LTE基站系统的自动软件加载技术研究

朱晓光

（中兴通讯股份有限公司 深圳 518057）

1 前言

随着移动互联网服务的快速发展，移动通信技术不断演进，从基于电路域的2G技术演进到基于电路域和分组域的3G技术，再到当前完全基于分组域的移动宽带LTE技术，以满足用户日益增长的移动互联网服务需求。从提高用户体验的角度来看，一方面移动通信空口带宽从窄带向宽带的演进提升了无线传输速率；另一方面简化移动网络架构降低了系统时延，提高了响应速度。因此到了LTE阶段，除了无线空口宽带化外，网络采用基于全IP的扁平化架构，如图1所示。LTE网元由演进基站（eNode B）、移动管理实体（MME）和服务网关（SGW）组成。其中MME负责移动性管理、非接入层信令的处理、用户的移动管理、上下文的管理等控制面相关工作；SGW负责UE用户面数据的传送、转发和路由切换等；eNode B之间通过X2接口互相连接，用于支持UE在整个网络内的移动性，保证移动用户的无缝切换；每个eNode B通过S1接口连接到核心网，即通过控制面S1-MME接口与MME相连，通过用户面S1-U接口与SGW相连，S1接口支持eNode B与MME和SGW之间的多点连接，即S1-flex。与2G和3G网络架构相比，LTE网络中没有基站控制器或无线网控制器这类基站汇聚网元，但是基站之间却多了X2接口，该接口既支持控制面也支持用户面协议，满足了基站之间协商和数据传输的需求。

图1 LTE网络架构

移动通信技术发展到LTE阶段，引入了自组织网络（self-organizing network，SON）技术，主要是无线接入实现宽带化，但是持续走低的资费，使移动运营商面临越来越大的成本挑战，进而越来越重视如何降低OPEX。如果还采用传统的人工参与网络运维，如安装、配置、网络优化等，其工作量会极大、人工成本会极高，为此一些主流国际运营商在NGMN提出了SON的需求，并通过3GPP逐步实现标准化。SON技术可以提供自动安装、配置、优化、维护等功能，减少人工参与，使日常运维工作更加合理。SON的目标是降低OPEX，其特征是自主、自适应、自动化和智能化，尽可能减少人工参与，其功能包括自配置、自优化、自愈和网管SON。

移动通信基站系统的软件加载（包括软件升级）是移动网络运维过程中必不可少的动作，无论是2G、3G还是LTE，都需要软件版本升级更新。SON要求基站系统的软件版本加载在不影响当前业务的情况下实现自动化和高效率，但在2G和3G基站系统中，其O&M系统都采用人工参与方式配置和维护，不但维护成本高，而且加载效率也极其低下，本文针对LTE基站系统软件加载提出了自动化和高效率的加载方案，在不影响网络性能和服务的前提下，减少人工干预，降低运维成本。

2 LTE基站系统软件加载的SON架构

图2 LTE基站系统的自动软件加载SON架构

图3 集中式架构串行版本加载

LTE基站系统的软件自动加载SON架构可以有两种，包括集中式和混合式，如图2所示。在集中式架构中，软件加载功能集中在O&M，由O&M负责逐一为基站加载软件，即串行加载方式，在传统的2G和3G基站系统中就使用此种软件加载方案，当然LTE基站系统也可以采用这种方案，如图3所示，O&M的版本管理逐一向各基站加载版本，配置管理逐一向各基站加载其配置数据。集中式架构的缺点是在整个网络中，尤其是基站较多的情况下，受版本服务器传输带宽的影响，虽然可以实现批量基站软件加载，但加载的时间长，而且如果加载过程中软件版本服务器或设备的传输链路发生故障，就会导致软件加载不能继续维持。在混合式架构中，软件加载功能分布在O&M和各基站上，两种网元都能实施软件加载功能，即O&M给基站加载软件，已加载版本基站也可以给相邻未加载版本基站加载软件，多个网元参与软件加载，这是一种并行软件加载方式，在高效率的软件加载的同时，基站的软件加载也不再集中受控于O&M。

到了LTE阶段，由于网络架构的扁平化，且基站之间有X2接口，因此可以通过X2接口实现基站之间的软件加载。已加载软件的基站可以把这种加载方式认为是软件版本的代理服务器，向相邻未加载软件的基站实施软件加载。如图4所示的基于混合架构的并行软件加载，不同标号的线表示不同的软件加载时间窗，在第1个时间窗内，通过O&M向eNode B1加载软件；在第2个时间窗内，O&M向eNode B2加载软件，同时eNode B1向eNode B4加载软件；在第3个时间窗内，O&M向eNode B7加载软件，同时eNode B1向eNode B3加载软件，eNode B4向eNode B5加载软件，如此这样每次以基站翻番的数量加载，最理想的加载数量为2N-1，其中N表示加载时间窗的数量。

图4 基于分布式架构的并行自动软件加载

将两种软件加载SON架构的效率对比一下，假定每个基站软件加载的时间是T，无论是O&M还是基站，每个时间窗只加载一个基站，如果有127个待加载版本基站，则集中式架构加载的总时间是127T，而分布式架构加载的理想总时间为7T（27-1=127），7T远远小于127T，因此分布式架构效率远高于集中式架构，而待加载软件基站数量越多，效果越明显。

3 基于X2的并行软件加载控制流程

基于混合式架构的LTE基站软件加载，除了采用O&M版本管理服务器向eNode B加载软件外，还同时采用eNode B之间的X2接口实现eNode B软件的并行自动加载；进一步地说，就是基于eNode B相邻关系信息，eNode B通过X2接口向相邻eNode B实施软件加载，因此整个LTE网络的基站软件加载由O&M和eNode B共同完成，以eNode B为主。基于X2的并行自动软件加载流程如图5所示。

其具体实施步骤如下所述。

图5 基于X2的并行软件加载控制流程

（1）在O&M版本管理服务器侧，需要根据需求进行版本加载规划，涉及规划待加载的eNode B由O&M或具体的相邻eNode B负责加载、eNode B向该相邻eNode B加载，即版本加载次序和前后关系，O&M向对应的eNode B发送软件加载信息。

（2）O&M根据规划的加载次序向对应的eNode B1发送软件加载指示信息，eNode B1向O&M的版本服务器发送软件加载请求消息，O&M在回应版本加载应答消息后，向eNode B1发送软件版本，加载完成后，eNode B1向O&M发送加载完毕的消息，O&M收到该消息后则向eNode B1发送其配置文件。

（3）eNode B1软件加载完毕后，根据软件加载信息通过X2接口向相邻eNode B2发送软件加载指示信息，eNode B2向eNode B1发送版本加载请求消息，eNode B1回应版本应答消息后，通过X2接口向eNode B2加载软件版本，加载完成后，eNode B2则分别向eNode B1和O&M发送加载完毕消息，O&M收到该消息后则向eNode B2发送其配置文件。

（4）根据版本加载规划，多个已加载版本的基站与未加载版本相邻基站并行重复执行步骤 （3），当然步骤（2）（通过O&M对未加载基站加载版本）与步骤（3）可以并行加载，提高版本加载效率。

（5）O&M汇总软件加载完毕的基站信息，并与规划的待加载eNode B核对，如果有遗漏的eNode B没有加载，一方面可以通过步骤（2）完成，直至加载完毕；另一方面修订版本加载规划，避免下次出现遗漏等异常加载情况。

自动软件版本加载过程中，出现链路或设备异常导致加载失败时，基站系统及时输出告警通知信息，避免遗漏。

4 基于X2的软件自动加载规划

基于X2的软件自动加载，如果不规划软件加载关系，容易发生“乒乓”效应，即已加载完毕的eNode B可能收到来自相邻eNode B的再加载指示或加载确认，容易导致整个网络基站的加载处于无序状态，这种重复加载和确认反而使加载效率降低。为了使整个网络中基站软件的加载有序、有效和高效，需要根据基站之间的关系进行规划。

基于X2的软件自动加载技术依赖于LTE相邻基站之间的X2接口，但在实际网络覆盖规划中，因基站的位置关系，并不是每个基站与其他任意一个基站都有X2接口，只有相邻且保持移动性关系的基站才有X2接口，因此软件加载要根据配置管理邻区（基站）关系，再根据版本加载策略，输出版本加载规划，如图6所示。版本加载规划决定了每个未加载软件基站的版本数据来源，可以是O&M或相邻基站，也决定了每个已加载软件基站具体向那个相邻未加载基站加载版本，即上下游关系，是O&M向基站、基站向相邻基站软件并行加载，同时保证有次序，这样才能提高网络系统软件加载效率。自动加载规划也要充分考虑加载过程中的异常情况，如基站给相邻未加载软件基站加载软件过程中出现加载失败时，需要及时处理，例如通过O&M直接对其进行加载。

图6 基于X2的并行软件加载规划

软件加载策略的主要目的是为版本加载规划提供高效率软件加载的方法。如图7所示为一种基于地理位置关系的软件加载策略，主要针对O&M先对eNode B加载的次序，该策略是O&M首先向LTE网络中间的eNode B和网络周边的eNode B加载软件，之后这些已加载软件的eNode B通过X2接口向相邻eNode B加载软件，因此周边的eNode B加载软件向内收敛，而中间的eNode B向外扩展，这种并行加载策略充分利用了基站在网络中的地理位置关系，实现高效加载。当然实际网络中，根据基站的部署和网络覆盖的形状差异，采取的具体策略也不同。而对于一些可能的特例，如“孤岛”覆盖方式的基站，根本就没有X2接口，这种情况也只能通过O&M直接实施软件加载。

图7 一种基于地理位置关系的软件加载规划策略

5 结束语

软件加载是移动通信基站商用运营中必不可少的运维活动，高效自动软件加载是网络运维追求的目标，LTE的全IP扁平网络架构，提供了一种高效软件加载技术，即基于基站间X2接口实现基站加载的方法，这种基于邻区关系，通过X2接口实现eNode B之间并行自动软件加载的方法，除了提高加载效率外，还降低对O&M版本服务器的依赖，在无缝覆盖网络中，只要网络中一个eNode B加载了软件，即使eNode B与O&M版本服务器的物理链路出现故障，也能完成其他eNode B的软件加载。当然，网络中待软件加载的eNode B数量越多，软件加载效率越明显；如果软件加载次序规划合理，使更多基站执行并行软件加载，则加载效率将更高。

1 3GPP TS 36.300.E-UTRA and E-UTRAN,Overall Description,2010

2 谢大雄,朱晓光,江华.移动宽带技术——LTE.北京:人民邮电出版社,2012

3 NGMN Recommendation on SON and O&M Requirements

4 陈欧.LTE自组织管理网络（SON）.信息与电脑,2009(9):41～42

5 赵绍刚,李岳梦.3GPP LTE的运维新策略——自组织网络.电信快报,2009(6):3～6

6 3GPP TS 32.500.Telecommunication Management;Self-organizing Networks(SON);Concepts and Requirements,2008