C-RAN带来无线移动通信的新机遇和挑战

摘要：C-RAN技术概念，在某种程度上“颠覆”了传统的移动通信网络架构，并由此产生新的网络建设模式和设备形态，为移动通信设备市场开辟了新的发展机遇。但也需要看到，C-RAN在具体技术环节上仍存在一些关键技术问题仍待攻克，这些问题解决的进度将直接影响C-RAN技术的应用和推广。

1 引言

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：

(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。

2 C-RAN的技术概念

C-RAN的系统架构，主要是由远端无线射频单元(RRU)与天线组成的分布式无线网络，具备高带宽、低延迟的光传输网络连接远端无线射频单元，通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池三大部分组成。所有基带处理单元和远端无线射频单元通过高带宽、低延迟的光传输网络连接起来。基带处理单元(BBU)集中在一个物理站点构成基带池。基带池中多个基带处理单元之间通过高带宽、低延迟、灵活拓扑、低成本交叉连接。基带池上需要应用基站虚拟化技术，支持基带池物理资源和计算能力的虚拟分配和组合。

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平台

在集中式基站基础上，通过软件无线电技术实现多标准的统一开放的BBU基带池平台，并利用基带池中BBU间高速高效的调度信息、用户数据交互，实现多点协作式信号处理，达到减少无线干扰、提高系统容量的目的。

在应用软件无线电方面，目前主要两种思路：信号处理器(DSP)平台和通用处理器(GPP)平台。两种思路各有优势，DSP是目前电信行业比较成熟应用的技术，而GPP虽然目前在功耗性能上与DSP有一定差距，但具有后向兼容好的特点，有利于系统的平滑演进。

协作式无线信号处理包含两种方式：联合接收和发送、协作式调度和协作式波束赋形。协作式无线信号处理主要是提高系统的频谱利用率和小区边缘的吞吐量。

(3)基于实时云架构的虚拟化基站

在基于软件无线电技术的统一开放的BBU基带池平台的基础上，在实时云架构基带池系统软件的控制下，形成更为巨大的实时云架构基带池。云架构基带池为每个接入的RRU指配虚拟的基带处理资源。多个云架构基带池之间可以通过高速光传输网络相连，相互协作，实现系统的负载平衡、容灾备份。

C-RAN中的“C”目前实际上有四重含义，即基于集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean System)。

3 C-RAN的技术优势

与传统的移动通信网络架构相比，C-RAN打破了RRU和BBU之间近距汇接的网络结构。站址位置仅需天面，不依赖机房。以目前的技术手段，理论上10km范围内只要建设1个BBU机房，就可以实现对300km2区域的覆盖。

C-RAN的技术优势主要体现在如下几个方面：

(1)降低网络能耗

集中化方式可以极大地减少机房的数量，机房配套设施也相应减少，特别是空调等散热系统的减少，对网络节能降耗的作用特别明显。

通过对集中式基带池的物理和逻辑资源的集中化管理，可以达到资源的最优化运用，有效应对移动通信系统的潮汐效应;同时配合一些节能技术的应用，可在网络负荷较轻的情况下，关闭RRU和BBU的一些资源，达到省电的目的。

(2)降低运营商资本支出(CAPEX)和运维成本(OPEX)

根据运营商的统计，因勘站、土建和配套设施而产生的成本支出目前大致已占到每站点CAPEX的50%左右，站点租金和电费约占每站点OPEX的70%以上。近年来，房屋租赁价格和电价的持续上涨，造成运营企业的建设和运维成本大大增加。

C-RAN集中化结构将BBU集中于区域汇接机房，站址处只保留天面，可有效减少因站址机房建设和租赁、空调等附属设施耗电带来的成本的压力。

(3)负载均衡和干扰协调

基带资源集中化的一个好处是，网络可以根据较大范围的区域内无线业务负载的变化进行自适应的均衡处理，同时可以对大片区域内的无线资源进行联合调度和干扰协调，从而提高频谱利用率和网络容量。

4 C-RAN的关键技术

C-RAN由技术概念到实现，需要实现如下关键技术：

(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，8×8 MIMO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的传输模式三种(见表1)。

表1 低成本光网络传输的三种可行方案

(2)基带池互联技术

集中化基带池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。

(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(见表2)。

表2 协作式无线信号处理技术

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。

(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。

DSP方案是目前电信领域广泛使用的技术方案，特别是SoC架构的DSP出现以后，有效提高了基站基带单板的处理能力。厂家围绕DSP平台开发了大量的实时操作系统并已成熟应用，具备进一步开发基站虚拟化的基础。DSP主要问题在于后向兼容性差，更换新型硬件后，原有软件不能直接应用，影响系统未来的平滑升级换代。由于缺乏统一的标准，不同厂家DSP平台和实时操作系统的兼容性不佳。

传统的GPP在性能、功耗等方面比DSP表现要差，但近几年GPP在处理能力和功耗方面进展很快。多核、SIMD、大容量片内缓存、低延迟片外存储等技术的应用，使得GPP逐渐具备实时处理基带数字信号的能力。C-RAN技术考虑GPP的一个重要原因是，GPP具有良好的后向兼容性。GPP平台上有多种统一、开放的操作系统，可以充分保证平台的兼容性。GPP进行无线信号处理目前还处于起步阶段，操作系统还需要按照实时基带信号处理的要求进行修改和完善。

现有的多标准基站(MSR)的解决方案主要采用基带板硬件独立或软件独立加载的方式，部分解决了基站同时支持多标准的问题，但多标准之间无法共享基带处理资源。在C-RAN架构中，为实现资源的有效利用，软件无线电技术重点要实现在统一计算平台上以动态资源混合调度的方式实现多标准的集中处理。

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。

(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。

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。

5 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Light Radio，诺西的Liquid Radio，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。

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。

6 结束语

针对移动通信建网和运维成本的上升、多标准同时运营、移动互联网带来网络负荷冲击等现阶段网络运营面对的实际问题，从网络结构入手提出了创新的C-RAN网络架构，“颠覆性”地改变了移动通信网原有的建设和运营模式，极可能为将来移动通信市场开辟新的发展空间。

我们也需要看到，目前C-RAN技术框架内还有一些技术细节仍待商榷，一些关键技术问题仍待攻克。C-RAN在其后继演进中应积极消化吸收来自设备厂商解决方案的已有技术成果，以期达到最终完善的目的。