网络自优化
时间：2024-07-01 13:31:50 点击量：
自组织网络技术是个域网（PAN，Personal Area Network）领域的热点研究技术。在2002年5月IEEE通信杂志为庆祝IEEE通信分会成立50周年出版的专刊上，Ramanathan和Redi博士曾为移动无线分布式网络进行了设想：“一个‘全球化的信息空间’的理想王国，在这里所有网络设备形成一个巨大的无线自组织网络”，“就如同互连网络在Web服务出现的20年前就已经存在一样，也许一个令人意外的‘杀手级应用’就会打造出自组织网络的未来”。
自组织网络的起源可追溯到1968年的Aloha网络和1973年美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助研究的无线分组数据网（PRNET）。这些最初的自组织网络对自组织技术的发展起了奠基性的作用。20世纪80年代，美国国防部启动了可生存自适应网络项目，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1994年，美国国防部又启动了全球信息系统（GloMo）计划，研究范围几乎覆盖无线通信所有相关领域。在该计划中，对于满足军事需要的、高抗毁灭性的自组织网络技术进行了深入的研究。20世纪90年代以来，民用的系统也逐渐出现了无线自组织网的标准和应用。IEEE 802.11委员会在开发IEEE 802.11标准时，将分组无线电网络改称为Ad Hoc（拉丁语意为专有的、特定的）网络，进一步推动了自组织网络研究的发展。1994年瑞典爱立信公司推出蓝牙技术开发计划，1999年公布了采用自组织网络的蓝牙技术标准。因特网工程任务组（IETF）也成立了一个移动自组织网络工作组（MANET），其主要目标就是针对无线自组织多跳网络开发一种基于IP的路由机制，使得IP扩展到这种自组织的、快速移动的无线网络。这个工作组对自组织网络进行了广泛的研究并推出了一些草案。
近些年来，随着移动通信和计算机技术的发展以及用户需求的不断增长，使自组织网络的研究得到了更为快速的发展。
目前从事自组织网络研究的机构主要有IETF、IEEE组织及DARPA。IETF于1997年成立了专门的研究组——MANET组，针对MANET开发基于IP的路由机制并解决与网络层相关的技术问题。在2000年下半年公布了一系列MANET路由协议草案。IEEE通信分会在2000年成立了专门的MANET技术分委员会。欧洲下一代移动通信系统组织（WWRF）设立了Ad Hoc自组网研究小组，并于2003年发布白皮书对自组织网络进行了总结和展望。欧盟1ST下设了若干采用自组织研究解决车辆之间通信问题的项目，比较重要的有CarTALK2000、FleetNet等。这几个研究机构为无线自组织的发展和应用都作出了重要贡献。国内对移动自组织网的研究和开发起步较晚，目前尚处于理论探讨阶段。
最早提出的SON概念是基于Ad Hoc机制，它无需中心服务器，随时随地动态地形成点对多点的无线网络。在没有热点（Hotspots）、没有网络设施的情况下，以最简便、最快捷的方式自动组成一个无线的网络，实现通信。其核心特征如下。
（1）无中心化和节点之间的对等性。
Ad Hoc网络是一个对等性网络，网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心控制节点（Infrastructureless，不依赖于固定的网络设施）。网络节点既是终端，也是路由器，当某个节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间的节点进行多跳转发（Multi-hop Distributed）。 （2）自发现（Self-Discovering）、自配置（Self-Configuring）、自组织（Self-Organizing）、自治愈（Self-Healing）。
Ad Hoc网络节点能够适应网络的动态变化，快速检测其他节点的存在和探测其他节点的能力集，网络节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征，节点的冗余性和不存在单点故障瓶颈，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性和健壮性。
目前常说的自组织网络一般都是指的上述的Ad Hoc网络，LTE标准中所讨论的SON还是与上述IEEE 802.11 中所讨论的Ad Hoc有很大的区别的，LTE中所说的SON主要是广域网意义上的移动通信网的自配置、自优化与自治愈。3GPP是从LTE R8开始将SON作为一个重要的新特性来讨论并制定标准的。本文仅是对LTE SON，即传统移动通信网的自配置、自优化与自治愈意义上的SON特性进行研究，Ad Hoc意义上的SON不包含。如无特别说明，均是指的LTE SON特性。
在LTE SON特性相关的标准化组织和研究项目中，3GPP是其中影响力最大的；3GPP下属的多个工作组都从不同角度参与了SON特性的讨论和标准化工作，包括RAN2/RAN3/RAN4/SA5，目前主要集中在SA5和RAN3。SA5主要是制定SON操作管理需求和网元与操作维护中心（O&M，Operation and Maintenance）之间的接口标准，RAN3 主要讨论SON用例实现方案，以及为支持SON各用例在X2/S1接口消息和信令过程上需要做的修订。RAN2则根据方案的需要设计增加的RRC层的测量量和测量上报机制等。RAN4负责制定SON相关的测量性能与需求。
尽管在LTE R8标准制定过程中，各家公司也提交了一些文稿来讨论SON方面的需求与方案，但是在2008年年底冻结的R8 标准中，RAN3仅就自配置方面的基本内容达成一致并写入了36.300 v8.7.0中，主要包括：
（1）eNode B与Home eNode B的自启动与初始化配置；
（2）物理层小区标识（Phy_ID，PCI）的分配；
（3）自动邻区关系（ANR，Automatic Neighbour Relations）的建立与更新。
自优化方面的标准化与自配置的进一步细化是在LTE R9 标准制定中完成。RAN3确定了如下4个用例先进行研究：
（1）容量与覆盖优化（CCO，Coverage and Capacity Optimisation）；
（2）移动性健壮优化（MRO，Mobility Robustness Optimisation）；
（3）移动负载均衡（MLB，Mobility Load Balancing）；
（4）RACH优化（RO，RACH Optimisation）。
2009年，SA5开始了自治愈用例的需求探讨，定义了小区故障修复（COC，Cell Outage Compensation）和网元软件自恢复（Self-recovery of NE software）两个用例。同时，在SON议题下还开始了节能（Energy Saving）议题的讨论和评估。
除了3GPP之外，LTE SON 相关的研究组织主要还包括欧盟的SOCRATES 和电信运营商领导的NGMN。SOCRATES是欧盟第7框架下（PF7）下的持续3年的一个项目，从2008年开始到2010年结束，主要成员包括爱立信、沃达丰、诺基亚西门子等，目前输出主要是SON用例、需求与框架等方面，SON各用例的具体方案、算法与仿真等正在陆续开发和输出。NGMN则是由NTT DoCoMo、T-Mobile、沃达丰、中国移动等主流运营商组成，对SON也比较关注，目前输出了有关SON和O&M的需求以及部分用例的研究报告。
国内标准化研究组织主要是CCSA和LTE+国内标准推进组，CCSA对于LTE SON特性已开始了一些初步的研究课题，随着3GPP R9版本标准的完成，国内的SON标准化工作随后将陆续展开。
本用例主要用于在SON的自优化范围内实现覆盖与容量的自优化（CCO）。考虑在LTE部署早期用户数量不会太大，所以容量不是系统性能的瓶颈，而覆盖优化会更重要一些；所以在SON的CCO用例讨论中，初期主要集中于覆盖的自优化。考虑到容量与覆盖之间还是有很大的关联性，因此在用例中，将覆盖优化局限为容量一定条件下的覆盖优化问题，并考虑容量与覆盖均衡问题。
覆盖和容量优化需要考虑以下场景：
① E-UTRAN覆盖漏洞处有2G/3G系统的信号；
② E-UTRAN覆盖漏洞处没有2G/3G系统的信号；
③ E-UTRAN孤岛小区的覆盖范围小于预先规划区域。
覆盖和容量优化用例的需求包括以下几点。
（1）提供优化的覆盖
在LTE系统覆盖区域，根据运营商的需求，用户可以建立并维护可接受的或者缺省的业务质量的连接；这就要求上下行覆盖是连续的，无论处于空闲状态与激活状态的用户都是意识不到小区的边界的。
（2）提供优化的容量
在R9阶段，尽管覆盖优化比容量优化优先级高，但是覆盖优化算法必须考虑到对容量的影响，既然容量与覆盖是紧密相关的，容量与覆盖之间的均衡应该也是优化要考虑的内容之一。
（3）OAM需求
运营商应该可以配置CCO功能的目标，并且可以为不同的网络区域设置不同的CCO功能；同时，应尽可能是用最少的专用资源自动地收集数据作为CCO的输入。
根据需求分析，覆盖和容量优化用例应该包括的功能有检测覆盖空洞，覆盖优化（比如上/下行信道的覆盖优化和上下行信道覆盖的匹配）和覆盖/容量之间的均衡。
由于时间所限，CCO在R9标准上仅进行范围和需求层面的讨论，具体方案和标准化工作有待R10继续完成。
在移动网络中，切换参数设置不合适会严重影响系统性能，恶化用户的服务体验，甚至导致用户掉话。因此，移动性参数自优化是E-UTRAN系统SON所要解决的最重要的问题之一，它要求能够减少切换失败的发生，减少不当切换导致的用户掉话，以及减少不必要的切换，避免这些切换对系统资源的浪费。
移动健壮性优化用例的功能需求包括以下几点。
1．无线功能需求
移动性优化需要解决由于参数不合适而引起的不适当切换，主要包括以下几种场景：
（1）过迟切换；
（2）过早切换；
（3）切换到错误的小区；
（4）乒乓切换；
（5）小区重选参数与切换参数不匹配导致的连接建立后的切换。
2．O&M管理需求
O&M应当能够对移动性优化进行管理和控制，包括如下方面：
（1）移动性自优化的触发条件可以由O&M管理；
（2）移动性自优化功能需要以相关的KPI（Key Performance Indicators）为目标评估自优化前后的性能变化；
（3）O&M可以配置触发移动性优化的KPI值或者性能统计量；
（4）移动性自优化功能的执行策略可以由O&M管理和控制；
（5）O&M能够控制移动性自优化动作的执行是否需要确认，如果需要，O&M能够确认优化动作的执行；
（6）移动性自优化动作的信息需要提供给O&M；
（7）移动性自优化调整后的参数需要实时同步到O&M；
（8）自优化动作的执行结果需要提供给O&M；
（9）自优化的后果需要提供给O&M；
（10）当自优化的结果与预期相反，O&M需要了解产生这种结果的原因，并对执行策略进行相应调整。
移动健壮性优化用例的解决方案可以分为问题检测、计算判决和参数调整几个步骤。其中问题检测是至关重要的一步，也是标准上讨论最多的部分；计算判决部分的重点是算法的设计和验证；参数调整是指切换（及小区重选）参数的自动调整。
下面将详细讨论问题检测，这部分内容是3GPP RAN3 SON项目在2009年的工作重点之一。
1．过迟切换检测
若切换参数设置不合适，结果直到UE即将或已经离开原来的服务小区范围，都没有触发切换或者虽然触发但没有及时完成，导致发生失败。随后UE尝试恢复连接，在另一个小区重建无线连接。这是典型的过迟切换的场景。
判断过迟切换的准则是，UE在切换触发之前或者在切换过程中发生无线链路失败（RLF，Radio Link Failure），并且随后在不同于原服务小区的另一个小区中重建无线连接。如果是在切换过程中发生无线链路失败，那么这个小区是指切换目标小区。
2．过早切换检测
在某些情况下，由于切换参数设置得过于激进，使UE在目标小区信号并不是很好的时候就进行了切换，导致切换后很快发生RLF；或者UE无法接入目标小区导致切换失败。随后UE尝试恢复连接，UE选择切换前的源小区重建无线连接。这是典型的过早切换的场景。
对于过早切换的判断，需要特别注意的一点是，切换之后紧跟着发生RLF，两个事件的间隔很短，这说明切换的目标小区信号并不稳定连续，在此位置不适合提供服务，刚刚进行的切换操之过急，应当继续停留在原有的服务小区。如果切换完成后经过相当长时间发生了RLF，那么意味着这两个事件之间其实没有联系，因此不能判断为过早切换。
为了支持过迟和过早切换问题的检测，O&M需要配置一个时间参数，即从切换完成到发生RLF的间隔。
3．切换到错误小区检测
在切换准备时，源基站决策算法选择的目标小区不一定是最优的，这可能是由于不同邻区的个性偏移参数设置不合理造成的。若目标选择错误（或者非最优）时，UE接入目标小区的动作可能不成功，或者UE虽然能接入目标小区但很快就发生无线链路失败，随后UE尝试恢复连接，UE选择的重建无线连接的小区既非源小区，亦非目标小区，而是一个第三方小区。这可能意味着原来选择的切换目标不适当。这种切换目标错误问题的检测准则为，UE在切换过程中发生无线链路失败，而后在一个第三方小区（既非源小区、亦非目标小区）重建连接。
4．乒乓切换检测
乒乓切换的检测主要是基于基站之间交换的UE历史信息。
针对两个相邻小区之间的乒乓切换的检测准则为，在一段监测时间内，从小区A切换到小区B的次数以及反向的切换次数都超过基站预设的门限；或者对于这些切换，UE切换到目标小区后每次停留的时间都很短，小于预设的时间阈值。
5．小区重选参数与切换参数不匹配的检测
如果小区重选参数跟切换参数设置得不匹配，那么就会发生UE刚建立无线连接后在很短的时间内立即发生切换的现象，这是因为基于不同的判决准则和参数，UE在空闲状态下自主选择的小区和在连接状态下网络选择的小区不同。
负荷均衡的目的是在小区之间均匀分布小区负荷或者从拥塞小区中转移部分UE至其他小区。可以通过采用移动性参数的自优化或者切换行为来达到该目的。
针对小区和其邻区负荷的自优化Intra-LTE 和Inter-RAT移动性参数，相比于不优化重选或者切换参数可以改善系统的容量。这种优化可以将网络管理和优化任务中的人工干预降至最低水平。
负荷均衡算法需要包括如下4个基本部分。
（1）算法对小区的负荷状态进行监控，并需要与邻节点通过X2或者S1接口交互负荷 信息。
负荷信息报告功能用于在X2（Intra-LTE场景）或者S1（Inter-RAT场景中）交换两个相邻eNode B之间特定小区的负荷信息。负荷信息包含如下：
① 无线资源状态（上行/下行GBR业务的PRB利用率、上行/下行的NGBR业务的PRB利用率，上行/下行的总的PRB利用率）；
② 硬件负荷指示（上行/下行硬件负荷：低、中、重和过载）；
③ S1 TNL负荷指示（上行/下行硬件负荷：低、中、重和过载）；
④ 小区的容量等级值（上行/下行相对的容量指示：当映射小区容量到这个值时相同的标准应用于EUTRAN、UTRAN和GREAN）；
⑤ 可用的负荷值（上行/下行可用于负荷均衡的容量占小区总容量的百分比）。
（2）算法根据需要将负荷转移到邻节点或者共址小区。
源小区可以初始化基于负荷的切换。目标基站执行用于负荷均衡切换的接纳控制。移动负荷均衡行为相关的切换准备应当与其他切换有所区别，因此目标小区应当采用合适的接纳控制。
（3）当算法估计到相关的切换参数要发生改变时，为了避免产生乒乓问题，与之相关的两个eNode B需要进行切换参数的协商。
该功能需要请求修改目标小区的切换和/或重选参数。源小区初始化负荷均衡需要估计它是否需要改变在源小区和/或目标小区的移动参数配置。如果需要改变，源小区触发与目标小区的移动性参数协商过程。
源小区需要通知目标小区关于新的移动性参数的设置以及改变的理由。小区重选参数配置也可以被改变以反映切换参数的变化，反之则亦然。需要注意的是，切换参数以及重选参数的改变都必须在O&M的配置范围之内。
（4）源小区与目标小区对更新参数确认后完成参数的更新。
R9版本主要完成了Intra-LTE场景的负荷定义、参数协商过程。未来的R10的版本将继续完善Inter-RAT场景中的负荷均衡的解决方法。
在负荷均衡过程中，O&M需要设置SON相关参数的工作范围，例如切换参数、小区重选参数等，实现的算法必须使所有参数的可变范围在一个特定的范围内。此外，对于O&M，还有如下的功能需求：
① 可以打开或者关闭负荷均衡功能开关；
② 可以获知eNode B的负荷信息；
③ 可以允许或者禁止源小区到目标小区的负荷均衡功能。
RACH的参数配置直接影响RACH上的冲突概率、呼叫建立成功率和切换成功率，这也使它成为影响呼叫建立时延、上行数据重发时延和切换时延的重要因素；为RACH分配的资源的数量也会影响到系统容量；不合理的RACH配置还可能会导致Preamble 检测概率降低和覆盖受限；因此，RACH参数优化将对网络容量和通信质量带来益处。
RACH参数的配置取决于很多因素，比如来源于PUSCH的小区间上行干扰、RACH的负荷、RACH占用的上行信道资源、分配给小区的Preamble参数、小区覆盖范围的话务模型和人口分布和小区信道环境是否处于高速模式等。RACH优化就是要检测这些条件的变化，及时更新相应的参数，提高系统的性能和容量。
RACH优化的用例需求包括以下几点。
（1）最小化系统中所有UE的接入时延：即接入的Preamble信号必须保证足够的功率使得eNode B能够识别，保证有足够的Preamble可供UE接入使用，减少碰撞的几率。
（2）最小化由RACH和PUSCH引起的上行干扰，因此RACH的功率设置不能过高。
（3）最小化RACH接入尝试之间的干扰：协调邻区之间的配置，尽量减少RACH序列和频率之间的重叠；选择和UE移动速率相关的参数。
RACH优化功能就是要自动设置与RACH性能有关的一些参数，包括RACH配置参数（即资源单元分配）；RACH Preamble划分（dedicated，random-high，random-low）；RACH回退参数；RACH发射功率控制参数。
RACH优化在标准上讨论的一种可选方案是依赖于接入概率和接入时延的统计。因此，需要UE报告一些必要的信息，以便eNode B估计以下指标：
（1）接入概率AP(m)（AP，Access Probability）的含义是在尝试了m次随机接入后成功的概率；
（2）接入时延概率ADP(t)（ADP，Access Delay Probability），表示接入延时小于t的概率；
（3）接入时延（Access delay）作为性能指标，其含义是从初始接入尝试开始到接入成功的时间。
为了估计AP和ADP，UE需要报告在成功接入之前发送Preamble的次数。UE会重复尝试接入，一方面是由于eNode B没有检测到Preamble引起的；另一方面也可能是由于竞争解决失败而没有获得接入。因此，为了准确估计检测失败概率，需要把因竞争失败引起的接入尝试次数排除，因为这些接入虽然也会做功率爬升，但并不是由功率不足导致的。为了区分这两种情况，UE要报告在随机接入过程中是否发生竞争失败的指示。
