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，為保證網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，需要部署大量的基站以解決網(wǎng)絡覆蓋的問題。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)絡架構C-RAN白皮書，闡述了對未來集中式基帶處理網(wǎng)絡架構技術發(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。

　　C-RAN技術直接從網(wǎng)絡結(jié)構入手，以基帶集中處理方式共享處理資源，減少能源消耗，提高基礎設施利用率。隨著研究的進展，C-RAN技術概念不斷被充實，并被賦予新的內(nèi)涵。

　　2 C-RAN的技術概念

　　C-RAN的系統(tǒng)架構，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，具備高帶寬、低延遲的光傳輸網(wǎng)絡連接遠端無線射頻單元，通用處理器和實時虛擬技術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)絡連接起來?；鶐幚韱卧˙BU）集中在一個物理站點構成基帶池。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没咎摂M化技術，支持基帶池物理資源和計算能力的虛擬分配和組合。

　　C-RAN在技術實現(xiàn)上分為三個階段，逐步演進：

　?。?）C-RAN集中化基站部署

　　集中式基站內(nèi)多個BBU互聯(lián)互通構成高容量、低延遲的互聯(lián)架構。遠端的RRU通過互聯(lián)架構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

　　在集中式基站基礎上，通過軟件無線電技術實現(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)比較成熟應用的技術，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。

　?。?）基于實時云架構的虛擬化基站

　　在基于軟件無線電技術的統(tǒng)一開放的BBU基帶池平臺的基礎上，在實時云架構基帶池系統(tǒng)軟件的控制下，形成更為巨大的實時云架構基帶池。云架構基帶池為每個接入的RRU指配虛擬的基帶處理資源。多個云架構基帶池之間可以通過高速光傳輸網(wǎng)絡相連，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）和實時云計算構架（Real-time Cloud Infrastructure）的綠色無線接入網(wǎng)構架（Clean System）。

　　3 C-RAN的技術優(yōu)勢

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

　　C-RAN的技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

　?。?）降低網(wǎng)絡能耗

　　集中化方式可以極大地減少機房的數(shù)量，機房配套設施也相應減少，特別是空調(diào)等散熱系統(tǒng)的減少，對網(wǎng)絡節(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，有效應對移動通信系統(tǒng)的潮汐效應；同時配合一些節(jié)能技術的應用，可在網(wǎng)絡負荷較輕的情況下，關閉RRU和BBU的一些資源，達到省電的目的。

　　（2）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)的建設和運維成本大大增加。

　　C-RAN集中化結(jié)構將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和租賃、空調(diào)等附屬設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)絡可以根據(jù)較大范圍的區(qū)域內(nèi)無線業(yè)務負載的變化進行自適應的均衡處理，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)絡容量。

　　4 C-RAN的關鍵技術

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

　?。?）低成本的光網(wǎng)絡傳輸技術

　　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)絡傳輸技術，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)絡傳輸?shù)娜N可行方案

　?。?）基帶池互聯(lián)技術

　　集中化基帶池互聯(lián)技術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)技術需要解決的首要問題。另一方面，還應控制技術實現(xiàn)的成本。目前有一種思路是采用分布式的光網(wǎng)絡，將BBU合并成一個較大的基帶池。

　　基帶池互聯(lián)技術還需要開發(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)務負載的動態(tài)均衡。

　?。?）協(xié)作式無線信號處理技術

　　無線信號協(xié)作處理技術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)作技術在學術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

　　無線信號協(xié)作處理技術目前距離實際使用仍有一定差距，一些重要技術問題目前仍在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

　　基站虛擬化技術的基礎是高性能、低功耗的計算平臺和軟件無線電技術。在網(wǎng)絡的視角中，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)絡根據(jù)實際的業(yè)務負載，動態(tài)地將基帶池的某一部分資源分配給對應的小區(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方案是目前電信領域廣泛使用的技術方案，特別是SoC架構的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)并已成熟應用，具備進一步開發(fā)基站虛擬化的基礎。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的應用，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架構中，為實現(xiàn)資源的有效利用，軟件無線電技術重點要實現(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。基帶云智能識別無線信號類型，并分配相應的處理資源，最終實現(xiàn)全網(wǎng)硬件資源的虛擬化管理。

　　（5）分布式服務網(wǎng)絡技術

　　分布式服務網(wǎng)絡技術（DSN）的設想來自于互聯(lián)網(wǎng)目前已經(jīng)存在的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN），通過網(wǎng)絡邊緣內(nèi)容存儲，減少不必要的重復內(nèi)容傳送，以控制網(wǎng)絡的整體流量和時延。C-RAN寄希望于將分布式服務網(wǎng)絡技術與云化的RAN架構相結(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。

　　分布式服務網(wǎng)絡技術的實現(xiàn)需要網(wǎng)絡能夠智能識別邊緣服務中的目標應用和服務類別，并根據(jù)服務的優(yōu)先級加以區(qū)別處理。

　　分布式服務網(wǎng)絡技術對網(wǎng)絡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，分布式服務網(wǎng)絡將是其未來演進的一個方向，但相關理論和技術方法還需要進一步的研究。

　　5 主要技術挑戰(zhàn)

　　C-RAN技術愿景得到了通信業(yè)界的積極響應，并引起了廣泛的討論。與之相對應的，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、子載波壓縮等技術方案，但以上這些技術方案，或增加設備實現(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技術的推廣應用。

　?。?）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用于實時信號處理，就必須針對處理器的結(jié)構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)絡負荷沖擊等現(xiàn)階段網(wǎng)絡運營面對的實際問題，從網(wǎng)絡結(jié)構入手提出了創(chuàng)新的C-RAN網(wǎng)絡架構，“顛覆性”地改變了移動通信網(wǎng)原有的建設和運營模式，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技術框架內(nèi)還有一些技術細節(jié)仍待商榷，一些關鍵技術問題仍待攻克。C-RAN在其后繼演進中應積極消化吸收來自設備廠商解決方案的已有技術成果，以期達到最終完善的目的。