C_RAN_面向绿色的未来无线接入网演进

国内聚焦C-RAN：

面向绿色的未来无线接入网演进

王晓云，黄宇红，崔春风，陈奎林，陈沫

中国移动通信研究院，北京，100053

摘要：在高速发展的移动业务和日趋激烈的竞争环境下，移动运营商面临着多方面的挑战：高额的能耗、高涨的

建设和运维成本、紧张的频谱资源、快速增长的业务流量以及日趋严峻的成本压力。为解决这些挑战并追求未来可持

续的增长，根据现网条件和技术进步的趋势，提出了面向绿色演进的新型无线接入网构架C-RAN。C-RAN是基于集中

化处理(Centralized)，协作式无线电(Cooperative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的无线接入

网构架, 集中式基带处理可以大大减少覆盖同样区域所需基站的数量；面向协作的无线远端模块和天线可以提高系统

频谱效率；基于开放平台的实时云型基础设施和基站虚拟化技术可以降低成本，共享处理资源，减少能源消耗，提高

基础设施利用率。这些特点能够很好地解决移动运营商所面临的上述挑战，并满足营收和未来移动互联网业务同步发

展要求。

关键词：集中化基带池；协作式无线电；云计算；无线接入网；网络架构

C-RAN: Evolution toward Green Radio Access Network

Wang Xiaoyun, Huang Yuhong, Cui Chunfeng, Chen Kuilin, Chen Mo

China Mobile Research Institute, Beijing 100053, P. R. China

Abstract:Today’s mobile operators are facing a strong competitive environment, as the expenses to build the Radio Access Network (RAN) and power consumption keep going up while the revenue remains relatively low. At the same time, the mobile Internet traf fi c are surging, whilst the ARPU has been ?a t or even declining. Aiming to achieve pro fi t ability and keep growing, a C-RAN architecture, which consists of Centralized signal processing, Cooperative radio, and real-time Cloud infrastructure RAN (C-RAN) is proposed. Centralized signal processing can greatly reduce the number of site’s equipment room needed for covering areas with the same acreage; Cooperative radio with distributed antenna equipped by Remote Radio Head (RRH) can provide higher spectrum efficiency; real-time Cloud infrastructure based on open platform and BS virtualization enables processing power aggregation and dynamic allocation, reducing power consumption as well as increasing infrastructure utilization rate. These novel technologies will well solve the challenges that mobile operators are facing and also meet the requirements mentioned above.

Key words: centralized base-band pool; cooperative radio; Cloud Computing; Radio Access Network; network architecture

I.概要

如今移动运营商正面临着激烈的竞争环境，用于建设、升级无线接入网的支出不断增加，同时运营庞大的基站数量意味着高额的运维支出(能源消耗、人工维护等)。随着移动互联网、物联网的逐渐兴起，无线网络中的数据流量迅速上升；此外，随着竞争的加剧，每用户平均收入(ARPU, Average Revenue Per User)增长缓慢，甚至不断下降，这些因素都将严重地影响移动运营商的盈利能力。为了保持持续盈利和长期增长，移动运营商必须追求低成本为用户提供服务。无线接入网(RAN)是移动运营商赖以生存的重要资产，通过无线接入网可以向用户提供7×24小时不间断、高质量的数据服务。传统的无线接入网具有以下特点：第一，每个基站连接若干固定数量的扇区天线并覆盖小片区域，每个基站只能处理本小区收发信号；第二，系统的容量是干扰受限，各个基站独立工作已经很难增加频谱效率；第三，基站通常都是基于专有平台开发的“垂直解决方案”。这些特点带来了以下挑战：数量巨大的基站意味着高额的建设投资、配套、电力消耗、站址租赁以及维护费用，建设新的站点意味着更多的资本开支和运营开支。此外，现有基站的实际利用率还有待提高，网络的平均负载一般来说大大低于忙时负载，而不同的基站之间不能共享处理能力，也很难进一步提高系统效率。最后，专有的平台意味着移动运营商需要维护多个不兼容的平台，需要不同的人员来维护。

总而言之，传统架构的无线接入网在移动互联网时代面临着降低成本、提高性能和节能减排的挑战因此，无线接入网必须重新考虑新的网络构架以适应新的环境，找到一个可以建立适合移动互联网的高性能、低费用的绿色无线接入网方法。

II.移动运营商面临的挑战

2.1 运营商节能减排的企业责任

移动运营商通过增强空中接口能力，以及增加基站数量来满足不断增长的无线宽带业务，随之而导致的能量消耗问题也变得日益严重。高能耗意味着高运营成本(OPEX, Operating Expense)以及巨大的环境冲击，而这些因素在现有的社会形势下变得越来越难以接受，节能减排已经迫在眉睫。显然，基站节能减排的直接途径是降低基站数量，但将导致同样的覆盖问题。因此，运营商需要谋求更加有效的方式降低能耗；1)采用主设备节能技术，积极应用创新性的网络节能产品与技术，实现节能降耗。例如，通过采用无线网设备软件节电方案，可减少基站功耗；通过载频智能关断技术，动态控制电源，根据忙闲和话务量高低关闭闲置载频，同样可降低基站功耗。2)建设绿色能源基站，中国移动积极在供电系统覆盖不到的边远地区引入新能源，探索建设绿色能源基站，充分利用当地自然条件，采用太阳能、风能等可再生能源。3)采用节能空调技术，充分结合当地气候和环境特点，应用、推广绿色环保技术来提高网络设施空调系统的效率，降低空调这些配套设备的能耗。

上述方法都是当前降低能耗的辅助手段。长期来看，运营商需要从网络架构设计开始考虑低能耗准则，以满足产业长期发展要求。随着国家宣布2020年单位GDP碳减排40-45%，运营商不仅需注重企业自身的环境影响管理和节能降耗，更需努力发挥企业技术优势与影响力，不断开发和提供具有良好环境效益的行业信息化应用，带动社会共同参与环境保护。

2.2 网络的CAPEX/OPEX逐年增高

近几年来，随着移动用户智能终端以及数据卡的普遍使用，世界各地的移动运营商必须不断地对网络扩容，以满足用户的移动宽带需求。然而，随着电信市场竞争日趋激烈，市场逐渐走向饱和，导致语音业务ARPU逐年下降，加上技术发展网络更新改造速度加快，将不断增加资本性支出(CAPEX, Capital Expenditure)和OPEX投入，进一步削弱运营商的盈利能力。这些因素使得运营商需要比以往更加关注CAPEX和OPEX以保证持续的竞争能力。

一般而言，移动运营商网络的CAPEX中80%用于无线接入网的建设，而无线接入网建设费用主要用于无线蜂窝站点的建设。2007年至2012年，全球各类3G网络的CAPEX支出计划逐年增加。由于3G/B3G的部署频点高于已有的GSM网络，这意味着为了保持与2G网络同样的覆盖范围，需要建造更多的蜂窝站点。

因小区建站而引起的CAPEX主要包括设备购买以及建设相关的工程费用，如图1所示，购买基站主设备只占据CAPEX的36%，而勘站、土建

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以及配套设备所导致的资本支出接近50%。这意

味着超过一半的CAPEX 没有被用于产生直接效益的无线主设备单元。因此，对于运营商而言，降低接入网的CAPEX 不仅局限于基站主设备，更多需要关注如何有效降低基站配套设备以及站点安装、部署的成本上面。在网络整体拥有成本(TCO)中，产生于网络运维阶段的OPEX 同样占据了重要比例。如图2所示,假设基站主设备具有7年的折旧期，OPEX 占到TCO 的60%以上。因此，除了CAPEX ，运营商需要意识到OPEX 的成本控制更加重要，而成本控制的前提是必须首先保证网络能够提供高质量的服务以及良好的用户体验，然后在此前提下去关注如何降低网络中没有产生直接效益的资本支出。

这意味由于技术标准升级而带来的空中接口速率的增长速度难以满足数据流量增长的需求。因此，为进一步满足容量的需求，站点建设将越来越密集，也随即带动了各类成本支出的增加。为解决这些问题，需要提出新的网络架构以及空口技术以进一步增强移动通信网络的性能。另一方面，运营商的收益并没有随着网络容量的提升而增加。已有运营数据表明，运营商的语音话务量稳步增加的同时，数据流量增长迅速，但运营收益并没有随之快速增加，甚至全球范围内很多运营商的ARPU 值还在逐年下降。为了应对缓慢的收益增长，运营商需要不断地降低每比特的数据成本，并同时提供高容量的网络以保持用户的良好体验。

2.4 潮汐效应对提高基站利用率带来挑战

移动网络的一个固有特性就是其用户处于移动状态，在通信过程中经常会从一个地点移动到另一个地点，在一天中也会在不同的基站覆盖区之间移动。通过对实际运营网络的观察发现，用户的移动呈现出很强的时间规律性。例如在上班时间段，大量的用户从居住地移动到办公区；而当工作时间结束后，大量用户又从办公区返回到居住地。随着这些用户的移动，移动网络的负载也呈现出随着时间而在网络中迁徙的现象，即所谓的“潮汐效应”。图4中，实际网络中不同地点在不同时间段的负载情况就验证了这一点：工作时间段，办公区域的无线网络负载最高，而非工作时间段，居住区的负载最高。

在传统的无线接入网中，每个基站的处理能力只能被其服务的小区内的用户使用。当小区内的用户离开后，基站的处理能力无法转移，只能白白地浪费。由于运营商需每时每刻保持着网络的覆盖，使得这些空载或者零星负载的基站必须和那些高负载的基站消耗一样的功率，且由于用户的在某一时

图3 移动带宽数据率/负载增长趋势

移动数据流量每年131%

速度增长

无线网络宽带速率每年55%

速度增长

P B /m o

M b p s

LTE 100Mbps

HSDPA 14.4Mbps

UMTS 2Mbps

LTE+1Gbps

2002 2004 2005 2008 2010 2012 2014 2016

2000

1800160014001200

1000

800600400

200

30000

25000

20000

1500010000

5000

图1 基站CAPEX和OPEX分析

网络规划勘站

基站主设备传输设备及租用

土建配套设备

4%4%16%

28%

12%

36%

小区站点的CAPEX

站点租金租用链路电费

人工维护

28%28%

11%

33%

小区站点每年的OPEX

图2 基站TCO分析

7年的OPEX

60%TCO

{

电费人工维护

站点租金传输

40%TCO

{

CAPEX

勘站及网络规划

配套设备土建基站主设备

2.3 流量增长和收入增长严重不成比例

随着3G/B3G 等新技术的不断发展，移动系统的峰值速率也快速提升，随即引发了移动用户的数据流量迅速增加。随着LTE 以及LTE-A 网络的部署，未来几年内，移动宽带用户数量将快速增长。移动用户也开始尝试各种需要更高带宽的多媒体服务，如基于视频的应用等。

如图3所示，据Cisco VNI 预测，2008年到2013年全球的移动数据流量将增加66倍，每年的复合增长率为131%[1]。与此同时，空口的峰值速率从3G 到LTE-A 只以每年55%的复合增长率提高。

段在一些区域的聚集，基站往往满负荷运转，其需要的处理能力远高于平均水平。因此，一方面形成了处理能力的浪费，另一方面是处理能力的不足。III.面向绿色的C--RAN网络架构

面向上述诸多挑战，运营商需要新的无线接入网演进方案来提升移动互联网时代自身的竞争力。为此，中国移动提出融合4C 特点的绿色无线接入网是移动通信无线网络架构的重要演进方案，所谓4C ，即Clean(节能减排)、Centralized(集中处理)、Cooperative(协作式无线电)和Cloud(利用了云计算能力的软硬件平台)，我们称该方案为C-RAN 。如图5所示, C-RAN 主要包括3部分：由远端无线射频单元和天线组成的分布式无线网络；由高带宽低延迟的光纤或光传输网连接远端无线射频单元；由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池。分布式的远端无线射频单元提供了一个高容量、广覆盖的无线网络。由于这些单元灵巧轻便，便于安装维护，它们的CAPEX 和OPEX 很低，因此可以大范围、高密度地使用。高带宽低延迟的光传输网络需要将所有的基带处理单元和远端射频单元之间连接起来。基带池由通用高性能处理器构成，

通过实时虚拟技术连接在一起，集合成异常强大的处理能力来为每个虚拟基站提供所需的处理性能需求。集中式的基带处理大大减少了需要的基站机房需求，并使资源聚合和大范围协作式无线收发技术成为可能。

在C-RAN 中，运营商可以迅速地部署或者升级网络。运营商只需要配置一些新的远端无线射频单元并连接到集中式的基带处理池，就可以实现网络覆盖的扩展或网络容量的增加。与传统的分布式基站不同， C-RAN 打破了远端无线射频单元和基带处理单元之间的固定连接关系。每个远端无线射频单元不属于任何一个基带处理单元实体。每个远端无线射频单元上发送或接收的信号的处理都是在一个虚拟的基带基站完成的，而这个虚拟基站的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理器构成的。应用实时虚拟技术使得物理资源全局最优利用不再是奢望。

C-RAN 的主要优势体现在：

(1)节约CAPEX 和OPEX 成本。在C-RAN 架构中，基带处理单元的机房数量可以减少一个数量级。远端无线射频单元较容易部署，并不需要频繁的维护，可以大大加速运营商网络建设的速度。运营商还可以节约大量的租借或购买站址资源的成本，从而降低运营和维护的开销。

(2)节约功耗。C-RAN 是一个绿色网络。首先，机房数量的大量减少意味着机房内空调耗电和排放的大量减少。其次，通过所有虚拟基站共享一个基带池，使得基带处理资源得到了最优利用，消耗也自然降到了最低。

(3)提高网络容量。在C-RAN 中，虚拟基站可以在基带池中共享所有通信用户的接收和发送信息、业务数据和信道质量等信息。这使得联合处理和调度得以实现，小区间的干扰也变废为宝，从而显著地提高频谱使用效率。

(4)基于负载的自适应资源分配。C-RAN 的一个显著特点在于基站处理资源的灵活调配，这使得网络可以根据各个区域或时段的不均衡负载来调配处理资源。用户在物理小区间移动的同时，其占用的基站处理资源也是随之移动的。

(5)互联网业务的智能减负。通过采用C-RAN 智能地识别各类业务类型(电信业务、互联网业务等)，使电信业务还保留通过核心网，而将智能终端和其他移动通信设备产生的大量互联网业务从基站上直接进入互联网。这使得传输网与核心网的业务

图4 全天移动网络负载举例

商务区居民区

话务量

时间

图5 C-RAN构架

基带池

协作式无线电

高速交换

负载均衡高速交换

负载均衡光传输网

虚拟基站集群

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负载和相应的成本开销降低，也为用户带来了更好的服务体验。

IV.C-RAN核心技术方向

C-RAN构架在成本、容量和灵活性等方面都体现出传统无线接入网所没有的优势。但是，这一方案的实现在技术上还有一系列困难和挑战，需要运营界、产业界和学术界通力合作，共同攻克这些技术难题.

4.1 基于光网络的无线信号传输

? LTE/LTE-A系统OBRI链路需求分析

随着3GPP TD-LTE向LTE-Advanced的后向演进，多跳连接的网络拓扑以及支持8天线的高阶MIMO配置对OBRI (Open BBU-RRH Interface)链路提出了极具挑战性的需求。因此，如何实现低成本、高带宽、低延迟的光传输网络成为C-RAN的一个挑战。一般地，影响OBRI链路带宽需求的主要因素包括：系统带宽、MIMO天线配置以及级联级数等。

? 基于光网络的ΟΒΡΙ链路数据传递

为了满足RRU与BBU之间的高带宽数据传递，运营商需依据现网传输资源的情况采用不同的策略。依据城域传送网光纤资源丰富程度，特别是接入环的光纤资源状况，可实现以下几种基带池OBRI链路的传输方案：光纤直驱模式、波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)传输模式、基于UniPon的传输模式。

? 技术挑战

连接RRH和BBU的OBRI接口必须满足高带宽、低延迟的苛刻要求，并需要费用低廉的光传输网络来承载才能满足C-RAN构架。现存的各种数据压缩方案可以将OBRI接口带宽需求降低到原始数据的50％～60％，但是，仍然不能从本质上解决LTE-A阶段OBRI接口的传输问题。基于WDM的UniPon可作为实现OBRI传输较佳的解决方案之一，但是其必须具有经济上的竞争力。另外，还有诸多问题需要进一步研究，主要包括：高效的联合处理机制、下行链路信道状态信息的反馈机制、多小区的用户配对和联合调度算法、多小区协作式无线资源和功率分配素算法。

4.2 动态无线资源分配和协作式收发

C-RAN系统的一个主要目标是显著提高系统频谱效率，并提高小区边缘用户吞吐量。然而，众所周知，在采用OFDM技术的蜂窝小区中，边缘的用户经历比较严重的信道间干扰(ICI)，因而使得系统性能明显降低。因为系统的容量是干扰受限的，所以不能通过不断增加发射功率来解决该问题。同时，鉴于前述分析，单小区的无线资源使用效率较低。C-RAN将采用有效的多小区联合资源分配和协作式的多点传输技术有效提高系统频谱效率。

4.3 集中式基带池及基于软件无线电的基站虚拟化

集中式基带池可以有效地实现载波负载均衡，避免部分BBU过载以及部分BBU较空闲的现象发生。这可以实现更大范围的载波负载均衡，提高设备利用率，降低能耗，并可以更方便地部署协作式MIMO以及干扰消除等信号处理算法，从而增加无线系统的性能增益。

目前，世界上大多数的主要移动运营商需要在同一覆盖区域同时支持多种网络运营。多模基站使运营商必须以一种经济而有效的方式控制CAPEX 和OPEX成本。基于软件无线电和处理器的基站系统提供了这样的灵活性。软件无线电及信号处理器、通用处理器近年来都取得了很多进展，包括：

(1) 多核扩展及支持线程并行化的硬件多线程；

(2) 更适合信号处理的SIMD指令，VLIW构架，数据宽度更宽；

(3) 指令级更高的并行度；

(4) 指令集增强技术，例如数据搬移，变换，比较，封装等；

(5)基于硬件的虚拟化技术。

当前的BBU处理板是为某种专用的通信标准而设计(如GSM、TD-SCDMA或LTE)，并仅能支持固定数量的载波。计算所需资源(如DSP，FPGA 或GPP等)一般专门用来完成基站的物理层或MAC层的处理。随着无线技术与标准的快速演进，上述“固定”设计的机制将带来众多问题。虚拟化是指将计算机资源抽象化。对用户隐藏了计算平台的物理属性，仅显示另一个抽象的计算平台。如果在基站系统中运用这一概念，“固定”设计机制带来的问题将迎刃而解。因此，相信在未来的移动网络中，将出现基于实时基站虚拟化技术的基带池。

由于基站有实时处理、高性能的设计需求，传统虚拟技术难以解决信号高效处理的应用问题。为了设计新的虚拟化技术以构造基带池，还需研究以下问题：

(1)需要有高性能、低能耗的信号处理器或通用处理器以实现实时信号处理；

(2)高效灵活的虚拟化系统，以实现硬件处理资源的虚拟化管理，实现物理处理资源动态分配给虚拟基站，并保证虚拟基站的实时性，处理延迟和抖动可控；

(3)高吞吐量、低延迟的的交换构架，以实现基带池的物理处理资源间互联拓扑，这包括处理板芯片间的互联、处理板之间的互联及多个物理机架之间的互连。

V.演进路线

新型C-RAN架构是传统RAN的一次革命性变革。现存的RAN不可能在一夜之间被取代，而且，C-RAN的各种技术挑战也需要在实验室及外场环境中仔细开发和反复测试以确保其可靠性。C-RAN 必须采用逐步演进路线——即逐步成熟并取代传统RAN，以下是关于如何实现逐步演进路线的构想。

5.1 基于光传输网络的分布式RRH+BBU基站

第一步，基站的功能可以由分离的远端无线射频单元(RRH)和基带单元(BBU)实现。RRH通过光纤或光传送网与BBU相连接，可以部署在远离BBU物理位置的远端站点（如1~10km）。为方便部署，RRH设计得小巧而轻便，通过光纤从BBU接收，或给BBU发送无线电信号（模拟或者数字格式），BBU是信号处理的核心。RRH和BBU之间的光纤连接也可以被标准化为OBRI，使得不同厂家的RRH和BBU可以互联。

5.2 基于软件无线电和协作式处理的的基站

第二步，BBU的基带处理完全由基于信号处理器或通用处理器(GPP)的软件无线电(SDR)实现。将基带处理由信号处理器或通用处理器上的软件无线电实现，可以更容易地支持多标准或升级HW/ SW，方便支持新标准的引入、增加处理容量。通过将多个RRH连接到集中式的BBU，并在BBU中实现软件无线电，协作式波束成型和联合信号处理将更容易在BBU中实现。多个基站通过交换调度信息、信道信息和用户数据，可使得系统容量最大化，并减小了系统干扰。

5.3 基于实时云构架的虚拟基站

一旦BBU建立在信号处理器或通用处理器上，并可用软件无线电实现基带处理，那么基于实时云构架的虚拟基站将是C-RAN演进的下一步方向。大量处理器可组成一个巨大的计算池——“虚拟基站簇”，如同IT产业中的广泛应用的“云计算”。

VI.结论

随着移动互联网时代的来临，目前的无线接入网络正面临着越来越多的挑战，众多问题亟待移动运营商来解决：业务量迅猛增长带来的无线网络成本的不断上升，而收入却增长缓慢；节能减排的社会责任，多标准和动态网络负载缺乏灵活性等。

C-RAN是为解决以上挑战而提出的解决方案之一，是重要的研究方向。利用分布式RRU和集中式BBU基带池，可以以经济有效的方式实现先进的多点传输/接收技术、支持多标准的软件无线电、虚拟基站与资源融合、RAN边缘业务等。C-RAN可以为移动运营商提供具有竞争力的基础架构，以保持在激烈竞争的市场环境下的业务和利润同步增长。因此，我们需要所有移动运营商、电信设备厂商、传统IT系统厂商、以及关注未来RAN演进的产业、学术研究机构共同参与到C-RAN关键技术的研究中，共同推动C-RAN愿景逐步成为现实。

参考文献

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