5G網(wǎng)絡(luò)中基于大數(shù)據(jù)的虛擬SON架構(gòu)研究

5G網(wǎng)絡(luò)中基于大數(shù)據(jù)的虛擬SON架構(gòu)研究為了解決網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化的復(fù)雜性問題，降低運維成本占總收入的比例，使運營商得以高效運營、維護網(wǎng)絡(luò)，在滿足客戶需求的同時，自身也能夠持續(xù)發(fā)展，NGMN 聯(lián)盟中的運營商主導(dǎo)并聯(lián)合主要設(shè)備制造商提出了自組網(wǎng)絡(luò)（SON）的概念……隨著5G商用牌照發(fā)放，運營商5G建設(shè)如火如大量不同類型的接入點進入5G網(wǎng)絡(luò)，各類型接入點之間關(guān)系錯綜復(fù)雜，給5G網(wǎng)絡(luò)的運營和維護帶來巨大挑戰(zhàn)，因此，自組網(wǎng)絡(luò)（Self-organizingNetwork，簡稱SON）技術(shù)成為5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的一項關(guān)鍵技術(shù)。自組網(wǎng)絡(luò)成研究熱點隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展、新業(yè)務(wù)新模式不斷變化，智能終端大量涌入網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)面臨極大挑戰(zhàn)為滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。在5G系統(tǒng)中，移動通信系統(tǒng)面對更加多樣化的業(yè)務(wù)需求和指標，采用更為復(fù)雜的無線傳輸技術(shù)和融合的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，融合多種接入方式、多種制式、多種架構(gòu)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。超密集組網(wǎng)使得未來網(wǎng)絡(luò)進一步推動小區(qū)結(jié)構(gòu)微型化、分布化，并加強小區(qū)間的相互協(xié)作；LTE（LongTermEvolution，長期演進技術(shù)）、WiFi等多種制式網(wǎng)絡(luò)將在5G中共存；SDN（SoftwareDefinedNetwork，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）/NFV（NetworkFunctionsVirtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）等虛擬化架構(gòu)被引入5G中，而更多密集的小型基站甚至支持“即插即用”等便捷智能的配置。因此在5G時代，網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜程度遠遠高于此前網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)深度智能化成為保證5G網(wǎng)絡(luò)性能的迫切需求，更加智能的自組網(wǎng)絡(luò)將成為5G時代不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，網(wǎng)絡(luò)部署、運維等基本依靠人工方式，需要投入大量的人力，給運營商帶來巨大的基礎(chǔ)建設(shè)成本和運行成本。并且，隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，依靠人工的方式難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。為了解決網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化的復(fù)雜性問題，降低運維成本占總收入的比例，使運營商得以高效運營、維護網(wǎng)絡(luò)，在滿足客戶需求的同時，自身也能夠持續(xù)發(fā)展，NGMN（NextGenerationMobileNetwork，下一代移動網(wǎng)絡(luò)）聯(lián)盟中的運營商主導(dǎo)并聯(lián)合主要設(shè)備制造商提出了自組網(wǎng)絡(luò)（SON）的概念。由于5G將采用大規(guī)模MIMO（MultiInputMultiOutput，多進多出）無線傳輸技術(shù)，使得空間自由度大幅度增加，從而帶來天線選擇、協(xié)作節(jié)點優(yōu)化、波束選擇、波束優(yōu)化、多用戶聯(lián)合資源調(diào)配等方面的靈活性，因此對這些技術(shù)進行優(yōu)化，成為5G系統(tǒng)SON技術(shù)的重要內(nèi)容。本文在分析現(xiàn)有SON技術(shù)基礎(chǔ)上，從自配置、自優(yōu)化、自治愈三個方面分別介紹相關(guān)研究成果，在前人研究基礎(chǔ)上分析了5G網(wǎng)絡(luò)對SON的要求，并結(jié)合大數(shù)據(jù)和虛擬技術(shù)提出了基于大數(shù)據(jù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（BV-SON），以期為SON技術(shù)的發(fā)展提供新思路。自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述基礎(chǔ)功能自組網(wǎng)絡(luò)是隨著LTE的發(fā)展而產(chǎn)生的。目前對于自組網(wǎng)絡(luò)的概念有不同的定義，主要是在網(wǎng)絡(luò)中引入自組織能力（網(wǎng)絡(luò)智能化），使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、部署、維護、優(yōu)化和排障等各個環(huán)節(jié)可以自動進行，最大限度減少人工干預(yù)。目前SON功能主要包含三個部分：自配置、自優(yōu)化、自治愈（如圖1所示）。首先是自配置。在SON中，自配置是指自動配置當前網(wǎng)絡(luò)中如微基站、中繼站、宏基站等所有設(shè)備參數(shù)的過程。目標是基站自動建立和即插即用，主要包括以下功能：基站數(shù)據(jù)準備和自動檢測、地址分配和操作維護管理通道自動建立、自動鄰區(qū)關(guān)系配置、軟件版本自安裝和更新、自資產(chǎn)管理、無線參數(shù)配置、傳輸參數(shù)配置等。其次是自優(yōu)化。移動網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的，包括不斷部署新的基站，擴充當前網(wǎng)絡(luò)容量，調(diào)整參數(shù)以適應(yīng)本地業(yè)務(wù)量和環(huán)境條件。在無線自組網(wǎng)絡(luò)中，自優(yōu)化指的是SON系統(tǒng)通過不斷監(jiān)視KPI（KeyPerformanceIndicator，關(guān)鍵性能指標）網(wǎng)絡(luò)性能指標以及和KPI相關(guān)聯(lián)的無線參數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化算法調(diào)整關(guān)聯(lián)的無線參數(shù)，以保證網(wǎng)絡(luò)盡可能高效地運行。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是連續(xù)的閉環(huán)處理過程，包括周期性的性能評估、參數(shù)的優(yōu)化以及優(yōu)化后參數(shù)的重新部署。初始化階段自配置得到的參數(shù)在后期不再適用，需要進行優(yōu)化以提升網(wǎng)絡(luò)性能。自優(yōu)化主要包括以下功能：切換優(yōu)化、PCI（PhysicalCellIdentifier，物理小區(qū)標識）自檢和重配、健壯性優(yōu)化、負載均衡優(yōu)化、RACH（RandomAccessChannel，隨機接入信道）優(yōu)化、自鄰區(qū)關(guān)系調(diào)整、ICIC（InterCellInterferenceCoordination，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）、QOS（QualityofService，服務(wù)質(zhì)量）相關(guān)參數(shù)優(yōu)化、家庭基站優(yōu)化等。最后是自治愈。在自組網(wǎng)絡(luò)中，自治愈可以定義為一種自發(fā)執(zhí)行的行為，它可以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行，防止破壞性問題的出現(xiàn)。具體的功能不僅包括解決可能發(fā)生的故障，而且應(yīng)當自動執(zhí)行故障檢測、診斷以及觸發(fā)相應(yīng)的糾正機制，在網(wǎng)絡(luò)異常發(fā)生之前采取必要的措施。當網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點失效時，自我修復(fù)機制旨在減少故障帶來的影響，例如：通過調(diào)整相鄰單元中的參數(shù)和算法，為受到故障節(jié)點影響的用戶提供服務(wù)。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)生故障的基站有時難以識別，自治愈的目標是進行系統(tǒng)告警和性能檢測，自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題，并自檢測定位，部分或者全部消除故障。自治愈主要包括以下功能：故障信息處理、小區(qū)/服務(wù)故障檢測、小區(qū)/服務(wù)故障補償、緩解故障模塊影響、故障小區(qū)檢測和補償、故障自動跟蹤檢測等。管理架構(gòu)在LTE中，SON網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)主要分為三種，分別是分布式（D-SON）、集中式（C-SON）、混合式（H-SON）（如圖2所示）。分布式：優(yōu)化算法在eNB（EvolvedNodeB，演進型基站）中執(zhí)行，SON系統(tǒng)需要裝備于所用的eNB中，因此設(shè)備部署的工作量很大，這種SON結(jié)構(gòu)只支持復(fù)雜的SON算法。集中式：優(yōu)化算法在OAM（OperationAdministrationandMaintenance，操作維護管理）中執(zhí)行，SON系統(tǒng)只需要裝備于OAM中即可，因此設(shè)備部署的工作量很小，這種SON只支持簡單快速的優(yōu)化算法。混合式：部分優(yōu)化算法在OAM中執(zhí)行，其余優(yōu)化算法在eNB中執(zhí)行，這種SON結(jié)構(gòu)可以支持各種復(fù)雜度的優(yōu)化算法。目前大多數(shù)SON網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)采用的是H-SON，網(wǎng)管系統(tǒng)和eNB上SON實體協(xié)作完成集中式SON的功能。三種管理架構(gòu)的比較如下表所示：5G自組網(wǎng)優(yōu)化需求在LTE網(wǎng)絡(luò)中，SON實現(xiàn)了基本功能，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的自動部署和維護能力。然而，隨著5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，SON的基本功能遠遠不能滿足需求，需要對SON做進一步優(yōu)化，未來5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當能支持更智能的SON功能。首先，在自配置功能方面，由于低功率節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中大量部署，導(dǎo)致基站鄰區(qū)關(guān)系的復(fù)雜度呈指數(shù)上升，需要發(fā)展面向隨機部署、超密集網(wǎng)絡(luò)場景的新自動鄰區(qū)關(guān)系技術(shù)，以支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入即可使用。其次，在自優(yōu)化方面，網(wǎng)絡(luò)密度增加會導(dǎo)致每個基站存在多個不同的干擾源，加上用戶移動性、網(wǎng)絡(luò)運行過程中的隨機因素，使協(xié)調(diào)技術(shù)的優(yōu)化更為困難。最后，在自治愈方面，由于網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)隨時間和空間動態(tài)變化，引起低功率節(jié)點在運行過程中的不確定性，會造成隨機開啟關(guān)閉等故障現(xiàn)象，同樣也需要自組織網(wǎng)絡(luò)功能以實現(xiàn)智能化補償。針對5G網(wǎng)絡(luò)，SON的主要需求具體如下：智能化需求在5G網(wǎng)絡(luò)中，SON技術(shù)不再是可選技術(shù)（如LTE），而是強制技術(shù)，綁定的軟件功能模塊能動態(tài)地感知、評估和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供平滑和無邊界的使用感知。需利用大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等先進技術(shù)賦予SON更多智能，智能化是SON未來發(fā)展的重要方向。自我協(xié)調(diào)功能優(yōu)化需求5G網(wǎng)絡(luò)需要無沖突的可靠SON，當在同一網(wǎng)絡(luò)中同時運行時，不同的子功能可能會產(chǎn)生參數(shù)沖突或基于目標的沖突。這種沖突可能會損害SON的整體性能。由眾多自主子功能和設(shè)計適當?shù)淖詤f(xié)調(diào)框架所產(chǎn)生的沖突非常具有挑戰(zhàn)性，因此5G的自協(xié)調(diào)必須在子功能設(shè)計的基層考慮，需進一步優(yōu)化SON的自我協(xié)調(diào)能力，避免子功能之間的沖突。開放性SON需求從目前的SON產(chǎn)品來看，SON的子功能都封裝在“黑匣子”中，這種方式不利于SON功能全部發(fā)揮作用，需要多個廠商的配合協(xié)調(diào)，影響工作效率，不能滿足5G對高效率、低延遲的需求。因此，5G網(wǎng)絡(luò)中的SON必須在不影響自動化程度的情況下，提供一定的開放性。首先，SON需要適應(yīng)長期動態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力需求。無線網(wǎng)絡(luò)的次優(yōu)性能主要是由其運行環(huán)境的動態(tài)性引起的。這些動態(tài)的時間范圍從微秒（例如噪音、快衰落等）、秒（例如慢衰落、用戶移動性等），一直到數(shù)小時、數(shù)天和數(shù)月（例如用戶集中度在白天和夜晚從一個區(qū)域到另一個區(qū)域的變化，以及周末、事件和季節(jié)的變化）。然而，在LTE網(wǎng)絡(luò)中的SON只適用于處理由非常短期的動態(tài)（噪聲、快速衰落、陰影等）引起的低效率和損害，而無法適應(yīng)長期動態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力。在5G網(wǎng)絡(luò)中，需要優(yōu)化SON以應(yīng)對由于缺乏適應(yīng)長期動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)能力而產(chǎn)生的低效率。其次，KPI必須優(yōu)化。到目前為止，蜂窩網(wǎng)絡(luò)還沒有一個共享的網(wǎng)絡(luò)性能量化框架，無線網(wǎng)絡(luò)的性能指標與設(shè)備供應(yīng)商和運營商一樣多。在5G中，SON預(yù)計將成為事實上的操作模式，SON功能將必須在多供應(yīng)商、RAT（RadioAccessTechnology，無線接入技術(shù)）上操作，可能還需要多運營商和多網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。因此，必須建立一套統(tǒng)一的性能測量和驗證系統(tǒng)。特別是對5GSON來說，利用子函數(shù)優(yōu)化KPI的有意義性和均勻性是子函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的重要條件。為了充分發(fā)揮子系統(tǒng)功能在5G中的潛力，需要開發(fā)新的、整體的和全面的關(guān)鍵性能指標，它可以準確反映用戶體驗，同時量化網(wǎng)絡(luò)利益相關(guān)者的利益。最后，要使SON從被動轉(zhuǎn)為主動。3G/4G網(wǎng)絡(luò)中的子函數(shù)一般都有一個反應(yīng)線，也就是說，3G/4G中的子函數(shù)是在出現(xiàn)問題時啟動的。例如，當觀察和診斷擁塞時，會觸發(fā)負載平衡子函數(shù)。考慮到5G產(chǎn)生零延遲感知的目標，這種類型的反應(yīng)子將無法滿足5G的性能要求，這是因為在經(jīng)典子中，需要一定的時間觀察情況，診斷問題，然后觸發(fā)補償動作。因此，對于5G而言，SON方式需要從被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃印Ｊ孪阮A(yù)測問題，而不是等待觀察和發(fā)現(xiàn)問題。這可以通過從大量的控制、信令和上下文數(shù)據(jù)中推斷來實現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)可以在移動網(wǎng)絡(luò)中利用，在問題出現(xiàn)之前預(yù)測問題，然后采取先發(fā)制人的行動來解決問題，從而產(chǎn)生一個積極主動的SON。5G網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)演進方案結(jié)合上述5G網(wǎng)絡(luò)對SON的需求，基于大數(shù)據(jù)的虛擬SON架構(gòu)（BV-SON）或可嘗試。在5G網(wǎng)絡(luò)中將應(yīng)用SDN和NFV技術(shù)，這使得5GSON未來可能使用虛擬SON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（V-SON），使用V-SON更加開放、靈活，并具有更高的擴展性。傳統(tǒng)的SON系統(tǒng)采用D-SON和C-SON混合的H-SON結(jié)構(gòu)，5G在其基礎(chǔ)上進行演進，采用V-SON（Virtual－SON）架構(gòu)。D-SON算法仍然部署在本地小區(qū)以實現(xiàn)B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）間的通信，而V-SON運行于虛擬機上，它配置于B/S或B/S側(cè)的網(wǎng)管服務(wù)器里。V-SON數(shù)據(jù)實體能對移動臺、基站和云上下文（Cloud-context）數(shù)據(jù)進行檢索、管理和自動優(yōu)化，這些數(shù)據(jù)通常包括配置管理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)等，但是V-SON能分離基于值的匯總數(shù)據(jù)（Value-basedSummary），相比于傳統(tǒng)的配置管理等原始數(shù)據(jù)，大大提高了處理速度。5G提供豐富多樣的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，網(wǎng)元（NE）之間交互信息，SON跟蹤網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行SON算法確保網(wǎng)絡(luò)的組織和優(yōu)化。另外，需要將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入SON中，因為在5G網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并非全部有效，需要大數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以減輕SON的壓力。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實現(xiàn)當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)完全智能化、用戶行為預(yù)測能力、網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)動態(tài)關(guān)聯(lián)的能力。因此，本文結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)和虛擬技術(shù)，提出基于大數(shù)據(jù)的虛擬SON（BV-SON），具體框架如下圖所示：BV-SON框架說明如下：第一，“虛擬化環(huán)境”指為SON運行提供虛擬化環(huán)境。第二，“數(shù)據(jù)集”意為將所有信息源中的數(shù)據(jù)收集到聚合數(shù)據(jù)集中。第三，“大數(shù)據(jù)模型”可以將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正確的數(shù)據(jù)。具體步驟為：第一步：分類，即根據(jù)關(guān)鍵運營和業(yè)務(wù)目標（OBO）對數(shù)據(jù)進行分類。第二步：統(tǒng)一/擴散，即將多個性能指標（KPI）統(tǒng)一為更重要的關(guān)鍵性能指標。第三步：確定等級，即根據(jù)關(guān)鍵運營和業(yè)務(wù)目標的影響，對每個關(guān)鍵運營和業(yè)務(wù)目標的關(guān)鍵性能指標進行排名。第四步：通過過濾器過濾掉影響關(guān)鍵運營和業(yè)務(wù)目標低于預(yù)定義閾值的關(guān)鍵性能指標。第五步：關(guān)聯(lián)，即查找對每個KPI產(chǎn)生影響的NP。第六步：排序，即對于每個KPI，根據(jù)關(guān)聯(lián)的強度對關(guān)聯(lián)的NP進行排序。第七步：相互關(guān)聯(lián)，即對于每個NP，確定一個向量，量化其與每個KPI的關(guān)聯(lián)。第四，“