SON起源
自組織網路技術是個域網（PAN，Personal Area Network）領域的熱點研究技術。在2002年5月IEEE通信雜誌為慶祝IEEE通信分會成立50周年出版的專刊上，Ramanathan和Redi博士曾為移動無線分散式網路進行了構想：“一個‘全球化的信息空間’的理想王國，在這裡所有網路設備形成一個巨大的無線自組織網路”，“就如同互連網路在Web服務出現的20年前就已經存在一樣，也許一個令人意外的‘殺手級套用’就會打造出自組織網路的未來”。
自組織網路的起源可追溯到1968年的Aloha網路和1973年美國國防部高級研究計畫署（DARPA）資助研究的無線分組數據網（PRNET）。這些最初的自組織網路對自組織技術的發展起了奠基性的作用。20世紀80年代，美國國防部啟動了可生存自適應網路項目，研究如何將PRNET的研究成果加以擴展，以支持更大規模的網路。1994年，美國國防部又啟動了全球信息系統（GloMo）計畫，研究範圍幾乎覆蓋無線通信所有相關領域。在該計畫中，對於滿足軍事需要的、高抗毀滅性的自組織網路技術進行了深入的研究。20世紀90年代以來，民用的系統也逐漸出現了無線自組織網的標準和套用。IEEE 802.11委員會在開發IEEE 802.11標準時，將分組無線電網路改稱為Ad Hoc（拉丁語意為專有的、特定的）網路，進一步推動了自組織網路研究的發展。1994年瑞典愛立信公司推出藍牙技術開發計畫，1999年公布了採用自組織網路的藍牙技術標準。網際網路工程任務組（IETF）也成立了一個移動自組織網路工作組（MANET），其主要目標就是針對無線自組織多跳網路開發一種基於IP的路由機制，使得IP擴展到這種自組織的、快速移動的無線網路。這個工作組對自組織網路進行了廣泛的研究並推出了一些草案。
近些年來，隨著移動通信和計算機技術的發展以及用戶需求的不斷增長，使自組織網路的研究得到了更為快速的發展。
目前從事自組織網路研究的機構主要有IETF、IEEE組織及DARPA。IETF於1997年成立了專門的研究組——MANET組，針對MANET開發基於IP的路由機制並解決與網路層相關的技術問題。在2000年下半年公布了一系列MANET路由協定草案。IEEE通信分會在2000年成立了專門的MANET技術分委員會。歐洲下一代移動通信系統組織（WWRF）設立了Ad Hoc自組網研究小組，並於2003年發布白皮書對自組織網路進行了總結和展望。歐盟1ST下設了若干採用自組織研究解決車輛之間通信問題的項目，比較重要的有CarTALK2000、FleetNet等。這幾個研究機構為無線自組織的發展和套用都作出了重要貢獻。國內對移動自組織網的研究和開發起步較晚，目前尚處於理論探討階段。
最早提出的SON概念是基於Ad Hoc機制，它無需中心伺服器，隨時隨地動態地形成點對多點的無線網路。在沒有熱點（Hotspots）、沒有網路設施的情況下，以最簡便、最快捷的方式自動組成一個無線的網路，實現通信。其核心特徵如下。
（1）無中心化和節點之間的對等性。
Ad Hoc網路是一個對等性網路，網路中所有節點的地位平等，無需設定任何的中心控制節點（Infrastructureless，不依賴於固定的網路設施）。網路節點既是終端，也是路由器，當某個節點要與其覆蓋範圍之外的節點進行通信時，需要中間的節點進行多跳轉發（Multi-hop Distributed）。
（2）自發現（Self-Discovering）、自配置（Self-Configuring）、自組織（Self-Organizing）、自治癒（Self-Healing）。
Ad Hoc網路節點能夠適應網路的動態變化，快速檢測其他節點的存在和探測其他節點的能力集，網路節點通過分散式算法來協調彼此的行為，無需人工干預和任何其他預置的網路設施，可以在任何時刻任何地方快速展開並自動組網。由於網路的分散式特徵，節點的冗餘性和不存在單點故障瓶頸，任何節點的故障不會影響整個網路的運行，具有很強的抗毀性和健壯性。
目前常說的自組織網路一般都是指的上述的Ad Hoc網路，LTE標準中所討論的SON還是與上述IEEE 802.11 中所討論的Ad Hoc有很大的區別的，LTE中所說的SON主要是廣域網意義上的移動通信網的自配置、自最佳化與自治癒。3GPP是從LTE R8開始將SON作為一個重要的新特性來討論並制定標準的。本文僅是對LTE SON，即傳統移動通信網的自配置、自最佳化與自治癒意義上的SON特性進行研究，Ad Hoc意義上的SON不包含。如無特別說明，均是指的LTE SON特性。
SON標準進展
在LTE SON特性相關的標準化組織和研究項目中，3GPP是其中影響力最大的；3GPP下屬的多個工作組都從不同角度參與了SON特性的討論和標準化工作，包括RAN2/RAN3/RAN4/SA5，目前主要集中在SA5和RAN3。SA5主要是制定SON操作管理需求和網元與操作維護中心（O&M，Operation and Maintenance）之間的接口標準，RAN3 主要討論SON用例實現方案，以及為支持SON各用例在X2/S1接口訊息和信令過程上需要做的修訂。RAN2則根據方案的需要設計增加的RRC層的測量量和測量上報機制等。RAN4負責制定SON相關的測量性能與需求。
儘管在LTE R8標準制定過程中，各家公司也提交了一些文稿來討論SON方面的需求與方案，但是在2008年年底凍結的R8 標準中，RAN3僅就自配置方面的基本內容達成一致並寫入了36.300 v8.7.0中，主要包括：
（1）eNode B與Home eNode B的自啟動與初始化配置；
（2）物理層小區標識（Phy_ID，PCI）的分配；
（3）自動鄰區關係（ANR，Automatic Neighbour Relations）的建立與更新。
自最佳化方面的標準化與自配置的進一步細化是在LTE R9 標準制定中完成。RAN3確定了如下4個用例先進行研究：
（1）容量與覆蓋最佳化（CCO，Coverage and Capacity Optimisation）；
（2）移動性健壯最佳化（MRO，Mobility Robustness Optimisation）；
（3）移動負載均衡（MLB，Mobility Load Balancing）；
（4）RACH最佳化（RO，RACH Optimisation）。
2009年，SA5開始了自治癒用例的需求探討，定義了小區故障修復（COC，Cell Outage Compensation）和網元軟體自恢復（Self-recovery of NE software）兩個用例。同時，在SON議題下還開始了節能（Energy Saving）議題的討論和評估。
除了3GPP之外，LTE SON 相關的研究組織主要還包括歐盟的SOCRATES 和電信運營商領導的NGMN。SOCRATES是歐盟第7框架下（PF7）下的持續3年的一個項目，從2008年開始到2010年結束，主要成員包括愛立信、沃達豐、諾基亞西門子等，目前輸出主要是SON用例、需求與框架等方面，SON各用例的具體方案、算法與仿真等正在陸續開發和輸出。NGMN則是由NTT DoCoMo、T-Mobile、沃達豐、中國移動等主流運營商組成，對SON也比較關注，目前輸出了有關SON和O&M的需求以及部分用例的研究報告。
國內標準化研究組織主要是CCSA和LTE+國內標準推進組，CCSA對於LTE SON特性已開始了一些初步的研究課題，隨著3GPP R9版本標準的完成，國內的SON標準化工作隨後將陸續展開。
自最佳化
容量與覆蓋最佳化（CCO）
本用例主要用於在SON的自最佳化範圍內實現覆蓋與容量的自最佳化（CCO）。考慮在LTE部署早期用戶數量不會太大，所以容量不是系統性能的瓶頸，而覆蓋最佳化會更重要一些；所以在SON的CCO用例討論中，初期主要集中於覆蓋的自最佳化。考慮到容量與覆蓋之間還是有很大的關聯性，因此在用例中，將覆蓋最佳化局限為容量一定條件下的覆蓋最佳化問題，並考慮容量與覆蓋均衡問題。
覆蓋和容量最佳化需要考慮以下場景：
① E-UTRAN覆蓋漏洞處有2G/3G系統的信號；
② E-UTRAN覆蓋漏洞處沒有2G/3G系統的信號；
③ E-UTRAN孤島小區的覆蓋範圍小於預先規劃區域。
覆蓋和容量最佳化用例的需求包括以下幾點。
（1）提供最佳化的覆蓋
在LTE系統覆蓋區域，根據運營商的需求，用戶可以建立並維護可接受的或者預設的業務質量的連線；這就要求上下行覆蓋是連續的，無論處於空閒狀態與激活狀態的用戶都是意識不到小區的邊界的。
（2）提供最佳化的容量
在R9階段，儘管覆蓋最佳化比容量最佳化優先權高，但是覆蓋最佳化算法必須考慮到對容量的影響，既然容量與覆蓋是緊密相關的，容量與覆蓋之間的均衡應該也是最佳化要考慮的內容之一。
（3）OAM需求
運營商應該可以配置CCO功能的目標，並且可以為不同的網路區域設定不同的CCO功能；同時，應儘可能是用最少的專用資源自動地收集數據作為CCO的輸入。
根據需求分析，覆蓋和容量最佳化用例應該包括的功能有檢測覆蓋空洞，覆蓋最佳化（比如上/下行信道的覆蓋最佳化和上下行信道覆蓋的匹配）和覆蓋/容量之間的均衡。
由於時間所限，CCO在R9標準上僅進行範圍和需求層面的討論，具體方案和標準化工作有待R10繼續完成。
移動健壯性最佳化（MRO）
在行動網路中，切換參數設定不合適會嚴重影響系統性能，惡化用戶的服務體驗，甚至導致用戶掉話。因此，移動性參數自最佳化是E-UTRAN系統SON所要解決的最重要的問題之一，它要求能夠減少切換失敗的發生，減少不當切換導致的用戶掉話，以及減少不必要的切換，避免這些切換對系統資源的浪費。
移動健壯性最佳化用例的功能需求包括以下幾點。
1．無線功能需求
移動性最佳化需要解決由於參數不合適而引起的不適當切換，主要包括以下幾種場景：
（1）過遲切換；
（2）過早切換；
（3）切換到錯誤的小區；
（4）桌球切換；
（5）小區重選參數與切換參數不匹配導致的連線建立後的切換。
2．O&M管理需求
O&M應當能夠對移動性最佳化進行管理和控制，包括如下方面：
（1）移動性自最佳化的觸發條件可以由O&M管理；
（2）移動性自最佳化功能需要以相關的KPI（Key Performance Indicators）為目標評估自最佳化前後的性能變化；
（3）O&M可以配置觸發移動性最佳化的KPI值或者性能統計量；
（4）移動性自最佳化功能的執行策略可以由O&M管理和控制；
（5）O&M能夠控制移動性自最佳化動作的執行是否需要確認，如果需要，O&M能夠確認最佳化動作的執行；
（6）移動性自最佳化動作的信息需要提供給O&M；
（7）移動性自最佳化調整後的參數需要實時同步到O&M；
（8）自最佳化動作的執行結果需要提供給O&M；
（9）自最佳化的後果需要提供給O&M；
（10）當自最佳化的結果與預期相反，O&M需要了解產生這種結果的原因，並對執行策略進行相應調整。
移動健壯性最佳化用例的解決方案可以分為問題檢測、計算判決和參數調整幾個步驟。其中問題檢測是至關重要的一步，也是標準上討論最多的部分；計算判決部分的重點是算法的設計和驗證；參數調整是指切換（及小區重選）參數的自動調整。
下面將詳細討論問題檢測，這部分內容是3GPP RAN3 SON項目在2009年的工作重點之一。
1．過遲切換檢測
若切換參數設定不合適，結果直到UE即將或已經離開原來的服務小區範圍，都沒有觸發切換或者雖然觸發但沒有及時完成，導致發生失敗。隨後UE嘗試恢復連線，在另一個小區重建無線連線。這是典型的過遲切換的場景。
判斷過遲切換的準則是，UE在切換觸發之前或者在切換過程中發生無線鏈路失敗（RLF，Radio Link Failure），並且隨後在不同於原服務小區的另一個小區中重建無線連線。如果是在切換過程中發生無線鏈路失敗，那么這個小區是指切換目標小區。
2．過早切換檢測
在某些情況下，由於切換參數設定得過於激進，使UE在目標小區信號並不是很好的時候就進行了切換，導致切換後很快發生RLF；或者UE無法接入目標小區導致切換失敗。隨後UE嘗試恢復連線，UE選擇切換前的源小區重建無線連線。這是典型的過早切換的場景。
對於過早切換的判斷，需要特別注意的一點是，切換之後緊跟著發生RLF，兩個事件的間隔很短，這說明切換的目標小區信號並不穩定連續，在此位置不適合提供服務，剛剛進行的切換操之過急，應當繼續停留在原有的服務小區。如果切換完成後經過相當長時間發生了RLF，那么意味著這兩個事件之間其實沒有聯繫，因此不能判斷為過早切換。
為了支持過遲和過早切換問題的檢測，O&M需要配置一個時間參數，即從切換完成到發生RLF的間隔。
3．切換到錯誤小區檢測
在切換準備時，源基站決策算法選擇的目標小區不一定是最優的，這可能是由於不同鄰區的個性偏移參數設定不合理造成的。若目標選擇錯誤（或者非最優）時，UE接入目標小區的動作可能不成功，或者UE雖然能接入目標小區但很快就發生無線鏈路失敗，隨後UE嘗試恢復連線，UE選擇的重建無線連線的小區既非源小區，亦非目標小區，而是一個第三方小區。這可能意味著原來選擇的切換目標不適當。這種切換目標錯誤問題的檢測準則為，UE在切換過程中發生無線鏈路失敗，而後在一個第三方小區（既非源小區、亦非目標小區）重建連線。
4．桌球切換檢測
桌球切換的檢測主要是基於基站之間交換的UE歷史信息。
針對兩個相鄰小區之間的桌球切換的檢測準則為，在一段監測時間內，從小區A切換到小區B的次數以及反向的切換次數都超過基站預設的門限；或者對於這些切換，UE切換到目標小區後每次停留的時間都很短，小於預設的時間閾值。
5．小區重選參數與切換參數不匹配的檢測
如果小區重選參數跟切換參數設定得不匹配，那么就會發生UE剛建立無線連線後在很短的時間內立即發生切換的現象，這是因為基於不同的判決準則和參數，UE在空閒狀態下自主選擇的小區和在連線狀態下網路選擇的小區不同。
移動負載均衡（MLB）
負荷均衡的目的是在小區之間均勻分布小區負荷或者從擁塞小區中轉移部分UE至其他小區。可以通過採用移動性參數的自最佳化或者切換行為來達到該目的。
針對小區和其鄰區負荷的自最佳化Intra-LTE 和Inter-RAT移動性參數，相比於不最佳化重選或者切換參數可以改善系統的容量。這種最佳化可以將網路管理和最佳化任務中的人工干預降至最低水平。
負荷均衡算法需要包括如下4個基本部分。
（1）算法對小區的負荷狀態進行監控，並需要與鄰節點通過X2或者S1接口互動負荷 信息。
負荷信息報告功能用於在X2（Intra-LTE場景）或者S1（Inter-RAT場景中）交換兩個相鄰eNode B之間特定小區的負荷信息。負荷信息包含如下：
① 無線資源狀態（上行/下行GBR業務的PRB利用率、上行/下行的NGBR業務的PRB利用率，上行/下行的總的PRB利用率）；
② 硬體負荷指示（上行/下行硬體負荷：低、中、重和過載）；
③ S1 TNL負荷指示（上行/下行硬體負荷：低、中、重和過載）；
④ 小區的容量等級值（上行/下行相對的容量指示：當映射小區容量到這個值時相同的標準套用於EUTRAN、UTRAN和GREAN）；
⑤ 可用的負荷值（上行/下行可用於負荷均衡的容量占小區總容量的百分比）。
（2）算法根據需要將負荷轉移到鄰節點或者共址小區。
源小區可以初始化基於負荷的切換。目標基站執行用於負荷均衡切換的接納控制。移動負荷均衡行為相關的切換準備應當與其他切換有所區別，因此目標小區應當採用合適的接納控制。
（3）當算法估計到相關的切換參數要發生改變時，為了避免產生桌球問題，與之相關的兩個eNode B需要進行切換參數的協商。
該功能需要請求修改目標小區的切換和/或重選參數。源小區初始化負荷均衡需要估計它是否需要改變在源小區和/或目標小區的移動參數配置。如果需要改變，源小區觸發與目標小區的移動性參數協商過程。
源小區需要通知目標小區關於新的移動性參數的設定以及改變的理由。小區重選參數配置也可以被改變以反映切換參數的變化，反之則亦然。需要注意的是，切換參數以及重選參數的改變都必須在O&M的配置範圍之內。
（4）源小區與目標小區對更新參數確認後完成參數的更新。
R9版本主要完成了Intra-LTE場景的負荷定義、參數協商過程。未來的R10的版本將繼續完善Inter-RAT場景中的負荷均衡的解決方法。
在負荷均衡過程中，O&M需要設定SON相關參數的工作範圍，例如切換參數、小區重選參數等，實現的算法必須使所有參數的可變範圍在一個特定的範圍內。此外，對於O&M，還有如下的功能需求：
① 可以打開或者關閉負荷均衡功能開關；
② 可以獲知eNode B的負荷信息；
③ 可以允許或者禁止源小區到目標小區的負荷均衡功能。
RACH最佳化（RO）
RACH的參數配置直接影響RACH上的衝突機率、呼叫建立成功率和切換成功率，這也使它成為影響呼叫建立時延、上行數據重發時延和切換時延的重要因素；為RACH分配的資源的數量也會影響到系統容量；不合理的RACH配置還可能會導致Preamble 檢測機率降低和覆蓋受限；因此，RACH參數最佳化將對網路容量和通信質量帶來益處。
RACH參數的配置取決於很多因素，比如來源於PUSCH的小區間上行干擾、RACH的負荷、RACH占用的上行信道資源、分配給小區的Preamble參數、小區覆蓋範圍的話務模型和人口分布和小區信道環境是否處於高速模式等。RACH最佳化就是要檢測這些條件的變化，及時更新相應的參數，提高系統的性能和容量。
RACH最佳化的用例需求包括以下幾點。
（1）最小化系統中所有UE的接入時延：即接入的Preamble信號必須保證足夠的功率使得eNode B能夠識別，保證有足夠的Preamble可供UE接入使用，減少碰撞的幾率。
（2）最小化由RACH和PUSCH引起的上行干擾，因此RACH的功率設定不能過高。
（3）最小化RACH接入嘗試之間的干擾：協調鄰區之間的配置，儘量減少RACH序列和頻率之間的重疊；選擇和UE移動速率相關的參數。
RACH最佳化功能就是要自動設定與RACH性能有關的一些參數，包括RACH配置參數（即資源單元分配）；RACH Preamble劃分（dedicated，random-high，random-low）；RACH回退參數；RACH發射功率控制參數。
RACH最佳化在標準上討論的一種可選方案是依賴於接入機率和接入時延的統計。因此，需要UE報告一些必要的信息，以便eNode B估計以下指標：
（1）接入機率AP( m)（AP，Access Probability）的含義是在嘗試了 m次隨機接入後成功的機率；
（2）接入時延機率ADP( t)（ADP，Access Delay Probability），表示接入延時小於 t的機率；
（3）接入時延（Access delay）作為性能指標，其含義是從初始接入嘗試開始到接入成功的時間。
為了估計AP和ADP，UE需要報告在成功接入之前傳送Preamble的次數。UE會重複嘗試接入，一方面是由於eNode B沒有檢測到Preamble引起的；另一方面也可能是由於競爭解決失敗而沒有獲得接入。因此，為了準確估計檢測失敗機率，需要把因競爭失敗引起的接入嘗試次數排除，因為這些接入雖然也會做功率爬升，但並不是由功率不足導致的。為了區分這兩種情況，UE要報告在隨機接入過程中是否發生競爭失敗的指示。
