IMT-Advanced系统中的自组织网络技术

    随着无线通信高速化、宽带化、泛在化的发展，下一代移动通信系统呈现出单制式网络和多制式网络的异构特性，通信网络变得越来越复杂。而目前网络中的许多网元和相关参数由人工配置，网络规划、优化和运营成本相当巨大。运营商一方面要降低运营成本，另一方面需要提供较好的终端用户体验，因此提出了自组织网络(SON)技术，旨在增强无线网元，实现无线网络自组功能。SON有利于优化运营商的操作维护，能够大大提升网络性能，减少操作代价，降低无线网络的运营成本。

    3GPP 2008年初将SON技术纳入标准化工作范畴。Release 8版本SON功能主要集中在自配置方面，Release 9更多关注网络的自优化。同时，欧盟FP7框架下的SOCRATES项目针对第三代移动通信系统长期演进(LTE)进行SON技术的方案设计、实现和验证。SON技术的另一个推动者是下一代移动网络(NGMN)论坛。NGMN于2006年提出SON需求，涵盖网络规划、部署、优化和维护，被3GPP组织接受并应用于自组织网络的标准中[1]。中国对于TD-LTE系统的SON技术研究、标准化工作和产品研发起步较晚，相对落后于FDD-LTE和WiMAX的相关工作。2011年国家科技重大专项组结合电信运营现状，就SON技术完善和实现方案立项，以推动SON技术进步和标准化工作。

1 自组织网络的基本功能
    SON的主要目标是使无线运营商实现无需专业人员就能快速地进行基站部署，并对基站周围网络进行自动重规划配置，对无线参数进行自动优化，同时又能通过标准接口对在网的各种产品进行互操作[2-7]。SON功能架构如图1所示。SON具有自配置、自优化、自治愈三大功能。

    (1)自配置
    自配置过程是指新部署的演进型基站(eNB)通过自动安装程序进行配置，从而获得系统操作所需的必要的基本配置。其主要目标是在eNB中加入“即插即用”模块以减少网络规划、部署、配置过程中的人为参与，以提高网络部署的速度，减少运营支出，同时减少网元管理当中的人为错误。自配置主要包括节点基本配置，如IP地址分配、网络鉴权、软件与配置数据下载，以及初始相关的配置，如邻区列表更新和覆盖参数配置等。为了保证实现自配置功能，需要保证以下前提：

• 提取已有小区网络规划数据，形成一套包括位置、小区标识(ID)、天线参数(高度、极化方向和类型)、发射功率、最大配置容量和初始邻区配置的射频参数。这些信息需要存储在配置服务器上以供调用。
• eNB的传输参数需要提前规划，包括带宽、自动邻区关联、虚拟局域网(VLAN)划分、IP地址等参数。eNB对应的IP地址范围和服务网关地址也需要存储在配置服务器上。
• 更新的软件包需要存储在运营支撑系统(OSS)上。

 
    (2)自优化
    自优化技术是指网络设备在网络运行过程中，自适应地调整自身的无线参数或者相关的资源管理策略，以达到扩大网络覆盖范围、增加系统和边缘容量、抑制干扰、减少能耗、提高切换和随机接入概率、满足用户QoS需求等目的。

    (3)自治愈
    自治愈技术能够快速、自动、准确地检测影响网络性能的故障，并自动恢复或隔离故障设备，以确保用户处于连续、高质量的通信状态。

2 自组织网络功能架构
    对于SON的功能模块，可以集成在网络运营管理(OAM)模块中，也可以集成在eNB中，因此根据具体的算法，SON被分成三大架构：集中式SON、分布式SON和混合式SON。分别如图2、图3、图4所示。

    (1)集中式SON
    在集中式SON架构中，SON的所有功能都位于OAM模块中，处于架构中的高层，很容易完成SON的部署工作。但是由于不同的设备商提供的是不同的OAM模块，所以不可能实现简单快速的优化，因此如何在不同的设备之间实现SON的功能，还需要进5一步研究。比如进一步扩展ItF-N接口，目前该接口主要针对WCDMAR99网络版本制订规范，对R4版本的接口网络资源模型尚在研究中，另外，针对WCDMA HSDPA的网络管理接口规范也有待补充。

    (2)分布式SON
    在分布式SON架构中，SON的所有功能在eNB上实现，位于架构中的较低层。由于需要在每个eNB上部署，给部署工作带来了一定的难度。分布式SON对于复杂的优化方案，尤其需要多个eNB间的协作时，实现起来比较困难。对于单个或2个eNB，分布式SON却能够迅速优化。对于分布式SON，X2接口功能需要进一步扩展。

    (3)混合式SON
    在混合式SON架构中，SON的部分功能在OAM模块上实现，其余的则在eNB上实现。因此，混合式SON可以灵活支持各种优化方案，比如在eNB上实现简单迅速的优化方案，在OAM上则实现复杂的优化方案，同时通过X2接口，混合式SON也可以支持在不同设备间的优化方案。混合式SON需要在部署及接口上花费大量精力。
3种架构各有优缺点。集中式的优点是控制范围较大、互相冲突较小，但是收敛速度较慢、实现算法复杂；分布式与其相反，可以达到更高的效率和速度，且网络的可拓展性较好，但彼此间难以协调；混合式可结合两者的优点，但缺点是其设计变得更加复杂。不同的应用可以采用不同的架构，目前多数应用倾向采用混合式架构。

3 自组织网络中的关键技术
    3GPP定义了一系列LTE网络SON用例和SON功能。最初Release 8版本中SON功能主要集中在新设备的安装方面，Release 9则更多地关注已建的自组织网络。有关SON的关键技术和算法设计等不属于标准协议范畴，需要进一步研究使其更加高效，收敛速度更快。以下重点介绍SON中的几项关键技术。

3.1 参数自配置
    自配置过程是为新部署的eNB通过自动安装过程来获取系统运行基本参数的过程。它工作在网络预运行阶段，eNB上电后便进入了该状态。新基站自安装流程如图5所示。

    自安装流程步骤：
    (1)网络为新eNB分配一个IP地址，并将自配置子系统信息发送给新eNB。

    (2)为新eNB配置网关，然后通过网关与其他节点交换IP数据包。

    (3)新eNB向自配置子系统提供信息以进行鉴权。鉴权通过后，新eNB便可以从自配置自系统处下载必要的软件和配置数据信息。

    (4)根据得到的配置信息，eNB进行系统的自配置。

    (5)新eNB与OAM相连以实现其他管理功能。

    (6)建立S1接口和X2接口。

3.2 自动邻区关联
    自动邻区关联(ANR)的目的是为了让运营商从手工配置邻区的工作中解脱出来，减少繁重的邻区关联工作，减少由于缺乏邻区关联切换失败引起的掉话。LTE标准中，当一个用户从正在通信的eNB覆盖区域移动到另一个eNB覆盖区域时，ANR允许自动发现并建立邻区关联。邻区关系列表自配置过程如图6所示。

    邻区关系列表自配置流程如下：
(1)用户终端(UE)根据系统的测量策略对周围基站信号的强度进行测量和上报。
(2)UE向服务小区发送测量报告，通过不同的物理ID来区分不同的E-UTRAN小区。
(3)eNB接收到报告并指令UE向新小区获取Global CID。
(4)对于检测到的小区，UE通过读取其广播控制信道(BCCH)来获得该小区Global CID。
(5)UE向服务小区报告检测到小区的Global CID。
(6)服务eNB对相邻小区列表进行更新。
(7)服务eNB向OMA发送更新小区列表，并从OMA获取新检测到小区的IP地址。
(8)如果需要，服务eNB将与目标eNB建立一个新的X2接口以方便进行通信。

3.3 容量和覆盖优化
    容量和覆盖优化(CCO)功能实体拥有自适应地调整参数来提高系统容量和网络覆盖的能力。当蜂窝边缘用户参考信号的接收功率(RSRP)高于保证实现覆盖所需的功率值门限时，网内小区为移动台提供了过多的有效覆盖或者非邻小区均为移动台提供了有效覆盖，产生过度覆盖，造成相邻小区交叠区域的干扰严重，出现无主导小区、主导小区信噪比过低等问题；当RSRP低于上述门限时，网内小区无法为移动台提供有效覆盖，产生无主导小区、覆盖有间隙、弱覆盖等问题，甚至会导致覆盖盲区的出现。无论用户是空闲模式还是激活模式，都应该保证用户处于网络的覆盖范围内。然而，容量和覆盖是一对折衷的问题。过大的覆盖范围导致接入移动台过多，移动台由于资源受限而得不到服务质量(QoS)保障，还可能对邻区造成干扰；过小的覆盖范围使小区边缘用户掉话率和切换失败率较高，小区资源得不到有效利用。进行容量和覆盖优化的功能实体能兼顾二者的性能。SON的容量和覆盖优化的流程如图7所示。

    容量和覆盖问题检测主要是检测覆盖空洞和辨别系统是否容量受限。覆盖空洞可以通过对移动台的掉话率、小区搜索/重选失败率、无线链路失败(RLF)、切换失败率等统计，另外可以凭借全球定位系统(GPS)等定位技术得到覆盖空洞的位置信息；网络获取移动台的PHR，当移动台的实际速率远大于需求速率或者移动台的PHR过于高时，可以认为小区处于容量受限。调整决策取决于不同的优化算法。调整决策的执行可通过两类参数的调整达到目的，其一是无线参数，如发射功率、小区重选优先级、小区单独偏置(CIO)参数等[8]；其二是机械和物理参数，如天线下倾角和天线方位角等。

3.4 移动健壮性优化
    移动健壮性优化(MRO)通过动态地改进网络切换参数以调整切换边界，以保证用户体验[9-10]。而且它同时与其他SON功能如邻区关联和负载均衡进行交互，可以实现网络资源的有效利用。

    3GPP协议控制切换过程如图8所示。当处于相邻小区交叠区域的移动台接收到服务小区的RSRP小于服务小区设定的门限值时，移动台启动测量并将测量结果与服务小区的RSRP进行比较。移动台接收到相邻小区的RSRP持续超过服务小区值切换滞后差值，并且持续一段时间后，则会触发切换事件。完成切换移动台还需要经历一段X2接口的传输时延。如在切换完成之前发生RLF则会导致切换失败。衡量切换性能主要有3个参数：切换失败率、掉话率和切换乒乓率。为保证无缝连接，降低切换中断时间和数据损失，移动健壮性优化通常需要根据移动台上报的测量信息为小区基站优化切换参数，以避免过早/过晚切换、不必要切换、切换到错误目标小区等。

    此外在异构网络中，高速移动台在经过覆盖面积较小的低功率节点(LPN)时需要频繁进行切换，浪费了系统资源，所以应避免高速用户接入LPN。另一方面，一般LPN接入用户数目较少，接入用户可以分配到更多的无线资源，可以将低速用户优先接入LPN以有效利用频率资源。对此，可以考虑根据不同的节点类型和用户的移动速度调整切换参数，以避免不必要的切换和资源的有效利用。

4 结束语
    未来网络为了满足用户不断增长的业务需求，在组网方式、空中接口、网络功能、资源管理及配置方式、业务提供等方面呈现多样性的特点。同时也使得网络部署和运行维护变得复杂、效率低下、成本巨大。例如：对于运营商而言，通常基本建设费用为17％，在系统工程安装、维护、管理、能耗等方面的维护费用却达到24％。自组织网络技术能够使得无线网络自主地实现部分部署和运行维护的功能，减少人工参与，降低成本，提高用户体验。本文介绍了自组织网络的一些关键技术，以期推进自组织网络技术走向成熟。目前业界和学术界对SON关键技术的研究仍处于初级阶段，针对IMT-Advanced系统复杂的网络环境，需要提出更有效和切实可行的自组织方案。随着未来移动通信的不断发展，自组织网络将得到进一步的研究与应用。

5 参考文献
[1] NGMN Recommendation on SON and O&M Requirements [S]. 2008.
[2] 陈鸥. LTE自组织管理网络(SON)[J]. 信息与电脑, 2009(9):41-42.
[3] FENG Sujuan, SEIDEL E. Self-Organizing Networks(SON) in 3GPP long term evolution [R]. Munich, Germany: Nomor Research GmbH, 2009.
[4] 3GPP TR36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 [S]. 2010.
[5] 3GPP TS32.500. Telecommunication management; Self-Organizing Networks (SON); Concepts and requirements [S]. 2010.
[6] 3GPP TS36.902. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Self-configuring and Self-Optimizing Network(SON) use cases and solutions [S]. 2010.
[7] 3GPP TS32.821. Telecommunication management; Study of Self-Organizing Networks (SON) related operation, administration and maintenance(OAM) for home nodeB(HNB) [S].2010.
[8] WU Ruixiao, WEN Zhigang, FAN Chunxiao, et al. Self-optimization of antenna configuration in LTE-advance networks for every saving [C]//Proceedings of the 3rd IEEE International Conference on Broadband Network and Multimedia Technology (IC-BNMT’10), Oct 26-28, 2010, Bejing, China. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2010,529-534.
[9] LEE Yejee, SHIN Bongjhin, LIM Jaechan, et al. Effects of time-to-trigger parameter on handover performance in SON-based LTE systems [C]//Proceedings of the 16th Asia-Pacific Conference on Communications (APCC’10), 31 Oct 31-Nov 3, 2010, Auckland, New Zealand. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2010:492-496.
[10] WEI Zhenzhen. Mobility robustness optimization based on UE mobility for LTE system [C]//Proceedings of the 2010 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing(WCSP’10), Oct 21-23, 2010, Suzhou, China. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2010:5p.

收稿日期：2011-07-15

[摘要] 自组织网络(SON)技术旨在实现网络的自配置、自优化和自治愈，从而帮助运营商降低建设和运营维护成本(OPEX)。文章基于IMT-Advanced系统中自组织网络技术的架构和主要功能，阐述参数自配置、自动邻区关联、容量和覆盖最优化以及移动健壮性优化等自组织网络关键技术的特征和研究方向。

[关键词] 自组织网络；自配置；自优化；自治愈

[Abstract] Self-optimizing network (SON) technology is designed for self-configuration, self-optimization, and self-healing in wireless networks. SON helps operators reduce OPEX. This paper discusses the framework and functions of SON in IMT-Advanced. It introduces characteristics of and further research directions in parameter self-configuration, automatic neighbor relation (ANR), capacity and coverage optimization (CCO), and mobility robust optimization (MRO).

[Keywords] self-organization networks; self-configuration; self-optimization; self-healing