Với sự phát triển của mạng LTE-A mà đặc thù là lưu lượng dữ liệu tăng mạnh, việc tối ưu vùng phủ và dung lượng mạng trở nên phức tạp. Do đó giải pháp SON là yêu cầu bắt buộc để tối ưu mạng và nâng cao trải nghiệm người dùng. Luận văn giúp hiểu sâu hơn về giải pháp tự tối ưu hóa SON trong việc tối ưu mạng LTE- A, cụ thể hơn là những kết của đạt được khi triển khai thử nghiệm. Từ đó có đánh giá hiệu quả của giải pháp so với các phương pháp tối ưu khác.
Chương 2 GIẢI PHÁP MẠNG TỰ TỔ CHỨC – SON
2.1 Cấu hình và các thành phần của SON
Như mọi mạng di động, hệ thống LTE cũng cần phải được quản lý và xu hướng là đơn giản hóa các chức năng quản lý. Tuy nhiên, sự phức tạp của hệ thống LTE (số lượng và cấu trúc của các tham số mạng) không chỉ mang lại lợi ích về hiệu suất mà còn mang lại những yêu cầu mới về Hoạt động và Bảo trì (OAM) của mạng. Những yêu cầu này được tăng thêm bởi sự tiến hóa song song và sử dụng nhiều cơ sở hạ tầng, ví dụ: 2G, 3G, WiMAX, vv SON được xem là một trong những khu vực hứa hẹn cho một nhà điều hành để tiết kiệm chi phí hoạt động và do đó hiện đang được bao gồm trong tiêu chuẩn 3GPP theo hình thức hướng dẫn. Ngoài ra, SON cho LTE là một chủ đề nóng trong nghiên cứu hiện tại, được thúc đẩy bởi những lợi ích nó có thể cung cấp và bởi thực tế là trong LTE, chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến được đặt ở cấp trạm gốc.
Hình 2.1 Cấu trúc SON
2.1.1 Tự cấu hình
Quá trình tự cấu hình được định nghĩa là quá trình mà các nút mới được triển khai được cấu hình bằng các quy trình cài đặt tự động để có được cấu hình cơ bản cần thiết cho hoạt động của hệ thống. Đây là cấu hình động cắm và chạy(plug-and- play) của các eNB mới được triển khai. Bản thân eNB sẽ tự cấu hình nhận dạng Physical Cell Identity (PCI), Cell global ID (CGID), tần số truyền dẫn và công suất, dẫn đến việc lên kế hoạch và triển khai trạm nhanh hơn.
Những ví dụ bao gồm: 1) Tự cấu hình PCI
2) Tự khai báo quan hệ cell (ANR) 2.1.1.1 Tự cấu hình PCI
Hình 2.2 Tự cấu hình PCI
Khi giải pháp tập trung được sử dụng, hệ thống OAM sẽ học được dữ liệu và kiểm soát danh sách các PCI. Khi giải pháp phân tán được sử dụng, hệ thống OAM gán danh sách các PCI có thể cho eNB mới được triển khai, nhưng việc chấp nhận PCI là do eNB quyết định. ENB mới được triển khai sẽ yêu cầu một báo cáo, được gửi bởi Thiết bị người dùng (UE) trên giao diện không dây hoặc bởi các eNB khác
trên giao diện X2, bao gồm cả các PCI đang sử dụng. ENB sẽ chọn ngẫu nhiên PCI của nó từ các giá trị còn lại.
2.1.1.2 Tự khai báo quan hệ cell
ANR làm tăng số lượng các chuyển giao thành công và giảm thiểu số lượng các cuộc gọi bị rớt bằng cách duy trì danh sách neighbors chính xác và cập nhật. Giúp giảm thiểu công việc cần thiết khi cấu hình các eNB mới triển khai và tối ưu hóa cấu hình trong khi hoạt động. Trước khi thực hiện chuyển giao, eNB nguồn yêu cầu thông tin lân cận: PCI và CGID của eNB đích. ANR bằng cách duy trì danh sách hàng xóm được cập nhật sẽ tiến hành quá trình chuyển giao. 2
ANR bao gồm ba chức năng: chức năng quản lý bảng quan hệ neighbour (NRT), chức năng xóa bỏ neighbour và chức năng phát hiện neighbour. Chức năng phát hiện neighbour lấy báo cáo đo lường từ Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) giúp tìm thấy neighbour mới. Chức năng xóa bỏ neighbour giúp xóa bỏ các cặp neighbour(NRs) không còn cần thiết. NRT có ba thuộc tính:
a) No Remove: Nếu được chọn, eNB sẽ không xóa bỏ các cặp neighbour từ NRT.
b) No HO: Nếu được chọn, các cặp neighbour không được eNB sử dụng để chuyển giao(HO).
c) No X2: Nếu được chọn, các cặp neighbour sẽ không sử dụng giao diện X2 để bắt đầu các thủ tục hướng tới việc eNB gốc tạo thành cell đích.
Hàm ANR cũng cho phép OAM quản lý NRT. OAM có thể thêm và xóa NRs. Nó cũng có thể thay đổi các thuộc tính của NRT. Hệ thống OAM cũng được thông báo về những thay đổi trong NRT.
2.1.2 Tự tối ưu
Quá trình tự tối ưu hóa : được định nghĩa là quá trình khi các phép đo UE & eNB và các phép đo hiệu suất được sử dụng để tự động điều chỉnh mạng.
Một số ví dụ:
a) Tối ưu vùng phủ và dung lượng b) Tiết kiệm năng lượng
Một nhiệm vụ hoạt động điển hình là tối ưu hóa mạng theo vùng phủ và dung lượng. Điều này được thực hiện thông qua các phép đo trong mạng và sử dụng các mô hình lý thuyết truyền sóng trong các công cụ lập kế hoạch. Phương pháp này yêu cầu thu thập dữ liệu rộng rãi và đo kiểm mạng lưới thường xuyên bao gồm số liệu thống kê và số liệu đo đạc. Tỷ lệ rớt cuộc gọi(Call drop rates) đưa ra một dấu hiệu đầu tiên cho các khu vực không đủ phủ sóng, các bộ đếm lưu lượng xác định các vấn đề về dung lượng. Thuật toán sẽ cung cấp vùng phủ tối ưu và dung lượng tối ưu.
Hình 2.3 Tối ưu lỗ trống vùng phủ IRAT trước và sau
Hình 2.4 Tối ưu vùng phủ cell bị cô lập
2.1.2.2 Tiết kiệm năng lượng
Kết quả mong đợi là tiết kiệm chi phí hoạt động thông qua tiết kiệm năng lượng. Trong trường hợp sử dụng này, kỹ thuật được sử dụng là tắt nguồn các cell trong thời gian lưu lượng thấp để tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, đối với một cell cung cấp dung lượng bổ sung trong triển khai nghĩa là các cell giúp tăng dung lượng có thể được phân biệt với các cell cung cấp vùng phủ cơ bản có thể được tắt khi dung lượng của nó không còn cần thiết và được kích hoạt lại khi cần. Cửa sổ thời gian sẽ được tính toán và điều chỉnh theo dữ liệu lưu lượng do mạng cung cấp. Hình 2.6 dưới đây cho thấy một ví dụ về trường hợp sử dụng.
Hình 2.5 Trường hợp sử dụng tính năng tiết kiệm năng lượng
Mục tiêu của sự phối hợp can thiệp giữa các tế bào liên kết (ICIC) dựa trên SON là giảm thiểu sự can thiệp của con người vào các nhiệm vụ quản lý và tối ưu hóa mạng. ICIC yêu cầu các cell lân cận trao đổi thông tin về phần nào của tổng băng thông mà chúng đang sử dụng. Các cell lân cận có thể phối hợp các phần băng thông được sử dụng trong mỗi cell và các cường độ truyền qua các khối tài nguyên tần số khác nhau. Nhiễu liên cell(inter-cell) có thể được giảm hoặc tránh trong đường lên và xuống bằng cách dùng chỉ số mức độ sử dụng tài nguyên trong cell (PRBs) liên quan dẫn đến SIR được cải thiện và thông lượng(throughput) tương ứng. Sự phối hợp này được thực hiện bằng cách hạn chế và ưu tiên cho việc sử dụng
và chất lượng tăng lên sẽ dẫn đến giảm nhiễu.
2.1.2.4 Tối ưu hóa tính linh hoạt của thiết bị di động (MRO)
Chức năng này điều chỉnh các thông số khi xảy ra lỗi chuyển giao (HO) và cố gắng giảm thiểu nguy cơ mất kết nối radio do tính di động. Mục tiêu của nó là giảm số lượng các Handover được kích hoạt qua lại, tức là Ping-Pong HO và các cuộc gọi bị giảm hoặc lỗi liên kết vô tuyến. Hình dưới đây cho thấy sự xuất hiện của Ping-Pong HO
Trong trường hợp sử dụng này, ba kịch bản được xác định: 1) Phát hiện và giảm thiểu sự xuất hiện của HO quá trễ
Hình 2.6 HO quá trễ
2) Phát hiện và giảm thiểu sự xuất hiện của HO quá sớm
Hình 2.7 HO quá sớm
3) Phát hiện và giảm thiểu sự xuất hiện của HO đến một Cell sai
Hình 2.8 HO đến một cell sai
Hình 2.7 cho thấy quá muộn HO khi lỗi liên kết vô tuyến (RLC) xảy ra giữa eNB nguồn và UE trước khi HO hoàn tất. Trong hình 2.8 cho thấy quá sớm HO, nơi RLC xảy ra ngay khi UE được kết nối với eNB đích vì liên kết vô tuyến đến eNB nguồn mạnh hơn. Trong trường hợp cuối cùng, Hình 2.9 cho thấy trường hợp UE được chuyển từ Cell 1 đến Cell2 và đến Cell 3. Điều này xảy ra vì HO từ Cell 1 đến Cell 2 quá sớm trong khi HO từ Cell 2 đến Ô 3 đã quá muộn. Trong LTE Release 9, eNB có thể yêu cầu UE báo cáo danh tính của cell mà nó được kết nối và cũng là các công cụ đo vô tuyến.
MRO sử dụng tính năng này để thiết lập giá trị của ngưỡng HO, bộ đếm thời gian và giá trị trễ theo cách tối ưu, để tài nguyên mạng không bị lãng phí khi sử dụng HO bổ sung hoặc HO mà không thành công.
2.1.2.5 Tối ưu hóa cân bằng tải di động (MLB)
MLB là một chức năng mà các cell bị nghẽn có thể chuyển tải của chúng đến các cell lân cận có nguồn tài nguyên dự phòng. Các tham số Cell reselection/handover được tối ưu hóa để tải được phân phối đồng đều với số lượng handovers tối thiểu và chuyển hướng cần thiết để đạt được cân bằng tải. Một eNB giám sát tải trong cell được điều khiển và trao đổi thông tin liên quan trên X2 hoặc S1 với các cell lân cận.
Hình 2.9 Cấu trúc hoạt động của SON Load Balancing
Thuật toán xác định nhu cầu phân phối tải trọng của cell đối với các cell liền kề hoặc đồng vị trí, bao gồm các cell từ các RAT khác, ví dụ: bằng cách so sánh tải giữa các cell, loại dịch vụ đang diễn ra, cấu hình cell, vv Nếu cần, thuật toán thay đổi thông số HO một cách thích hợp. Để thực hiện chức năng báo cáo tải giữa các eNB qua S1 / X2 là bắt buộc.
Kiến trúc chức năng trong hình 2.8 cho thấy: a. Chức năng báo cáo tải
b. HO (gây cân bằng tải) c. Điều chỉnh thông số HO
Mục đích của cân bằng tải trong SON là cân bằng tải của cell để tăng dung lượng của hệ thống.
2.1.2.6 Tối ưu hóa RACH
Chức năng này tối ưu hóa các tham số RACH dựa trên tải, như: a. RACH tham số backoff,
b. PRACH tham số điều khiển công suất truyền,
c. Tài nguyên vô tuyến Uplink dành riêng cho RACH, v.v.
Tải phụ thuộc vào số lượng các yếu tố như: tỷ lệ cuộc gọi đến, tốc độ HO, mô hình lưu lượng và số dân trong vùng phủ sóng của, nhiễu inter-cell từ Kênh chia sẻ vật lý (PUSCH), tải PUSCH.
Việc tối ưu hóa RACH là quan trọng bởi vì khi RACH được nạp rất cao, khả năng va chạm trên RACH tăng lên. Điều này gây ra nhiều lần truyền lại trước khi truy cập ngẫu nhiên thành công và dẫn đến trễ truy cập lớn hơn. Thứ hai, vì các tài nguyên vô tuyến đường lên được dành riêng cho RACH, nên tránh các cấu hình dẫn đến các tài nguyên RACH chưa được sử dụng. Để thực hiện tối ưu hóa RACH, SON sử dụng quy trình để báo cáo từ UE đến eNB, số lần thử truyền RACH cần thiết cho thủ tục truy cập ngẫu nhiên thành công nhất. Điều này giúp thuật toán SON thiết lập các tham số RACH tương ứng cho việc truyền RACH trong tương lai. Mục đích của tối ưu hóa SON RACH là:
1) Mang lại hiệu quả công suất hệ thống tích cực
2) Giảm độ trễ truy cập cho tất cả các UE trong hệ thống 3) Giảm thiểu nhiễu UL do RACH
4) Giảm thiểu sự can thiệp giữa các nỗ lực RACH
2.1.3 Tự phục hồi
Mục đích của chức năng Tự phục hồi của SON là giải quyết hoặc giảm thiểu các lỗi có thể được giải quyết tự động bằng cách kích hoạt các hành động khôi phục thích hợp. Trong hệ thống quản lý lỗi, cho mỗi lỗi được phát hiện, báo động thích hợp được tạo bởi thực thể mạng bị lỗi, bất kể đó là lỗi Tự động phát hiện và tự động sửa (ADAC) hoặc lỗi Tự động phát hiện và Tự động sửa (ADMC). Các cảnh báo này có thể hoạt động như một kích hoạt cho chức năng Tự phục hồi. Ví dụ: Phát hiện mất cell / Khôi phục vùng phủ khi mất cell.
Hình trên cho thấy quá trình phát hiện mất cell / Quá trình khôi phục vùng phủ khi cell mất, những nơi mất dịch vụ khi cell mất, tất cả các UE không thể thiết lập hoặc duy trì tất cả các bộ phát vô tuyến (RB) thông qua cell cụ thể đó. Sau đó,
Khởi tạo hệ thống (ở các mức khác nhau), Tải lại bản sao lưu phần mềm,
Kích hoạt tải phần mềm dự phòng, Cấu hình lại, v.v.
Trong trường hợp lỗi phần cứng, tự phục hồi bao gồm :
Cách ly và loại bỏ tài nguyên bị lỗi khỏi dịch vụ để nó không ảnh hưởng các tài nguyên đang làm việc khác;
Loại bỏ các tài nguyên vật lý và chức năng (nếu có) khỏi dịch vụ, phụ thuộc vào dịch vụ bị lỗi. Điều này ngăn cản sự lan truyền của các hiệu ứng lỗi tới các tài nguyên không có lỗi khác;
Khởi tạo lại tài nguyên bị lỗi, v.v.
2.2 Kiến trúc SON
Chức năng tự tổ chức có thể được định vị toàn bộ hoặc thậm chí chia nhỏ và nằm trong các nút khác nhau. Thuật toán tự tối ưu hóa có thể được đặt trong OAM hoặc eNB hoặc cả hai. Theo vị trí của thuật toán tối ưu hóa, SON có thể được chia thành ba phiên bản kiến trúc chính: SON tập trung(C-SON), SON phân tán(D-SON) và SON hỗn hợp(H-SON).
Trong ba phiên bản của SON, các điểm tương đồng và khác biệt trong chức năng tự tối ưu hóa (SOF) đối với việc thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu và quản lý cấu hình được trình bày.
2.2.1 Kiến trúc SON tập trung
Trong phương pháp tiếp cận giải pháp SON tập trung, tất cả các thuật toán tối ưu hóa được thực hiện trong một nút trung tâm, mà có lẽ nằm gần hoặc trong hệ
thống OAM. Do đó, chức năng của SON nằm trong một số ít vị trí ở cấp quản lý cao hơn, như trong Hình 2.11.
Hình 2.10 Kiến trúc SON tập trung
Giải pháp kiến trúc SON như vậy có thể phù hợp trong trường hợp cần quản lý và khảo sát tương tác giữa các cell khác nhau, chẳng hạn như tối ưu hóa chuyển giao(hand-over) và cân bằng tải(load balancing) chẳng hạn. Các cơ chế tự tổ chức chỉ được thực hiện trong nút trung tâm; eNB riêng biệt không thực hiện bất kỳ hành động độc lập nào ngoài việc trao đổi các chỉ số hiệu suất chính (KPI), các phép đo và thông báo tín hiệu với thực thể SON. Giao tiếp với eNB được xử lý qua giao diện OAM
Cách tiếp cận tập trung này có những bất lợi đáng kể. Vì nút trung tâm là chìa khóa để đưa ra quyết định SON và do đó trở nên quan trọng đối với hoạt động của hệ thống. Nếu nút trung tâm mất, không có hoạt động, SON thực hiện cập nhật mối quan hệ(update neighbor), hoặc tối ưu hóa SON có thể diễn ra. Nút trung tâm cũng phải xử lý một lượng lớn dữ liệu để thực hiện các quyết định tại khu vực SON trên mạng. Khi mạng mở rộng tới hàng nghìn eNB, nhiệm vụ này trở nên nặng nề
Một phân nhánh khác của kiến trúc tập trung là các thay đổi SON cấp mạng phải được giới thiệu như một tập hợp lớn các thay đổi cấu hình riêng lẻ, trái với các chỉ thị chính sách hướng dẫn các thay đổi cục bộ.
2.2.2 Kiến trúc SON phân tán
Với giải pháp phân tán, xem Hình 2.12, phù hợp với các chức năng của SON trong đó các quyết định dựa trên thông tin có sẵn trong eNB, chẳng hạn như các phép đo riêng và các phép đo UE được báo cáo. Vì các eNB giao tiếp với nhau thông qua giao diện X2, các thuật toán tự tối ưu hóa có thể được thực thi cục bộ trong mỗi eNB.
Hình 2.11 Kiến trúc SON phân tán