Mobile trend: Self-Organizing Networks

Il concetto di SON, Self-Organizing Networks, introdotto nell’ambito della rete di accesso radiomobile con LTE, è una prima risposta all’esigenza degli Operatori di far fronte ad un incremento di complessità di gestione dei processi di configurazione, ottimizzazione e assurance delle reti.
Nell’articolo sono illustrati i driver e gli sviluppi negli enti di standard che hanno portato alla disponibilità di soluzioni di rete già dai primi deployment LTE, gli use case, le architetture e gli aspetti funzionali degli abilitatori SON, nonché le principali varianti implementative, con estensione alle soluzioni proposte per le tecnologie legacy 2G e 3G. Sono descritti alcuni casi pratici adottati in rete Telecom Italia e sono delineati i trend per l’evoluzione del SON verso le reti 5G.

 

1 - Introduzione

L’approccio tradizionale per la configurazione e l’ottimizzazione delle reti radiomobili prevede l’azione manuale sui parametri dei nodi di rete, eseguito periodicamente o in base alle esigenze di intervento dovute al deployment di nuovi nodi o alla necessità di adattare la configurazione alla distribuzione del traffico.
L’incremento del numero di tecnologie radio (GSM, UMTS, LTE), di frequenze (800/900/1800/2100/2600 MHz) e di nodi (macro, micro/pico celle) (Figura 1) fa crescere esponenzialmente il numero di parametri che devono essere oggetto di verifiche ed ottimizzazioni. Il controllo della rete diventa una sfida tecnologica per gli operatori mobili in diversi ambiti:

  • progettazione ed ottimizzazione multi-layer, multi-tecnologia, multi-vendor;
  • indirizzamento dinamico del traffico (traffic steering) in funzione del profilo, del terminale e dell’applicazione utilizzata;
  • tuning della rete in grado di «seguire i flussi di traffico» nel tempo (ad esempio per fascia oraria) e nello spazio (geolocalizzazione);
  • miglioramento OPEX e qualità erogata.

Per poter affrontare la crescente complessità della gestione della rete mobile, gli enti di standardizzazione hanno introdotto il concetto di SON (Self-Organizing Networks), al fine di abilitare l’automatizzazione di parte dei processi di configurazione e ottimizzazione. Un tipico ambito di applicazione è rappresentato dai dispiegamenti eterogenei, in cui lo scenario integrato macro, micro e pico, può rendere le attività di ottimizzazione locale estremamente complesse e gestibili solo attraverso soluzioni automatizzate.

 

Figura 1 - Scenario di dispiegamento dei sistemi radiomobili in Italia

 

2 - Standardizzazione NGMN e 3GPP

2.1- NGMN - Next Generation Mobile Networks

NGMN è una iniziativa fondata nel 2007 dai principali Operatori con l’obiettivo di guidare lo sviluppo degli standard riguardanti i sistemi radiomobili verso la quarta generazione.
In [1] vengono illustrati i principali use case di interesse per le attività di configurazione, ottimizzazione e fault management, sulla base dei quali sono stati definiti i requisiti tecnologici verso le reti (comprendendo in questa accezione i nodi di rete, i sistemi di OSS e anche i terminali). Tali requisiti sono stati quindi veicolati al 3GPP e hanno determinato l’avvio di attività di standardizzazione di funzionalità SON a partire dalla Release 8 di LTE. In seguito, l’analisi di ulteriori use case ha portato NGMN [2] ad estendere gli obiettivi dalla semplice automatizzazione di alcuni processi al concetto più ampio di operational efficiency, puntando l’accento su aspetti della gestione di rete comprendenti il controllo del SON, il performance management, la raccolta di misure ed eventi di rete, l’interfacciamento con i sistemi di gestione dell’Operatore.

 

2.2 - Standard 3GPP

Il concetto di Self-Organizing Networks viene introdotto in 3GPP con LTE già a partire dalla Release 8. In [3][4] sono riportati rispettivamente gli use case recepiti in 3GPP (alcuni derivati proprio dall’attività NGMN) e la descrizione architetturale delle funzionalità della rete di accesso radio a supporto del SON, che si distinguono in:
Self-configuration: procedure automatiche per la configurazione iniziale ed il provisioning dei nodi di rete (ad esempio  eNodeB Plug&Play);
Self-optimizazion: processi nei quali le misure e gli eventi rilevati dai nodi di rete e dai terminali sono utilizzati come base per un tuning automatico di parametri di rete ;
Self-healing:   soluzioni per il monitoraggio degli allarmi in grado di scatenare funzionalità automatiche di fault recovery;
Lo standard 3GPP definisce in dettaglio gli use case riportati in (Tabella 1) e le relative funzionalità di interlavoro tra le entità di rete (incluso il terminale), mentre gli algoritmi SON sono fuori dal contesto della standardizzazione e sono, dunque, lasciati all’implementazione. Ulteriori use case SON potranno essere standardizzati in 3GPP sulla base delle attività di studio appena concluse nell’ambito della Release 12 [5][6].

 

Tabella 1 - Gli use case definiti dal 3GPP

 

3 - Architettura e funzionalità SON

Le funzionalità di gestione automatica della rete radio mobile (SON) possono essere collocate in parti diverse sia nella rete radio mobile, sia nel sistema di O&M (Operation and Maintenance) ad essa associato e in dipendenza di questa collocazione si ottengono architetture diverse, ognuna delle quali caratterizzata da punti di forza e da limiti che saranno illustrati nel seguito.
La Figura 2 descrive l’architettura di riferimento 3GPP per l’O&M [5]:
Tale figura evidenzia i tre distinti livelli di sistema, comuni a tutte le varianti architetturali SON:

  • il livello di rete: ne fanno parte tutti i nodi di rete (ad esempio: eNB, MME, etc) indipendentemente dalla loro posizione nella gerarchia di rete. Dal punto di vista gestionale racchiude i processi fortemente dipendenti dalla tecnologia usata per l’implementazione del nodo stesso;
  •  il livello di Network Element Manager: è formato dalle funzionalità di gestione diretta dei nodi di rete; l’interfaccia S è proprietaria e non oggetto di attività di normativa in ambito radiomobile in quanto è nel dominio del singolo vendor di rete;
  •  il livello di Network Manager: tale livello è costituito dalle funzionalità di O&M che non dipendono dal vendor di rete. L’interazione tra le due entità IRP Manager e IRP Agent attraverso l’interfaccia N è oggetto delle attività di normativa per l’O&M in 3GPP.

In base all’allocazione funzionale sopra descritta, si possono individuare tre tipi di architetture SON: distribuita, centralizzata e ibrida.

 

Figura 2 - Architettura di riferimento standard O&M

 

3.1 - Architettura Distribuita

In questa architettura gli algoritmi SON risiedono nei nodi di rete (Network Element) riservando i compiti di attivazione, configurazione di vincoli e obiettivi prestazionali e disattivazione del SON allo strato di NEM (Network Element Manager) e a quello di NM (Network Manager). In questo caso le misure di prestazioni e i parametri di configurazione utili al SON sono interni al NE. Esempi di use case realizzabili con architettura distribuita sono: ANR, PCI Configuration, MLB, RACH Optimization. Le peculiarità di questo tipo di architettura riguardano:

  • la cooperazione tra i nodi di rete, che scambiano tra loro le informazioni necessarie alla ottimizzazione dei parametri; ad esempio, in ambito LTE gli eNodeB scambiano sulla interfaccia X2 le informazioni relative al carico di rete o i PCI configurati sulle celle controllate, in modo che ciascun nodo possa settare i parametri coinvolti;
  • la localizzazione dell’azione di riconfigurazione, che concerne tipicamente un insieme di nodi che agiscono in modo cooperativo su una determinata area di copertura. In ambito LTE, la cooperazione coinvolge gli eNodeB adiacenti che sono collegati dall’interfaccia X2 (dunque, per estensione, un’area SON gestita in modo distribuito può corrispondere ad un’area E-UTRAN magliata a livello X2, tipicamente una MME pool area). In alcuni casi specifici (ad esempio RACH Optimization), l’ottimizzazione può riguardare un singolo nodo;
  • l’autonomia delle azioni che, essendo  caratterizzate dalla località , vengono eseguite in modo indipendente rispetto alle altre porzioni di rete;
  • la possibilità di garantire l’adattamento a fronte di variazioni rapide delle condizioni operative della  rete (Short term adaptation).

In questo scenario, il controllo degli algoritmi locali da parte dell’Operatore è garantito da parametri e policy di controllo, configurati sui NE attraverso le funzionalità di O&M.
Nella Figura 3 è descritto il principio di funzionamento del Mobility Load Balancing [4]. L’eNB1, in caso di overload, richiede all’eNB2 di comunicare il proprio stato di carico (procedura di Resource Status Reporting Initiation). L’eNB2 invia le informazioni relative al proprio livello di traffico (procedura di Resource Status Reporting in modalità ad evento o periodica), in modo che l’eNB1 possa valutare l’opportunità dell’offload. In caso positivo, qualora l’offload sia possibile, l’eNB1 propone all’eNB2 la modifica della configurazione dei parametri di mobilità; se l’eNB2 accetta la modifica proposta, tali parametri vengono modificati (Procedura di Mobility Settings Change), entro i limiti stability dalla policy di O&M, e gli UE a bordo cella effettuano una procedura di mobilità verso il nodo target.
Il punto di forza delle soluzioni distribuite è nell’autonomia e nella flessibilità degli algoritmi. I punti critici possono essere relativi all’interlavoro in ambiente multivendor, dovuti al fatto che lo standard definisce i dati e le modalità di comunicazione tra i nodi, ma non gli algoritmi interni ai nodi.

 

Figura 3 - Mobility Load Balancing: procedure di rete

 

3.2 - Architettura Centralizzata

Gli algoritmi SON sono implementati nello strato di Network Management oppure in quello di Network Element Management. Le caratteristiche di questo tipo di soluzione possono essere riassunte nei seguenti aspetti:

  • gli algoritmi SON possono raccogliere ed elaborare dati prestazionali relativi ad ampie porzioni di rete. Questo permette azioni efficaci negli use case in cui è necessaria un’azione coordinata su un numero elevato di celle;
  • la necessità di trasferire e raccogliere i KPI in nodi centralizzati allunga i tempi di “reazione” degli algoritmi permettendo un adattamento della rete in tempi più lunghi rispetto alle soluzioni distribuite (long term adaptation);
  • la collocazione degli algoritmi SON al livello di Network Management permette una gestione più omogenea in ambiente multivendor, con la possibilità di svincolarsi maggiormente dalle caratteristiche implementative delle soluzioni a livello di Network Element Manager, in presenza di interfaccia Northbound (itf-N) interoperabile.
 

3.3 - Architettura Ibrida

In questo caso gli algoritmi SON possono risiedere sia nei nodi di rete, sia nello strato di NEM sia in quello di NM. Questa architettura permette, in linea teorica, di ereditare i punti di forza delle architetture descritte nei paragrafi precedenti, presentando però un livello di complessità maggiore. In generale è necessario definire esattamente le aree di complementarietà degli algoritmi SON distribuiti e di quelli centralizzati ed in particolare  gestire:

  • la coesistenza delle decisioni autonome tipiche degli algoritmi SON posti nei nodi di rete (architettura distribuita) con il controllo generale effettuato dagli algoritmi centralizzati (autonomia versus dipendenza);
  • il differente tempo di risposta degli algoritmi distribuiti con quelli centralizzati (breve versus medio/lungo);
  • la differente scala di azione in termini di porzioni di rete interessate (ristretta versus ampia).
 

Figura 4 - Architetture SON

 

3.4 - Controllo e coordinamento di funzionalità SON

Come descritto in precedenza, secondo la normativa [9][10] le funzionalità poste a livello di Network Management hanno il compito di generare dei criteri e dei vincoli all’interno dei quali gli algoritmi posti negli strati sottostanti (Network Element Management e Network Element) operano in autonomia.
L’azione simultanea di più funzionalità SON in rete può rendere necessaria un’operazione di coordinamento quando due o più algoritmi:

  • agiscono sugli stessi parametri di configurazione (ad esempio nel caso delle soglie di handover modificate sia per Mobility Robustness sia per Mobility Load Balancing);
  • generano azioni non coerenti (ad esempio la riduzione della potenza del pilota e la modifica di un soglia di handover, che possono generare un buco di copertura).

Quando le funzionalità SON da coordinare risiedono nello stesso nodo di rete, la soluzione definita dallo standard permette di configurare priorità diverse da parte del Network Manager, così da favorire l’azione di una a scapito dell’altra nel caso di un potenziale conflitto. Le priorità possono essere definite congiuntamente agli obiettivi e ai vincoli descritti precedentemente, il che permette all’Operatore di avere un controllo sulle prestazioni della funzionalità anche nei casi di conflitto.
Nel caso di funzionalità residenti in nodi diversi, non sono state ancora standardizzate soluzioni di coordinamento basate sulle interfacce di rete. In questo caso il coordinamento può essere gestito a livello di Network Management.

 

4 - Deployment del SON

Come descritto nei paragrafi precedenti, l’architettura funzionale non è univoca, ma dipende dallo use case. Nella proposizione dei vendor di rete hanno maggiore enfasi le features dei nodi, che sono specifiche per tipologia di use case e, a parità di requisiti, vengono spesso privilegiate le implementazioni che prevedono una delocalizzazione della logica SON  nei nodi di accesso (D-SON). La fattibilità di scenari multi-vendor, che sono abilitati dallo standard in accordo alle procedure di segnalazione definite ed ai parametri di input specificati, richiede comunque una verifica di compatibilità degli algoritmi vendor dependent.
Nei casi in cui si adotta una logica centralizzata (C-SON), questa viene implementata dal vendor o come applicazione fornita dal Network Element Manager, oppure in un modulo separato collegato al NEM tramite un’interfaccia proprietaria. L’approccio centralizzato viene utilizzato anche a supporto di use case SON in tecnologia 2G e 3G, che, non disponendo nella maggior parte dei casi di uno standard nativo per i protocolli di rete, possono avvalersi di logiche SON soltanto nel dominio di gestione.
Moduli centralizzati che ricevono dal NEM eventi di rete , contatori e KPI e forniscono in risposta configurazioni ottimizzate ai nodi di rete, sono una variante che viene proposta anche da fornitori diversi da quelli della RAN. Questa opzione ha il vantaggio di poter operare in ambiente multivendor, anche se richiede un sforzo non trascurabile di integrazione, in quanto l’interfaccia standard itf-N sulla quale si basa è resa disponibile dai vendor di rete soltanto in minima parte.
Il paradigma C-SON consente anche all’Operatore di implementare funzionalità SON nel proprio dominio di gestione della rete, integrandolo nei propri processi di analisi e progettazione. In questo caso i sistemi C-SON interlavorano con i tool di Perfomance Management (PM per la raccolta di contatori e KPI), Tracing Managment (TM per la raccolta di eventi dai nodi di rete) e Configuration Management (CM, per lettura/scrittura dei parametri di configurazione).
L’introduzione del SON a supporto di una (parziale) automatizzazione nella configurazione e ottimizzazione può comportare una revisione delle funzionalità e delle attività e dei sistemi di gestione della rete mobile e variazioni dei flussi di lavoro nei processi corrispondenti. Nell’introduzione di strumenti automatici, si può distinguere tra:

  • attività nelle quali è fondamentale il “valore aggiunto” derivante dal know how e dall’expertise degli specialisti della tecnologia (esempio: ottimizzazione della copertura e dell’interferenza);
  • attività per le quali l’automatizzazione costituisce un beneficio, perché routinarie (ad esempio eNodeB self-configuration), perché richiedono un’esecuzione “near real-time” (come nel caso del Load Balancing short term) o di fine tuning che richiede l’elaborazione di una quantità di dati elevata (esempio: Mobility Robustness Optimization, Load Balancing long-term);

Nell’approccio Telecom Italia, basato su un inter-lavoro tra funzionalità centralizzate e distribuite, il livello di automatizzazione è calibrato per ogni use case, valorizzando il contributo diretto degli specialisti radio, che collaborano all’evoluzione degli strumenti e degli algoritmi automatici (vedi box “L’esperienza di Telecom Italia).

 

5 - Evoluzione del SON

Lo sviluppo del SON dovrà sia completare la standardizzazione delle funzionalità necessarie a soddisfare requisiti già identificati dagli enti di normativa, quali ad esempio il coordinamento tra più funzionalità e l’interazione tra C-SON e D-SON, sia considerare nuovi requisiti dettati dall’evoluzione delle tecnologie e delle architetture della rete radiomobile, in particolare verso il 5G.
La necessità di aumentare la densità dei siti per coperture eterogenee, le diverse varianti di architettura cloud RAN, il supporto efficiente di applicazioni quali il machine-to-machine, renderanno necessaria l’adozione del paradigma SON in molte delle fasi di configurazione e ottimizzazione per poter far fronte ad un ulteriore incremento della complessità degli scenari e della numerosità dei parametri di controllo. Inoltre abilitatori tecnologici, quali Software Defined Networks e Network Function Virtualization, svincolando le funzionalità di rete dall’implementazione hardware, potranno facilitare l’estensione delle logiche SON in ambiente multivendor fino ai livelli più bassi della rete di accesso.
L’evoluzione verso un framework di self-management unificato multi-tecnologia/multi-vendor come proposto ad esempio da [12][13], dovrà comunque continuare a garantire la coesistenza di molteplici paradigmi, che in funzione degli use case, permettano all’Operatore di selezionare il diverso grado di automatizzazione da applicare ai corrispondenti processi di gestione.

 

Conclusioni

Nell’articolo sono stati presentati i principali concetti delle Self-Organizing Networks, spiegando le motivazioni per l’introduzione, nel contesto delle reti radiomobili, di abilitatori tecnologici per l’automatizzazione di parte dei processi di configurazione, ottimizzazione e assurance. Dalla descrizione delle soluzioni previste dagli standard di riferimento e dalle varianti architetturali messe a disposizione dei vendor di rete, si può dedurre che, a fronte di una crescente complessità degli scenari di deployment, i processi di gestione potranno trarre beneficio dall’adozione del paradigma SON, con la possibilità di applicare approcci differenti in funzione delle esigenze operative, come mostrato nell’ambito delle varie attività in corso in Italia e Brasile. L’adozione del SON è, dunque, in una fase iniziale e, oltre al consolidamento delle soluzioni e dei corrispondenti processi di gestione da parte dell’operatore, sarà necessario considerare i diversi trend evolutivi, sia nel contesto delle attuali tecnologie radiomobili, sia in quello di lungo termine che riguarderà i sistemi di prossima generazione, per i quali la piena integrazione del SON rappresenta già sin da ora uno dei requisiti fondamentali.

 

Bibliografia

  1. ”NGMN Recommendation on SON and O&M Requirements” 5/12/2008; http://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_Recommendation_on_SON_and_O_M_Requirements.pdf
  2. ”NGMN Top Operational Efficiency (OPE) Recommendations”, 21/09/2010; https://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_Top_OPE_Recommendations_1.0.pdf
  3. 3GPP TR 36.902 “Self-configuring and self-optimizing network (SON) use cases and solutions”
  4. 3GPP TS 36.300 “Evolved UTRAN Stage 2”
  5. 3GPP TR 37.822 “Study on next generation Self-Optimizing Network (SON) for UTRAN and EUTRAN (Rel-12)”
  6. 3GPP TR 36.887 “Study on Energy Saving Enhancement for E-UTRAN”
  7. 3GPP TS 32.102 “Telecommunication management; Architecture”
  8. 3GPP TS 32.500 “Telecommunication management; Self-Organizing Networks (SON); Concepts and requirements”
  9. 3GPP TS 32.521 “Telecommunication management; Self-Organizing Networks (SON) Policy Network Resource Model (NRM) Integration Reference Point (IRP); Requirements”
  10. 3GPP TS 32.522 “Telecommunication management; Self-Organizing Networks (SON) Policy Network Resource Model (NRM) Integration Reference Point (IRP); Information Service (IS)”
  11. "I trial LTE TI: evoluzione del sistema radiomobile verso il 4G”; Notiziario Tecnico Telecom Italia, 03/2010
  12. UNIVERSELF, http://www.univerself-project.eu/
  13. Self-Management for Unified Heterogeneous Radio Access Networks (SEMAFOUR), http://www.fp7-semafour.eu/
 

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