C-RAN帶來無線移動通信的新機遇和挑戰(zhàn)

　　1 引言

　　隨著近幾年能源和電力價格的上漲，全球移動通信網(wǎng)絡(luò)運營商面臨日漸嚴重的成本壓力。歐洲各國2003~2009年間，工業(yè)電價年均上漲約10.47%，居民電價年均上漲約8.05%。自2004年以來，中國銷售電價共調(diào)整6次，累計每千瓦時上調(diào)13.43分錢，年均上漲約4%，考慮到近兩年國內(nèi)用電缺口因素，國內(nèi)電價短期內(nèi)仍有進一步上漲的可能。

　　運營商獲取站址和機房的難度也在不斷加大。全球大多數(shù)主流運營商通常同時擁有2~3個不同通信制式的網(wǎng)絡(luò)，為保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，需要部署大量的基站以解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題。站址和機房資源的相對稀缺，與不斷增長的基站數(shù)量的矛盾在一定時期內(nèi)無法協(xié)調(diào)，目前已成為運營商無法回避的難題。

　　盡管在運營成本方面面臨巨大壓力，運營商的“盈利”能力并不隨之提高。由于電信市場的激烈競爭，單用戶平均收入（ARPU）增長緩慢甚至下降。運營商收入的下降必將導致建網(wǎng)和設(shè)備采購投資的壓縮，進而影響到全行業(yè)的整體發(fā)展。面對這種局面，出于行業(yè)持續(xù)盈利和長期發(fā)展考慮，移動通信行業(yè)必須開辟一種新的思路。

　　2010年4月，中國移動正式發(fā)布了面向綠色演進的新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)C-RAN白皮書，闡述了對未來集中式基帶處理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)發(fā)展的愿景。它有四個目標：

　?。?）降低能源消耗，減少資本支出和運營支出。

　?。?）提高頻譜效率，增加用戶帶寬。

　?。?）開放平臺，支持多標準和平滑演進。

　　（4）更好地支持移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

　　C-RAN技術(shù)直接從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入手，以基帶集中處理方式共享處理資源，減少能源消耗，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率。隨著研究的進展，C-RAN技術(shù)概念不斷被充實，并被賦予新的內(nèi)涵。

　　2 C-RAN的技術(shù)概念

　　C-RAN的系統(tǒng)架構(gòu)，主要是由遠端無線射頻單元（RRU）與天線組成的分布式無線網(wǎng)絡(luò)，具備高帶寬、低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)連接遠端無線射頻單元，通用處理器和實時虛擬技術(shù)組成的集中式基帶處理池三大部分組成。所有基帶處理單元和遠端無線射頻單元通過高帶寬、低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)連接起來?；鶐幚韱卧˙BU）集中在一個物理站點構(gòu)成基帶池。基帶池中多個基帶處理單元之間通過高帶寬、低延遲、靈活拓撲、低成本交叉連接?；鶐С厣闲枰獞?yīng)用基站虛擬化技術(shù)，支持基帶池物理資源和計算能力的虛擬分配和組合。

　　C-RAN在技術(shù)實現(xiàn)上分為三個階段，逐步演進：

　　（1）C-RAN集中化基站部署

　　集中式基站內(nèi)多個BBU互聯(lián)互通構(gòu)成高容量、低延遲的互聯(lián)架構(gòu)。遠端的RRU通過互聯(lián)架構(gòu)交換到集中式基帶池中任一個BBU。這種方式是對現(xiàn)有DSP平臺的BBU進行集中化集成，可有效實現(xiàn)載波負載均衡、容災備份，并達到提高設(shè)備利用率、減少基站機房數(shù)量、降低能耗的目的。

　　另外，基于傳統(tǒng)的CPRI/Ir/OBRI接口，實現(xiàn)不同廠家的RRU與基帶池互聯(lián)。

　?。?）基于軟件無線電和協(xié)作式無線信號處理的統(tǒng)一開放平臺

　　在集中式基站基礎(chǔ)上，通過軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)多標準的統(tǒng)一開放的BBU基帶池平臺，并利用基帶池中BBU間高速高效的調(diào)度信息、用戶數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)多點協(xié)作式信號處理，達到減少無線干擾、提高系統(tǒng)容量的目的。

　　在應(yīng)用軟件無線電方面，目前主要兩種思路：信號處理器（DSP）平臺和通用處理器（GPP）平臺。兩種思路各有優(yōu)勢，DSP是目前電信行業(yè)比較成熟應(yīng)用的技術(shù)，而GPP雖然目前在功耗性能上與DSP有一定差距，但具有后向兼容好的特點，有利于系統(tǒng)的平滑演進。

　　協(xié)作式無線信號處理包含兩種方式：聯(lián)合接收和發(fā)送、協(xié)作式調(diào)度和協(xié)作式波束賦形。協(xié)作式無線信號處理主要是提高系統(tǒng)的頻譜利用率和小區(qū)邊緣的吞吐量。

　?。?）基于實時云架構(gòu)的虛擬化基站

　　在基于軟件無線電技術(shù)的統(tǒng)一開放的BBU基帶池平臺的基礎(chǔ)上，在實時云架構(gòu)基帶池系統(tǒng)軟件的控制下，形成更為巨大的實時云架構(gòu)基帶池。云架構(gòu)基帶池為每個接入的RRU指配虛擬的基帶處理資源。多個云架構(gòu)基帶池之間可以通過高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)相連，相互協(xié)作，實現(xiàn)系統(tǒng)的負載平衡、容災備份。

　　C-RAN中的“C”目前實際上有四重含義，即基于集中化處理（Centralized Processing），協(xié)作式無線電（Collaborative Radio）和實時云計算構(gòu)架（Real-time Cloud Infrastructure）的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架（Clean System）。

　　3 C-RAN的技術(shù)優(yōu)勢

　　與傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，C-RAN打破了RRU和BBU之間近距匯接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。站址位置僅需天面，不依賴機房。以目前的技術(shù)手段，理論上10km范圍內(nèi)只要建設(shè)1個BBU機房，就可以實現(xiàn)對300km2區(qū)域的覆蓋。

　　C-RAN的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

　　（1）降低網(wǎng)絡(luò)能耗

　　集中化方式可以極大地減少機房的數(shù)量，機房配套設(shè)施也相應(yīng)減少，特別是空調(diào)等散熱系統(tǒng)的減少，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗的作用特別明顯。

　　通過對集中式基帶池的物理和邏輯資源的集中化管理，可以達到資源的最優(yōu)化運用，有效應(yīng)對移動通信系統(tǒng)的潮汐效應(yīng)；同時配合一些節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，可在網(wǎng)絡(luò)負荷較輕的情況下，關(guān)閉RRU和BBU的一些資源，達到省電的目的。

　?。?）降低運營商資本支出（CAPEX）和運維成本（OPEX）

　　根據(jù)運營商的統(tǒng)計，因勘站、土建和配套設(shè)施而產(chǎn)生的成本支出目前大致已占到每站點CAPEX的50%左右，站點租金和電費約占每站點OPEX的70%以上。近年來，房屋租賃價格和電價的持續(xù)上漲，造成運營企業(yè)的建設(shè)和運維成本大大增加。

　　C-RAN集中化結(jié)構(gòu)將BBU集中于區(qū)域匯接機房，站址處只保留天面，可有效減少因站址機房建設(shè)和租賃、空調(diào)等附屬設(shè)施耗電帶來的成本的壓力。

　?。?）負載均衡和干擾協(xié)調(diào)

　　基帶資源集中化的一個好處是，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)較大范圍的區(qū)域內(nèi)無線業(yè)務(wù)負載的變化進行自適應(yīng)的均衡處理，同時可以對大片區(qū)域內(nèi)的無線資源進行聯(lián)合調(diào)度和干擾協(xié)調(diào)，從而提高頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。

　　4 C-RAN的關(guān)鍵技術(shù)

　　C-RAN由技術(shù)概念到實現(xiàn)，需要實現(xiàn)如下關(guān)鍵技術(shù)：

　?。?）低成本的光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

　　在BBU和RRU之間傳輸?shù)臑楦咚俚幕鶐?a target="_blank">數(shù)字信號，基帶數(shù)字信號的傳輸帶寬要求主要由無線系統(tǒng)帶寬、天線配置、信號采樣速率決定。目前，TD-SCDMA單載波宏小區(qū)所需要的四倍采樣速率下的基帶數(shù)字信號傳輸帶寬約為330Mbit/s，為Iub接口帶寬的33~150倍。而20MHz的LTE系統(tǒng)，8×8 MIMO配置下的基帶信號速率接近驚人的10Gbit/s。除此以外，工程上還必須考慮RRU的級聯(lián)問題，級聯(lián)級數(shù)越多，傳輸帶寬將成倍增加。

　　基帶數(shù)字信號傳輸還有較嚴格的傳輸延時、抖動和測量方面的要求。通常用戶平面的數(shù)據(jù)往返時間不能超過5μs。時延校準方面，每條鏈路或多跳連接的往返時延測量精度應(yīng)滿足±16.276ns。

　　可靠性方面，為確保任一光纖單點故障條件下整個系統(tǒng)仍能工作，BBU與RRU之間的傳輸鏈路應(yīng)采用光纖環(huán)網(wǎng)保住，通過不同管道的主、備光纖，實現(xiàn)鏈路的實時備份。

　　C-RAN要實現(xiàn)低成本的光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，因此BBU和RRU之間CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模塊的實現(xiàn)方案將成為影響這個系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要環(huán)節(jié)。當前可行的部署方案有光纖直驅(qū)模式、WDM傳輸模式和基于UniPon的傳輸模式三種（見表1）。

　　表1 低成本光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜N可行方案

　?。?）基帶池互聯(lián)技術(shù)

　　集中化基帶池互聯(lián)技術(shù)需要建立一個高容量、低延遲的交換矩陣。如何實現(xiàn)交換矩陣中各BBU間的互聯(lián)是基帶池互聯(lián)技術(shù)需要解決的首要問題。另一方面，還應(yīng)控制技術(shù)實現(xiàn)的成本。目前有一種思路是采用分布式的光網(wǎng)絡(luò)，將BBU合并成一個較大的基帶池。

　　基帶池互聯(lián)技術(shù)還需要開發(fā)專用的系統(tǒng)協(xié)議支持多個BBU資源間的高速、低延遲調(diào)度、互通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)負載的動態(tài)均衡。

　?。?）協(xié)作式無線信號處理技術(shù)

　　無線信號協(xié)作處理技術(shù)可以有效抑制蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)的頻譜效率。目前，多點協(xié)作技術(shù)在學術(shù)界已進行了較為廣泛的研究。多點協(xié)作算法需要在系統(tǒng)增益、回傳鏈路的容量需求和調(diào)度復雜度之間做平衡。

　　在該技術(shù)研究中目前主要考慮兩種方式：聯(lián)合接收/發(fā)送，協(xié)作式調(diào)度/協(xié)作式波束賦形（見表2）。

　　表2 協(xié)作式無線信號處理技術(shù)

　　無線信號協(xié)作處理技術(shù)目前距離實際使用仍有一定差距，一些重要技術(shù)問題目前仍在3GPP中進行研究和討論。要實現(xiàn)無線信號協(xié)作處理技術(shù)的實際運用，還要解決如下問題：

　　●如何實現(xiàn)高效的聯(lián)合處理機制。

　　●下行鏈路信道狀態(tài)信息的反饋機制。

　　●多小區(qū)用戶配對和聯(lián)合調(diào)度。

　　●多小區(qū)協(xié)作式無線資源和功率分配算法。

　?。?）基站虛擬化技術(shù)

　　基站虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)是高性能、低功耗的計算平臺和軟件無線電技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)的視角中，基站不再是一個個獨立的物理實體，而是基帶池中某一段或幾段抽象的處理資源。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實際的業(yè)務(wù)負載，動態(tài)地將基帶池的某一部分資源分配給對應(yīng)的小區(qū)。

　　計算平臺實現(xiàn)方面主要有兩種思路：信號處理器（DSP）方案和通用處理器（GPP）方案。

　　DSP方案是目前電信領(lǐng)域廣泛使用的技術(shù)方案，特別是SoC架構(gòu)的DSP出現(xiàn)以后，有效提高了基站基帶單板的處理能力。廠家圍繞DSP平臺開發(fā)了大量的實時操作系統(tǒng)并已成熟應(yīng)用，具備進一步開發(fā)基站虛擬化的基礎(chǔ)。DSP主要問題在于后向兼容性差，更換新型硬件后，原有軟件不能直接應(yīng)用，影響系統(tǒng)未來的平滑升級換代。由于缺乏統(tǒng)一的標準，不同廠家DSP平臺和實時操作系統(tǒng)的兼容性不佳。

　　傳統(tǒng)的GPP在性能、功耗等方面比DSP表現(xiàn)要差，但近幾年GPP在處理能力和功耗方面進展很快。多核、SIMD、大容量片內(nèi)緩存、低延遲片外存儲等技術(shù)的應(yīng)用，使得GPP逐漸具備實時處理基帶數(shù)字信號的能力。C-RAN技術(shù)考慮GPP的一個重要原因是，GPP具有良好的后向兼容性。GPP平臺上有多種統(tǒng)一、開放的操作系統(tǒng)，可以充分保證平臺的兼容性。GPP進行無線信號處理目前還處于起步階段，操作系統(tǒng)還需要按照實時基帶信號處理的要求進行修改和完善。

　　現(xiàn)有的多標準基站（MSR）的解決方案主要采用基帶板硬件獨立或軟件獨立加載的方式，部分解決了基站同時支持多標準的問題，但多標準之間無法共享基帶處理資源。在C-RAN架構(gòu)中，為實現(xiàn)資源的有效利用，軟件無線電技術(shù)重點要實現(xiàn)在統(tǒng)一計算平臺上以動態(tài)資源混合調(diào)度的方式實現(xiàn)多標準的集中處理。

　　基站虛擬化最終的目標是形成實時數(shù)據(jù)信號處理的基帶云。一個或多個基帶云中的處理資源由一個統(tǒng)一的虛擬操作系統(tǒng)調(diào)度和分配?；鶐г?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">智能識別無線信號類型，并分配相應(yīng)的處理資源，最終實現(xiàn)全網(wǎng)硬件資源的虛擬化管理。

　　（5）分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（DSN）的設(shè)想來自于互聯(lián)網(wǎng)目前已經(jīng)存在的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN），通過網(wǎng)絡(luò)邊緣內(nèi)容存儲，減少不必要的重復內(nèi)容傳送，以控制網(wǎng)絡(luò)的整體流量和時延。C-RAN寄希望于將分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云化的RAN架構(gòu)相結(jié)合，將無線側(cè)產(chǎn)生的大量移動互聯(lián)網(wǎng)流量移出核心網(wǎng)，以某種最優(yōu)方案在RAN中實現(xiàn)經(jīng)濟有效的內(nèi)容傳送，達到為核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)智能減負的目的。

　　分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實現(xiàn)需要網(wǎng)絡(luò)能夠智能識別邊緣服務(wù)中的目標應(yīng)用和服務(wù)類別，并根據(jù)服務(wù)的優(yōu)先級加以區(qū)別處理。

　　分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的智能化程度要求比較高，如何降低成本且有效管理也是目前一個比較大的問題，短期內(nèi)并沒有一個明確的結(jié)論。對于C-RAN來說，分布式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)將是其未來演進的一個方向，但相關(guān)理論和技術(shù)方法還需要進一步的研究。

　　5 主要技術(shù)挑戰(zhàn)

　　C-RAN技術(shù)愿景得到了通信業(yè)界的積極響應(yīng)，并引起了廣泛的討論。與之相對應(yīng)的，一些通信廠商也提出了各自解決方案，如阿朗的Light Radio，諾西的Liquid Radio，華為的云RAN，基本思路大體接近，都包含將無線模塊與基帶處理模塊相分離，基帶資源集中處理。

　　業(yè)界對于發(fā)展C-RAN主要疑慮包括兩個方面：

　　（1）基帶數(shù)字信號傳輸?shù)膸捄统杀締栴}

　　與傳統(tǒng)的RAN架構(gòu)相比，CPRI/Ir/OBRI接口上傳送的基帶數(shù)據(jù)信號速率是普通Abis/Iub接口傳送的解調(diào)后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信號速率的100倍以上。四載波三扇區(qū)的TD-SCDMA基站的基帶數(shù)字信號傳輸帶寬需求達到4Gbit/s，而20MHz單載波三扇區(qū)TD-LTE基站的基帶數(shù)字信號傳輸帶寬需求接近30Gbit/s。如果為節(jié)約光纖傳輸資源，RRU采用串聯(lián)方式接入到BBU池，總的傳輸帶寬可能達到100 ~1000Gbit/s，無疑給光傳輸網(wǎng)造成很大的壓力。

　　為降低光傳輸網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸負載，一些廠商提出了CPRI/Ir/OBRI接口的數(shù)據(jù)壓縮方案，包括降采樣率、非線性量化、IQ數(shù)據(jù)壓縮、子載波壓縮等技術(shù)方案，但以上這些技術(shù)方案，或增加設(shè)備實現(xiàn)的復雜度，或嚴重惡化系統(tǒng)性能，或產(chǎn)生較高的設(shè)備成本，幾方面因素無法兼顧。

　　是否能找到一種方法實現(xiàn)基帶數(shù)字信號的完美壓縮將可能影響C-RAN技術(shù)的推廣應(yīng)用。

　　（2）通用處理器何時真正完美支持實時無線信號處理

　　通用處理器是C-RAN去電信化的集中表現(xiàn)，從計算能力和成本角度考慮，通用處理器作為軟件化程度最高的處理方式應(yīng)該成為發(fā)展趨勢。與現(xiàn)有DSP處理器相比，通用處理器的操作系統(tǒng)和虛擬化能力也是其優(yōu)勢所在。

　　通用處理器在結(jié)構(gòu)和指令上與信號處理器有很大的區(qū)別。數(shù)字信號處理中存在大量數(shù)字累加計算（MACs），傳統(tǒng)信號處理器為適應(yīng)這種工作模式專門添加了進行單周期乘法操作的專門硬件和MAC指令。通用處理器高速緩存中的數(shù)據(jù)和指令無法被程序開發(fā)者直接控制，而對于信號處理器這些數(shù)據(jù)和指令對程序開發(fā)者是透明的。另外，通用處理器還不具備類似數(shù)字信號處理器的零循環(huán)控制機制和適用于數(shù)字信號處理的特殊尋址機制，程序執(zhí)行時間也無法準確預測。

　　如果要將通用處理器應(yīng)用于實時信號處理，就必須針對處理器的結(jié)構(gòu)和指令作必要的改變。

　　6 結(jié)束語

　　針對移動通信建網(wǎng)和運維成本的上升、多標準同時運營、移動互聯(lián)網(wǎng)帶來網(wǎng)絡(luò)負荷沖擊等現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)運營面對的實際問題，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入手提出了創(chuàng)新的C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，“顛覆性”地改變了移動通信網(wǎng)原有的建設(shè)和運營模式，極可能為將來移動通信市場開辟新的發(fā)展空間。

　　我們也需要看到，目前C-RAN技術(shù)框架內(nèi)還有一些技術(shù)細節(jié)仍待商榷，一些關(guān)鍵技術(shù)問題仍待攻克。C-RAN在其后繼演進中應(yīng)積極消化吸收來自設(shè)備廠商解決方案的已有技術(shù)成果，以期達到最終完善的目的。