面向綠色演進的新型無線接入網架構

無線接入網系統目前，移動運營商面臨著激烈的競爭環境，建設和更新寬通道網絡的成本正在增加。與此同時，巨大的基站運營意味著高運營和維護成本（能耗、手動維護等）。隨著移動互聯網、物聯網的逐漸興起,無線網絡中的數據流量迅速上升;此外,隨著競爭的加劇,每用戶平均收入(ARPU,AverageRevenuePerUser)增長緩慢,甚至不斷下降,這些因素都將嚴重地影響移動運營商的盈利能力。為了保持持續盈利和長期增長,移動運營商必須追求低成本為用戶提供服務。無線接入網(RAN)是移動運營商賴以生存的重要資產,通過無線接入網可以向用戶提供7×24小時不間斷、高質量的數據服務。傳統的無線接入網具有以下特點:第一,每個基站連接若干固定數量的扇區天線并覆蓋小片區域,每個基站只能處理本小區收發信號;第二,系統的容量是干擾受限,各個基站獨立工作已經很難增加頻譜效率;第三,基站通常都是基于專有平臺開發的“垂直解決方案”。這些特點帶來了以下挑戰:數量巨大的基站意味著高額的建設投資、配套、電力消耗、站址租賃以及維護費用,建設新的站點意味著更多的資本開支和運營開支。此外,現有基站的實際利用率還有待提高,網絡的平均負載一般來說大大低于忙時負載,而不同的基站之間不能共享處理能力,也很難進一步提高系統效率。最后,專有的平臺意味著移動運營商需要維護多個不兼容的平臺,需要不同的人員來維護。總而言之,傳統架構的無線接入網在移動互聯網時代面臨著降低成本、提高性能和節能減排的挑戰因此,無線接入網必須重新考慮新的網絡構架以適應新的環境,找到一個可以建立適合移動互聯網的高性能、低費用的綠色無線接入網方法。2、移動運營商面臨的挑戰2.1采取新的技術來降低能耗移動運營商通過增強空中接口能力,以及增加基站數量來滿足不斷增長的無線寬帶業務,隨之而導致的能量消耗問題也變得日益嚴重。高能耗意味著高運營成本(OPEX,OperatingExpense)以及巨大的環境沖擊,而這些因素在現有的社會形勢下變得越來越難以接受,節能減排已經迫在眉睫。顯然,基站節能減排的直接途徑是降低基站數量,但將導致同樣的覆蓋問題。因此,運營商需要謀求更加有效的方式降低能耗;1)采用主設備節能技術,積極應用創新性的網絡節能產品與技術,實現節能降耗。例如,通過采用無線網設備軟件節電方案,可減少基站功耗;通過載頻智能關斷技術,動態控制電源,根據忙閑和話務量高低關閉閑置載頻,同樣可降低基站功耗。2)建設綠色能源基站,中國移動積極在供電系統覆蓋不到的邊遠地區引入新能源,探索建設綠色能源基站,充分利用當地自然條件,采用太陽能、風能等可再生能源。3)采用節能空調技術,充分結合當地氣候和環境特點,應用、推廣綠色環保技術來提高網絡設施空調系統的效率,降低空調這些配套設備的能耗。上述方法都是當前降低能耗的輔助手段。長期來看,運營商需要從網絡架構設計開始考慮低能耗準則,以滿足產業長期發展要求。隨著國家宣布2020年單位GDP碳減排40-45%,運營商不僅需注重企業自身的環境影響管理和節能降耗,更需努力發揮企業技術優勢與影響力,不斷開發和提供具有良好環境效益的行業信息化應用,帶動社會共同參與環境保護。2.2capex和opoc研究近幾年來,隨著移動用戶智能終端以及數據卡的普遍使用,世界各地的移動運營商必須不斷地對網絡擴容,以滿足用戶的移動寬帶需求。然而,隨著電信市場競爭日趨激烈,市場逐漸走向飽和,導致語音業務ARPU逐年下降,加上技術發展網絡更新改造速度加快,將不斷增加資本性支出(CAPEX,CapitalExpenditure)和OPEX投入,進一步削弱運營商的盈利能力。這些因素使得運營商需要比以往更加關注CAPEX和OPEX以保證持續的競爭能力。一般而言,移動運營商網絡的CAPEX中80%用于無線接入網的建設,而無線接入網建設費用主要用于無線蜂窩站點的建設。2007年至2012年,全球各類3G網絡的CAPEX支出計劃逐年增加。由于3G/B3G的部署頻點高于已有的GSM網絡,這意味著為了保持與2G網絡同樣的覆蓋范圍,需要建造更多的蜂窩站點。因小區建站而引起的CAPEX主要包括設備購買以及建設相關的工程費用,如圖1所示,購買基站主設備只占據CAPEX的36%,而勘站、土建以及配套設備所導致的資本支出接近50%。這意味著超過一半的CAPEX沒有被用于產生直接效益的無線主設備單元。因此,對于運營商而言,降低接入網的CAPEX不僅局限于基站主設備,更多需要關注如何有效降低基站配套設備以及站點安裝、部署的成本上面。在網絡整體擁有成本(TCO)中,產生于網絡運維階段的OPEX同樣占據了重要比例。如圖2所示,假設基站主設備具有7年的折舊期,OPEX占到TCO的60%以上。因此,除了CAPEX,運營商需要意識到OPEX的成本控制更加重要,而成本控制的前提是必須首先保證網絡能夠提供高質量的服務以及良好的用戶體驗,然后在此前提下去關注如何降低網絡中沒有產生直接效益的資本支出。2.3網絡容量擴張導致用戶收益下降隨著3G/B3G等新技術的不斷發展,移動系統的峰值速率也快速提升,隨即引發了移動用戶的數據流量迅速增加。隨著LTE以及LTE-A網絡的部署,未來幾年內,移動寬帶用戶數量將快速增長。移動用戶也開始嘗試各種需要更高帶寬的多媒體服務,如基于視頻的應用等。如圖3所示,據CiscoVNI預測,2008年到2013年全球的移動數據流量將增加66倍,每年的復合增長率為131%。與此同時,空口的峰值速率從3G到LTE-A只以每年55%的復合增長率提高。這意味由于技術標準升級而帶來的空中接口速率的增長速度難以滿足數據流量增長的需求。因此,為進一步滿足容量的需求,站點建設將越來越密集,也隨即帶動了各類成本支出的增加。為解決這些問題,需要提出新的網絡架構以及空口技術以進一步增強移動通信網絡的性能。另一方面,運營商的收益并沒有隨著網絡容量的提升而增加。已有運營數據表明,運營商的語音話務量穩步增加的同時,數據流量增長迅速,但運營收益并沒有隨之快速增加,甚至全球范圍內很多運營商的ARPU值還在逐年下降。為了應對緩慢的收益增長,運營商需要不斷地降低每比特的數據成本,并同時提供高容量的網絡以保持用戶的良好體驗。2.4“潮涌”的用戶負載移動網絡的一個固有特性就是其用戶處于移動狀態,在通信過程中經常會從一個地點移動到另一個地點,在一天中也會在不同的基站覆蓋區之間移動。通過對實際運營網絡的觀察發現,用戶的移動呈現出很強的時間規律性。例如在上班時間段,大量的用戶從居住地移動到辦公區;而當工作時間結束后,大量用戶又從辦公區返回到居住地。隨著這些用戶的移動,移動網絡的負載也呈現出隨著時間而在網絡中遷徙的現象,即所謂的“潮汐效應”。圖4中,實際網絡中不同地點在不同時間段的負載情況就驗證了這一點:工作時間段,辦公區域的無線網絡負載最高,而非工作時間段,居住區的負載最高。在傳統的無線接入網中,每個基站的處理能力只能被其服務的小區內的用戶使用。當小區內的用戶離開后,基站的處理能力無法轉移,只能白白地浪費。由于運營商需每時每刻保持著網絡的覆蓋,使得這些空載或者零星負載的基站必須和那些高負載的基站消耗一樣的功率,且由于用戶的在某一時段在一些區域的聚集,基站往往滿負荷運轉,其需要的處理能力遠高于平均水平。因此,一方面形成了處理能力的浪費,另一方面是處理能力的不足。c-ran的算法特點面向上述諸多挑戰,運營商需要新的無線接入網演進方案來提升移動互聯網時代自身的競爭力。為此,中國移動提出融合4C特點的綠色無線接入網是移動通信無線網絡架構的重要演進方案,所謂4C,即Clean(節能減排)、Centralized(集中處理)、Cooperative(協作式無線電)和Cloud(利用了云計算能力的軟硬件平臺),我們稱該方案為C-RAN。如圖5所示,C-RAN主要包括3部分:由遠端無線射頻單元和天線組成的分布式無線網絡;由高帶寬低延遲的光纖或光傳輸網連接遠端無線射頻單元;由高性能通用處理器和實時虛擬技術組成的集中式基帶處理池。分布式的遠端無線射頻單元提供了一個高容量、廣覆蓋的無線網絡。由于這些單元靈巧輕便,便于安裝維護,它們的CAPEX和OPEX很低,因此可以大范圍、高密度地使用。高帶寬低延遲的光傳輸網絡需要將所有的基帶處理單元和遠端射頻單元之間連接起來。基帶池由通用高性能處理器構成,通過實時虛擬技術連接在一起,集合成異常強大的處理能力來為每個虛擬基站提供所需的處理性能需求。集中式的基帶處理大大減少了需要的基站機房需求,并使資源聚合和大范圍協作式無線收發技術成為可能。在C-RAN中,運營商可以迅速地部署或者升級網絡。運營商只需要配置一些新的遠端無線射頻單元并連接到集中式的基帶處理池,就可以實現網絡覆蓋的擴展或網絡容量的增加。與傳統的分布式基站不同,C-RAN打破了遠端無線射頻單元和基帶處理單元之間的固定連接關系。每個遠端無線射頻單元不屬于任何一個基帶處理單元實體。每個遠端無線射頻單元上發送或接收的信號的處理都是在一個虛擬的基帶基站完成的,而這個虛擬基站的處理能力是由實時虛擬技術分配基帶池中的部分處理器構成的。應用實時虛擬技術使得物理資源全局最優利用不再是奢望。C-RAN的主要優勢體現在:(1)節約CAPEX和OPEX成本。在C-RAN架構中,基帶處理單元的機房數量可以減少一個數量級。遠端無線射頻單元較容易部署,并不需要頻繁的維護,可以大大加速運營商網絡建設的速度。運營商還可以節約大量的租借或購買站址資源的成本,從而降低運營和維護的開銷。(2)節約功耗。C-RAN是一個綠色網絡。首先,機房數量的大量減少意味著機房內空調耗電和排放的大量減少。其次,通過所有虛擬基站共享一個基帶池,使得基帶處理資源得到了最優利用,消耗也自然降到了最低。(3)提高網絡容量。在C-RAN中,虛擬基站可以在基帶池中共享所有通信用戶的接收和發送信息、業務數據和信道質量等信息。這使得聯合處理和調度得以實現,小區間的干擾也變廢為寶,從而顯著地提高頻譜使用效率。(4)基于負載的自適應資源分配。C-RAN的一個顯著特點在于基站處理資源的靈活調配,這使得網絡可以根據各個區域或時段的不均衡負載來調配處理資源。用戶在物理小區間移動的同時,其占用的基站處理資源也是隨之移動的。(5)互聯網業務的智能減負。通過采用C-RAN智能地識別各類業務類型(電信業務、互聯網業務等),使電信業務還保留通過核心網,而將智能終端和其他移動通信設備產生的大量互聯網業務從基站上直接進入互聯網。這使得傳輸網與核心網的業務負載和相應的成本開銷降低,也為用戶帶來了更好的服務體驗。傳統無線接入網所特點C-RAN構架在成本、容量和靈活性等方面都體現出傳統無線接入網所沒有的優勢。但是,這一方案的實現在技術上還有一系列困難和挑戰,需要運營界、產業界和學術界通力合作,共同攻克這些技術難題.4.1城域obri鏈路傳輸方案·LTE/LTE-A系統OBRI鏈路需求分析隨著3GPPTD-LTE向LTE-Advanced的后向演進,多跳連接的網絡拓撲以及支持8天線的高階MIMO配置對OBRI(OpenBBU-RRHInterface)鏈路提出了極具挑戰性的需求。因此,如何實現低成本、高帶寬、低延遲的光傳輸網絡成為C-RAN的一個挑戰。一般地,影響OBRI鏈路帶寬需求的主要因素包括:系統帶寬、MIMO天線配置以及級聯級數等。·基于光網絡的ΟΒΡΙ鏈路數據傳遞為了滿足RRU與BBU之間的高帶寬數據傳遞,運營商需依據現網傳輸資源的情況采用不同的策略。依據城域傳送網光纖資源豐富程度,特別是接入環的光纖資源狀況,可實現以下幾種基帶池OBRI鏈路的傳輸方案:光纖直驅模式、波分復用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)傳輸模式、基于UniPon的傳輸模式。·技術挑戰連接RRH和BBU的OBRI接口必須滿足高帶寬、低延遲的苛刻要求,并需要費用低廉的光傳輸網絡來承載才能滿足C-RAN構架。現存的各種數據壓縮方案可以將OBRI接口帶寬需求降低到原始數據的50%~60%,但是,仍然不能從本質上解決LTE-A階段OBRI接口的傳輸問題。基于WDM的UniPon可作為實現OBRI傳輸較佳的解決方案之一,但是其必須具有經濟上的競爭力。另外,還有諸多問題需要進一步研究,主要包括:高效的聯合處理機制、下行鏈路信道狀態信息的反饋機制、多小區的用戶配對和聯合調度算法、多小區協作式無線資源和功率分配素算法。4.2無線資源使用效率低C-RAN系統的一個主要目標是顯著提高系統頻譜效率,并提高小區邊緣用戶吞吐量。然而,眾所周知,在采用OFDM技術的蜂窩小區中,邊緣的用戶經歷比較嚴重的信道間干擾(ICI),因而使得系統性能明顯降低。因為系統的容量是干擾受限的,所以不能通過不斷增加發射功率來解決該問題。同時,鑒于前述分析,單小區的無線資源使用效率較低。C-RAN將采用有效的多小區聯合資源分配和協作式的多點傳輸技術有效提高系統頻譜效率。4.3網絡系統的增強、可擴充化及內集中式基帶池可以有效地實現載波負載均衡,避免部分BBU過載以及部分BBU較空閑的現象發生。這可以實現更大范圍的載波負載均衡,提高設備利用率,降低能耗,并可以更方便地部署協作式MIMO以及干擾消除等信號處理算法,從而增加無線系統的性能增益。目前,世界上大多數的主要移動運營商需要在同一覆蓋區域同時支持多種網絡運營。多模基站使運營商必須以一種經濟而有效的方式控制CAPEX和OPEX成本。基于軟件無線電和處理器的基站系統提供了這樣的靈活性。軟件無線電及信號處理器、通用處理器近年來都取得了很多進展,包括:(1)多核擴展及支持線程并行化的硬件多線程;(2)更適合信號處理的SIMD指令,VLIW構架,數據寬度更寬;(3)指令級更高的并行度;(4)指令集增強技術,例如數據搬移,變換,比較,封裝等;(5)基于硬件的虛擬化技術。當前的BBU處理板是為某種專用的通信標準而設計(如GSM、TD-SCDMA或LTE),并僅能支持固定數量的載波。計算所需資源(如DSP,FPGA或GPP等)一般專門用來完成基站的物理層或MAC層的處理。隨著無線技術與標準的快速演進,上述“固定”設計的機制將帶來眾多問題。虛擬化是指將計算機資源抽象化。對用戶隱藏了計算平臺的物理屬性,僅顯示另一個抽象的計算平臺。如果在基站系統中運用這一概念,“固定”設計機制帶來的問題將迎刃而解。因此,相信在未來的移動網絡中,將出現基于實時基站虛擬化技術的基帶池。由于基站有實時處理、高性能的設計需求,傳統虛擬技術難以解決信號高效處理的應用問題。為了設計新的虛擬化技術以構造基帶池,還需研究以下問題:(1)需要有高性能、低能耗的信號處理器或通用處理器以實現實時信號處理;(2)高效靈活的虛擬化系統,以實現硬件處理資源的虛擬化管理,實現物理處理資源動態分配給虛擬基站,并保證虛擬基站的實時性,處理延遲和抖動可控;(3)高吞吐量、低延遲的的交換構架,以實現基帶池的物理處理資源間互聯拓撲,這包括處理板芯片間的互聯、處理板之間的互聯及多個物理機架之間的互連。c-ran的挑戰新型C-RAN架構是傳統RAN的一次革命性變革。現存的RAN不可能在一夜之間被取代,而且,C-RAN的各種技術挑戰也需要在實驗室及外場環境中仔細開發和反復測試以確保其可靠性。C-RAN必須采用逐步演進路線——即逐步成熟并取代傳統RAN,以下是關于如何實現逐步演進路線的構想。5.1遠端站和國家臺信號轉換第一步,基站的功能可以由分離的遠端無線射頻單元(RRH)和基帶單元(BBU)實現。RRH通過光纖或光傳送網與BBU相連接,可以部署在遠離BBU物理位置的遠端站點(如1~10km)。為方便部署,RRH設計得小巧而輕便,通過光纖從BBU接收,或給BBU發送無線電信號(模擬或者數字格式),BBU是信號處理的核心。RRH和BBU之間的光纖連接也可以被標準化為OBRI,使得不同廠家的RRH和BBU