基于C-RAN的5G無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)研究

周全材 易浩

摘 ? 要：隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，5G已逐步進(jìn)入人們的生活，5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量更高、網(wǎng)絡(luò)速度更快、運(yùn)營(yíng)效益更高的目標(biāo)。C-RAN是一種集中式5G架構(gòu)，是5G最理想的架構(gòu)，但由于是完全集中的控制方式，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)能力較差?；贑-RAN演進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可解決這一缺點(diǎn)，且有降低運(yùn)營(yíng)成本、增加網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、降低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，非常符合運(yùn)營(yíng)商的需要。文章對(duì)此進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：5G;云計(jì)算;無(wú)線接入網(wǎng);虛擬化

近年來(lái)，4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，大量的移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備隨之投入使用，導(dǎo)致蜂窩網(wǎng)流量負(fù)載正暴漲。蜂窩式結(jié)構(gòu)依然是4G最普遍的無(wú)線接入方式，面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的龐大需求的挑戰(zhàn)，即使采取正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、中繼等增大系統(tǒng)容量的先進(jìn)措施，也很難跟上增長(zhǎng)量的步伐。通信運(yùn)營(yíng)商迫切需要下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量更高、網(wǎng)絡(luò)速度更快、運(yùn)營(yíng)效益更高的目標(biāo)。因此，本文提出一種基于云計(jì)算的無(wú)線接入網(wǎng)（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）架構(gòu)的5G無(wú)線接入網(wǎng)的可行方案。

1 ? ?基于C-RAN的5G無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)

C-RAN是一種集中式架構(gòu)，有著低成本、高頻譜、高帶寬等顯著優(yōu)點(diǎn)。但其完全集中的控制方式，也有著自身缺陷，無(wú)線鏈路自適應(yīng)性能較弱，不能自適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化，如用戶行為、信道環(huán)境等。主要原因是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)方法的完全集中無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)下完成預(yù)定實(shí)時(shí)計(jì)算。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的用戶行為、基站負(fù)載動(dòng)態(tài)環(huán)境是時(shí)多變的，相對(duì)靜止的計(jì)算端與多變的接入端無(wú)法實(shí)時(shí)適配，不僅不能達(dá)到資源的最大化利用，還會(huì)浪費(fèi)回程鏈路開銷，大大降低接入鏈路的利用率，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)接入性能降低[1]。為優(yōu)化C-RAN，本文提出了一種包含基站部署、本地云平臺(tái)和后臺(tái)云服務(wù)器的C-RAN演進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見圖1）。

1.1 ?基站的部署

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)需求，許多企業(yè)及組織提出多種5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。按照協(xié)議功能劃分方式，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了面向5G的無(wú)線接入網(wǎng)功能重構(gòu)方案，引入集中單元—分布單元—有源天線單元（Centralized Unit-Distribute Unit-Active Antenna Unit，CU-DU-AAU）架構(gòu)。在CU-DU-AAU架構(gòu)下，5G BBU基帶部分拆分成CU和DU兩個(gè)邏輯單元，而射頻單元以及部分基帶物理層底層功能與天線共同構(gòu)成AAU。通過(guò)將CU，DU及AAU分離，簡(jiǎn)化了網(wǎng)元功能，CU可以采用通用硬件平臺(tái)搭建，采取云化部署，DU可以采取C-RAN方式集中部署，AAU與天線集成后可以上塔，增加了部署靈活性[2]。

1.2 ?本地云平臺(tái)

本地云平臺(tái)是基站和后臺(tái)云服務(wù)器之間通過(guò)光纖相互連接的網(wǎng)絡(luò)單元，主要包含感知模塊、緩存模塊多網(wǎng)絡(luò)控制等功能實(shí)體[3]。

1.2.1 ?感知模塊

（1）未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜多變的多融合網(wǎng)絡(luò)。存儲(chǔ)用戶和網(wǎng)絡(luò)情景信息有著極大的必要性。本方案提出通過(guò)獲取接入方式、用戶位置、用戶行為、應(yīng)用類型、優(yōu)先級(jí)等信息，并結(jié)合相應(yīng)算法推演出用戶需求，自動(dòng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，做到網(wǎng)絡(luò)資源合理、智能分配，提升用戶使用體驗(yàn)感受，稱之為“情景感知”，讓網(wǎng)絡(luò)使用更智能、更有效。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)支持，將是5G時(shí)代的標(biāo)志性產(chǎn)物。據(jù)相關(guān)部門預(yù)測(cè)，2020年以后，移動(dòng)數(shù)據(jù)醫(yī)療、智能家居、車聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)將是物聯(lián)網(wǎng)的主力軍，并推動(dòng)千億設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增加，可謂是“萬(wàn)物互聯(lián)”。但普通的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源無(wú)法滿足同時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸如此龐大的數(shù)據(jù)需求，在高密度的節(jié)點(diǎn)中減少信令開銷是個(gè)很難實(shí)現(xiàn)的艱巨的任務(wù)，而情景感知通過(guò)信息共享使其變得可行。

圖1 ?基于C-RAN的5G無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)

1.2.2 ?緩存模塊

為做到改善用戶體驗(yàn)感受的同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)流量，選擇在距用戶更近的邊緣地帶安置網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)部門數(shù)據(jù)表明，重復(fù)的音樂(lè)和視頻等流行資源下載占據(jù)了移動(dòng)多媒體多半的流量。為減少核心網(wǎng)壓力、避免不必要的重復(fù)資源流量浪費(fèi)，本方案提出采取新的交付與緩存技術(shù)，建立中間服務(wù)器存放流行資源數(shù)據(jù)在避免了服務(wù)器重復(fù)的遠(yuǎn)程傳輸造成資源浪費(fèi)的同時(shí)，也提升用戶的體驗(yàn)。本地平臺(tái)通過(guò)感知模塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法比對(duì)分析，來(lái)提高對(duì)流行內(nèi)容分辨的準(zhǔn)確性，本地與相鄰平臺(tái)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和緩存交換。

1.2.3 ?多網(wǎng)絡(luò)控制和融合實(shí)體

5G涵蓋了多種技術(shù)，包括泛技術(shù)時(shí)代、多接入技術(shù)、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)、多層次覆蓋。其中，多網(wǎng)絡(luò)融合早已是業(yè)界公認(rèn)的重要研究熱點(diǎn)，具有非常關(guān)鍵的作用。運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)掌握網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)能夠提升對(duì)多網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維和管控能力，從而有效優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、提升用戶體驗(yàn)。

1.3 ?后臺(tái)云服務(wù)器

后臺(tái)云服務(wù)器實(shí)際上是由劃分出的多個(gè)專用虛擬網(wǎng)組成的服務(wù)器數(shù)據(jù)中心[4]。這些專用虛擬網(wǎng)絡(luò)包括虛擬運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)、虛擬物聯(lián)網(wǎng)、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)（Over the Top，OTT）網(wǎng)等，因地制宜，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)不同特性的業(yè)務(wù)，并針對(duì)性地開發(fā)各自的管理系統(tǒng)，達(dá)到更好的業(yè)務(wù)效果。

2 ? ?5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?超密集網(wǎng)絡(luò)

5G將長(zhǎng)期運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性復(fù)雜的環(huán)境下，并伴隨著多業(yè)務(wù)系統(tǒng)、多層次覆蓋、多技術(shù)接入。頻譜是有限資源，不可再生，提高有效利用率變得極為重要，因此要盡量縮小作用范圍。既有大面積覆蓋的宏基站，也有高密度部署的小蜂窩，宏基站用于滿足大規(guī)模需求，小蜂窩則為了填補(bǔ)邊緣業(yè)務(wù)的空缺而存在。據(jù)預(yù)測(cè)分析，在宏蜂窩的廣泛部署下，今后的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中低功率的無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)的密度將提高10倍之多，構(gòu)成超密集網(wǎng)絡(luò)（Super Dense Network，UDN），無(wú)論是資源分配，還是運(yùn)營(yíng)管理，都必定會(huì)背負(fù)巨大的壓力。

2.2 ?網(wǎng)絡(luò)虛擬化

對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商而言，網(wǎng)絡(luò)虛擬化將提供極大的利益。其最有直接的3大優(yōu)點(diǎn)，第一，能降低系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本;第二，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源分配最大效益;第三，可以開發(fā)最佳的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行有4大因素：管理、維護(hù)、升級(jí)和擴(kuò)容，在虛擬化之后，統(tǒng)一的硬件平臺(tái)能為其提供更多服務(wù)，以便更好運(yùn)行。從虛擬化技術(shù)來(lái)說(shuō)，本方案提出并選擇了兩種主要技術(shù)，第一種是網(wǎng)絡(luò)覆蓋虛擬化技術(shù);第二種就是數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器虛擬化技術(shù)。

2.3 ?內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Distribution Network，CDN）是由業(yè)內(nèi)提出的一種應(yīng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、提升網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)質(zhì)量的方案，具備對(duì)稱分布網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)器、客戶端的能力，能解決內(nèi)容服務(wù)器與客戶端之間的傳輸延時(shí)大的問(wèn)題，從而讓用戶使用更佳。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)可降低跨域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)，其主要是通過(guò)在多個(gè)ISP內(nèi)部署內(nèi)容代理服務(wù)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在用戶訪問(wèn)高發(fā)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)中部署緩存服務(wù)器，并根據(jù)實(shí)際情況將用戶請(qǐng)求合理地重新分配到就近的服務(wù)點(diǎn)，可快速取得目標(biāo)數(shù)據(jù)，解決網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)速度。

2.4 ?綠色通信

所謂綠色通信，就是降低功率、節(jié)省資源、避免污染、降低排放和提高頻譜利用率。頻譜是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中非常珍貴的資源，也是研究的焦點(diǎn)。另外，因?yàn)閯澐诸l段產(chǎn)生了零散片段，浪費(fèi)許多頻譜資源，使得原本就緊缺的頻譜變得更為供不應(yīng)求。需要從兩方面減少頻譜資源浪費(fèi)：（1）靈活使用空置頻譜，可通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)。（2）不斷提高頻譜利用率，降低干擾。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代發(fā)展的腳步，移動(dòng)通信網(wǎng)的需求越來(lái)越龐大，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)很難滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求，很難保證用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)性能。今后的5G網(wǎng)絡(luò)將是可實(shí)現(xiàn)“無(wú)限容量感知”的系統(tǒng)，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)有了更高的要求。通過(guò)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和分析發(fā)展趨勢(shì)，可得出結(jié)論：C-RAN是目前最符合5G網(wǎng)絡(luò)要求的架構(gòu)方案。因此，本文基于C-RAN的5G無(wú)線接入的可行架構(gòu)，且深度闡述架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，為5G網(wǎng)絡(luò)研究提供參考。

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