LTE自組織網絡技術分析*

吳錦蓮，蔣杭州

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

相對于傳統2G移動通信系統，3G/LTE無線網絡參數更為復雜，同時異構網（HetNet）的引入使LTE無線接入網面臨宏蜂窩、微蜂窩、HeNB（家庭基站）等多種站型協同工作的挑戰，采用傳統的人工方法進行參數配置、網絡測量和優化需要投入大量的人力物力，降低網絡建設和維護優化的難度和復雜性是LTE發展的重要任務之一。LTE SON技術支持基站自動配置、自動優化、自我修復，對提升網絡建設與維護的效率、降低OPEX具有重要意義。

2 SON標準狀況

SON標準化工作主要由3GPP和NGMN推動，3GPP從R8、R9開始SON標準化，并延續至R10、R11。從2008年至今，3GPP主要對S1/X2接口自動建立、自動鄰區關系（ANR）、PCI沖突檢測、移動魯棒性優化（MRO）、移動負荷均衡（MLB）、干擾協調（ICIC）、接入優化（RO）、自動化路測（MDT）和節能（ES）等9個用例進行了支持。

相關功能的定義和實現規范主要在RAN2、RAN3和SA5等工作組中討論，相關協議包括TS 36.300、TS 36.423、TS 36.413以及SA5組負責的TS 32.5xx系列網管協議等，LTE各版本SON進展情況如下。

·R8：完成了SON相關用例的討論，列出了包括MRO、MLB、RO、PCI、ANR 和 ES 等在內的課題，完成了專門針對SON的研究報告TR 36.902（SON用例及解決方案），完成了ANR和PCI這兩個用例的標準化。

·R9：在R8討論確定的SON相關的用例中，進一步完成了MRO、MLB、RO 3個用例的標準化。

·R10：對MRO、MLB進行了進一步增強，包括對LTE系統內、LTE與其他系統間負荷信息交互流程的增強，提高切換事件檢測的完整性、移動性參數調整算法的準確性，增強涉及Uu、S1、X2接口的改動。另外在R10中開始考慮MDT功能。

·R11：主要考慮SON功能的增強，可能討論的主題包括：MRO的增強，包括對跨制式互操作（Inter-RAT）場景的支持、乒乓切換和短暫駐留問題等；根據QoS相關信息選擇合適的RAT接入；已有ANR機制的擴展；協調MRO與MLB的關系，增強SON整體功能穩定性；自愈；HeNB和HetNet部署場景下的SON 特 性 等[1]。

其中，對于Inter-RAT場景，目前3GPP主要考慮了跨LTE與GSM/WCDMA接入網之間的SON功能，暫未考慮跨LTE與CDMA接入網之間的SON功能，后者正在引起CDMA運營商的重視，CDG及3GPP2正在對相關功能需求及標準工作展開討論。3GPP LTE規范版本時間安排如圖1所示。

3 SON技術

3.1 自配置技術

自配置相關功能主要包括網元自動發現、軟件/配置數據自動下載、傳輸自建立、自動資產信息、自動鄰區配置、PCI自動分配等。下面對PCI自動分配、自動鄰區配置、X2/S1口自建立這幾個關鍵功能進行闡述。

（1）PCI自動分配

LTE網絡只有504個PCI碼可用[2]，而一個商用網絡由成千上萬個基站組成，每個基站又分為若干個小區，顯然PCI碼會被重復使用。為避免其帶來地移動性混淆，PCI規劃的基本原則是保證一層相鄰和二層相鄰小區均沒有PCI重復使用，即PCI分配需避免以下兩種情況出現。

·PCI沖突：一層相鄰小區使用相同PCI，即在一個小區覆蓋范圍內存在兩個PCI相同的小區信號。

·PCI混淆：二層相鄰小區使用相同PCI，即一個小區存在兩個PCI相同的鄰區。

對于PCI自動分配、PCI沖突/混淆檢測及解決方式，3GPP并未給出具體的解決方案，取決于廠商的實現。

PCI自動分配可以采用集中式方案由網管統一計算，特點是速度快，一旦網元自啟動后可直接將可用PCI分配到小區。PCI的計算主要依靠所提供的站址分布、小區物理參數和地域特征參數等模擬出無線覆蓋圖，得出鄰區關系。

PCI的沖突和混淆可以在網絡運行中采用無線分布式手段檢測，可以在ANR發現鄰區后檢查與該鄰區相關的小區間是否有PCI沖突或者混淆。發現PCI沖突/混淆的途徑可以是：UE上報、通過鄰區X2接口報告發現沖突或者通過其他方式獲?。ㄈ鏗eNB通過下行接收機發現周圍小區PCI）。一旦出現混淆，網元上報通知給網管系統，由網管系統集中安排PCI優化的計算和配置。

PCI自動分配及沖突檢測是目前較為成熟的一個功能，該功能對網絡和終端協議影響不大，大部分廠商都可以實現，但PCI分配效率與速度取決于產品的具體實現方式，不同算法會有性能上的差異，可在后續測試中進一步驗證。另外需要注意PCI重配置是否需要基站重啟，為減少基站重啟對網絡穩定性及用戶感受的影響，有必要采用無需重啟基站的PCI重配置方法。

（2）自動鄰區配置

鄰區關系的規劃優化是無線網規網優中一個很重要的環節，鄰區關系規劃優化的主要目的是保證在小區服務邊界的UE能及時切換到信號最佳的鄰小區，以保證通話質量和整網性能。傳統的鄰區關系規劃是在基本的工程參數確定的基礎上進行，優化則主要是在大量路測的基礎上進行，需要耗費大量的人力物力，且由于輸入參數的誤差以及路測結果的限制，難免會存在鄰區漏配、錯配的情況，ANR的引入可解決傳統鄰區優化方式成本高、優化效率低的問題，受到眾多運營商的密切關注。

不同于傳統3G系統，在LTE系統中鄰區列表由eNode B維護，UE不需要獲取鄰區列表信息，這使得UE在切換準備過程中可以快速上報未知小區信息，另外eNode B可以要求UE進行未知小區的完整ID讀取，這使得實現ANR功能成為可能[3]。根據當前小區和相鄰小區所處的頻率和系統的不同，可將LTE系統中的ANR功能分為同頻ANR、異頻ANR、跨系統ANR 3種類型。

目前同頻ANR已實現，其具體測量過程在3GPP TS 36.331[4]中有規定。由于3GPP標準實現過程需要UE支持CGI上報，在此之前有一些過渡性的方案，包括集中式ANR以及部分基于UE的ANR等。集中式ANR完全由網管或SON服務器根據基站位置等先驗信息，進行鄰區關系計算及自動配置，對UE無任何要求，但由于規劃信息與實際傳播環境的差異，可能存在漏配、錯配情況；部分基于UE的ANR不需要UE上報CGI信息，但需要基站和網管保存并及時更新PCI與CGI對應表。一般認為，在網絡建設初期，采用3GPP標準方案與過渡方案相結合的方式可以兼容所有類型的終端，較好地實現ANR功能。

異頻ANR、跨系統ANR需要進一步研究。另外，雖然同頻ANR基本功能已實現，但如何使ANR功能的實現更快、更穩定、更可靠是需要進一步研究的問題，相關工作將在3GPP R11中進行。

（3）X2/S1 接口自建立

X2和S1是LTE無線接入網中兩個重要的接口，所有eNode B均需與MME建立S1連接，互為鄰區關系的小區之間需建立X2連接。

S1接口自建立是基站自啟動的一個部分，前提是基站可以通過配置文件獲取S1接口相關參數。S1建立流程是所有S1 AP流程的第一步，S1 Setup流程由eNode B觸發，在eNode B啟動時會根據系統中的相關配置參數自動執行。S1口自建立過程詳見3GPP 36.300[5]。

X2接口自建立包括兩種情況：基站初始建立過程中，根據網管配置文件進行X2接口自建立；網絡運行過程中，根據鄰區關系的變化進行X2接口自建立。X2接口自建立的前提是本小區預先知道對端小區的名字或地址，X2接口動態配置過程詳見3GPP 36.300[5]。

基于3GPP標準的X2接口自建立需要MME支持相應的S1-AP信令流程，如圖2所示，源基站（eNode B 1）通過S1接口獲取目標基站（eNode B 2）的IP地址，根據該地址與目標基站建立X2連接。如S1-AP不支持X2接口自建立所需的信令流程，作為一個過渡方案，則需要在eNode B中預置周圍潛在鄰區的名稱與CGI的對應表，eNode B及網管通過獲得的PCI直接查找目標eNode B的CGI及IP地址。

X2接口自建立在網絡初始配置階段無需人工建立eNode B之間的連接關系，而是在網絡運行階段通過終端在有關系的eNode B之間自動建立它們的連接，確保網絡數據的精準性，避免了人為操作可能帶來的錯誤，同時也降低了OPEX。

X2接口建立的及時性將影響本次切換是基于X2接口，還是本次建立了連接下次切換時再使用；另外X2接口有必要考慮黑名單的問題，避免由于信號偶爾交疊導致的不必要的X2接口自建立。X2自建立的控制策略與ANR策略密切相關，一般認為，X2接口自建立是ANR的一個伴隨過程。

3.2 自優化技術

網絡自優化功能基于網絡性能測量及數據收集，所以輸入條件的準確性直接決定了輸出結果的可靠性，輸入數據主要來自UE測試上報、基站性能收集及上報、網管統計分析。

自優化主要包括干擾控制、切換優化、接入優化、負荷均衡（LB）、覆蓋與容量優化（CCO）等，其中干擾控制一般單獨研究，CCO由于包含概念太廣，在3GPP中并無具體內容。本文主要分析切換優化、接入優化及負荷均衡。

（1）切換優化

手動配置和調整切換參數是一件非常耗費時間的事情，移動魯棒性優化的主要目的是通過測量與性能統計，發現網絡在移動性方面存在的問題，通過調整切換/小區重選參數，減少與切換相關的無線鏈路失?。≧LF），并避免不必要錯切、漏切對網絡資源的浪費。

切換優化要基于長期的切換性能搜集和分析，如何在紛繁復雜的無線事件中判斷是由于震蕩切換還是過早/過晚切換或其他問題導致的切換質量差，是切換優化實現的關鍵。按3GPP標準切換的事件特征介紹如下。

·過晚切換：用戶在源基站掉話，并選擇一個不同的基站重新建立連接，即RLF發生在切換之前。

·過早切換：UE成功切換到目標小區后很快在目標小區發生RLF，然后試圖在源小區重新建立連接；或者UE在嘗試切換到目標小區的過程中在源小區發生RLF，然后試圖在源小區重新建立連接。

·切換至錯誤小區：UE在切換過程中或在成功切換到目標小區后很快發生RLF，然后在目標小區和源小區以外的其他小區重新建立連接。

·震蕩切換：UE從上一個小區駐留到這次切換的時間過短。

3GPP在R10階段主要關注前3種，雖然震蕩切換不一定會造成掉話，但其在實際網絡中存在更普遍，且對網絡資源消耗大，將是下一步關注的重點。

切換優化對UE和eNode B均有要求。過早、過晚、切換至錯誤小區都需要依賴UE支持上報RLF report，目前在3GPP標準中RLF report對UE來說是可選功能，所以相應的產品實現會相對較晚。同時也需要X2接口支持在相鄰eNode B間傳遞RLF indication及handover report消息，詳見3GPP TS 36.423[6]要求。

（2）接入優化

接入優化主要解決LTE終端接入時延過長和競爭接入失敗的問題，同時盡量減少接入信道發射功率過高引起的上行鏈路干擾?？刂齐S機前導序列發射功率、在干擾和接入失敗間獲得最佳平衡以及PRACH資源動態分配是解決問題的重點，其他優化手段也可按需考慮。

隨機接入優化需要考慮以下幾個方面。

·隨機接入前導序列初始發送功率的優化。如果初始功率過高，可能引起干擾；如果初始功率過低，則UE會逐步抬高該功率嘗試接入，會使得接入嘗試時間過長，即接入時延過長。初始功率優化適用于UE慢速移動的情況，對高速移動的UE優化意義不大。

·如果UE數量很多，隨機接入前導序列資源可能不足，會重復使用相同序列，如兩個UE使用相同序列同時接入，會造成競爭沖突，所以需要進行前導序列的資源優化。

·即使接入序列資源充足且初始功率合理，如果接入信道PRACH資源不足，也會導致部分UE無法及時接入，所以優化接入信道資源分配也是需要考慮的手段。

接入優化需要UE支持PRACH report上報，反映最近一次成功接入發送前導序列的數量及是否存在競爭沖突，根據這些信息調整PRACH的物理資源分配、發送功率初始設置或者改善自動根序列分配。同時需要通過X2接口在相鄰小區之間及時交互接入信道配置以避免資源沖突，如相鄰小區間應避免使用相同的根序列。由于網絡和用戶行為一直處于動態變化過程中，影響接入性能的相關因素很多，判斷模型的設計很重要，也是接入優化的難點。

（3）負荷均衡

負荷均衡主要指MLB，通過智能地將用戶流量分攤到網絡的無線資源上，提供較好的終端用戶體驗和性能，同時優化系統容量。其主要目標包括：均勻地分配小區間的負荷；把已經擁塞的小區的部分業務轉移到其他小區。

負荷均衡算法是關鍵，需要采取一定的算法，使多個用戶在不同小區的分布發生變化，通常通過加快/減緩UE在不同小區間的切換過程實現，包括調整移動性參數、觸發切換事件。

按照TS 36.902[7]，負載均衡的實現需要具備以下幾個功能模塊。

·負荷上報。在Inter-LTE場景下，地理位置相鄰的小區間或共站址異頻小區間通常通過X2接口交互小區的負荷信息，完成負荷上報；在Inter-RAT場景下，通常需要通過S1接口在不同的接入網之間交互小區的負荷信息，如涉及LTE與非3GPP網絡的互操作，需要對跨系統負荷信息交互的相關接口進行標準化。

·基于切換的負荷均衡。負荷均衡的切換應該與其他普通切換區別開，如在切換原因中標明是基于負荷的切換，以便目標小區采取合適的接納算法，并避免出現覆蓋空洞。

·切換/重選參數的自動調整。源小區需向目標小區發起移動性配置協商進程，雙方確定調整目標，然后通過SIB把調整后的參數下發給UE。所有參數應該在OAM允許的范圍內調整。

負荷均衡不能以降低用戶QoS為代價，激活態下的負荷均衡實現比較復雜，策略不當容易影響用戶感受，初期可先考慮空閑態下的負荷均衡，即通過均勻地分配空閑態UE避免大量UE集中駐留在某一頻段/RAT，從而保證當UE從空閑態轉到激活態后，業務負荷能盡量達到均衡，同時也減少因負荷不均而觸發的切換和重定向的次數。考慮到系統難以實時獲取小區的空閑用戶數，可以根據該小區的激活業務量及QoS判斷是否需要改變小區重選參數，讓空閑用戶遷移到其他小區或頻點[8]。

負荷均衡的效果與小區間的覆蓋關系密切相關。一般來說，小區間的重疊程度越高，負荷均衡的效果越明顯。所以異頻之間、異系統之間的負荷均衡更值得關注，同頻組網場景下負荷均衡的價值有待進一步評估。

3.3 自愈技術

現代通信網絡設備種類繁多，處理網絡故障耗時費力，SON提出的網絡自愈（SH）功能通過自動告警關聯及時發現、隔離和恢復故障，提高運維效率。自愈主要包括兩方面：監測和自愈處理，監測是指監測自愈觸發條件是否滿足，滿足則執行自愈處理過程，然后在數據分析和診斷的基礎上，采取合適的故障恢復方法或補償措施。

自愈主要包括兩種場景：一個是軟硬件的問題排除和恢復，另一個是小區退服（cell outage）的補償恢復。目前在3GPP TS32.541[8]中，列出了一些恢復的方法，主要分為軟件和硬件兩部分，通過告警可以分析定位根故障，進而通過軟件重啟或者硬件倒換解決，經驗表明，50%以上的故障都可以通過基站重啟解決。小區退服則需要相鄰小區調整覆蓋以補償覆蓋缺失，此外也要區分部分退服與完全退服，分別采取不同的補償手段。

判斷小區退服需要基于一些統計數據，如高掉話率、很少或者沒有新的呼入或者切換、很低的上行或者下行流量等。休眠小區可以視作部分退服小區，有部分話務仍然保持，但不能允許新的UE接入或者新的呼入，數據或話音業務很消極，GBR比例下降明顯。如果有更嚴重的問題存在，就不會有性能觀測報告，且沒有心跳上報給網管系統，意味著eNode B完全退服，徹底無法工作了。

小區退服的補償必須以了解最新的鄰區關系為前提。相鄰eNode B通過調節小區的下行發射功率和天線角度對退服小區進行覆蓋補償，以減少故障期間的用戶投訴，如圖3所示?；?的小區B退服后可通過本基站的小區A、C以及附近基站2的小區C和基站3的小區A聯合進行臨時補償[3]。故障消除后再恢復小區的原有設置。配合小區補償調整，鄰區間的干擾、切換等關系都會相應變化，因此需要其他SON的優化功能協同工作。

此外，可以考慮Inter-RAT補償的可行性，由于Inter-RAT重疊覆蓋度可能會更高，進行補償時可能不必調整天線等硬件，可減少對原有網絡的影響。

4 SON發展趨勢與前景

目前SON技術尚處于起步階段，除即插即用外，其他SON功能離真正的商用還有一定的距離，各SON功能本身仍需要不斷優化和完善。為提升SON技術在實際網絡中應用的整體效果，將朝著多SON功能聯合、端到端QoS保障的方向發展。

（1）SON功能將進一步優化和完善

覆蓋和容量優化：其目的是通過網絡本身的測量，實現網絡無縫覆蓋和最佳容量。掉話率指標意味著網絡覆蓋的不足，流量統計可以發現網絡容量的問題，如果把覆蓋和容量關聯起來，就有可能在兩者之間達成平衡。

移動性優化：除過早、過晚切換外，下一步的目標是避免乒乓切換以及由于連接到非最佳小區導致的短暫停留以及連接時延增加等問題。系統間MRO仍需進一步完善，如對于在一個RAT中發生RLF后，在另一個RAT中重新連接的切換失敗事件，目前的機制還不能檢測和調整。

最小化路測：需要UE的測量項已經完成標準化，MDT參數的配置流程、數據的上報流程等也基本完成。目前正在討論基于QoS診斷的MDT等。

節能：目前已經完成LTE系統內eNode B間節能標準的制定，后續可能引入增強方案，另外需繼續研究跨系統的節能。

HeNB以及HetNet場景下的SON功能實現。

（2）多SON功能聯合優化

不同的SON功能之間存在關聯，需要考慮的問題主要包括以下幾方面。

·基站即插即用和ANR、PCI分配、PRACH配置的聯合。基站即插即用包括參數配置過程，其中ANR、PCI分配均為重要的SON功能，如果先驗知識充分，PCI分配在基站配置階段即可完成，并在此基礎上完成ANR的初始配置。在即插即用階段，PRACH也可以依據基站的一些規劃參數進行自動初始配置。當然，在即插即用完成后，PCI管理、ANR、接入優化過程將繼續進行。

·ANR和PCI的聯合優化。在網絡運行過程中，鄰區關系是動態變化的，而PCI沖突/混淆的判斷是基于鄰區關系的，鄰區關系發生變化可能會導致新的PCI沖突/混淆，例如在增加新鄰區的過程中需要調用PCI碰撞檢測功能，檢查PCI的有效性。

·MRO和MLB功能的協調。MRO和MLB主要的優化對象都是切換/小區重選參數，當兩者優化需求不一樣時，可能會產生沖突，如在兩個小區之間基于覆蓋要求應調高切換門限，而基于負載均衡要求應調低切換門限，此時就需要采取措施避免沖突，如在MRO可調范圍內選擇一個安全的區間作為MLB的最大調整范圍，保證在該范圍內進行MLB調整不會導致太多的過早/過晚切換問題。

·即插即用、覆蓋空洞、覆蓋容量優化、節能、ICIC功能協調。這幾種SON功能都與基站發射功率密切相關。即插即用會在初始階段設置基站下行發射功率，隨后其他SON功能將根據不同的目的對功率進行調整，一般與容量相比，覆蓋的優先級更高。天線傾角的調整需要考慮覆蓋優化與節能之間的平衡。另外還要考慮發射功率、天線傾角調整對干擾協調的影響等。

·網絡自愈、ANR與MRO的關系。為補償退服小區的覆蓋空洞，自愈功能需要改變某些小區的覆蓋區域，從而引起鄰區關系和覆蓋距離的變化，此時ANR、MRO和ICIC都要進行相應的調整，以減少自愈對網絡的影響。

（3）端到端的 QoS 保障

所有網絡優化的目標，最終都表現為QoS的提升。在LTE網絡中，QoS控制的基本粒度是EPC（evolved packet core）承載，不同QoS保障需要由不同的EPC承載提供。當網絡資源受限或沖突需要進行調整時，不管是切換優化還是負荷均衡都涉及網絡資源的重新配置，需要考慮對不同等級業務的QoS進行保障。

目前的SON功能主要集中在無線網內部，為保證端到端QoS，業界提出包括無線網、核心網在內的端到端閉環的SON概念，對網絡中各個網元進行檢測和性能數據搜集，同時配合DPI（深度檢測），實現端到端業務感知，把SON功能與LTE網絡中的PCRF QoS策略控制相結合，對不同QoS業務進行差異化處理。

LTE網絡建設和運營的不同階段對SON功能有不同的需求，網絡建設階段或者在網絡中增加新的基站時，需要使用即插即用、自動鄰區配置等自動配置功能；在網絡運行初級階段，更多需要使用切換優化、接入優化、鄰區優化等自動優化功能；隨著業務發展和網絡負荷的增加，在滿足基本覆蓋要求的前提下，需要考慮采用負荷均衡、節能等手段進一步提升網絡性能和資源利用率。LTE SON產品實現基本與需求相對應，目前已支持與網絡規劃建設密切相關的自配置、ANR功能，網絡運行階段需要的網絡優化功能有待進一步完善。隨著技術進步和LTE運營經驗的積累，各種SON功能的優先級將來會根據運營商需求的變化而變化。

1 RP-111086.New WI proposal:further self optimizing networks(SON)enhancements

2 3GPP TS 36.211.Evolved universalterrestrialradio access(E-UTRA),physical channels and modulation

3 Self-optimizing networks.The Benefit of SON,3G American White Paper,2011

4 3GPP TS 36.331.Technical specification group radio access network,evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA),radio resource control(RRC),protocol specification

5 3GPP TS 36.300.Technical specification group radio access network,evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA),and evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN),overall description

6 3GPP TS 36.423.Technical specification group radio access network,evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN),X2 application protocol(X2AP)

7 3GPP TR 36.902.Technical specification group radio access network,evolved universalterrestrialradio access network(E-UTRAN),self-configuring and self-optimizing network(SON)use cases and solutions

8 3GPP TS 32.541.Technical specification group services and system aspects,telecommunication management,self-organizing networks(SON),self-healing concepts and requirements