关于C-RAN技术的发展报告

关于C-RA技术发展报告2011.11.28关于C-RAN技术的发展报告摘要：随着能源和电力价格的上涨，全球移动通信网络运营商面临日渐严重的成本压力。运营商获取站址和机房的难度也在不断加大，电信市场的竞争也越发激烈，面对这种局面，出于长期发展考虑，中国移动研究院提出了新的无线接入网架C-RAN。本热点首先简要叙述C-RAN技术的背景和概况，接着介绍C-RAN技术关键技术及特点，C-RAN技术在通信中预测得演变过程，最后介绍C-RAN国内外发展情况。关键词：C-RAN4C基带池协作式无线电一、背景及概况随着近几年能源和电力价格的上涨，全球移动通信网络运营商面临日渐严重的成本压力。欧洲各国2003~2009年间，工业电价年均上涨约10.47%，居民电价年均上涨约8.05%。自2004年以来，中国销售电价共调整6次，累计每千瓦时上调13.43分钱，年均上涨约4%，考虑到近两年国内用电缺口因素，国内电价短期内仍有进一步上涨的可能。运营商获取站址和机房的难度也在不断加大。全球大多数主流运营商通常同时拥有2~3个不同通信制式的网络，为保证网络的服务质量，需要部署大量的基站以解决网络覆盖的问题。站址和机房资源的相对稀缺，与不断增长的基站数量的矛盾在一定时期内无法协调，目前已成为运营商无法回避的难题。尽管在运营成本方面面临巨大压力，运营商的“盈利”能力并不随之提高。由于电信市场的激烈竞争，单用户平均收入（ARPU）增长缓慢甚至下降。运营商收入的下降必将导致建网和设备采购投资的压缩，进而影响到全行业的整体发展。面对这种局面，出于行业持续盈利和长期发展考虑，移动通信行业必须开辟一种新的思路。2010年4月，中国移动正式发布了面向绿色演进的新型无线网络架构C-RAN白皮书，阐述了对未来集中式基带处理网络架构技术发展的愿景。它有四个目标：关于C-RA技术发展报告2011.11.28（1）降低能源消耗，减少资本支出和运营支出。（2）提高频谱效率，增加用户带宽。（3）开放平台，支持多标准和平滑演进。（4）更好地支持移动互联网服务。C-RAN技术直接从网络结构入手，以基带集中处理方式共享处理资源，减少能源消耗，提高基础设施利用率。随着研究的进展，C-RAN技术概念不断被充实，并被赋予新的内涵。二、技术概况1、C-RAN的技术概念C-RAN架构主要包括三个组成部分：由远端无线射频单元(RRU)和天线组成的分布式无线网络；由高带宽低延迟的光传输网络连接远端无线射频单元；由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池，其机构如图1所示。分布式的远端无线射频单元提供了一个高容量广覆盖的无线网络。由于这些单元灵巧轻便，便于安装维护，系统CAPEX和OPEX很低，因此可以大范围高密度地使用。高带宽低延迟的光传输网络需要将所有的基带处理单元和远端射频单元之间连接起来。基带池由通用高性能处理器构成，通过实时虚拟技术连接在一起，集合成异常强大的处理能力来为每个虚拟基站提供所需的处理性能需求。集中式的基带处理大大减少了需要的基站站址中机房需求，并使资源聚合和大范围协作式无线收发技术成为可能。图1C-RAN架构图关于C-RA技术发展报告2011.11.282、C-RAN中“C”的四重含义C-RAN中的“C”目前实际上有四重含义，即基于集中化处理（CentralizedProcessing），协作式无线电（CollaborativeRadio）和实时云计算构架（Real-timeCloudInfrastructure）的绿色无线接入网构架（CleanSystem）。这四个C非常形象具体的介绍了C—RAN的特点。通过有效的减少机床的数量，从而达到降低耗电，减少机房空间的占用，包括租金等方面的成分，采用虚拟化，集中化和协作化的技术，达到资源的有效共享。通过一系列技术的提升，降低成本，提升整个服务网络的运用，包括网络的管理维护，网络运营的灵活性等，确保运营持续高效的发展。在基站的层面，主要采用集中化和虚拟化的技术，把基站集中起来，构建一个大的基站资源企业，同时采用虚拟化集群，这样多个基站群之间可以进行资源的共享和调度，有效的减少机房的设备，节省资源，提升资源利用率。现在高速的数据业务发展是一个必然的趋势，所以可以用传输网保障带宽的要求。采用无线电这样的技术，可以在网络当中多个射频单元采用协作方式，同时为多个终端提供服务。3、C-RAN解决方案自2010年下旬以来，中国移动开始推进C-RAN集中化部署。先后在广东等地现网进行了小规模的试点。大唐移动针对C-RAN一阶段集中式BBU方向，提出了从Ir传输、环网保护、基带池以及室外电源柜的综合创新解决方案，相比之前其他厂家在广东试点的方案，更具完善性和后续演进性，对C-RAN商用部署有很高的借鉴意义。大唐移动基于C-RAN第一阶段集中式基带池架构，提出的创新解决方案中的关键技术包括基带资源共享、环网保护方案、Ir传输方案、室外电源解决方案等。二、C-RAN的关键技术及其特点2.1、C-RAN由技术概念到实现，需要实现如下关键技术：2.1.1、低成本的光网络传输技术在BBU和RRU之间传输的为高速的基带数字信号，基带数字信号的传输带宽关于C-RA技术发展报告2011.11.28要求主要由无线系统带宽、天线配置、信号采样速率决定。目前，TD-SCDMA单载波宏小区所需要的四倍采样速率下的基带数字信号传输带宽约为330Mbit/s，为Iub接口带宽的33~150倍。而20MHz的LTE系统，8×8MIMO配置下的基带信号速率接近惊人的10Gbit/s。除此以外，工程上还必须考虑RRU的级联问题，级联级数越多，传输带宽将成倍增加。基带数字信号传输还有较严格的传输延时、抖动和测量方面的要求。通常用户平面的数据往返时间不能超过5μs。时延校准方面，每条链路或多跳连接的往返时延测量精度应满足±16.276ns。可靠性方面，为确保任一光纤单点故障条件下整个系统仍能工作，BBU与RRU之间的传输链路应采用光纤环网保住，通过不同管道的主、备光纤，实现链路的实时备份。C-RAN要实现低成本的光网络传输技术，因此BBU和RRU之间CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模块的实现方案将成为影响这个系统经济性的重要环节。当前可行的部署方案有光纤直驱模式、WDM传输模式和基于UniPon的传输模式。2.1.2、基带池互联技术集中化基带池(如图2）互联技术需要建立一个高容量、低延迟的交换矩阵。如何实现交换矩阵中各BBU间的互联是基带池互联技术需要解决的首要问题。另一方面，还应控制技术实现的成本。目前有一种思路是采用分布式的光网络，将BBU合并成一个较大的基带池。基带池互联技术还需要开发专用的系统协议支持多个BBU资源间的高速、低延迟调度、互通，实现业务负载的动态均衡。图2C-RAN集中放置基带池关于C-RA技术发展报告2011.11.282.1.3、协作式无线信号处理技术无线信号协作处理技术可以有效抑制蜂窝系统的小区间干扰，提高系统的频谱效率。目前，多点协作技术在学术界已进行了较为广泛的研究。多点协作算法需要在系统增益、回传链路的容量需求和调度复杂度之间做平衡。在该技术研究中目前主要考虑两种方式：联合接收/发送，协作式调度/协作式波束赋形。无线信号协作处理技术目前距离实际使用仍有一定差距，一些重要技术问题目前仍在3GPP中进行研究和讨论。要实现无线信号协作处理技术的实际运用，还要解决如下问题：●如何实现高效的联合处理机制。●下行链路信道状态信息的反馈机制。●多小区用户配对和联合调度。●多小区协作式无线资源和功率分配算法。2.1.4、基站虚拟化技术基站虚拟化技术的基础是高性能、低功耗的计算平台和软件无线电技术。在网络的视角中，基站不再是一个个独立的物理实体，而是基带池中某一段或几段抽象的处理资源。网络根据实际的业务负载，动态地将基带池的某一部分资源分配给对应的小区。计算平台实现方面主要有两种思路：信号处理器（DSP）方案和通用处理器（GPP）方案。基站虚拟化最终的目标是形成实时数据信号处理的基带云。一个或多个基带云中的处理资源由一个统一的虚拟操作系统调度和分配。基带云智能识别无线信号类型，并分配相应的处理资源，最终实现全网硬件资源的虚拟化管理。2.1.5、分布式服务网络技术分布式服务网络技术（DSN）的设想来自于互联网目前已经存在的内容分发网络（CDN），通过网络边缘内容存储，减少不必要的重复内容传送，以控制网络的整体流量和时延。C-RAN寄希望于将分布式服务网络技术与云化的RAN架构相结合，将无线侧产生的大量移动互联网流量移出核心网，以某种最优方案在RAN中实现经济有效的内容传送，达到为核心网和传输网智能减负的目的。关于C-RA技术发展报告2011.11.28分布式服务网络技术的实现需要网络能够智能识别边缘服务中的目标应用和服务类别，并根据服务的优先级加以区别处理。分布式服务网络技术对网络的智能化程度要求比较高，如何降低成本且有效管理也是目前一个比较大的问题，短期内并没有一个明确的结论。对于C-RAN来说，分布式服务网络将是其未来演进的一个方向，但相关理论和技术方法还需要进一步的研究。2.2、主要技术挑战C-RAN技术愿景得到了通信业界的积极响应，并引起了广泛的讨论。与之相对应的，一些通信厂商也提出了各自解决方案，如阿朗的LightRadio，诺西的LiquidRadio，华为的云RAN，基本思路大体接近，都包含将无线模块与基带处理模块相分离，基带资源集中处理。业界对于发展C-RAN主要疑虑包括两个方面：（1）基带数字信号传输的带宽和成本问题与传统的RAN架构相比，CPRI/Ir/OBRI接口上传送的基带数据信号速率是普通Abis/Iub接口传送的解调后的业务数据信号速率的100倍以上。四载波三扇区的TD-SCDMA基站的基带数字信号传输带宽需求达到4Gbit/s，而20MHz单载波三扇区TD-LTE基站的基带数字信号传输带宽需求接近30Gbit/s。如果为节约光纤传输资源，RRU采用串联方式接入到BBU池，总的传输带宽可能达到100~1000Gbit/s，无疑给光传输网造成很大的压力。为降低光传输网的数据传输负载，一些厂商提出了CPRI/Ir/OBRI接口的数据压缩方案，包括降采样率、非线性量化、IQ数据压缩、子载波压缩等技术方案，但以上这些技术方案，或增加设备实现的复杂度，或严重恶化系统性能，或产生较高的设备成本，几方面因素无法兼顾。是否能找到一种方法实现基带数字信号的完美压缩将可能影响C-RAN技术的推广应用。（2）通用处理器何时真正完美支持实时无线信号处理通用处理器是C-RAN去电信化的集中表现，从计算能力和成本角度考虑，通用处理器作为软件化程度最高的处理方式应该成为发展趋势。与现有DSP处理器相比，通用处理器的操作系统和虚拟化能力也是其优势所在。关于C-RA技术发展报告2011.11.28通用处理器在结构和指令上与信号处理器有很大的区别。数字信号处理中存在大量数字累加计算（MACs），传统信号处理器为适应这种工作模式专门添加了进行单周期乘法操作的专门硬件和MAC指令。通用处理器高速缓存中的数据和指令无法被程序开发者直接控制，而对于信号处理器这些数据和指令对程序开发者是透明的。另外，通用处理器还不具备类似数字信号处理器的零循环控制机制和适用于数字信号处理的特殊寻址机制，程序执行时间也无法准确预测。如果要将通用处理器应用于实时信号处理，就必须针对处理器的结构和指令作必要的改变。三、演进过程C-RAN在技术实现上分为三个阶段，逐步演进：（1）C-RAN集中化基站部署集中式基站内多个BBU互联互通构成高容量、低延迟的互联架构。远端的RRU通过互联架构交换到集中式基带池中任一个BBU。这种方式是对现有DSP平台的BBU进行集中化集成，可有效实现载波负载均衡、容灾备份，并达到提高设备利用率、减少基站机房数量、降低能耗的目的。另外，基于传统的CPRI/Ir/OBRI接口，实现不同厂家的RRU与基带池互联。（2）基于软件无线电和协作式无线信号处理的统一开放