Self-Organizing Networks

I. Introdução

A constante evolução dos sistemas móveis celulares e a inclusão de cada vez mais serviços, sobretudo para Smartphones, torna o uso destes dispositivos cada vez mais essencial. A partir da quarta geração, em que a tecnologia 4G LTE – Long Term Evolution passou a oferecer conectividade com altas taxas, foi percebido um crescimento exponencial na demanda de tráfego gerado pelos usuários. Tal aumento acentua-se com a chegada da quinta geração através da tecnologia 5G NR – New Radio, que além do aumento das taxas em comparação com o LTE, traz consigo ainda mais aplicações. O 5G e suas verticais atinge um maior número de usuários e diferentes tipos de dispositivos, o que aumenta ainda mais o tráfego gerado e insere as redes móveis celulares em um novo patamar na comunicação global. Por sua vez, as operadoras de telefonia celular necessitam cada vez mais de uma infraestrutura robusta e capilarizada para oferecer os serviços com a qualidade esperada. Para tal, a quantidade de estações rádio base aumentará notavelmente e consequentemente seus custos operacionais. Este cenário torna indispensável a utilização das Self-Organizing Networks (Redes “auto organizáveis”) que visam oferecer sistemas otimizados, com maior nível de automação, qualidade de serviço e redução de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operational Expenditure).

II. O que é SON?

As Self-Organizing Networks são uma evolução da RAN (Radio Access Networks) convencionais. São constituídas por um conjunto de features elaboradas com o objetivo de auxiliar nos processos de planejamento, configuração, gerenciamento, otimização e healing (“restauração”) de uma rede móvel. As SON operam de forma continua e automatizada, reduzindo a intervenção humana durante sua atividade, de modo a acelerar os diagnósticos e execuções de modificações, conforme o comportamento da rede e o propósito dos operadores, onde espera-se que tudo seja realizado de maneira eficiente no âmbito funcional. Tais redes são caracterizadas por três eixos, sendo eles, Self-configuration, Self-optimization e Self-healing. Sua arquitetura pode ser elaborada de forma descentralizada (DSON – Decentralized SON), centralizada (C-SON – Centralized SON) ou hibrida (H-SON – Hybrid SON) [1].

II.1. Arquitetura SON centralizada

Na arquitetura SON centralizada, as operações são executadas no nível de gerenciamento de rede. Os dados de comandos, requisições e configurações de parâmetros fluem do sistema de gerenciamento de rede para os elementos de rede, enquanto os dados de medição e relatórios fluem na direção oposta. O principal benefício dessa arquitetura é que os algoritmos SON podem levar em consideração informações de todas as partes da rede. Isso significa que é possível otimizar conjuntamente os parâmetros de todas as funções SON de forma centralizada afim de tornar a rede mais otimizada globalmente, sobretudo para funções que variam lentamente. Além disso, soluções centralizadas podem ser mais robustas frente a instabilidades de rede causadas pela operação simultânea de funções SON com objetivos conflitantes, ou seja, uma vez que o controle de todas as funções do SON é feito centralmente, elas podem ser facilmente coordenadas sem conflitos. Uma outra vantagem é que as soluções SON de vários fornecedores podem ser incorporadas, uma vez que tal funcionalidade pode ser adicionada ao nível de gerenciamento de rede e não nos elementos de rede, onde geralmente são necessárias soluções específicas do fornecedor.

As principais desvantagens da arquitetura SON centralizada são os tempos de resposta mais longos, o aumento do tráfego de backbone e o fato de representar um ponto centralizado de falha. O tempo de resposta mais longo limita a rapidez com que a rede pode se adaptar às mudanças e pode até causar instabilidades. O tráfego do backbone aumenta, pois, os dados de medição devem ser enviados dos elementos da rede para o sistema de gerenciamento da rede e as instruções devem ser enviadas na direção oposta. Esse tráfego aumentará à medida que mais elementos de rede forem adicionados. Caso haja muitas pico/femto-células, o tráfego poderá ser muito significativo. Além disso, o poder de processamento centralizado necessário será grande.

II.2. Arquitetura SON distribuída (descentralizada)

Em uma arquitetura SON distribuída, as operações são executadas nos elementos da rede, que por sua vez trocam mensagens relacionadas a SON diretamente entre si. Essa arquitetura pode tornar as funções SON muito mais dinâmicas do que as soluções SON centralizadas, além de ser uma solução que pode ser muito bem dimensionada à medida que aumenta o número de elementos na rede.

As principais desvantagens são que a soma de todas as otimizações feitas em nível de elemento de rede não resulta necessariamente em uma operação ótima para a rede como um todo. Uma vez que cada elemento pode ter características particulares dependentes de diversos fatores, torna-se mais difícil garantir que não ocorram conflitos nas operações e instabilidades na rede. Outra desvantagem é que a implementação do algoritmo SON nos elementos de rede será específica do fornecedor, portanto, soluções de terceiros serão difíceis.

III.3. Arquitetura SON híbrida

A arquitetura SON híbrida significa que parte das operações SON é executada no nível de gerenciamento de rede e parte é executada nos elementos de rede. A solução representa uma tentativa de combinar as vantagens das soluções SON centralizadas e distribuídas: coordenação centralizada das funções SON e a capacidade de responder rapidamente às mudanças no nível do elemento de rede.

As desvantagens do SON centralizado e distribuído também são herdadas. O tráfego relacionado ao SON no backbone será proporcional ao número de elementos na rede. O mesmo se aplica para o processamento relacionado ao SON necessário no nível de gerenciamento de rede. Além disso, como partes dos algoritmos SON estão sendo executadas nos elementos de rede e a interface entre as funções SON centralizada e distribuída será proprietária, soluções de terceiros tendem a ser mais difíceis de serem implementadas.

III. Tipos de SON

III.1. Self-Configuration

A configuração manual de uma rede móvel torna-se cada vez mais complexa devido à sua heterogeneidade, ao aumento do número de elementos, sobretudo de estações rádio base, e consequentemente da exigência de maior experiência em redes dos profissionais que irão executar tais configurações. Além da complexidade, a receita por usuário vem caindo nos últimos anos e consequentemente, se faz importante o corte de gastos a fim de tornar lucrativa a implementação do sistema [2]. Com este cenário era esperado que se desenvolvesse, o quanto antes, algum tipo de automação do sistema. Nas redes automatizadas, foi criado o conceito de autoconfiguração. A Figura 1 mostra a evolução ao longo do tempo das técnicas de sistemas auto gerenciáveis em relação as três etapas do ciclo de engenharia de redes: planejamento, desenvolvimento e operação.

Figura 1. Parâmetros de SON em função das etapas do ciclo de engenharia de redes [3].

Atualmente, existe um grande número de ferramentas para simplificar as tarefas de inserção e planejamento de novos elementos de rede como para uso de modelos de propagação, planejamento automático de células e planejamento automático de frequências. Porém, muitas destas tarefas de integração e configuração são executadas manualmente. Quando uma nova estação rádio base é instalada, são requeridos alguns parâmetros, tais como, configuração dos links de transporte, estabelecimento da conectividade com o core da rede, relações de vizinhança, potência de transmissão, entre outros. Todas estas etapas consomem muito tempo, são suscetíveis a erro e demandam grande esforço para executá-las.

Em consonância com redes auto gerenciáveis e visando a diminuição da intervenção humana, criou-se o conceito de Plug and Play em redes SON. Este conceito se refere a habilidade dos elementos da rede se configurarem automaticamente quando instalados na rede e proverem os serviços, de acordo com suas funções. Este processo de autoconfiguração se dá através do aproveitamento de informações já contidas na rede, as quais são utilizadas para que o próprio elemento de rede tenha capacidade de se autoconfigurar.

III.1.1 Processo de autoconfiguração

O processo se inicia com a atribuição de um endereço IP – Internet Protocol utilizando tecnologias como DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol para a nova estação rádio base e também com o estabelecimento de contato automático com o OAM (Operation and Maintenance). Após isso, é realizado uma autenticação da estação e associação ao gateway da rede. Depois da conexão com o gateway é realizado o download dos softwares e parâmetros necessários para a autoconfiguração e se inicia a configuração do rádio, tais como potência de transmissão, identificação das células, tilt de antenas e configuração da lista de vizinhanças.  

A Figura 2 ilustra as etapas do processo de Self-Configuration distribuídas com suas ramificações.

Figura 2. Processo de Self-Configuration [4].

Uma configuração de rede deve garantir que um nível de qualidade de serviço seja atendido quando em modo operacional. Após realizadas as configurações necessárias, se dá início a fase de otimização e operação da rede.

III.1.2 Implementação de uma nova estação rádio base

A Figura 3 apresenta um fluxograma das etapas para implantação de uma nova estação rádio base e mostra a relação das etapas de autoconfiguração com os elementos que gerenciam a rede.

Figura 3. Fluxograma da Instalação de uma nova estação rádio base [5].

Durante o primeiro passo, acontece o planejamento da nova estação, baseando-se nos requerimentos de cobertura, capacidade, podendo ainda se referenciar por medições da rede. Os parâmetros iniciais (I1) durante o planejamento são, por exemplo: localização, tipo de antena, características das células (setorização) e capacidade máxima [5]. Após a instalação física da estação, um auto teste se inicia com um possível reporte para o gerenciador de rede (R1). Ao fim do auto teste, a autoconfiguração é iniciada e então a estação requisita as informações de configuração básica (I2), abordados no tópico III.1.1. 

Ao final do procedimento, é necessário que a estação informe as vizinhas sobre sua existência, inclua as novas células na lista de vizinhança, além de configurar os parâmetros de vizinhanças específicos nestas células.

A seguir, nos itens A, B e C serão descritas as principais funcionalidades do Self-Configuration.

 A. Automatic Software Download

Através do sistema de OAM, os elementos da rede podem realizar uma verificação do software vigente e compará-lo com a versão disponibilizada pelo operador. Caso tenha sido verificada uma versão mais recente, o software é automaticamente transferido para os elementos correspondentes. Este procedimento acelera a atualização e automatiza o processo, gerando ganhos devido à instalação prévia de um software otimizado e à não necessidade de intervenção direta do operador.

B. Automatic Inventory

O Automatic Inventory possibilita, através de túneis de gerenciamento (SeGW – Security Gateway [6]), que a eNodeB forneça ao operador todas as informações referentes as alterações de hardware realizadas na rede. Sendo assim, todo e qualquer elemento adicionado à rede aparecerá automaticamente na interface de gerência do operador, não sendo necessária sua presença no local do site para realizar o reconhecimento do elemento adicionado. Para tanto, faz-se necessário que cada unidade instalada tenha consigo uma identificação, Hardware Identifier / Label, o que garante seu reconhecimento imediato, propiciando a visualização remota da rede e as consequências de cada elemento adicionado.

C. Automatic PCI Planning

O PCI – Physical Cell Identification é uma identificação a nível de camada física da célula. Esta identificação é única e de maneira alguma pode ser repetida em células próximas. Pode ser considerado como a assinatura da célula. No total tem-se 504 identidades disponíveis que serão distribuídas entre as células. Seu valor é obtido mediante a seguinte expressão:

Onde é o physical layer cell identity group (0 a 167)

Onde é o physical layer cell identity (0 a 2)

O PCI é definido pelo operador através de uma ferramenta de planejamento que assegura uma margem de afastamento suficiente entre duas RBSs para que não haja interferência mútua entre rádio bases com o mesmo valor de PCI. 

Sendo assim, o operador deve ter cuidado ao mapear as células e seus PCIs, caso contrário, pode haver células vizinhas com o mesmo valor de PCI, fazendo com que o móvel não consiga discernir uma célula da outra, gerando, entre outros problemas, uma falha no handover.

Através do Automatic PCI Planning, durante a etapa operacional, cada RBS coleta dados sobre qualquer possível conflito relacionado aos PCIs. Em adição a automatização gerada pelo processo, tem-se a colaboração dos aparelhos móveis, que reportam à RBS servidora sempre que obtêm sinais de células com mesmo PCI. Em caso positivo de conflito, é acionado um algoritmo chamado POT – PCI Optimization Tool que coleta e analisa logs gerados pelas RBSs e pelos móveis, identificando então quais células geraram conflito. Com tal informação, torna-se possível a alteração dos valores de PCI para interromper o conflito.

Em se tratando de Self-Configuration a proposta do 3GPP – 3rd Generation Partnership Project prevê que configuração automática de PCIs seja livre de colisão, para tanto, tem-se diferentes modos de operação dependendo do desenvolvedor. Alguns defendem uma solução descentralizada, onde as RBSs estão habilitadas para configurar automaticamente seus PCIs. Outros defendem uma solução centralizada, onde o cálculo é automatizado, mas a decisão final da atribuição do PCI depende do operador, e é dada através do sistema de OAM [7]. Ambas as soluções são brevemente descritas a seguir:

•  Descentralizada

Assim que a rádio base é instalada, emprega-se inicialmente um PCI aleatório, e durante um período de tempo utiliza-se a função ANR – Automatic Neighbor Relation para coletar informações de células vizinhas com relação aos seus PCIs. Após o recebimento das informações das células vizinhas, torna-se possível a configuração automática de seu próprio valor de PCI para evitar colisões. Vale ressaltar que nem sempre esta solução elimina colisão logo de início, pois caso haja uma falha no recebimento dos PCIs vizinhos, a rádio base pode configurar-se com um valor já utilizado, o que demandaria mais uma verificação.

• Centralizada

Neste caso, cada rádio base instalada possui uma função central que armazena informações de localização e PCIs adotados. Utilizando-se destes dados e sabendo sua própria localização, a rádio base tem a capacidade de realizar os cálculos necessários e escolher automaticamente um valor de PCI que satisfaça os requisitos do 3GPP.

III.2. Self-Optimization

Com o aumento do número de usuários e com a exigência cada vez maior de tráfego de dados, faz-se necessário o uso de células menores, para obter maior proveito do reuso de frequências e tornar possível o fornecimento de banda mais larga para os usuários. Partindo deste ponto, é possível imaginar uma rede com uma maior quantidade de estações rádio bases, o que implica em uma maior dificuldade em mantê-las funcionando de modo otimizado. O gerenciamento desta rede, em paralelo com o de tecnologias anteriores, pode se tornar demasiadamente complexo e a realização de forma ineficiente pode influenciar diretamente na experiência do usuário.

Através do uso desta aplicação, os parâmetros da célula passam a ser monitorados, e com base nessas informações, a rede pode tomar decisões de modo a otimizar a qualidade e consequentemente o desempenho de seus elementos fazendo com que tarefas manualmente complexas ou demoradas sejam realizadas de forma rápida e automatizada. Isto faz com que a rede se torne flexível e altamente adaptável a diferentes situações de uso [8].

As técnicas de otimização são um dos principais elementos dentro das Self-Organizing Networks, visto que mesmo após a instalação e configuração dos elementos da rede, o ambiente apresenta alterações e isso indica que a rede precisa ser otimizada de forma dinâmica. Existem diversas situações que alteram as características da rede [9], dentre elas estão:

• Mudanças nos índices de tráfego 

Durante determinados períodos do dia, o tráfego de dados em uma mesma localidade pode sofrer variação, como por exemplo, usuários que durante o período de trabalho usam seu smartphones com menos intensidade e durante o horário de almoço usam com maior intensidade. De modo geral, houve um crescimento nos índices de tráfego na rede, devido ao desenvolvimento das tecnologias e a popularização de smartphones.

• Mudanças nas características físicas dentro da célula

Alterações simples no ambiente da célula, tais como construção de um novo edifício, instalação de um outdoor e até mesmo fluxo de carros, podem alterar as características de propagação, fazendo com que a intensidade do sinal dentro da área de cobertura da célula varie de acordo com as alterações do meio.

• Implantação de novos serviços

Durante a implantação de novos serviços, muitas vezes se faz necessário o acréscimo de novas estações de rádio, ou atualização de alguma estação que muda as suas características.

• Grandes eventos

Próximo a centros que promovem grandes eventos, tais como estádios de futebol ou grandes casas de shows, é comum serem implantadas rádio bases com características flexíveis, de modo a direcionar o sinal durante os eventos, garantindo que os usuários do local consigam acessar todos ao mesmo tempo sem complicações. 

Diante disto observa-se grande vantagem em empregar um sistema que se adapte automaticamente a todas as alterações sofridas pela rede. Algumas melhorias são perceptíveis, tais como economia energética, ajuste automático e dinâmico de parâmetros do site e consequentemente aumento na qualidade do serviço oferecido ao usuário.

A seguir, nos subitens A a F, uma descrição detalhada das funcionalidades de Self-Optimization elencadas na Figura 3.

A. Automatic Neighbor Relation

Para que os sistemas móveis trabalhem de maneira harmônica, é necessário que cada rádio base mantenha uma relação com as rádio bases adjacentes. A função ANR – Automatic Neighbor Relation possibilita a otimização na associação entre células vizinhas, tornando desnecessária a presença do operador da rede neste processo. Nas rádio bases dos sistemas 3G e 4G tem-se os identificadores PCI, CGI – Cell Global Identity e ECGI – EUTRAN Cell Global Identifier que têm a função de mapear as células entre si e em toda área de cobertura. 

Em cada RBS existe uma tabela NRT – Neighbor Relation Table para cada célula, onde são definidas todas as relações de vizinhança que esta tem com células adjacentes. A tabela NRT armazena informações de quais células serão adicionadas ou removidas, para quais deve-se direcionar o handover e se deve ser criada a interface X2 entre as duas eNodeBs [10].

O procedimento que seria feito pelo operador da rede com uso de ferramentas de planejamento, torna-se automatizado devido a intervenção das tecnologias de Self-Optimization, que possibilitam através de medições feitas pelo móvel, o preenchimento da tabela sem a intervenção do operador. Erros de predição podem ser demasiadamente prejudiciais para a rede, já que as relações de handover dependem do preenchimento correto da NRT para que as rádio bases saibam para onde transferir o móvel que se encontra no limiar de uma célula. Frente a isto é necessário que seja realizado o procedimento de planejamento repetidas vezes para que sejam bem definidos os limites da célula bem como quais serão as relações possíveis, prática que aumenta o custo para a operadora e reforça a necessidade do uso de técnicas de SON.

Cada relação de vizinhança que virá a ser adicionada à tabela NRT, é inserida no campo TCI – Target Cell Identifier, presente na tabela. Por exemplo, se a célula origem e a célula alvo forem ambas de um sistema LTE na mesma frequência, então o campo TCI assume o valor de ECGI da célula alvo, que é o identificador de cada rádio base dentre toda a rede móvel.

A Figura 4 ilustra a representação do modo de preenchimento da tabela NRT para um sistema LTE. 

Figura 4 . Preenchimento da tabela NRT [11].

Com o advento das tecnologias de SON, o processo pôde ser automatizado. Mediante medidas realizadas pelo móvel, coordenadas pelo protocolo RRC – Radio Resource Control, que estabelece funções de controle de acesso ao sistema, a função ANR preenche a tabela com informações de adição/remoção de vizinhos, possibilidade de handover e criação da interface X2 entre duas eNodeBs. Em resumo, têm-se dois modelos de ANR, sendo eles:

• Intra-LTE / frequency ANR

Tendo como exemplo o LTE, primeiramente o UE realiza medições para verificar qual é a célula com maior potência. Caso a célula escolhida tenha um valor de PCI desconhecido (célula recentemente adicionada), a servidora então instrui o UE a coletar o ECGI de tal célula e automaticamente a adiciona como vizinha na tabela NRT.

• Inter-RAT / Inter-frequency ANR

Neste caso o UE – User Equipment realiza medições e detecta células de outras frequências e outras RATs – Radio Access Technologies. Para o Inter RAT/frequency ANR, cada célula tem uma lista que indica em quais frequências as células deverão ser procuradas. O processo de inserção da célula na tabela de vizinhança é bem semelhante a modalidade Intra-frequency, exceto pelos identificadores. Para o 4G lê-se o ECGI e o TAC – Tracking Area Code. Após realizadas as medições, a servidora adiciona na tabela NRT os identificadores CGI ou ECGI, e então a relação de vizinhança é estabelecida.

B. Load Balancing

A função Load Balancing, também conhecida como MLB – Mobility Load Balancing permite que células sobrecarregadas redirecionem uma parcela de seu tráfego para células adjacentes menos sobrecarregadas. Deste modo a carga gerada pelos assinantes é distribuída para as células vizinhas disponíveis, de tal forma que a capacidade da rede é maximizada. Esta eficiência adicional que é gerada, aumenta a utilização média de cada célula e evita que seja necessário a implantação de mais rádio bases para atender a demanda dos usuários.

Os algoritmos de MLB podem ser executados de dois modos diferentes. São eles:

• Distribuído

Os algoritmos são executados na própria estação Rádio Base e as informações obtidas são trocadas entre as próprias estações. A interface X2 é opcional e pode ser utilizada para a comunicação entre as eNodeBs.

• Centralizado

Os algoritmos são executados em unidades de processamento externas que recebe as informações reportadas pelas rádio bases e retornam as informações obtidas através das interfaces de gerenciamento.

O MLB torna-se mais robusto quando os usuários envolvidos na operação estão em modo ativo, pois neste caso, como estão utilizando efetivamente a rede, possuem informações sobre o tráfego gerado, bem como as condições de canal naquele momento. Quando há necessidade do MLB para usuários em modo idle, o sistema baseia-se nas informações de tráfego geradas quando estes estavam em modo ativo. 

Parâmetros de QoS – Quality of Service também são utilizados afim de que o sistema possa decidir com qual regularidade deve ocorrer a resseleção de células pelos usuários.

C. Handover Optimization

O Handover Optimization consiste da automatização da definição dos parâmetros de handover a fim de tornar o procedimento mais livre de falhas e com menos perdas ao usuário e a rede. Com a utilização de algoritmos de controle dos parâmetros de handover, através da atualização inteligente da lista de células vizinhas e da manipulação lógica de parâmetros de histerese, há uma considerável diminuição nos possíveis problemas decorrentes de um handover mal realizado. 

São três as exigências básicas definidas pelo 3GPP para a otimização dos parâmetros de handover com uso de SON: reduzir as falhas de handover, minimizar a quantidade desnecessária de execuções e aumentar a capacidade de distribuição de carga da rede (Load Balancing) [12].

Em redes móveis sem a presença de SON, os algoritmos executados para iniciar a troca de células têm como principal variável a potência de sinal recebida nos terminais móveis. Quando o móvel nota a presença de um sinal mais potente que o atual, é iniciado o processo de handover. Devido às variações no sinal e à característica aleatória do canal, pode haver a ocorrência do efeito conhecido como “ping-pong” que consiste no móvel trocar de célula repetidas vezes, sem se manter em apenas uma. O gráfico, Figura 5, define o processo citado, numa rede LTE, mostrando exemplos de medições feitas pelo móvel, seus níveis de potência de recepção RSRP – Reference Signal Received Power e durações. Tem-se o móvel acampado na eNB A, com potência de recepção Pa.

Figura 5. Processo de handover numa rede LTE [13].

Quando o usuário se encontra no limiar da célula e é realizada a medição de uma potência superior à sua atual (potência Pb vinda da eNB B), assume-se um tempo de espera e posteriormente é iniciado o processo de handover.

Todavia, para driblar o problema do “Ping-pong”, é considerada uma histerese, que tem como objetivo fornecer uma margem entre as potências medidas, a fim de evitar que o móvel retorne para sua estação de origem. Além da histerese, tem-se a contagem de um tempo até que seja realizado o handover. Este tempo é chamado de TTT – Time To Trigger.

Com a utilização do SON, através da manipulação da histerese e do TTT, associados a algoritmos de controle de oscilação é possível mitigar de forma satisfatória a quantidade desnecessária de execuções de troca de células, evitando uma experiência indesejável para o usuário.  Há também a possibilidade de otimização da performance de handovers através de algoritmos que se baseiam na velocidade do usuário móvel. Neste esquema os valores de histerese e TTT são ajustados para incrementar o desempenho do handover nas velocidades de 0 a 350 km/h, devido a maior utilização em meios de transporte que praticam esta faixa de velocidade [14].

O Handover Optimization também tem influência positiva sobre os processos de Load Balancing, visto que se tem maior precisão nas decisões de handover, o que facilita a troca de usuários para as células destinadas a balancear o tráfego da rede, como foi explicado na seção B.

D. Coverage & Capacity Optimization

Os procedimentos utilizados tradicionalmente para a alteração de capacidade e do raio de cobertura de uma célula têm um alto custo e são extremamente complexos [15]. Para que seja possível alterar algumas destas características, são necessárias diversas modificações até mesmo nos aspectos físicos das antenas. Na grande maioria dos casos é inviável realizar estas alterações manualmente, e com base nisso, fez-se necessário o uso de antenas automatizadas, que através de controles podem alterar sua inclinação e diversos outros parâmetros de funcionamento [16], como é o caso da “Antenna tilt” ilustrada na Figura 6.

Figura 6. Funcionamento da Antenna tilt [16].

Através do controle de uma antena automatizada, é possível realizar duas operações:

• Downtilt

Diminui a angulação da antena, o que acarreta a redução de sua área de cobertura.

• Uptilt 

Aumenta a angulação da antena, expandindo sua área de cobertura.

Este tipo de antena aliada à tecnologia SON, proporciona um cenário dinâmico que se adapta às situações de uso automaticamente, realizando diversas melhorias na rede, tais como:

• Redução da interferência entre células vizinhas

Quando a interferência de sinal entre as células vizinhas sofre elevação em seus níveis, a rede automaticamente reduz a área de cobertura de uma das células de modo a diminuir esta interferência.

• Otimização da utilização de recursos

É possível distribuir o tráfego uniformemente na rede e otimizar a relação sinal ruído. Como consequência ocorre o aumento da capacidade da rede, tornando possível acrescentar usuários sem perder qualidade de serviço.

• Balanceamento de usuários otimizado

Com base em estatísticas de uso, a rede pode diminuir o tamanho de uma célula que possua muitos usuários conectados e aumentar o tamanho de uma célula vizinha que possua um número menor de usuários, com a finalidade de balancear o número de usuários entre as células.

E. Mobility Robustness Optimization

A função MRO – Mobility Robustness Optimization pode ser entendida como parte do processo de Handover Optimization, sendo seus principais objetivos minimizar as falhas no link de rádio RLF – Radio Link Failure, diminuir o número de handovers desnecessários e a ocorrência de handovers para células alvo erradas. A função engloba processos automatizados de detecção, correção e otimização, afetando diretamente na boa qualidade de serviço prestado ao usuário final, além de contribuir na otimização do consumo de energia nas estações [17].

Visando a otimização da energia, algumas células podem ser desativadas quando não há usuários. O consumo de energia nas estações rádio bases não se deve apenas a existência de usuários ativos ou não, pois há uma série de tarefas internas que também fazem uso dessa energia. Mesmo que a célula seja desligada, há normas que exigem a cobertura a todo momento. Esta suspensão da célula ocorre quando o último usuário sai da célula. As células que permanecem ligadas fornecendo acesso podem “acordar” uma outra que esteja suspensa quando houver um aumento considerável no tráfego da rede. Isso é possível através do envio de uma sinalização wake-up para a célula que se encontra adormecida [18].

As falhas que podem ocorrer no processo de handover foram motivadores para o desenvolvimento desta função. Dentre estas imprecisões, destacam-se:

• Late Handover

No caso do Late handover, como é representado na Figura 7, o processo de troca de célula é iniciado de forma atrasada. Neste caso, o móvel está se locomovendo mais rápido do que é previsto para o procedimento de handover, ou seja, o usuário que inicialmente estava a uma determinada distância da rádio base, rapidamente desloca-se para longe. Sendo assim a rádio base envia o comando HO RRC (HO – Handover) de inicialização do handover com baixa intensidade, baseando-se em sua primeira medição. Esta potência de transmissão é insuficiente para a recepção do móvel, pois devido a sua velocidade, já se encontra bem adiante do que era esperado pela célula no momento do envio do comando. Neste caso, a ocorrência de queda em chamadas e interrupção de serviços de dados é bastante provável. A partir disto, o móvel reestabelecerá sua comunicação através de uma nova autenticação feita na célula atual.  Posteriormente, a RBS destino informa a célula de origem sobre as falhas ocorridas buscando ajustar os parâmetros de handover.

Figura 7. Late Handover.

 

• Early Handover 

O Early handover, ilustrado na Figura 8, ocorre quando um móvel se encontra em uma área de interseção entre duas células, onde é iniciado o processo de handover através do envio do comando HO RRC para o móvel, porém o nível do sinal da célula origem ainda era suficiente para atender este móvel. Este cenário é muito encontrado em áreas urbanas densas [19]. Após feito o handover, o móvel pode detectar que a qualidade do nível do sinal da célula origem era melhor do que o da célula destino, desencadeando agora um novo handover. Desta vez a RBS da célula destino encaminha um comando HO RRC para a célula origem e faz o retorno para a antiga célula.

Figura 8. Early Handover.

• Handover para células incorretas

Ocorre quando o móvel inicializa o processo de handover e, em seguida, há uma perda de conexão com a RBS destino escolhida. Após a perda de conexão, o móvel faz uma tentativa de reconexão para uma RBS que não é, nem a RBS origem, e nem a RBS destino. Através da tentativa de reconexão, esta RBS detecta que houve um handover para célula errada e realiza um feedback para a RBS origem a fim de configurar os parâmetros de handover e minimizar estes casos.

• Handovers desnecessários

Ocorrem, por exemplo, quando parâmetros de histerese do handover estão ajustados de forma ineficaz. Este fato pode causar efeitos como “ping-pong”, como foi abordado no item C da seção V.

Para minimizar este problema, após o processo de handover, o equipamento móvel é instruído pela célula alvo do handover a medir continuamente o nível de sinal da célula origem. Baseado nestas medições, a célula alvo conclui se o handover executado foi realizado de forma eficaz, caso contrário, realiza um feedback para a célula origem para que sejam ajustados seus parâmetros de handover.

F. RACH Optimization

O canal RACH – Random Access Channel é utilizado para realizar o acesso do móvel ao sistema, onde são enviadas informações de identificação e razão do acesso. Este processo utiliza recursos valiosos da rede e em decorrência disto, sua otimização traz consigo ganhos consideráveis na economia destes recursos.

Durante a comunicação do equipamento do usuário com a rede, um número de slots é alocado para informações RACH, que são extremamente necessários para que o sistema possa realizar a inserção do usuário na rede. O mau funcionamento do procedimento de acesso acarreta prejuízos, tais como atraso na inicialização de chamadas, atraso na retomada de dados quando o aparelho móvel alterna entre os modos de operação e atrasos de handover. 

Para um bom funcionamento do procedimento de acesso necessita-se de mais slots reservados para o RACH, caso contrário, o usuário pode experimentar colisões. Entretanto, o uso de muitos slots para RACH nem sempre é vantajoso, de modo a promover uma perda de capacidade, visto que menos recursos estarão disponíveis para escoar dados úteis do usuário. Sendo assim, as tecnologias SON tem a função de automatizar a operação deste procedimento de modo que haja uma relação de compromisso na escolha do número de slots reservados para RACH, avaliando sua real necessidade naquele momento. O número ideal de slots reservados depende da qualidade do serviço prestado e da quantidade de usuários nesta rede. Como a quantidade de usuários é variável no domínio do tempo, a decisão de um número otimizado de recursos reservados para o RACH também se torna variável neste domínio [19].

No que concerne aos atrasos, a interferência entre usuários também é um ponto relevante. Quando um usuário deseja acesso à rede, primeiramente é enviado um preâmbulo RACH com potência padrão. Caso não haja resposta, uma segunda tentativa é realizada, porém, desta vez com potência maior, e desta forma o processo continua até o móvel conseguir acesso ou atingir o número máximo de incrementos. Caso o número de incrementos chegue no seu valor máximo, o processo se inicia novamente, adotando a potência mínima e repetindo todo o procedimento. Este procedimento é adotado para que o móvel acesse a rede utilizando da menor potência possível, evitando então a interferência mútua. Entretanto, se a falha no acesso não for causada por potência baixa, mas sim por congestionamento na rede, o móvel continuará enviando de tempos em tempos preâmbulos com potências maiores, o que obviamente aumenta a interferência no canal de uplink PUSCH – Physical Uplink Shared Channel e no canal físico de acesso aleatório PRACH – Physical Random Access Channel, como pode ser visto na Figura 9, que mostra os preâmbulos em vermelho e os demais canais (PUCCH – Physical Uplink Control Channel) em função da frequência e dos time slots.

Figura 9. Procedimento de acesso aleatório na camada física [20].

As sequências do preâmbulo RACH são derivadas de deslocamentos cíclicos de uma sequência Zadoff-Chu (Root Sequence) [21], e para cada célula são atribuídos 64 preâmbulos. Para células pequenas, os preâmbulos podem ser derivados de apenas uma sequência raiz, sendo ortogonais entre si. Para células maiores, nem todos os preâmbulos são derivados de uma mesma sequência raiz, portanto, podem não ser ortogonais, o que gera uma correlação cruzada não nula, gerando interferência entre os usuários.

Se o acesso aleatório falha, seja pela não recepção do preâmbulo pela rádio base ou devido a colisão, o móvel deve iniciar o processo novamente. Para evitar que haja mais conflitos neste procedimento, tem-se o parâmetro Backoff, que representa um tempo até a inicialização de uma nova tentativa de acesso.

Para mitigar os problemas citados, o RACH Optimization atua das seguintes maneiras:

•    Na configuração RACH

Através da seleção automática da quantidade de slots RACH no quadro de comunicação a fim de evitar a ocupação desnecessária de slots.

• Ajuste de parâmetros do preâmbulo RACH

Através a manipulação inteligente do parâmetro backoff é possível definir um momento otimizado para inicializar o acesso, evitando congestionamento.

• Ajuste dos parâmetros de potência do móvel

A potência inicial e seus incrementos são ajustados de maneira inteligente a fim de evitar interferência mútua. Móveis presentes em regiões com maior desvanecimento iniciam com potência maior, bem como quando estão distantes da rádio base. Móveis que estão em região de menos desvanecimento ou estão acampados em células menores, desempenham potências de transmissão menores.

III.3. Self-Healing

Self-Healing é um conjunto de procedimentos SON que detecta problemas e os resolve, ou os simplifica para evitar danos maiores a consistência da rede e reduzir significativamente os custos de manutenção. Esta característica é estimulada por alarmes gerados pelos elementos de rede que estão indicando erros. Em casos de alarmes reportados, o sistema coleta as informações dos testes realizados, faz uma análise apurada, e em seguida toma as ações apropriadas para corrigir ou minimizar os efeitos de tal falha. 

Os elementos de uma estação rádio base são componentes extremamente susceptíveis a defeitos, visto que muitas vezes estão expostos em ambientes de grande variação de condições climáticas. Qualquer perda de serviço dentro da estação rádio base resultará em uma indisponibilidade de acesso ou serviços significativamente prejudicados em termos de desempenho. Tal problema pode refletir em uma perda de receita por parte da operadora e a possibilidade de um aumento do nível de churn rate, índice que indica o número clientes que cancelam seu contrato.

A aplicação Self-Healing pode ser subdividida em algumas partes. A detecção de degradação na rede celular é uma delas, na qual o monitoramento do desempenho das estações rádio base é avaliado a todo instante para verificar se as mesmas se encontram nos limites aceitáveis para um funcionamento otimizado. 

A auto compensação da rede celular também é uma importante parte, pois tem como principal objetivo compensar a inoperância de uma célula adjacente. Uma das exigências indispensáveis para qualquer compensação celular é que a rede deve responder rapidamente, de maneira que, a falha seja detectada imediatamente e que os seus impactos sejam minimizados. Tudo isto de forma automatizada. Quando ocorre uma falha, a rádio base procura algoritmos de SON embarcados, com o intuito de resolver o problema, seja ele qual for. Entretanto, nem sempre isso é possível, pois pode ocorrer uma falha completa por parte da célula, e neste caso, a compensação deve originar-se de células vizinhas. 

O modo de compensação aumenta a área de cobertura das estações vizinhas com o intuito de cobrir o local que antes era coberto pela estação rádio base defeituosa. Em contrapartida, aumenta-se o fator de reuso dessas células, sendo necessário o aumento da potência de transmissão dos rádios, objetivando uma maior relação sinal ruído em grande parte da área da célula.

IV. Conclusão

Devido à elevada complexidade de gerenciamento da rede causada pelo aumento do tráfego de dados, as Self-Organizing Networks vêm se tornando uma grande tendência no mercado de telefonia móvel. A interoperabilidade entre redes de tecnologias diferentes torna o sistema móvel denso e heterogêneo. Com isto, faz-se necessário um controle eficaz de toda a rede, afim de que todos os elementos atuem em harmonia. Tais fatos dão ideia da inevitabilidade do uso de SON, que promove melhorias substanciais devido à dificuldade inerente em configurar, operar e restaurar manualmente redes densas. As SONs possibilitam a realização de processos de controle e gerência de forma automática, ou seja, sem a necessidade de intervenção humana. Esta tecnologia proporciona um cenário em que se obtém uma rede totalmente adaptativa a qualquer mudança nos parâmetros de uso. Com esta aplicação atuando nos processos de gestão e controle fim a fim em uma rede de telefonia móvel é possível mitigar notadamente o volume de gastos operacionais, reduzir os custos e aumentar consideravelmente a experiência do usuário. 

Além dos benefícios financeiros e operacionais, com o uso de SON as operadoras podem proporcionar aos seus clientes maior confiabilidade e melhor experiência, uma vez que muitos dos parâmetros otimizados pelas SONs podem ser notados, ainda que indiretamente, pelos usuários à medida que se torna possível o móvel realizar atividades usuais, como por exemplo handovers, de maneira mais fluida e livre de falhas. Esta elevação na qualidade do serviço prestado reflete-se em uma maior satisfação dos clientes, aumentando sua relação de fidelidade com a operadora.

V. Referências

[1] R. Estevam. Redes SON: Conceitos e aplicabilidade em redes (Outubro, 2015) Disponível em: <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialredeson/> Acesso em: 20 de julho de 2022.

[2] Operadoras buscam mais receita no pré-pago. Disponível em: <http://economia.estadao.com.br/noticias/geral,operadoras-buscam-mais-receita-no-pre-pago,387841> Acesso em: 20 de julho de 2022.

[3] L. Jorguseski et al., Self-organizing networks in 3GPP: Standardization and future trends, IEEE Communications Magazine, Communications Standards Supplement (2015).

[4] 3GPP TS 36.300 Release 13 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network Disponível em: <http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.300/> Acesso em: 20 de julho de 2022.

[5] 3GPP TR 32.816 Release 8 Study on management of Evolved Universal Terrestrial Radio Disponível em: http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/32_series/32.500/ Acesso em: 21 de julho de 2022.

[6] Wikipedia, Home eNodeB. Disponível em <https://en.wikipedia.org/wiki/Home_eNode_B> Acesso em: 22 de julho de 2022.

[7] Magdalena Nohrborg, Self-Organizing Networks. Disponível em: <http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/105-son> Acesso em: 24 de julho de 2022.

[8] Radio-Electronics, SON Self-Optimization (Self-Optimizing Network). Disponível em: <http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/self-organising-networks-son/self-optimisation-optimization.php> Acesso em: 24 de julho de 2022.

[9] Jae ho, Lee. SON,self-optimized network. Chapter 3. Disponível em: <http://pt.slideshare.net/gprsiva/chap-special-addition-son> Acesso em: 25 de julho de 2022.

[10] LTE World, Automatic Neighbor Relation. Disponível em: <http://lteworld.org/wiki/automatic-neighbour-relation-anr> Acesso em: 27 de julho de 2022.

[11] A. Dahlén; A. Johansson; F. Gunnarson; J. Moe; T. Rimhagen; H. Kallin. Evaluations of LTE Automatic Neighbor Relations. (2013). Disponível em: <http://www.ericsson.com/res/docs/2013/evaluations-of-lte-automatic-neighbor-relations.pdf> Acesso em: 28 de julho de 2022.

[12] Alonso-Rubio, Jose (2010, November). Self-Optimization for handovers Oscillation Control in LTE. Disponível em http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/journal_conference_papers/wireless_access/noms2010_HOosc.pdf Acesso em: 28 de julho de 2022.

[13] Mera, handover Parameter Optimisation in LTE. Disponível em: <https://www.mera.com/competences/mobile-networks/research/handover> Acesso em: 1 de agosto de 2022.

[14] Luan, L.; Wu, M.; Shen, J.; Ye, J.; He, X. Optimization of handovers algorithms in LTE high-speed railway networks. JDCTA (2012, June), 79–87. Disponível em: <http://www.mdpi.com/1999-5903/7/2/196/htm> Acesso em: 2 de agosto de 2022.

[15] Reverb Networks, Antenna Based Self Optimizing Networks for Coverage and Capacity Optimization (2012). 

Disponível em: <http://www.reverbnetworks.com/wp-content/uploads/2014/06/Reverb_wp_Antenna-Based-SON-for-CCO_Feb12rs.pdf> Acesso em: 2 de agosto de 2022.

[16] Proxim Wireless, Calculations: Downtilt Coverage Radius. Disponível em: <http://www.proxim.com/products/knowledge-center/calculations/calculations-downtilt-coverage-radius> Acesso em: Acesso em: 3 de agosto de 2022.

[17] GHADIALY, Zahid; Mobility Robustness Optimization To Avoid handover Failure. Disponível em: <http://blog.3g4g.co.uk/2011/07/mobility-robustness-optimization-to.html> Acesso em 20 de Abril de 2016.

[18] Basic LTE. Understanding basic concepts for LTE (September 2014). Disponível em: <http://lteshare.blogspot.com.br> Acesso em: 3 de agosto de 2022.

[19] M. Kottkamp, A.Rössler, J. Schlienz, J. Schütz. LTE Release 9 Technology Introduction (White Paper) (2010, December). Disponível em: <https://pt.scribd.com/doc/78167572/30/RACH-Optimization> Acesso em: 4 de agosto de 2022.

[20] Mehdi Amirijoo, Pål Frenger, Fredrik Gunnarsson, Johan Moe, Kristina Zetterberg. (2009). On Self-Optimization of the Random Access Procedure in 3G Long Term Evolution. Disponível em: <http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/journal_conference_papers/wireless_access/IM2009.pdf> Acesso em: 5 de agosto de 2022.

[21] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation, 3GPP TS 36.211, 2015.