自組織網(wǎng)絡中的自優(yōu)化技術與方法

摘要：文章介紹了移動通信網(wǎng)絡的自組織網(wǎng)絡（SON）技術；該技術使得網(wǎng)絡設備可以自主部署、優(yōu)化以及操作，從而能夠降低網(wǎng)絡運營開銷、同時提升用戶感知。文章重點討論自優(yōu)化方案，包括移動負載均衡方案、移動魯棒性優(yōu)化方案、隨機接入信道（RACH）優(yōu)化方案、節(jié)能優(yōu)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(jié)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(yōu)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(wǎng)絡

1.1 背景

未來的通信網(wǎng)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(yè)務?？梢灶A期未來的通信系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度將越來越大。為了滿足不同用戶和不同業(yè)務的需要，多種網(wǎng)絡制式并存和設備有多家供應商提供的情況會對網(wǎng)絡維護方案提出新的需求。當前網(wǎng)絡維護所面臨的主要挑戰(zhàn)有：

（1）現(xiàn)有網(wǎng)絡維護手段很難滿足網(wǎng)絡發(fā)展的需求?，F(xiàn)有的移動網(wǎng)絡維護內容和優(yōu)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(tǒng)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(yè)務重點的轉移對網(wǎng)絡維護提出了更高的要求。無線網(wǎng)絡上承載的業(yè)務不斷推新。豐富的語音、數(shù)據(jù)、視頻等綜合業(yè)務正蓬勃發(fā)展，運營商維護的重點逐漸由“打造精品網(wǎng)絡”向著“信息提供商轉移”，后者要求網(wǎng)絡維護的內容和手段有新的變化。尤其是進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代后，業(yè)務量的增加幾乎以翻番指數(shù)級別增長，業(yè)務的種類和需求更加復雜，傳統(tǒng)的業(yè)務假設出現(xiàn)偏差。

（3）多種接入網(wǎng)絡并存的移動網(wǎng)絡發(fā)展趨勢引發(fā)網(wǎng)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(wǎng)絡，也有數(shù)量眾多的TD-SCDMA網(wǎng)絡，并即將部署LTE等網(wǎng)絡。

為了應對這些挑戰(zhàn)，未來的網(wǎng)絡運營應該充分利用網(wǎng)元設備自身的處理能力，盡量提高網(wǎng)絡設備自身的自動化與智能化水平，將現(xiàn)有移動網(wǎng)絡中網(wǎng)絡維護經(jīng)驗和工具集成于統(tǒng)一的設備平臺中，充分發(fā)揮網(wǎng)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(wǎng)絡運營的工作量和成本。

移動通信中的自組織網(wǎng)絡是指自身能夠探測周圍環(huán)境信息并能夠由此做出自主決策，并擁有自配置和自優(yōu)化功能的通信網(wǎng)絡，同時能夠有效應對網(wǎng)絡異常，它是解決未來網(wǎng)絡維護工作，提高網(wǎng)絡服務質量并大幅降低網(wǎng)絡維護成本的一條有效途徑。目前自組織網(wǎng)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(wǎng)絡（SON）功能分為：自配置、自優(yōu)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(tài)可插拔基站（eNB）的能力，基站可以自主配置其小區(qū)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(tài)配置、PCID自動配置和自動鄰區(qū)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(xiàn)

（2）自優(yōu)化

顧名思義，指的是設備較為自主的完成常規(guī)的優(yōu)化功能。包括自主的優(yōu)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(yōu)化（MRO）、節(jié)能（ES）功能和隨機接入信道（RACH）優(yōu)化等方案，目前大部分已在LTE Rel-9完成，后續(xù)正在進行增強版本的討論。

（3）自治愈

自治愈即網(wǎng)絡自主發(fā)現(xiàn)和處理故障的功能，目前大部分故障自動發(fā)現(xiàn)與修復和自動參數(shù)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(yōu)化（CCO）和最小化路測（MDT）。

2 自優(yōu)化案例和方案

2.1 移動負載均衡

移動業(yè)務具有時間以及空間的不均衡性特征?？臻g的不均衡性表現(xiàn)在相同時間不同小區(qū)之間的負載差異可能較大，導致部分小區(qū)資源緊張引發(fā)過載阻塞，而另一部分小區(qū)的資源過于空閑、資源利用率低下，難以實現(xiàn)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(yè)務的空間不均衡特征將進一步加劇，給傳統(tǒng)靜態(tài)的小區(qū)選擇以及靜態(tài)的切換參數(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。移動負載均衡的主要目標就是平衡移動業(yè)務的空間不均衡性。通過優(yōu)化蜂窩網(wǎng)絡的移動性參數(shù)以及切換行為，將過載小區(qū)的業(yè)務量分流到相對空閑的小區(qū)，平衡不同小區(qū)之間業(yè)務量的差異性，提升系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)的調整3個功能模塊。

（1）負載報告

負載報告發(fā)起負載均衡的源小區(qū)和目標小區(qū)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(wǎng)絡層（TNL）負載指示、可用于負載均衡的容量百分比以及小區(qū)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(qū)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(fā)起負載均衡的小區(qū)向目標小區(qū)發(fā)起切換流程，目標小區(qū)對從源小區(qū)切換過來的UE執(zhí)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(qū)重選的參數(shù)配置

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

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

2.2 移動魯棒性優(yōu)化

當前的2G/3G系統(tǒng)中手動設置切換參數(shù)是一個十分費時的工作，不正確的切換參數(shù)設置會負面影響用戶體驗，例如會產(chǎn)生乒乓效應、切換失敗和無線鏈路失敗等。移動魯棒性優(yōu)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(shù)，提高網(wǎng)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(qū)引起的無線鏈路失敗（RLF）。

（1）過晚切換方案

該場景中，源小區(qū)的切換過程啟動得過晚，當服務小區(qū)發(fā)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(qū)上發(fā)出連接重建消息，該消息帶有源小區(qū)的PCID和小區(qū)無線接入網(wǎng)絡臨時標識（C-RNTI）等信息。目標小區(qū)將該事件通知源小區(qū)（通過RLF指示消息[4]），從而使源小區(qū)調整對應的參數(shù)。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(qū)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(qū)的無線質量不好，連接會中斷。此時UE會在源小區(qū)啟動連接重建消息，該消息攜帶目標小區(qū)的PCID和目標小區(qū)的RNTI等信息。源小區(qū)會向目標小區(qū)發(fā)送RLF指示消息，目標小區(qū)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(qū)發(fā)送的切換引起。因此目標小區(qū)會發(fā)送一個切換報告消息，告知源小區(qū)此切換為過早切換，源小區(qū)據(jù)此調整切換參數(shù)。過早切換場景如圖3所示。

2.3 RACH優(yōu)化

空閑狀態(tài)下的UE接入網(wǎng)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(shù)據(jù)重傳等，從來影響接入和切換成功率。同時，RACH資源的規(guī)劃還會影響系統(tǒng)的總容量以及UE接入時產(chǎn)生的上行干擾。總之，RACH參數(shù)的優(yōu)化是成功部署網(wǎng)絡的重要因素。

影響RACH 參數(shù)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(yōu)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(shù)取值。RACH信道優(yōu)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(yōu)化功能將會自動設置與RACH性能相關的幾個參數(shù)，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(shù)值、PRACH傳輸功率控制參數(shù)等[5]。

2.4 節(jié)能優(yōu)化

網(wǎng)絡能耗在運營商運營支出占據(jù)重要比例，且隨設備數(shù)量的增加而增長迅速。因此，提高運營商網(wǎng)絡資源利用率、降低運營商網(wǎng)絡能耗具有重要意義。目前，除了常規(guī)的提高功放效率和硬件效率外，節(jié)能優(yōu)化方案的主要思路是當業(yè)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(wǎng)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(qū)開啟/關斷方案包括基于OAM（網(wǎng)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(wǎng)絡操作、管理、維護）的方案?；A覆蓋小區(qū)根據(jù)OAM的信息配置容量增強小區(qū)的低負載周期，容量增強小區(qū)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(qū)的負載超過一定閾值的時候，會通知部分容量增強小區(qū)進行IOT的測量。基礎覆蓋小區(qū)根據(jù)反饋的測量結果判斷哪些容量增強小區(qū)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(qū)有3種狀態(tài)：休眠狀態(tài)（此時停止射頻發(fā)射）、探測狀態(tài)（此時小基站發(fā)射參考信號）和激活狀態(tài)。方案工作流程是：

·當基礎覆蓋小區(qū)業(yè)務量超過某個門限時啟動層疊的容量增強小區(qū)進入探測狀態(tài)。

·容量增強小區(qū)進入探測態(tài)，下行發(fā)送參考信號。

·基礎覆蓋小區(qū)向UE發(fā)送測量請求命令（根據(jù)UE的能力和容量增強小區(qū)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(qū)根據(jù)UE測量的情況確定需開啟的容量增強小區(qū)。

另外，除了小區(qū)關斷方案外，小區(qū)內的主要節(jié)能方案有調整多播廣播單頻網(wǎng)（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(xù)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(jīng)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(jīng)實現(xiàn)。目前SON的基本方案已經(jīng)較為成熟，但是隨著需求的深入分析和更多新問題的出現(xiàn)，未來SON研究將會繼續(xù)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(qū)業(yè)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(wǎng)絡的需要，2G/3G網(wǎng)絡也需要在一定程度上支持SON的功能，甚至對已有的網(wǎng)絡功能版本進行升級，兼容SON功能。

（3）節(jié)能方案的更新

由于可持續(xù)發(fā)展及綠色行動等節(jié)能減排項目的推進，節(jié)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(jié)能還有很大的空間。如何能夠采用更節(jié)能的技術和材料，將會是持續(xù)不斷的研究話題。

總之，SON有望成為運營商提高網(wǎng)絡質量的利器，相信SON最終將會成為網(wǎng)絡中必不可少的“基礎設施”，為網(wǎng)絡維護和網(wǎng)絡優(yōu)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(yè)；現(xiàn)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(tǒng)及其相關技術；已參與基金項目3項；發(fā)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(yè)；中國移動通信研究院項目經(jīng)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(jié)能技術；已發(fā)表論文5篇（全部被SCI/EI檢索）、申請專利5項。