Cloud RAN 和移動(dòng)邊緣計算——二者形成分歧

　　過(guò)去幾年中，無(wú)線(xiàn)基礎架構的部署已越來(lái)越多地向分布式基站架構轉移。這種架構對基帶處理池進(jìn)行集中化(有時(shí)稱(chēng)為超級宏)，能夠支持更多無(wú)線(xiàn)電設備，從而實(shí)現更有效的覆蓋和負載平衡。Cloud RAN 概念將集中式基站池直接放在云中，在數據中心內與內容或數據存儲庫處在相同位置。Cloud RAN 有多種優(yōu)點(diǎn)，它允許使用更低成本的計算資源，充分利用現成的服務(wù)器機箱進(jìn)行低成本 RAN 部署，實(shí)現負載平衡，以及顯著(zhù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )配置。同時(shí)，由歐洲電信標準協(xié)會(huì ) (ETSI) 移動(dòng)邊緣計算行業(yè)標準小組 (MEC ISG) 支持的移動(dòng)邊緣計算正在興起,其概念是將計算放在邊緣,與基帶池放在相同位置,以維持本地內容高速緩存,從而改善用戶(hù)服務(wù)。根據用戶(hù)偏好進(jìn)行本地內容高速緩存可縮短時(shí)延并處理臨時(shí)數據(例如基于位置的分析)，但這需要邊緣計算。這兩種架構概念建議在網(wǎng)絡(luò )中的不同節點(diǎn)上部署計算。從表面上看，這兩種相互矛盾的架構似乎起到相反作用，在網(wǎng)絡(luò )中形成了分歧。但通過(guò)更深入觀(guān)察，您會(huì )發(fā)現平衡的網(wǎng)絡(luò )部署方案可利用這兩者的優(yōu)點(diǎn)，使這兩種矛盾的技術(shù)相互補充，支持新的服務(wù)內容。

　　十多年前，分布式基站的概念開(kāi)始問(wèn)世，目的是克服使用同軸線(xiàn)纜從位于塔底的傳統基站向安裝在塔頂的天線(xiàn)發(fā)送信號時(shí)的功率損耗問(wèn)題。遠程射頻單元位于緊鄰塔頂天線(xiàn)的位置，以避免功率損耗。這些遠端射頻單元通過(guò)光纖連接至基帶 BTS 機架。制定的通用公共無(wú)線(xiàn)接口(CPRI) 協(xié)議用來(lái)傳輸數據和同步遠端射頻。在有些無(wú)法使用光纖的情況下，使用微波或毫米波無(wú)線(xiàn)電來(lái)傳送 CPRI 有效負載。這種架構轉變使運營(yíng)商有望能夠混合使用和匹配來(lái)自不同系統廠(chǎng)商的無(wú)線(xiàn)電和基帶機架，以降低成本，改善供應鏈，以及簡(jiǎn)化庫存管理。然而互操作性問(wèn)題讓這種希望化為了泡影，不過(guò)為一級系統廠(chǎng)商開(kāi)啟了新方法，使其能夠利用來(lái)自小廠(chǎng)商的無(wú)線(xiàn)電設備來(lái)控制針對不同地區的無(wú)線(xiàn)電設備種類(lèi)的快速增長(cháng)。

　　分布式基站架構已經(jīng)生根。這種架構對基帶處理池進(jìn)行集中化(有時(shí)稱(chēng)為超級宏)，能夠支持更多的無(wú)線(xiàn)電設備，從而實(shí)現更有效的覆蓋和負載平衡。數據中心和云計算的成功催生了 Cloud RAN 概念。Cloud RAN 通過(guò)對運行在服務(wù)器群上的基帶池進(jìn)行虛擬化來(lái)擴展分布式基站架構。Cloud RAN 有多種優(yōu)點(diǎn)，它允許使用更低成本的計算資源，充分利用現成的服務(wù)器機箱進(jìn)行低成本 RAN 部署，實(shí)現負載平衡，以及顯著(zhù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )配置。當廣泛實(shí)現時(shí)，Cloud RAN 能確保讓第三方提供商擁有網(wǎng)絡(luò )，使多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò )提供商能夠專(zhuān)注于內容和服務(wù)。

　　亞太地區接受 Cloud RAN 架構比較早，因為這里的運營(yíng)商具有充足的光纖資源來(lái)部署遠程射頻單元。電信運營(yíng)商正在研究將 1 至 3 層基站協(xié)議棧和演進(jìn)分組核心網(wǎng)作為虛擬機在現成的服務(wù)器上托管。第 1 層基帶功能、分組處理以及安全性需要服務(wù)器使用專(zhuān)用加速卡，因為通用計算無(wú)法高效實(shí)現這些功能以獲得所需的高吞吐量和低時(shí)延性能。將基站以一組軟件功能的形式進(jìn)行托管，這樣具有很大優(yōu)勢。電信運營(yíng)商再也不需要根據峰值容量要求擴建網(wǎng)絡(luò )了。而是根據需要在云中例化基站，以提供所需的覆蓋范圍和容量。Cloud RAN 允許基站位于存儲大部分內容的數據中心內。這樣能實(shí)現更高的效率以及內容的有效傳播。

　　目前有幾大障礙正阻礙 Cloud RAN 的普及。到遠程射頻單元的低時(shí)延低抖動(dòng)長(cháng)距離連接就是一個(gè)很大的挑戰?，F成的服務(wù)器不具備高效運行基帶處理所需的計算資源。應使用電信級服務(wù)器，這種服務(wù)器具備 L1 基帶加速卡，可用來(lái)托管運行于虛擬環(huán)境的基帶處理池。在有些地區比較落后的系統廠(chǎng)商在這項技術(shù)上則處于領(lǐng)先地位，以打破市場(chǎng)格局并獲得市場(chǎng)份額，迫使優(yōu)勢廠(chǎng)商為穩住市場(chǎng)份額而采取跟隨策略。電信運營(yíng)商歡迎這一趨勢的到來(lái)，目的是使他們的云計算資產(chǎn)與網(wǎng)絡(luò )基礎設施協(xié)調發(fā)展，以簡(jiǎn)化部署和維護工作。

　　圖 1 - Cloud RAN 網(wǎng)絡(luò )架構

　　分布式基站具備獨特的優(yōu)勢，能夠根據本地用戶(hù)偏好高速緩存內容，以改善服務(wù)交付，并在數據源附近處理數據以滿(mǎn)足時(shí)延敏感型應用需求。在臨近用戶(hù)的邊緣進(jìn)行數據處理，能實(shí)現超低時(shí)延訪(fǎng)問(wèn)，使定制服務(wù)部署成為可能。MEC 將 IT 與通信在網(wǎng)絡(luò )邊緣整合，以實(shí)現新的服務(wù)和業(yè)務(wù)。位置服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、視頻分析、增強現實(shí)、本地內容分配以及數據高速緩存都屬于經(jīng) MEC 鑒定的用例。要想使用 MEC 架構，應向宏基站和超級宏基站添加服務(wù)器，用以進(jìn)行本地計算和存儲，以支持新的應用。人們正在開(kāi)發(fā)應用開(kāi)發(fā)協(xié)議棧、工具和框架，以使生態(tài)系統能夠推出新的應用，并整合針對多種垂直市場(chǎng)的服務(wù)項目。MEC 的主要障礙在于為基站添加服務(wù)器和存儲設備所產(chǎn)生的場(chǎng)地租金，以及維護和收費策略。目前，收費策略和規則功能是由電信運營(yíng)商控制的核心網(wǎng)絡(luò )的一部分。派生的 PCRF 功能需要在基站中本地托管，以讓電信運營(yíng)商和其他內容提供商公平地向終端用戶(hù)收取服務(wù)費。

　　圖 2 - 移動(dòng)邊界計算的概念圖

　　針對 2020 年信息社會(huì )的 5G 技術(shù)會(huì )進(jìn)一步加深 Cloud RAN 與 MEC 之間架構對立所形成的兩難境地。為了用越來(lái)越稀少且有限的頻譜滿(mǎn)足 2020 年的預期數據需求，5G 的目標是繼續通過(guò)技術(shù)(例如面向 6GHz 以下和 6GHz 以上頻譜的 Massive MIMO)來(lái)改善頻譜效率。Massive MIMO 系統使用大量天線(xiàn)來(lái)形成單位用戶(hù)波束，這樣能顯著(zhù)改善能效和吞吐量。此外，Massive MIMO 還有一大優(yōu)勢，允許天線(xiàn)信號鏈使用便宜的低功耗元件。Massive MIMO 技術(shù)非常適合毫米頻率和厘米頻率，這些頻率資源價(jià)格便宜而且使用率低，擁有大塊連續頻譜。這種頻率下的窄筆形波束會(huì )產(chǎn)生較大的天線(xiàn)增益，能夠補償高傳播損耗。除了優(yōu)勢外，Massive MIM 也存在一些不足之處。通過(guò)預編碼實(shí)現數字波束形成以處理大量有效無(wú)線(xiàn)電信號鏈和 L1 基帶時(shí)，復雜度顯著(zhù)增加?；鶐幚硇盘栨満蜔o(wú)線(xiàn)電之間的帶寬要求顯著(zhù)提高。為了經(jīng)濟實(shí)惠地實(shí)現這些系統，有必要將 L1 基帶信號處理與無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行集成。未來(lái)的這種功能劃分可能會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)回到傳統基站架構，即所有 L1 至 L3 層和無(wú)線(xiàn)電功能都處在相同位置。

　　圖 3 - 毫米波 Massive MIMO (200 MHz 64x64 天線(xiàn)陣列)系統

　　移動(dòng)邊緣計算和 Massive MIMO 技術(shù)有可能意味著(zhù)分布式基站的整合，因從阻礙向 Cloud RAN 的轉變。實(shí)際上，頻譜限制使人們有必要使用多種不同網(wǎng)絡(luò )架構共存的優(yōu)點(diǎn)，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的帶寬需求。單元密度增加使得稀有頻譜資源的重用成為可能。未來(lái)幾年，這種趨勢將使分布式基站變得更像是迷你型數據中心。另一方面，將 Cloud RAN 分成許多迷你型數據中心或許是利用遠程射頻單元連接來(lái)滿(mǎn)足嚴格的確定性時(shí)延和同步要求的一種方法。兩種架構也許會(huì )在中間靠攏。Cloud RAN 和 MEC 架構可以共存以相互補充。Cloud RAN 可以依靠邊緣計算節點(diǎn)的低時(shí)延和臨近優(yōu)點(diǎn);而邊緣計算則受益于集中試網(wǎng)絡(luò )部署、管理和服務(wù)提供。只有時(shí)間能告訴人們在未來(lái)的 3 至 5 年里隨著(zhù)行業(yè)向 5G 轉移，這兩種架構的采用情況。最終用戶(hù)應用、基于網(wǎng)絡(luò )部署與維護成本的運營(yíng)商偏好以及設備廠(chǎng)商的系統解決方案都可能是決定二者之間微秒平衡的關(guān)鍵因素。

　　總之，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的異構性還將繼續增加。不大可能決出明顯的勝者。需要在 Cloud RAN 與移動(dòng)邊緣計算設備之間實(shí)現良好平衡以有效支持無(wú)線(xiàn)寬帶服務(wù)。無(wú)線(xiàn)寬帶生態(tài)系統不會(huì )傾向某個(gè)極端，而是要平衡投資以繼續構建互補技術(shù)，從而有效服務(wù)于 2020 的信息社會(huì )。