從LightRadio看移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

王泳江

[摘要]3G改變了人們的溝通方式，不僅加劇了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，同時(shí)進(jìn)一步提升了對(duì)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的需求。目前的傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)承受著巨大的壓力，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速興起，運(yùn)營商面臨著增量不增收的尷尬。文章討論了運(yùn)營商面臨的主要挑戰(zhàn)，并結(jié)合LightRadjo對(duì)未來基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)智能終端數(shù)據(jù)流量LightRadia

1引言

隨著日本、北美和歐洲移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，中國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的欣欣向榮，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速興起，國際國內(nèi)運(yùn)營商都面臨著由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)而帶來的各種挑戰(zhàn)：無線網(wǎng)絡(luò)流量倍增，網(wǎng)絡(luò)要擴(kuò)容但基站尋址困難，如何降低龐大的網(wǎng)絡(luò)能耗、提高網(wǎng)絡(luò)利用率，如何解決因多種技術(shù)引入引起的運(yùn)維管理矛盾等。為讓使用了十多年的2G/3G網(wǎng)絡(luò)保持持續(xù)健康的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商努力尋求著解決之道。本文結(jié)合阿爾卡特朗訊推出的LighttRaaio，對(duì)以上問題做淺顯的探討。

2運(yùn)營商面臨的挑戰(zhàn)

經(jīng)過十多年的高速發(fā)展，移動(dòng)業(yè)務(wù)早已深入人們的生活。在中國大陸，近幾年每年都會(huì)新增約1億移動(dòng)用戶，手機(jī)的滲透率逐年提高。隨著整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們的消費(fèi)習(xí)慣也發(fā)生了巨大的變化：在手機(jī)剛剛開始普及的時(shí)候，打電話(語音服務(wù))是手機(jī)的唯一功能；后來短消息成為增長(zhǎng)最快的殺手級(jí)業(yè)務(wù)；隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和智能終端的普及，如今數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)很快。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，使系統(tǒng)架構(gòu)上以解決語音通信為主的2G網(wǎng)絡(luò)面臨著越來越大的壓力。

2.1智能終端滲透率逐步提高，推動(dòng)數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)

智能終端用戶數(shù)的提高是數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因素之一。2009年，全球智能終端用戶的滲透率為9％，其中移動(dòng)通信較發(fā)達(dá)的美國已經(jīng)達(dá)到了32％，中國則約10％。預(yù)計(jì)到2014年，美國的智能終端滲透率可能達(dá)到55％，而中國則可能達(dá)到21％(如圖1)。IDC的報(bào)告表明，2011年第一季度全球智能終端的銷售量達(dá)到9960萬部，同比增長(zhǎng)了80％。

中國三大運(yùn)營商在提高智能終端滲透率方面作出了很多努力。中國移動(dòng)不僅建立了Ophone的自主品牌，而且加大了和終端廠商的合作，強(qiáng)化了智能終端的深度定制。中國聯(lián)通則憑借成熟的WCDMA產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)和iPhone的品牌優(yōu)勢(shì)，利用明星智能終端搶奪其他運(yùn)營商的中高端用戶，并宣布推出Wophone操作系統(tǒng)。中國電信也不甘人后，與終端廠商深度合作，推出了若干定制的高端手機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，3G技術(shù)的引入，豐富了消費(fèi)者對(duì)移動(dòng)業(yè)務(wù)的選擇空間，除了語音和短信業(yè)務(wù)，越來越多電腦上的應(yīng)用被逐漸轉(zhuǎn)移到智能終端上，iPhone和iPad更是智能終端應(yīng)用的典型。智能終端不僅給人們繁忙的工作生活之余的“碎片時(shí)間”予愉悅，同時(shí)極大地激發(fā)了人與人之間溝通的欲望，特別是即時(shí)通信、Facebook、開心網(wǎng)和微博等社交網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)(SNS)的興起，進(jìn)一步促進(jìn)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量呈爆炸式發(fā)展。

大屏幕、靈活的操控性和開放的操作系統(tǒng)是智能終端的發(fā)展趨勢(shì)。終端廠商和運(yùn)營商為了爭(zhēng)取市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，紛紛推出各自的應(yīng)用程序商店(如App Store，Mobile Market，Wo Store等)，吸引終端用戶下載喜歡的游戲等應(yīng)用程序。雖然全球智能終端的滲透率2011年為13％，但智能終端已經(jīng)占據(jù)了全球65％的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量(Informa Telecoms＆Mediareleased Nov 2，2010)。2011年，全球每個(gè)智能終端用戶每個(gè)月的數(shù)據(jù)流量大約為85MB，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，預(yù)計(jì)2014年不同區(qū)域每個(gè)終端用戶每月的數(shù)據(jù)流量會(huì)是2011年的二到四倍，如圖2所示。

用戶的數(shù)據(jù)流量主要受消費(fèi)習(xí)慣的影響，比如當(dāng)喜歡用手機(jī)觀看視頻的人越來越多時(shí)，就不可避免地會(huì)增加無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。如圖3，根據(jù)對(duì)中國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的調(diào)查表明，雖然使用手機(jī)閱讀和即時(shí)通信等小流量業(yè)務(wù)的比例很高，但也必須注意到，在過去的兩年中越來越多的人開始使用手機(jī)SNS、手機(jī)網(wǎng)游和手機(jī)視頻等業(yè)務(wù)，如思科認(rèn)為到2014年視頻業(yè)務(wù)會(huì)占據(jù)全球66％的數(shù)據(jù)流量。

通信產(chǎn)業(yè)鏈各方都注意到了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。思科認(rèn)為，智能終端和上網(wǎng)本是導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)的主導(dǎo)力量，全球月均移動(dòng)數(shù)據(jù)量預(yù)測(cè)如圖4所示。愛立信估計(jì)到2015年全球移動(dòng)寬帶用戶會(huì)增長(zhǎng)到35億，阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室預(yù)測(cè)到2015年全球數(shù)據(jù)流量會(huì)增長(zhǎng)至少16倍以上。

2.2網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容在所難免，但不可持續(xù)

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的壓力。為了緩解壓力，滿足消費(fèi)者需求，運(yùn)營商可以采取以下三種方式予以解決，但每種方法都存在相應(yīng)的局限性。

(1)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容

通過擴(kuò)容緩解網(wǎng)絡(luò)壓力是最簡(jiǎn)單、最快見效的方式之一。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量增長(zhǎng)到一定程度的時(shí)候，掉話和通話質(zhì)量下降會(huì)引發(fā)大量的用戶投訴。運(yùn)營商可以采取增加載波板或增加基站來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量。

網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容會(huì)面臨很多問題。首先，當(dāng)某個(gè)基站的容量達(dá)到一定限度，再繼續(xù)擴(kuò)容就會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)干擾，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，比如中國移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)類似的問題在密集市區(qū)比較突出；其次，隨著人們對(duì)健康的重視和物業(yè)租金的提高，運(yùn)營商已經(jīng)很難在需要的地方增加新的基站，這也是令中國三大移動(dòng)運(yùn)營商最頭疼的問題之一。

(2)技術(shù)演進(jìn)

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來說，2G技術(shù)的主要目的是承載語音業(yè)務(wù)，3G技術(shù)增強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持，而LTE、LTE-A則實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P、扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，摒棄了對(duì)電路域的支持，極大地增強(qiáng)了基站的數(shù)據(jù)吞吐量。

以中國移動(dòng)為例，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)是最終的解決方案，但也面臨著兩大難題：

◆終端落后于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。在市區(qū)，終端用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有較高的需求，GSM難以承受數(shù)據(jù)流量的沖擊，但TD-SCDMA終端用戶體驗(yàn)較差，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期中的分流作用，而TD-LTE則是遠(yuǎn)水解不了近渴。

◆如何保護(hù)運(yùn)營商設(shè)備投資的問題。從GSM過渡到TD-SCDMA，然后到TD-LTE，對(duì)于以經(jīng)營GSM網(wǎng)絡(luò)為主的中國移動(dòng)來說，如何平衡在2G、3G和LTE上的投資，投資能否盡快收回也是管理層需要考慮的問題。

(3)WLAN卸載

通過在高流量區(qū)域設(shè)置WLAN接入點(diǎn)來卸載2G/3G網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量也是目前全球各大運(yùn)營商最熱衷的方式，包括中國三大運(yùn)營商紛紛推出的3G+WLAN的運(yùn)營模式。WLAN卸載的局限性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即WLAN熱點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，而且由于政策因素在中國支持WLAN的終端滲透率偏低，使WVLAN卸載效果大打折扣。

仍以中國移動(dòng)為例，以上三種方式都難以從根本上解決GSM網(wǎng)絡(luò)面臨的問題。2011年，中國移動(dòng)顯著地提高了對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)和WLAN的投資，這在一定程度上能夠

緩解網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降的矛盾。但可預(yù)見的是，隨著用戶數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，中國移動(dòng)在未來的幾年中仍然面臨同樣的問題，而且在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最快的密集市區(qū)可擴(kuò)容空間卻越來越小，靠疊加擴(kuò)容的模式不僅無法提高資源利用率，而且不可持續(xù)。

2.3網(wǎng)絡(luò)能耗巨大，運(yùn)營成本逐年升高

在運(yùn)營商的運(yùn)營成本中，電源、站點(diǎn)租賃、運(yùn)行維護(hù)、傳輸、備件和必要的培訓(xùn)成本等占了相當(dāng)高的比例，根據(jù)國情的不同，每部分成本所占的輕重比例也會(huì)有所不同。在中國，電源、站點(diǎn)租賃和運(yùn)維等三部分成本的比例逐年提高，壓縮著運(yùn)營商的利潤(rùn)空間。

眾所周知，移動(dòng)通信基站的能耗主要由設(shè)備用電、電源系統(tǒng)的耗電和機(jī)房環(huán)境用電等三方面引起。到2011年第一季度，中國三大運(yùn)營商的基站總數(shù)超過了160萬，按照每個(gè)基站的平均年耗電量約1.5萬度計(jì)算，三大運(yùn)營商僅無線接入網(wǎng)絡(luò)的年電力消耗就要超過240億度，其中機(jī)房空調(diào)耗電就占了約45％。

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，運(yùn)營商都制定了具體的節(jié)能降耗目標(biāo)。比如中國移動(dòng)承諾以2008年能源消耗為基準(zhǔn)，到2012年單位業(yè)務(wù)量耗電下降20％；中國電信承諾到2012年單位信息流量綜合能耗將比2009年下降30％。

運(yùn)營商可以和設(shè)備供應(yīng)商共同尋找降低能耗的方法，但站點(diǎn)租賃費(fèi)用的提高是運(yùn)營商無法控制的。降低租賃費(fèi)用的方法就是減少機(jī)房租賃，這也是迫使運(yùn)營商大力發(fā)展零占地面積、小型化基站的主要原因。

另外，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，話務(wù)量在時(shí)間和空間上的分配很不平衡，形成明顯的“潮汐效應(yīng)”，造成一方面整體設(shè)備利用率偏低，另一方面又不得不在某些需求旺盛的熱點(diǎn)區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)容，從而造成某種意義上資源的浪費(fèi)。

我們也看到，目前幾乎所有的移動(dòng)運(yùn)營商都在同時(shí)運(yùn)營多張不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，比如中國移動(dòng)在未來要面臨同時(shí)運(yùn)營GSM、TD-SCDMA、TD-LTE和WLAN四張網(wǎng)絡(luò)的局面，無形中增加了在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維方面的人力和資金投入，運(yùn)營商迫切希望設(shè)備廠商能提供融合的支持多標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

因此，大力發(fā)展綠色節(jié)能，實(shí)現(xiàn)零占地面積、資源共享，并且能同時(shí)提供多標(biāo)準(zhǔn)接入技術(shù)的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的需求日益凸顯。

2.4目前的無線網(wǎng)絡(luò)接入方案可緩解問題，但非長(zhǎng)久之計(jì)

為了滿足市場(chǎng)需求，近幾年來設(shè)備廠商推出了多種標(biāo)準(zhǔn)融合的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入方案。目前的主流廠商都能提供用一個(gè)機(jī)架支持多接入標(biāo)準(zhǔn)的分布式基站，并利用多種節(jié)能技術(shù)降低能耗，和早期的產(chǎn)品相比有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

然而，還有一些問題是目前的產(chǎn)品所不能解決的，具體為：

(1)天線尋址：即使采用分布式基站架構(gòu)，運(yùn)營商仍然需要在高處安裝天線。在密集市區(qū)的樓頂，密密麻麻的天線已經(jīng)令老百姓感到不安。

(2)資源共享：目前的基站只能在非常有限的程度上共享基帶資源，資源利用率仍然存在很大的提升空間。

(3)技術(shù)演進(jìn)：目前的天線只能支持有限的頻寬，有新技術(shù)引進(jìn)時(shí)需要更換或增加新的遠(yuǎn)端接入單元(RRU)和天線，這也是密集市區(qū)某些樓頂天線林立的主要原因之一。

為了解決這些問題，整個(gè)通信產(chǎn)業(yè)都在思考解決方案，中國移動(dòng)適時(shí)推出了C-RAN架構(gòu)。

3面向未來的解決方案

C-RAN是根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)條件和技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)，由中國移動(dòng)提出的新型無線接入網(wǎng)構(gòu)架(見圖5)。C-RAN是基于集中化處理(Centralized Processing)、協(xié)作式無線電(Coliaborative Radio)和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架(Real-time Cloud Inf rastructure)的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架(Clean system)，其本質(zhì)是減少基站機(jī)房數(shù)量。減少能耗，采用協(xié)作化、虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和動(dòng)態(tài)調(diào)度，提高頻譜效率，以達(dá)到低成本、高帶寬和高靈活度的運(yùn)營目的。

阿爾卡特朗訊將C-RAN架構(gòu)再向前發(fā)展了一步，于2011年初推出顛覆性的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)解決方案——LightRadio。相比C-RAN側(cè)重于大容量數(shù)據(jù)的快速云處理，LightRadio則通過分散式架構(gòu)緩解網(wǎng)絡(luò)建設(shè)壓力，同時(shí)可以消除移動(dòng)通信對(duì)天線塔的依賴。

除了基于C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以外，LightRadio的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC，System on Chip)和寬帶有源天線陣列(WB-AAA，WideBand Active Antenna Array)。

◆SOC：將一個(gè)機(jī)架中各個(gè)獨(dú)立的模塊都集成到一塊芯片中，不僅支持2G、3G和LTE，而且可以遠(yuǎn)程更新軟件以增加新的功能，甚至改變系統(tǒng)的制式，如從WCDMA到LTE。既實(shí)現(xiàn)對(duì)多標(biāo)準(zhǔn)的支持，同時(shí)又通過遠(yuǎn)程控制，可以不必到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)房進(jìn)行升級(jí)維護(hù)；

◆WB—AAA：支持700MHz到900MHz和1.8GHz到2.6GHz頻率內(nèi)任意兩個(gè)頻段，支持MIMO和Beamformlng，有效提高覆蓋，降低能耗。

每一個(gè)lightRadio CUbe的功率為5W，多個(gè)lightRadio cube可靈活組成矩陣，以滿足不同的功率及覆蓋面需求。由于體積更小，lightRadio cube可部署在大樓外墻、電線桿、燈柱、公交站牌等位置，既保證了信號(hào)覆蓋面，又不影響環(huán)境美觀。同時(shí)，多個(gè)IightRadio cube組成矩陣，由中央云系統(tǒng)統(tǒng)一控制，即使矩陣中一個(gè)小立方出現(xiàn)故障，其他模塊仍能正常工作。此外，由于采用云架構(gòu)，lightRadio系統(tǒng)有效避免了基站間互相干擾情況的發(fā)生，中央云可對(duì)各個(gè)lightRadio cube的使用情況進(jìn)行靈活分配。

LightRadio產(chǎn)品系列參見圖6。

在網(wǎng)絡(luò)部署上，LightRadio總體上可以分為一體化基站(All in one)、分布式基站和集中的基帶處理等三種方式。

(1)一體化基站

將有源天線陣列和基帶處理芯片組成一體化基站，應(yīng)用起來類似于Femto小范圍的覆蓋，覆蓋范圍由疊加的LightRadio Cube個(gè)數(shù)而定；

(2)分布式基站

類似現(xiàn)網(wǎng)中常用的BBU+RRU架構(gòu)。

(3)集中的基帶處理

根據(jù)對(duì)基帶資源的共享程度可以分成不同的階段：

◆群集設(shè)置：簡(jiǎn)單的將各基站的基帶單元全部集中放置一起，降低機(jī)房數(shù)量，便于維護(hù)；

◆基帶池：將各基站的基帶單元集中在一起，并實(shí)現(xiàn)資源共享和動(dòng)態(tài)分配，從而實(shí)現(xiàn)基帶處理的虛擬化、云化，這也是解決話務(wù)量“潮汐效應(yīng)”的有效手段；

◆多點(diǎn)協(xié)同處理：在實(shí)現(xiàn)基帶池的基礎(chǔ)上，有助于實(shí)現(xiàn)更多的無線側(cè)功能，并能進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)容量。

與目前主流廠商的傳統(tǒng)基站產(chǎn)品解決方案相比，LightRadio具有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)景非常靈活，可以極大地降低運(yùn)維費(fèi)用(如圖7)，并對(duì)未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有指導(dǎo)意義。

4總結(jié)

除了LightRadio以外，其他設(shè)備廠商也推出或正在研發(fā)類似的解決方案。從中國移動(dòng)的C—RAN到阿爾卡特朗訊的LightRadio，不難看出，未來移動(dòng)通信產(chǎn)品解決方案的方向主要是：

(1)云計(jì)算：提高資源利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)處理能力；

(2)綠色節(jié)能：這是全球?qū)档吞寂欧帕康囊?，有利于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展；

(3)應(yīng)用靈活，易于管理：加強(qiáng)多網(wǎng)絡(luò)的融合，降低運(yùn)營成本。

我們很高興地看到，中國移動(dòng)與阿爾卡特朗訊簽訂了合作協(xié)議，共同致力于C-RAN的研究，并且阿爾卡特朗也提出了穩(wěn)步的產(chǎn)品研發(fā)路標(biāo)，希望盡早推出可商用的產(chǎn)品，為全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。