LTE/LTE―A系统自组织网络技术和标准化进展

摘要：文章指出利用自配置技术，每个基站可以在电信管理网络（OAM）节点允许的范围内，自主地选择物理小区标识并建立和维护邻区关系；利用自优化技术，每个基站可以根据当前的负载和性能统计情况，进行参数调整，优化系统性能；利用自治愈技术，OAM持续监测通信网络，一旦发现可以自动解决的故障，就启动对相关必要信息的收集，进行故障分析，并根据分析结果触发恢复动作。文章认为不断增加的基站数量、共存的2G/3G/4G系统、异构网络（HetNet）引入的分层网络架构等，导致网络变得越来越复杂，巨大的管理工作和高昂的运维成本，使得采用以自配置、自优化和自治愈为核心特征的SON技术成为lte/lte-A系统的必然选择。

关键词：自组织网络；自配置；自优化；自治愈

Abstract：Self-configuration， self-optimization， and self-healing are key functionalities in a self-organizing network. The eNB can automatically select the physical cell ID and configure a neighbor relationship within the range allowed by OAM. The eNB can optimize system performance by automatically adjusting its parameters according to statistics on system load and performance. Self-healing aims to solve or mitigate faults that can be solved automatically. The OAM is responsible for monitoring collected information and detecting faults， and appropriate recovery actions are triggered. Networks are becoming more complicated with increasing numbers of eNBs； coexistence of 2G， 3G and LTE/LTE-A； and heterogeneous HetNet architecture. Manual network planning and optimization is difficult and expensive for operators. To reduce capex and opex and to improve network deployment and operation， SON is the inevitable choice for LTE and LTE-A systems.

Key words：self-organization network； self-configuration； self-optimization； self-healing

自组织网络（SON）的概念最早基于Ad Hoc通信机制提出，它是一种无固定拓扑，无中心节点，可以随时随地动态组建的无线通信网络形式，具有自发现、自配置、自组织和自治愈等核心特征。

在2007年3GPP进行LTE标准制订时，决定引入LTE SON机制。引入LTE SON技术旨在自动完成蜂窝移动通信网络设备的参数配置和优化工作，减少网络操作管理过程中的人工参与，提高网络可靠性，降低运营成本，提升LTE系统在未来移动通信市场上的竞争力。LTE SON机制提供3种功能，即自配置、自优化和自治愈。其中，自配置指演进型基站（eNB）具有即插即用、自动下载安装软件、自动配置无线和传输参数以及自主管理邻区关系等功能；自优化指网络设备根据运行状况，自适应调整无线参数，如发射功率、切换门限和小区个性偏移量等，优化网络性能；自治愈指通过监测和分析错误数据、告警信息，网络自主发现故障并及时隔离和恢复。

1 SON标准化的进展

在LTE SON标准化过程中重点研究了两方面的内容。第一方面是SON在LTE无线接入网（RAN）中的应用场景定义和实现方案设计；第二方面是SON对电信管理网络（OAM）的影响、需求以及实现方案。前者由3GPP RAN3工作组牵头研究，RAN2/RAN4辅助；后者由系统网络架构中的SA5工作组负责完成。其中，自配置和自优化相关内容在RAN3和SA5工作组都开展研究，而自治愈功能工作主要在SA5工作组开展。相关标准化成果体现在3GPP LTE标准的RAN侧技术规范TS36.300、TS36.423、TS36.413、TS36.331、TS25.331以及网络架构侧技术规范TS32.500、TS32.501、TS32.511、TS32.521和TS32.541等SA5网管规范中。

3GPP对SON的标准化工作始于LTE Rel-8阶段[1]，并一直延续至最近的Rel-11阶段，各版本的标准化时间点如图1所示。

Rel-11阶段，为了满足运营商不断增长的网络部署需求，对SON继续增强项目进行了立项，立项目标定位于提升MRO在新应用场景性能。标准化的内容包括：制订Intra-LTE异构网络（HetNet）MRO机制、Inter-RAT切换失败检测方法和Inter-RAT乒乓切换检测机制。

SON在SA5的标准化工作与RAN侧同时进行，除了定义了RAN侧各技术方案所对应的电信管理网络支持技术外，还完成了自治愈相关功能的标准化。

由于项目规划的原因，SON项目重点研究了TR36.902中所定义9种用例中的5种。余下的4种，即覆盖和容量优化、干扰降低、节能以及干扰协调，分别在最小化路测、节能和干扰协调项目中进行了研究[2-3]。

2 关键技术方案

SON机制中的自配置、自优化和自治愈相关的技术方案和标准制订情况。

2.1 自配置技术

在LTE标准中，自配置包括物理小区标识（PCI）自配置和ANR功能。通过自配置，每个基站可以在OAM节点允许的范围内，自主地选择物理小区标识并建立和维护邻区关系。通过这两种技术不仅可以大大减轻运营商规划和优化工作量，也为后继家庭基站等非运营商部署节点的广泛使用提供了便利。

（1）PCI自配置方案

在为LTE小区配置PCI时，网络部署的基本要求是相邻小区间的PCI配置做到不冲突，不混淆。不冲突是指任何两个相邻的同频小区不能使用相同的PCI配置；不混淆是指在小区的所有邻区中不应出现两个或以上同频小区使用相同物理小区标识的情况。

PCI自配置过程如下：根据OAM为小区提供的候选PCI列表，eNB根据不冲突、不混淆的要求，排除其中不合适的PCI选项，并在剩下的PCI中随机选择一个PCI配置给下辖小区。需要排除的PCI包括：eNB通过用户终端（UE）上报或空口监听获得的邻小区已用物理小区标识；通过X2接口消息获得的邻eNB下辖小区以及相邻eNB的邻小区所使用的物理小区标识等。

PCI自配置功能对网络和终端规范影响不大，是目前较为成熟的一个功能。它的广泛使用，将大幅减轻运营商网络规划和配置的工作量。

（2）ANR方案

为了进行切换和干扰协调，eNB需要为下辖小区建立和维护邻区关系表。自动邻区关系功能用于辅助eNB发现未配置的邻小区，触发邻区关系表中相应表项的建立和维护操作。自动邻区关系机制不仅适用于发现同频邻区，还可用于发现异频和异系统邻区。邻区发现的过程如图2所示。

在图2中，eNB A下UE完成常规邻小区测量并上报测量结果，测量报告中以小区B的PCI作为被测小区标识。eNB A发现测量报告中携带的PCI对应于一个未配置的邻小区，则指示UE读取该PCI对应小区的广播信息，获得小区B的全球小区标识（GCI）、跟踪区域码和公共陆地移动网络标识等参数。根据UE反馈的信息，eNB A可以将小区B添加到小区A的邻区关系表中。

虽然自动邻区关系（ANR）功能位于eNB实体内，但是OAM仍然保持着对邻区关系的完全控制，SA5工作组为OAM定义了eNB邻区列表管理模块，用于增加、删除邻区关系，设置和修改邻区属性。

相比传统的邻区关系人工配置过程，通过自动邻区关系机制，不仅避免了规划阶段的工程参数测算、优化阶段的路测辅助，还减少了邻区漏配、错配情况的发生，在降低成本的同时，提高了配置效率。

2.2 自优化技术

自优化主要包括移动负载均衡（MLB）、随机接入信道（RACH）优化和移动健壮性优化（MRO）功能。通过自优化，每个基站可以根据当前的负载和性能统计情况，进行参数调整，优化系统性能。基站的自优化需要在OAM的控制下进行，基于对网络性能测量及数据收集，OAM可以在必要的时候，启动或终止网络自优化操作；同时，基站对参数的调整也必须在OAM允许的取值范围内进行。

（1）MLB方案

MLB是指eNB自动调整移动性参数，将下辖重负载小区的业务部分转移到相邻或同覆盖的其他轻负载小区，以实现业务负荷在小区间的合理分配。MLB机制同时适用于LTE接入系统内部（Intra-LTE）和接入网络间（Inter-RAT）的场景。

在MLB的实现过程中，eNB对下辖小区的负荷状态进行监控，并通过X2或者S1接口与邻节点交互负载信息。根据获得的负载信息，eNB调整过载小区的移动性参数，使得其所服务的UE可以更容易的切换或重选到邻近轻负载小区。

对于Intra-LTE MLB场景，为了避免重负载eNB单方调整切换参数导致乒乓切换，还引入了eNB间的切换参数协商机制；对于Inter-RAT MLB场景，考虑到不同系统的切换参数设置和切换算法不具通用性，所以未采用切换参数协商机制。

相比人工调整参数进行负载均衡，MLB机制具有调整迅速，对业务突发适应性好等突出优点。

（2）RACH优化方案

RACH优化旨在通过调整RACH的配置参数，保证合理的UE随机接入成功率和接入时延。在RACH过程中，基站基于UE随机接入成功概率以及对接入时延统计和估算等方式判断RACH是否需要优化。为了协助基站进行统计，标准中引入了UE随机接入相关信息的上报过程。例如UE需上报成功进行接入时所进行的接入尝试次数。根据统计结果，eNB对不合理的RACH参数进行调整。调整后的RACH参数需要在相邻eNB之间交互，以协调RACH配置，减少相邻小区间的相互干扰。

LTE之前的蜂窝通信系统对RACH性能的统计一直比较困难，对RACH参数的设置更多的是依靠经验和路测。RACH优化机制的引入极大的简化了RACH参数的配置过程。

（3）MRO方案

移动健壮性优化（MRO）技术用于对切换参数设置问题进行自动检测，通过对大量连接失败现象进行分析和统计，确定问题原因，以便进行相应的参数调整。

在Rel-9阶段，MRO首先研究了Intra-LTE场景中由于切换参数设置不合理而导致的UE连接失败问题，并将问题原因归纳为3类：过迟切换、过早切换和切换到错误小区。MRO给出了如下描述性定义：过迟切换指已经在服务小区驻留了一段时间的UE，在未收到切换命令的情况下，与服务小区连接中断，随后UE选择了除服务小区外的其他小区进行了重建；过早切换指UE在接入目标小区的过程中发生切换失败或在接入目标小区后短时间内发生连接中断，随后UE在源小区进行重建；切换到错误小区定义为UE在接入目标小区的过程中发生切换失败或在接入目标小区后短时间内发生连接中断，随后UE在除源和目标小区外的其他小区进行重建。

为了便于基站判断切换失败的类型，需要获得UE的切换上下文和重建小区信息。3种Intra-LTE MRO错误的检测如图3、图4、图5所示。

图3是一个过迟切换的检测过程。在进行问题检测时，重建基站将重建小区的标识和重建UE的标识通过X2接口通知给UE连接中断前所连的服务基站，即最后服务基站。由最后服务基站根据本地存储的UE上下文确定UE连接中断的原因。

过早切换的检测过程如图4所示。与过迟切换检测过程类似，最后服务基站根据从重建基站所获得的信息和本地存储的UE上下文确定UE连接中断的原因。最后服务基站再将检测结果发送给问题切换所对应的基站，以便问题基站参数调整。

切换到错误小区的检测过程如图5所示。与前两种检测类似，最后服务基站首先确定导致UE连接中断的原因，再将检测结果通知给问题切换所对应的源基站，即问题基站，以便问题基站进行参数调整。移动健壮性优化功能详细的检测流程可以参见文献[3-4]。

除了切换参数设置问题外，网络覆盖漏洞也可能导致UE连接失败，因此在进行MRO检测时，需要能区分出覆盖问题和参数设置问题。为此，在Rel-9和Rel-10阶段，分别引入和增强了UE测量上报机制，允许UE将连接失败前后的测量结果上报，以辅助对连接失败原因的判断[5]。为了解决异系统间切换参数配置错误所导致的UE连接失败问题，在Rel-11阶段，MRO在已有Intra-LTE过早和过迟切换检测机制的基础上进行了扩展，支持了对异系统到LTE的过早切换和LTE到异系统的过迟切换的检测[6]。

异系统间的非必要切换和乒乓切换虽然不会导致UE掉话，但是会引起大量核心网信令交互，造成不必要的信令开销。因此，相关问题的检测也先后在Rel-10和Rel-11阶段进行了标准化。

异系统间非必要切换指UE在LTE系统可以保持良好连接的情况下，被切换到其他系统。为了检测非必要切换，当UE从LTE小区切换到异系统小区时，目标小区需配置UE继续测量LTE频点的信号质量，如果LTE小区的信号质量满足预设门限，则可判定发生了非必要切换。

异系统间乒乓切换指UE从LTE系统切换到异系统后，在很短的时间内回切到LTE系统的情况。乒乓切换的检测基于在网络节点间传输的UE历史信息进行，UE历史信息中记录了UE最近所接入的最多16个小区的标识以及在每个小区的停留时间。通过UE历史信息，在UE从异系统切入LTE小区时，目标LTE小区可以判断UE是否发生了乒乓切换。为了排除由于LTE系统覆盖漏洞引发的乒乓切换，可以配置UE在异系统小区内检测LTE小区的信号质量。

切换参数优化一向是移动通信网络优化的重点和难点，移动健壮性优化机制的引入将有助于对切换问题的自动分析和定位，提升网络优化的效率。

2.3 自治愈技术

自治愈技术指OAM持续监测通信网络，一旦发现可以自动解决的故障，就启动对相关必要信息的收集，如错误数据、告警、跟踪数据、性能测量、测试结果等，并进行故障分析，根据分析结果触发恢复动作。自治愈功能同时也将监测恢复动作的执行结果，并根据执行结果进行下一步操作，如有必要可以撤销恢复动作。

目前，在LTE规范[7]中，标准化了两种自治愈触发场景，一种是由于软硬件异常告警触发的自治愈；另一种是小区退服触发的自治愈。相应的，一些可用的自动恢复方法有：根据告警信息定位故障，通过软件复位或切换到备份硬件等方式，进行故障恢复；调整相邻小区的覆盖，补偿退服小区的网络覆盖等。

现代移动通信网络设备种类繁多，一旦发生故障，排查起来费时费力。自治愈功能可以自动、迅速地发现网络故障，并尝试恢复，降低对用户体验的不利影响。自治愈对保障通信网络运行稳定性具有重要意义。

3 SON技术发展趋势

SON技术自2007年被引入LTE系统以来，经历了Rel-8到Rel-11 4个版本的标准演进，功能日渐丰富。但LTE SON的研究工作还远未完成，未来的标准化应朝3个方向发展：

（1）功能需要进一步优化和完善

在标准化过程中，SON还有一些遗留问题待解决。例如，对HetNet场景下广泛存在的乒乓和短时驻留问题，尚未确定解决方案；系统间MRO机制对UE从异系统到LTE的过迟切换，从LTE到异系统的过早切换，UE从异系统切换到错误的LTE小区等问题，目前还尚未标准化。

（2）SON的研究范围还将延伸和扩展

随着LTE/LTE-A系统自身的演进，新技术和新场景的出现必然会对SON提出新的需求。例如，在即将开始的Rel-12阶段，小小区（Small Cell）技术将作为一个关键特性被引入，UE将可能同时保持与宏小区和小小区的连接。小小区所带来的LTE系统网络拓扑的改变需要SON设计与之匹配的自配置机制；连接机制的变化需要SON的连接失败检测技术进行必要的增强。

（3）SON的已有机制还有待现网的检验

除了自配置的部分功能外，SON的其他大部分功能还没有经过商用网络的规模使用。随着商用网络的部署，SON现有机制可能会暴露出各种问题，还需要进行进一步的研究和完善。

4 结束语

为了满足人们对无线通信不断增长的需求，运营商不得不采用越来越庞大的无线通信系统，如不断增加的基站数量、共存的2G/3G/4G系统、HetNet引入的分层网络架构等，导致网络变得越来越复杂，巨大的管理工作和高昂的运维成本，使得采用SON技术成为LTE/LTE-A系统的一个必然选择。目前，3GPP在SON自配置、自优化和自治愈方向上已经标准化了一系列的技术方案，其中部分技术已经在LTE现网中得到了应用和验证。未来随着LTE/LTE-A商用规模的扩大和SON标准工作的持续推进，作为LTE/LTE-A的一项关键技术，LTE SON将迎来更快更好的发展。

参考文献

[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.

收稿日期：2012-11-06

作者简介

鲍炜，大唐电信科技产业集团无线移动创新中心工程师；长期从事无线移动通信高层关键技术研究和LTE标准化工作；已参与国家重大专项项目3项。

孙韶辉，大唐电信科技产业集团无线移动创新中心总工，北京航空航天大学兼职博士生导师；长期从事无线移动通信关键技术研究和LTE标准制订工作；已主持和参与国家重大专项项目10余项；已近40篇。

李国庆，大唐电信科技产业集团无线移动创新中心网络技术室经理；长期从事无线移动通信高层关键技术研究和LTE标准化工作；已参与国家重大专项项目5项；已近20篇。