基于自組織網(wǎng)絡(luò)的LTE RACH優(yōu)化技術(shù)研究論文
【摘 要】通過對基于自組織網(wǎng)絡(luò)的LTE RACH自優(yōu)化技術(shù)進行研究，包括RACH自優(yōu)化的基本需求和影響因素、實現(xiàn)RACH自優(yōu)化功能的自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和RACH自優(yōu)化處理方法，以提高LTE網(wǎng)絡(luò)性能和降低運維成本。基于eNodeB和UE的統(tǒng)計及測量數(shù)據(jù)，可以在無人工干預(yù)的情況下自動觸發(fā)RACH的優(yōu)化。
【關(guān)鍵詞】LTE RACH自優(yōu)化 自組織網(wǎng)絡(luò) 運維成本
1 引言
隨著移動技術(shù)的演進和實際網(wǎng)絡(luò)的部署，移動運營商在提高移動服務(wù)質(zhì)量的同時面臨著兩方面壓力：一方面是越來越高的人力成本;另一方面是越來越低的通信資費。因此，移動運營商不得不越來越重視降低OPEX（Operating Expense，運維成本）。通過技術(shù)來實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)的自動化和智能化，減少運維過程中人工參與的力度和維度，成為移動運營商降低成本的迫切需求。為此，在由移動運營商主導(dǎo)的NGMN（Next Generation Mobile Networks，下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)）聯(lián)盟上，一些國際主流運營商如西班牙的Telefonica、中國移動、英國的沃達(dá)豐等，提出了SON（Self-Organizing Network，自組織網(wǎng)絡(luò)）的需求，并推動3GPP根據(jù)NGMN需求逐步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
自組織網(wǎng)絡(luò)的需求主要由四部分組成，分別是自配置、自優(yōu)化、自治愈和網(wǎng)管自組織網(wǎng)絡(luò)，每部分都包括多個需求用例，LTE的RACH（Random Access Channel，隨機接入信道）負(fù)荷優(yōu)化就是自優(yōu)化的需求用例之一。本文通過分析基于SON的RACH自優(yōu)化需求和影響因素、基于SON的實現(xiàn)架構(gòu)和處理方法等內(nèi)容，以自優(yōu)化技術(shù)來降低運維成本、提高LTE RACH接入性能和優(yōu)化上行鏈路資源。
2 基于SON的RACH自優(yōu)化需求和影響因素
LTE隨機接入信道是LTE的主要上行信道之一，用于建立UE（User Equipment，用戶設(shè)備）和LTE基站之間的無線鏈路，實現(xiàn)上行同步和上行共享信道資源申請。為了實現(xiàn)隨機接入信道的功能，LTE根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況為其分配了專用的上行鏈路無線資源，而隨機接入過程涉及物理層、MAC（Medium Access Control，媒體接入控制）層和RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）層等多個協(xié)議層。
圖1為LTE物理層定義的RACH前導(dǎo)格式，主要由三部分組成：長度為TCP的循環(huán)前綴（CP）、長度為TSEQ的'前導(dǎo)序列（SEQ）和長度為TGT的保護間隔（GT），后者是為RACH分配的時隙長度或UpPTS與前導(dǎo)的時間差。
表1羅列了LTE定義的五種前導(dǎo)格式，包括對應(yīng)分配的子幀數(shù)、CP長度、序列長度和保護間隔長度，每種格式都與扇區(qū)覆蓋半徑直接關(guān)聯(lián)，較長的序列占用的上行無線資源也就越多，當(dāng)然覆蓋的范圍也就越大。
在多扇區(qū)組網(wǎng)和多用戶接入的實際應(yīng)用場景下，RACH的相關(guān)參數(shù)配置對LTE系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響，主要有兩方面：首先可能產(chǎn)生RACH碰撞，接入碰撞會使呼叫建立延時、失敗或上行失步，后者影響數(shù)據(jù)恢復(fù)延時、切換延時等，也直接影響呼叫建立成功率和切換成功率，因此影響LTE網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗;其次影響系統(tǒng)容量，由于上行鏈路需要為RACH保留無線資源，在有限的上行無線資源中，如果RACH占用過多，那么上行共享信道資源就相應(yīng)減少。
LTE RACH優(yōu)化實際是每個扇區(qū)的RACH配置參數(shù)優(yōu)化，但影響每個扇區(qū)RACH配置的因素有很多，包括如下：
（1）扇區(qū)覆蓋的人口密度。人口密度越大，接入碰撞的可能性也就越大。
（2）呼叫到達(dá)率。到達(dá)率越高，接入碰撞的概率就越低。
（3）引入切換率。盡管影響切換成功率的因素很多，但如果切換第一步在目標(biāo)扇區(qū)接入失敗，后續(xù)切換過程則無從談起。
（4）扇區(qū)是否位于跟蹤區(qū)邊緣。UE跨越跟蹤區(qū)需要重新接入注冊過程，因此接入邊緣扇區(qū)接入頻度高，當(dāng)然碰撞的可能性也就越大。
（5）業(yè)務(wù)模式影響DRX（Discontinuous Reception，非連續(xù)接收）和上行同步狀態(tài)，因為需要通過RACH的接入過程完成。
（6）網(wǎng)絡(luò)配置影響。如天線傾角、發(fā)射功率設(shè)置和切換門限，在這些配置中，任何變化都影響最佳的RACH配置。例如，扇區(qū)的天線傾角變化，扇區(qū)的覆蓋將改變，從而影響呼叫到達(dá)率和每個扇區(qū)的切換率，網(wǎng)絡(luò)覆蓋直接影響每個扇區(qū)的RACH配置，因此RACH優(yōu)化與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化密切相關(guān)。
基于SON的RACH自優(yōu)化的需求目標(biāo)首先是性能方面，包括降低RACH接入碰撞的概率、提高接入成功率、減少呼叫建立時間、提高切換成功率等;其次是優(yōu)化LTE上行鏈路為RACH保留的資源，提升系統(tǒng)上行鏈路容量，即增加上行共享信道資源。
3 基于SON的RACH自優(yōu)化架構(gòu)
根據(jù)實現(xiàn)功能所處在基站或OAM（Operation Administration and Maintenance，操作、管理和維護）上，SON架構(gòu)主要分為集中式、分布式和混合式。其中，如果SON實現(xiàn)功能集中在OAM上，則是集中式架構(gòu);如果SON實現(xiàn)功能分布在各個基站上，則是分布式架構(gòu);如果SON實現(xiàn)功能既在OAM上也分布在各個基站上，則是混合式架構(gòu)。
鑒于RACH自優(yōu)化過程需要大量的相關(guān)性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)和運算，為了降低基站系統(tǒng)的負(fù)荷及不影響基站性能，采用SON集中式架構(gòu)來實現(xiàn)，如圖2所示。集中式架構(gòu)使RACH自優(yōu)化功能集中在OAM上，而RACH自優(yōu)化控制策略也由OAM導(dǎo)入;根據(jù)移動運營商的實際需求，一些人工干預(yù)的指令也是通過OAM導(dǎo)入;eNodeB負(fù)責(zé)收集和測量RACH性能參數(shù)，并接收OAM優(yōu)化后的RACH參數(shù)。
基于SON的RACH自優(yōu)化技術(shù)要求LTE系統(tǒng)支持自適應(yīng)控制，并通過RACH的相關(guān)KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵性能指標(biāo)）和性能參數(shù)來觸發(fā)自優(yōu)化構(gòu)成。不同的RACH自優(yōu)化控制策略，相關(guān)的KPI及關(guān)鍵性能參數(shù)也不同，但宗旨都是在提升LTE RACH性能的基礎(chǔ)上提高4G系統(tǒng)的容量。
影響LTE RACH自優(yōu)化因素很多，即使相同的扇區(qū)在不同的時間段差異也很大，因此自優(yōu)化過程不是一次性的而是長期過程，這就需要采集大量的性能數(shù)據(jù)作為下一步優(yōu)化的基礎(chǔ)。基于大量性能數(shù)據(jù)分析和處理，輸出RACH優(yōu)化性能參數(shù)將作為下一輪自優(yōu)化的基礎(chǔ)和前提。總之，LTE RACH自優(yōu)化實際是周而復(fù)始的過程。
4 LTE RACH自優(yōu)化的處理方法
SON的自優(yōu)化功能實現(xiàn)主要是通過KPI或性能統(tǒng)計參數(shù)來觸發(fā)，如果每個LTE扇區(qū)的RACH性能不滿足其KPI指標(biāo)要求，則可以進一步觸發(fā)RACH的優(yōu)化和校正。
RACH配置優(yōu)化包括如下：
（1）RACH的資源單元分配優(yōu)化。
（2）RACH前導(dǎo)拆分，涉及在專用、組A和組B之間。
（3）RACH的backoff參數(shù)值優(yōu)化;RACH發(fā)送功率控制優(yōu)化。
LTE RACH的自優(yōu)化要基于相關(guān)性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要來源于以下方面：
（1）UE統(tǒng)計和上報。為此UE需要支持RACH優(yōu)化信息上報，并通過RACH參數(shù)與eNodeB進行交換，UE收到輪詢信令后需上報的信息包括：在成功RACH完成前發(fā)送RACH前導(dǎo)的次數(shù)和競爭解決失敗的次數(shù)。UE支持接入試探次數(shù)上報，這與LTE之前的移動系統(tǒng)性能統(tǒng)計差別明顯，而之前的系統(tǒng)很難統(tǒng)計到這方面數(shù)據(jù)，更多需要人工路測或經(jīng)驗值，因此LTE RACH自優(yōu)化機制簡化了RACH參數(shù)配置過程并降低了運維成本。
（2）eNodeB測量。將在單位時間間隔內(nèi)每個扇區(qū)接收到RACH的前導(dǎo)數(shù)量作為覆蓋區(qū)內(nèi)的話務(wù)量統(tǒng)計，判斷接入碰撞的可能性。
對于RACH的自優(yōu)化過程，實際是RACH自優(yōu)化功能對UE統(tǒng)計和上報的RACH數(shù)據(jù)以及對eNodeB測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與估算，并通過優(yōu)化策略判斷是否自動觸發(fā)RACH優(yōu)化的過程。
圖3為基于集中式SON架構(gòu)的RACH自優(yōu)化性能參數(shù)的閉環(huán)處理過程，各個網(wǎng)元的功能是：UE根據(jù)eNodeB的輪詢信令上報相關(guān)RACH前導(dǎo)的統(tǒng)計信息;eNodeB收集UE上報的測量收據(jù)、測量收到的RACH前導(dǎo)數(shù)量;OAM中的性能管理功能是收集、存儲和處理來自eNodeB的性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)RACH自優(yōu)化控制策略，通過運算和數(shù)據(jù)挖掘，輸出RACH自優(yōu)化控制參數(shù)，并輸出到OAM中的配置管理;配置管理負(fù)責(zé)將RACH自優(yōu)化控制參數(shù)輸出到eNodeB，最后完成了閉環(huán)RACH自優(yōu)化過程，LTE基站系統(tǒng)在優(yōu)化后的RACH參數(shù)下運行，提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能。LTE RACH的自優(yōu)化構(gòu)成實際是RACH性能數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、傳輸、存儲、分析處理和重配置的周而復(fù)始過程。
圖4是在同一個扇區(qū)中的測試數(shù)據(jù)對比，該扇區(qū)的顯著特征是一天中在某些時間段用戶較多、在某些時間段用戶很少，接入成功率呈“凹”形。其中，未優(yōu)化的接入成功率變化幅度范圍很大，當(dāng)接入用戶數(shù)量很多時，接入成功率降低，而當(dāng)接入用戶數(shù)量很少時，接入成功率很高;基于SON自優(yōu)化后的接入成功率變化幅度平穩(wěn)，無論是用戶多還是用戶少，都不會大起大落，保證了較高的接入成功率。
5 結(jié)束語
基于SON的LTE RACH優(yōu)化目的是降低接入碰撞并提高系統(tǒng)容量，而影響RACH性能提升的因素很多，涉及覆蓋的人口密度、呼叫和切換成功率等;RACH自優(yōu)化可通過基于SON的集中式架構(gòu)或分布式架構(gòu)實現(xiàn)，但觸發(fā)RACH的自優(yōu)化需要分別根據(jù)UE和eNodeB的大量相關(guān)RACH測量數(shù)據(jù)，并上報進行統(tǒng)計和挖掘，輸出RACH性能控制參數(shù)實現(xiàn)自動RACH優(yōu)化自動控制。總之，基于SON的LTE RACH優(yōu)化是基于測量數(shù)據(jù)并在無人工干預(yù)的場景下自動完成，可在提升LTE網(wǎng)絡(luò)性能的同時降低OPEX。
參考文獻(xiàn)：
[1] 3GPP TS 36.211. E-UTRA; Physical Channels and Modulation[S]. 2009.
[2] 3GPP TS 36.300. E-UTRA and E-UTRAN， Overall description; Stage 2[S]. 2009.
[3] 謝大雄，朱曉光，江華. 移動寬帶技術(shù)——LTE[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.
[4] NGMN Alliance. NGMN Recommendation on SON and O&M Requirements[S]. 2008.
[5] 朱曉光. 基于自組織網(wǎng)絡(luò)的基站自優(yōu)化節(jié)能技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2013（18）： 93-96.
[6] 廖俊鋒，朱曉光，周文端. 基于TCP的微波回程鏈路自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2014（14）： 32-36.
[7] 朱曉光. LTE基站系統(tǒng)的自動軟件加載技術(shù)研究[J]. 電信科學(xué)， 2013（7）： 131-135.
[8] 任倩男，胡楠. TD-LTE隨機接入過程與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[A]. Proceedings of 2011 Asia-Pacific Youth Conference on Communication （2011APYCC） Vol.1[C]. 2011.
[9] 金紅軍. 寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 通信技術(shù)， 2014（9）： 1021-1026.
[10] 朱曉光，江華. LTE基站系統(tǒng)的PCI自配置技術(shù)研究[J]. 電信科學(xué)， 2014（7）： 130-134.
【基于自組織網(wǎng)絡(luò)的LTE RACH優(yōu)化技術(shù)研究論文】相關(guān)文章：
lte網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計論文03-12
LTE移動網(wǎng)絡(luò)中的CDN關(guān)鍵技術(shù)研究的論文11-07
gsm網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化論文02-25
3G無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究論文11-07
移動交換無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)研究論文10-26
入托危機解決策略——基于自組織理論論文01-15