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LTE自组织网络应用分析摘要 :SON技术是LTE系统标准中的一部分，应用SON技术可以减少网络运营成本，提高网络维护效率，提升网络性能。随着LTE系统标准的演进，SON技术也不断发展，本文简要介绍了SON的发展情况，并对其中的几个关键技术进行详细分析，同时分析引入SON技术面临的问题和技术挑战。关键词：LTE；SON；ANR；自配置；负载均衡1. 引言在未来的网络中，由于不同制式的网络共存，使得网络将变得更加复杂，庞大的网络规模给网络维护和优化带来了很大的挑战，继续采用传统的网络规划、优化工作方式，会使网络维护和优化人员的工作量大幅提高。巨量的网络参数几乎无法由人工来完成操作，网络规划、优化和运营成本越来越高。而另一方面运营商则希望降低网络维护和优化的复杂度，减少人工干预，提高维护效率，将低运营成本。于是在这一背景下，LTE（E-UTRAN）系统的自组织网络（self-organizingnetwork，SON）特性被作为3GPP的重要研究方向。SON技术通过设备自身的自配置、自优化、自治愈等功能，能够有效的应对网络异常，是解决未来网络维护和优化工作，提高网络服务质量并降低网络运营成本的一条有效途径。2. SON的简介LTE标准从R8版本开始引入SON，并在之后的版本中对SON各相关功能进行了增强。目前，3GPP定义了一系列SON用例和SON功能，随着LTE标准的不断演进，SON功能也由简而繁，不断完善。SON规范是建立在3GPP的网络管理架构之上，网管接口采用开放方式为不同设备厂商留出了开发空间。目前从R8到R11的4个版本中SON的进展如下：a) R8完成了SON相关用例的讨论，列出了包括MRO、MLB、RO、PCI和ANR等在内的课题，完成了专门针对SON的研究报告TR36.902（SON用例及解决方案），完成了ANR和PCI这2个用例的标准化。b) R9完成了MRO、MLB、RO3个用例的标准化。c) R10对MRO、MLB进行了进一步增强，包括对LTE系统内、LTE与其他系统间负荷信息交互流程的增强，提高切换事件检测的完整性、移动性参数调整算法的准确性，增强涉及Uu、S1、X2接口的改动，并开始考虑节能和MDT功能。d) R11主要考虑MRO的增强，包括对跨制式互操作（Inter-RAT）场景的支持、乒乓切换和短暂驻留问题等；根据QoS相关信息选择合适的RAT接入；已有ANR机制的扩展；协调MRO、MLB的关系，增强SON整体功能稳定性；HeNB和HetNet部署场景下的SON特性等。虽然3GPP从R8版本就开始启动SON工作，但直至今日R11版本对SON的研究仍处于发展阶段，R12版本中将继续开展工作。SON的主要功能框架包括自配置、自优化和自治愈。自配置（Self-ConfigurationProcess）就是指新增网络节点（如基站）的配置能够做到即插即用，以降低成本并简化安装流程。该状态可理解为eNodeB加电开通、实现与骨干网连接，直到射频发射器打开。自配置过程包含基本建立和初始无线配置两部分。自配置相关功能主要包括网元自动发现、软件/配置数据自动下载、传输自建立、自动资产信息、自动邻区配置、PCI自动分配等。自优化（Self-OptimizationProcess）是指通过用户设备UE和基站eNodeB的性能测量，对参数进行自优化，以尽量减少业务工作量并提高网络质量和性能。自优化过程包含自优化和自适应过程，如自动邻区列表优化、覆盖和容量自优化、移动稳健性优化、移动负载均衡等。自治愈（Self-healing）指系统检测到问题时能自主减轻或解决，优点是减少人工干预导致的故障，自动检测和清除故障，减少故障的可能性，在网络出现故障时，基站能够探测到故障的不同类型，并自动启动适当的反应机制，大大减少维护工作成本并避免对网络质量和用户感受的影响。LTE网络建设和运营的不同阶段对SON功能有不同的需求，网络建设阶段或者在网络中增加新的基站时，需要使用即插即用、自动邻区配置等自动配置功能；在网络运行初级阶段，更多需要使用切换优化、接入优化、邻区优化等自动优化功能；随着业务发展和网络负荷的增加，在满足基本覆盖要求的前提下，需要考虑采用负荷均衡、节能等手段进一步提升网络性能和资源利用率。3. SON关键技术应用SON技术涉及网络配置和优化的很多方面，包括基站自启动、邻区优化、移动性管理等，而SON也根据网络配置和优化中存在的不同问题展开研究。目前，广泛研究的SON关键技术主要包括基站自启动、基站自治愈、自动邻区优化、负载均衡、切换优化、覆盖和容量自优化等，这些技术根据所解决的问题不同，在网络建设和运营的不同阶段引入。本文对SON中的几个关键技术，如PCI自动分配、自动邻区关系和负载均衡等功能进行详细分析。3.1 PCI自动分配LTE网络只有504个PCI码可用，而一个商用网络由成千上万个基站组成，每个基站又分为若干个小区，显然PCI码会被重复使用。为避免其带来地移动性混淆，PCI规划的基本原则是保证一层相邻和二层相邻小区均没有PCI重复使用，即PCI分配需避免以下两种情况出现。PCI冲突：一层相邻小区使用相同PCI，即在一个小区覆盖范围内存在两个PCI相同的小区信号。PCI混淆：二层相邻小区使用相同PCI，即一个小区存在两个PCI相同的邻区。对于PCI自动分配、PCI冲突/混淆检测及解决方式，3GPP并未给出具体的解决方案，取决于厂商的实现。PCI自动分配可以采用集中式方案由网管统一计算，特点是速度快，一旦网元自启动后可直接将可用PCI分配到小区。PCI的计算主要依靠所提供的站址分布、小区物理参数和地域特征参数等模拟出无线覆盖图，得出邻区关系。PCI的冲突和混淆可以在网络运行中采用无线分布式手段检测，可以在ANR发现邻区后检查与该邻区相关的小区间是否有PCI冲突或者混淆。发现PCI冲突/混淆的途径可以是：UE上报、通过邻区X2接口报告发现冲突或者通过其他方式获取（如HeNB通过下行接收机发现周围小区PCI）。一旦出现混淆，网元上报通知给网管系统，由网管系统集中安排PCI优化的计算和配置。PCI自动分配及冲突检测是目前较为成熟的一个功能，该功能对网络和终端协议影响不大，大部分厂商都可以实现，但PCI分配效率与速度取决于产品的具体实现方式，不同算法会有性能上的差异，可在后续测试中进一步验证。3.2自动邻区关系邻区关系的规划优化是无线网规网优中一个很重要的环节，邻区关系规划优化的主要目的是保证在小区服务边界的UE能及时切换到信号最佳的邻小区，以保证通话质量和整网性能。传统的邻区关系规划是在基本的工程参数确定的基础上进行，优化则主要是在大量路测的基础上进行，需要耗费大量的人力物力，且由于输入参数的误差以及路测结果的限制，难免会存在邻区漏配、错配的情况。自动邻区关系（AutomaticNeighbourRelation：ANR）的引入可解决传统邻区优化方式成本高、优化效率低的问题，受到众多运营商的密切关注，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，是第一个3GPP标准化的SON功能。不同于传统3G系统，在LTE系统中邻区列表由eNodeB维护，UE不需要获取邻区列表信息，这使得UE在切换准备过程中可以快速上报未知小区信息，另外eNodeB可以要求UE进行未知小区的完整ID读取，这使得实现ANR功能成为可能。ANR的主要应用场景有两种，一是邻区关系的自动发现：应用大规模建网的初期，相邻小区可以借助UE测量自动发现，不再是完全由管理站配置，极大地减少了运营商的配置工作；二是邻区关系的优化调整：在网络优化阶段，通过相关算法自动发现冗余的邻区关系和漏配的邻区关系，通过调整邻区关系属性，能够减少由于缺乏邻区关联导致切换失败引起的掉话，提高切换成功率，优化网络性能。LTE标准中，当一个用户从正在通信的eNodeB覆盖区域（源eNodeB）移动到另一个eNodeB覆盖区域（目标eNodeB）时，ANR允许自动发现并建立邻区关联。ANR也能自动建立eNodeB间X2的接口，但主要还是实现UE的切换。LTE具有两个明显特征才能够实现ANR功能：一是在LTE标准中用户不需要产生邻区基站列表，在切换准备过程中用户可以将切换测量信息快速发送给具有ANR功能的未知小区，而不是正在通信的eNodeB；二是eNodeB可以要求用户报告小区的完整信息从而使其确定相邻小区ID。3.3负载均衡负荷均衡主要指MLB，通过智能地将用户流量分摊到网络的无线资源上，提供较好的终端用户体验和性能，同时优化系统容量。其主要目标包括：均匀地分配小区间的负荷；把已经拥塞的小区的部分业务转移到其他小区。负荷均衡算法是关键，需要采取一定的算法，使多个用户在不同小区的分布发生变化，通常通过加快/减缓UE在不同小区间的切换过程实现，包括调整移动性参数、触发切换事件。按照TS36.902，负载均衡的实现需要具备以下几个功能模块。 负荷上报。在Inter-LTE场景下，地理位置相邻的小区间或共站址异频小区间通常通过X2接口交互小区的负荷信息，完成负荷上报；在Inter-RAT场景下，通常需要通过S1接口在不同的接入网之间交互小区的负荷信息，如涉及LTE与非3GPP网络的互操作，需要对跨系统负荷信息交互的相关接口进行标准化。 基于切换的负荷均衡。负荷均衡的切换应该与其他普通切换区别开，如在切换原因中标明是基于负荷的切换，以便目标小区采取合适的接纳算法，并避免出现覆盖空洞。 切换/重选参数的自动调整。源小区需向目标小区发起移动性配置协商进程，双方确定调整目标，然后通过SIB把调整后的参数下发给UE。所有参数应该在OAM允许的范围内调整。负荷均衡不能以降低用户QoS为代价，激活态下的负荷均衡实现比较复杂，策略不当容易影响用户感受，初期可先考虑空闲态下的负荷均衡，即通过均匀地分配空闲态UE避免大量UE集中驻留在某一频段/RAT，从而保证当UE从空闲态转到激活态后，业务负荷能尽量达到均衡，同时也减少因负荷不均而触发的切换和重定向的次数。考虑到系统难以实时获取小区的空闲用户数，可以根据该小区的激活业务量及QoS判断是否需要改变小区重选参数，让空闲用户迁移到其他小区或频点。负荷均衡的效果与小区间的覆盖关系密切相关。一般来说，小区间的重叠程度越高，负荷均衡的效果越明显。所以异频之间、异系统之间的负荷均衡更值得关注，同频组网场景下负荷均衡的价值有待进一步评估。4. SON技术面临的挑战SON技术代表了移动通信网络的演进趋势，可以改善网络效率，给运营商提供方便的操作维护方式，节省CAPEX和OPEX。但是SON系统非常复杂，移动系统的性能指标和配置参数有上千个，要想进行全面的自动化非常困难，所以SON的发展仍面临许多挑战。a) 合适的架构选择SON的架构分集中式、分布式和混合式3种。集中式目前主要在网管系统上实现，分布式是通过SON分布在eNB上来实现，二者各有优缺点。集中式的优点是控制范围较大、互相冲突较小，缺点是速度较慢、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，但缺点是彼此间难协调。混合式可结合两者的优点，但缺点是其设计变得更加复杂。运营商在应用SON技术时需要选择合适的架构，来更大限度的增强自己的网络性能。b) 开放式接口和联合使用SON在未来要支持开放的接口，支持多厂商SON功能的互联。目前对SON的研究主要集中在自配置和自优化，未来需进行更多用例方面的研究，如保证用户的QoS、网络参数优化等。未来还要利用认知无线电技术进行一个可适应动态环境的网络设计，考虑多个SON功能的联合使用。例如ANR和PCI的联合优化，在网络运行过程中，邻区关系是动态变化的，而PCI冲突/混淆的判断是基于邻区关系的，邻区关系发生变化可能会导致新的PCI冲突/混淆，例如在增加新邻区的过程中需要调用PCI碰撞检测功能，检查PCI的有效性。c) 多种制式的网络共存带来的综合SON由于运营商将长期同时运维多制式、多层次网络，只研究LTESON对运营商降低OPEX的作用有限，SON必须向多制式、多层网络的方向发展并形成一个集中统一的解决方案，才能抑制运维成本进一步上升。面对多制式的共存局面，需提出综合SON的提案，用来协调不同制式、不同层次网络间的关系，提升全网运维效率。d) SON需要与智能管道技术相结合目前的SON功能集中在无线网，为保证端到端QoS，无线网和核心网需要互动，同时配合深度包检测，把SON功能与LTE网络中的策略服务器（PCRF）QoS策略控制相结合，对不同QoS业务进行差异化处理。5. 结束语SON技术自提出以来就受到广泛关注，尤其是运营商希望早点将其运用到现在的网络中，以提升网络的智能化、自动化，降低网络维护费用，提升网络性能和灵活性。SON自身具备的强大功能也使其成为无线网络必不可少的部分，虽然目前业界和学术界对SON关键技术的研究还不够深，但随着无线网络技术发展，SON功能和技术都会不断得到完善。参考文献13GPP TS 36.211.Evolved universal terrestrial radi