Cloud RAN 和移動邊緣計算——二者形成分歧

　　過去幾年中，無線基礎架構的部署已越來越多地向分布式基站架構轉(zhuǎn)移。這種架構對基帶處理池進行集中化（有時稱為超級宏），能夠支持更多無線電設備，從而實現(xiàn)更有效的覆蓋和負載平衡。Cloud RAN 概念將集中式基站池直接放在云中，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)與內(nèi)容或數(shù)據(jù)存儲庫處在相同位置。Cloud RAN 有多種優(yōu)點，它允許使用更低成本的計算資源，充分利用現(xiàn)成的服務器機箱進行低成本 RAN 部署，實現(xiàn)負載平衡，以及顯著簡化網(wǎng)絡配置。同時，由歐洲電信標準協(xié)會 （ETSI） 移動邊緣計算行業(yè)標準小組 （MEC ISG） 支持的移動邊緣計算正在興起，其概念是將計算放在邊緣，與基帶池放在相同位置，以維持本地內(nèi)容高速緩存，從而改善用戶服務。根據(jù)用戶偏好進行本地內(nèi)容高速緩存可縮短時延并處理臨時數(shù)據(jù)（例如基于位置的分析），但這需要邊緣計算。這兩種架構概念建議在網(wǎng)絡中的不同節(jié)點上部署計算。從表面上看，這兩種相互矛盾的架構似乎起到相反作用，在網(wǎng)絡中形成了分歧。但通過更深入觀察，您會發(fā)現(xiàn)平衡的網(wǎng)絡部署方案可利用這兩者的優(yōu)點，使這兩種矛盾的技術相互補充，支持新的服務內(nèi)容。

　　十多年前，分布式基站的概念開始問世，目的是克服使用同軸線纜從位于塔底的傳統(tǒng)基站向安裝在塔頂?shù)?a target="_blank">天線發(fā)送信號時的功率損耗問題。遠程射頻單元位于緊鄰塔頂天線的位置，以避免功率損耗。這些遠端射頻單元通過光纖連接至基帶 BTS 機架。制定的通用公共無線接口（CPRI） 協(xié)議用來傳輸數(shù)據(jù)和同步遠端射頻。在有些無法使用光纖的情況下，使用微波或毫米波無線電來傳送 CPRI 有效負載。這種架構轉(zhuǎn)變使運營商有望能夠混合使用和匹配來自不同系統(tǒng)廠商的無線電和基帶機架，以降低成本，改善供應鏈，以及簡化庫存管理。然而互操作性問題讓這種希望化為了泡影，不過為一級系統(tǒng)廠商開啟了新方法，使其能夠利用來自小廠商的無線電設備來控制針對不同地區(qū)的無線電設備種類的快速增長。

　　分布式基站架構已經(jīng)生根。這種架構對基帶處理池進行集中化（有時稱為超級宏），能夠支持更多的無線電設備，從而實現(xiàn)更有效的覆蓋和負載平衡。數(shù)據(jù)中心和云計算的成功催生了 Cloud RAN 概念。Cloud RAN 通過對運行在服務器群上的基帶池進行虛擬化來擴展分布式基站架構。Cloud RAN 有多種優(yōu)點，它允許使用更低成本的計算資源，充分利用現(xiàn)成的服務器機箱進行低成本 RAN 部署，實現(xiàn)負載平衡，以及顯著簡化網(wǎng)絡配置。當廣泛實現(xiàn)時，Cloud RAN 能確保讓第三方提供商擁有網(wǎng)絡，使多個虛擬網(wǎng)絡提供商能夠?qū)Ｗ⒂趦?nèi)容和服務。

　　亞太地區(qū)接受 Cloud RAN 架構比較早，因為這里的運營商具有充足的光纖資源來部署遠程射頻單元。電信運營商正在研究將 1 至 3 層基站協(xié)議棧和演進分組核心網(wǎng)作為虛擬機在現(xiàn)成的服務器上托管。第 1 層基帶功能、分組處理以及安全性需要服務器使用專用加速卡，因為通用計算無法高效實現(xiàn)這些功能以獲得所需的高吞吐量和低時延性能。將基站以一組軟件功能的形式進行托管，這樣具有很大優(yōu)勢。電信運營商再也不需要根據(jù)峰值容量要求擴建網(wǎng)絡了。而是根據(jù)需要在云中例化基站，以提供所需的覆蓋范圍和容量。Cloud RAN 允許基站位于存儲大部分內(nèi)容的數(shù)據(jù)中心內(nèi)。這樣能實現(xiàn)更高的效率以及內(nèi)容的有效傳播。

　　目前有幾大障礙正阻礙 Cloud RAN 的普及。到遠程射頻單元的低時延低抖動長距離連接就是一個很大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)成的服務器不具備高效運行基帶處理所需的計算資源。應使用電信級服務器，這種服務器具備 L1 基帶加速卡，可用來托管運行于虛擬環(huán)境的基帶處理池。在有些地區(qū)比較落后的系統(tǒng)廠商在這項技術上則處于領先地位，以打破市場格局并獲得市場份額，迫使優(yōu)勢廠商為穩(wěn)住市場份額而采取跟隨策略。電信運營商歡迎這一趨勢的到來，目的是使他們的云計算資產(chǎn)與網(wǎng)絡基礎設施協(xié)調(diào)發(fā)展，以簡化部署和維護工作。

　　圖 1 - Cloud RAN 網(wǎng)絡架構

　　分布式基站具備獨特的優(yōu)勢，能夠根據(jù)本地用戶偏好高速緩存內(nèi)容，以改善服務交付，并在數(shù)據(jù)源附近處理數(shù)據(jù)以滿足時延敏感型應用需求。在臨近用戶的邊緣進行數(shù)據(jù)處理，能實現(xiàn)超低時延訪問，使定制服務部署成為可能。MEC 將 IT 與通信在網(wǎng)絡邊緣整合，以實現(xiàn)新的服務和業(yè)務。位置服務、物聯(lián)網(wǎng) （IoT）、視頻分析、增強現(xiàn)實、本地內(nèi)容分配以及數(shù)據(jù)高速緩存都屬于經(jīng) MEC 鑒定的用例。要想使用 MEC 架構，應向宏基站和超級宏基站添加服務器，用以進行本地計算和存儲，以支持新的應用。人們正在開發(fā)應用開發(fā)協(xié)議棧、工具和框架，以使生態(tài)系統(tǒng)能夠推出新的應用，并整合針對多種垂直市場的服務項目。MEC 的主要障礙在于為基站添加服務器和存儲設備所產(chǎn)生的場地租金，以及維護和收費策略。目前，收費策略和規(guī)則功能是由電信運營商控制的核心網(wǎng)絡的一部分。派生的 PCRF 功能需要在基站中本地托管，以讓電信運營商和其他內(nèi)容提供商公平地向終端用戶收取服務費。

　　圖 2 - 移動邊界計算的概念圖

　　針對 2020 年信息社會的 5G 技術會進一步加深 Cloud RAN 與 MEC 之間架構對立所形成的兩難境地。為了用越來越稀少且有限的頻譜滿足 2020 年的預期數(shù)據(jù)需求，5G 的目標是繼續(xù)通過技術（例如面向 6GHz 以下和 6GHz 以上頻譜的 Massive MIMO）來改善頻譜效率。Massive MIMO 系統(tǒng)使用大量天線來形成單位用戶波束，這樣能顯著改善能效和吞吐量。此外，Massive MIMO 還有一大優(yōu)勢，允許天線信號鏈使用便宜的低功耗元件。Massive MIMO 技術非常適合毫米頻率和厘米頻率，這些頻率資源價格便宜而且使用率低，擁有大塊連續(xù)頻譜。這種頻率下的窄筆形波束會產(chǎn)生較大的天線增益，能夠補償高傳播損耗。除了優(yōu)勢外，Massive MIM 也存在一些不足之處。通過預編碼實現(xiàn)數(shù)字波束形成以處理大量有效無線電信號鏈和 L1 基帶時，復雜度顯著增加?；鶐幚硇盘栨満蜔o線電之間的帶寬要求顯著提高。為了經(jīng)濟實惠地實現(xiàn)這些系統(tǒng)，有必要將 L1 基帶信號處理與無線電進行集成。未來的這種功能劃分可能會導致網(wǎng)絡節(jié)點回到傳統(tǒng)基站架構，即所有 L1 至 L3 層和無線電功能都處在相同位置。

　　圖 3 - 毫米波 Massive MIMO （200 MHz 64x64 天線陣列）系統(tǒng)

　　移動邊緣計算和 Massive MIMO 技術有可能意味著分布式基站的整合，因從阻礙向 Cloud RAN 的轉(zhuǎn)變。實際上，頻譜限制使人們有必要使用多種不同網(wǎng)絡架構共存的優(yōu)點，以滿足不斷增長的帶寬需求。單元密度增加使得稀有頻譜資源的重用成為可能。未來幾年，這種趨勢將使分布式基站變得更像是迷你型數(shù)據(jù)中心。另一方面，將 Cloud RAN 分成許多迷你型數(shù)據(jù)中心或許是利用遠程射頻單元連接來滿足嚴格的確定性時延和同步要求的一種方法。兩種架構也許會在中間靠攏。Cloud RAN 和 MEC 架構可以共存以相互補充。Cloud RAN 可以依靠邊緣計算節(jié)點的低時延和臨近優(yōu)點；而邊緣計算則受益于集中試網(wǎng)絡部署、管理和服務提供。只有時間能告訴人們在未來的 3 至 5 年里隨著行業(yè)向 5G 轉(zhuǎn)移，這兩種架構的采用情況。最終用戶應用、基于網(wǎng)絡部署與維護成本的運營商偏好以及設備廠商的系統(tǒng)解決方案都可能是決定二者之間微秒平衡的關鍵因素。

　　總之，無線網(wǎng)絡中的異構性還將繼續(xù)增加。不大可能決出明顯的勝者。需要在 Cloud RAN 與移動邊緣計算設備之間實現(xiàn)良好平衡以有效支持無線寬帶服務。無線寬帶生態(tài)系統(tǒng)不會傾向某個極端，而是要平衡投資以繼續(xù)構建互補技術，從而有效服務于 2020 的信息社會。