5G 自組網(wǎng)（SON）技術需求和架構的研究

［許明元］

5G 自組網(wǎng)（SON）技術需求和架構的研究

［許明元］

摘要3GPP R8和R9為LTE提出了一種新運維策略——自組織網(wǎng)絡（SO N），并在R10、R11和R12版本中對SON技術進行了優(yōu)化和擴展，目前LTE系統(tǒng)已在全球大規(guī)模商用，并已實現(xiàn)了部分SON功能。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務爆發(fā)式增長，面向2020年及未來的第五代移動通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點，預計2016年將啟動國際標準制定工作，文章主要針對5G系統(tǒng)SON的需求發(fā)展及可能采用的架構進行了探討和研究。

關鍵詞：5G SON V-SON SDN NFV

許明元

北京郵電大學學士，從事移動通信設備研發(fā)、測試和技術支持等工作，熟悉3G UMTS、4G LTE無線網(wǎng)及核心網(wǎng)技術，具有有豐富的移動通信工作經(jīng)驗。

1　引言

LTE系統(tǒng)已在全球大規(guī)模商用，自組織網(wǎng)絡(SON，Self-Organizing Networks)技術的實現(xiàn)和利用，使LTE運營商提高了網(wǎng)絡的整體性能和操作效率．明顯降低了OPEX，提升了LTE的競爭優(yōu)勢。隨著4G進入規(guī)模商用階段，面向2020年及未來的第五代移動通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點。在全球業(yè)界的共同努力下，預計2016年將啟動國際標準制定工作，5G作為一種創(chuàng)新的通信技術，SON作為LTE系統(tǒng)一種新的運維策略，需適應5G系統(tǒng)的特點，SON技術必將進行優(yōu)化和發(fā)展。

2　SON技術概述

2.1SON的主要功能

SON，自組織網(wǎng)絡，是伴隨LTE發(fā)展而引出的一套完整的網(wǎng)絡理念和規(guī)范。其目的是為了減少LTE網(wǎng)絡引入帶來的網(wǎng)絡建設成本和運維成本的增加，目前涉及范圍已擴展到整個無線網(wǎng)絡。

SON作為一種完整的網(wǎng)絡理念，其功能主要可以歸為以下幾類：自配置（Self-Configuration），自優(yōu)化(Self-Optimization)，自愈(Self-healing)。

（1）自配置：目標是基站自動建立和即插即用，主要包括以下功能：基站數(shù)據(jù)準備和自動檢測,地址分配和OAM通道自動建立，自動鄰區(qū)關系配置，軟件版本自安裝和更新，自鄰區(qū)關系規(guī)劃，自資產(chǎn)管理，無線參數(shù)配置，傳輸參數(shù)配置，NRM IRP更新等。

（2）自優(yōu)化：目標是對網(wǎng)絡參數(shù)自動進行相關優(yōu)化，以使網(wǎng)絡性能和質量達到最佳，自優(yōu)化主要包括以下功能：切換優(yōu)化,PCI自檢和重配,健壯性優(yōu)化,負載均衡優(yōu)化,RACH優(yōu)化,自鄰區(qū)關系調整,小區(qū)間干擾協(xié)調（ICIC），QOS相關參數(shù)優(yōu)化,家庭基站優(yōu)化等。

（3）自愈：目標是進行系統(tǒng)告警和性能的檢測，自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡問題，并自檢測定位，部分或者全部消除故障。主要包括以下功能：故障信息相關性處理，小區(qū)/服務的故障檢測，小區(qū)/服務故障的補償，故障模塊影響的緩解，故障小區(qū)檢測和補償，故障自跟蹤檢測等。

從以上功能可以看出SON涉及到網(wǎng)絡部署的各個方面，它綜合了傳統(tǒng)運維手段并將其智能化，也引入了很多新技術、新應用模式和場景，將會全方位地推進LTE的發(fā)展和商用。

2.2LTE SON 技術架構

根據(jù)自優(yōu)化算法在網(wǎng)絡結構中的位置不同。SON分為三類：集中式C-SON、分布式D-SON、混合式HS O N，如圖1。

圖1　SON 網(wǎng)絡架構

目前大多數(shù)采用的是H-SON架構，網(wǎng)管系統(tǒng)和eNodeB上SON實體協(xié)作完成集中式SON的功能。

3　5G對SON的需求

未來10年通信技術的發(fā)展包括更多地使用云計算技術，隨著家庭/汽車智能化以及豐富多彩的多媒體應用的增長，推動通信系統(tǒng)向高速度，低時延，大容量發(fā)展，5G向著具有更寬的頻帶、更高的頻譜效率、更高級別的小區(qū)復用，更優(yōu)化的無線資源管理策略三維發(fā)展。

5G技術創(chuàng)新主要來源于無線技術和網(wǎng)絡技術兩方面。在無線技術領域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術已成為業(yè)界關注的焦點；在網(wǎng)絡技術領域，基于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）的新型網(wǎng)絡架構已取得廣泛共識。此外，基于濾波的正交頻分復用（F-OFDM）、濾波器組多載波（FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通（D2D）、多元低密度奇偶檢驗（Q-ary LDPC）碼、網(wǎng)絡編碼、極化碼等也被認為是5G重要的潛在無線關鍵技術。

從整體的角度，5G系統(tǒng)需要無線系統(tǒng)與回傳系統(tǒng)、相關聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和應用服務器配合。

5G對SON需求如表1。

5G系統(tǒng)中，SON技術不再是可選技術（如LTE）而是強制技術，綁定的軟件功能模塊能動態(tài)地感知、評估和調整網(wǎng)絡，給用戶提供平滑和無邊界的使用感知。

為達到這些，5G系統(tǒng)中SON技術需在LTE的基礎上，增加功能以適應5G 無線系統(tǒng)的新特性，尤其在SON的架構方面，由于5G系統(tǒng)采用小小區(qū)（Small-Cell），可能存在多種服務不同制式的小區(qū)（2/3/4G LTE、5G、WIFI、mmWAVE），為滿足用戶平滑無縫的業(yè)務體驗，需要更高級別和復雜度的SON 架構，以便進行這些小區(qū)數(shù)據(jù)的交互和處理，使小小區(qū)有效地配合。

把一族小小區(qū)看著一個虛擬宏小區(qū)（Virtual Macro）,每個小小區(qū)運行SON實例程序，這樣小小區(qū)間的切換由虛擬SON系統(tǒng)集中管理和控制，如圖2。

圖2　5G 虛擬宏小區(qū)

在Virtual Macro 里，小小區(qū)間協(xié)作，可以實現(xiàn)不同RAT制式小區(qū)負載平衡，小小區(qū)間交互容量和覆蓋信息可以控制移動業(yè)務流量和節(jié)省能源。通過調整小小區(qū)用戶使用的頻段，可以有效控制小小區(qū)間的干擾。

在回傳網(wǎng)管理方面，考慮到小小區(qū)族能檢測用戶產(chǎn)生的流量，不同于傳統(tǒng)的為每個BS的回傳路由器配置IP地址，通過族間SON功能，每個BS配置一個基于負載（load－dependent）的路由器，通過檢測每個族出口點的總流量和PM狀態(tài)信息，具備V-SON功能的BS與路由器通信（路由器控制基于NFV平臺），當一個族的出口點出現(xiàn)擁塞，可以控制路由器動態(tài)調整帶寬以解決擁塞問題。

結合5G系統(tǒng)的特點和對SON功能的要求，5G SON架構要求如表2。

4　面向5G的新的SON架構

結合5G SDN和NFV技術的使用，5G SON未來可能采用虛擬混合SON架構（Virtualization of the Hybrid SON),使虛擬SON（V-SON）更加開放、靈活、具有更高的擴展性。

傳統(tǒng)的SON系統(tǒng)，采用D-SON和C-SON混合的H-SON結構，5G在其基礎上進行演進，采用V-S ON（Virt u a l SON）架構，D-SON算法仍然部署在本地小區(qū)以實現(xiàn)BS間的通信，而V-SON運行于虛擬機（VM）上，它配置于BS或BS側的路由器里。

V-SON 數(shù)據(jù)實體能對移動臺、基站和云上下文（Cloud-context）數(shù)據(jù)進行檢索、管理和自動優(yōu)化，這些數(shù)據(jù)包括通常的CM/PM數(shù)據(jù)，但是V-SON能分離基于值的匯總數(shù)據(jù)（value-based summary）,相比于傳統(tǒng)的CM/PM原始數(shù)據(jù)，大大地提高了處理速度。

5G提供豐富多樣的數(shù)據(jù)業(yè)務，網(wǎng)元（NE）之間交互信息，SON 跟蹤網(wǎng)絡，執(zhí)行SON算法確保網(wǎng)絡的組織和優(yōu)化。

為更好利用元數(shù)據(jù)信息驅動V-SON，實體對象間采用MDP（Metadata Protocol）協(xié)議，MDP主要作用如下：

表1　5G技術SON需求

（1）從UEs,BSs,或者云資源獲取數(shù)據(jù)；

（2）通過內(nèi)置的MDP CM/PM 接口參考點-solution Set(IPR-SS)與BSs交互；

（3）基站和小區(qū)遵從IRP-SS MDP協(xié)議，使V-SON市場開放和具競爭，從而可創(chuàng)新和優(yōu)化5G系統(tǒng)；

（4）可擴展的元數(shù)據(jù)協(xié)議（Metadata Protocol）是SON利用云數(shù)據(jù)實現(xiàn)產(chǎn)品化的根本。

5　小結

3GPP R12/R13建議的SON架構可能解決不同RAT技術移動用戶的乒乓效應，向著更加通用的異構SON發(fā)展，以更好地實現(xiàn)負載平衡、節(jié)能、穩(wěn)定、多制造商設備共存、網(wǎng)絡自動配置和即插即用等能力。

5G的小小區(qū)族包括不同無線技術（RAT）的多個小區(qū)，如何管理和協(xié)調這些小小區(qū)極具挑戰(zhàn)性，需要采用演進的SON架構(V-SON架構)、利用云服務、云計算、C-RAN演進為小小區(qū)等多種新技術，以及通過元數(shù)據(jù)處理和V-SON算法運行于多種設備上等技術共同解決。

5G技術標準已進入標準制定階段，5G SON的演進，需要設備終端制造商、制造商、運營商的積極參與，充分討論和驗證的基礎上，制定各方都接受的SON方案，以促進SON技術的發(fā)展和標準化。

表2　5G SON架構需求

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.015

收稿日期：（2015-11-04）