[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。
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。
2.1SON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。
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。
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。
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
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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.015
收稿日期:(2015-11-04)