Cloud RAN C 在異構中涌現

無(wú)線(xiàn)基礎設施網(wǎng)絡(luò )正在經(jīng)歷技術(shù)演變的關(guān)鍵期，推出多種不同的設備以滿(mǎn)足容量需求的不斷增長(cháng)。所有這些解決方案旨在最大限度地發(fā)揮寶貴而有限的頻譜資源的潛力。3GPP標準正在探索多種方法，在香農定理(Shannon’s law)規定的容量限額內增大可用頻譜的數據承載密度。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )正在建立能夠讓每個(gè)節點(diǎn)中更少的用戶(hù)從相同頻譜中獲取更高帶寬的拓撲結構。有兩個(gè)主要趨勢正在將網(wǎng)絡(luò )擴展推向完全相反的兩個(gè)方向。第一大趨勢是部署一種每個(gè)宏基站中包含數十個(gè)小型蜂窩的底層結構，用以通過(guò)服務(wù)小用戶(hù)群的方式提高覆蓋率，然后提供所需容量。這樣使無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)絡(luò )能夠在給定區域內支持更大的呼叫用戶(hù)密度，但也會(huì )加大回程網(wǎng)絡(luò )的復雜性和擴展難度。第二大趨勢是將傳統的中央式基站分割為網(wǎng)絡(luò )。讓無(wú)線(xiàn)電位于遠端，基站機架各自包含基帶功能。這種分割成分布式基站的方式便于實(shí)現擴展，增加基帶處理密度以及所連遠端射頻單元的數量，從而有效滿(mǎn)足覆蓋和容量需求。Cloud RAN是一種由高密度基站連接大量分布式遠端射頻單元的網(wǎng)絡(luò )。Cloud RAN使用虛擬化技術(shù)和軟件定義無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )框架實(shí)現從有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )向基帶池資源的轉變。這讓基帶卡架構和設計發(fā)生了重大變化?；鶐Эê蜕漕l卡的連接和算法功能也在發(fā)生變化，以便有效利用資源共享來(lái)實(shí)現負載均衡和網(wǎng)絡(luò )故障轉移。Cloud RAN可簡(jiǎn)化回程，但也會(huì )增加基站機架和多個(gè)遠端射頻單元之間互聯(lián)(又稱(chēng)“去程網(wǎng)絡(luò )”)的復雜性。

以上介紹的兩種趨勢并沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分。分布式基站和宏/微微蜂窩均已使用較長(cháng)時(shí)間，而且以后也很有可能繼續共存。所導致的網(wǎng)絡(luò )異構化以及回程和無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)絡(luò )的復雜性給網(wǎng)絡(luò )管理帶來(lái)了很大挑戰。Cloud RAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可用來(lái)管理底層的異構問(wèn)題，方法是利用網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的嵌入式智能功能更高效地運行網(wǎng)絡(luò )，從而創(chuàng )建更有價(jià)值的服務(wù)平臺。為此，運營(yíng)商和系統廠(chǎng)商需要合作對無(wú)線(xiàn)基礎設施中的關(guān)鍵元素進(jìn)行標準化，實(shí)現便于使用并可引導一系列未來(lái)創(chuàng )新的緊密框架，從而發(fā)揮基礎設施的所有優(yōu)勢。

圖1：傳統基站架構

圖2：分布式基站和遠端射頻單元

與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不通，包含基站和相關(guān)訪(fǎng)問(wèn)連接的無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)絡(luò )使用了很多專(zhuān)用標準和偽標準。向標準化的互聯(lián)和同步方式過(guò)渡是實(shí)現性能提升、互操作性和擴展經(jīng)濟性的重要一步。這是實(shí)現Cloud RAN的重要里程碑。逐漸將以太網(wǎng)作為無(wú)線(xiàn)電接入網(wǎng)絡(luò )和時(shí)序分組(Timing-over-Packet,ToP)網(wǎng)絡(luò )中的標準互聯(lián)技術(shù)，有助于推動(dòng)朝正確方向創(chuàng )新。應注意所建立的解決方案要能恰當滿(mǎn)足與原有技術(shù)的共存、部署成本和擴展需求。

時(shí)序和同步是使Cloud RAN中所有節點(diǎn)保持同步和協(xié)調的關(guān)鍵要素。小型蜂窩也有同樣的需求。目前的基站結合采用多個(gè)時(shí)序和同步輸入與核心網(wǎng)絡(luò )保持同步。GPS和傳統的TDM網(wǎng)絡(luò )(例如T1/E1線(xiàn)路)繼續與分組時(shí)序協(xié)議(PTP 1588v2)和同步以太網(wǎng)一起使用。如今，PTP和同步以太網(wǎng)都是管理無(wú)線(xiàn)基礎設施中同步功能的主流技術(shù)?；局械臅r(shí)鐘和控制模塊(CCM)采用這些不同機制來(lái)實(shí)現頻率、相位和時(shí)間的精確性?；緯r(shí)鐘控制模塊向無(wú)線(xiàn)電元件提供同步時(shí)鐘信息。在傳統的集中式基站中容易實(shí)現同步，因為無(wú)線(xiàn)電元件位于相同的機架中。而同步時(shí)鐘的分配在高密度分布式基站(Cloud RAN)中則比較難，因為無(wú)線(xiàn)電元件位于不同距離的遠端，通過(guò)光線(xiàn)或微波/毫米波點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)。

系統廠(chǎng)商最初利用專(zhuān)用協(xié)議向遠端射頻單元分配時(shí)序和同步信息。之后引入了開(kāi)放基站架構 (OBSAI)和通用公共無(wú)線(xiàn)電接口(CPRI)標準對基站機架和遠端射頻單元之間的互聯(lián)和同步進(jìn)行標準化。CPRI和OBSAI協(xié)議使同步信息能夠沿著(zhù)TDM數據面傳輸路徑進(jìn)行傳播。由于要讓往返確定性時(shí)延保持在16ns以下，且發(fā)送分集的時(shí)序校準誤差要在65ns之內，因此這些嚴格的要求使得基站機架和遠端射頻單元之間必須使用專(zhuān)用光纖鏈路。對于光纖連接不夠經(jīng)濟或者無(wú)法使用的情況，也可采用點(diǎn)對點(diǎn)微波鏈路。

用專(zhuān)用光纖實(shí)現基站機架與射頻單元的互聯(lián)非常昂貴且有局限性。為了優(yōu)化光纖連接，遠端射頻單元應通過(guò)鏈形、樹(shù)形或星形結構連接到基站機架。CPRI和OBSAI標準支持大于10公里的光纖距離，但目前大多數遠端無(wú)線(xiàn)電裝備都位于距離基站幾百米的距離之內。廣泛使用的基于Cloud RAN的分布式基站結構要求光纖范圍達到40km，更重要的是要經(jīng)過(guò)共享網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行互聯(lián)。在基站機架和遠端射頻單元中實(shí)現向以太網(wǎng)通用數據傳輸協(xié)議的過(guò)渡是采用共享網(wǎng)絡(luò )的重要步驟。在共享網(wǎng)絡(luò )中部署精細的流量管理功能是另一項重要要求，便于以?xún)?yōu)先方式將數據轉發(fā)到遠端射頻單元，并細致管理中間節點(diǎn)緩沖以實(shí)現所需的確定性時(shí)延精度。

需要使用新的層級化交換功能集將任意基帶通道卡連接到Cloud RAN中相關(guān)拓撲段的遠端射頻單元。目前，這些交換機位于基站機架中，允許將每個(gè)天線(xiàn)載波器上的數據從3至6個(gè)基帶卡中的任意一個(gè)切換至任意的12個(gè)遠端射頻單元。Cloud RAN拓撲結構中的基帶卡數量和遠端射頻單元數量相乘。Cloud RAN中需要更大和層級更多的交換功能來(lái)實(shí)現所需的連接功能。

圖3：使用QoS/ 流量管理的Cloud RAN網(wǎng)絡(luò )架構共享網(wǎng)絡(luò )概念圖

使用可編程邏輯器件是設計該流程并不斷改進(jìn)Cloud RAN算法和連接功能的最有效方法?？删幊踢壿嬈骷粡V泛應用于通道卡、射頻單元、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和回程設備中。為網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)提供可編程功能后，便可通過(guò)現場(chǎng)升級讓底層算法和連接功能保持一致。賽靈思28nm All Programmable SoC系列集成了FPGA、CPU、DSP和模擬混合功能，并在單個(gè)器件中提供最佳數量的高速收發(fā)器和I/O互聯(lián)。這種以處理器為中心的平臺提供軟件、硬件和IO可編程性，用以構建更加智能的交換和算數功能，為實(shí)現真正的自修復、自學(xué)習和自?xún)?yōu)化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)奠定了堅實(shí)基礎。設計人員將賽靈思解決方案與Vivado設計環(huán)境、工具套件結合使用，可以以最快的速度實(shí)現無(wú)與倫比的高集成度、生產(chǎn)力和結果質(zhì)量。在穩定可靠的生態(tài)系統的支持下，進(jìn)一步豐富了賽靈思工具和芯片技術(shù)，這不僅可實(shí)現快速創(chuàng )新，同時(shí)還能提供更好的現成解決方案以解決面臨的各種新舊問(wèn)題。生產(chǎn)力、性能和上市時(shí)間是關(guān)鍵。賽靈思20nm UltraScale All Programmable器件具有ASIC級的系統級性能，可用以構建高吞吐量、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò )和信號處理功能。該系列產(chǎn)品與Vivado設計套件和UltraFAST設計方法進(jìn)行了協(xié)同優(yōu)化，可加速上市進(jìn)程。賽靈思致力于工具、芯片和解決方案的持續創(chuàng )新，并不斷發(fā)展壯大和健全生態(tài)系統，高效支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域每項重大技術(shù)的推出。賽靈思憑借其業(yè)界領(lǐng)先的工具和芯片技術(shù)引領(lǐng)解決方案的發(fā)展，這不僅支持Cloud RAN網(wǎng)絡(luò )的廣泛普及，同時(shí)還讓Cloud RAN成為抽象化底層異構特性不可或缺的網(wǎng)絡(luò )平臺，從而實(shí)現高效的網(wǎng)絡(luò )貨幣化，并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )的部署和維護。