LTE/LTE-A系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標準化進展[圖]

自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）的概念最早基于Ad Hoc 通信機制提出，它是一種無固定拓撲，無中心節(jié)點，可以隨時隨地動態(tài)組建的無線通信網(wǎng)絡(luò)形式，具有自發(fā)現(xiàn)、自配置、自組織和自治愈等核心特征。

在2007 年3GPP 進行LTE 標準制訂時，決定引入LTE SON 機制。引入技術(shù)旨在自動完成蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)配置和優(yōu)化工作，減少網(wǎng)絡(luò)操作管理過程中的人工參與，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，降低運營成本，提升LTE 系統(tǒng)在未來移動通信市場上的競爭力。LTE SON 機制提供3 種功能，即自配置、自優(yōu)化和自治愈。其中，自配置指演進型基站（eNB）具有即插即用、自動下載安裝軟件、自動配置無線和傳輸參數(shù)以及自主管理鄰區(qū)關(guān)系等功能；自優(yōu)化指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)運行狀況，自適應(yīng)調(diào)整無線參數(shù)，如發(fā)射功率、切換門限和小區(qū)個性偏移量等，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能；自治愈指通過監(jiān)測和分析錯誤數(shù)據(jù)、告警信息，網(wǎng)絡(luò)自主發(fā)現(xiàn)故障并及時隔離和恢復(fù)。

1 SON 標準化的進展

在LTE SON 標準化過程中重點研究了兩方面的內(nèi)容。第一方面是在LTE 無線接入網(wǎng)（RAN）中的應(yīng)用場景定義和實現(xiàn)方案設(shè)計；第二方面是SON 對電信管理網(wǎng)絡(luò)（OAM）的影響、需求以及實現(xiàn)方案。前者由工作組牽頭研究，輔助；后者由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的SA5 工作組負責完成。其中，自配置和自優(yōu)化相關(guān)內(nèi)容在RAN3 和工作組都開展研究，而自治愈功能工作主要在SA5 工作組開展。相關(guān)標準化成果體現(xiàn)在3GPP LTE 標準的側(cè)技術(shù)規(guī)范TS36.300、TS36.423、TS36.413、TS36.331、TS25.331 以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)側(cè)技術(shù)規(guī)范TS32.500、、TS32.511、TS32.521 和等SA5 網(wǎng)管規(guī)范中。

對SON 的標準化工作始于階段[1]，并一直延續(xù)至最近的Rel-11 階段，各版本的標準化時間點如圖1 所示。

階段，為了滿足運營商不斷增長的網(wǎng)絡(luò)部署需求，對SON 繼續(xù)增強項目進行了立項，立項目標定位于提升MRO 在新應(yīng)用場景性能。標準化的內(nèi)容包括：制訂Intra-LTE 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）MRO 機制、Inter-RAT 切換失敗檢測方法和Inter-RAT 乒乓切換檢測機制。

在SA5 的標準化工作與側(cè)同時進行，除了定義了RAN 側(cè)各技術(shù)方案所對應(yīng)的電信管理網(wǎng)絡(luò)支持技術(shù)外，還完成了自治愈相關(guān)功能的標準化。

由于項目規(guī)劃的原因，SON 項目重點研究了TR36.902 中所定義9 種用例中的5 種。余下的4 種，即覆蓋和容量優(yōu)化、干擾降低、節(jié)能以及干擾協(xié)調(diào)，分別在最小化路測、節(jié)能和干擾協(xié)調(diào)項目中進行了研究[2-3]。

2 關(guān)鍵技術(shù)方案

機制中的自配置、自優(yōu)化和自治愈相關(guān)的技術(shù)方案和標準制訂情況。

2.1 自配置技術(shù)

在LTE 標準中，自配置包括物理小區(qū)標識（PCI）自配置和ANR 功能。

通過自配置，每個基站可以在節(jié)點允許的范圍內(nèi)，自主地選擇物理小區(qū)標識并建立和維護鄰區(qū)關(guān)系。

通過這兩種技術(shù)不僅可以大大減輕運營商規(guī)劃和優(yōu)化工作量，也為后繼家庭基站等非運營商部署節(jié)點的廣泛使用提供了便利。

（1）PCI 自配置方案在為LTE 小區(qū)配置PCI 時，網(wǎng)絡(luò)部署的基本要求是相鄰小區(qū)間的配置做到不沖突，不混淆。不沖突是指任何兩個相鄰的同頻小區(qū)不能使用相同的PCI 配置；不混淆是指在小區(qū)的所有鄰區(qū)中不應(yīng)出現(xiàn)兩個或以上同頻小區(qū)使用相同物理小區(qū)標識的情況。

自配置過程如下：根據(jù)為小區(qū)提供的候選PCI 列表，eNB 根據(jù)不沖突、不混淆的要求，排除其中不合適的PCI 選項，并在剩下的中隨機選擇一個PCI 配置給下轄小區(qū)。需要排除的PCI 包括：eNB 通過用戶終端（UE）上報或空口監(jiān)聽獲得的鄰小區(qū)已用物理小區(qū)標識；通過接口消息獲得的鄰eNB 下轄小區(qū)以及相鄰eNB 的鄰小區(qū)所使用的物理小區(qū)標識等。

自配置功能對網(wǎng)絡(luò)和終端規(guī)范影響不大，是目前較為成熟的一個功能。它的廣泛使用，將大幅減輕運營商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和配置的工作量。

（2）ANR 方案為了進行切換和干擾協(xié)調(diào)，需要為下轄小區(qū)建立和維護鄰區(qū)關(guān)系表。自動鄰區(qū)關(guān)系功能用于輔助發(fā)現(xiàn)未配置的鄰小區(qū)，觸發(fā)鄰區(qū)關(guān)系表中相應(yīng)表項的建立和維護操作。自動鄰區(qū)關(guān)系機制不僅適用于發(fā)現(xiàn)同頻鄰區(qū)，還可用于發(fā)現(xiàn)異頻和異系統(tǒng)鄰區(qū)。鄰區(qū)發(fā)現(xiàn)的過程如圖所示。

在圖2 中，eNB A 下UE 完成常規(guī)鄰小區(qū)測量并上報測量結(jié)果，測量報告中以小區(qū)B 的PCI 作為被測小區(qū)標識。eNB A 發(fā)現(xiàn)測量報告中攜帶的對應(yīng)于一個未配置的鄰小區(qū)，則指示UE 讀取該PCI 對應(yīng)小區(qū)的廣播信息，獲得小區(qū)B 的全球小區(qū)標識（GCI）、跟蹤區(qū)域碼和公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)標識等參數(shù)。根據(jù)UE 反饋的信息，eNB A 可以將小區(qū)B 添加到小區(qū)的鄰區(qū)關(guān)系表中。

雖然自動鄰區(qū)關(guān)系（ANR）功能位于eNB 實體內(nèi)，但是OAM 仍然保持著對鄰區(qū)關(guān)系的完全控制，SA5 工作組為OAM 定義了eNB 鄰區(qū)列表管理模塊，用于增加、刪除鄰區(qū)關(guān)系，設(shè)置和修改鄰區(qū)屬性。

相比傳統(tǒng)的鄰區(qū)關(guān)系人工配置過程，通過自動鄰區(qū)關(guān)系機制，不僅避免了規(guī)劃階段的工程參數(shù)測算、優(yōu)化階段的路測輔助，還減少了鄰區(qū)漏配、錯配情況的發(fā)生，在降低成本的同時，提高了配置效率。

2.2 自優(yōu)化技術(shù)

自優(yōu)化主要包括移動負載均衡（MLB）、隨機接入信道（RACH）優(yōu)化和移動健壯性優(yōu)化（MRO）功能。通過自優(yōu)化，每個基站可以根據(jù)當前的負載和性能統(tǒng)計情況，進行參數(shù)調(diào)整，優(yōu)化系統(tǒng)性能�；�站的自優(yōu)化需要在OAM 的控制下進行，基于對網(wǎng)絡(luò)性能測量及數(shù)據(jù)收集，OAM 可以在必要的時候，啟動或終止網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化操作；同時，基站對參數(shù)的調(diào)整也必須在OAM 允許的取值范圍內(nèi)進行。

（1）MLB 方案是指eNB 自動調(diào)整移動性參數(shù)，將下轄重負載小區(qū)的業(yè)務(wù)部分轉(zhuǎn)移到相鄰或同覆蓋的其他輕負載小區(qū)，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)負荷在小區(qū)間的合理分配。MLB 機制同時適用于▲圖1 3GPPLTE/LTE-A規(guī)范版本演進時間表 接入系統(tǒng)內(nèi)部（Intra-LTE）和接入網(wǎng)

絡(luò)間（Inter-RAT）的場景。

在MLB 的實現(xiàn)過程中，eNB 對下轄小區(qū)的負荷狀態(tài)進行監(jiān)控，并通過或者S1 接口與鄰節(jié)點交互負載信息。根據(jù)獲得的負載信息，eNB 調(diào)整過載小區(qū)的移動性參數(shù)，使得其所服務(wù)的UE 可以更容易的切換或重選到鄰近輕負載小區(qū)。

對于Intra-LTE MLB 場景，為了避免重負載eNB 單方調(diào)整切換參數(shù)導致乒乓切換，還引入了eNB 間的切換參數(shù)協(xié)商機制；對于場景，考慮到不同系統(tǒng)的切換參數(shù)設(shè)置和切換算法不具通用性，所以未采用切換參數(shù)協(xié)商機制。

相比人工調(diào)整參數(shù)進行負載均衡，MLB 機制具有調(diào)整迅速，對業(yè)務(wù)突發(fā)適應(yīng)性好等突出優(yōu)點。

（2）RACH 優(yōu)化方案優(yōu)化旨在通過調(diào)整的配置參數(shù)，保證合理的UE 隨機接入成功率和接入時延。在RACH 過程中，基站基于UE 隨機接入成功概率以及對接入時延統(tǒng)計和估算等方式判斷RACH 是否需要優(yōu)化。為了協(xié)助基站進行統(tǒng)計，標準中引入了隨機接入相關(guān)信息的上報過程。

例如UE 需上報成功進行接入時所進行的接入嘗試次數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對不合理的RACH 參數(shù)進行調(diào)整。調(diào)整后的RACH 參數(shù)需要在相鄰eNB 之間交互，以協(xié)調(diào)RACH 配置，減少相鄰小區(qū)間的相互干擾。

之前的蜂窩通信系統(tǒng)對性能的統(tǒng)計一直比較困難，對參數(shù)的設(shè)置更多的是依靠經(jīng)驗和路測。RACH 優(yōu)化機制的引入極大的簡化了RACH 參數(shù)的配置過程。

（3）MRO 方案移動健壯性優(yōu)化（MRO）技術(shù)用于對切換參數(shù)設(shè)置問題進行自動檢測，通過對大量連接失敗現(xiàn)象進行分析和統(tǒng)計，確定問題原因，以便進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整。

在Rel-9 階段，MRO 首先研究了場景中由于切換參數(shù)設(shè)置不合理而導致的UE 連接失敗問題，并將問題原因歸納為3 類：過遲切換、過早切換和切換到錯誤小區(qū)。

給出了如下描述性定義：過遲切換指已經(jīng)在服務(wù)小區(qū)駐留了一段時間的UE，在未收到切換命令的情況下，與服務(wù)小區(qū)連接中斷，隨后UE 選擇了除服務(wù)小區(qū)外的其他小區(qū)進行了重建；過早切換指UE 在接入目標小區(qū)的過程中發(fā)生切換失敗或在接入目標小區(qū)后短時間內(nèi)發(fā)生連接中斷，隨后UE 在源小區(qū)進行重建；切換到錯誤小區(qū)定義為UE 在接入目標小區(qū)的過程中發(fā)生切換失敗或在接入目標小區(qū)后短時間內(nèi)發(fā)生連接中斷，隨后UE 在除源和目標小區(qū)外的其他小區(qū)進行重建。

為了便于基站判斷切換失敗的類型，需要獲得UE 的切換上下文和重建小區(qū)信息。3 種錯誤的檢測如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 是一個過遲切換的檢測過程。在進行問題檢測時，重建基站將重建小區(qū)的標識和重建UE 的標識通過X2 接口通知給UE 連接中斷前所連的服務(wù)基站，即最后服務(wù)基站。由最后服務(wù)基站根據(jù)本地存儲的UE 上下文確定UE 連接中斷的原因。

過早切換的檢測過程如圖4 所示。與過遲切換檢測過程類似，最后服務(wù)基站根據(jù)從重建基站所獲得的信息和本地存儲的UE 上下文確定連接中斷的原因。最后服務(wù)基站再將檢測結(jié)果發(fā)送給問題切換所對應(yīng)的基站，以便問題基站參數(shù)調(diào)整。

切換到錯誤小區(qū)的檢測過程如圖5 所示。與前兩種檢測類似，最后服務(wù)基站首先確定導致UE 連接中斷的原因，再將檢測結(jié)果通知給問題切換所對應(yīng)的源基站，即問題基站，以便問題基站進行參數(shù)調(diào)整。移動健壯性優(yōu)化功能詳細的檢測流程可以參見文獻[3-4]。

除了切換參數(shù)設(shè)置問題外，網(wǎng)絡(luò)覆蓋漏洞也可能導致UE 連接失敗，因此在進行MRO 檢測時，需要能區(qū)分出覆蓋問題和參數(shù)設(shè)置問題。為此，在Rel-9 和Rel-10 階段，分別引入和增強了UE 測量上報機制，允許將連接失敗前后的測量結(jié)果上報，以輔助對連接失敗原因的判斷[5]。為了解決異系統(tǒng)間切換參數(shù)配置錯誤所導致的UE 連接失敗問題，在階段，MRO 在已有Intra-LTE 過早和過遲切換檢測機制的基礎(chǔ)上進行了擴展，支持了對異系統(tǒng)到LTE 的過早切換和LTE 到異系統(tǒng)的過遲切換的檢測[6]。

異系統(tǒng)間的非必要切換和乒乓切換雖然不會導致UE 掉話，但是會引起大量核心網(wǎng)信令交互，造成不必要的信令開銷。因此，相關(guān)問題的檢測也先后在Rel-10 和Rel-11 階段進行了標準化。

異系統(tǒng)間非必要切換指UE 在系統(tǒng)可以保持良好連接的情況下，被切換到其他系統(tǒng)。為了檢測非必要切換，當UE 從LTE 小區(qū)切換到異系統(tǒng)小區(qū)時，目標小區(qū)需配置繼續(xù)測量LTE 頻點的信號質(zhì)量，如果

小區(qū)的信號質(zhì)量滿足預(yù)設(shè)門限，則可判定發(fā)生了非必要切換。

異系統(tǒng)間乒乓切換指UE 從系統(tǒng)切換到異系統(tǒng)后，在很短的時間內(nèi)回切到LTE 系統(tǒng)的情況。乒乓切換的檢測基于在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間傳輸?shù)臍v史信息進行，UE 歷史信息中記錄了UE 最近所接入的最多16 個小區(qū)的標識以及在每個小區(qū)的停留時間。通過UE 歷史信息，在UE 從異系統(tǒng)切入LTE 小區(qū)時，目標LTE 小區(qū)可以判斷UE 是否發(fā)生了乒乓切換。為了排除由于LTE 系統(tǒng)覆蓋漏洞引發(fā)的乒乓切換，可以配置UE 在異系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)檢測LTE 小區(qū)的信號質(zhì)量。

切換參數(shù)優(yōu)化一向是移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點和難點，移動健壯性優(yōu)化機制的引入將有助于對切換問題的自動分析和定位，提升網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的效率。

2.3 自治愈技術(shù)

自治愈技術(shù)指OAM 持續(xù)監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)，一旦發(fā)現(xiàn)可以自動解決的故障，就啟動對相關(guān)必要信息的收集，如錯誤數(shù)據(jù)、告警、跟蹤數(shù)據(jù)、性能測量、測試結(jié)果等，并進行故障分析，根據(jù)分析結(jié)果觸發(fā)恢復(fù)動作。自治愈功能同時也將監(jiān)測恢復(fù)動作的執(zhí)行結(jié)果，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果進行下一步操作，如有必要可以撤銷恢復(fù)動作。

目前，在LTE 規(guī)范[7]中，標準化了兩種自治愈觸發(fā)場景，一種是由于軟硬件異常告警觸發(fā)的自治愈；另一種是小區(qū)退服觸發(fā)的自治愈。相應(yīng)的，一些可用的自動恢復(fù)方法有：根據(jù)告警信息定位故障，通過軟件復(fù)位或切換到備份硬件等方式，進行故障恢復(fù)；調(diào)整相鄰小區(qū)的覆蓋，補償退服小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋等。

現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類繁多，一旦發(fā)生故障，排查起來費時費力。自治愈功能可以自動、迅速地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，并嘗試恢復(fù)，降低對用戶體驗的不利影響。自治愈對保障通信網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定性具有重要意義。

3 SON 技術(shù)發(fā)展趨勢

技術(shù)自2007 年被引入系統(tǒng)以來，經(jīng)歷了Rel-8 到個版本的標準演進，功能日漸豐富。

但LTE SON 的研究工作還遠未完成，未來的標準化應(yīng)朝3 個方向發(fā)展：

（1）功能需要進一步優(yōu)化和完善在標準化過程中，SON 還有一些遺留問題待解決。例如，對HetNet 場景下廣泛存在的乒乓和短時駐留問題，尚未確定解決方案；系統(tǒng)間MRO 機制對UE 從異系統(tǒng)到LTE 的過遲切換，從LTE 到異系統(tǒng)的過早切換，UE 從異系統(tǒng)切換到錯誤的LTE 小區(qū)等問題，目前還尚未標準化。

（2）SON 的研究范圍還將延伸和擴展隨著LTE/LTE-A 系統(tǒng)自身的演進，新技術(shù)和新場景的出現(xiàn)必然會對提出新的需求。例如，在即將開始的Rel-12 階段，小小區(qū)（Small Cell）技術(shù)將作為一個關(guān)鍵特性被引入，將可能同時保持與宏小區(qū)和小小區(qū)的連接。小小區(qū)所帶來的LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的改變需要SON 設(shè)計與之匹配的自配置機制；連接機制的變化需要SON 的連接失敗檢測技術(shù)進行必要的增強。

（3）SON 的已有機制還有待現(xiàn)網(wǎng)的檢驗除了自配置的部分功能外，的其他大部分功能還沒有經(jīng)過商用網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模使用。隨著商用網(wǎng)絡(luò)的部署，SON 現(xiàn)有機制可能會暴露出各種問題，還需要進行進一步的研究和完善。

4 結(jié)束語

為了滿足人們對無線通信不斷增長的需求，運營商不得不采用越來越龐大的無線通信系統(tǒng)，如不斷增加的基站數(shù)量、共存的2G/3G/4G 系統(tǒng)、引入的分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，導致網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，巨大的管理工作和高昂的運維成本，使得采用技術(shù)成為LTE/LTE-A 系統(tǒng)的一個必然選擇。目前，3GPP 在SON 自配置、自優(yōu)化和自治愈方向上已經(jīng)標準化了一系列的技術(shù)方案，其中部分技術(shù)已經(jīng)在LTE 現(xiàn)網(wǎng)中得到了應(yīng)用和驗證。未來隨著LTE/LTE-A 商用規(guī)模的擴大和SON 標準工作的持續(xù)推進，作為LTE/LTE-A 的一項關(guān)鍵技術(shù)，將迎來更快更好的發(fā)展。

參考文獻

[1] 3GPP TR36.902. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Self-configuring and self-Optimizing Network (SON) use cases and solutions [S].2011.

[2] 3GPP TS37.320. Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio measurement collection for Minimization of Drive Tests (MDT); Overall description; Stage 2 [S]. 2011.

[3] 3GPP TS36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 [S].2011.

[4] 3GPP TS36.423. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 application protocol (X2AP) [S]. 2011.

[5] 3GPP TS36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification [S]. 2011.

[6] 3GPP TS36.413. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP) [S]. 2011.

[7] 3GPP TS32.541. Telecommunication management; Self-Organizing Networks (SON); Self-healing concepts and requirements [S]. 2011.

作者：鮑煒 孫韶輝 李國慶 來源：中興通訊技術(shù)