上海貝爾lightRadio無(wú)線產(chǎn)品方案

李 頌（上海貝爾股份有限公司，上海 201012）

0 前言

移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)正在面臨的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是：雙核、CPU主頻、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等智能終端的核心部件正在朝著更高、更快、更強(qiáng)的目標(biāo)發(fā)展，與此帶來(lái)的就是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量激增，人們?cè)絹?lái)越習(xí)慣在手持終端上體驗(yàn)原來(lái)在PC上的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，而業(yè)務(wù)和內(nèi)容提供商也不斷投其所好，數(shù)以億計(jì)的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如雨后春筍般蔓延，現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)架越來(lái)越不能滿足最終用戶對(duì)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的要求。這種情況導(dǎo)致變革勢(shì)在必行。2011年2月阿爾卡特朗訊宣布推出LightRadio產(chǎn)品系列。這一來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室的原創(chuàng)技術(shù)，可有效解決運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)流量激增的難題，同時(shí)顯著降低網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)復(fù)雜性、能源消耗及其他運(yùn)營(yíng)成本，該系統(tǒng)將能替代現(xiàn)有基站與大規(guī)模蜂窩站塔，縮減基站數(shù)量并簡(jiǎn)化基站建設(shè)。這一技術(shù)的公開(kāi)發(fā)布，表明了阿爾卡特朗訊在技術(shù)上已經(jīng)取得重大突破，并將顛覆性地改變未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和建設(shè)模式。

1 市場(chǎng)需求

過(guò)去幾年是智能終端爆發(fā)式增長(zhǎng)期，隨著芯片技術(shù)突破和寬屏成本不斷下滑，平板電腦和智能多媒體手機(jī)異軍突起。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的良好適配也使這些終端產(chǎn)生了大量移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求。圖1預(yù)測(cè)了未來(lái)5年不同終端對(duì)數(shù)據(jù)流量的消耗。

圖1 無(wú)線終端網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量預(yù)測(cè)

另一方面根據(jù)摩爾定律，終端持續(xù)升級(jí)，業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)商不斷推出全新業(yè)務(wù)以適配終端能力，而新業(yè)務(wù)又帶來(lái)了更好的用戶體驗(yàn)，增加了業(yè)務(wù)使用率和使用時(shí)間，并推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)不斷演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)性能升級(jí)，又為終端性能提升帶來(lái)了需求空間，形成了一個(gè)封閉反饋的需求驅(qū)動(dòng)環(huán)路。只要業(yè)務(wù)收入增長(zhǎng)能夠彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和升級(jí)費(fèi)用，這個(gè)環(huán)路將一直循環(huán)往復(fù)。然而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和部署方式并不能有效支撐該模式。新頻段拍賣、載頻擴(kuò)容、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)，特別是激增的射頻單元和天饋系統(tǒng)使建網(wǎng)成本急劇增加，使循環(huán)難以繼續(xù)。具體而言，以下幾個(gè)方面原因阻撓了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和諧發(fā)展。

a）站址的稀缺性導(dǎo)致建網(wǎng)成本高企。對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商而言，設(shè)備采購(gòu)只占總成本的很小部分。在中國(guó)，站址租用和施工成本大約是設(shè)備采購(gòu)成本的3倍。傳統(tǒng)架構(gòu)的無(wú)線設(shè)備，巨大的天線令人畏之如虎，使站址選擇極為困難，且費(fèi)用高昂，在成本壓力下的運(yùn)營(yíng)商難以確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

b）無(wú)線數(shù)據(jù)流量時(shí)間維度的巨大差異導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商處于如何同時(shí)降低成本和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的兩難境地。不同場(chǎng)所，不同時(shí)間，無(wú)線數(shù)據(jù)流量會(huì)有很大不同；主城區(qū)存在明顯的話務(wù)潮汐效應(yīng)。在現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，帶寬資源不能夠集中共用，為單個(gè)基站所獨(dú)享。運(yùn)營(yíng)商要滿足所有流量需求，必須提供極大的冗余帶寬，這會(huì)極大地增加運(yùn)營(yíng)商的建設(shè)成本，如只提供較少帶寬，又會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差，不利于保持或提高客戶滿意度。

c）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)基站的需求遠(yuǎn)大于流量增加所帶來(lái)的利潤(rùn)增益。按照現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，2013年，運(yùn)營(yíng)商將陷入收支不平衡的窘境。如網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架不變，運(yùn)營(yíng)商要滿足日益增長(zhǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)需求，需要大大增加無(wú)線基站數(shù)量，這將導(dǎo)致成本直線上升，最終入不敷出。

上述3個(gè)問(wèn)題，其核心要點(diǎn)就是覆蓋和容量。覆蓋主要由站址密度和頻譜資源所決定，當(dāng)然天線配置和采用何種無(wú)線技術(shù)也扮演了極其重要的角色。同樣站址密度和天線配置也影響了網(wǎng)絡(luò)容量，而無(wú)線技術(shù)即頻譜利用效率也對(duì)容量起了決定性的作用。lightRadio正是通過(guò)革命性的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架創(chuàng)新對(duì)以上5個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)并滿足業(yè)務(wù)循環(huán)驅(qū)動(dòng)的要求。這些優(yōu)化包括傳輸、站址租賃、基礎(chǔ)建設(shè)、設(shè)備、能耗和運(yùn)維成本。圖2示出了每個(gè)單項(xiàng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本中所占的比例。

圖2 基站建設(shè)成本

2 lightRadio方案價(jià)值

lightRadio能夠在5個(gè)維度幫助移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商持續(xù)不斷地提升網(wǎng)絡(luò)性能并改善用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。圖3示出了lightRadio的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

圖3 lightRadio網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

其中最基礎(chǔ)的無(wú)線基站構(gòu)架——傳統(tǒng)宏基站和城市站（metro cell）采用了3種不同的基帶處理配置，即融合小型化（基帶處理和射頻前端融為一體），傳統(tǒng)基帶和射頻分離以及集中化、云構(gòu)架的基帶池。lightRadio在天線、射頻、基帶處理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器和網(wǎng)絡(luò)管理等5個(gè)領(lǐng)域完成了技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)5個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同配合帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋和性能上的巨大提升。

2.1 平滑的網(wǎng)絡(luò)融合

增加容量的最佳方案無(wú)疑是增加載頻或增加每載頻的頻寬。對(duì)于原有頻段，擴(kuò)容是最為經(jīng)濟(jì)的方案。然而對(duì)于新頻段，由于天饋、射頻和基帶處理單元都需要重建，因此采用頻譜利用率更高的技術(shù)成為不二選擇。終端和用戶從一種技術(shù)向另一種技術(shù)遷移需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程，因此提供一種融合方案來(lái)兼顧現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的平滑過(guò)渡，無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的方案。lightRadio就提供了這種從天線、基帶處理直至控制器網(wǎng)元的多網(wǎng)絡(luò)融合能力。

基于SoC構(gòu)架的全新的基帶處理單元，將以前離散的不同無(wú)線技術(shù)板卡集成到一個(gè)低成本、高性能的處理芯片上，并能夠通過(guò)遠(yuǎn)端程序控制和下載來(lái)支持不同的無(wú)線技術(shù)（包括2G，3G、LTE等）。運(yùn)營(yíng)商能夠通過(guò)在基帶處理板卡上插入更多的SoC芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，同時(shí)還可以根據(jù)用戶網(wǎng)絡(luò)遷移狀況通過(guò)遠(yuǎn)程程序下載調(diào)節(jié)不同網(wǎng)絡(luò)之間的基帶處理能力。隨著負(fù)擔(dān)均衡和處理池功能的引入，所有基帶處理能力在不同網(wǎng)絡(luò)之間的調(diào)配都將動(dòng)態(tài)完成。與此相對(duì)應(yīng)，寬帶自適應(yīng)有源天線也支持不同頻段和技術(shù)之間的融合切換。和傳統(tǒng)方案不同的是，新技術(shù)和頻段的使用不需要額外的天饋和射頻單元，這也為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來(lái)便利。

2.2 優(yōu)化基站容量

增加新載頻無(wú)疑是提升小區(qū)容量的最佳方案。然而在主城區(qū)，原有小區(qū)載頻數(shù)量已經(jīng)達(dá)到頻譜資源上限，很難進(jìn)行有效擴(kuò)容，而站址租賃和新頻譜資源拍賣的高昂成本讓人難以承受。因此需要部署更小的宏站和城市站 （Metro cell）來(lái)提升站址密度以增加網(wǎng)絡(luò)容量。

由于傳統(tǒng)的宏基站需要機(jī)房空間來(lái)放置機(jī)架，因此對(duì)于主城區(qū)而言很難找到合適的站址空間，所以只有2種方法可供選擇。

a）采用分布式構(gòu)架，將無(wú)線射頻遠(yuǎn)端通過(guò)光纖連接到集中式基帶處理單元。

b）將所有基帶處理單元集成到單一的多標(biāo)準(zhǔn)支持的寬帶有源天線中。

這2種方案可互為補(bǔ)充。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)基帶射頻的傳輸帶寬、需求模型和建設(shè)成本進(jìn)行選擇。lightRadio可對(duì)以上2種模式提供支持。對(duì)于光纖資源豐富區(qū)域，采用集中式基帶處理模式，通過(guò)光纖連接到不同RRH，這能夠有效抗拒話務(wù)潮汐效應(yīng)。使網(wǎng)絡(luò)資源利用效率最大化。當(dāng)然前端也需要采用支持多模的RRH和天饋設(shè)備，使對(duì)于基建的要求降為最低。lightRadio系列產(chǎn)品除了寬帶有源天線陣列外，還提供了多模RRH來(lái)滿足建網(wǎng)需求。對(duì)于傳輸資源受限地點(diǎn)，比如熱點(diǎn)高話務(wù)負(fù)荷區(qū)域，可以采用基帶處理和天線集成設(shè)備，僅僅通過(guò)以太網(wǎng)/IP實(shí)現(xiàn)基站回傳。阿爾卡特朗訊的lightRadio城市站專為此設(shè)計(jì)。將基于SoC的基帶處理芯片整合到寬帶有源天線陣列（Cube）中，實(shí)現(xiàn)任意擺放，完全省去對(duì)站址空間需求，同時(shí)采用以太網(wǎng)或PON+LAN的形式回傳。

2.3 優(yōu)化的技術(shù)演進(jìn)模式

新技術(shù)引入會(huì)帶來(lái)全新的頻譜資源，更高的網(wǎng)絡(luò)容量和新的網(wǎng)絡(luò)功能，比如CoMP、ICIC等。阿爾卡特朗訊的lightRadio在設(shè)計(jì)伊始就支持現(xiàn)在和可預(yù)期的未來(lái)無(wú)線技術(shù)?；鶐幚韱卧ㄟ^(guò)動(dòng)態(tài)程式控制來(lái)支持3G、LTE及其演進(jìn)技術(shù)，因此運(yùn)營(yíng)商可以很輕易地根據(jù)終端發(fā)展和用戶遷移模式從100%的3G網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)到100%的LTE網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需對(duì)硬件作任何變化。同時(shí)由于采用了基于SoC和基帶處理芯片設(shè)計(jì)，無(wú)論是位于遠(yuǎn)端站還是處于集中式基帶池，都能基于云的構(gòu)架實(shí)現(xiàn)資源協(xié)同處理。此外，阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)SON技術(shù)進(jìn)行了突破延伸，該自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將不再僅僅應(yīng)用于無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，而是包括分組核心、IP承載和其他公開(kāi)頻段無(wú)線技術(shù)（如Wi-Fi）的整個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上創(chuàng)建了一個(gè)稱之為 “無(wú)線IP智能”的全新邏輯層面。該端到端的優(yōu)化能力，能夠幫助運(yùn)營(yíng)商自動(dòng)協(xié)調(diào)全網(wǎng)資源，以最優(yōu)成本滿足用戶需求。

2.4 頻譜資源利用最大化

新頻段和老頻段存在不同的無(wú)線鏈路損耗，以2.6G LTE網(wǎng)絡(luò)為例，其小區(qū)半徑僅僅是900M小區(qū)半徑的1/3。因此高頻段無(wú)線技術(shù)在共站過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生覆蓋空洞，而業(yè)務(wù)在漫游過(guò)程中也會(huì)大量發(fā)生降級(jí)，影響用戶體驗(yàn)。為了解決這一問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商大量采用4路甚至是8路接收分級(jí)來(lái)彌補(bǔ)鏈路預(yù)算差距。而這帶來(lái)的問(wèn)題是“鐵塔將天線臃腫”。由于2G、3G和LTE工作在不同頻段，因此鐵塔上將分別需要不同的天饋系統(tǒng)和射頻單元，無(wú)論是4路或8路接收分級(jí)，還是可預(yù)見(jiàn)的4×4 MIMO技術(shù)，將徹底摧垮現(xiàn)有的鐵塔天線布局。為此阿爾卡特朗訊開(kāi)發(fā)了多頻段RRH，可以同時(shí)支持所有無(wú)線技術(shù)所涉及的頻段，如和雙頻天線對(duì)應(yīng)使用，將大大降低鐵塔的天饋和射頻單元數(shù)量。使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和新頻譜資源利用成為可能。

2.5 優(yōu)化的天線功能

全新的天線功能（如MIMO技術(shù)）主要用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量。阿爾卡特朗訊將射頻單元和天線技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造出智能有源天線陣列，能獲得MIMO增益和波束賦型能力，使無(wú)線發(fā)射功率能夠根據(jù)小區(qū)負(fù)荷和業(yè)務(wù)流量的改變動(dòng)態(tài)地直接鎖定所需用戶。其核心就是Cube（無(wú)線魔方），它是一個(gè)6 cm×6 cm×4.5 cm的立方體，集成了天線、饋線和射頻單元，并且支持2G、3G、LTE多標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)融合。

從圖4可以看到，Cube由天線振子、雙工器和功放等部件構(gòu)成。單個(gè)Cube的工作頻寬是20 MHz，可工作在700 MHz~2.6 GHz。最大發(fā)射功率為5 W。多個(gè)Cube的組合就構(gòu)成了寬帶有源天線陣列，圖4中示出了一個(gè)8×2的有源天線陣列的組成。通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)疊加，其等效發(fā)射功率為40 W，同時(shí)支持2×20 MHz的工作帶寬，并可以工作在2個(gè)不同頻段上。通過(guò)垂直波束賦型，其能夠提升30%的網(wǎng)絡(luò)容量，并用最少功耗完成最大網(wǎng)絡(luò)覆蓋。此外由于每個(gè)Cube單元是完全獨(dú)立，因此當(dāng)部分Cube發(fā)生故障時(shí)，其能夠自動(dòng)重新配置天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。由于所有的有源天線陣列都通過(guò)CPRI接口連接到集中式基帶處理，因此鄰小區(qū)完全可以使用ICIC技術(shù)來(lái)大幅提升信噪比。

除了以上幾點(diǎn)外，lightRadio還在CPRI接口的傳輸速率需求上實(shí)現(xiàn)了突破，通過(guò)貝爾實(shí)驗(yàn)室原創(chuàng)的I/Q壓縮算法可以將系統(tǒng)對(duì)CPRI接口的傳輸速率節(jié)省2/3，為多種承載技術(shù)應(yīng)用提供可能。舉例而言，采用4×4 MIMO技術(shù)的10 MHz帶寬LTE小區(qū)，原CPRI傳輸速率需要1.843 Gbit/s，采用lightRadio的I/Q壓縮算法后僅僅需要680 Mbit/s，完全能夠在傳統(tǒng)的G比特傳送網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，比如PON。與傳統(tǒng)裸纖建設(shè)模式相比，這將大大降低對(duì)光纖資源的消耗，使基站部署更為靈活。

圖4 Cube和有源天線陣列示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

阿爾卡特朗訊全新的lightRadio產(chǎn)品系列完全針對(duì)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所面臨的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)顛覆性的原創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在5個(gè)維度上優(yōu)化未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)射頻單元靈活組合和可編程控制的網(wǎng)元設(shè)備幫助移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商持續(xù)降低整體網(wǎng)絡(luò)擁有成本，并適應(yīng)業(yè)務(wù)和流量負(fù)荷的不斷變化。一個(gè)基于云的，支持自適應(yīng)、多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)的革命性的lightRadio無(wú)線產(chǎn)品系列終將協(xié)助運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)終極夢(mèng)想。