C-RAN讓無(wú)線接入網(wǎng)綠色演進(jìn)

　 傳統(tǒng)架構(gòu)的無(wú)線接入網(wǎng)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代面臨著降低成本、提高性能和節(jié)能減排的挑戰(zhàn)，因此，必須引入新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以適應(yīng)新的環(huán)境，找到一條高性能、低費(fèi)用的綠色無(wú)線接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法。

　　 當(dāng)今，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商正面臨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，用于建設(shè)、升級(jí)無(wú)線接入網(wǎng)的支出不斷增加，與此同時(shí)，運(yùn)營(yíng)龐大的基站數(shù)量，意味著高額的運(yùn)維支出(能源消耗、人工維護(hù)等)。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)逐漸興起，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量迅速上升，另外，隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇，單用戶的ARPU值增長(zhǎng)緩慢，世界上很多運(yùn)營(yíng)商的ARPU還在不斷下降，這些因素都將嚴(yán)重地影響移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的盈利能力。

　　 為了保持持續(xù)盈利和長(zhǎng)期增長(zhǎng)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商必須追求低成本，為用戶提供服務(wù)無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商賴(lài)以生存的重要手段，通過(guò)無(wú)線接入網(wǎng)可以向用戶提供7×24小時(shí)不間斷、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。傳統(tǒng)的無(wú)線接入網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：第一，每個(gè)基站連接若干固定數(shù)量的扇區(qū)天線，并覆蓋小片區(qū)域，每個(gè)基站只能處理本小區(qū)收發(fā)信號(hào)；第二，系統(tǒng)容量是干擾受限的，各個(gè)基站獨(dú)立工作已經(jīng)很難增加頻譜效率；第三，基站通常都是基于專(zhuān)有平臺(tái)開(kāi)發(fā)的“垂直解決方案”。這些特點(diǎn)導(dǎo)致如下問(wèn)題：數(shù)量巨大的基站意味著高額的建設(shè)投資、配套、電力消耗、站址租賃以及維護(hù)費(fèi)用，建設(shè)新的站點(diǎn)意味著更多的資本開(kāi)支和運(yùn)營(yíng)開(kāi)支。此外，現(xiàn)有基站的實(shí)際利用率還有待提高，網(wǎng)絡(luò)的平均負(fù)載一般來(lái)說(shuō)大大低于忙時(shí)負(fù)載，而不同的基站之間不能共享處理能力，也很難進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。最后，專(zhuān)有的平臺(tái)意味著移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要維護(hù)多個(gè)不兼容的平臺(tái)，需要不同的人員來(lái)維護(hù)。

　　 總而言之，傳統(tǒng)架構(gòu)的無(wú)線接入網(wǎng)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代面臨著降低成本、提高性能和節(jié)能減排的挑戰(zhàn)，因此，無(wú)線接入網(wǎng)必須重新考慮新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以適應(yīng)新的環(huán)境，找到一條可以建立適合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高性能、低費(fèi)用的綠色無(wú)線接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法。

　　 4C：C-RAN的“標(biāo)簽”

　　 面向上述諸多挑戰(zhàn)，運(yùn)營(yíng)商需要新的無(wú)線接入網(wǎng)演進(jìn)方案來(lái)提升移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代自身的競(jìng)爭(zhēng)力，為此中國(guó)移動(dòng)提出融合4C特點(diǎn)的綠色無(wú)線接入網(wǎng)。所謂4C，即Clean(節(jié)能減排)、Centralized(集中處理)、Cooperative(協(xié)作式無(wú)線電)和Cloud(利用了云計(jì)算能力的軟硬件平臺(tái))，所以我們稱(chēng)該方案為C-RAN。

　　 如圖所示，C-RAN主要包括三部分：由遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元和天線組成的分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；由高帶寬低延遲的光纖或光傳輸網(wǎng)連接遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元；由高性能低功耗處理器和實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)組成的集中式基帶處理池。分布式的遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元提供了一個(gè)高容量、廣覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。由于這些單元靈巧輕便，便于安裝維護(hù)，它們的CAPEX和OPEX很低，因此可以大范圍高密度地使用。高帶寬低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)需要將所有的基帶處理單元和遠(yuǎn)端射頻單元之間連接起來(lái)?；鶐С赜赏ㄓ酶咝阅芴幚砥鳂?gòu)成，通過(guò)實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)連接在一起，集合成異常強(qiáng)大的處理能力，為每個(gè)虛擬基站提供所需的處理性能需求。集中式的基帶處理大大減少了需要的基站機(jī)房需求，并使資源聚合和大范圍協(xié)作式無(wú)線收發(fā)技術(shù)成為可能。

　　 優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)并存

　　 C-RAN的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：1)降低能耗：通過(guò)集中化的方式可以極大減少基站機(jī)房數(shù)量，減少配套設(shè)備特別是空調(diào)的能耗。2)節(jié)約CAPEX和OPEX成本，在C-RAN架構(gòu)中，基帶處理單元的站址將可以少一個(gè)到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。集中式的基帶池和相關(guān)輔助設(shè)備可以集中放置在一些骨干中心機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行管理，簡(jiǎn)化運(yùn)營(yíng)管理。3)提高網(wǎng)絡(luò)容量，在C-RAN中，虛擬基站可以在基帶池中共享信息。這使得聯(lián)合處理和調(diào)度得以實(shí)現(xiàn)，小區(qū)間的干擾也變廢為寶，從而可以顯著提高頻譜使用效率。4)基于負(fù)載的自適應(yīng)資源分配，通過(guò)所有虛擬基站共享一個(gè)基帶池，基帶池中的處理資源可以動(dòng)態(tài)調(diào)度以處理不同的RRH的基帶信號(hào)，更適應(yīng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中的潮汐效應(yīng)，使得基帶處理資源得到了最優(yōu)利用。5)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的智能減負(fù)，智能終端和其他移動(dòng)通信設(shè)備產(chǎn)生的大量互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)被轉(zhuǎn)移出核心網(wǎng)，從而傳輸網(wǎng)與核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)負(fù)載和相應(yīng)的成本開(kāi)銷(xiāo)將會(huì)降低，更短路由距離也為用戶帶來(lái)了更好的服務(wù)體驗(yàn)。

　 　C-RAN構(gòu)架在系統(tǒng)費(fèi)用、容量和靈活性等方面都顯示著傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。但是，它同時(shí)也帶來(lái)一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。在運(yùn)營(yíng)商能夠?qū)嶋H部署之前，這些技術(shù)挑戰(zhàn)需要得以解決：

　　 低成本光網(wǎng)絡(luò)傳輸無(wú)線信號(hào)

　　 連接基帶處理模塊和遠(yuǎn)端無(wú)線模塊的光纖必須能夠承載大量的實(shí)時(shí)基帶采樣信號(hào)。由于LTE/LTE-A系統(tǒng)的帶寬比較寬，加上多天線技術(shù)的普遍應(yīng)用，傳輸多個(gè)遠(yuǎn)端天線模塊的無(wú)線信號(hào)所需的光傳輸鏈接帶寬可達(dá)到10Gbps。

　　 先進(jìn)的協(xié)作發(fā)射/接收技術(shù)

　　 協(xié)作處理技術(shù)是達(dá)到更高頻譜效率的關(guān)鍵。為了抑制蜂窩系統(tǒng)中的小區(qū)間干擾，協(xié)作式多點(diǎn)處理技術(shù)必須使用空間信道信息來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同物理位置上的天線的協(xié)作。這一技術(shù)仍然有待開(kāi)發(fā)。無(wú)線資源的聯(lián)合調(diào)度對(duì)于減少干擾和增加容量是必要的。

　　 為了支持上述的協(xié)作式多點(diǎn)處理技術(shù)，用戶數(shù)據(jù)和上行/下行信道信息都需要在多個(gè)(虛擬)基站之間共享。虛擬基站之間的接口必須能夠支持高帶寬，低延遲的傳輸以保證實(shí)時(shí)的協(xié)作處理。在這一接口上傳輸?shù)男畔ㄒ韵碌囊环N或者幾種：終端用戶數(shù)據(jù)包，終端信道反饋信息，虛擬基站的調(diào)度信息，等等。因此，虛擬基站之間的這一接口必須在考慮傳輸延時(shí)和開(kāi)銷(xiāo)的情況下，滿足實(shí)時(shí)協(xié)作處理的需求。

　 　基站虛擬化技術(shù)

　　 當(dāng)處理單元被集中在基帶池以后，如何設(shè)計(jì)虛擬化技術(shù)以支持分配或者組合這些處理資源給虛擬基站就成為關(guān)鍵。這些虛擬基站是真正處理各個(gè)活動(dòng)用戶的無(wú)線信號(hào)的邏輯實(shí)體。

　　 基站虛擬化技術(shù)的主要挑戰(zhàn)包括：實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法如何在基帶處理池中實(shí)現(xiàn)；如何動(dòng)態(tài)地管理處理單元以適應(yīng)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等。

　　 服務(wù)面向邊緣化

　　 和集中在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)提供模式不同，服務(wù)可以在無(wú)線接入網(wǎng)的邊緣提供，這將帶來(lái)一些獨(dú)特的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在后續(xù)的研究框架中，我們把這些技術(shù)挑戰(zhàn)分為三類(lèi)：服務(wù)如何和無(wú)線接入網(wǎng)集成；分布式服務(wù)網(wǎng)的智能處理；分布式服務(wù)的部署和管理問(wèn)題。

　　 C-RAN的目標(biāo)不是取代現(xiàn)有的3G/B3G標(biāo)準(zhǔn)，它是一個(gè)從長(zhǎng)期角度出發(fā)，為運(yùn)營(yíng)商提供一個(gè)低成本高性能的綠色網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在未來(lái)可以讓用戶以很低的價(jià)格就可以享受豐富的無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)。此外，實(shí)際環(huán)境千差萬(wàn)別，部署的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在各種形態(tài)，比如當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的宏蜂窩基站、微蜂窩基站、微微蜂窩基站、室內(nèi)分布系統(tǒng)、直放站，以及新出現(xiàn)的中繼站、Femto基站。不同的基站類(lèi)型有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適應(yīng)不同的部署條件。C-RAN的目標(biāo)是適應(yīng)主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署需求，包括宏蜂窩基站、微蜂窩基站、微微蜂窩基站以及室內(nèi)分布系統(tǒng)。同時(shí)，其他一些有益的基站類(lèi)型也可作為C-RAN部署的補(bǔ)充。