云無線接入網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)演進(jìn)*

閆 實(shí)，王文博

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100876）

1 引言

隨著第四代移動(dòng)通信（4G）技術(shù)在全球的加速部署和商業(yè)運(yùn)作，人們對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越高。然而，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量越來越高、用戶體驗(yàn)越來越好的背后，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商用于建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、升級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的支出不斷增加，而收入?yún)s增加緩慢。為了應(yīng)對(duì)即將在2020年到來的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)爆炸，同時(shí)保持移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的持續(xù)盈利和長(zhǎng)期增長(zhǎng)，全球范圍內(nèi)的通信技術(shù)人員都在尋找新一代能夠以低成本為用戶提供無線業(yè)務(wù)的方法。其中，無線接入網(wǎng)（RAN）的綠色、低成本、靈活部署成為革新的重要方面。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)曲線如圖1所示。

無線接入網(wǎng)是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，提供某個(gè)設(shè)備（如移動(dòng)電話、一臺(tái)計(jì)算機(jī)或任何遠(yuǎn)程控制機(jī)）與核心網(wǎng)（CN）的接入，可以向用戶提供不間斷高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)在運(yùn)維過程中存在著如下五大挑戰(zhàn)[1]：

圖1 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)示意

·大量基站導(dǎo)致高額能耗；

·網(wǎng) 絡(luò) 的CAPEX/OPEX（capital expenditure/operating expense，資本支出/運(yùn)營(yíng)成本）逐年增高；

·大容量、低成本的需求；

·導(dǎo)致基站利用率低下的潮汐效應(yīng)；

·互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)爆炸性增長(zhǎng)對(duì)核心網(wǎng)的巨大壓力。

這些挑戰(zhàn)使得移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本逐年增加，利潤(rùn)卻不能同步增長(zhǎng)。無線接入網(wǎng)必須重新考慮新的網(wǎng)絡(luò)框架，以適應(yīng)新的環(huán)境，并找到可以適用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)性能、成本低的無線接入網(wǎng)絡(luò)的綠色建筑的方法。新一代無線接入網(wǎng)應(yīng)具備以下特征：

·降低能源消耗，減少資本開支和運(yùn)營(yíng)開支；

·提高頻譜效率，增加用戶帶寬；

·開放平臺(tái)，支持多標(biāo)準(zhǔn)和平滑升級(jí)；

·對(duì)終端用戶提供更友好的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

在此背景下，2010年，中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院提出了全新的面向綠色演進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——C-RAN，即通過基帶資源集中處理、協(xié)作式無線電（cooperative radio）和實(shí)時(shí)云計(jì)算（real-time cloud computing）無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更加清潔的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在2011年10月于瑞士日內(nèi)瓦舉行的ITU國(guó)際電信通信展上，中國(guó)移動(dòng)展出了可同時(shí)支持C-RAN的GSM/TD-SCDMA/TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的多模C-RAN原型機(jī)。受此驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)C-RAN的原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，C-RAN因其融合了計(jì)算和通信技術(shù)，在提高能效率和譜效率方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被視為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（即5G）的核心關(guān)鍵解決方案之一，無論是在工業(yè)界還是在學(xué)術(shù)界，都展開了深入的研究和討論。

2 C-RAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

C-RAN融合了集中化處理、協(xié)作式無線電以及實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架[2,3]，根據(jù)BBU（building base band unit，室內(nèi)基帶處理單元）和RRU（remote radio unit，遠(yuǎn)端射頻單元）間不同的功能分解，存在兩種C-RAN方案：一種是“完全集中式處理”，其基帶（如第一層）、第二層和第三層的BS（base station）功能都集中在BBU中；另一種是“部分集中式處理”，其RRU不僅具備無線電收發(fā)功能，而且具備基帶功能，其他高層的功能仍然集中在BBU中。不同的功能分割方式如圖2所示。

基于以上兩種不同的功能區(qū)分方法，存在兩種C-RAN架構(gòu)，兩者都包括3個(gè)組成部分：由RRU和天線組成的分布式無線網(wǎng)絡(luò)；連接遠(yuǎn)端無線射頻單元的低時(shí)延、高帶寬的光傳輸網(wǎng)；由實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)和高性能處理器組成的集中式基帶處理池。

完全集中式C-RAN架構(gòu)如圖3(a)所示，有易于升級(jí)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的優(yōu)點(diǎn)，還具有更好的支持多操作標(biāo)準(zhǔn)的容量，能實(shí)現(xiàn)最大資源共享，更便于支持多單元協(xié)作信號(hào)處理；主要缺點(diǎn)是為獲取基帶I/Q信號(hào)，BBU間的帶寬需求很高。在極端情況下，一個(gè)20 MHz帶寬的TD-LTE 8天線需要10 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。部分集中式C-RAN架構(gòu)如圖3(b)所示，將基帶處理功能從BBU中分出并融入RRU中，使其需要的BBU與RRU間的傳輸帶寬縮小。與完全集中式架構(gòu)相比，BBU-RRU的連接只需要攜帶解調(diào)數(shù)據(jù)，其只占原始基帶I/Q示例數(shù)據(jù)的1/20～1/50。然而，它也有自己的缺點(diǎn)：由于基帶處理功能融入RRU中，其升級(jí)的靈活性降低，并且不便于多單元協(xié)作信號(hào)處理。

圖2 C-RAN的兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分割方式

在兩種不同的架構(gòu)下，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)不同的負(fù)載、不同的業(yè)務(wù)類型，快速靈活地進(jìn)行部署并能夠及時(shí)方便地升級(jí)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要擴(kuò)充容量或者擴(kuò)大覆蓋范圍時(shí)，操作人員只需要增加新的遠(yuǎn)程射頻單元，并用光纖將其連接到集中的BBU即可；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載增加時(shí)，操作人員也僅需要在中心機(jī)房添加一個(gè)新的通用BBU就可以增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力。結(jié)合開放式平臺(tái)和處理器的“全集成方案”將使軟件無線電技術(shù)更易于實(shí)現(xiàn)。

C-RAN與傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于，遠(yuǎn)端射頻單元不再和單一固定的基帶處理單元直接連接，每個(gè)RRU都獨(dú)立于任何一個(gè)固定的基帶處理單元實(shí)體，RRU發(fā)送或接收到的信號(hào)通過資源調(diào)度和共享在虛擬基站進(jìn)行處理，而虛擬基站的處理能力則由一個(gè)實(shí)時(shí)虛擬基帶池分配。實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)的應(yīng)用使得C-RAN系統(tǒng)各接口的兼容性和匹配靈活性達(dá)到最大。

3 C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與性能提升

第2節(jié)所述的完全集中式處理和部分集中式處理方案所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)還在發(fā)展和演進(jìn)中，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況而適時(shí)地部署在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中。相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，C-RAN架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

3.1 升級(jí)簡(jiǎn)便，部署快速

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)宏基站往往選擇在寫字樓樓頂、住宅高層等地，這種方式受到越來越多客觀因素的影響；C-RAN架構(gòu)下，BBU集中放置于某地的骨干機(jī)房，每個(gè)遠(yuǎn)端無線射頻單元通過光纖拉遠(yuǎn)至覆蓋點(diǎn)。操作人員只需安裝遠(yuǎn)端設(shè)備、天線及配置電源，無需新建任何固定站點(diǎn)和租賃新的機(jī)房，可以最大限度地利用已有的公共市政資源，是一種部署靈活、升級(jí)快速的非常經(jīng)濟(jì)有效的方法，大大降低了運(yùn)營(yíng)商對(duì)無線接入網(wǎng)的建設(shè)和維護(hù)成本。采用虛擬基站技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)僅需數(shù)月就可實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代，而傳統(tǒng)基站網(wǎng)絡(luò)每次升級(jí)可能需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。

圖3 兩種不同的C-RAN架構(gòu)示意

3.2 節(jié)約成本，提高網(wǎng)絡(luò)能效率

C-RAN的基本原理是將集中式BBU以及一些輔助配套設(shè)施，同時(shí)集中放在骨干的中心機(jī)房進(jìn)行管理，簡(jiǎn)化了運(yùn)營(yíng)管理，相對(duì)于傳統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)基站站址，節(jié)省了大量運(yùn)營(yíng)成本。C-RAN中遠(yuǎn)端射頻單元在功能上大幅簡(jiǎn)化，與之相對(duì)應(yīng)的功耗、維護(hù)費(fèi)用也相應(yīng)降低。不同RRU的基帶信號(hào)，可以在基帶池中動(dòng)態(tài)調(diào)度以實(shí)現(xiàn)集中處理，使得基帶處理資源得到最佳利用，且集中式處理的方法可以極大地減少配套設(shè)備尤其是機(jī)房空調(diào)所帶來的功耗。

在非高峰期，用戶數(shù)不多的情況下，可以降低甚至關(guān)閉非忙碌工作節(jié)點(diǎn)，或者將少量用戶切換到附近節(jié)點(diǎn)從而關(guān)閉某節(jié)點(diǎn)，在不影響系統(tǒng)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量的前提下，減少潮汐效應(yīng)帶來的損害，同時(shí)能夠節(jié)省能源，這也符合綠色通信的要求。中國(guó)移動(dòng)與其供應(yīng)商及合作伙伴利用現(xiàn)有的商用設(shè)備，于2010年在廣東省珠海市的實(shí)地網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了C-RAN TD-SCDMA集中化部署試驗(yàn)，部署驗(yàn)證結(jié)果顯示，在與GSM不共站址的情況下，C-RAN集中化部署方式可顯著降低新建網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，其中OPEX可降低53%，CAPEX可降低30%，采用C-RAN集中式基帶池部署網(wǎng)絡(luò)，單基站節(jié)省空調(diào)用電功耗達(dá)到75.3%[4]。

圖4 C-RAN與傳統(tǒng)宏基站小區(qū)能效對(duì)比

兩層C-RAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)宏基站小區(qū)的能效對(duì)比如圖4所示，4條曲線由下至上分別用曲線1～曲線4表示。曲線1代表僅有宏基站場(chǎng)景的能耗，所有資源都由宏基站分配，其余3條線代表兩層C-RAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的能耗。其中，曲線2表示RRU和宏基站的頻率資源正交，曲線3表示RRU和宏基站頻率復(fù)用，曲線4代表RRU和宏基站的部分資源正交，部分資源復(fù)用?？梢钥闯?，4個(gè)場(chǎng)景的能效依次增加，C-RAN場(chǎng)景下部分資源正交、部分資源復(fù)用的方案最優(yōu)。

3.3 自適應(yīng)資源分配以提高網(wǎng)絡(luò)容量

所有用戶在整個(gè)通信過程中接收和發(fā)送的信息、無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息和信道質(zhì)量參數(shù)等信息都在基帶池中得到共享并進(jìn)行調(diào)配，這樣網(wǎng)絡(luò)就可以根據(jù)不同區(qū)域或不同時(shí)段靈活調(diào)配處理資源，減少不均衡負(fù)載所帶來的一系列問題。與此同時(shí)，大量的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)被分化或轉(zhuǎn)移出核心網(wǎng)絡(luò)。多點(diǎn)協(xié)作（coordinated multiple point，CoMP）技術(shù)在C-RAN架構(gòu)下也更易實(shí)現(xiàn)，多個(gè)RRU可以形成一個(gè)天線陣列為單一用戶服務(wù)，把原來的干擾轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)，從而可以顯著提高系統(tǒng)容量，同時(shí)也可以為用戶帶來更好的服務(wù)體驗(yàn)。C-RAN上行聯(lián)合多個(gè)RRU共同解碼的容量與傳統(tǒng)單一基站處理的容量性能對(duì)比如圖5所示。

圖5 C-RAN多RRU聯(lián)合處理與傳統(tǒng)單宏基站小區(qū)容量對(duì)比

4 C-RAN演進(jìn)路線及挑戰(zhàn)

作為下一代無線接入網(wǎng)演進(jìn)的核心關(guān)鍵方案之一，C-RAN越來越受到運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商和國(guó)內(nèi)外科研學(xué)術(shù)界的重視，大家對(duì)于C-RAN需求和技術(shù)演進(jìn)的看法日趨明朗。下面將對(duì)C-RAN漸進(jìn)式的技術(shù)演進(jìn)和可能遇到的問題進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

4.1 大規(guī)模分布式RRU網(wǎng)絡(luò)

C-RAN架構(gòu)下的大規(guī)模分布式RRU網(wǎng)絡(luò)類似于傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)，可以通過大量只包含射頻模塊的新節(jié)點(diǎn)拉近用戶和天線間的距離，獲得更高的頻率復(fù)用。不同點(diǎn)在于，傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)的所有基帶處理仍集中于基站，天線站相當(dāng)于基站的不同扇區(qū)；而在C-RAN架構(gòu)下，RRU通過光纖可以拉遠(yuǎn)至任意位置擇優(yōu)部署，不再受單一BBU束縛。所有從遠(yuǎn)端無線射頻單元發(fā)來的數(shù)字基帶信號(hào)可以被路由分配至指定資源池中的基帶單元進(jìn)行處理，這樣任何獨(dú)立的基帶處理單元的錯(cuò)誤都不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)在單元錯(cuò)誤情況下的高可靠性。

在具體實(shí)現(xiàn)上，首先，要考慮到基帶池中不同基帶處理單元之間必須有高帶寬、拓?fù)潇`活的交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通；其次，要考慮到各個(gè)RRU到集中式處理中心的同步誤差問題；此外，還要考慮如何控制各RRU間進(jìn)行協(xié)同控制時(shí)的額外信令開銷以及回程線路受限問題。

4.2 軟件無線電

軟件無線電（software defined radio，SDR）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于軟件定義的協(xié)議而非通過硬連線實(shí)現(xiàn)。在C-RAN架構(gòu)中，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理和分析核心的基帶處理功能，就可用軟件無線電實(shí)現(xiàn)。從分布式的RRU處收集上行、下行信道信息和用戶數(shù)據(jù)的過程以及攜帶這些信息的虛擬基站間接口協(xié)議和功能實(shí)現(xiàn)等，也可通過下載軟件和更新進(jìn)行升級(jí)，而無需升級(jí)硬件。在C-RAN架構(gòu)下運(yùn)用軟件無線電技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)如CoMP處理、多接入網(wǎng)虛擬化以及動(dòng)態(tài)小區(qū)重置等功能。

軟件無線電作為實(shí)現(xiàn)C-RAN最重要的技術(shù)之一，在實(shí)現(xiàn)上必須有可重新編程和可重構(gòu)的能力，使設(shè)備可以適用于各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)各個(gè)設(shè)備商不同設(shè)備間的互聯(lián)互通，以提高系統(tǒng)兼容性。

4.3 云基帶池的協(xié)作式處理

云基帶池和基于云基站池的全局協(xié)作處理是C-RAN架構(gòu)的兩個(gè)特征，云基帶池是由大量基帶處理單元通過互聯(lián)框架連接形成的巨大計(jì)算池。遠(yuǎn)端射頻單元將接收到的無線信號(hào)通過高速光纖和負(fù)載轉(zhuǎn)換器發(fā)送到軟件無線電虛擬基站后，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)作處理，在極短時(shí)間內(nèi)快速、高效地交換多個(gè)基站間的調(diào)度信息、信道信息和用戶數(shù)據(jù)，并最終由云基帶池實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配的計(jì)算資源完成無線基帶信號(hào)的處理。

在實(shí)際部署中，高速光纖的鋪設(shè)和負(fù)載均衡器的設(shè)置都是工程施工和成本的重大挑戰(zhàn)，協(xié)作處理時(shí)的調(diào)度開銷和反饋量提升也是需要進(jìn)行深入研究的重點(diǎn)。

4.4 信令與控制分離機(jī)制

現(xiàn)存的無線網(wǎng)絡(luò)最初的設(shè)計(jì)目的是滿足用戶及傳統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用（如語音及視頻業(yè)務(wù)）的需求，但隨著越來越多的新型業(yè)務(wù)類型的出現(xiàn)，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈指數(shù)型增長(zhǎng)，這些業(yè)務(wù)，特別是短時(shí)突發(fā)業(yè)務(wù)（如即時(shí)通信（instant message，IM）類業(yè)務(wù)，包括文字、圖片、周期性回傳信息等），對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提出全新的挑戰(zhàn)。這些移動(dòng)應(yīng)用帶來的最大問題是造成網(wǎng)絡(luò)通信和空閑狀態(tài)頻繁切換，不僅損害設(shè)備電池，更給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來大量額外的信令開銷?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有類型的業(yè)務(wù)只設(shè)計(jì)了一種面向連接的信令/控制機(jī)制，這就導(dǎo)致在突發(fā)數(shù)據(jù)流出現(xiàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量額外開銷。

在C-RAN架構(gòu)下，傳統(tǒng)的信令/控制機(jī)制會(huì)被一種聯(lián)合面向連接和無連接的全新機(jī)制所取代，這種機(jī)制可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。將來用戶體驗(yàn)等指標(biāo)也將被考慮到對(duì)信令的優(yōu)化中，如持續(xù)性通信業(yè)務(wù)相對(duì)于即時(shí)通信業(yè)務(wù)在時(shí)延和可靠性方面更加寬松，針對(duì)這兩種不同業(yè)務(wù)進(jìn)行特殊的信令設(shè)計(jì)就可以最大限度地節(jié)省開銷。

4.5 全雙工基站技術(shù)

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)都是單一的頻分雙工或時(shí)分雙工，為了提高頻譜效率以及系統(tǒng)能效，全雙工基站技術(shù)越來越受到運(yùn)營(yíng)商的注意，基站采用全雙工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的傳輸或接收不同終端的數(shù)據(jù)。由于在發(fā)射和接收過程中不可避免地出現(xiàn)發(fā)送信息對(duì)接收信息造成的自干擾，干擾消除技術(shù)是全雙工系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。

為了緩解這一問題，首先需要獲知用戶間干擾信道的狀態(tài)信息，進(jìn)一步利用功率控制等手段調(diào)度上行和下行用戶對(duì)，從而減小自干擾?，F(xiàn)有的一些抗干擾技術(shù)，如天線配置技術(shù)、正交極化技術(shù)、干擾對(duì)齊技術(shù)以及數(shù)字消除技術(shù)等都可以部分減少自干擾，但更全面高效的干擾消除技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)束語

在用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求越來越高的時(shí)代，傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)高額的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用已經(jīng)不能滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)于利潤(rùn)的追求，建設(shè)一個(gè)綠色節(jié)能、保持長(zhǎng)期盈利的可持續(xù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)是所有運(yùn)營(yíng)商的夢(mèng)想。C-RAN作為一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)受到越來越多運(yùn)營(yíng)商的重視，勢(shì)必成為未來發(fā)展的方向。本文從架構(gòu)、優(yōu)勢(shì)、技術(shù)演進(jìn)等方面分析了C-RAN技術(shù)的特點(diǎn)，給出了初步的解決方案，為未來云無線接入技術(shù)研究提供了一種新的思路。

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