云無線接入網的系統架構和技術演進*

閆 實，王文博

（北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室 北京100876）

1 引言

隨著第四代移動通信（4G）技術在全球的加速部署和商業運作，人們對于數據業務的需求越來越高。然而，在網絡系統容量越來越高、用戶體驗越來越好的背后，移動網絡運營商用于建設、運營、升級無線網絡的支出不斷增加，而收入卻增加緩慢。為了應對即將在2020年到來的移動互聯網數據爆炸，同時保持移動運營商的持續盈利和長期增長，全球范圍內的通信技術人員都在尋找新一代能夠以低成本為用戶提供無線業務的方法。其中，無線接入網（RAN）的綠色、低成本、靈活部署成為革新的重要方面。數據業務流量增長曲線如圖1所示。

無線接入網是移動通信系統的重要組成部分，提供某個設備（如移動電話、一臺計算機或任何遠程控制機）與核心網（CN）的接入，可以向用戶提供不間斷高質量的數據服務。傳統的無線接入網在運維過程中存在著如下五大挑戰[1]：

圖1 數據業務流量增長示意

·大量基站導致高額能耗；

·網 絡 的CAPEX/OPEX（capital expenditure/operating expense，資本支出/運營成本）逐年增高；

·大容量、低成本的需求；

·導致基站利用率低下的潮汐效應；

·互聯網業務爆炸性增長對核心網的巨大壓力。

這些挑戰使得移動運營商的運營維護成本逐年增加，利潤卻不能同步增長。無線接入網必須重新考慮新的網絡框架，以適應新的環境，并找到可以適用于移動互聯網性能、成本低的無線接入網絡的綠色建筑的方法。新一代無線接入網應具備以下特征：

·降低能源消耗，減少資本開支和運營開支；

·提高頻譜效率，增加用戶帶寬；

·開放平臺，支持多標準和平滑升級；

·對終端用戶提供更友好的互聯網服務。

在此背景下，2010年，中國移動通信有限公司研究院提出了全新的面向綠色演進的無線網絡架構——C-RAN，即通過基帶資源集中處理、協作式無線電（cooperative radio）和實時云計算（real-time cloud computing）無線網絡架構，實現更加清潔的無線移動網絡。在2011年10月于瑞士日內瓦舉行的ITU國際電信通信展上，中國移動展出了可同時支持C-RAN的GSM/TD-SCDMA/TD-LTE標準的多模C-RAN原型機。受此驅動，國內外對C-RAN的原理和關鍵技術進行了深入研究，C-RAN因其融合了計算和通信技術，在提高能效率和譜效率方面具有顯著的技術優勢，被視為下一代移動通信系統（即5G）的核心關鍵解決方案之一，無論是在工業界還是在學術界，都展開了深入的研究和討論。

2 C-RAN的網絡架構

C-RAN融合了集中化處理、協作式無線電以及實時云計算構架[2,3]，根據BBU（building base band unit，室內基帶處理單元）和RRU（remote radio unit，遠端射頻單元）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分方法，存在兩種C-RAN架構，兩者都包括3個組成部分：由RRU和天線組成的分布式無線網絡；連接遠端無線射頻單元的低時延、高帶寬的光傳輸網；由實時虛擬技術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架構如圖3(a)所示，有易于升級和網絡擴容的優點，還具有更好的支持多操作標準的容量，能實現最大資源共享，更便于支持多單元協作信號處理；主要缺點是為獲取基帶I/Q信號，BBU間的帶寬需求很高。在極端情況下，一個20 MHz帶寬的TD-LTE 8天線需要10 Gbit/s的數據傳輸速率。部分集中式C-RAN架構如圖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。與完全集中式架構相比，BBU-RRU的連接只需要攜帶解調數據，其只占原始基帶I/Q示例數據的1/20～1/50。然而，它也有自己的缺點：由于基帶處理功能融入RRU中，其升級的靈活性降低，并且不便于多單元協作信號處理。

圖2 C-RAN的兩種網絡架構分割方式

在兩種不同的架構下，移動運營商可以根據不同的負載、不同的業務類型，快速靈活地進行部署并能夠及時方便地升級。當網絡需要擴充容量或者擴大覆蓋范圍時，操作人員只需要增加新的遠程射頻單元，并用光纖將其連接到集中的BBU即可；當網絡的負載增加時，操作人員也僅需要在中心機房添加一個新的通用BBU就可以增強系統的處理能力。結合開放式平臺和處理器的“全集成方案”將使軟件無線電技術更易于實現。

C-RAN與傳統分布式網絡的不同之處在于，遠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RRU都獨立于任何一個固定的基帶處理單元實體，RRU發送或接收到的信號通過資源調度和共享在虛擬基站進行處理，而虛擬基站的處理能力則由一個實時虛擬基帶池分配。實時虛擬技術的應用使得C-RAN系統各接口的兼容性和匹配靈活性達到最大。

3 C-RAN架構的優勢與性能提升

第2節所述的完全集中式處理和部分集中式處理方案所對應的關鍵技術還在發展和演進中，能夠根據網絡實際情況而適時地部署在不同的應用場景中。相對于傳統網絡架構，C-RAN架構的優勢主要體現為以下幾點。

3.1 升級簡便，部署快速

傳統網絡建設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架構下，BBU集中放置于某地的骨干機房，每個遠端無線射頻單元通過光纖拉遠至覆蓋點。操作人員只需安裝遠端設備、天線及配置電源，無需新建任何固定站點和租賃新的機房，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、升級快速的非常經濟有效的方法，大大降低了運營商對無線接入網的建設和維護成本。采用虛擬基站技術后，網絡僅需數月就可實現升級換代，而傳統基站網絡每次升級可能需要花費數年的時間。

圖3 兩種不同的C-RAN架構示意

3.2 節約成本，提高網絡能效率

C-RAN的基本原理是將集中式BBU以及一些輔助配套設施，同時集中放在骨干的中心機房進行管理，簡化了運營管理，相對于傳統接入網絡的大多數基站站址，節省了大量運營成本。C-RAN中遠端射頻單元在功能上大幅簡化，與之相對應的功耗、維護費用也相應降低。不同RRU的基帶信號，可以在基帶池中動態調度以實現集中處理，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備尤其是機房空調所帶來的功耗。

在非高峰期，用戶數不多的情況下，可以降低甚至關閉非忙碌工作節點，或者將少量用戶切換到附近節點從而關閉某節點，在不影響系統覆蓋和服務質量的前提下，減少潮汐效應帶來的損害，同時能夠節省能源，這也符合綠色通信的要求。中國移動與其供應商及合作伙伴利用現有的商用設備，于2010年在廣東省珠海市的實地網絡中進行了C-RAN TD-SCDMA集中化部署試驗，部署驗證結果顯示，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絡的建設和運營成本，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絡，單基站節省空調用電功耗達到75.3%[4]。

圖4 C-RAN與傳統宏基站小區能效對比

兩層C-RAN異構網絡與傳統宏基站小區的能效對比如圖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異構網絡場景的能耗。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和宏基站頻率復用，曲線4代表RRU和宏基站的部分資源正交，部分資源復用。可以看出，4個場景的能效依次增加，C-RAN場景下部分資源正交、部分資源復用的方案最優。

3.3 自適應資源分配以提高網絡容量

所有用戶在整個通信過程中接收和發送的信息、無線數據業務信息和信道質量參數等信息都在基帶池中得到共享并進行調配，這樣網絡就可以根據不同區域或不同時段靈活調配處理資源，減少不均衡負載所帶來的一系列問題。與此同時，大量的互聯網業務被分化或轉移出核心網絡。多點協作（coordinated multiple point，CoMP）技術在C-RAN架構下也更易實現，多個RRU可以形成一個天線陣列為單一用戶服務，把原來的干擾轉化成有用信號，從而可以顯著提高系統容量，同時也可以為用戶帶來更好的服務體驗。C-RAN上行聯合多個RRU共同解碼的容量與傳統單一基站處理的容量性能對比如圖5所示。

圖5 C-RAN多RRU聯合處理與傳統單宏基站小區容量對比

4 C-RAN演進路線及挑戰

作為下一代無線接入網演進的核心關鍵方案之一，C-RAN越來越受到運營商、設備廠商和國內外科研學術界的重視，大家對于C-RAN需求和技術演進的看法日趨明朗。下面將對C-RAN漸進式的技術演進和可能遇到的問題進行簡單介紹。

4.1 大規模分布式RRU網絡

C-RAN架構下的大規模分布式RRU網絡類似于傳統分布式網絡，可以通過大量只包含射頻模塊的新節點拉近用戶和天線間的距離，獲得更高的頻率復用。不同點在于，傳統分布式網絡的所有基帶處理仍集中于基站，天線站相當于基站的不同扇區；而在C-RAN架構下，RRU通過光纖可以拉遠至任意位置擇優部署，不再受單一BBU束縛。所有從遠端無線射頻單元發來的數字基帶信號可以被路由分配至指定資源池中的基帶單元進行處理，這樣任何獨立的基帶處理單元的錯誤都不會影響系統的功能，實現在單元錯誤情況下的高可靠性。

在具體實現上，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、拓撲靈活的交換網絡互聯互通；其次，要考慮到各個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間進行協同控制時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）是一種新型的網絡技術，基于軟件定義的協議而非通過硬連線實現。在C-RAN架構中，作為整個網絡處理和分析核心的基帶處理功能，就可用軟件無線電實現。從分布式的RRU處收集上行、下行信道信息和用戶數據的過程以及攜帶這些信息的虛擬基站間接口協議和功能實現等，也可通過下載軟件和更新進行升級，而無需升級硬件。在C-RAN架構下運用軟件無線電技術還可以實現如CoMP處理、多接入網虛擬化以及動態小區重置等功能。

軟件無線電作為實現C-RAN最重要的技術之一，在實現上必須有可重新編程和可重構的能力，使設備可以適用于各個標準，增強各個設備商不同設備間的互聯互通，以提高系統兼容性。

4.3 云基帶池的協作式處理

云基帶池和基于云基站池的全局協作處理是C-RAN架構的兩個特征，云基帶池是由大量基帶處理單元通過互聯框架連接形成的巨大計算池。遠端射頻單元將接收到的無線信號通過高速光纖和負載轉換器發送到軟件無線電虛擬基站后，需要進行實時協作處理，在極短時間內快速、高效地交換多個基站間的調度信息、信道信息和用戶數據，并最終由云基帶池實時動態分配的計算資源完成無線基帶信號的處理。

在實際部署中，高速光纖的鋪設和負載均衡器的設置都是工程施工和成本的重大挑戰，協作處理時的調度開銷和反饋量提升也是需要進行深入研究的重點。

4.4 信令與控制分離機制

現存的無線網絡最初的設計目的是滿足用戶及傳統業務應用（如語音及視頻業務）的需求，但隨著越來越多的新型業務類型的出現，移動數據業務呈指數型增長，這些業務，特別是短時突發業務（如即時通信（instant message，IM）類業務，包括文字、圖片、周期性回傳信息等），對移動網絡提出全新的挑戰。這些移動應用帶來的最大問題是造成網絡通信和空閑狀態頻繁切換，不僅損害設備電池，更給移動網絡帶來大量額外的信令開銷。現在的網絡對所有類型的業務只設計了一種面向連接的信令/控制機制，這就導致在突發數據流出現時會產生大量額外開銷。

在C-RAN架構下，傳統的信令/控制機制會被一種聯合面向連接和無連接的全新機制所取代，這種機制可以根據不同業務類型以及網絡負載進行動態調整。將來用戶體驗等指標也將被考慮到對信令的優化中，如持續性通信業務相對于即時通信業務在時延和可靠性方面更加寬松，針對這兩種不同業務進行特殊的信令設計就可以最大限度地節省開銷。

4.5 全雙工基站技術

傳統的蜂窩網絡都是單一的頻分雙工或時分雙工，為了提高頻譜效率以及系統能效，全雙工基站技術越來越受到運營商的注意，基站采用全雙工技術可以實現同時同頻的傳輸或接收不同終端的數據。由于在發射和接收過程中不可避免地出現發送信息對接收信息造成的自干擾，干擾消除技術是全雙工系統成功的關鍵。

為了緩解這一問題，首先需要獲知用戶間干擾信道的狀態信息，進一步利用功率控制等手段調度上行和下行用戶對，從而減小自干擾。現有的一些抗干擾技術，如天線配置技術、正交極化技術、干擾對齊技術以及數字消除技術等都可以部分減少自干擾，但更全面高效的干擾消除技術還有待進一步的研究。

5 結束語

在用戶對數據業務需求越來越高的時代，傳統無線接入網高額的運營維護費用已經不能滿足運營商對于利潤的追求，建設一個綠色節能、保持長期盈利的可持續發展網絡是所有運營商的夢想。C-RAN作為一個全新的網絡架構受到越來越多運營商的重視，勢必成為未來發展的方向。本文從架構、優勢、技術演進等方面分析了C-RAN技術的特點，給出了初步的解決方案，為未來云無線接入技術研究提供了一種新的思路。

1 China Mo bile Research Institute.C-RAN,the Road Towards Green RAN.White Paper,2011

2 Demestichas P,Georgakopoulos A,Karvounas D,et al.5G on the horizon.IEEE Vehicular Technology Magazine,2013(9):47～59

3 Chih-Lin I,Rowell C.Toward green and soft:a 5G perspective.IEEE Communications Magazine,2014(2):66～73

4 謝仲威.淺談C-RAN技術的應用.電子制作,2013(12)

5 Peng M G,Wang W B.Technologies and standards for TDSCDMA evolutions to IMT-Advanced.IEEE Communications Magazines,2009,47(12):50～58

6 Peng M G,Liu Y,Wei D Y,et al.Hierarchical cooperative relay based heterogeneous networks.IEEE Wireless Communications,2011,18(3):48～56

7 Li H M，Hajipour J，Attar H,et al.Efficient HetNet implementation using broadband wireless access with fiber connected massively distributed antennas architecture.IEEE Wireless Communication,2011(3):72～78