n  th e   neigh bori ng  cell s are in o v erload, the  LB and  NL scheme s   can not tran sfer t he u s ers to t h e   neigh bori ng cells, whe r ea the  JOLB scheme ca tr a n sfer  the use r s of  the ove r load ed cell  t o   femtocell, whi c h en su re s the use r ’s q uali t y of service (QoS).         Figure 3. Nu mber of un sat i sfied u s ers        1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 0. 7 0. 75 0. 8 0. 85 0. 9 0. 95 A rriv a l R a te   ( UE / s ) A ver a g e   R e s ou r c U t ili za ti on   R a t (% )     JO L B LB NL B 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 A rri v a l R a t e   ( UE / s )  Nu mb e r  o f  Un s a t i s f i e d  Us e r     JO LB LB NL B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Re sea r ch on  Load Bala nci ng in C-RA N with Fem t oce lls (Zh anju n  L i u)  89 Figure 4 is the blocking  rat e   of the network by ap plying di fferent  mech ani sm s. From the   Figure  4,  we can se that with  the  in cre a se of  the u s er a rrival  rate , the JO LB schem e h a s t he  minimum bl o cki ng rate, which in dicates that the JOL B  can de crea se the bl ocki ng rate of u s ers  to meet the access requi re ment of use r s.          Figure 4. Blocki ng rate        In Figure  5, we can  see t hat with the i n crea se  of th e use r  a rrival  rate, the net work  call  drop  rate  also incre a se s.  Und e r th e sa me arrival rate, the call droppin g  rate  o f  the JO LB is the   least  while  th at of NLB is the bi gge st. F u rthe rmo r e,   whe n  the  use r  a rrival  rate i s  1, th call d r op   rate of  JOLB  is zero, whi c h indi cate s th at the  han do ver re quirem ents of all  users are satisfi ed.  Whe n  the arri val rate is 3, the call drop rate of  JOLB drop s by 15 %, which me ans that the JOLB   improve s  the  hand over succe ss  ratio.           Figure 5. Call  droppi ng rate       4. Conclusio n   In the C-RA N wirel e ss  net work, a j o int  optimizatio n l oad b a lan c in g algo rithm b a se d on  the co existen c e of femto c e lls is propo se d for th e  pu rp ose  of providi ng bette r u s e r  service  whe n   all the neighb oring m a cro c ells are overl oade d.  Our p r opo se d algo rothm can m e et the incre a sing  servi c dem a nds an d h u g e  data  excha nge  by intr o d u cin g  the  C-RAN  wi rele ss acce ss n e twork.  More over, th e loa d  bal an cing  problem  is i nevitable  in  C-RAN d ue to th e ra ndomn e ss  of the   use r ’s lo catio n  an servi c e re que st. A s  the  tra d itional lo ad  bala n cin g  me ch a n ism s  of  C-RAN    can not work  well  whe n  all  the neig hbo ring m a cro c e lls are ove r lo aded. T herefore, in  ord e r to  1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 0 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5 A r r i v a l  ra t e  (U E / s ) B l oc k i ng R a t e  ( % )     JOLB LB NL B 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 A r ri val  R a t e  (U E / s ) C a ll  D r oppi ng  R a te   (% )     JO LB LB NL B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  86 – 90   90   resolve that  kind of  hand over p r o b lem,  we take th e  fe mtocell  as th e targ et ha nd over  cell to  all o the use r s of overload ed ma cro c ell to h a n dover to  the femtocell. Sim u lation re sult s sh ow that t h e   prop osed me cha n ism   com pare d  with  t he  LB and  NLB schem e s  can   redu ce  the numb e r   of  unsatisfied  u s ers, lo we r the blo c king  rate and  drop ped  call  rate  while i m pro v e the avera g e   network resource  utilization.      Ackn o w l e dg ements   This work wa s su ppo rted  by 863 proj ect (2014AA01 A 701) an d Progra m  for Ch angjia ng   Schola r s and  Innovative Re sea r ch T eam  in University (IRT129 9).       Referen ces   [1]    Limin g  Che n , Hu  Ji n,  H aomi ng Li.  An  Energ y  Effi ci en t Im pl em en ta ti on o f  C - R A N   i n   H e tN e t . IEEE  Vehic u lar T e chnol og y Co nfere n ce (VT C  F a ll). 2014: 1-5.   [2]    Henrik  Ho lm, Aleksa ndr Check o , Rami  Al-ob a id i.  Optimal Ass i gn me nt of C e ll s in C- R A N   Depl oy me nts w i th Multiple BBU Pool s . IEEE Eur opean Confer ence on Net w orks a n Commun i cati o n s (EuCNC). 2 015: 15- 19.   [3]    Z hanj un  L, Z h i c hao  Z ,  Shi y a n  Z .  Co op erati v R RU S e lec t ion A l gor ithm  for Multic ast S e rvice  in  C- RAN Wireless  Net w ork.  Jour n a l of XiDi an Un iversity . 201 3; 40(6): 16 8-1 7 3 .   [4]    Li G, Zhang S,  Yang  X .   Arch i t ecture of GPP  Base d, Scal a b le,  Larg e -scal e  C-RA N BBU  Poo l . IEEE  Globec om W o rkshops. 20 12:  267- 272.    [5]    Xi ao hu Ge,  T ao Han, Yan Z han g, Guoqi an g M ao. Spectrum and En erg y  Efficienc y E v alu a tion o f   T w o-T i er F e mtocell N e t w ork s   w i t h  Partia ll y Ope n  Ch an nels.  IEEE Transactions on Vehicular   T e chno logy . 2 014; 63( 3): 130 6-13 19.   [6]    Hua n  D, Qi a nbi n C,  Xian w e C. A P o w e C ontro Selecti on A l g o rithm of  Ad aptive  Servic e   Enviro nment in  LT E SON.  Jo urna l of Cho n g q in g Univ ersity  of Posts and T e leco mmunic a tions . 20 11 ;   23(6): 66 1-6 6 4 .   [7]    Andre a s Lo bi n ger, Sz y m on  Stefanski.  Lo a d  Bal anci ng i n  Dow n link  LT E  Self-Optimi z i n g Netw orks IEEE Vehicul a r   T e chnol og y  C onfere n ce. 20 1 0 : 1-5.  [8]    Shia o-Li  T s ao, Ch en-W e i  W ang, Y u n - Ciou  Li n.  A  Dyna mic L oad- bal anc ing  Sche me for   Hetero gen eo u s  Wireless Ne tw orks . IEEE Wireless  Com m unic a tions  and Net w orking Conference.   201 4: 307 0-30 75.   [9]    Den g y ua Xu, Shi x u n  W u , Benni u Z han g, Xi aoq in  Qin. Po w e r Bal ance A O DV Algorithm  of W S N in   Agricult ure Mo nitori ng.  TEL K OMNIKA . 2013 ; 11(4): 811-8 1 8 [10]    XIN K, RUI Z .   Price-b a sed re source a lloc a ti on for spectru m-sharin g femtocell  net w o rks:  a stackelb e r g   game a ppr oac h.  IEEE Journal on Selected A r eas in Comm unications . 20 12 ; 30(3): 538-5 4 9 .     [11]    Zhanjun Liu, Q i chao Ma, Cong  Ren, Qianbin Chen. Load B a lancin g Bas e d on the Specific Offset of  Han dover,  T E L K OMNIKA Indones ian J ourn a l of Electrica l  Engi neer in g . 2014; 12( 8): 628 1-62 90.   [12]    Cha ndras ekh a r  V, Andre w s   J, Gat herer A.  F e mtocell  Ne t w orks:  a Surv e y IEEE Comm unic ations   Maga z i ne . 2 0 0 8 ; 46(9): 59-6 7 .   [13]      Xia o h u  Ge, T ao H an, Y a n   Z hang, Gu oq ia ng M ao.  Sp ectrum an d E ner g y  Efficie n c y   Evalu a tion  of   T w o-T i er F e mtocell N e t w ork s   w i t h  Partia ll y Ope n  Ch an nels.  IEEE Transactions on Vehicular   T e chno logy . 2 014; 63( 3): 130 6-13 19.   [14]   Yida n Z hua ng, Su Z hao, Xia o r ong Z hu.  A ne w  handov er mecha n is m for femtoc el l-to-fe m toce ll . 20 12  Internatio na l C onfere n ce o n  W i reless Com m unic a tions &  Sign al Process i ng (W CSP). 2012: 1-4.   [15]    KUANG  X,  YANG  Q,   F U    F .  Resource  al loca ti on  for  fe mtocell  net w o r ks   w i th  imperf e ct  channe l     kno w l e d ge.  IEEE Signal Proc essing Comm unications and  Com p uting . 2 0 11: 1-5.                  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.