5G組網技術亮眼新星-自我組織網路(SON)技術

工研院資通所 杜冠賢

隨著行動網路應用與行動裝置的快速發展,大量的使用者們需要更高的網路容量提供服務、更高的傳輸速率滿足通話與影音服務的品質、以及更低的延遲時間以支援自動駕駛等新應用,這些需求對於目前提供4G服務的電信商是一大挑戰。根據電信大廠Ericsson提出的報告[1]指出,在2018年底全球約有5 7億個連網的行動終端,但僅在2018年第三季全球就增加了一億兩千萬個連網的行動終端,到了2024年連網的行動終端數量預估將會達到79億,這是目前一般4G網路難以負荷的傳輸量,因此對於新一代的5G行動通訊技術有著迫切的需求。在2018年6月3GPP(第三代合作夥伴計劃,3rd Generation Partnership Project)釋出的第一份5G技術規格文件中,明確的描述了未來5G通訊將藉由更高的頻譜使用率、使用更高頻的連續頻段、更大的頻寬、更密集的站點、更複雜的天線陣列技術來達成對網路容量、傳輸速率與傳輸延遲的需求,同時亦宣佈支援更多樣化的行動終端(如物聯網)與網路架構。然而新的行動通訊系統在效能提升的過程中,複雜度也大幅上升,大量密集的基站與天線的細部調整若完全依靠人力進行,將會大幅提升企業的營運成本(OPEX),因此基於自我組織網路(Self-orgnization Network,SON)技術的自動化網路管理便成為邁向5G過程中受到矚目的焦點。

 

精彩內容

1. SON提供三大自動化網路管理利器

2. 邁向5G通訊時代-SON技術的挑戰

3. 工研院提供商用SON系統,配置最佳行動網路


SON提供三大自動化網路管理利器

商用行動網路引進SON技術 提升效能顯著

SON技術的目標在於減少參與網路調整流程的人力,所提供的三大功能:Self-configuration、Self-optimization、Self-healing則對應了初期服務上線(Rollout)的設定、網路效能的最佳化、故障偵測與排除這三大網路管理流程。過去在3G時代這些流程都以人工完成,電信商需要派出工程師在服務範圍內進行訊號量測與基地台的微調,例如基地台的發射功率、天線傾角等與訊號覆蓋範圍相關的設定,以及基地台間換手參數這類影響行動網路穩定性的設定,以確保網路服務的品質,同時上線後也必須有專員不停收集基地台的各項報表,並分析網路中是否有故障或訊號不良的區域,這些都必須仰賴大量的人力與有經驗的工程師進行,直到3G末期4G技術剛被提出的時代,維護更密集的站點與服務更多的使用者已讓電信商感到吃力,此時才正式的引入SON自動化管理的概念。在4G行動網路中,SON技術的三大功能則可再細分為下列功能項目:

1. Self-configuration:

  • 自我測試(Self-testing):基地台啟動時自動偵測設備型號、軟體版本等資訊,確認系統正常可開始啟動程序
  • 自動連線管理(Automatic Connectivity Management):自動建立OAM、S1、X2連線
  • 自我建立(Self-establishment):自動套用初始設定,以及自動進行軟體更新,並開始運作。
  • 實體層ID(Physical Identity, PCI)分配:相鄰或相隔一跳的基地台若使用相同的PCI,會造成訊號的干擾,也會影響手機換手的行為,故需妥善分配有限的PCI。

2. Self-optimization:

 

圖1 兩種PCI衝突問題
圖1 兩種PCI衝突問題

 

  • 自動鄰居關係(Auto Neighbor Relation,ANR):決定與週圍基地台的鄰居關係,關係到換手行為,與各種需與鄰居基地台協同合作的SON優化功能。

圖2 與鄰近基地台建立鄰居關係
圖2 與鄰近基地台建立鄰居關係

  • 負載平衡(Mobility Load Balancing):調整換手行為,讓使用者不再連進負載過重的基地台,並讓使用者更容易換手至其他基地台以平衡負載。
圖3 MLB調整換手的觸發點,讓使用者均勻分配到各基地台
圖3 MLB調整換手的觸發點,讓使用者均勻分配到各基地台

  • 行動可靠性優化(Mobility Robustness Optimization,MRO):降低異常換手發生率與斷線率。
圖4a 理想的換手發生點
圖4a 理想的換手發生點

 

圖4b 過早啟動換手導致無法連上目標基地台而斷線
圖4b 過早啟動換手導致無法連上目標基地台而斷線

 

圖4c 過晚換手導致未啟動換手機制即斷線
圖4c 過晚換手導致未啟動換手機制即斷線
圖4d 因錯誤的量測報告導致換手目標錯誤,無法連上目標基地台而斷線
圖4d 因錯誤的量測報告導致換手目標錯誤,無法連上目標基地台而斷線

  • 覆蓋與容量優化(Coverage and Capacity Optimization,CCO):根據需求改變基地台發射功率或天線角度等方式以調整訊號覆蓋範圍,或改善訊號品質不佳的區域。
圖5 依需求調整基地台覆蓋範圍,改善訊號不足的區域與訊號品質
圖5 依需求調整基地台覆蓋範圍,改善訊號不足的區域與訊號品質

  • 隨機存取優化(Random Access Optimization,RO):提升手機連線至基地台的成功率與速度,在人潮擁擠的熱點(Hot-spot)是相當關鍵的功能。
  • 細胞間干擾控制(Inter-cell Interference Coordination,ICIC):與鄰近基地台護相協調發射功率或傳送訊息的時機,避免細胞間的干擾以提升訊號品質。
  • 省電(Energy Saving,ES):使用者人數少或是沒有流量時讓基地台進入休眠狀態,但仍必須留下一定的基地台繼續運作,以維持的訊號覆蓋範圍。
  • 最小化路測功能(Minimun Drive Test,MDT):收集行動終端以及基地台回傳的各種資訊,可大幅減少以人力進行路測的需求。
  • 故障偵測與補償(Cell Outage Detection and Compensation,CODC):自動偵測網路中是否有基地台故障或異常而無法服務,並調整各基地台的覆蓋範圍以支援離線的基地台原本負責的服務範圍。

3. Self-healing:

 

圖6 調整覆蓋範圍以支援故障的基地台
圖6 調整覆蓋範圍以支援故障的基地台

  • 自我修復(Self-Recovery of Network Elements/Software):偵測到有故障的基地台後,自動嘗試重開機或軟體更新等故障排除機制。

從2010年以後已有許多商用行動網路引進了SON技術,以增進網路的效能和服務品質,例如印尼的4G電信商Bolt引進了土耳其P.I Works的SON產品進行網路優化[2],讓平均傳輸速率增加了25%;以及新加坡電信singtel引進了Ericsson的SON產品[3],讓斷線(calldrop)的數量減少了40%,並讓手機在熱區連上基地台的速度快了20%;另外還有沃達豐(vodafone)電信在愛爾蘭引入了Cisco的SON產品[4],成功減少斷線率約30%,並提升網路傳輸速率約6%,這些案例顯示了SON技術可有效提升網路的效能。

 

邁向5G通訊時代-SON技術的挑戰

面對5G網路帶來的全新應用與網路架構,SON技術也被寄望支援更多的功能、能夠提升更多網路效能,這些挑戰包括以下項目:

  1. 管理更密集的站點與數量更大、更多元的使用者:5G系統使用更高的頻率,雖然有更高的傳輸速率與更大的連續頻寬,但在物理特性上訊號不易繞射且衰減得快,使得訊號傳遞距離變短,且更容易受障礙物影響,這代表基地台需要比現在佈建得更密集,但也衍生基地台之間干擾管理與覆蓋範圍分配的問題。另外5G定義的場景中還包括可支援自動駕駛的超高可靠超低時延通信(URLLC)與大連接物聯網(mMTC),前者需要良好的訊號品質與行動可靠性以減少延遲和斷線的機率,後者則需要良好的覆蓋率與充足的網路容量以提供大量裝置同時連線,對於SON技術能提升多少網路的效能將是一大挑戰。
  2. 全新的網路架構:5G通訊網路也納入了虛擬化網路的架構,也就是過去實體的網路單元,現在可能僅以虛擬機器的形式存在於後端機房的工作站中,其優點在於可快速擴充、故障接管的複雜度較低。而3GPP最新的規格文件也指出SON將可藉由協調模組(Harmonic module)介入此類虛擬網路單元的新增、移除,以及資源分配,以適應瞬息萬變的使用者行為,如何藉由網路回傳的各種讀數預判增減或調整虛擬網路單元的時機,變成SON重要的課題之一。
  3. 主動天線系統(Active antenna system,AAS):5G通訊網路引入基於了AAS系統發展的大型陣列天線(massive MIMO)與波束生成(Beamforming)技術,提供了更多可傳輸訊息的通道數與強化訊號品質的機制,可提升頻譜使用率。而3GPP在規格文件中[5]描述了主動天線系統可依照網路容量需求支援細胞分裂(Cell-split)與細胞結合(Cell-merging),意即一組AAS可動態分成兩個獨立的細胞以服務較多的使用者,並在連線數降低時回復為一個細胞,而管理分裂與結合的時機則規屬於SON模組,此一功能會影響大型陣列天線的工作型態(單一細胞或分裂成兩個細胞),因天線資源分配的不同也會影響波束生成最佳化的結果。
  4. 與人工智慧的結合:由於系統中的SON模組會不停收集網路回傳的各種資訊,並在分析後做出調整網路的決策,以功能而言是最適合引入AI輔助決策的角色。
  5. 對於自動化的疑慮:在4G時代不少電信商對於SON自動化的管理仍存有疑慮,影響較大的調整如發射功率、天線傾角等仍仰賴人力與過去的經驗,因此3GPP在標準制定會議中也談到了人為介入(Human Intervension)[6]時機,SON應該將決策流程分類為一次性的Open-loop與重複執行的Close-loop兩種,並分別設定可人為介入的時機,以提高管理人員的信任度,例如進行SON優化功能中有數個過程檢查點需要管理人員許可才可繼續執行,或是計算出調整網路的決策時,實施前應要管理人員核可才能套用調整。


工研院提供商用SON系統,配置最佳行動網路

面對上述5G網路時代SON技術會面臨到的挑戰,在提升網路服務品質與支援新的天線系統(如AAS)方面,工研院的SON技術小組開發了REM技術(Radio Environment Map)可更精確的掌握網路的訊號分佈情形(圖7),以求快速改善基地台訊號的覆蓋空洞(Coverage hole)或弱覆蓋(Weak coverage),使訊號品質一直能夠維持在足以支撐高速傳輸、低延遲、大容量的行動服務。REM技術藉由引入人工智慧,我們能有效分析使用者手機回傳的量測資訊,並建立誤差為3db以內的精準訊號分佈圖(Radio Map),完整反映服務區域內因障礙物、反射干擾而造成訊號較差的服務範圍,這往往是一般理論模型計算或Ray Tracing模擬無法找出的區域,針對這些區域進行優化,可確保完整的網路覆蓋。

 

圖7. REM技術與傳統Radio Model理論計算之比較
圖7. REM技術與傳統Radio Model理論計算之比較

而面對網路服務虛擬化的趨勢,我們也成功與邊緣運算技術做結合,將SON服務虛擬化並移至網路邊緣(edge)以求更短的運算延遲時間,目前亦積極開發協調模組(Harmonic Module),以期能更好的控管行動網路資源。

此外我們也打造了良好的商用SON系統,協助網路管理者與系統供應商管理整個行動網路的同時,透過使用者介面也能幫助管理者有系統的釐清SON的各項決策流程,藉由各項報表與即時的參數查詢,使用者能快速掌握SON優化後設定的參數配置,並可設定介入機制,以確保管理人員的信任度。

 

結語

歐洲電信標準協會(ETSI)曾提出5G必須要邁向零觸碰網路(Zero-touch network)[7],讓網路管理能夠高度自動化以減少管理的成本,而SON正是達到此目標的關鍵技術之一,著名的市場調查企業SNS Telecom & IT[8]曾預估從2019年至2022年,SON的市場產值將會達到55億美元,目前全球已有逾百家知名企業投入SON技術研發,而3GPP也將在5G標準制定的Phase II(2019.12)前完成SON支援5G網路的規格,顯見各界對於SON技術的重視,雖然目前仍有技術上需要克服的挑戰,相信未來藉由SON技術輔助能使5G網路更完美。


參考文獻

[1] Ericsson Mobility Report, Ericsson, November 2018
[2] Bolt! Super 4G LTE is World’s First LTE SON Deployment, P.I Works, March 2015
[3] SingTel deploys self-organizing network solution with Ericsson, Ericsson, December 2013
[4] Vodafone Pioneers Network Automation with Machine Learning to Help Improve Customer Experience, Cisco, 2018
[5] 3GPP TS 32.865
[6] 3GPP TR 28.861
[7] Zero-touch network & Service Management, ZSM Industry Specification Group, ETSI, January 2018
[8] Network complexity, 5G rollouts will drive SON (Self-Organizing Network) spending to $5.5 Billion, SNS Telecom & IT

 

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊