基于C-RAN的无线网络架构分析

付泓 杨福波 高秀娥

摘要：无线接入网（RAN）是移动运营商赖以生存的重要资产，是给客户带来实时通讯的基础设施。然而，当前的无线接入网（RAN）架构正面临着越来越多的挑战，众多问题亟待移动运营商来解决。基于此，提出了基于C-RAN的新型无线接入网架构，该架构将有助于降低移动互联网的能耗、建设和运维成本，提高频谱资源利用率，实现运营商的可持续的业务和利润增长。

关键词: C-RAN；网络架构；运营商；移动互联网；网络建设

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)07-1518-03

C-RAN-Based Analysis for Architecture of Wireless Network

FU Hong1,YANG Fu-bo2,GAO Xiu-e3

(1. ZTE CORPORATION, Shanghai 200000, China; 2.Junji Intellective Technology Corporation, Shanghai 200000, China; 3. Dalian University Information Engineering College, Dalian 116622, China)

Abstract: Radio Access Network (RAN) is the survival of an important asset of the mobile operators give customers real-time communications infrastructure. However, the current radio access network (RAN) architecture is facing increasing challenges, many issues that must be the mobile operators. Based on this, based on the C-RANs new radio access network architecture that will help reduce the energy consumption of the mobile Internet, construction, and operation and maintenance costs, improve the utilization of spectrum resources to achieve sustainable business operators and profit growth.

Key words：C-RAN; network architecture; operators; mobile network; network construction

目前傳统的无线接入网高额的资本和运营支出会使得移动运营商在移动互联网市场上逐渐失去竞争力，无线接入网(RAN)必须重新考虑新的网络构架以适应未来的竞争环境。为了解决这些挑战并追求未来可持续的增长，迫切需要建立新的无线接入网的网络架构，提升网络基础设备的利用率、降低配套设备和机房能耗；提升多制式下的设备硬件资源共享能力和动态按需配置分配能力。基于此，提出了基于C-RAN的新型无线接入网架构[1]，深入探讨C-RAN网络架构的综合优势，提出了C-RAN网络建设实施方案。C-RAN整体技术的成熟和早日应用，必将实现移动互联网时代低成本、高性能、且绿色节能的移动通信。

1现有无线接入网络面临的挑战

如今，移动运营商正面临着来自于外部和内部两方面的双重压力。外部压力主要体现为竞争对手通过资费优惠等促销手段对市场客户的肆意掠夺和单用户的ARPU值增长十分缓慢两个方面。内部压力主要是随着移动互联网业务的流量的迅速上升，无线接入网络整体的TCO（Total cost of ownership）不断增加，主要体现在以下方面[2]。

1.1高额能耗

宽带业务需求的日益增长迫使运营商不断对基站进行扩容，不断对基站配套设备进行扩容，这将导致无线接入网络的能源消耗问题变得日益严重。以中国市场为例，在过去5年期间，中国移动的基站数量几乎增加了一倍，能耗也相应成倍增加。因此，如何在不减少网络覆盖和容量的前提下降低能耗，成为全球各个运营商关注的重点。尽管采用载频关断技术和动态调压等先进的技术可以减少基站设备的能耗，这些方法无法从根本上解决因为基站数量剧增带来的能耗增加的问题。

1.2多制式多标准并存

因为大量传统终端客户的持续存在，不同通信标准的多制式多频段的网络需要长期共存以便满足该需求，如表1所示。从表1可知，全球大多数主流运营商都同时拥有几个不同的通信标准。在多制式多标准的网络下运营，如何降低CAPEX和OPEX更是运营商所要重要解决的问题[3]。

表1运营商多制式运营情况

1.3基站利用率不高

在无线网络中用户处于时刻运动状态中，通过实际网络的统计观察发现，用户的移动性具有很强的时间规律。白天从住处移动到办公室，下班后从办公区返回到住处，因此无线网络的话务负荷呈现随时间而迁徙变化的现象（称之为“潮汐效应”）。而在无线网络规划时，对于每个基站的硬件设备配置只能按照处理其服务小区内的最大用户数的能力来配置，即便小区内的用户离开时，也只能是处于浪费状态。现有的无线网络架构对此束手无策。

从以上分析可以看出，现有无线接入网难以应对上述技术挑战，因此迫切需要建立新的无线接入网的网络架构，提升主设备的利用率、降低配套设备和机房能耗；提升多制式下的设备硬件资源共享能力和动态按需配置分配能力。

2基于C-RAN的无线接入网络架构

C-RAN网络融合了集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的基础设施，其主要包括三个组成部分：分布式协作式无线电网络（远端无线射频单元RRU和天线组成）；高带宽低延迟的光传输网络（连接远端无线射频单元）；基于实时云构架的基带处理池（由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成），具体架构如图1所示[4]。

首先，最大挑战是光纤传输资源[5]。解决这一问题，需要铺设更多的光纤，并采用创新的波分传输技术。比如，对于TD-LTE，由于系统的带宽最大可达20MHz，加上多天线技术的应用，传输TD-LTE无线信号所需的光传输链接速率需要达到10Gbps，这对光纤资源提出了更大的挑战。中国移动研究院和合作厂家正在探讨波分技术及其他方案，以降低对资源的过高要求。同时，在很多城市的建成市区，增加新的管道、光纤资源是比较困难的。各家运营商在不同地区的管道和光纤资源不一样。如果政府和相关主管部门能够支持运营商大量部署光纤，并更好地利用既有的运营商、广电、市政的管道、光纤资源共建共享，加上在光纤上采用波分传输技术，可以大大提高光纤传输的容量，有助于C-RAN技术早日规模应用。

图1基于C-RAN的无线接入网络架构

其次，C-RAN的集中化试验成功，仅完成了C-RAN整体概念中“集中化”、“协作化”、“云计算化(虚拟化)”的第一步。C-RAN的“协作化”，在GSM/TD-S系统中，可以在不改变现有GSM/TD-SCDMA空中接口的条件下，引入协作调度，干扰协调等技术，可降低GSM/TD-SCDMA系统内的干扰，提高系统性能。在TD-LTE系统中则可应用同频协作发射/接收技术(CoMP)，降低同频干扰，改善小区边缘覆盖，可根本改变目前网络容量受限于干扰的现状。中国移动研究院正在按照计划有序推进相关技术的研发工作，在TD-LTE-A中引入该技术，并积极将方案输出到3GPP标准化组织中，促进产业界技术方案的成熟。

C-RAN的“云计算化(虚拟化)”可以看做在“载波调度”技术基础上的进一步扩展，即借鉴云计算技术，实现基站处理资源的聚合和虚拟化，是目前最具有挑战性的C-RAN新技术。云计算技术发端于IT产业，通过将大量标准的计算资源聚合成资源池，通过虚拟化提供给不同的用户按需使用。C-RAN借鉴这一概念，通过将标准化的小容量的BBU聚合成大容量的BBU基带池，然后将集中的BBU基带资源池资源统一调度，通过虚拟化技术提供给不同的基站按需使用。这将大大提高系统的灵活性、可靠性、并更好地应对潮汐效应，提高能源效率。这是一个很有挑战性的研究方向，需要结合无线信号实时处理技术，云计算技术及虚拟化技术。无论是对现有GSM/TD-S设备的升级，还是未来TD-LTE/TD-LTE-A协作化、虚拟化技术的研究和实现，都需要产业界更多的积极努力，促进C-RAN整体技术的成熟和早日应用，最终实现移动互联网时代低成本、高性能、且绿色节能的移动通信。

3 C-RAN网络架构的综合优势

3.1部署、升级网络快速

在C-RAN架构下，运营商网络升级或者扩展网络覆盖和增加网络容量时，只需要部署一些新的远端无线射频单元，并连接到集中式的基带处理池即可。对于基带池的扩容只需要增加新的通用处理器即可。开放的平台和通用的处理器易于软件无线电的实现，通过软件升级实现多制式多标准系统之间的升级和共存变得更加容易。

3.2实现物理资源的全局最优利用

在C-RAN架构下，每个远端无线射频单元不属于任何一个基带处理单元实体，信号的发送和接收都是在虚拟基带池中的一个虚拟的基站上完成的。实时虚拟技术将动态分配基带池中的处理器临时组成虚拟基站的处理能力。云计算的引入使得无线通讯网络中物理资源得到了全局最优的利用，可以有效的解决“潮汐效应”而带来的资源浪费问题。

3.3减少机房数量，节省网络建设运营成本

在C-RAN的网络架构，远端射频单元可以在室外直接部署安装，而集中式的基带处理也大大较少了对基站中心机房的需求，从而降低了整个无线接入网络的部署成本。以国内新建35万载频，18000个站点这样一个无线网络规模为例，采用基带池建站同采用传统建站方式相比，可以节省近23%的网络部署成本。

3.4绿色网络，降低能耗

集中式的基带池可以减少基站机房数量，减少配套设备特别是空调的能耗；基带池中的处理资源可以动态的处理不同的RRH的基带信号，解决潮汐效应问题，使基带处理资源得到最优的利用，能耗减低。当负载较轻的时候，在不影响网络服务质量的前提下，可以关闭基带池中的部分处理单元实现节能降耗。

4 C-RAN网络建设实施方案

目前市场上包括中兴通讯等在内的设备提供商已经实现了基于RRH和BBU架构的分布式基站，一定程度上实现了BBU内载波处理资源的动态调度，这是集中式基带池的雏形，但是目前还不能实现BBU之间的资源调度，对解决更大覆盖区域内的潮汐效应还无能为力。建立集中式基带池是解决这个问题的关键。而集中式基带池所需解决主要问题是：提供一个高容量，低延迟的交换矩阵以及相关协议支持多个BBU内的载波处理单元之间的互联互通。交换矩阵需要支持的背板处理能力是由该基带池部署的载扇数所决定。目前C-RAN网络架构还面临着一些技术挑战等待解决：

1）基站虚拟化技术存在挑战：如何实现实时信号处理算法；如何根据网络负载情况动态的管理处理单元等等。

2）光纤资源需求存在挑战：连接基带BBU和射频RRH之间的光纤资源需求量非常大，以LTE系统为例，所需要的光传输连接带宽可达10Gbps。对光纤资源的需求之大。

3）协作发射/接收技术面临挑战：协作式多点处理技术必须使用空间信道信息实现多个不同物理位置上的天线的协作，从而抑制小区间干扰，到达提升频谱效率的效果。这一技术仍然有待开发。

C-RAN架构同传统架构相比是一次革命性的变革。其各种技术挑战的解决还需要时间，而无线网络运营商期待解决的网络问题却是刻不容缓的。因此，C-RAN必须结合目前技术发展的实际状况采用逐步演进的策略，运营商可以分阶段地实施：

1）完成基于光传输网络的分布式基站的部署，尽可能将BBU集中部署，RRU可部署最大18级级联的环型组网，这样不仅仅便于节省机房等配套设备的投资，同时也便于后期的网络升级；这一步，当前的技术和设备已经支持，可以立即实施部署。

2）升级完成同物理站点多个BBU之间的基站协同：实现多个BBU互联，实现大容量共享，RRU可协作处理解决类似边缘速率等部分网络功能。

3）待通用处理器，分布式云计算等技术成熟之后，将网络升级为真正意义的云架构虚拟基站网络，实现真正的C-RAN网络架构。

5结论

全球的无线网络运营商正面临越来越多的挑战，建设一个盈利能力强，演进能力强，绿色低耗的网络是运营商的梦想。C-RAN可以为运营商提供具有竞争力的基础网络，必将引领未来移动网络的技术发展。

参考文献:

[1]李发良.面向C-RAN的传输接入组网方案的研究与实现[D].北京:北京邮电大学, 2011.

[2] Kempf James,Yegani Parviz. OpenRAN: A new architecture for mobile wireless internet radio access networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2002:118-123.

[3]陈盈,郭文平,胡永良,等.一种基于Wireless Switching技术的无线网络架构方案[J].台州学院学报, 2007(6) .

[4]陈忠民,田增山.浅谈软件无线电技术及其在4G中的应用[J].电信快报, 2006(1).

[5] Grampín Eduardo,Baliosian Javier. Wireless network architecture for digital inclusion in rural environments[J]. 2007 1st International Global Information Infrastructure Symposium, GIIS 2007,20-26.