LTE自组织网络(SON)管理架构分析

一 概述 3GPP 长期演进系统（LTE）是移动通信系统发展和演进的成果，LTE 系统采
用了先进的接入和传输方案，比 3G 系统具有更高的数据传输速率和更好的服务 质 量 ； 同 时 ， 为 了 降 低 部 署 和 运 营 成 本 ， LTE 系 统 引 入 了 自 组 织 网 络 （Self-Organizion Network：SON）的概念，主要目的是通过无线网络的自配 置、自优化和自治愈功能来提高网络的自组织能力，取代高成本的网络运营人 员的人工介入，从而有效降低网络的部署和运营成本。
较 小 的 网 较少。
响全网的任务必须
络。
协调全网或大量网
元才能完成。
7
从表 2 可知，混合式是集中式和分布式的综合，如果在网元和中心结点间 有一个合适的责任划分，则可以通过混合式管理方式中的集中与分布机制的各 自特点择优而用。一个单独的网络管理方法不可能对所有类型的应用都是最佳 的，对于一个特定的应用，确定最有效的方法必须经过详细的分析和仿真试验。
3.3 混合式网络管理架构中 SON 功能的部署建议
3.3.1 部署建议
表 3 混合式管理体系架构中 SON 功能部署建议
自配置功能
自优化功能
自治愈功能 其他系统功
能
SON 功能 站点位置智能选择
插入网元时自动生成系统设定参数 家庭 eNodeB 的自配置 干扰协调 物理信道的自优化 随机接入信道优化 准入控制参数优化 拥塞控制参数优化 分组调度参数优化 链路层重发方案优化 覆盖间隙侦测 切换参数优化 负载均衡 家庭 eNodeB 的自优化 小区停用预测 小区停用侦测 小区停用补偿 策略更新和下发 信息冲突处理 上下文信息采集 上下文信息处理
图 5 分布式管理体系架构示意图
分布式管理方法是管理 Ad hoc 网络的一种流行方法，对于基于独立小区即 可实现的自组织网络功能，如拥塞控制参数优化等，分布式管理方法最为适用， 可以避免不必要的反应时间，提高管理效率，同时分布式管理方法有效避免了 中心点失败对系统带来的致命损失。
但是，当实现需要众多网元相互协调和信息交换的自组织网络功能时，分 布式管理方法的实现会较为复杂，网元的可靠性和实现成本较高，这一缺陷将 导致系统自主管理范围存在局限；同时可能会引发网元间交换的信息相互冲突 等情况，必须建立冲突处理机制；此外由于 eNodeB 间需要自主传递和共享信息， 不可避免会产生大量的信令开销，给网络带来很大负担，因此需要将信令开销 控制在允许范围之内。
混合式体系结构适用于有较多的自主管理任务可以由网元自身完成，但是 一些复杂任务（特别是影响多个网元或整个系统的复杂任务）需要通过一个中 心结点统筹管理的场景。它将一些自主管理功能从中心结点中转移到网元中， 使得这些网元的复杂度高于集中式体系结构的网元复杂度。
6
混合式管理体系结构的特定介于集中式和分布式体系结构之间，相对于集 中式系统，混合式体系结构提高了系统性能和可扩展性，但没有完全克服具有 中心失败点的缺点（但严重性程度降低）；相对于分布式系统，网元的实现复杂 性较低。
自治愈功能
小区停用侦测
小区停用补偿
为了管理如此大规模的结点，并降低运营成本（OPEX），自组织网络（SON）
2
应运而生。通过使用 SON 功能，自主执行某些网络规划、配置和优化工作，可 以帮助网络运营商减少人力资源的投入，从而降低 OPEX。
3GPP 给出了 SON 的需求和用例[1]，同时，欧洲 FP7-ICT 中的苏格拉底 （SOCRATES）项目也对自组织网络进行了研究，提出了自组织网络用例[2]，并 对各用例的需求和评估标准进行了描述[3][4]。结合 3GPP 与苏格拉底的研究成 果，对 SON 功能分类总结如表 1 所示。 三 LTE 自组织网络（SON）管理系统架构 3.1 自主管理系统概述
LTE 自组织网络（SON）管理架构分析
北京邮电大学 李文璟
摘 要：LTE 系统引入的自组织网络对传统的集中式运营管理模式是一个极大的挑战，为 了适应自组织网络的管理需求，需要提出基于自主管理的自组织网络管理体系架构。本文 介绍了实现 LTE SON 的几种网络管理架构——分布式、集中式和混合式，对几种架构的优 劣势进行了分析比较，提出了各自适用的场合，并对混合式网络管理架构提出了自主管理 功能的部署建议。 关键词：自组织网络 网络管理 体系架构
2）网络管理体系基于自主管理思想，体现自主控制环。 3）应当根据不同的场景和需求设计不同的管理体系架构。 3.2 基于自主管理的自组织网络管理体系架构 3GPP 提出了 SON 的管理需求[7]，并提出 SON 功能可采用三种部署方案， 即分布式、集中式和混合式[1]，集中式系统使用一个单独的管理中心对网元进 行自主管理，分布式方法将自主管理功能部署到网络中的各个网元，混合式是 上述两种方法的综合。不同的体系结构对自主网元的自主管理能力要求有所差 异，其中分布式体系结构中网元自主程度最高，混合式次之，集中式仍然具有 传统网管体系结构的特点。 自主管理系统的基本功能要素是自主控制环（如图 4 所示），系统通过对上 下文的分析，判定网元是否处于一个需要进行配置或优化的状态，并以此决定 系统将会采取的行动。该自主控制环部署在 SON 实体中，SON 实体的功能包括 对测量报告的监测和接收，通过自主功能实体完成自主控制的分析和决策，最 后对参数设置实现控制，SON 实体如图 4 所示。
而 3GPP 中传统的网络管理采用的是集中式分层管理体系架构，如图 3 所示。 图 3 中，传统管理体系架构中包括被管网元、网元管理系统和网络管理系统（本 文不考虑业务管理系统），一般来说，网元通过私有接口与网元管理系统进行交
3
互，网元管理系统通过标准的北向接口（Itf-N）与网络管理系统进行交互。这 一管理体系很好地适应了传统网络的管理与维护体系，在移动通信网络管理与 维护中发挥了积极的作用。
LTE 扁平化的网络结构思想将 RNC 从接入网中移除，如图 1 所示。
1
图 1 LTE 接入网网络结构
RNC 中的大部分功能下放到 eNodeB 中实现，运营商为了覆盖更多的地理区 域，将部署更多的 eNodeB；为了 eNodeB 的选择更加灵活，eNodeB 的对外接口 也会标准化，而不依赖于任何核心网设备或管理设备，如图 1 中的 S1 接口和 X2 接口。
这种结构是典型的传统集中式网络管理结构，但是在 LTE 扁平化网络结构 场景下，传统集中式网络管理结构存在如下问题：
1）中心结点（一般为网管系统）直接与 eNodeB 相连，eNodeB 数量大、距 离远，存在 eNodeB 接入到中心结点困难的问题。
2）集中控制不可避免的问题是系统存在一个失败中心点[7]，当中心结点 控制失败时，会致使整个系统不可用。同时，中心结点也会限制整个自组织网 络系统的性能和扩展性，在经常变化的复杂网络中，它是处理和通信功能的瓶 颈。 3.2.3 混合式自组织网络管理体系架构
4
图 4 SON 实体功能示意图
根据 SON 实体在不同网元中的分布，可以将自组织网络的管理架构分为分 布式、集中式和混合式。 3.2.1 分布式自组织网络管理体系架构
如图 5 所示，在分布式体系结构中，自主管理功能在网元（如图中的 eNodeB） 本地实现，同时网元间直接进行信息的交互（如 eNodeB 通过 X2 接口与其他 eNodeB 通信）。
IBM 公司 Kephart 给出了自主计算的通用参考模型[5]——MAPE-K 自动控制 环，如图 2 所示。
图 2 MAPE-K 自主计算通用参考模型
图 2 中自主管理系统由自主管理者（autonomic manager：AM）和被管网元 （managedElement：ME）组成。
ME 可以是各种被管的网络资源，AM 通过管理接口监视和控制 ME，并根据 高层管理策略，通过一个“MAPE（监视-分析-计划-执行）”控制环来实现自主 管理任务。其中，监视功能通过传感器来收集 ME 的当前状态信息；并将各类状 态信息交给分析功能进行分析；通过分析结果制定实施计划；并将计划交予执 行功能来具体实施；最后通过效应器来执行管理动作，如分配或调整资源和任 务等。在整个控制环的各个步骤中，都可能会使用到知识库中的相关信息进行 比较、分析和方案制定。
图 7 混合式管理体系架构示意图
3.2.4 几种自组织网络管理体系架构的分析比较
表 2 从对网元的要求、管理效率以及适用范围等方面对几种自组织网络的 管理体系架构进行了分析和比较。
表 2 自组织网络的管理体系架构分析比较
比较项目 网元复杂度 网元可靠性 系统可延展性
本地管理效率 协作管理效率 失败中心点 适用范围
5
3.2.2 集中式自组织网络管理体系架构 如图 6 所示，集中式体系架构中所有的自主管理功能在一个中心结点内执
行，即自主管理机制仅在中心结点执行，其他网元除了进行各种所需的测量和 信令信息交换，并根据中心结点的指令执行相关动作外，不自主执行其他行动。
图 6 集中式管理体系架构示意图
这种体系结构在针对小数量的网元管理时，自主管理可以达到更高水平。 适用于需要管理和监测不同网元间协作的情况。在这种结构中，网元相对简单， 建设成本也相对较低。
本文给出了在采用混合式管理体系架构时，各类 SON 功能的一种部署建议， 如表 3 所示。
3.3.2 自配置功能的部署
图 3 3GPP 传统集中式分层管理体系架构
但这一以管理系统为中心的集中式管理体系结构已经不适应自组织网络对 管理的灵活性要求。为了适应自组织网络的管理需求，需要提出基于自主管理 的自组织网络管理体系架构。这一架构应当具有如下特性：
1）不再是单一的集中式管理，应当适应自组织网络的需求，设计灵活的管 理架构。
自主管理中心 √ √ √ √
√ √ √ √ √ √ √
自主网元
√ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
√ √