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下一代蜂窝网络逐渐建成

2015-01-27 来源：微波射频网作者：Ron Wilson，总编辑，Altera公司字号：大中小

全球网络支持移动设备体系结构及其底层技术面临很大的挑战。在蜂窝电话自己巨大成功的推动下，移动客户设备数量以及他们对带宽的要求在不断增长。但是分配给移动运营商的带宽并没有增长。网络中某一通道的使用效率也保持平稳不变。下一代射频接入网必须要解决这些难题，这似乎很难。

难以满足的需求

几乎所有人都要求提高移动带宽。不太明显的是，这种增长是多方面的：三种因素结合在一起产生了很大的需求。一个因素是熟悉的基础设施的构建，以及客户基础的增长。其次是设备本质的变化。第三是应用结构的改变。

客户增长可能是三种因素中影响最小的。发达国家移动设备已经接近饱和了。很多有钱人有多台同时使用的移动设备。农村地区还有很多潜在的用户，但是他们的基本问题是接入而不是带宽。

如果蜂窝设备的绝对数量开始趋于平稳，那么，用户所选择的设备类型会倾向于高端市场。Intel 移动和通信部副总裁兼总经理 Hermann Eul 在最近的一次 DesignCon 主题演讲中指出，人们平均每 18 个月就会换一部新手机。智能电话是其选择。即使是最节省的用户也希望更新。Eul 说， “从今年开始，智能电话市场一半的投资是在价值、入场以及超低成本领域。”

人们的电话越智能，使用的就越多。Eul 说， “我们看到人们每星期平均要使用 26 小时。” 电话对数据要求的越来越多，同时使用的时间越来越长，这些都导致更大的数据流量。

在这 26 个小时中，用户通常会运行应用程序，其带宽需求要比以前大很多。Eul 注意到， “目前的应用程序与 5 到 10 年前的纯计算机程序一样复杂。” 有趣的是，这些应用程序不仅对 CPU 的要求高了，而且还要求更大的带宽，它们从云端获得数据，有时候共享计算负载。即使是语音命令输入和地图导航等看起来简单的应用程序也会在调用远程计算和存储资源时，向空中传送大量的数据。

更多的用户，更多的智能电话，要求更高的应用程序：产品对带宽的需要增长非常快。有些分析人士预测，到 2017 年，无线数据量年度累计增长会维持在 66%。到那时，传送的数据流会达到令人难以置信的每月 11 艾字节。运营商会怎样呢？

寻找带宽

运营商问题最简单的答案是让他们提供更多的带宽。实际上，全球射频通信大会 (WRC) 确定了一些额外的频谱 — 称之为候选带宽，能够显著扩展可用总带宽 (参见图1)。但是新带宽也有自己的问题。

移动服务现有以及建议的频谱分配

图1. 移动服务现有以及建议的频谱分配。

很多难题都不是技术性的。例如，WRC 是一个协会，工作起来像一个单位。但是，它必须要处理多方面的问题：联系全世界国家政府，所有的遗留问题，不同的决策过程，还有我们要说的是，隐藏的利润目标，同意对频谱的分配等。即使是达成了协议，在每个国家修改其规章，把频谱分配给运营实体之前还是有很长的时间间隔。分配过程是公开拍卖，秘密交易，还是法律强制，这都非常耗时，而且有争议。由于某些需要的频谱属于现有用户，因此，以上问题尤其突出。例如，在美国和欧洲，500-800 MHz 附近的某些候选频带一直属于电视广播公司。

这涉及到钱的问题。所有人，从政府到现有用户都希望从带宽获得收益。在大多数情况下，运营公司会不得不拿出一大笔钱来支付牌照费用。但是有很严重的问题，用户是否愿意每月支付更多的费用，即满足新频谱牌照费用同时又支持昂贵的新网络基础设施建设费用。很多小运营公司会落在后面，最终被收购或者退出。

与现有频谱距离很远的频带意味着手机和射频前端的新天线以及 RF 设计。同时还有网络级问题。随着频率的提高，传播特性发生了很大的变化，这并不是移动无线电的优势。800 MHz 非常适合用于大空间宏单元塔，2.5 到 3 GHz — 靠近微波炉的频率，适用于中距离气象雷达或者树叶探测器。越接近 5 GHz，建筑材料就越不透明。

而且，其他的候选频谱，如果都将其交给移动运营商，实际可用范围只可能增加三倍。这当然有所帮助，但是仍然跟不上每年 66% 的增长。业界还需要其他措施。因此，运营商除了使用更多的频率域之外，还尝试更高效的使用地理区域。

空域效率

提高通道数量有限的接入网容量一种最明显的方法是提供更多的小区。这是老的想法：半导体供应商多年以来一直在为微小区、微微小区、毫微微小区提供设计。分析公司 Forward Concepts 负责人 Will Strauss 注意到， “不会再出现很小的小区了。”

Altera 客户市场经理 James Lie 也同意， “两年前还有较小的小区。可能在两年内，我们会看到本地小区，但是我不认为这会有广泛应用。”

Lie 的怀疑是有原因的。原理上，小区应该是理想的解决方案。当存在大铁塔不能覆盖的阴影区域，或者某一区域需求特别高时，在其周围布上更小的小区——例如，围绕中心商务区，运动场，或者计算机网络等。很多小区能够满足需求，使其不会让临近的宏小区出现饱和。结果是异构射频网络，具有很多的宏小区、微小区以及微微小区(参见图2) 。

网络拓扑成为异构的

图2. 网络拓扑成为异构的。

但是，Altera 战略市场经理 David Brubaker 解释说，问题是频率干扰。小基站互相交叠，还与临近的宏小区干扰。在拥塞的区域布置很多小区的结果是实际上减少了可用带宽。

业界建议了几种方案来克服干扰问题，但是这些解决方案要求采用最新的 3GPP 标准。一种可能是时域复用以便共享通道。但是当网络饱和时，这牺牲了吞吐量，此时您最需要的是带宽。另一种是可选功率，这样，每次连接只使用所需要的发送功率 — 不会导致与临近小区出现干扰。第三种可能是聚束，一个基站的多幅天线将其辐射能量直接聚集到移动设备上，而不是分散到某个象限中。后面两种方案需要进行快速闭环测量和控制，对于聚束的情形，则需要大量的计算资源。

Brubaker 建议，如果小区要在未来扮演一定的角色，必须要突破极高频带宽的限制。例如，在 3 GHz 以上，信号通过自由空间时会有很大的衰减，很难穿透固体物质。宏小区基站要为邻居提供服务时，这些属性就是难以解决的问题。但是，对于服务于建筑物某一楼层的微小区而言，这却是很好的隔离，不会影响其他临近的小区。

小区另一明显的问题是骨干网，基站和运营商中心站之间的连接。宏小区基站通过电信公司的 T1/E1 线路、专用微波链路或者光纤，连接至中心站。这些昂贵的私有连接并不适用于小基站。企业级小区可以通过电缆或者光纤连接至公网的接入路由器。毫微微小区会处于 WiFi 链路的末端，其集线器连接至 DSL 调制解调器。不难想象这样一种场景，这些 ad-hoc 连接不能提供足够的带宽来满足小区的需求。这些连接 — 实际上，涉及到互联网的任何连接，都会有不可预测的延时和可靠性问题。因此，它们与商用骨干网连接有很大的不同。

载波汇集

除了接入网提供足够的原始带宽这一问题之外，在为每一台移动设备提供足够的带宽方面还有很多其他难题。对于 GSM 服务，这并不是很大的问题：每一个连接都会有 200 kHz 的带宽。但是，LTE 规定每一移动设备要有 20 MHz 带宽，高级 LTE (LTE-A) 则要求每台设备有 100 MHz 带宽。

由于只有很少的频带能够提供 100 MHz 的带宽，特别是 700 MHz 附近的原始频带，因此，LTE-A 遇到的问题更大。所以，LTE-A 引入了更复杂的网络技术：载波汇集。这种技术将几个通道汇集在一起，为某一移动设备提供足够的带宽。

这种显而易见的方法将汇集临近的通道。手持式 RF 和基站电路要同时处理两个甚至更多的通道，但是载波频率至少是在相同的频带内。然而，工程师在开发 LTE-A 时感到，汇集临近的通道还不足以为非常拥挤区域的移动用户提供足够的带宽。临近的频率极有可能已经非常忙碌了，而某些其他频带可能还比较空闲，因此，LTE-A 支持带宽和基站的汇集。

例如，如果一个连接需要更大的带宽，但是目前的基站没有空余的通道，那么，网络控制层会分配来自其他与移动设备连接的基站的通道。即使最初的基站是宏小区铁塔，第二个基站是微小区，这种方法也能够工作。来自两个基站的通道会被用于向移动设备发送数据包。

显然，载波汇集所需要的协同工作给网络控制平面带来了压力。这种压力有利于促进无线网络结构的改变。

C-RAN

几年前，射频接入网设计人员开始连接某些点。他们注意到，基站硬件越来越昂贵，大部分基站在大部分时间内都没有充分利用起来。他们还注意到，基站的大部分运营成本来自散热或者检修车，而不是计算。他们注意到铁塔顶部的射频前端和地面数字引擎之间采用了同轴和光纤等连接。

由此产生了一种想法。为什么不把数字硬件机架从小区铁塔中拿出来，将其集中到一个大的城域数据中心呢？这样，控制平面实现了数字信号处理 (DSP) 电路板机架之间的负载均衡，从而减少了硬件。数据中心能够尽可能的覆盖整个城域网负载，而不用针对小区的峰值负载来建设每一个基站。集中散热和维护也会便宜很多。也不需要昂贵的微波或者光纤骨干网连接。铁塔上射频前端下来的光纤不会停在地面上，而是继续直接连接至数据中心。DSP 机架都在一个机房中，控制平面能够协调小区之间的工作，实现了非常低的延时。

这一方案，其名称是集中式射频接入网 (C-RAN)，如图3 所示，很快就得到了很多支持。Forward Concepts 的 Strauss 说， “C-RAN 是 Intel梦想的应用。他们在这方面的工作至少有 3 年了，部分是与中国移动合作的。”

C-RAN 集中了基站

图3. C-RAN 集中了基站。

Strauss 解释说，Intel 的观点是，城域数据中心不仅含有 DSP 电路板机架，而且还有 Intel 服务器机架。Strauss 注意到， “如果您把基站信号处理任务放到 x86 CPU上，那么，从基带处理到网络控制，您就有一类处理器体系结构，一类电路板，一种编程模型。” 这种同构性极大的简化了计算资源的虚拟化任务，因此，控制平面实现了数据中心的负载均衡。当然，在这一过程中，很多 ASIC，例如 Freescale 或者 TI DSP 芯片被 Intel CPU 替代了。

不论 C-RAN 数据中心是否有单独的服务器和 DSP 平面，还是只使用服务器 — 采用最新的高性能计算，使用具有硬件加速器的服务器 CPU，其优势是显而易见的。除了负载均衡，射频前端的载波汇集功能、用户选择的功率级，以及聚束功能都能够受益于所有基站位于一个地点，而且按需提供计算资源。

但是，仅仅在物理位置提供处理节点还不足以满足这些严格的延时要求。Altera 的 Brubaker 指出， “C-RAN 要求远程射频单元 (RRU) 与数据中心 DSP 之间有低延时光链路。” 这样，C-RAN 设备可满足金融行业超低延时数据中心的需求，这些数据中心用于高速安全交易。

宏大的远景

现在，我们已经进行了详细的阐述，应该回过头来看看我们曾画好的远景。详细看一看我们建议的更大、更加异构的结构：下一代无线接入网。

让我们从移动设备用户的角度开始。最大的不同是，用户所要求的是速度：在这个例子中，当星座排成一列时，速度是每秒 100 megabits (Mbps)。这隐藏了非常昂贵的成本，消费类设备中含有最复杂的多频段射频。为实现 100 Mbps，LTE-A将汇集载波。因此，移动射频不得不让通道同时工作，这些通道可能处于不同而且是分布很宽的频带中，连接了不同的天线。

回到稍宽的视角来看，从射频接入网边缘开始。一般而言，距离用户最近的小区是某类微小区：可能是杂货店里由用户安装的毫微微小区，更有可能是大楼、地铁和娱乐场所里的微小区。这种基站可能会工作在 2.5-3.5 GHz 范围，通过互联网的高速以太网链路实现连接。

但是，小区并不是唯一的节点。我们用户的设备可能至少会连接一个宏小区远程射频前端，这安装在临近小区的铁塔上。

逐渐地，在不远的将来，远程射频前端将通过光纤，而不是铁塔底部的基站，向城市的 C-RAN 数据中心发送公共射频接口 (CPRI) 数字化射频波形。数据中心很有可能将充满相对传统的服务器，辅以硬件加速器帮助进行基带信号处理。

数据中心的工作会非常复杂。C-RAN 控制平面必须处理每一移动设备涉及到的通道，满足每一设备当前的带宽需求。必须将小区和通道分配给移动设备，考虑不同的带宽有不同的传输特性，小区和数据中心之间的延时会有很大的不同，即光纤到 C-RAN 远程射频前端的延时。

随时能够设置发送功率则要求对接收信号进行实时分析，聚束功能使得信号处理更加复杂，信号处理任务是产生发送给射频前端的波形。

由控制软件向移动设备提供链路，因此，也能够满足数据中心虚拟化基带处理器池的基带处理需求。连接的每一级都是虚拟化的，随时可以进行分配，只有通过小区的部分除外。小区既是解决方案也是挑战 — 低覆盖盲区和高需求区域，还有干扰问题，困难的骨干网连接，以及静态资源分配等。在越来越虚拟化的网络体系结构中，解决这种不连续问题会非常有趣。

其大部分都是既成事实，由 LTE-A 文档定义或者目前还在开发中，正在进行现场试验。但是也有公开开放讨论的领域。例如，软件能否成功的进行混合小区和宏小区通道动态分配，同时能够避免小区和宏小区之间的干扰？在较高的载波频率下，既有移动用户，同时传输特性也在不断变化，网络稳定性有多高？

还有值得讨论的另一个有趣的领域，商业模型和技术。C-RAN 能够为无线服务提供商提供很强的计算能力和存储资源，使其尽可能靠近用户的移动设备。提供商能够利用这一优势来为移动用户提供基于云的服务，甚至是环境预知应用？这种转换极大的改变了服务提供商、应用开发商和内容提供商以及云主机提供商之间的收益分配。我们有下一代射频接入网模型，但这是还在不断发展的模型。

主题阅读：蜂窝网络

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