隨著生活品質的需求，現代人使用智慧型手機的數量逐年增加，低頭族就是最好的例子，光是語音已經沒有辦法滿足現代人在生活品質上的需求，而影音傳輸則需要更大的頻寬，再加上目前已聞交通部規畫要回收2G頻譜，這也意味著3G、4G已成為通訊市場主流的事實。
雖然現役的3G基地台可以架構在2G基地台上布建，但這也只能減少部分基地台初期建置的成本，後續的基地台維護、訊號品質的優化成本仍然會增加。若再加上4G基地台的建立，將需要更多的人力去架設新的基地台以及維護現役的基地台。
所幸，在長程演進計畫(LTE)規格中已提及自我組織網路(Self-Organizing Network, SON)，圖1中的比較可看出傳統網路布建與使用自我組織網路布建基地台的差異。
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| 圖1 傳統網路與SON布建差異 |
由圖1可以看出傳統布建基地台由初期的基地台Planning開始，包括尋找合適的基地台架設位置，基本基地台參數的設定，例如發射功率、天線角度等等，而每當架設一台基地台就必須重複設定相關參數，這會造成重複性的成本增加。
到了中後期，有一定的基地台數量時，要避免鄰近的基地台互相干擾，以及周圍環境的改變，例如大樓的興建，這時必須對基地台做最佳化的調整(Optimization)，包括控管路測工具的開發成本、實際路測(Field Trial)的成本，加上針對基地台做最佳化，這將是日以繼夜不間斷的工作。
可以試想，尖峰時間的通話量、離峰時間的通話量、晴天、雨天、白天、晚上，無線環境隨時隨地在改變，這些都必須投入人力的付出成本。
路測工程師帶回第一手的基地台資訊後，射頻(RF)工程師開始分析造成訊號品質下降的原因，是基地台故障？還是周遭環境改變？抑或是其他原因？
針對繁複的無線環境因素，系統若能自動判斷初步的基本原因並且處理，例如基地台目前是屬於服務狀態或是關閉狀態，抑或屬於扇區(Sector)關閉狀態，倘若是基地台整體關閉，此時判斷並控制鄰近基地台的天線角度及功率大小，以加大服務範圍來維持訊號品質，想必無線射頻工程師更能發揮所長在其他方面維持訊號，甚至提升訊號品質。對此，接下來將說明自我組織網路的三大主要功能。
SON主要三大功能
自我組織網路其功能可細分為自我設置(Self-configuration)、自我優化(Self-optimization)、自我修復(Self-healing)、用戶可感知的品質強化(User Perceived Quality Enhancement)、功率節省(Energy Saving)、SON for Home eNodeB、混合管理架構(Hybrid Management Architecture)等部分，其中前三項為SON主要的三大功能。
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關鍵在於即插即用(Plug and Play)，布建基地台時，自動配置相關參數整合到現役的其他基地台網路中，亦即一台新布建的基地台在電源一開啟(Power On)時，此基地台馬上會被其他基地台認識並註冊到基地台網路中(建立X2介面)。這時鄰近的基地台會自動調整參數，例如發射功率、天線角度等等，主要是為了因應另一座基地台的上線會造成原本的無線環境干擾增加。以市區的基地台密度而言，架設新的基地台，必定會影響周圍的訊號品質，如果因為一台基地台而須要將附近的基地台逐一進行重新設定，想必是一件非常費時費工事情，因此自動調整基地台參數以達到訊號覆蓋範圍和基地台服務的使用者數量，將會替電信營運商省人力重複運用的成本。 |
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關鍵在於自動調整(Auto Tune)，藉由觀察基地台和用戶裝置(UE)的行為，自動調整基地台參數，透過ANR(Automatically Neighbor Relations)自動建立鄰近基地台的關係，以確保用戶裝置在移動中換手(Handover)的穩定性，除了自動調整參數維持訊號品質外，也能達到適當的功率節省，例如網路用量屬於離峰時間的時候，自動關閉部分的基地台，並且重新配置被關閉基地台鄰近基地台的參數，例如增加基地台的功率，利用電子傾角(Electrical Tilt)調整天線角度等，來維持減少基地台時的訊號品質，而當使用量增加時，屬於關閉的基地台會瞬間被開啟，這種機制可讓營運商節省電力輸出的成本。然而，當自我組織網路發現基地台負載過大時，例如使用者上線人數過多，也會自動調整參數來達到負載平衡(Load Balancing)的功能。 |
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關鍵在於自動修復(Auto Repair)，藉由自動修復來降低損壞的基地台對整體網路的影響，主要是能立即發現並判斷基地台損壞的原因，以維護訊號品質，而這在傳統的Legacy網路中較難鑑別有損壞基地台，並且需要較多的資源去修理。 |
在此提供一些無線網路自我修復的運作準則，例如蜂巢式網路如果支援自我修復功能，一般會將其定義為在無線蜂巢式網路中具有故障檢測、診斷和矯正，甚至包括基本的任務執行自動化，但是最終還是要依靠系統操作人員決定最後的控制策略。
SON自我修復運作準則
在第三代行動通訊合作夥伴計畫(3GPP)中提供了描述自我修復的概念、需求和相關的邏輯架構、參考模型，以及自我修復相關的技術規範和使用情境。3GPP亦具體地定義自我修復的使用案例，包括：網路元件的軟體自我恢復、平台故障的自我修復、網路中斷故障的檢測、網路中斷的回復、網路中斷的補償和從網路中斷補償的自我恢復。
雖然3GPP使用案例的重點在於細胞網路的中斷故障，但也可以擴展為更普遍性的概念「細胞網路的退化」，指的是細胞網路在預期中和實際效能之間存在顯著的差異，但退化情形不一定會觸發警告。以下是用來評估在自我修復架構中，從有問題的細胞網路退化狀態到中斷狀態：
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屬於任何硬體的故障或是錯誤的參數設定所引起的退化。 |
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細胞網路中斷可以定義為細胞網路在載波上，沒有任何流量或者細胞網路已關機、已當機。 |
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區域網路中斷是指所有的扇區網路(同一區域中的細胞網路)全當機的情況。 |
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補償性質的矯正措施，包括改變相鄰細胞網路的參數配置，盡可能地補償更多的網路效能。 |
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包括恢復到原來的網路配置設定，當細胞網路中斷且恢復時，環境條件可能已經被更改。因此，回到初始參數的設置不一定會有幫助。不過，為了簡單起見，假設一個已中斷過的細胞網路恢復時，網路的狀態是不會的改變。如此，實施恢復到初始設置可以是一種解決的方案。 |
自我修復的類型分析與評估
有了以上準則，這裡將進一步分析自我修復的類型和說明可能評估的方法。根據無線網路營運商的反應和統計，無線網路每天都會回報多項警告，尤其是干擾中斷類的故障警告，然而操作與維護人員通常很難去應付如此大量的警告訊息，最糟糕的情形是干擾中斷故障，無法得到真正處理與解決。
想辦法減少維護人員的負擔、提高無線網路運作的維護效率和品質，這些都是網路正常營運的關鍵。
支援自我組織的無線網路是一種可以大幅度減輕營運成本的解決方案，自我組織應該要能夠自我感應、自我識別、自我定位，並且自我找出互相關連的故障警告，最重要的是啟動自我組織中的自我修復機制，排除相對應的干擾中斷故障，藉以快速恢復網路的正常工作狀態。
可以將網路的干擾中斷故障依照類型區分為設備類型的干擾中斷和服務類型的干擾中斷。前者，可以透過軟體的監測以及硬體自我的檢查來加以識別，後者則可收集各種的效能指標進行觀察、統計、分析和進行識別。
自我修復之干擾中斷檢測與補償
該如何評估干擾中斷故障的檢測與補償呢？可以透過以下的機制，收集無線網路中各個參數的變化及相對比例，例如系統容量、覆蓋情況以及使用者的服務品質，除了這些典型的下行和上行通道的數據傳輸速率外，也可以增加一些其他的關鍵效能指標(KPI)，包括載波干擾雜訊比(CINR)、接收訊號強度指示(RSSI)、流量(Throughput)、資源區塊(Resource Block)分配、調變方式、多重輸入多重輸出(MIMO)類型和不同種類的錯誤率(如FER、PER、BER)。
此外，也可以將這些數值做處理，例如將這些KPI以幾種不同的方式呈現，包括Throughput相對於CINR，CINR相對於RSSI，以及在換手過程中，切換的成功率，Throughput和CINR與調變方式等等。
舉例而言，如圖2上方部分為干擾中斷前後效能的比較分析，為了評價干擾中斷的補償機制優劣，這裡定義了四個階段，X軸為系統運作時間，Y軸為量測到的KPI值(CINR、RSSI、Throughput)，階段1表示沒有發生干擾中斷時的系統平均KPI，階段2表示受干擾中斷的情形，依照干擾中斷的嚴重程度相對於MCS(Modulation Coding Scheme)，可能會產生階梯狀的退化情形(例如2a和2b)。階段3和階段4分別表示發生干擾中斷後，不進行干擾中斷補償機制以及採用干擾中斷補償機制以後的系統平均KPI(階段4只表示補償恢復至上一階的MCS)。
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| 圖2 干擾中斷前後的效能比較與發生時間軸 |
再進一步觀察圖2下方的部分，亦可透過時間指標、數量指標，實現量測的分析以及干擾中斷的檢測評估，時間點A發生干擾中斷與時間點B成功檢測，時間點C失敗檢測與時間點D發生干擾中斷。
以下列舉幾個數值指標：1.檢測時間：Time(detect)-Time(fail)，也就是Time(B)-Time(A)，即干擾中斷發生多久以後，該干擾中斷才被成功檢測到。2.成功檢測的比例：Number(detect)/Number(fail)，也就是Num(B)/Num(A)，即實際發生的干擾中斷次數之中被正確檢測到的比例。3.失敗檢測的比例：Number(false)/ [Number(false)+Number(detect)]，也就是Num(D)/[Num(D)+Num(C)]，即檢測到干擾中斷的次數之中失敗檢測的比例。
SON功能範例說明
為了讓讀者能更快速理解基本自我組織網路三大主要功能，利用以下示意圖舉一個簡單的例子。圖3中可以看出eNB1在Planning時會先設定閘道器(Gateway)，使eNB1可以進行傳輸，此時eNB1將基地台硬體資訊傳給Self-configuration系統，再透過Self-configuration系統傳送資訊給基地台自己做設定，接著透過OAM可以使工程師做後續維護，最後建立MME和基地台溝通的介面S1，以及eNB和eNB溝通的介面X2。此時eNB1、eNB2、eNB3皆上線後，其服務範圍為較小的圈圈，Neighbor list如圖3下方所述(before eNB2 failure)所示，並且有一個使用者UE被eNB2服務，這時候透過Self-optimization自動調整eNB1、eNB2和eNB3的功率和天線角度等基地台參數，以達到訊號最佳化。
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| 圖3 自我組織網路示意圖 |
接著，假設目前屬於離峰時間，eNB2目前處於關閉狀態，因此UE收不到eNB2的訊號，為了維持原本eNB2還存在時的訊號涵蓋範圍和品質，自我組織網路啟動Self-optimization的ANR功能自動建立Neighbor List如圖3下方所述(after eNB2 failure)，以維持使用者在移動中能正常順利地換手到eNB3繼續被服務。
後續由於外力影響，使eNB3的天線(原始為3根，一根天線範圍為120度)壞掉一根，經由Self-healing功能偵測到天線損壞並修復。
4G網路品質提升指日可待
綜合以上所述，透過自我組織網路的功能，除了可以自我配置及自我優化基地台網路外，自我修復的功能更是不可或缺，透過各種指標(CINR、RSSI等)進行觀察、統計、分析和進行識別，來判斷網路干擾中斷故障的類型，以及自我修復的方式，不但減少人力無法應付的龐大警告訊息，更能在當下做出預先設定好的危機處理動作，使得繁複的無線通訊環境變得更單純，不但提升4G網路的品質，造福社會大眾，也幫助電信營運商省下不少成本。
(本文作者皆任職於資策會智慧網通系統研究所)