自組織網絡中的自優化技術與方法

摘要：文章介紹了移動通信網絡的自組織網絡（SON）技術；該技術使得網絡設備可以自主部署、優化以及操作，從而能夠降低網絡運營開銷、同時提升用戶感知。文章重點討論自優化方案，包括移動負載均衡方案、移動魯棒性優化方案、隨機接入信道（RACH）優化方案、節能優化方案。文章指出未來SON研究將會在新場景下的方案更新、無線接入技術間（Inter-RAT）場景考慮、節能方案的更新等領域進行深化。

關鍵詞：移動通信；自組織；自配置；自優化；自治愈

Abstract： In this paper， we introduce self-organization technology for mobile communication networks. This technology reduces the cost of equipment deployment， optimization， and operation yet does not affect service quality. We discuss self-optimization methods such as mobile load balancing， mobile robustness optimization， random access channel （RACH）， and energy saving. In the future， SONs will be used in inter-RAT scenarios to address energy saving issues.

Key words：mobile communication； self-organizing； self-configuration； self-optimization； self-healing

1 移動通信自組織網絡

1.1 背景

未來的通信網絡要求越來越高的性能、更低的故障率和更高可靠性以承載更為復雜的業務。可以預期未來的通信系統的規模和復雜度將越來越大。為了滿足不同用戶和不同業務的需要，多種網絡制式并存和設備有多家供應商提供的情況會對網絡維護方案提出新的需求。當前網絡維護所面臨的主要挑戰有：

（1）現有網絡維護手段很難滿足網絡發展的需求。現有的移動網絡維護內容和優化手段往往基于特定廠家特定制式的設備，通用性受限，不適合多廠家設備的同時維護，維護工具相互較為獨立，不容易相互結合成統一平臺，往往形成所謂的“信息孤島”，同時人力物力投入巨大。

（2）業務重點的轉移對網絡維護提出了更高的要求。無線網絡上承載的業務不斷推新。豐富的語音、數據、視頻等綜合業務正蓬勃發展，運營商維護的重點逐漸由“打造精品網絡”向著“信息提供商轉移”，后者要求網絡維護的內容和手段有新的變化。尤其是進入移動互聯網時代后，業務量的增加幾乎以翻番指數級別增長，業務的種類和需求更加復雜，傳統的業務假設出現偏差。

（3）多種接入網絡并存的移動網絡發展趨勢引發網絡維護復雜度的顯著提高。對中國移動而言，既有世界上最大的GSM網絡，也有數量眾多的TD-SCDMA網絡，并即將部署LTE等網絡。

為了應對這些挑戰，未來的網絡運營應該充分利用網元設備自身的處理能力，盡量提高網絡設備自身的自動化與智能化水平，將現有移動網絡中網絡維護經驗和工具集成于統一的設備平臺中，充分發揮網絡的自主計算能力，減少甚至消除人工干預，最大程度降低網絡運營的工作量和成本。

移動通信中的自組織網絡是指自身能夠探測周圍環境信息并能夠由此做出自主決策，并擁有自配置和自優化功能的通信網絡，同時能夠有效應對網絡異常，它是解決未來網絡維護工作，提高網絡服務質量并大幅降低網絡維護成本的一條有效途徑。目前自組織網絡主要在3GPP/NGMN等移動運營商和移動通信標準化組織中研究和標準化[1]，并主要基于LTE及LTE-A等版本進行討論[2]。

1.2 框架和內容

從功能上劃分，移動通信中的自組織網絡（SON）功能分為：自配置、自優化和自治愈3部分，功能部署框架則有集中式、分布式和混合式架構3種。

（1）自配置

自配置指的是動態可插拔基站（eNB）的能力，基站可以自主配置其小區標識（PCID）、頻點及功率，從而可以加快其啟動效率。目前，自配置功能已支持S1/X2接口動態配置、PCID自動配置和自動鄰區關系等，詳細請參見文獻[2]。目前該功能已基本在LTE Rel-8版本實現

（2）自優化

顧名思義，指的是設備較為自主的完成常規的優化功能。包括自主的優化覆蓋、切換、容量和干擾，包含移動負載均衡（MLB）、移動魯棒性優化（MRO）、節能（ES）功能和隨機接入信道（RACH）優化等方案，目前大部分已在LTE Rel-9完成，后續正在進行增強版本的討論。

（3）自治愈

自治愈即網絡自主發現和處理故障的功能，目前大部分故障自動發現與修復和自動參數調整的功能在LTE Rel-10進行探討，目前討論的有方案有覆蓋和容量優化（CCO）和最小化路測（MDT）。

2 自優化案例和方案

2.1 移動負載均衡

移動業務具有時間以及空間的不均衡性特征。空間的不均衡性表現在相同時間不同小區之間的負載差異可能較大，導致部分小區資源緊張引發過載阻塞，而另一部分小區的資源過于空閑、資源利用率低下，難以實現資源的有效配置和利用。隨著移動應用的日益豐富以及移動蜂窩日益小型化，移動業務的空間不均衡特征將進一步加劇，給傳統靜態的小區選擇以及靜態的切換參數帶來了巨大挑戰。移動負載均衡的主要目標就是平衡移動業務的空間不均衡性。通過優化蜂窩網絡的移動性參數以及切換行為，將過載小區的業務量分流到相對空閑的小區，平衡不同小區之間業務量的差異性，提升系統容量。目前，3GPP的MLB方案同時支持LTE內部（Intra-LTE）以及無線接入技術（RAT）之間（Inter-RAT）的移動負載均衡（兩種用戶場景）。

SON MLB實現的功能架構如圖1所示。圖1主要包含負載報告、基于切換的負載均衡以及切換重選參數的調整3個功能模塊。

（1）負載報告

負載報告發起負載均衡的源小區和目標小區交換負載水平。其具體方式隨下面的不同場景而不同：

·Intra-LTE場景。通過X2接口交換，具體信息包括上下行的無線資源利用率、硬件負載指示、傳輸網絡層（TNL）負載指示、可用于負載均衡的容量百分比以及小區相對容量指示（需要保證不同RAT之間相對容量的伸縮比例一致）。

·Inter-RAT場景。通過S1接口交換，具體信息包括小區相對容量指示（需要保證不同RAT之間相對容量的伸縮比例一致）以及可用于負載均衡的容量百分比。

（2）基于切換行為的負載均衡

基于切換行為的負載均衡發起負載均衡的小區向目標小區發起切換流程，目標小區對從源小區切換過來的UE執行負載均衡切換對應的接納控制。

（3）調整切換以及/或者小區重選的參數配置

調整切換以及/或者小區重選的參數配置發起負載均衡的小區可以請求目標小區在操作管理維護（OAM）允許范圍內改變切換以及/或者小區重選參數，以支持負載均衡的實現[3]。

目前MLB方案對鄰區資源可用性的考慮只考慮直接鄰區，一般而言熱點區域的范圍會包含一個小區簇，為了防止產生局部擁塞等問題，可以對現有方案進行擴展，例如考慮鄰區的鄰區等。

2.2 移動魯棒性優化

當前的2G/3G系統中手動設置切換參數是一個十分費時的工作，不正確的切換參數設置會負面影響用戶體驗，例如會產生乒乓效應、切換失敗和無線鏈路失敗等。移動魯棒性優化的主要目標就是減少與切換相關的無線鏈路失敗的次數，提高網絡資源的使用效率。Rel-9版本的MRO方案主要解決過早切換、過晚切換和切換到錯誤小區引起的無線鏈路失敗（RLF）。

（1）過晚切換方案

該場景中，源小區的切換過程啟動得過晚，當服務小區發出切換命令時，信號強度太弱，從而到達不了UE，連接丟失。UE會在目標小區上發出連接重建消息，該消息帶有源小區的PCID和小區無線接入網絡臨時標識（C-RNTI）等信息。目標小區將該事件通知源小區（通過RLF指示消息[4]），從而使源小區調整對應的參數。過晚切換的場景如圖2所示。

（2）過早切換

該場景中，由于源小區啟動切換時機過早，UE雖然能夠成功接收到切換命令，但是由于切換時機啟動太早，目標小區的無線質量不好，連接會中斷。此時UE會在源小區啟動連接重建消息，該消息攜帶目標小區的PCID和目標小區的RNTI等信息。源小區會向目標小區發送RLF指示消息，目標小區接收到該消息后，會檢查其設置，從而確定該RLF是由于源小區發送的切換引起。因此目標小區會發送一個切換報告消息，告知源小區此切換為過早切換，源小區據此調整切換參數。過早切換場景如圖3所示。

2.3 RACH優化

空閑狀態下的UE接入網絡時要首先申請RACH信道接入，RACH信道的設置會直接影響RACH的碰撞概率，從而影響接入和切換時延及上行失步帶來的數據重傳等，從來影響接入和切換成功率。同時，RACH資源的規劃還會影響系統的總容量以及UE接入時產生的上行干擾。總之，RACH參數的優化是成功部署網絡的重要因素。

影響RACH 參數的主要因素有：

·物理上行共享信道（PUSCH）的上行干擾

·RACH負荷

·PUSCH容量

RACH優化功能檢測一些主要因素，例如RACH負荷干擾、上行干擾等，從而計算并設置合適的RACH參數取值。RACH信道優化的主要目標是：降低UE接入時延、最小化RACH信道上行干擾、減少RACH嘗試間的干擾。

RACH優化功能將會自動設置與RACH性能相關的幾個參數，例如物理隨機接入信道（PRACH）配置索引（資源單元分配和格式）、RACH前導拆分、RACH回退參數值、PRACH傳輸功率控制參數等[5]。

2.4 節能優化

網絡能耗在運營商運營支出占據重要比例，且隨設備數量的增加而增長迅速。因此，提高運營商網絡資源利用率、降低運營商網絡能耗具有重要意義。目前，除了常規的提高功放效率和硬件效率外，節能優化方案的主要思路是當業務量降低時，在不降低覆蓋和不影響UE的情況下，通過關閉不必要的網元或者資源調整等方式從而達到降低能耗的目的。

3GPP已形成的主要小區開啟/關斷方案包括基于OAM（網絡操作、管理、維護）的方案、基于干擾噪聲（IOT）的方案、基于UE測量的方案。

（1）基于OAM（網絡操作、管理、維護）的方案。基礎覆蓋小區根據OAM的信息配置容量增強小區的低負載周期，容量增強小區在此周期內自動關斷，其余時間開啟。

（2）基于IOT的方案。基礎覆蓋小區的負載超過一定閾值的時候，會通知部分容量增強小區進行IOT的測量。基礎覆蓋小區根據反饋的測量結果判斷哪些容量增強小區需要開啟。

（3）基于UE測量的方案，該方案也是目前探討較多的方案。該方案中每個容量增強小區有3種狀態：休眠狀態（此時停止射頻發射）、探測狀態（此時小基站發射參考信號）和激活狀態。方案工作流程是：

·當基礎覆蓋小區業務量超過某個門限時啟動層疊的容量增強小區進入探測狀態。

·容量增強小區進入探測態，下行發送參考信號。

·基礎覆蓋小區向UE發送測量請求命令（根據UE的能力和容量增強小區的制式）。

·UE按照測量請求測量下行的參考信號然后反饋。

*基礎覆蓋小區根據UE測量的情況確定需開啟的容量增強小區。

另外，除了小區關斷方案外，小區內的主要節能方案有調整多播廣播單頻網（MBSFN）及時分多址（TDD）特殊時隙資源等方案，在3GPP中有詳細探討，詳細請參見文獻[6]，預期ES功能的改進和增強版本將會繼續進行更多的討論。

3 未來工作

從概念的提出到標準化工作的推進，SON目前已經得到了主流設備商的支持，并且在LTE的第一個版本R8就已經實現。目前SON的基本方案已經較為成熟，但是隨著需求的深入分析和更多新問題的出現，未來SON研究將會繼續在如下領域進行深化：

（1）新場景下的方案更新

為了更好迎接熱點地區業務爆炸性的增長，小蜂窩基站的部署非常必要，目前標準化組織中正在討論HetNet需求場景和方案，相信該部署場景也對SON提出了新的需求[7]。

（2）Inter-RAT場景考慮

由于SON理念的先進性，以及兼容和漫游到的2G/3G網絡的需要，2G/3G網絡也需要在一定程度上支持SON的功能，甚至對已有的網絡功能版本進行升級，兼容SON功能。

（3）節能方案的更新

由于可持續發展及綠色行動等節能減排項目的推進，節能減排為全社會所關注。Green Touch及EARTH等相關項目和組織[8]的研究結論表明，綠色節能還有很大的空間。如何能夠采用更節能的技術和材料，將會是持續不斷的研究話題。

總之，SON有望成為運營商提高網絡質量的利器，相信SON最終將會成為網絡中必不可少的“基礎設施”，為網絡維護和網絡優化工作帶來巨大幫助。

參考文獻

[1] NGMN informative list of SON use cases [R]. NGMN （Next Generation Mobile Networks）， 2007.

[2] Self organizing networks： NEC's proposals for next-generation radio network management [R]. NEC Corporation， 2009.

[3] 3GPP 36.423. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； X2 application protocol （X2AP） [S]. 2011.

[4] 3GPP 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Overall description [S]. 2011.

[5] 3GPP 36.902. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Self-configuring and self-optimizing network use cases and solutions [S]. 2011.

[6] 3GPP 36.927. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Potential solutions for energy saving for E-UTRAN（Release 10） [S]. 2011.

[7] 3GPP 36.839. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Mobility enhancements in heterogeneous networks [S]. 2011.

[8] GreenTouch [EB/OL]. [2012-09-08]. http：//www.greentouch.org.

收稿日期：2012-11-09

作者簡介

邵澤才，北京大學碩士畢業；現就職于中國移動通信研究院；主要研究領域為無線通信系統及其相關技術；已參與基金項目3項；發表論文5篇和申請專利3項。

陳亞迷，北京郵電大學碩士畢業；中國移動通信研究院項目經理；主要研究領域為綠色無線通信架構演進以及自組織的綠色通信節能技術；已發表論文5篇（全部被SCI/EI檢索）、申請專利5項。