LTE基站系統(tǒng)的自動軟件加載技術研究

朱曉光

（中興通訊股份有限公司 深圳 518057）

1 前言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)服務的快速發(fā)展，移動通信技術不斷演進，從基于電路域的2G技術演進到基于電路域和分組域的3G技術，再到當前完全基于分組域的移動寬帶LTE技術，以滿足用戶日益增長的移動互聯(lián)網(wǎng)服務需求。從提高用戶體驗的角度來看，一方面移動通信空口帶寬從窄帶向寬帶的演進提升了無線傳輸速率；另一方面簡化移動網(wǎng)絡架構降低了系統(tǒng)時延，提高了響應速度。因此到了LTE階段，除了無線空口寬帶化外，網(wǎng)絡采用基于全IP的扁平化架構，如圖1所示。LTE網(wǎng)元由演進基站（eNode B）、移動管理實體（MME）和服務網(wǎng)關（SGW）組成。其中MME負責移動性管理、非接入層信令的處理、用戶的移動管理、上下文的管理等控制面相關工作；SGW負責UE用戶面數(shù)據(jù)的傳送、轉發(fā)和路由切換等；eNode B之間通過X2接口互相連接，用于支持UE在整個網(wǎng)絡內(nèi)的移動性，保證移動用戶的無縫切換；每個eNode B通過S1接口連接到核心網(wǎng)，即通過控制面S1-MME接口與MME相連，通過用戶面S1-U接口與SGW相連，S1接口支持eNode B與MME和SGW之間的多點連接，即S1-flex。與2G和3G網(wǎng)絡架構相比，LTE網(wǎng)絡中沒有基站控制器或無線網(wǎng)控制器這類基站匯聚網(wǎng)元，但是基站之間卻多了X2接口，該接口既支持控制面也支持用戶面協(xié)議，滿足了基站之間協(xié)商和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖1 LTE網(wǎng)絡架構

移動通信技術發(fā)展到LTE階段，引入了自組織網(wǎng)絡（self-organizing network，SON）技術，主要是無線接入實現(xiàn)寬帶化，但是持續(xù)走低的資費，使移動運營商面臨越來越大的成本挑戰(zhàn)，進而越來越重視如何降低OPEX。如果還采用傳統(tǒng)的人工參與網(wǎng)絡運維，如安裝、配置、網(wǎng)絡優(yōu)化等，其工作量會極大、人工成本會極高，為此一些主流國際運營商在NGMN提出了SON的需求，并通過3GPP逐步實現(xiàn)標準化。SON技術可以提供自動安裝、配置、優(yōu)化、維護等功能，減少人工參與，使日常運維工作更加合理。SON的目標是降低OPEX，其特征是自主、自適應、自動化和智能化，盡可能減少人工參與，其功能包括自配置、自優(yōu)化、自愈和網(wǎng)管SON。

移動通信基站系統(tǒng)的軟件加載（包括軟件升級）是移動網(wǎng)絡運維過程中必不可少的動作，無論是2G、3G還是LTE，都需要軟件版本升級更新。SON要求基站系統(tǒng)的軟件版本加載在不影響當前業(yè)務的情況下實現(xiàn)自動化和高效率，但在2G和3G基站系統(tǒng)中，其O&M系統(tǒng)都采用人工參與方式配置和維護，不但維護成本高，而且加載效率也極其低下，本文針對LTE基站系統(tǒng)軟件加載提出了自動化和高效率的加載方案，在不影響網(wǎng)絡性能和服務的前提下，減少人工干預，降低運維成本。

2 LTE基站系統(tǒng)軟件加載的SON架構

圖2 LTE基站系統(tǒng)的自動軟件加載SON架構

圖3 集中式架構串行版本加載

LTE基站系統(tǒng)的軟件自動加載SON架構可以有兩種，包括集中式和混合式，如圖2所示。在集中式架構中，軟件加載功能集中在O&M，由O&M負責逐一為基站加載軟件，即串行加載方式，在傳統(tǒng)的2G和3G基站系統(tǒng)中就使用此種軟件加載方案，當然LTE基站系統(tǒng)也可以采用這種方案，如圖3所示，O&M的版本管理逐一向各基站加載版本，配置管理逐一向各基站加載其配置數(shù)據(jù)。集中式架構的缺點是在整個網(wǎng)絡中，尤其是基站較多的情況下，受版本服務器傳輸帶寬的影響，雖然可以實現(xiàn)批量基站軟件加載，但加載的時間長，而且如果加載過程中軟件版本服務器或設備的傳輸鏈路發(fā)生故障，就會導致軟件加載不能繼續(xù)維持。在混合式架構中，軟件加載功能分布在O&M和各基站上，兩種網(wǎng)元都能實施軟件加載功能，即O&M給基站加載軟件，已加載版本基站也可以給相鄰未加載版本基站加載軟件，多個網(wǎng)元參與軟件加載，這是一種并行軟件加載方式，在高效率的軟件加載的同時，基站的軟件加載也不再集中受控于O&M。

到了LTE階段，由于網(wǎng)絡架構的扁平化，且基站之間有X2接口，因此可以通過X2接口實現(xiàn)基站之間的軟件加載。已加載軟件的基站可以把這種加載方式認為是軟件版本的代理服務器，向相鄰未加載軟件的基站實施軟件加載。如圖4所示的基于混合架構的并行軟件加載，不同標號的線表示不同的軟件加載時間窗，在第1個時間窗內(nèi)，通過O&M向eNode B1加載軟件；在第2個時間窗內(nèi)，O&M向eNode B2加載軟件，同時eNode B1向eNode B4加載軟件；在第3個時間窗內(nèi)，O&M向eNode B7加載軟件，同時eNode B1向eNode B3加載軟件，eNode B4向eNode B5加載軟件，如此這樣每次以基站翻番的數(shù)量加載，最理想的加載數(shù)量為2N-1，其中N表示加載時間窗的數(shù)量。

圖4 基于分布式架構的并行自動軟件加載

將兩種軟件加載SON架構的效率對比一下，假定每個基站軟件加載的時間是T，無論是O&M還是基站，每個時間窗只加載一個基站，如果有127個待加載版本基站，則集中式架構加載的總時間是127T，而分布式架構加載的理想總時間為7T（27-1=127），7T遠遠小于127T，因此分布式架構效率遠高于集中式架構，而待加載軟件基站數(shù)量越多，效果越明顯。

3 基于X2的并行軟件加載控制流程

基于混合式架構的LTE基站軟件加載，除了采用O&M版本管理服務器向eNode B加載軟件外，還同時采用eNode B之間的X2接口實現(xiàn)eNode B軟件的并行自動加載；進一步地說，就是基于eNode B相鄰關系信息，eNode B通過X2接口向相鄰eNode B實施軟件加載，因此整個LTE網(wǎng)絡的基站軟件加載由O&M和eNode B共同完成，以eNode B為主。基于X2的并行自動軟件加載流程如圖5所示。

其具體實施步驟如下所述。

圖5 基于X2的并行軟件加載控制流程

（1）在O&M版本管理服務器側，需要根據(jù)需求進行版本加載規(guī)劃，涉及規(guī)劃待加載的eNode B由O&M或具體的相鄰eNode B負責加載、eNode B向該相鄰eNode B加載，即版本加載次序和前后關系，O&M向對應的eNode B發(fā)送軟件加載信息。

（2）O&M根據(jù)規(guī)劃的加載次序向對應的eNode B1發(fā)送軟件加載指示信息，eNode B1向O&M的版本服務器發(fā)送軟件加載請求消息，O&M在回應版本加載應答消息后，向eNode B1發(fā)送軟件版本，加載完成后，eNode B1向O&M發(fā)送加載完畢的消息，O&M收到該消息后則向eNode B1發(fā)送其配置文件。

（3）eNode B1軟件加載完畢后，根據(jù)軟件加載信息通過X2接口向相鄰eNode B2發(fā)送軟件加載指示信息，eNode B2向eNode B1發(fā)送版本加載請求消息，eNode B1回應版本應答消息后，通過X2接口向eNode B2加載軟件版本，加載完成后，eNode B2則分別向eNode B1和O&M發(fā)送加載完畢消息，O&M收到該消息后則向eNode B2發(fā)送其配置文件。

（4）根據(jù)版本加載規(guī)劃，多個已加載版本的基站與未加載版本相鄰基站并行重復執(zhí)行步驟 （3），當然步驟（2）（通過O&M對未加載基站加載版本）與步驟（3）可以并行加載，提高版本加載效率。

（5）O&M匯總軟件加載完畢的基站信息，并與規(guī)劃的待加載eNode B核對，如果有遺漏的eNode B沒有加載，一方面可以通過步驟（2）完成，直至加載完畢；另一方面修訂版本加載規(guī)劃，避免下次出現(xiàn)遺漏等異常加載情況。

自動軟件版本加載過程中，出現(xiàn)鏈路或設備異常導致加載失敗時，基站系統(tǒng)及時輸出告警通知信息，避免遺漏。

4 基于X2的軟件自動加載規(guī)劃

基于X2的軟件自動加載，如果不規(guī)劃軟件加載關系，容易發(fā)生“乒乓”效應，即已加載完畢的eNode B可能收到來自相鄰eNode B的再加載指示或加載確認，容易導致整個網(wǎng)絡基站的加載處于無序狀態(tài)，這種重復加載和確認反而使加載效率降低。為了使整個網(wǎng)絡中基站軟件的加載有序、有效和高效，需要根據(jù)基站之間的關系進行規(guī)劃。

基于X2的軟件自動加載技術依賴于LTE相鄰基站之間的X2接口，但在實際網(wǎng)絡覆蓋規(guī)劃中，因基站的位置關系，并不是每個基站與其他任意一個基站都有X2接口，只有相鄰且保持移動性關系的基站才有X2接口，因此軟件加載要根據(jù)配置管理鄰區(qū)（基站）關系，再根據(jù)版本加載策略，輸出版本加載規(guī)劃，如圖6所示。版本加載規(guī)劃決定了每個未加載軟件基站的版本數(shù)據(jù)來源，可以是O&M或相鄰基站，也決定了每個已加載軟件基站具體向那個相鄰未加載基站加載版本，即上下游關系，是O&M向基站、基站向相鄰基站軟件并行加載，同時保證有次序，這樣才能提高網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件加載效率。自動加載規(guī)劃也要充分考慮加載過程中的異常情況，如基站給相鄰未加載軟件基站加載軟件過程中出現(xiàn)加載失敗時，需要及時處理，例如通過O&M直接對其進行加載。

圖6 基于X2的并行軟件加載規(guī)劃

軟件加載策略的主要目的是為版本加載規(guī)劃提供高效率軟件加載的方法。如圖7所示為一種基于地理位置關系的軟件加載策略，主要針對O&M先對eNode B加載的次序，該策略是O&M首先向LTE網(wǎng)絡中間的eNode B和網(wǎng)絡周邊的eNode B加載軟件，之后這些已加載軟件的eNode B通過X2接口向相鄰eNode B加載軟件，因此周邊的eNode B加載軟件向內(nèi)收斂，而中間的eNode B向外擴展，這種并行加載策略充分利用了基站在網(wǎng)絡中的地理位置關系，實現(xiàn)高效加載。當然實際網(wǎng)絡中，根據(jù)基站的部署和網(wǎng)絡覆蓋的形狀差異，采取的具體策略也不同。而對于一些可能的特例，如“孤島”覆蓋方式的基站，根本就沒有X2接口，這種情況也只能通過O&M直接實施軟件加載。

圖7 一種基于地理位置關系的軟件加載規(guī)劃策略

5 結束語

軟件加載是移動通信基站商用運營中必不可少的運維活動，高效自動軟件加載是網(wǎng)絡運維追求的目標，LTE的全IP扁平網(wǎng)絡架構，提供了一種高效軟件加載技術，即基于基站間X2接口實現(xiàn)基站加載的方法，這種基于鄰區(qū)關系，通過X2接口實現(xiàn)eNode B之間并行自動軟件加載的方法，除了提高加載效率外，還降低對O&M版本服務器的依賴，在無縫覆蓋網(wǎng)絡中，只要網(wǎng)絡中一個eNode B加載了軟件，即使eNode B與O&M版本服務器的物理鏈路出現(xiàn)故障，也能完成其他eNode B的軟件加載。當然，網(wǎng)絡中待軟件加載的eNode B數(shù)量越多，軟件加載效率越明顯；如果軟件加載次序規(guī)劃合理，使更多基站執(zhí)行并行軟件加載，則加載效率將更高。

1 3GPP TS 36.300.E-UTRA and E-UTRAN,Overall Description,2010

2 謝大雄,朱曉光,江華.移動寬帶技術——LTE.北京:人民郵電出版社,2012

3 NGMN Recommendation on SON and O&M Requirements

4 陳歐.LTE自組織管理網(wǎng)絡（SON）.信息與電腦,2009(9):41～42

5 趙紹剛,李岳夢.3GPP LTE的運維新策略——自組織網(wǎng)絡.電信快報,2009(6):3～6

6 3GPP TS 32.500.Telecommunication Management;Self-organizing Networks(SON);Concepts and Requirements,2008