5G 自组网（SON）技术需求和架构的研究

［许明元］

5G 自组网（SON）技术需求和架构的研究

［许明元］

摘要3GPP R8和R9为LTE提出了一种新运维策略——自组织网络（SO N），并在R10、R11和R12版本中对SON技术进行了优化和扩展，目前LTE系统已在全球大规模商用，并已实现了部分SON功能。随着数据业务爆发式增长，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点，预计2016年将启动国际标准制定工作，文章主要针对5G系统SON的需求发展及可能采用的架构进行了探讨和研究。

关键词：5G SON V-SON SDN NFV

许明元

北京邮电大学学士，从事移动通信设备研发、测试和技术支持等工作，熟悉3G UMTS、4G LTE无线网及核心网技术，具有有丰富的移动通信工作经验。

1　引言

LTE系统已在全球大规模商用，自组织网络(SON，Self-Organizing Networks)技术的实现和利用，使LTE运营商提高了网络的整体性能和操作效率．明显降低了OPEX，提升了LTE的竞争优势。随着4G进入规模商用阶段，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。在全球业界的共同努力下，预计2016年将启动国际标准制定工作，5G作为一种创新的通信技术，SON作为LTE系统一种新的运维策略，需适应5G系统的特点，SON技术必将进行优化和发展。

2　SON技术概述

2.1SON的主要功能

SON，自组织网络，是伴随LTE发展而引出的一套完整的网络理念和规范。其目的是为了减少LTE网络引入带来的网络建设成本和运维成本的增加，目前涉及范围已扩展到整个无线网络。

SON作为一种完整的网络理念，其功能主要可以归为以下几类：自配置（Self-Configuration），自优化(Self-Optimization)，自愈(Self-healing)。

（1）自配置：目标是基站自动建立和即插即用，主要包括以下功能：基站数据准备和自动检测,地址分配和OAM通道自动建立，自动邻区关系配置，软件版本自安装和更新，自邻区关系规划，自资产管理，无线参数配置，传输参数配置，NRM IRP更新等。

（2）自优化：目标是对网络参数自动进行相关优化，以使网络性能和质量达到最佳，自优化主要包括以下功能：切换优化,PCI自检和重配,健壮性优化,负载均衡优化,RACH优化,自邻区关系调整,小区间干扰协调（ICIC），QOS相关参数优化,家庭基站优化等。

（3）自愈：目标是进行系统告警和性能的检测，自动发现网络问题，并自检测定位，部分或者全部消除故障。主要包括以下功能：故障信息相关性处理，小区/服务的故障检测，小区/服务故障的补偿，故障模块影响的缓解，故障小区检测和补偿，故障自跟踪检测等。

从以上功能可以看出SON涉及到网络部署的各个方面，它综合了传统运维手段并将其智能化，也引入了很多新技术、新应用模式和场景，将会全方位地推进LTE的发展和商用。

2.2LTE SON 技术架构

根据自优化算法在网络结构中的位置不同。SON分为三类：集中式C-SON、分布式D-SON、混合式HS O N，如图1。

图1　SON 网络架构

目前大多数采用的是H-SON架构，网管系统和eNodeB上SON实体协作完成集中式SON的功能。

3　5G对SON的需求

未来10年通信技术的发展包括更多地使用云计算技术，随着家庭/汽车智能化以及丰富多彩的多媒体应用的增长，推动通信系统向高速度，低时延，大容量发展，5G向着具有更宽的频带、更高的频谱效率、更高级别的小区复用，更优化的无线资源管理策略三维发展。

5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

从整体的角度，5G系统需要无线系统与回传系统、相关联的互联网内容和应用服务器配合。

5G对SON需求如表1。

5G系统中，SON技术不再是可选技术（如LTE）而是强制技术，绑定的软件功能模块能动态地感知、评估和调整网络，给用户提供平滑和无边界的使用感知。

为达到这些，5G系统中SON技术需在LTE的基础上，增加功能以适应5G 无线系统的新特性，尤其在SON的架构方面，由于5G系统采用小小区（Small-Cell），可能存在多种服务不同制式的小区（2/3/4G LTE、5G、WIFI、mmWAVE），为满足用户平滑无缝的业务体验，需要更高级别和复杂度的SON 架构，以便进行这些小区数据的交互和处理，使小小区有效地配合。

把一族小小区看着一个虚拟宏小区（Virtual Macro）,每个小小区运行SON实例程序，这样小小区间的切换由虚拟SON系统集中管理和控制，如图2。

图2　5G 虚拟宏小区

在Virtual Macro 里，小小区间协作，可以实现不同RAT制式小区负载平衡，小小区间交互容量和覆盖信息可以控制移动业务流量和节省能源。通过调整小小区用户使用的频段，可以有效控制小小区间的干扰。

在回传网管理方面，考虑到小小区族能检测用户产生的流量，不同于传统的为每个BS的回传路由器配置IP地址，通过族间SON功能，每个BS配置一个基于负载（load－dependent）的路由器，通过检测每个族出口点的总流量和PM状态信息，具备V-SON功能的BS与路由器通信（路由器控制基于NFV平台），当一个族的出口点出现拥塞，可以控制路由器动态调整带宽以解决拥塞问题。

结合5G系统的特点和对SON功能的要求，5G SON架构要求如表2。

4　面向5G的新的SON架构

结合5G SDN和NFV技术的使用，5G SON未来可能采用虚拟混合SON架构（Virtualization of the Hybrid SON),使虚拟SON（V-SON）更加开放、灵活、具有更高的扩展性。

传统的SON系统，采用D-SON和C-SON混合的H-SON结构，5G在其基础上进行演进，采用V-S ON（Virt u a l SON）架构，D-SON算法仍然部署在本地小区以实现BS间的通信，而V-SON运行于虚拟机（VM）上，它配置于BS或BS侧的路由器里。

V-SON 数据实体能对移动台、基站和云上下文（Cloud-context）数据进行检索、管理和自动优化，这些数据包括通常的CM/PM数据，但是V-SON能分离基于值的汇总数据（value-based summary）,相比于传统的CM/PM原始数据，大大地提高了处理速度。

5G提供丰富多样的数据业务，网元（NE）之间交互信息，SON 跟踪网络，执行SON算法确保网络的组织和优化。

为更好利用元数据信息驱动V-SON，实体对象间采用MDP（Metadata Protocol）协议，MDP主要作用如下：

表1　5G技术SON需求

（1）从UEs,BSs,或者云资源获取数据；

（2）通过内置的MDP CM/PM 接口参考点-solution Set(IPR-SS)与BSs交互；

（3）基站和小区遵从IRP-SS MDP协议，使V-SON市场开放和具竞争，从而可创新和优化5G系统；

（4）可扩展的元数据协议（Metadata Protocol）是SON利用云数据实现产品化的根本。

5　小结

3GPP R12/R13建议的SON架构可能解决不同RAT技术移动用户的乒乓效应，向着更加通用的异构SON发展，以更好地实现负载平衡、节能、稳定、多制造商设备共存、网络自动配置和即插即用等能力。

5G的小小区族包括不同无线技术（RAT）的多个小区，如何管理和协调这些小小区极具挑战性，需要采用演进的SON架构(V-SON架构)、利用云服务、云计算、C-RAN演进为小小区等多种新技术，以及通过元数据处理和V-SON算法运行于多种设备上等技术共同解决。

5G技术标准已进入标准制定阶段，5G SON的演进，需要设备终端制造商、制造商、运营商的积极参与，充分讨论和验证的基础上，制定各方都接受的SON方案，以促进SON技术的发展和标准化。

表2　5G SON架构需求

参考文献

1Jonathan Rodriguez. Fundamentals of 5G mobile networks，2015,01

23 GPP TS32.500/32.501. Telecommunication management;self-organizing networks (SON);Concepts and requirements，2011,03

33GPP TS32.50. Telecommunication management;Self configuration of network elements integration reference point (IRP);Solution Set (SS) definitions，2010,10

43 G P P T S 3 2 . 5 1 1 . T e l e c o m m u n i c a t i o n management;automaticNeighbour relation (ANR) management; Concepts and requirements，2011,3

53GPP TS32.541.Telecommunication management; selforganizing networks (SON); Self-healing concepts and requirements，2011,3

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7IMT2020（5G）推进组：5G概念白皮书，2015,02

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.015

收稿日期：（2015-11-04）