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，中國銷售電價共調整6次，累計每千瓦時上調13.43分錢，年均上漲約4%，考慮到近兩年國內用電缺口因素，國內電價短期內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。全球大多數主流運營商通常同時擁有2~3個不同通信制式的網絡，為保證網絡的服務質量，需要部署大量的基站以解決網絡覆蓋的問題。站址和機房資源的相對稀缺，與不斷增長的基站數量的矛盾在一定時期內無法協調，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和設備采購投資的壓縮，進而影響到全行業的整體發展。面對這種局面，出于行業持續盈利和長期發展考慮，移動通信行業必須開辟一種新的思路。

　　2010年4月，中國移動正式發布了面向綠色演進的新型無線網絡架構C-RAN白皮書，闡述了對未來集中式基帶處理網絡架構技術發展的愿景。它有四個目標：

　?。?）降低能源消耗，減少資本支出和運營支出。

　　（2）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。

　?。?）更好地支持移動互聯網服務。

　　C-RAN技術直接從網絡結構入手，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，并被賦予新的內涵。

　　2 C-RAN的技術概念

　　C-RAN的系統架構，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絡，具備高帶寬、低延遲的光傳輸網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、低延遲的光傳輸網絡連接起來?；鶐幚韱卧˙BU）集中在一個物理站點構成基帶池?；鶐С刂卸鄠€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

　　集中式基站內多個BBU互聯互通構成高容量、低延遲的互聯架構。遠端的RRU通過互聯架構交換到集中式基帶池中任一個BBU。這種方式是對現有DSP平臺的BBU進行集中化集成，可有效實現載波負載均衡、容災備份，并達到提高設備利用率、減少基站機房數量、降低能耗的目的。

　　另外，基于傳統的CPRI/Ir/OBRI接口，實現不同廠家的RRU與基帶池互聯。

　?。?）基于軟件無線電和協作式無線信號處理的統一開放平臺

　　在集中式基站基礎上，通過軟件無線電技術實現多標準的統一開放的BBU基帶池平臺，并利用基帶池中BBU間高速高效的調度信息、用戶數據交互，實現多點協作式信號處理，達到減少無線干擾、提高系統容量的目的。

　　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。兩種思路各有優勢，DSP是目前電信行業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，有利于系統的平滑演進。

　　協作式無線信號處理包含兩種方式：聯合接收和發送、協作式調度和協作式波束賦形。協作式無線信號處理主要是提高系統的頻譜利用率和小區邊緣的吞吐量。

　　（3）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絡相連，相互協作，實現系統的負載平衡、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）的綠色無線接入網構架（Clean System）。

　　3 C-RAN的技術優勢

　　與傳統的移動通信網絡架構相比，C-RAN打破了RRU和BBU之間近距匯接的網絡結構。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范圍內只要建設1個BBU機房，就可以實現對300km2區域的覆蓋。

　　C-RAN的技術優勢主要體現在如下幾個方面：

　　（1）降低網絡能耗

　　集中化方式可以極大地減少機房的數量，機房配套設施也相應減少，特別是空調等散熱系統的減少，對網絡節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化運用，有效應對移動通信系統的潮汐效應；同時配合一些節能技術的應用，可在網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）

　　根據運營商的統計，因勘站、土建和配套設施而產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上漲，造成運營企業的建設和運維成本大大增加。

　　C-RAN集中化結構將BBU集中于區域匯接機房，站址處只保留天面，可有效減少因站址機房建設和租賃、空調等附屬設施耗電帶來的成本的壓力。

　　（3）負載均衡和干擾協調

　　基帶資源集中化的一個好處是，網絡可以根據較大范圍的區域內無線業務負載的變化進行自適應的均衡處理，同時可以對大片區域內的無線資源進行聯合調度和干擾協調，從而提高頻譜利用率和網絡容量。

　　4 C-RAN的關鍵技術

　　C-RAN由技術概念到實現，需要實現如下關鍵技術：

　?。?）低成本的光網絡傳輸技術

　　在BBU和RRU之間傳輸的為高速的基帶數字信號，基帶數字信號的傳輸帶寬要求主要由無線系統帶寬、天線配置、信號采樣速率決定。目前，TD-SCDMA單載波宏小區所需要的四倍采樣速率下的基帶數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，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的級聯問題，級聯級數越多，傳輸帶寬將成倍增加。

　　基帶數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。通常用戶平面的數據往返時間不能超過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仍能工作，BBU與RRU之間的傳輸鏈路應采用光纖環網保住，通過不同管道的主、備光纖，實現鏈路的實時備份。

　　C-RAN要實現低成本的光網絡傳輸技術，因此BBU和RRU之間CPRI/Ir/OBRI接口的高速光模塊的實現方案將成為影響這個系統經濟性的重要環節。當前可行的部署方案有光纖直驅模式、WDM傳輸模式和基于UniPon的傳輸模式三種（見表1）。

　　表1 低成本光網絡傳輸的三種可行方案

　?。?）基帶池互聯技術

　　集中化基帶池互聯技術需要建立一個高容量、低延遲的交換矩陣。如何實現交換矩陣中各BBU間的互聯是基帶池互聯技術需要解決的首要問題。另一方面，還應控制技術實現的成本。目前有一種思路是采用分布式的光網絡，將BBU合并成一個較大的基帶池。

　　基帶池互聯技術還需要開發專用的系統協議支持多個BBU資源間的高速、低延遲調度、互通，實現業務負載的動態均衡。

　　（3）協作式無線信號處理技術

　　無線信號協作處理技術可以有效抑制蜂窩系統的小區間干擾，提高系統的頻譜效率。目前，多點協作技術在學術界已進行了較為廣泛的研究。多點協作算法需要在系統增益、回傳鏈路的容量需求和調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：聯合接收/發送，協作式調度/協作式波束賦形（見表2）。

　　表2 協作式無線信號處理技術

　　無線信號協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。要實現無線信號協作處理技術的實際運用，還要解決如下問題：

　　●如何實現高效的聯合處理機制。

　　●下行鏈路信道狀態信息的反饋機制。

　　●多小區用戶配對和聯合調度。

　　●多小區協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。網絡根據實際的業務負載，動態地將基帶池的某一部分資源分配給對應的小區。

　　計算平臺實現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平臺開發了大量的實時操作系統并已成熟應用，具備進一步開發基站虛擬化的基礎。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，影響系統未來的平滑升級換代。由于缺乏統一的標準，不同廠家DSP平臺和實時操作系統的兼容性不佳。

　　傳統的GPP在性能、功耗等方面比DSP表現要差，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平臺上有多種統一、開放的操作系統，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，操作系統還需要按照實時基帶信號處理的要求進行修改和完善。

　　現有的多標準基站（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，為實現資源的有效利用，軟件無線電技術重點要實現在統一計算平臺上以動態資源混合調度的方式實現多標準的集中處理。

　　基站虛擬化最終的目標是形成實時數據信號處理的基帶云。一個或多個基帶云中的處理資源由一個統一的虛擬操作系統調度和分配?；鶐г?a href="http://m.1cnz.cn/v/" target="_blank">智能識別無線信號類型，并分配相應的處理資源，最終實現全網硬件資源的虛擬化管理。

　?。?）分布式服務網絡技術

　　分布式服務網絡技術（DSN）的設想來自于互聯網目前已經存在的內容分發網絡（CDN），通過網絡邊緣內容存儲，減少不必要的重復內容傳送，以控制網絡的整體流量和時延。C-RAN寄希望于將分布式服務網絡技術與云化的RAN架構相結合，將無線側產生的大量移動互聯網流量移出核心網，以某種最優方案在RAN中實現經濟有效的內容傳送，達到為核心網和傳輸網智能減負的目的。

　　分布式服務網絡技術的實現需要網絡能夠智能識別邊緣服務中的目標應用和服務類別，并根據服務的優先級加以區別處理。

　　分布式服務網絡技術對網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，短期內并沒有一個明確的結論。對于C-RAN來說，分布式服務網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

　　C-RAN技術愿景得到了通信業界的積極響應，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。

　　業界對于發展C-RAN主要疑慮包括兩個方面：

　　（1）基帶數字信號傳輸的帶寬和成本問題

　　與傳統的RAN架構相比，CPRI/Ir/OBRI接口上傳送的基帶數據信號速率是普通Abis/Iub接口傳送的解調后的業務數據信號速率的100倍以上。四載波三扇區的TD-SCDMA基站的基帶數字信號傳輸帶寬需求達到4Gbit/s，而20MHz單載波三扇區TD-LTE基站的基帶數字信號傳輸帶寬需求接近30Gbit/s。如果為節約光纖傳輸資源，RRU采用串聯方式接入到BBU池，總的傳輸帶寬可能達到100 ~1000Gbit/s，無疑給光傳輸網造成很大的壓力。

　　為降低光傳輸網的數據傳輸負載，一些廠商提出了CPRI/Ir/OBRI接口的數據壓縮方案，包括降采樣率、非線性量化、IQ數據壓縮、子載波壓縮等技術方案，但以上這些技術方案，或增加設備實現的復雜度，或嚴重惡化系統性能，或產生較高的設備成本，幾方面因素無法兼顧。

　　是否能找到一種方法實現基帶數字信號的完美壓縮將可能影響C-RAN技術的推廣應用。

　　（2）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，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展趨勢。與現有DSP處理器相比，通用處理器的操作系統和虛擬化能力也是其優勢所在。

　　通用處理器在結構和指令上與信號處理器有很大的區別。數字信號處理中存在大量數字累加計算（MACs），傳統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據和指令無法被程序開發者直接控制，而對于信號處理器這些數據和指令對程序開發者是透明的。另外，通用處理器還不具備類似數字信號處理器的零循環控制機制和適用于數字信號處理的特殊尋址機制，程序執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構和指令作必要的改變。

　　6 結束語

　　針對移動通信建網和運維成本的上升、多標準同時運營、移動互聯網帶來網絡負荷沖擊等現階段網絡運營面對的實際問題，從網絡結構入手提出了創新的C-RAN網絡架構，“顛覆性”地改變了移動通信網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展空間。

　　我們也需要看到，目前C-RAN技術框架內還有一些技術細節仍待商榷，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。