LTE/LTE—A系統自組織網絡技術和標準化進展

摘要：文章指出利用自配置技術，每個基站可以在電信管理網絡（OAM）節點允許的范圍內，自主地選擇物理小區標識并建立和維護鄰區關系；利用自優化技術，每個基站可以根據當前的負載和性能統計情況，進行參數調整，優化系統性能；利用自治愈技術，OAM持續監測通信網絡，一旦發現可以自動解決的故障，就啟動對相關必要信息的收集，進行故障分析，并根據分析結果觸發恢復動作。文章認為不斷增加的基站數量、共存的2G/3G/4G系統、異構網絡（HetNet）引入的分層網絡架構等，導致網絡變得越來越復雜，巨大的管理工作和高昂的運維成本，使得采用以自配置、自優化和自治愈為核心特征的SON技術成為LTE/LTE-A系統的必然選擇。

關鍵詞：自組織網絡；自配置；自優化；自治愈

Abstract：Self-configuration， self-optimization， and self-healing are key functionalities in a self-organizing network. The eNB can automatically select the physical cell ID and configure a neighbor relationship within the range allowed by OAM. The eNB can optimize system performance by automatically adjusting its parameters according to statistics on system load and performance. Self-healing aims to solve or mitigate faults that can be solved automatically. The OAM is responsible for monitoring collected information and detecting faults， and appropriate recovery actions are triggered. Networks are becoming more complicated with increasing numbers of eNBs； coexistence of 2G， 3G and LTE/LTE-A； and heterogeneous HetNet architecture. Manual network planning and optimization is difficult and expensive for operators. To reduce capex and opex and to improve network deployment and operation， SON is the inevitable choice for LTE and LTE-A systems.

Key words：self-organization network； self-configuration； self-optimization； self-healing

自組織網絡（SON）的概念最早基于Ad Hoc通信機制提出，它是一種無固定拓撲，無中心節點，可以隨時隨地動態組建的無線通信網絡形式，具有自發現、自配置、自組織和自治愈等核心特征。

在2007年3GPP進行LTE標準制訂時，決定引入LTE SON機制。引入LTE SON技術旨在自動完成蜂窩移動通信網絡設備的參數配置和優化工作，減少網絡操作管理過程中的人工參與，提高網絡可靠性，降低運營成本，提升LTE系統在未來移動通信市場上的競爭力。LTE SON機制提供3種功能，即自配置、自優化和自治愈。其中，自配置指演進型基站（eNB）具有即插即用、自動下載安裝軟件、自動配置無線和傳輸參數以及自主管理鄰區關系等功能；自優化指網絡設備根據運行狀況，自適應調整無線參數，如發射功率、切換門限和小區個性偏移量等，優化網絡性能；自治愈指通過監測和分析錯誤數據、告警信息，網絡自主發現故障并及時隔離和恢復。

1 SON標準化的進展

在LTE SON標準化過程中重點研究了兩方面的內容。第一方面是SON在LTE無線接入網（RAN）中的應用場景定義和實現方案設計；第二方面是SON對電信管理網絡（OAM）的影響、需求以及實現方案。前者由3GPP RAN3工作組牽頭研究，RAN2/RAN4輔助；后者由系統網絡架構中的SA5工作組負責完成。其中，自配置和自優化相關內容在RAN3和SA5工作組都開展研究，而自治愈功能工作主要在SA5工作組開展。相關標準化成果體現在3GPP LTE標準的RAN側技術規范TS36.300、TS36.423、TS36.413、TS36.331、TS25.331以及網絡架構側技術規范TS32.500、TS32.501、TS32.511、TS32.521和TS32.541等SA5網管規范中。

3GPP對SON的標準化工作始于LTE Rel-8階段[1]，并一直延續至最近的Rel-11階段，各版本的標準化時間點如圖1所示。

Rel-11階段，為了滿足運營商不斷增長的網絡部署需求，對SON繼續增強項目進行了立項，立項目標定位于提升MRO在新應用場景性能。標準化的內容包括：制訂Intra-LTE異構網絡（HetNet）MRO機制、Inter-RAT切換失敗檢測方法和Inter-RAT乒乓切換檢測機制。

SON在SA5的標準化工作與RAN側同時進行，除了定義了RAN側各技術方案所對應的電信管理網絡支持技術外，還完成了自治愈相關功能的標準化。

由于項目規劃的原因，SON項目重點研究了TR36.902中所定義9種用例中的5種。余下的4種，即覆蓋和容量優化、干擾降低、節能以及干擾協調，分別在最小化路測、節能和干擾協調項目中進行了研究[2-3]。

2 關鍵技術方案

SON機制中的自配置、自優化和自治愈相關的技術方案和標準制訂情況。

2.1 自配置技術

在LTE標準中，自配置包括物理小區標識（PCI）自配置和ANR功能。通過自配置，每個基站可以在OAM節點允許的范圍內，自主地選擇物理小區標識并建立和維護鄰區關系。通過這兩種技術不僅可以大大減輕運營商規劃和優化工作量，也為后繼家庭基站等非運營商部署節點的廣泛使用提供了便利。

（1）PCI自配置方案

在為LTE小區配置PCI時，網絡部署的基本要求是相鄰小區間的PCI配置做到不沖突，不混淆。不沖突是指任何兩個相鄰的同頻小區不能使用相同的PCI配置；不混淆是指在小區的所有鄰區中不應出現兩個或以上同頻小區使用相同物理小區標識的情況。

PCI自配置過程如下：根據OAM為小區提供的候選PCI列表，eNB根據不沖突、不混淆的要求，排除其中不合適的PCI選項，并在剩下的PCI中隨機選擇一個PCI配置給下轄小區。需要排除的PCI包括：eNB通過用戶終端（UE）上報或空口監聽獲得的鄰小區已用物理小區標識；通過X2接口消息獲得的鄰eNB下轄小區以及相鄰eNB的鄰小區所使用的物理小區標識等。

PCI自配置功能對網絡和終端規范影響不大，是目前較為成熟的一個功能。它的廣泛使用，將大幅減輕運營商網絡規劃和配置的工作量。

（2）ANR方案

為了進行切換和干擾協調，eNB需要為下轄小區建立和維護鄰區關系表。自動鄰區關系功能用于輔助eNB發現未配置的鄰小區，觸發鄰區關系表中相應表項的建立和維護操作。自動鄰區關系機制不僅適用于發現同頻鄰區，還可用于發現異頻和異系統鄰區。鄰區發現的過程如圖2所示。

在圖2中，eNB A下UE完成常規鄰小區測量并上報測量結果，測量報告中以小區B的PCI作為被測小區標識。eNB A發現測量報告中攜帶的PCI對應于一個未配置的鄰小區，則指示UE讀取該PCI對應小區的廣播信息，獲得小區B的全球小區標識（GCI）、跟蹤區域碼和公共陸地移動網絡標識等參數。根據UE反饋的信息，eNB A可以將小區B添加到小區A的鄰區關系表中。

雖然自動鄰區關系（ANR）功能位于eNB實體內，但是OAM仍然保持著對鄰區關系的完全控制，SA5工作組為OAM定義了eNB鄰區列表管理模塊，用于增加、刪除鄰區關系，設置和修改鄰區屬性。

相比傳統的鄰區關系人工配置過程，通過自動鄰區關系機制，不僅避免了規劃階段的工程參數測算、優化階段的路測輔助，還減少了鄰區漏配、錯配情況的發生，在降低成本的同時，提高了配置效率。

2.2 自優化技術

自優化主要包括移動負載均衡（MLB）、隨機接入信道（RACH）優化和移動健壯性優化（MRO）功能。通過自優化，每個基站可以根據當前的負載和性能統計情況，進行參數調整，優化系統性能。基站的自優化需要在OAM的控制下進行，基于對網絡性能測量及數據收集，OAM可以在必要的時候，啟動或終止網絡自優化操作；同時，基站對參數的調整也必須在OAM允許的取值范圍內進行。

（1）MLB方案

MLB是指eNB自動調整移動性參數，將下轄重負載小區的業務部分轉移到相鄰或同覆蓋的其他輕負載小區，以實現業務負荷在小區間的合理分配。MLB機制同時適用于LTE接入系統內部（Intra-LTE）和接入網絡間（Inter-RAT）的場景。

在MLB的實現過程中，eNB對下轄小區的負荷狀態進行監控，并通過X2或者S1接口與鄰節點交互負載信息。根據獲得的負載信息，eNB調整過載小區的移動性參數，使得其所服務的UE可以更容易的切換或重選到鄰近輕負載小區。

對于Intra-LTE MLB場景，為了避免重負載eNB單方調整切換參數導致乒乓切換，還引入了eNB間的切換參數協商機制；對于Inter-RAT MLB場景，考慮到不同系統的切換參數設置和切換算法不具通用性，所以未采用切換參數協商機制。

相比人工調整參數進行負載均衡，MLB機制具有調整迅速，對業務突發適應性好等突出優點。

（2）RACH優化方案

RACH優化旨在通過調整RACH的配置參數，保證合理的UE隨機接入成功率和接入時延。在RACH過程中，基站基于UE隨機接入成功概率以及對接入時延統計和估算等方式判斷RACH是否需要優化。為了協助基站進行統計，標準中引入了UE隨機接入相關信息的上報過程。例如UE需上報成功進行接入時所進行的接入嘗試次數。根據統計結果，eNB對不合理的RACH參數進行調整。調整后的RACH參數需要在相鄰eNB之間交互，以協調RACH配置，減少相鄰小區間的相互干擾。

LTE之前的蜂窩通信系統對RACH性能的統計一直比較困難，對RACH參數的設置更多的是依靠經驗和路測。RACH優化機制的引入極大的簡化了RACH參數的配置過程。

（3）MRO方案

移動健壯性優化（MRO）技術用于對切換參數設置問題進行自動檢測，通過對大量連接失敗現象進行分析和統計，確定問題原因，以便進行相應的參數調整。

在Rel-9階段，MRO首先研究了Intra-LTE場景中由于切換參數設置不合理而導致的UE連接失敗問題，并將問題原因歸納為3類：過遲切換、過早切換和切換到錯誤小區。MRO給出了如下描述性定義：過遲切換指已經在服務小區駐留了一段時間的UE，在未收到切換命令的情況下，與服務小區連接中斷，隨后UE選擇了除服務小區外的其他小區進行了重建；過早切換指UE在接入目標小區的過程中發生切換失敗或在接入目標小區后短時間內發生連接中斷，隨后UE在源小區進行重建；切換到錯誤小區定義為UE在接入目標小區的過程中發生切換失敗或在接入目標小區后短時間內發生連接中斷，隨后UE在除源和目標小區外的其他小區進行重建。

為了便于基站判斷切換失敗的類型，需要獲得UE的切換上下文和重建小區信息。3種Intra-LTE MRO錯誤的檢測如圖3、圖4、圖5所示。

圖3是一個過遲切換的檢測過程。在進行問題檢測時，重建基站將重建小區的標識和重建UE的標識通過X2接口通知給UE連接中斷前所連的服務基站，即最后服務基站。由最后服務基站根據本地存儲的UE上下文確定UE連接中斷的原因。

過早切換的檢測過程如圖4所示。與過遲切換檢測過程類似，最后服務基站根據從重建基站所獲得的信息和本地存儲的UE上下文確定UE連接中斷的原因。最后服務基站再將檢測結果發送給問題切換所對應的基站，以便問題基站參數調整。

切換到錯誤小區的檢測過程如圖5所示。與前兩種檢測類似，最后服務基站首先確定導致UE連接中斷的原因，再將檢測結果通知給問題切換所對應的源基站，即問題基站，以便問題基站進行參數調整。移動健壯性優化功能詳細的檢測流程可以參見文獻[3-4]。

除了切換參數設置問題外，網絡覆蓋漏洞也可能導致UE連接失敗，因此在進行MRO檢測時，需要能區分出覆蓋問題和參數設置問題。為此，在Rel-9和Rel-10階段，分別引入和增強了UE測量上報機制，允許UE將連接失敗前后的測量結果上報，以輔助對連接失敗原因的判斷[5]。為了解決異系統間切換參數配置錯誤所導致的UE連接失敗問題，在Rel-11階段，MRO在已有Intra-LTE過早和過遲切換檢測機制的基礎上進行了擴展，支持了對異系統到LTE的過早切換和LTE到異系統的過遲切換的檢測[6]。

異系統間的非必要切換和乒乓切換雖然不會導致UE掉話，但是會引起大量核心網信令交互，造成不必要的信令開銷。因此，相關問題的檢測也先后在Rel-10和Rel-11階段進行了標準化。

異系統間非必要切換指UE在LTE系統可以保持良好連接的情況下，被切換到其他系統。為了檢測非必要切換，當UE從LTE小區切換到異系統小區時，目標小區需配置UE繼續測量LTE頻點的信號質量，如果LTE小區的信號質量滿足預設門限，則可判定發生了非必要切換。

異系統間乒乓切換指UE從LTE系統切換到異系統后，在很短的時間內回切到LTE系統的情況。乒乓切換的檢測基于在網絡節點間傳輸的UE歷史信息進行，UE歷史信息中記錄了UE最近所接入的最多16個小區的標識以及在每個小區的停留時間。通過UE歷史信息，在UE從異系統切入LTE小區時，目標LTE小區可以判斷UE是否發生了乒乓切換。為了排除由于LTE系統覆蓋漏洞引發的乒乓切換，可以配置UE在異系統小區內檢測LTE小區的信號質量。

切換參數優化一向是移動通信網絡優化的重點和難點，移動健壯性優化機制的引入將有助于對切換問題的自動分析和定位，提升網絡優化的效率。

2.3 自治愈技術

自治愈技術指OAM持續監測通信網絡，一旦發現可以自動解決的故障，就啟動對相關必要信息的收集，如錯誤數據、告警、跟蹤數據、性能測量、測試結果等，并進行故障分析，根據分析結果觸發恢復動作。自治愈功能同時也將監測恢復動作的執行結果，并根據執行結果進行下一步操作，如有必要可以撤銷恢復動作。

目前，在LTE規范[7]中，標準化了兩種自治愈觸發場景，一種是由于軟硬件異常告警觸發的自治愈；另一種是小區退服觸發的自治愈。相應的，一些可用的自動恢復方法有：根據告警信息定位故障，通過軟件復位或切換到備份硬件等方式，進行故障恢復；調整相鄰小區的覆蓋，補償退服小區的網絡覆蓋等。

現代移動通信網絡設備種類繁多，一旦發生故障，排查起來費時費力。自治愈功能可以自動、迅速地發現網絡故障，并嘗試恢復，降低對用戶體驗的不利影響。自治愈對保障通信網絡運行穩定性具有重要意義。

3 SON技術發展趨勢

SON技術自2007年被引入LTE系統以來，經歷了Rel-8到Rel-11 4個版本的標準演進，功能日漸豐富。但LTE SON的研究工作還遠未完成，未來的標準化應朝3個方向發展：

（1）功能需要進一步優化和完善

在標準化過程中，SON還有一些遺留問題待解決。例如，對HetNet場景下廣泛存在的乒乓和短時駐留問題，尚未確定解決方案；系統間MRO機制對UE從異系統到LTE的過遲切換，從LTE到異系統的過早切換，UE從異系統切換到錯誤的LTE小區等問題，目前還尚未標準化。

（2）SON的研究范圍還將延伸和擴展

隨著LTE/LTE-A系統自身的演進，新技術和新場景的出現必然會對SON提出新的需求。例如，在即將開始的Rel-12階段，小小區（Small Cell）技術將作為一個關鍵特性被引入，UE將可能同時保持與宏小區和小小區的連接。小小區所帶來的LTE系統網絡拓撲的改變需要SON設計與之匹配的自配置機制；連接機制的變化需要SON的連接失敗檢測技術進行必要的增強。

（3）SON的已有機制還有待現網的檢驗

除了自配置的部分功能外，SON的其他大部分功能還沒有經過商用網絡的規模使用。隨著商用網絡的部署，SON現有機制可能會暴露出各種問題，還需要進行進一步的研究和完善。

4 結束語

為了滿足人們對無線通信不斷增長的需求，運營商不得不采用越來越龐大的無線通信系統，如不斷增加的基站數量、共存的2G/3G/4G系統、HetNet引入的分層網絡架構等，導致網絡變得越來越復雜，巨大的管理工作和高昂的運維成本，使得采用SON技術成為LTE/LTE-A系統的一個必然選擇。目前，3GPP在SON自配置、自優化和自治愈方向上已經標準化了一系列的技術方案，其中部分技術已經在LTE現網中得到了應用和驗證。未來隨著LTE/LTE-A商用規模的擴大和SON標準工作的持續推進，作為LTE/LTE-A的一項關鍵技術，LTE SON將迎來更快更好的發展。

參考文獻

[1] 3GPP TR36.902. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Self-configuring and self-Optimizing Network （SON） use cases and solutions [S]. 2011.

[2] 3GPP TS37.320. Universal Terrestrial Radio Access （UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Radio measurement collection for Minimization of Drive Tests （MDT）； Overall description； Stage 2 [S]. 2011.

[3] 3GPP TS36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Overall description； Stage 2 [S]. 2011.

[4] 3GPP TS36.423. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； X2 application protocol （X2AP） [S]. 2011.

[5] 3GPP TS36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Radio Resource Control （RRC）； Protocol specification [S]. 2011.

[6] 3GPP TS36.413. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； S1 Application Protocol （S1AP） [S]. 2011.

[7] 3GPP TS32.541. Telecommunication management； Self-Organizing Networks （SON）； Self-healing concepts and requirements [S]. 2011.

收稿日期：2012-11-06

作者簡介

鮑煒，大唐電信科技產業集團無線移動創新中心工程師；長期從事無線移動通信高層關鍵技術研究和LTE標準化工作；已參與國家重大專項項目3項。

孫韶輝，大唐電信科技產業集團無線移動創新中心總工，北京航空航天大學兼職博士生導師；長期從事無線移動通信關鍵技術研究和LTE標準制訂工作；已主持和參與國家重大專項項目10余項；已發表論文近40篇。

李國慶，大唐電信科技產業集團無線移動創新中心網絡技術室經理；長期從事無線移動通信高層關鍵技術研究和LTE標準化工作；已參與國家重大專項項目5項；已發表論文近20篇。