基于C-RAN的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

付泓 楊福波 高秀娥

摘要：無線接入網(wǎng)（RAN）是移動運營商賴以生存的重要資產(chǎn)，是給客戶帶來實時通訊的基礎(chǔ)設(shè)施。然而，當(dāng)前的無線接入網(wǎng)（RAN）架構(gòu)正面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，眾多問題亟待移動運營商來解決?；诖?，提出了基于C-RAN的新型無線接入網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)將有助于降低移動互聯(lián)網(wǎng)的能耗、建設(shè)和運維成本，提高頻譜資源利用率，實現(xiàn)運營商的可持續(xù)的業(yè)務(wù)和利潤增長。

關(guān)鍵詞: C-RAN；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；運營商；移動互聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)07-1518-03

C-RAN-Based Analysis for Architecture of Wireless Network

FU Hong1,YANG Fu-bo2,GAO Xiu-e3

(1. ZTE CORPORATION, Shanghai 200000, China; 2.Junji Intellective Technology Corporation, Shanghai 200000, China; 3. Dalian University Information Engineering College, Dalian 116622, China)

Abstract: Radio Access Network (RAN) is the survival of an important asset of the mobile operators give customers real-time communications infrastructure. However, the current radio access network (RAN) architecture is facing increasing challenges, many issues that must be the mobile operators. Based on this, based on the C-RANs new radio access network architecture that will help reduce the energy consumption of the mobile Internet, construction, and operation and maintenance costs, improve the utilization of spectrum resources to achieve sustainable business operators and profit growth.

Key words：C-RAN; network architecture; operators; mobile network; network construction

目前傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)高額的資本和運營支出會使得移動運營商在移動互聯(lián)網(wǎng)市場上逐漸失去競爭力，無線接入網(wǎng)(RAN)必須重新考慮新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以適應(yīng)未來的競爭環(huán)境。為了解決這些挑戰(zhàn)并追求未來可持續(xù)的增長，迫切需要建立新的無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備的利用率、降低配套設(shè)備和機房能耗；提升多制式下的設(shè)備硬件資源共享能力和動態(tài)按需配置分配能力。基于此，提出了基于C-RAN的新型無線接入網(wǎng)架構(gòu)[1]，深入探討C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合優(yōu)勢，提出了C-RAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實施方案。C-RAN整體技術(shù)的成熟和早日應(yīng)用，必將實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)時代低成本、高性能、且綠色節(jié)能的移動通信。

1現(xiàn)有無線接入網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

如今，移動運營商正面臨著來自于外部和內(nèi)部兩方面的雙重壓力。外部壓力主要體現(xiàn)為競爭對手通過資費優(yōu)惠等促銷手段對市場客戶的肆意掠奪和單用戶的ARPU值增長十分緩慢兩個方面。內(nèi)部壓力主要是隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的流量的迅速上升，無線接入網(wǎng)絡(luò)整體的TCO（Total cost of ownership）不斷增加，主要體現(xiàn)在以下方面[2]。

1.1高額能耗

寬帶業(yè)務(wù)需求的日益增長迫使運營商不斷對基站進(jìn)行擴容，不斷對基站配套設(shè)備進(jìn)行擴容，這將導(dǎo)致無線接入網(wǎng)絡(luò)的能源消耗問題變得日益嚴(yán)重。以中國市場為例，在過去5年期間，中國移動的基站數(shù)量幾乎增加了一倍，能耗也相應(yīng)成倍增加。因此，如何在不減少網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的前提下降低能耗，成為全球各個運營商關(guān)注的重點。盡管采用載頻關(guān)斷技術(shù)和動態(tài)調(diào)壓等先進(jìn)的技術(shù)可以減少基站設(shè)備的能耗，這些方法無法從根本上解決因為基站數(shù)量劇增帶來的能耗增加的問題。

1.2多制式多標(biāo)準(zhǔn)并存

因為大量傳統(tǒng)終端客戶的持續(xù)存在，不同通信標(biāo)準(zhǔn)的多制式多頻段的網(wǎng)絡(luò)需要長期共存以便滿足該需求，如表1所示。從表1可知，全球大多數(shù)主流運營商都同時擁有幾個不同的通信標(biāo)準(zhǔn)。在多制式多標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)下運營，如何降低CAPEX和OPEX更是運營商所要重要解決的問題[3]。

表1運營商多制式運營情況

1.3基站利用率不高

在無線網(wǎng)絡(luò)中用戶處于時刻運動狀態(tài)中，通過實際網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計觀察發(fā)現(xiàn)，用戶的移動性具有很強的時間規(guī)律。白天從住處移動到辦公室，下班后從辦公區(qū)返回到住處，因此無線網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)負(fù)荷呈現(xiàn)隨時間而遷徙變化的現(xiàn)象（稱之為“潮汐效應(yīng)”）。而在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，對于每個基站的硬件設(shè)備配置只能按照處理其服務(wù)小區(qū)內(nèi)的最大用戶數(shù)的能力來配置，即便小區(qū)內(nèi)的用戶離開時，也只能是處于浪費狀態(tài)。現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對此束手無策。

從以上分析可以看出，現(xiàn)有無線接入網(wǎng)難以應(yīng)對上述技術(shù)挑戰(zhàn)，因此迫切需要建立新的無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升主設(shè)備的利用率、降低配套設(shè)備和機房能耗；提升多制式下的設(shè)備硬件資源共享能力和動態(tài)按需配置分配能力。

2基于C-RAN的無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

C-RAN網(wǎng)絡(luò)融合了集中化處理(Centralized Processing)，協(xié)作式無線電(Collaborative Radio)和實時云計算構(gòu)架(Real-time Cloud Infrastructure)的基礎(chǔ)設(shè)施，其主要包括三個組成部分：分布式協(xié)作式無線電網(wǎng)絡(luò)（遠(yuǎn)端無線射頻單元RRU和天線組成）；高帶寬低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)（連接遠(yuǎn)端無線射頻單元）；基于實時云構(gòu)架的基帶處理池（由高性能通用處理器和實時虛擬技術(shù)組成），具體架構(gòu)如圖1所示[4]。

首先，最大挑戰(zhàn)是光纖傳輸資源[5]。解決這一問題，需要鋪設(shè)更多的光纖，并采用創(chuàng)新的波分傳輸技術(shù)。比如，對于TD-LTE，由于系統(tǒng)的帶寬最大可達(dá)20MHz，加上多天線技術(shù)的應(yīng)用，傳輸TD-LTE無線信號所需的光傳輸鏈接速率需要達(dá)到10Gbps，這對光纖資源提出了更大的挑戰(zhàn)。中國移動研究院和合作廠家正在探討波分技術(shù)及其他方案，以降低對資源的過高要求。同時，在很多城市的建成市區(qū)，增加新的管道、光纖資源是比較困難的。各家運營商在不同地區(qū)的管道和光纖資源不一樣。如果政府和相關(guān)主管部門能夠支持運營商大量部署光纖，并更好地利用既有的運營商、廣電、市政的管道、光纖資源共建共享，加上在光纖上采用波分傳輸技術(shù)，可以大大提高光纖傳輸?shù)娜萘?，有助于C-RAN技術(shù)早日規(guī)模應(yīng)用。

圖1基于C-RAN的無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其次，C-RAN的集中化試驗成功，僅完成了C-RAN整體概念中“集中化”、“協(xié)作化”、“云計算化(虛擬化)”的第一步。C-RAN的“協(xié)作化”，在GSM/TD-S系統(tǒng)中，可以在不改變現(xiàn)有GSM/TD-SCDMA空中接口的條件下，引入?yún)f(xié)作調(diào)度，干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)，可降低GSM/TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)的干擾，提高系統(tǒng)性能。在TD-LTE系統(tǒng)中則可應(yīng)用同頻協(xié)作發(fā)射/接收技術(shù)(CoMP)，降低同頻干擾，改善小區(qū)邊緣覆蓋，可根本改變目前網(wǎng)絡(luò)容量受限于干擾的現(xiàn)狀。中國移動研究院正在按照計劃有序推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，在TD-LTE-A中引入該技術(shù)，并積極將方案輸出到3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織中，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)界技術(shù)方案的成熟。

C-RAN的“云計算化(虛擬化)”可以看做在“載波調(diào)度”技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步擴展，即借鑒云計算技術(shù)，實現(xiàn)基站處理資源的聚合和虛擬化，是目前最具有挑戰(zhàn)性的C-RAN新技術(shù)。云計算技術(shù)發(fā)端于IT產(chǎn)業(yè)，通過將大量標(biāo)準(zhǔn)的計算資源聚合成資源池，通過虛擬化提供給不同的用戶按需使用。C-RAN借鑒這一概念，通過將標(biāo)準(zhǔn)化的小容量的BBU聚合成大容量的BBU基帶池，然后將集中的BBU基帶資源池資源統(tǒng)一調(diào)度，通過虛擬化技術(shù)提供給不同的基站按需使用。這將大大提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性、并更好地應(yīng)對潮汐效應(yīng)，提高能源效率。這是一個很有挑戰(zhàn)性的研究方向，需要結(jié)合無線信號實時處理技術(shù)，云計算技術(shù)及虛擬化技術(shù)。無論是對現(xiàn)有GSM/TD-S設(shè)備的升級，還是未來TD-LTE/TD-LTE-A協(xié)作化、虛擬化技術(shù)的研究和實現(xiàn)，都需要產(chǎn)業(yè)界更多的積極努力，促進(jìn)C-RAN整體技術(shù)的成熟和早日應(yīng)用，最終實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)時代低成本、高性能、且綠色節(jié)能的移動通信。

3 C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合優(yōu)勢

3.1部署、升級網(wǎng)絡(luò)快速

在C-RAN架構(gòu)下，運營商網(wǎng)絡(luò)升級或者擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和增加網(wǎng)絡(luò)容量時，只需要部署一些新的遠(yuǎn)端無線射頻單元，并連接到集中式的基帶處理池即可。對于基帶池的擴容只需要增加新的通用處理器即可。開放的平臺和通用的處理器易于軟件無線電的實現(xiàn)，通過軟件升級實現(xiàn)多制式多標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之間的升級和共存變得更加容易。

3.2實現(xiàn)物理資源的全局最優(yōu)利用

在C-RAN架構(gòu)下，每個遠(yuǎn)端無線射頻單元不屬于任何一個基帶處理單元實體，信號的發(fā)送和接收都是在虛擬基帶池中的一個虛擬的基站上完成的。實時虛擬技術(shù)將動態(tài)分配基帶池中的處理器臨時組成虛擬基站的處理能力。云計算的引入使得無線通訊網(wǎng)絡(luò)中物理資源得到了全局最優(yōu)的利用，可以有效的解決“潮汐效應(yīng)”而帶來的資源浪費問題。

3.3減少機房數(shù)量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運營成本

在C-RAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，遠(yuǎn)端射頻單元可以在室外直接部署安裝，而集中式的基帶處理也大大較少了對基站中心機房的需求，從而降低了整個無線接入網(wǎng)絡(luò)的部署成本。以國內(nèi)新建35萬載頻，18000個站點這樣一個無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為例，采用基帶池建站同采用傳統(tǒng)建站方式相比，可以節(jié)省近23%的網(wǎng)絡(luò)部署成本。

3.4綠色網(wǎng)絡(luò)，降低能耗

集中式的基帶池可以減少基站機房數(shù)量，減少配套設(shè)備特別是空調(diào)的能耗；基帶池中的處理資源可以動態(tài)的處理不同的RRH的基帶信號，解決潮汐效應(yīng)問題，使基帶處理資源得到最優(yōu)的利用，能耗減低。當(dāng)負(fù)載較輕的時候，在不影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，可以關(guān)閉基帶池中的部分處理單元實現(xiàn)節(jié)能降耗。

4 C-RAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實施方案

目前市場上包括中興通訊等在內(nèi)的設(shè)備提供商已經(jīng)實現(xiàn)了基于RRH和BBU架構(gòu)的分布式基站，一定程度上實現(xiàn)了BBU內(nèi)載波處理資源的動態(tài)調(diào)度，這是集中式基帶池的雛形，但是目前還不能實現(xiàn)BBU之間的資源調(diào)度，對解決更大覆蓋區(qū)域內(nèi)的潮汐效應(yīng)還無能為力。建立集中式基帶池是解決這個問題的關(guān)鍵。而集中式基帶池所需解決主要問題是：提供一個高容量，低延遲的交換矩陣以及相關(guān)協(xié)議支持多個BBU內(nèi)的載波處理單元之間的互聯(lián)互通。交換矩陣需要支持的背板處理能力是由該基帶池部署的載扇數(shù)所決定。目前C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)等待解決：

1）基站虛擬化技術(shù)存在挑戰(zhàn)：如何實現(xiàn)實時信號處理算法；如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況動態(tài)的管理處理單元等等。

2）光纖資源需求存在挑戰(zhàn)：連接基帶BBU和射頻RRH之間的光纖資源需求量非常大，以LTE系統(tǒng)為例，所需要的光傳輸連接帶寬可達(dá)10Gbps。對光纖資源的需求之大。

3）協(xié)作發(fā)射/接收技術(shù)面臨挑戰(zhàn)：協(xié)作式多點處理技術(shù)必須使用空間信道信息實現(xiàn)多個不同物理位置上的天線的協(xié)作，從而抑制小區(qū)間干擾，到達(dá)提升頻譜效率的效果。這一技術(shù)仍然有待開發(fā)。

C-RAN架構(gòu)同傳統(tǒng)架構(gòu)相比是一次革命性的變革。其各種技術(shù)挑戰(zhàn)的解決還需要時間，而無線網(wǎng)絡(luò)運營商期待解決的網(wǎng)絡(luò)問題卻是刻不容緩的。因此，C-RAN必須結(jié)合目前技術(shù)發(fā)展的實際狀況采用逐步演進(jìn)的策略，運營商可以分階段地實施：

1）完成基于光傳輸網(wǎng)絡(luò)的分布式基站的部署，盡可能將BBU集中部署，RRU可部署最大18級級聯(lián)的環(huán)型組網(wǎng)，這樣不僅僅便于節(jié)省機房等配套設(shè)備的投資，同時也便于后期的網(wǎng)絡(luò)升級；這一步，當(dāng)前的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)支持，可以立即實施部署。

2）升級完成同物理站點多個BBU之間的基站協(xié)同：實現(xiàn)多個BBU互聯(lián)，實現(xiàn)大容量共享，RRU可協(xié)作處理解決類似邊緣速率等部分網(wǎng)絡(luò)功能。

3）待通用處理器，分布式云計算等技術(shù)成熟之后，將網(wǎng)絡(luò)升級為真正意義的云架構(gòu)虛擬基站網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)真正的C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

5結(jié)論

全球的無線網(wǎng)絡(luò)運營商正面臨越來越多的挑戰(zhàn)，建設(shè)一個盈利能力強，演進(jìn)能力強，綠色低耗的網(wǎng)絡(luò)是運營商的夢想。C-RAN可以為運營商提供具有競爭力的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，必將引領(lǐng)未來移動網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展。

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