IMT—Advanced系统自组织网络方案研究

化冬梅　冯春杰

主要研究具有自主管理功能的自组网网络架构、典型应用场景等关键内容。其中，具有自主管理功能的SON网络架构主要考虑自主管理体系架构的选取以及SON和网络管理之间的接口设计；典型应用场景是对最能突出体现IMT-Advanced特征、SON作用的应用场景的概括和提炼。

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

将自组网（SON，Self-Organizing Network）引入IMT-Advanced系统的主要目的是为了适应新技术的需求，增强网络的自我组织能力，简化无线网络设计和网络运维难度，实现网络的自配置（Self-Configuration）、自优化（Self-Optimization）和自治愈（Self-Healing），以适合下一代宽带移动通信系统的技术和业务需求。

目前3GPP和IEEE 802.16标准组织都展开了对SON的标准化研究工作，重点是联合网管协议和规范，针对3G、3G长期演进系统（LTE）、移动WiMAX等系统的网络自配置和网络自优化的技术需求及技术方案进行标准化工作，以解决现有无线网络规划和优化的各种问题，但对网络自治愈的标准化工作或者相关研究工作还较少。IMT-Advanced系统采用的无线中继、家庭基站、多点协作传输、载波聚合、更复杂的多输入多输出（MIMO）等先进技术会改变传统无线网络的拓扑结构，带来资源池扩大、载波资源增加、调度协调节点数量膨胀等问题，如何根据网络负荷的实时变化自动进行干扰减少、容量优化、节能降耗等问题，需要依靠SON来解决。IMT-Advanced系统的SON方案主要研究具有自主管理功能的SON网络架构、典型应用场景等关键内容[1]。

2 SON自主管理功能

IMT-Advanced系统的SON功能包括网络自动配置、自动优化、自动修复等管理活动，都依赖于网络的自主管理功能。自主管理的目的是有效减少人工干预，提高操作的实时性和灵活性，为下一代宽带通信网络的运营和维护提供一种有别于2G/3G系统的高效、低成本的智能化管理手段。IMT-Advanced系统的SON三大功能与网络运营管理（OAM，Operation Administration and Maintenance）模块之间都存在联系，如图1所示，进行自优化决策必须的信息交互，通过相互间的接口传输。

在具体进行自主管理时，执行自主管理的功能由“监测-分析-规划-执行”自主控制环（ACL，Autonomic Control Loop）来组成，如图2所示。ACL由自主管理者（AM，Autonomic Manager）控制，AM通过感应器完成与被管资源以及外部环境的状态/协作信息交互，AM和被管资源通过效应器接收来自上级管理者的管理（如高层策略或优化配置信息）。对于自主网元（ANE，Autonomic Network Element）的自主管理系统，其被管资源即为被管网元本身；对于包含众多自主网元的自主管理网络（AN，Autonomic Networking），其被管资源为众多的ANE及其所管理的资源。被管资源须提供标准化的接口，每个接口对应1个传感器/效应器组[2]。

3 SON网络架构

目前SON的网络架构主要包括3种：集中式、分布式和混合式[3]。下面将针对这3种网络架构的特点进行简要介绍。

3.1 集中式体系架构

如图3所示，在集中式SON架构中，网络的自配置、自优化和自治愈算法是在OAM中进行，基站需要将测量状态及数据上报至OAM，随后从OAM获得计算得到的配置和优化参数。集中式SON架构的优势是能够获取大范围数据，从而能够在配置和优化运算时综合更为全面的因素，将相互冲突的可能性降到最小，以得到最为合理和高效的解决方案。但是在集中式的架构中，SON的功能实体只存在于较少的网元中，所以在对海量数据进行处理时，就要面临算法复杂度高、处理速度较慢等情况，这对处理设备的运算能力和可靠性提出了更高的要求。除此之外，由于具备SON的节点数目较少，也增加了数据采集和分发的时延，在一定程度上影响了SON的性能增益。

在LTE建网初期需经常进行大规模网络集中优化，因此集中式体系架构较为适合，这种架构能最大程度地提升效率并减少相互冲突情况的发生，使网络质量尽快得到提升。

3.2 分布式体系架构

如图4所示，在分布式SON体系架构中，所有的SON功能都分布在eNB中，这不仅可以有效地提高数据处理的速度和效率，而且对于处理后的数据也可以实现快速分发和使用，有利于体现SON的功能和优势。然而，由于分布式SON架构中节点可以获取的数据量有限，且基站间彼此难协调，因此该架构较难支持大规模的优化方案，并且也在较大程度上增加了网络的部署成本。endprint

当LTE网络趋于成熟稳定，不再频繁进行大规模网络集中优化而是更注重局部地区的精细优化时，则分布式体系架构更为适合，这种架构能够兼顾优化的速度和效率。

3.3 混合式体系架构

如图5所示，在混合式SON网络架构中，SON功能存在于OAM系统和eNB中，因此可以同时利用集中式SON和分布式SON的优点，而避免两者的缺点。在进行大规模网络优化时，可以使用集中式SON获取更加合理的优化数据；在进行局部小范围网络优化时，可以使用分布式SON来加速实现自优化功能。

现网宜采用混合式架构，这种架构能够兼顾集中式和分布式架构的优点，既可以进行大规模的网络集中优化，又可以进行局部小范围网络的精细优化，使优化手段更为丰富，是网络质量提升的有效保证。

4 典型应用场景

4.1 多系统共存场景

在图6所示的多系统共存场景中，可以看出2G/3G系统（GSM/TD-SCDMA）、3G短期演进系统（TD-HSPA/HSPA+）、3G长期演进系统（TD-LTE）和IMT-Advanced系统有可能同时存在。由于不同的系统之间采用的传输技术、传输协议和系统架构都各不相同，使得系统之间存在比较明显的相互影响。在这种场景下，IMT-Advanced设备的规划、部署、运行都需要考虑到不同系统的影响，因此导致部署周期变长、优化难度增大。这种场景下的SON协议设计，有利于未来大范围组网的成本控制和性能提升[4]。

4.2 家庭式基站组网场景

从图7可以看出，在家庭式基站组网场景中，用户在网络组建中的作用增加，运营商对于新增设备的可操作程度降低，基本上需要用户独立地完成网络构建。一方面，如果用户对于网络设备不熟悉，就有可能无法正确地安装使用设备，导致用户体验下降；另一方面，如果用户对于设备参数配置不正确，就有可能对周围正在正常工作的网络设备造成严重影响，降低整个网络的性能。因此，对于家庭式基站组网场景，一定要完善SON功能，使用户能够轻松地安装使用设备，享受高质量的网络服务，同时保证整个网络的性能维持在较好的水平[5]。

4.3 中继站组网场景

如图8所示，中继是IMT-Advanced系统新引入的网络节点类型。引入中继的目的主要是为了扩展宏基站的覆盖范围，提升小区容量。中继的加入使得传统的长距离单跳通信变成了短距离两跳通信，从而能够显著改善小区边缘性能。作为一种新型网络节点，中继的自配置、自优化、自治愈必然是研究重点，并且需要在标准化的工程中进行讨论和规范。结合中继自身在数据转发和干扰控制方面的特点，设计高效合理的SON流程是亟需解决的问题[6]。

4.4 多层式IMT-Advanced混合覆盖场景

综合图9所示场景，在IMT-Advanced系统中存在着多层混合覆盖的网络场景，即在一定范围的地理区域内，存在着宏基站、中继站、家庭式基站重复覆盖的情况。考虑到IMT-Advanced系统的同频组网目标，这种混合覆盖必然会造成不同覆盖区域之间的相互影响，使得任何网络设备的增加、开启、关闭、故障都可能对系统整体性能造成影响。在这种场景下，网络的自配置、自优化和自治愈功能显得尤为重要，这也是IMT-Advanced在SON标准化过程中必须讨论和研究的问题[7]。

5 总结

本文主要研究了具有自主管理功能的自组网网络架构、典型应用场景等关键内容，未来需要对IMT-Advanced系统SON技术从产业应用、标准化推进和关键技术研发等方面进行全面推进，将进一步在SON流程设计和协议设计方面进行研究。

参考文献：

[1] 李莉，彭木根. 下一代宽带移动通信系统中的网络自组织技术[J]. 电信技术， 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长期演进理论与实践[M]. 马霓，邬钢，张晓博，等译. 北京： 人民邮电出版社， 2009.endprint

当LTE网络趋于成熟稳定，不再频繁进行大规模网络集中优化而是更注重局部地区的精细优化时，则分布式体系架构更为适合，这种架构能够兼顾优化的速度和效率。

3.3 混合式体系架构

如图5所示，在混合式SON网络架构中，SON功能存在于OAM系统和eNB中，因此可以同时利用集中式SON和分布式SON的优点，而避免两者的缺点。在进行大规模网络优化时，可以使用集中式SON获取更加合理的优化数据；在进行局部小范围网络优化时，可以使用分布式SON来加速实现自优化功能。

现网宜采用混合式架构，这种架构能够兼顾集中式和分布式架构的优点，既可以进行大规模的网络集中优化，又可以进行局部小范围网络的精细优化，使优化手段更为丰富，是网络质量提升的有效保证。

4 典型应用场景

4.1 多系统共存场景

在图6所示的多系统共存场景中，可以看出2G/3G系统（GSM/TD-SCDMA）、3G短期演进系统（TD-HSPA/HSPA+）、3G长期演进系统（TD-LTE）和IMT-Advanced系统有可能同时存在。由于不同的系统之间采用的传输技术、传输协议和系统架构都各不相同，使得系统之间存在比较明显的相互影响。在这种场景下，IMT-Advanced设备的规划、部署、运行都需要考虑到不同系统的影响，因此导致部署周期变长、优化难度增大。这种场景下的SON协议设计，有利于未来大范围组网的成本控制和性能提升[4]。

4.2 家庭式基站组网场景

从图7可以看出，在家庭式基站组网场景中，用户在网络组建中的作用增加，运营商对于新增设备的可操作程度降低，基本上需要用户独立地完成网络构建。一方面，如果用户对于网络设备不熟悉，就有可能无法正确地安装使用设备，导致用户体验下降；另一方面，如果用户对于设备参数配置不正确，就有可能对周围正在正常工作的网络设备造成严重影响，降低整个网络的性能。因此，对于家庭式基站组网场景，一定要完善SON功能，使用户能够轻松地安装使用设备，享受高质量的网络服务，同时保证整个网络的性能维持在较好的水平[5]。

4.3 中继站组网场景

如图8所示，中继是IMT-Advanced系统新引入的网络节点类型。引入中继的目的主要是为了扩展宏基站的覆盖范围，提升小区容量。中继的加入使得传统的长距离单跳通信变成了短距离两跳通信，从而能够显著改善小区边缘性能。作为一种新型网络节点，中继的自配置、自优化、自治愈必然是研究重点，并且需要在标准化的工程中进行讨论和规范。结合中继自身在数据转发和干扰控制方面的特点，设计高效合理的SON流程是亟需解决的问题[6]。

4.4 多层式IMT-Advanced混合覆盖场景

综合图9所示场景，在IMT-Advanced系统中存在着多层混合覆盖的网络场景，即在一定范围的地理区域内，存在着宏基站、中继站、家庭式基站重复覆盖的情况。考虑到IMT-Advanced系统的同频组网目标，这种混合覆盖必然会造成不同覆盖区域之间的相互影响，使得任何网络设备的增加、开启、关闭、故障都可能对系统整体性能造成影响。在这种场景下，网络的自配置、自优化和自治愈功能显得尤为重要，这也是IMT-Advanced在SON标准化过程中必须讨论和研究的问题[7]。

5 总结

本文主要研究了具有自主管理功能的自组网网络架构、典型应用场景等关键内容，未来需要对IMT-Advanced系统SON技术从产业应用、标准化推进和关键技术研发等方面进行全面推进，将进一步在SON流程设计和协议设计方面进行研究。

参考文献：

[1] 李莉，彭木根. 下一代宽带移动通信系统中的网络自组织技术[J]. 电信技术， 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长期演进理论与实践[M]. 马霓，邬钢，张晓博，等译. 北京： 人民邮电出版社， 2009.endprint

当LTE网络趋于成熟稳定，不再频繁进行大规模网络集中优化而是更注重局部地区的精细优化时，则分布式体系架构更为适合，这种架构能够兼顾优化的速度和效率。

3.3 混合式体系架构

如图5所示，在混合式SON网络架构中，SON功能存在于OAM系统和eNB中，因此可以同时利用集中式SON和分布式SON的优点，而避免两者的缺点。在进行大规模网络优化时，可以使用集中式SON获取更加合理的优化数据；在进行局部小范围网络优化时，可以使用分布式SON来加速实现自优化功能。

现网宜采用混合式架构，这种架构能够兼顾集中式和分布式架构的优点，既可以进行大规模的网络集中优化，又可以进行局部小范围网络的精细优化，使优化手段更为丰富，是网络质量提升的有效保证。

4 典型应用场景

4.1 多系统共存场景

在图6所示的多系统共存场景中，可以看出2G/3G系统（GSM/TD-SCDMA）、3G短期演进系统（TD-HSPA/HSPA+）、3G长期演进系统（TD-LTE）和IMT-Advanced系统有可能同时存在。由于不同的系统之间采用的传输技术、传输协议和系统架构都各不相同，使得系统之间存在比较明显的相互影响。在这种场景下，IMT-Advanced设备的规划、部署、运行都需要考虑到不同系统的影响，因此导致部署周期变长、优化难度增大。这种场景下的SON协议设计，有利于未来大范围组网的成本控制和性能提升[4]。

4.2 家庭式基站组网场景

从图7可以看出，在家庭式基站组网场景中，用户在网络组建中的作用增加，运营商对于新增设备的可操作程度降低，基本上需要用户独立地完成网络构建。一方面，如果用户对于网络设备不熟悉，就有可能无法正确地安装使用设备，导致用户体验下降；另一方面，如果用户对于设备参数配置不正确，就有可能对周围正在正常工作的网络设备造成严重影响，降低整个网络的性能。因此，对于家庭式基站组网场景，一定要完善SON功能，使用户能够轻松地安装使用设备，享受高质量的网络服务，同时保证整个网络的性能维持在较好的水平[5]。

4.3 中继站组网场景

如图8所示，中继是IMT-Advanced系统新引入的网络节点类型。引入中继的目的主要是为了扩展宏基站的覆盖范围，提升小区容量。中继的加入使得传统的长距离单跳通信变成了短距离两跳通信，从而能够显著改善小区边缘性能。作为一种新型网络节点，中继的自配置、自优化、自治愈必然是研究重点，并且需要在标准化的工程中进行讨论和规范。结合中继自身在数据转发和干扰控制方面的特点，设计高效合理的SON流程是亟需解决的问题[6]。

4.4 多层式IMT-Advanced混合覆盖场景

综合图9所示场景，在IMT-Advanced系统中存在着多层混合覆盖的网络场景，即在一定范围的地理区域内，存在着宏基站、中继站、家庭式基站重复覆盖的情况。考虑到IMT-Advanced系统的同频组网目标，这种混合覆盖必然会造成不同覆盖区域之间的相互影响，使得任何网络设备的增加、开启、关闭、故障都可能对系统整体性能造成影响。在这种场景下，网络的自配置、自优化和自治愈功能显得尤为重要，这也是IMT-Advanced在SON标准化过程中必须讨论和研究的问题[7]。

5 总结

本文主要研究了具有自主管理功能的自组网网络架构、典型应用场景等关键内容，未来需要对IMT-Advanced系统SON技术从产业应用、标准化推进和关键技术研发等方面进行全面推进，将进一步在SON流程设计和协议设计方面进行研究。

参考文献：

[1] 李莉，彭木根. 下一代宽带移动通信系统中的网络自组织技术[J]. 电信技术， 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长期演进理论与实践[M]. 马霓，邬钢，张晓博，等译. 北京： 人民邮电出版社， 2009.endprint