IMT—Advanced系統自組織網絡方案研究

化冬梅　馮春杰

主要研究具有自主管理功能的自組網網絡架構、典型應用場景等關鍵內容。其中，具有自主管理功能的SON網絡架構主要考慮自主管理體系架構的選取以及SON和網絡管理之間的接口設計；典型應用場景是對最能突出體現IMT-Advanced特征、SON作用的應用場景的概括和提煉。

This paper mainly focuses on the network architecture and typical application scenarios of self-organizing network （SON） which is featured by independent management function. Specifically， the selection of independent management system architecture and the interface design between SON and network management are considered in depth. Typical application scenarios are the generalization and abstraction which best present the features of IMT-Advanced system and the effect of SON.

IMT-Advanced self-organizing network network architecture application scenarios

1 引言

將自組網（SON，Self-Organizing Network）引入IMT-Advanced系統的主要目的是為了適應新技術的需求，增強網絡的自我組織能力，簡化無線網絡設計和網絡運維難度，實現網絡的自配置（Self-Configuration）、自優化（Self-Optimization）和自治愈（Self-Healing），以適合下一代寬帶移動通信系統的技術和業務需求。

目前3GPP和IEEE 802.16標準組織都展開了對SON的標準化研究工作，重點是聯合網管協議和規范，針對3G、3G長期演進系統（LTE）、移動WiMAX等系統的網絡自配置和網絡自優化的技術需求及技術方案進行標準化工作，以解決現有無線網絡規劃和優化的各種問題，但對網絡自治愈的標準化工作或者相關研究工作還較少。IMT-Advanced系統采用的無線中繼、家庭基站、多點協作傳輸、載波聚合、更復雜的多輸入多輸出（MIMO）等先進技術會改變傳統無線網絡的拓撲結構，帶來資源池擴大、載波資源增加、調度協調節點數量膨脹等問題，如何根據網絡負荷的實時變化自動進行干擾減少、容量優化、節能降耗等問題，需要依靠SON來解決。IMT-Advanced系統的SON方案主要研究具有自主管理功能的SON網絡架構、典型應用場景等關鍵內容[1]。

2 SON自主管理功能

IMT-Advanced系統的SON功能包括網絡自動配置、自動優化、自動修復等管理活動，都依賴于網絡的自主管理功能。自主管理的目的是有效減少人工干預，提高操作的實時性和靈活性，為下一代寬帶通信網絡的運營和維護提供一種有別于2G/3G系統的高效、低成本的智能化管理手段。IMT-Advanced系統的SON三大功能與網絡運營管理（OAM，Operation Administration and Maintenance）模塊之間都存在聯系，如圖1所示，進行自優化決策必須的信息交互，通過相互間的接口傳輸。

在具體進行自主管理時，執行自主管理的功能由“監測-分析-規劃-執行”自主控制環（ACL，Autonomic Control Loop）來組成，如圖2所示。ACL由自主管理者（AM，Autonomic Manager）控制，AM通過感應器完成與被管資源以及外部環境的狀態/協作信息交互，AM和被管資源通過效應器接收來自上級管理者的管理（如高層策略或優化配置信息）。對于自主網元（ANE，Autonomic Network Element）的自主管理系統，其被管資源即為被管網元本身；對于包含眾多自主網元的自主管理網絡（AN，Autonomic Networking），其被管資源為眾多的ANE及其所管理的資源。被管資源須提供標準化的接口，每個接口對應1個傳感器/效應器組[2]。

3 SON網絡架構

目前SON的網絡架構主要包括3種：集中式、分布式和混合式[3]。下面將針對這3種網絡架構的特點進行簡要介紹。

3.1 集中式體系架構

如圖3所示，在集中式SON架構中，網絡的自配置、自優化和自治愈算法是在OAM中進行，基站需要將測量狀態及數據上報至OAM，隨后從OAM獲得計算得到的配置和優化參數。集中式SON架構的優勢是能夠獲取大范圍數據，從而能夠在配置和優化運算時綜合更為全面的因素，將相互沖突的可能性降到最小，以得到最為合理和高效的解決方案。但是在集中式的架構中，SON的功能實體只存在于較少的網元中，所以在對海量數據進行處理時，就要面臨算法復雜度高、處理速度較慢等情況，這對處理設備的運算能力和可靠性提出了更高的要求。除此之外，由于具備SON的節點數目較少，也增加了數據采集和分發的時延，在一定程度上影響了SON的性能增益。

在LTE建網初期需經常進行大規模網絡集中優化，因此集中式體系架構較為適合，這種架構能最大程度地提升效率并減少相互沖突情況的發生，使網絡質量盡快得到提升。

3.2 分布式體系架構

如圖4所示，在分布式SON體系架構中，所有的SON功能都分布在eNB中，這不僅可以有效地提高數據處理的速度和效率，而且對于處理后的數據也可以實現快速分發和使用，有利于體現SON的功能和優勢。然而，由于分布式SON架構中節點可以獲取的數據量有限，且基站間彼此難協調，因此該架構較難支持大規模的優化方案，并且也在較大程度上增加了網絡的部署成本。endprint

當LTE網絡趨于成熟穩定，不再頻繁進行大規模網絡集中優化而是更注重局部地區的精細優化時，則分布式體系架構更為適合，這種架構能夠兼顧優化的速度和效率。

3.3 混合式體系架構

如圖5所示，在混合式SON網絡架構中，SON功能存在于OAM系統和eNB中，因此可以同時利用集中式SON和分布式SON的優點，而避免兩者的缺點。在進行大規模網絡優化時，可以使用集中式SON獲取更加合理的優化數據；在進行局部小范圍網絡優化時，可以使用分布式SON來加速實現自優化功能。

現網宜采用混合式架構，這種架構能夠兼顧集中式和分布式架構的優點，既可以進行大規模的網絡集中優化，又可以進行局部小范圍網絡的精細優化，使優化手段更為豐富，是網絡質量提升的有效保證。

4 典型應用場景

4.1 多系統共存場景

在圖6所示的多系統共存場景中，可以看出2G/3G系統（GSM/TD-SCDMA）、3G短期演進系統（TD-HSPA/HSPA+）、3G長期演進系統（TD-LTE）和IMT-Advanced系統有可能同時存在。由于不同的系統之間采用的傳輸技術、傳輸協議和系統架構都各不相同，使得系統之間存在比較明顯的相互影響。在這種場景下，IMT-Advanced設備的規劃、部署、運行都需要考慮到不同系統的影響，因此導致部署周期變長、優化難度增大。這種場景下的SON協議設計，有利于未來大范圍組網的成本控制和性能提升[4]。

4.2 家庭式基站組網場景

從圖7可以看出，在家庭式基站組網場景中，用戶在網絡組建中的作用增加，運營商對于新增設備的可操作程度降低，基本上需要用戶獨立地完成網絡構建。一方面，如果用戶對于網絡設備不熟悉，就有可能無法正確地安裝使用設備，導致用戶體驗下降；另一方面，如果用戶對于設備參數配置不正確，就有可能對周圍正在正常工作的網絡設備造成嚴重影響，降低整個網絡的性能。因此，對于家庭式基站組網場景，一定要完善SON功能，使用戶能夠輕松地安裝使用設備，享受高質量的網絡服務，同時保證整個網絡的性能維持在較好的水平[5]。

4.3 中繼站組網場景

如圖8所示，中繼是IMT-Advanced系統新引入的網絡節點類型。引入中繼的目的主要是為了擴展宏基站的覆蓋范圍，提升小區容量。中繼的加入使得傳統的長距離單跳通信變成了短距離兩跳通信，從而能夠顯著改善小區邊緣性能。作為一種新型網絡節點，中繼的自配置、自優化、自治愈必然是研究重點，并且需要在標準化的工程中進行討論和規范。結合中繼自身在數據轉發和干擾控制方面的特點，設計高效合理的SON流程是亟需解決的問題[6]。

4.4 多層式IMT-Advanced混合覆蓋場景

綜合圖9所示場景，在IMT-Advanced系統中存在著多層混合覆蓋的網絡場景，即在一定范圍的地理區域內，存在著宏基站、中繼站、家庭式基站重復覆蓋的情況。考慮到IMT-Advanced系統的同頻組網目標，這種混合覆蓋必然會造成不同覆蓋區域之間的相互影響，使得任何網絡設備的增加、開啟、關閉、故障都可能對系統整體性能造成影響。在這種場景下，網絡的自配置、自優化和自治愈功能顯得尤為重要，這也是IMT-Advanced在SON標準化過程中必須討論和研究的問題[7]。

5 總結

本文主要研究了具有自主管理功能的自組網網絡架構、典型應用場景等關鍵內容，未來需要對IMT-Advanced系統SON技術從產業應用、標準化推進和關鍵技術研發等方面進行全面推進，將進一步在SON流程設計和協議設計方面進行研究。

參考文獻：

[1] 李莉，彭木根. 下一代寬帶移動通信系統中的網絡自組織技術[J]. 電信技術， 2010（5）： 71-73.

[2] SOCRATES. Self-Optimisation and Self-Configuration in Wireless Networks， European Research Project[EB/OL]. [2014-07-25]. http：//www.fp7-socrates.eu.

[3] 3GPP TR 36.902 V9.3.1. Self-Configuring and Self-Optimizing Network （SON） Use Cases and Solutions[S]. 2010.

[4] Dimou K， Min Wang， Yu Yang， et al. Handover with 3GPP LTE： Design Principles and Performance[A]. Vehicular Technology Conference Fall（VTC 2009-Fall）[C]. IEEE 70th， 2009： 267.

[5] N Scully. Review of Use Cases and Framework II[S]. Deliverable 2.6 EU-Project SOC-RATES， 2009.

[6] NGMN. Use Cases Related to Self Organising Network Overall Description[S]. 2007.

[7] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE——UMTS長期演進理論與實踐[M]. 馬霓，鄔鋼，張曉博，等譯. 北京： 人民郵電出版社， 2009.endprint

當LTE網絡趨于成熟穩定，不再頻繁進行大規模網絡集中優化而是更注重局部地區的精細優化時，則分布式體系架構更為適合，這種架構能夠兼顧優化的速度和效率。

3.3 混合式體系架構

如圖5所示，在混合式SON網絡架構中，SON功能存在于OAM系統和eNB中，因此可以同時利用集中式SON和分布式SON的優點，而避免兩者的缺點。在進行大規模網絡優化時，可以使用集中式SON獲取更加合理的優化數據；在進行局部小范圍網絡優化時，可以使用分布式SON來加速實現自優化功能。

現網宜采用混合式架構，這種架構能夠兼顧集中式和分布式架構的優點，既可以進行大規模的網絡集中優化，又可以進行局部小范圍網絡的精細優化，使優化手段更為豐富，是網絡質量提升的有效保證。

4 典型應用場景

4.1 多系統共存場景

在圖6所示的多系統共存場景中，可以看出2G/3G系統（GSM/TD-SCDMA）、3G短期演進系統（TD-HSPA/HSPA+）、3G長期演進系統（TD-LTE）和IMT-Advanced系統有可能同時存在。由于不同的系統之間采用的傳輸技術、傳輸協議和系統架構都各不相同，使得系統之間存在比較明顯的相互影響。在這種場景下，IMT-Advanced設備的規劃、部署、運行都需要考慮到不同系統的影響，因此導致部署周期變長、優化難度增大。這種場景下的SON協議設計，有利于未來大范圍組網的成本控制和性能提升[4]。

4.2 家庭式基站組網場景

從圖7可以看出，在家庭式基站組網場景中，用戶在網絡組建中的作用增加，運營商對于新增設備的可操作程度降低，基本上需要用戶獨立地完成網絡構建。一方面，如果用戶對于網絡設備不熟悉，就有可能無法正確地安裝使用設備，導致用戶體驗下降；另一方面，如果用戶對于設備參數配置不正確，就有可能對周圍正在正常工作的網絡設備造成嚴重影響，降低整個網絡的性能。因此，對于家庭式基站組網場景，一定要完善SON功能，使用戶能夠輕松地安裝使用設備，享受高質量的網絡服務，同時保證整個網絡的性能維持在較好的水平[5]。

4.3 中繼站組網場景

如圖8所示，中繼是IMT-Advanced系統新引入的網絡節點類型。引入中繼的目的主要是為了擴展宏基站的覆蓋范圍，提升小區容量。中繼的加入使得傳統的長距離單跳通信變成了短距離兩跳通信，從而能夠顯著改善小區邊緣性能。作為一種新型網絡節點，中繼的自配置、自優化、自治愈必然是研究重點，并且需要在標準化的工程中進行討論和規范。結合中繼自身在數據轉發和干擾控制方面的特點，設計高效合理的SON流程是亟需解決的問題[6]。

4.4 多層式IMT-Advanced混合覆蓋場景

綜合圖9所示場景，在IMT-Advanced系統中存在著多層混合覆蓋的網絡場景，即在一定范圍的地理區域內，存在著宏基站、中繼站、家庭式基站重復覆蓋的情況。考慮到IMT-Advanced系統的同頻組網目標，這種混合覆蓋必然會造成不同覆蓋區域之間的相互影響，使得任何網絡設備的增加、開啟、關閉、故障都可能對系統整體性能造成影響。在這種場景下，網絡的自配置、自優化和自治愈功能顯得尤為重要，這也是IMT-Advanced在SON標準化過程中必須討論和研究的問題[7]。

5 總結

本文主要研究了具有自主管理功能的自組網網絡架構、典型應用場景等關鍵內容，未來需要對IMT-Advanced系統SON技術從產業應用、標準化推進和關鍵技術研發等方面進行全面推進，將進一步在SON流程設計和協議設計方面進行研究。

參考文獻：

[1] 李莉，彭木根. 下一代寬帶移動通信系統中的網絡自組織技術[J]. 電信技術， 2010（5）： 71-73.

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[4] Dimou K， Min Wang， Yu Yang， et al. Handover with 3GPP LTE： Design Principles and Performance[A]. Vehicular Technology Conference Fall（VTC 2009-Fall）[C]. IEEE 70th， 2009： 267.

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[7] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE——UMTS長期演進理論與實踐[M]. 馬霓，鄔鋼，張曉博，等譯. 北京： 人民郵電出版社， 2009.endprint

當LTE網絡趨于成熟穩定，不再頻繁進行大規模網絡集中優化而是更注重局部地區的精細優化時，則分布式體系架構更為適合，這種架構能夠兼顧優化的速度和效率。

3.3 混合式體系架構

如圖5所示，在混合式SON網絡架構中，SON功能存在于OAM系統和eNB中，因此可以同時利用集中式SON和分布式SON的優點，而避免兩者的缺點。在進行大規模網絡優化時，可以使用集中式SON獲取更加合理的優化數據；在進行局部小范圍網絡優化時，可以使用分布式SON來加速實現自優化功能。

現網宜采用混合式架構，這種架構能夠兼顧集中式和分布式架構的優點，既可以進行大規模的網絡集中優化，又可以進行局部小范圍網絡的精細優化，使優化手段更為豐富，是網絡質量提升的有效保證。

4 典型應用場景

4.1 多系統共存場景

在圖6所示的多系統共存場景中，可以看出2G/3G系統（GSM/TD-SCDMA）、3G短期演進系統（TD-HSPA/HSPA+）、3G長期演進系統（TD-LTE）和IMT-Advanced系統有可能同時存在。由于不同的系統之間采用的傳輸技術、傳輸協議和系統架構都各不相同，使得系統之間存在比較明顯的相互影響。在這種場景下，IMT-Advanced設備的規劃、部署、運行都需要考慮到不同系統的影響，因此導致部署周期變長、優化難度增大。這種場景下的SON協議設計，有利于未來大范圍組網的成本控制和性能提升[4]。

4.2 家庭式基站組網場景

從圖7可以看出，在家庭式基站組網場景中，用戶在網絡組建中的作用增加，運營商對于新增設備的可操作程度降低，基本上需要用戶獨立地完成網絡構建。一方面，如果用戶對于網絡設備不熟悉，就有可能無法正確地安裝使用設備，導致用戶體驗下降；另一方面，如果用戶對于設備參數配置不正確，就有可能對周圍正在正常工作的網絡設備造成嚴重影響，降低整個網絡的性能。因此，對于家庭式基站組網場景，一定要完善SON功能，使用戶能夠輕松地安裝使用設備，享受高質量的網絡服務，同時保證整個網絡的性能維持在較好的水平[5]。

4.3 中繼站組網場景

如圖8所示，中繼是IMT-Advanced系統新引入的網絡節點類型。引入中繼的目的主要是為了擴展宏基站的覆蓋范圍，提升小區容量。中繼的加入使得傳統的長距離單跳通信變成了短距離兩跳通信，從而能夠顯著改善小區邊緣性能。作為一種新型網絡節點，中繼的自配置、自優化、自治愈必然是研究重點，并且需要在標準化的工程中進行討論和規范。結合中繼自身在數據轉發和干擾控制方面的特點，設計高效合理的SON流程是亟需解決的問題[6]。

4.4 多層式IMT-Advanced混合覆蓋場景

綜合圖9所示場景，在IMT-Advanced系統中存在著多層混合覆蓋的網絡場景，即在一定范圍的地理區域內，存在著宏基站、中繼站、家庭式基站重復覆蓋的情況。考慮到IMT-Advanced系統的同頻組網目標，這種混合覆蓋必然會造成不同覆蓋區域之間的相互影響，使得任何網絡設備的增加、開啟、關閉、故障都可能對系統整體性能造成影響。在這種場景下，網絡的自配置、自優化和自治愈功能顯得尤為重要，這也是IMT-Advanced在SON標準化過程中必須討論和研究的問題[7]。

5 總結

本文主要研究了具有自主管理功能的自組網網絡架構、典型應用場景等關鍵內容，未來需要對IMT-Advanced系統SON技術從產業應用、標準化推進和關鍵技術研發等方面進行全面推進，將進一步在SON流程設計和協議設計方面進行研究。

參考文獻：

[1] 李莉，彭木根. 下一代寬帶移動通信系統中的網絡自組織技術[J]. 電信技術， 2010（5）： 71-73.

[2] SOCRATES. Self-Optimisation and Self-Configuration in Wireless Networks， European Research Project[EB/OL]. [2014-07-25]. http：//www.fp7-socrates.eu.

[3] 3GPP TR 36.902 V9.3.1. Self-Configuring and Self-Optimizing Network （SON） Use Cases and Solutions[S]. 2010.

[4] Dimou K， Min Wang， Yu Yang， et al. Handover with 3GPP LTE： Design Principles and Performance[A]. Vehicular Technology Conference Fall（VTC 2009-Fall）[C]. IEEE 70th， 2009： 267.

[5] N Scully. Review of Use Cases and Framework II[S]. Deliverable 2.6 EU-Project SOC-RATES， 2009.

[6] NGMN. Use Cases Related to Self Organising Network Overall Description[S]. 2007.

[7] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE——UMTS長期演進理論與實踐[M]. 馬霓，鄔鋼，張曉博，等譯. 北京： 人民郵電出版社， 2009.endprint