自组织网络(SON)技术及标准化演进

0 前言

随着LTE宽带移动通信技术的快速发展，移动通信产业迎来了移动互联网时代的爆炸式发展，新技术和新系统的出现对运营商的网络建设及运营维护提出了越来越高的要求。相比之前的无线通信系统，LTE系统可以提供更大的无线带宽，提供更多数量和更高质量的宽带应用，例如：高带宽需求的移动视频业务和高时延要求的在线游戏等。对每个LTE运营商而言，不得不面临的一个关键挑战是如何选择高效率且低成本的方式来提供这些新应用给用户。所以，运营商必须控制好LTE基础设施建设的资本支出(CAPEX)和运营LTE网络相关的运营支出(OPEX)。

为了帮助LTE运营商更好地管理网络中巨大数量并且可能来自不同设备厂家的基站，降低OPEX，自组织网络(SON)的概念应运而生。电信运营商期望的网络是可以自配置、自运作以及自优化。对无线通信运营商而言，则期望其基站网络可以在没有技术专家协助的情况下快速安装基站和快速配置基站运行所需参数，可以快速且自动发现邻区，可以在网络出现故障后自动实现重配置，可以自动优化空口上的无线参数等。除此之外，运营商们都期望传输和网络节点之间可以实现自动配置并达到互联互通，可以自动选择业务的QoS并自动优化。所有上述功能都属于自优化网络(SON)的范畴，因此SON会支撑整个通信网络的前期规划、中期运营和后期网络优化，完全贯穿一个通信网络的全部生命周期。

1 自组织网络(SON)功能

自组织网络主要包括以下功能。

a) 自配置：通过自动连接和自动配置，新基站可以自动整合到网络中，自动建立与核心网之间(S1接口)和与相邻基站之间(X2接口)的连接以及自动配置。

b) 自优化：在UE和eNB测量的协助下，在本地eNB层面上和/或网络管理层面上自动调整优化网络。

c) 自愈合：实现自动检测、定位和去除故障。

d) 自规划：在容量扩展、业务检测或优化结果等触发下，动态地重新进行网络规划并执行。

2 自组织网络(SON)的标准化进展

业界共识是SON可以被标准化为多厂家共用的解决方案，允许不同厂家的基站通过标准化接口实现互操作。但为保证不同厂家设备的独特性和竞争性，SON相关的算法没有必要标准化和统一。

在此思想的指导下，3GPP从R8就开始对自组织网络(SON)功能进行研究和标准化，一直延续到R11中，未来在R12中可能继续研究。在LTE讨论的初期，推动SON在3GPP进行标准化的主要动力是：越来越多的网络参数和越来越复杂的网络结构;无线技术和网络的快速演进会直接导致2G、3G和LTE/EPC网络并行运营;基站数量的快速扩展需要在配置和管理时尽可能减少人工干预。

2.1 R8 SON

最早的自组织网络(SON)工作是在3GPP中负责网络管理标准的SA5工作组启动，首要工作是明确SON的概念和需求。在此基础上，SA5开展eNB的自动建立和SON自动邻区关系(ANR)管理的标准化工作。

a) SON的概念和需求标准化项目(WI)由多个运营商提议建立，TS32.500涵盖了这个标准化项目的成果。这个WI明确了SON对OAM的要求，定义了SON在OAM系统中的架构，定义了自组织、自配置和自愈合的概念和E-UTRAN内以及建立2G/3G间的邻小区关系，定义了支撑SON的必要接口。

b) eNB自动建立是SON的最基本功能之一，其标准化结果最终体现在32.501(eNB自建立的概念和需求)、32.502(eNB自建立概述)、32.531、32.532和32.533。通过这个WI，一个新eNB在进入网络时可以自动建立eNB和网元管理(EM)之间IP连接，可以自动下载软件，自动下载无线参数和传输配置相关的数据。它也可以支持X2和S1接口的自动建立。在完成建立后eNB可以自检工作状态并给网管中心报告检查结果。

c) SON自动邻区关系(ANR)管理是另一个单独的SA5 WI，实现LTE小区间和LTE小区和2G/3G小区间的邻区关系的自动建立。其最终标准化结果体现在32.761、32.762、32.763、32.765和32.511(ANR管理的概念和需求)中。这个WI可以帮助运营商减少对传统手动ANR配置和减少使用ANR配置的规划工具的依赖。

2.2 R9 SON

3GPP SA5在R9中继续对SON进行研究和标准化，标准化项目包括SON自优化管理和自动无线网络配置数据准备，研究项目包括对SON自愈合研究和家庭基站(HNB)SON相关OAM接口的研究。

a) SON自优化管理是SON的另一个重要功能，可以用于监测和分析网络性能数据，必要时会自动优化受影响的网络节点。通过自动重新优化、自动重新配置、甚至软件自动重新下载和自动加载，可以极大地减少人工干预。R9阶段的WI的工作目标主要包括负载均衡(LB)、切换参数优化、干扰控制、容量和覆盖优化和RACH优化。

b) 自动无线网络配置数据准备是R8自配置功能中未完成工作需要在R9阶段继续的WI，是针对一个特殊场景提出的解决方案。当一个网元实体(小区或eNB)被加入到一个正在运营的网络中，由于依赖于正工作的网元实体，一些网络配置参数无法提前设置。该WI可以创建和分发这些相互依赖的参数，使其能被传递给新加入的网元实体和正在运行的网元实体。这个功能彻底弥补和完善了自配置功能，使网元实体实现了真正的自动建立。

c) 自检测和自愈合的研究是SON子项目之一，主要用于系统自动检测故障，在发现问题后可以减轻甚至解决这些问题。SA5的R9研究中仅集中在自愈合功能，研究可能的需求和解决方案。

d) 家庭基站(HNB)SON相关OAM接口的研究主要针对家庭基站，研究受影响的各个实体之间接口如何支持SON。这些接口包括OAM网元之间的接口、OAM网元和NodeB之间接口、NodeB之间的接口和UE与NodeB之间的接口。

除了SA5的相关标准化和研究工作外，RAN2和RAN3工作组也相应启动了无线侧R9 SON WI。RAN侧的WI主要针对已经明确的SON用例提出无线侧技术解决方案并标准化，这些SON用例包括覆盖和容量优化、移动负载平衡优化(MLB)、移动健壮性优化(MRO)和RACH优化。

最小化路测(MDT)在R9中从一个研究项目启动，由RAN2领导。尽管MDT独立于SON在3GPP RAN进行研究和标准化，但对运营商而言MDT和SON都是自动有效管理网络的自动化工具。传统的人工开车测量来进行网络优化具有成本昂贵、不可避免的CO2排放和有限的测量区域等缺点。而现实中，因覆盖不好而导致连接失败，用户经常投诉的这些覆盖不好的地理位置常常是车辆根本无法到达的地方。MDT主要研究由网络配置的UE自动收集路测相关数据、记录数据并上报测量数据给网络。通过自动收集MDT测量数据，可以最小化的减轻运营商依赖人工过程监测和优化网络，同时减少CO2的排放和减少对环境的污染。

2.3 R10 SON

进入R10阶段，在R9自愈合研究的基础上，SA5启动了自愈合管理(SH)的标准化工作。自愈合功能包括监测和分析故障管理、告警、通知和自测结果等相关数据，自动触发或执行必要的矫正行为。该功能也可以减少人工干预，实现重新优化和重新配置自动进行，甚至软件的重新下载和再次加载。

由于在R9阶段RAN侧工作负荷过重，SON在RAN侧和SA5侧的标准化工作都只完成了属于第一优先级的负载均衡和切换参数优化两部分内容。在R10阶段，SA5的SON标准化工作包括两部分，第一部分是继续进行R9 SON自优化管理中遗留的干扰控制、容量和覆盖优化和RACH优化等工作，另一部分是研究各个SON用例之间协调功能工作，包括手动操作和自动操作功能之间的协调、自相关用例和其他SON用例之间的协调、不同自相关用例之间的协调和一个自相关用例内不同目标之间的协调。

同时，在RAN的工作层面，RAN3、RAN2和RAN4也在R10阶段继续R9遗留的工作。为避免同样问题出现，即由于工作量过大而无法完成全部预定目标，RAN侧工作组对每一个目标都设置了优先级，以保证高优先级的目标能得到充足时间被优先讨论。

a) 覆盖和容量优化(CCO)，用于检测覆盖问题和容量问题。其中覆盖问题为第一优先级，容量问题为第二优先级。

b) 移动健壮性优化(MRO)增强，其用例包括inter-RAT环境下切换失败的检测和可能的修正。从LTE到UMTS/GSM的切换用例为第一优先级，从UMTS/GSM到LTE的切换用例为第二优先级。其余用例还包括重建不成功情况下的UE测量的获得、inter-RAT和intra-LTE环境下IDLE UE的乒乓切换问题、inter-RAT环境下激活模式UE的乒乓切换问题和切换到错误小区的短停留等问题。

c) 移动负载均衡(MLB)增强，其用例包括改善在LTE内的MLB可靠性和inter-RAT场景下MLB的功能。

在R9 最小化路测(MDT)研究结果的基础上，RAN全会决定启动基于信令架构方案的最小化路测MDT的标准化，由RAN2领导此WI，优先讨论覆盖优化用例。设计MDT方案时考虑了实时测量和非实时测量两种方式以及各自如何上报，明确MDT测量的启动要通过RRC信令配置，明确MDT测量结果要通过RRC信令上报，而上报的数据中可以携带可用的位置信息和时间信息。

2.4 R11 SON

R11阶段，SON的首要工作是完成R10中遗留的低优先级工作。为此RAN建立了新的R11 工作项目(WI)：进一步的SON增强。其增强的范围主要包括移动健壮性(MRO)增强和inter-RAT场景下乒乓切换，也考虑基于不同RAT之间的QoS信息交换来选择正确RAT、扩展UMTS和LTE之间的ANR机制、MRO和其他业务控制机制之间的更多协调等。

同时根据运营商的需求，RAN2工作组在R11中继续研究MDT的增强功能，重点集中在覆盖优化和QoS验证两个用例。对于覆盖优化议题，研究重点是增强测量纪录和报告，例如：通过减少UE侧无用测量的数量来减少UE电量消耗，研究增强的上行覆盖优化和公共信道的覆盖优化等。对于QoS验证，主要研究QoS相关的测量纪录和报告。

2.5 R12 SON

目前R11工作尚未结束，在各种场合已经开始对R12的相关立项展开热烈讨论。SON更多增强依旧是R12立项的一个热门话题。

R12中SON的更多增强对于一些已经存在的功能相互之间互操作很必要，对于R12中应考虑的新功能和新配置也很必要。目前业界共识是R12阶段需要继续完成R11遗留的工作。例如R11增强的MRO已经实现了辨析是何种类型UE发生了链路失败，对于其他SON用例如MLB也可以有类似增强。

在考虑重要性和工作量的情况下，R12可以考虑继续研究SON和其他新功能配合而催生出的一些新用例。

R12中最重要的议题是小小区增强，包括定义场景、小小区概念和需求。SON在部署小小区的成本和复杂性最小化上可以提供帮助。网络规划的投入应当最小化，网络配置的投入包括节点的ID管理和邻区配置、网络优化的投入(移动健壮性、负载均衡和节能等)应当自动完成，这些都需要借助SON。所以为宏小区场景定义的自优化和自配置等功能也可以用于异构网场景的小小区部署中。

同时，本地接入和异构网部署引入了新的网络配置规模。当前的网络(宏小区/微小区/家庭基站)各层之间的带宽分配都是静态方式，通过人工的网络规划来完成分配。而给已存在的层中自动增加新小区以及给各层动态分配带宽可以帮助运营商快速并便宜的部署多层网络。

有源天线可以创建多个垂直和水平波束来实现动态波束调度。根据实际业务混合、业务位置和用户要求，使用动态波束调度可以精确地控制容量分布。SON可以通过有源天线的配置和优化来自动实现网络配置。

由上可知，在R12中SON更多增强可以包括UE分组或UE类型、小小区增强、借助有源天线的动态调度以及异构网不同层之间的动态频率分配等。这些工作可以从研究课题做起。

R11 MDT主要集中在非GBR类型数据的QoS验证，R12工作可以继续完成R11的QoS的既定目标，研究GBR业务的用户体验检测并反映体验质量。同时MDT也可以配合小小区增强的议题，讨论在该场景下MDT可以起到的作用。对于是否会在R12中继续开展MDT的工作，目前尚无统一认识和定论，但总的来说，上述方向也都可以从研究课题做起。

当然，除了这些可能的R12 SON和MDT增强的技术点，如果运营商提出新的需求，出现了新的SON和MDT用例，我们相信这些都有可能在R12中被评估和研究，而SON和MDT的工作也会继续进行下去。

3 结束语

综上所述，通过使用自组织网络SON和MDT功能，运营商可以实现网络规划、配置和优化过程的自动化，可以极大减轻运营商对人工的需求，从而可以大大降低运营商的OPEX。从3GPP标准化过程看，从R8开始一直持续到R11，自组织网络SON和MDT在3GPP的标准化工作一直是运营商和业界的宠儿，由运营商需求和实际用例在不断驱动。在可预见的未来，伴随新需求出现和更多实际用例被明确，SON和MDT技术会将继续保持为业界关注的重点，在3GPP未来的版本中不断推进其技术研究和标准化。