LTE-advanced self-organizing network conflicts and coordination algorithms

Self-organizing network (SON) functions have been introduced in the LTE and LTEAdvanced standards by the Third Generation Partnership Project as an excellent solution that promises enormous improvements in network performance. However, the most challenging issue in implementing SON functions in reality is the identification of the best possible interactions among simultaneously operating and even conflicting SON functions in order to guarantee robust, stable, and desired network operation. In this direction, the first step is the comprehensive modeling of various types of conflicts among SON functions, not only to acquire a detailed view of the problem, but also to pave the way for designing appropriate Self-Coordination mechanisms among SON functions. In this article we present a comprehensive classification of SON function conflicts, which leads the way for designing suitable conflict resolution solutions among SON functions and implementing SON in reality. Identifying conflicting and interfering relations among autonomous network management functionalities is a tremendously complex task. We demonstrate how analysis of fundamental trade-offs among performance metrics can us to the identification of potential conflicts. Moreover, we present analytical models of these conflicts using reference signal received power plots in multi-cell environments, which help to dig into the complex relations among SON functions. We identify potential chain reactions among SON function conflicts that can affect the concurrent operation of multiple SON functions in reality. Finally, we propose a selfcoordination framework for conflict resolution among multiple SON functions in LTE/LTEAdvanced networks, while highlighting a number of future research challenges for conflict-free operation of SON

A survey of machine learning techniques applied to self organizing cellular networks

In this paper, a survey of the literature of the past fifteen years involving Machine Learning (ML) algorithms applied to self organizing cellular networks is performed. In order for future networks to overcome the current limitations and address the issues of current cellular systems, it is clear that more intelligence needs to be deployed, so that a fully autonomous and flexible network can be enabled. This paper focuses on the learning perspective of Self Organizing Networks (SON) solutions and provides, not only an overview of the most common ML techniques encountered in cellular networks, but also manages to classify each paper in terms of its learning solution, while also giving some examples. The authors also classify each paper in terms of its self-organizing use-case and discuss how each proposed solution performed. In addition, a comparison between the most commonly found ML algorithms in terms of certain SON metrics is performed and general guidelines on when to choose each ML algorithm for each SON function are proposed. Lastly, this work also provides future research directions and new paradigms that the use of more robust and intelligent algorithms, together with data gathered by operators, can bring to the cellular networks domain and fully enable the concept of SON in the near future

Optimization of Mobility Parameters using Fuzzy Logic and Reinforcement Learning in Self-Organizing Networks

In this thesis, several optimization techniques for next-generation wireless networks are proposed to solve different problems in the field of Self-Organizing Networks and heterogeneous networks. The common basis of these problems is that network parameters are automatically tuned to deal with the specific problem. As the set of network parameters is extremely large, this work mainly focuses on parameters involved in mobility management. In addition, the proposed self-tuning schemes are based on Fuzzy Logic Controllers (FLC), whose potential lies in the capability to express the knowledge in a similar way to the human perception and reasoning. In addition, in those cases in which a mathematical approach has been required to optimize the behavior of the FLC, the selected solution has been Reinforcement Learning, since this methodology is especially appropriate for learning from interaction, which becomes essential in complex systems such as wireless networks. Taking this into account, firstly, a new Mobility Load Balancing (MLB) scheme is proposed to solve persistent congestion problems in next-generation wireless networks, in particular, due to an uneven spatial traffic distribution, which typically leads to an inefficient usage of resources. A key feature of the proposed algorithm is that not only the parameters are optimized, but also the parameter tuning strategy. Secondly, a novel MLB algorithm for enterprise femtocells scenarios is proposed. Such scenarios are characterized by the lack of a thorough deployment of these low-cost nodes, meaning that a more efficient use of radio resources can be achieved by applying effective MLB schemes. As in the previous problem, the optimization of the self-tuning process is also studied in this case. Thirdly, a new self-tuning algorithm for Mobility Robustness Optimization (MRO) is proposed. This study includes the impact of context factors such as the system load and user speed, as well as a proposal for coordination between the designed MLB and MRO functions. Fourthly, a novel self-tuning algorithm for Traffic Steering (TS) in heterogeneous networks is proposed. The main features of the proposed algorithm are the flexibility to support different operator policies and the adaptation capability to network variations. Finally, with the aim of validating the proposed techniques, a dynamic system-level simulator for Long-Term Evolution (LTE) networks has been designed

Benefits and limits of machine learning for the implicit coordination on SON functions

Bedingt durch die Einführung neuer Netzfunktionen in den Mobilfunknetzen der nächsten Generation, z. B. Slicing oder Mehrantennensysteme, sowie durch die Koexistenz mehrerer Funkzugangstechnologien, werden die Optimierungsaufgaben äußerst komplex und erhöhen die OPEX (OPerational EXpenditures). Um den Nutzern Dienste mit wettbewerbsfähiger Dienstgüte (QoS) zu bieten und gleichzeitig die Betriebskosten niedrig zu halten, wurde von den Standardisierungsgremien das Konzept des selbstorganisierenden Netzes (SON) eingeführt, um das Netzmanagement um eine Automatisierungsebene zu erweitern. Es wurden dafür mehrere SON-Funktionen (SFs) vorgeschlagen, um einen bestimmten Netzbereich, wie Abdeckung oder Kapazität, zu optimieren. Bei dem konventionellen Entwurf der SFs wurde jede Funktion als Regler mit geschlossenem Regelkreis konzipiert, der ein lokales Ziel durch die Einstellung bestimmter Netzwerkparameter optimiert. Die Beziehung zwischen mehreren SFs wurde dabei jedoch bis zu einem gewissen Grad vernachlässigt. Daher treten viele widersprüchliche Szenarien auf, wenn mehrere SFs in einem mobilen Netzwerk instanziiert werden. Solche widersprüchlichen Funktionen in den Netzen verschlechtern die QoS der Benutzer und beeinträchtigen die Signalisierungsressourcen im Netz. Es wird daher erwartet, dass eine existierende Koordinierungsschicht (die auch eine Entität im Netz sein könnte) die Konflikte zwischen SFs lösen kann. Da diese Funktionen jedoch eng miteinander verknüpft sind, ist es schwierig, ihre Interaktionen und Abhängigkeiten in einer abgeschlossenen Form zu modellieren. Daher wird maschinelles Lernen vorgeschlagen, um eine gemeinsame Optimierung eines globalen Leistungsindikators (Key Performance Indicator, KPI) so voranzubringen, dass die komplizierten Beziehungen zwischen den Funktionen verborgen bleiben. Wir nennen diesen Ansatz: implizite Koordination. Im ersten Teil dieser Arbeit schlagen wir eine zentralisierte, implizite und auf maschinellem Lernen basierende Koordination vor und wenden sie auf die Koordination zweier etablierter SFs an: Mobility Robustness Optimization (MRO) und Mobility Load Balancing (MLB). Anschließend gestalten wir die Lösung dateneffizienter (d. h. wir erreichen die gleiche Modellleistung mit weniger Trainingsdaten), indem wir eine geschlossene Modellierung einbetten, um einen Teil des optimalen Parametersatzes zu finden. Wir nennen dies einen "hybriden Ansatz". Mit dem hybriden Ansatz untersuchen wir den Konflikt zwischen MLB und Coverage and Capacity Optimization (CCO) Funktionen. Dann wenden wir ihn auf die Koordinierung zwischen MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) und Energy Savings (ES) Funktionen an. Schließlich stellen wir eine Möglichkeit vor, MRO formal in den hybriden Ansatz einzubeziehen, und zeigen, wie der Rahmen erweitert werden kann, um anspruchsvolle Netzwerkszenarien wie Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) abzudecken.Due to the introduction of new network functionalities in next-generation mobile networks, e.g., slicing or multi-antenna systems, as well as the coexistence of multiple radio access technologies, the optimization tasks become extremely complex, increasing the OPEX (OPerational EXpenditures). In order to provide services to the users with competitive Quality of Service (QoS) while keeping low operational costs, the Self-Organizing Network (SON) concept was introduced by the standardization bodies to add an automation layer to the network management. Thus, multiple SON functions (SFs) were proposed to optimize a specific network domain, like coverage or capacity. The conventional design of SFs conceived each function as a closed-loop controller optimizing a local objective by tuning specific network parameters. However, the relationship among multiple SFs was neglected to some extent. Therefore, many conflicting scenarios appear when multiple SFs are instantiated in a mobile network. Having conflicting functions in the networks deteriorates the users’ QoS and affects the signaling resources in the network. Thus, it is expected to have a coordination layer (which could also be an entity in the network), conciliating the conflicts between SFs. Nevertheless, due to interleaved linkage among those functions, it is complex to model their interactions and dependencies in a closed form. Thus, machine learning is proposed to drive a joint optimization of a global Key Performance Indicator (KPI), hiding the intricate relationships between functions. We call this approach: implicit coordination. In the first part of this thesis, we propose a centralized, fully-implicit coordination approach based on machine learning (ML), and apply it to the coordination of two well-established SFs: Mobility Robustness Optimization (MRO) and Mobility Load Balancing (MLB). We find that this approach can be applied as long as the coordination problem is decomposed into three functional planes: controllable, environmental, and utility planes. However, the fully-implicit coordination comes at a high cost: it requires a large amount of data to train the ML models. To improve the data efficiency of our approach (i.e., achieving good model performance with less training data), we propose a hybrid approach, which mixes ML with closed-form models. With the hybrid approach, we study the conflict between MLB and Coverage and Capacity Optimization (CCO) functions. Then, we apply it to the coordination among MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC), and Energy Savings (ES) functions. With the hybrid approach, we find in one shot, part of the parameter set in an optimal manner, which makes it suitable for dynamic scenarios in which fast response is expected from a centralized coordinator. Finally, we present a manner to formally include MRO in the hybrid approach and show how the framework can be extended to cover challenging network scenarios like Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC)

Next-Generation Self-Organizing Networks through a Machine Learning Approach

Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 17 Diciembre 2018.Para reducir los costes de gestión de las redes celulares, que, con el tiempo, aumentaban en complejidad, surgió el concepto de las redes autoorganizadas, o self-organizing networks (SON). Es decir, la automatización de las tareas de gestión de una red celular para disminuir los costes de infraestructura (CAPEX) y de operación (OPEX). Las tareas de las SON se dividen en tres categorías: autoconfiguración, autooptimización y autocuración. El objetivo de esta tesis es la mejora de las funciones SON a través del desarrollo y uso de herramientas de aprendizaje automático (machine learning, ML) para la gestión de la red. Por un lado, se aborda la autocuración a través de la propuesta de una novedosa herramienta para una diagnosis automática (RCA), consistente en la combinación de múltiples sistemas RCA independientes para el desarrollo de un sistema compuesto de RCA mejorado. A su vez, para aumentar la precisión de las herramientas de RCA mientras se reducen tanto el CAPEX como el OPEX, en esta tesis se proponen y evalúan herramientas de ML de reducción de dimensionalidad en combinación con herramientas de RCA. Por otro lado, en esta tesis se estudian las funcionalidades multienlace dentro de la autooptimización y se proponen técnicas para su gestión automática. En el campo de las comunicaciones mejoradas de banda ancha, se propone una herramienta para la gestión de portadoras radio, que permite la implementación de políticas del operador, mientras que, en el campo de las comunicaciones vehiculares de baja latencia, se propone un mecanismo multicamino para la redirección del tráfico a través de múltiples interfaces radio. Muchos de los métodos propuestos en esta tesis se han evaluado usando datos provenientes de redes celulares reales, lo que ha permitido demostrar su validez en entornos realistas, así como su capacidad para ser desplegados en redes móviles actuales y futuras

A survey of self organisation in future cellular networks

This article surveys the literature over the period of the last decade on the emerging field of self organisation as applied to wireless cellular communication networks. Self organisation has been extensively studied and applied in adhoc networks, wireless sensor networks and autonomic computer networks; however in the context of wireless cellular networks, this is the first attempt to put in perspective the various efforts in form of a tutorial/survey. We provide a comprehensive survey of the existing literature, projects and standards in self organising cellular networks. Additionally, we also aim to present a clear understanding of this active research area, identifying a clear taxonomy and guidelines for design of self organising mechanisms. We compare strength and weakness of existing solutions and highlight the key research areas for further development. This paper serves as a guide and a starting point for anyone willing to delve into research on self organisation in wireless cellular communication networks

Detection and compensation methods for self-healing in self-organizing networks

Uno de los elementos clave en la definición de los recientes estándares de comunicaciones móviles del 3rd Generation Partnership Project (3GPP), LTE (Long Term Evolution) y LTEAdvanced, es la consideración de funciones que se puedan ejecutar de manera automática. Este tipo de redes se conocen como redes Auto-Organizadas (Self-Organizing Networks, SON). Las funciones SON permiten hacer frente al importante incremento en tamaño y complejidad que han experimentado las redes de comunicaciones móviles en los últimos años. El número de usuarios es cada vez mayor y los servicios requieren gran cantidad de recursos y altas tasas de transmisión por lo que la gestión de estas redes se está convirtiendo en una tarea cada vez más compleja. Además, cuando las redes de quinta generación (5G) se implanten, la complejidad y el coste asociado a estas nuevas redes será todavía mayor. En este contexto, las funciones SON resultan imprescindibles para llevar a cabo la gestión de estas redes tan complejas. El objetivo de SON es definir un conjunto de funcionalidades que permitan automatizar la gestión de las redes móviles. Mediante la automatización de las tareas de gestión y optimización es posible reducir los gastos de operación y capital (OPEX y CAPEX). Las funciones SON se clasifican en tres grupos: Auto- Configuración, Auto-Optimización y Auto-Curación. Las funciones de Auto-Configuración tienen como objetivo la definición de los distintos parámetros de configuración durante la fase de planificación de una red o después de la introducción de un nuevo elemento en una red ya desplegada. Las funciones de Auto-Optimización pretenden modificar los parámetros de configuración de una red para maximizar el rendimiento de la misma y adaptarse a distintos escenarios. Las funciones de Auto- Curación tienen como objetivo detectar y diagnosticar posibles fallos en la red que afecten al funcionamiento de la misma de manera automática. Cuando un fallo es detectado en una celda este puede ser recuperado (función de recuperación) o compensado (función de compensación). Uno de los principales desafíos relacionado con las funciones SON es el desarrollo de métodos eficientes para la automatización de las tareas de optimización y mantenimiento de una red móvil. En este sentido, la comunidad científica ha centrado su interés en la definición de métodos de Auto-Configuración y Auto-Optimización siendo las funciones de Auto-Curación las menos exploradas. Por esta razón, no es fácil encontrar algoritmos de detección y compensación realmente eficientes. Muchos estudios presentan métodos de detección y compensación que producen buenos resultados pero a costa de una gran complejidad. Además, en muchos casos, los algoritmos de detección y compensación se presentan como solución general para distintos tipos de fallo lo que hace que disminuya la efectividad. Por otro lado, la investigación ha estado tradicionalmente enfocada a la búsqueda de soluciones SON basadas en modelos analíticos o simulados. Sin embargo, el principal desafío ahora está relacionado con la explotación de datos reales disponibles con el objetivo de crear una base del conocimiento útil que maximice el funcionamiento de las actuales soluciones SON. Esto es especialmente interesante en el área de las funciones de Auto-Curación. En este contexto, la disponibilidad de un histórico de datos es crucial para entender cómo funciona la red en condiciones normales o cuando se producen fallos y como estos fallos afectan a la calidad de servicio experimentada por los usuarios. El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de algoritmos eficientes de detección y compensación de fallos en redes móviles. En primer lugar, se propone un método de detección de celdas caídas basado en estadísticas de traspasos. Una de las principales características de este algoritmo es que su simplicidad permite detectar celdas caídas en cualquier red inmediatamente después de acceder a los indicadores de funcionamiento de la misma. En segundo lugar, una parte importante de la tesis está centrada en la función de compensación. Por un lado, se propone una novedosa metodología de compensación de celdas caídas. Este nuevo método permite adaptar la compensación a la degradación específica provocada por la celda caída. Una vez que se detecta un problema de celda caída, se realiza un análisis de la degradación producida por este fallo en las celdas vecinas. A continuación, diferentes algoritmos de compensación se aplican a las distintas celdas vecinas en función del tipo de degradación detectado. En esta tesis se ha llevado a cabo un estudio de esta fase de análisis utilizando datos de una red real actualmente en uso. Por otro lado, en esta tesis también se propone un método de compensación que considera un fallo diferente al de celda caída. En concreto, se propone un método de compensación para un fallo de cobertura débil basado en modificaciones del margen de traspaso. Por último, aunque es interesante evaluar los métodos propuestos en redes reales, no siempre es posible. Los operadores suelen ser reacios a probar métodos que impliquen cambios en los parámetros de configuración de los elementos de la red. Por esta razón, una parte de esta tesis ha estado centrada en la implementación de un simulador dinámico de nivel de sistema que permita la evaluación de los métodos propuestos