上海贝尔lightRadio无线产品方案

李 颂（上海贝尔股份有限公司，上海 201012）

0 前言

移动通信产业正在面临的一个转折点是：双核、CPU主频、内存、操作系统等智能终端的核心部件正在朝着更高、更快、更强的目标发展，与此带来的就是数据业务流量激增，人们越来越习惯在手持终端上体验原来在PC上的互联网业务，而业务和内容提供商也不断投其所好，数以亿计的移动数据业务如雨后春笋般蔓延，现有的移动网络和构架越来越不能满足最终用户对业务体验的要求。这种情况导致变革势在必行。2011年2月阿尔卡特朗讯宣布推出LightRadio产品系列。这一来自贝尔实验室的原创技术，可有效解决运营商网络流量激增的难题，同时显著降低网络的技术复杂性、能源消耗及其他运营成本，该系统将能替代现有基站与大规模蜂窝站塔，缩减基站数量并简化基站建设。这一技术的公开发布，表明了阿尔卡特朗讯在技术上已经取得重大突破，并将颠覆性地改变未来移动网络构架和建设模式。

1 市场需求

过去几年是智能终端爆发式增长期，随着芯片技术突破和宽屏成本不断下滑，平板电脑和智能多媒体手机异军突起。而数据业务的良好适配也使这些终端产生了大量移动数据流量需求。图1预测了未来5年不同终端对数据流量的消耗。

图1 无线终端网络业务流量预测

另一方面根据摩尔定律，终端持续升级，业务开发商不断推出全新业务以适配终端能力，而新业务又带来了更好的用户体验，增加了业务使用率和使用时间，并推动了网络不断演进。网络性能升级，又为终端性能提升带来了需求空间，形成了一个封闭反馈的需求驱动环路。只要业务收入增长能够弥补网络扩容和升级费用，这个环路将一直循环往复。然而现有的网络构架和部署方式并不能有效支撑该模式。新频段拍卖、载频扩容、网络技术演进，特别是激增的射频单元和天馈系统使建网成本急剧增加，使循环难以继续。具体而言，以下几个方面原因阻挠了网络建设和谐发展。

a）站址的稀缺性导致建网成本高企。对于移动运营商而言，设备采购只占总成本的很小部分。在中国，站址租用和施工成本大约是设备采购成本的3倍。传统架构的无线设备，巨大的天线令人畏之如虎，使站址选择极为困难，且费用高昂，在成本压力下的运营商难以确保网络质量。

b）无线数据流量时间维度的巨大差异导致运营商处于如何同时降低成本和改进网络质量的两难境地。不同场所，不同时间，无线数据流量会有很大不同；主城区存在明显的话务潮汐效应。在现有无线网络架构下，带宽资源不能够集中共用，为单个基站所独享。运营商要满足所有流量需求，必须提供极大的冗余带宽，这会极大地增加运营商的建设成本，如只提供较少带宽，又会导致用户体验变差，不利于保持或提高客户满意度。

c）数据业务对基站的需求远大于流量增加所带来的利润增益。按照现有无线网络架构，2013年，运营商将陷入收支不平衡的窘境。如网络构架不变，运营商要满足日益增长的无线数据需求，需要大大增加无线基站数量，这将导致成本直线上升，最终入不敷出。

上述3个问题，其核心要点就是覆盖和容量。覆盖主要由站址密度和频谱资源所决定，当然天线配置和采用何种无线技术也扮演了极其重要的角色。同样站址密度和天线配置也影响了网络容量，而无线技术即频谱利用效率也对容量起了决定性的作用。lightRadio正是通过革命性的网络构架创新对以上5个因素进行优化来降低网络建设成本，同时实现网络演进并满足业务循环驱动的要求。这些优化包括传输、站址租赁、基础建设、设备、能耗和运维成本。图2示出了每个单项在网络建设成本中所占的比例。

图2 基站建设成本

2 lightRadio方案价值

lightRadio能够在5个维度帮助移动运营商持续不断地提升网络性能并改善用户业务体验。图3示出了lightRadio的网络构架。

图3 lightRadio网络构架

其中最基础的无线基站构架——传统宏基站和城市站（metro cell）采用了3种不同的基带处理配置，即融合小型化（基带处理和射频前端融为一体），传统基带和射频分离以及集中化、云构架的基带池。lightRadio在天线、射频、基带处理、无线网络控制器和网络管理等5个领域完成了技术创新，通过5个领域的协同配合带来网络容量、覆盖和性能上的巨大提升。

2.1 平滑的网络融合

增加容量的最佳方案无疑是增加载频或增加每载频的频宽。对于原有频段，扩容是最为经济的方案。然而对于新频段，由于天馈、射频和基带处理单元都需要重建，因此采用频谱利用率更高的技术成为不二选择。终端和用户从一种技术向另一种技术迁移需要一个时间过程，因此提供一种融合方案来兼顾现有网络和未来技术以实现网络容量的平滑过渡，无疑是最经济的方案。lightRadio就提供了这种从天线、基带处理直至控制器网元的多网络融合能力。

基于SoC构架的全新的基带处理单元，将以前离散的不同无线技术板卡集成到一个低成本、高性能的处理芯片上，并能够通过远端程序控制和下载来支持不同的无线技术（包括2G，3G、LTE等）。运营商能够通过在基带处理板卡上插入更多的SoC芯片实现网络扩容，同时还可以根据用户网络迁移状况通过远程程序下载调节不同网络之间的基带处理能力。随着负担均衡和处理池功能的引入，所有基带处理能力在不同网络之间的调配都将动态完成。与此相对应，宽带自适应有源天线也支持不同频段和技术之间的融合切换。和传统方案不同的是，新技术和频段的使用不需要额外的天馈和射频单元，这也为网络建设带来便利。

2.2 优化基站容量

增加新载频无疑是提升小区容量的最佳方案。然而在主城区，原有小区载频数量已经达到频谱资源上限，很难进行有效扩容，而站址租赁和新频谱资源拍卖的高昂成本让人难以承受。因此需要部署更小的宏站和城市站 （Metro cell）来提升站址密度以增加网络容量。

由于传统的宏基站需要机房空间来放置机架，因此对于主城区而言很难找到合适的站址空间，所以只有2种方法可供选择。

a）采用分布式构架，将无线射频远端通过光纤连接到集中式基带处理单元。

b）将所有基带处理单元集成到单一的多标准支持的宽带有源天线中。

这2种方案可互为补充。运营商可根据基带射频的传输带宽、需求模型和建设成本进行选择。lightRadio可对以上2种模式提供支持。对于光纤资源丰富区域，采用集中式基带处理模式，通过光纤连接到不同RRH，这能够有效抗拒话务潮汐效应。使网络资源利用效率最大化。当然前端也需要采用支持多模的RRH和天馈设备，使对于基建的要求降为最低。lightRadio系列产品除了宽带有源天线阵列外，还提供了多模RRH来满足建网需求。对于传输资源受限地点，比如热点高话务负荷区域，可以采用基带处理和天线集成设备，仅仅通过以太网/IP实现基站回传。阿尔卡特朗讯的lightRadio城市站专为此设计。将基于SoC的基带处理芯片整合到宽带有源天线阵列（Cube）中，实现任意摆放，完全省去对站址空间需求，同时采用以太网或PON+LAN的形式回传。

2.3 优化的技术演进模式

新技术引入会带来全新的频谱资源，更高的网络容量和新的网络功能，比如CoMP、ICIC等。阿尔卡特朗讯的lightRadio在设计伊始就支持现在和可预期的未来无线技术。基带处理单元通过动态程式控制来支持3G、LTE及其演进技术，因此运营商可以很轻易地根据终端发展和用户迁移模式从100%的3G网络平滑演进到100%的LTE网络，无需对硬件作任何变化。同时由于采用了基于SoC和基带处理芯片设计，无论是位于远端站还是处于集中式基带池，都能基于云的构架实现资源协同处理。此外，阿尔卡特朗讯贝尔实验室对SON技术进行了突破延伸，该自优化网络技术将不再仅仅应用于无线接入网络，而是包括分组核心、IP承载和其他公开频段无线技术（如Wi-Fi）的整个端到端网络。在整个网络构架上创建了一个称之为 “无线IP智能”的全新逻辑层面。该端到端的优化能力，能够帮助运营商自动协调全网资源，以最优成本满足用户需求。

2.4 频谱资源利用最大化

新频段和老频段存在不同的无线链路损耗，以2.6G LTE网络为例，其小区半径仅仅是900M小区半径的1/3。因此高频段无线技术在共站过程中不可避免会产生覆盖空洞，而业务在漫游过程中也会大量发生降级，影响用户体验。为了解决这一问题，运营商大量采用4路甚至是8路接收分级来弥补链路预算差距。而这带来的问题是“铁塔将天线臃肿”。由于2G、3G和LTE工作在不同频段，因此铁塔上将分别需要不同的天馈系统和射频单元，无论是4路或8路接收分级，还是可预见的4×4 MIMO技术，将彻底摧垮现有的铁塔天线布局。为此阿尔卡特朗讯开发了多频段RRH，可以同时支持所有无线技术所涉及的频段，如和双频天线对应使用，将大大降低铁塔的天馈和射频单元数量。使网络建设和新频谱资源利用成为可能。

2.5 优化的天线功能

全新的天线功能（如MIMO技术）主要用于优化网络覆盖和容量。阿尔卡特朗讯将射频单元和天线技术相结合，创造出智能有源天线阵列，能获得MIMO增益和波束赋型能力，使无线发射功率能够根据小区负荷和业务流量的改变动态地直接锁定所需用户。其核心就是Cube（无线魔方），它是一个6 cm×6 cm×4.5 cm的立方体，集成了天线、馈线和射频单元，并且支持2G、3G、LTE多标准技术融合。

从图4可以看到，Cube由天线振子、双工器和功放等部件构成。单个Cube的工作频宽是20 MHz，可工作在700 MHz~2.6 GHz。最大发射功率为5 W。多个Cube的组合就构成了宽带有源天线阵列，图4中示出了一个8×2的有源天线阵列的组成。通过场强叠加，其等效发射功率为40 W，同时支持2×20 MHz的工作带宽，并可以工作在2个不同频段上。通过垂直波束赋型，其能够提升30%的网络容量，并用最少功耗完成最大网络覆盖。此外由于每个Cube单元是完全独立，因此当部分Cube发生故障时，其能够自动重新配置天线阵列来实现冗余。由于所有的有源天线阵列都通过CPRI接口连接到集中式基带处理，因此邻小区完全可以使用ICIC技术来大幅提升信噪比。

除了以上几点外，lightRadio还在CPRI接口的传输速率需求上实现了突破，通过贝尔实验室原创的I/Q压缩算法可以将系统对CPRI接口的传输速率节省2/3，为多种承载技术应用提供可能。举例而言，采用4×4 MIMO技术的10 MHz带宽LTE小区，原CPRI传输速率需要1.843 Gbit/s，采用lightRadio的I/Q压缩算法后仅仅需要680 Mbit/s，完全能够在传统的G比特传送网上进行传输，比如PON。与传统裸纤建设模式相比，这将大大降低对光纤资源的消耗，使基站部署更为灵活。

图4 Cube和有源天线阵列示意图

3 结束语

阿尔卡特朗讯全新的lightRadio产品系列完全针对移动运营商所面临的网络建设难点进行设计，通过颠覆性的原创网络构架，在5个维度上优化未来无线网络。通过射频单元灵活组合和可编程控制的网元设备帮助移动运营商持续降低整体网络拥有成本，并适应业务和流量负荷的不断变化。一个基于云的，支持自适应、多频段、多标准的革命性的lightRadio无线产品系列终将协助运营商实现高质量、低成本的网络建设终极梦想。