Cloud RAN 和移動邊緣計(jì)算——二者形成分歧

　　過去幾年中，無線基礎(chǔ)架構(gòu)的部署已越來越多地向分布式基站架構(gòu)轉(zhuǎn)移。這種架構(gòu)對基帶處理池進(jìn)行集中化(有時稱為超級宏)，能夠支持更多無線電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)更有效的覆蓋和負(fù)載平衡。Cloud RAN 概念將集中式基站池直接放在云中，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)與內(nèi)容或數(shù)據(jù)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(jì)算資源，充分利用現(xiàn)成的服務(wù)器機(jī)箱進(jìn)行低成本 RAN 部署，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，以及顯著簡化網(wǎng)絡(luò)配置。同時，由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (ETSI) 移動邊緣計(jì)算行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)小組 (MEC ISG) 支持的移動邊緣計(jì)算正在興起,其概念是將計(jì)算放在邊緣,與基帶池放在相同位置,以維持本地內(nèi)容高速緩存,從而改善用戶服務(wù)。根據(jù)用戶偏好進(jìn)行本地內(nèi)容高速緩存可縮短時延并處理臨時數(shù)據(jù)(例如基于位置的分析)，但這需要邊緣計(jì)算。這兩種架構(gòu)概念建議在網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)上部署計(jì)算。從表面上看，這兩種相互矛盾的架構(gòu)似乎起到相反作用，在網(wǎng)絡(luò)中形成了分歧。但通過更深入觀察，您會發(fā)現(xiàn)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(bǔ)充，支持新的服務(wù)內(nèi)容。

　　十多年前，分布式基站的概念開始問世，目的是克服使用同軸線纜從位于塔底的傳統(tǒng)基站向安裝在塔頂?shù)奶炀€發(fā)送信號時的功率損耗問題。遠(yuǎn)程射頻單元位于緊鄰塔頂天線的位置，以避免功率損耗。這些遠(yuǎn)端射頻單元通過光纖連接至基帶 BTS 機(jī)架。制定的通用公共無線接口(CPRI) 協(xié)議用來傳輸數(shù)據(jù)和同步遠(yuǎn)端射頻。在有些無法使用光纖的情況下，使用微波或毫米波無線電來傳送 CPRI 有效負(fù)載。這種架構(gòu)轉(zhuǎn)變使運(yùn)營商有望能夠混合使用和匹配來自不同系統(tǒng)廠商的無線電和基帶機(jī)架，以降低成本，改善供應(yīng)鏈，以及簡化庫存管理。然而互操作性問題讓這種希望化為了泡影，不過為一級系統(tǒng)廠商開啟了新方法，使其能夠利用來自小廠商的無線電設(shè)備來控制針對不同地區(qū)的無線電設(shè)備種類的快速增長。

　　分布式基站架構(gòu)已經(jīng)生根。這種架構(gòu)對基帶處理池進(jìn)行集中化(有時稱為超級宏)，能夠支持更多的無線電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)更有效的覆蓋和負(fù)載平衡。數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算的成功催生了 Cloud RAN 概念。Cloud RAN 通過對運(yùn)行在服務(wù)器群上的基帶池進(jìn)行虛擬化來擴(kuò)展分布式基站架構(gòu)。Cloud RAN 有多種優(yōu)點(diǎn)，它允許使用更低成本的計(jì)算資源，充分利用現(xiàn)成的服務(wù)器機(jī)箱進(jìn)行低成本 RAN 部署，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，以及顯著簡化網(wǎng)絡(luò)配置。當(dāng)廣泛實(shí)現(xiàn)時，Cloud RAN 能確保讓第三方提供商擁有網(wǎng)絡(luò)，使多個虛擬網(wǎng)絡(luò)提供商能夠?qū)Ｗ⒂趦?nèi)容和服務(wù)。

　　亞太地區(qū)接受 Cloud RAN 架構(gòu)比較早，因?yàn)檫@里的運(yùn)營商具有充足的光纖資源來部署遠(yuǎn)程射頻單元。電信運(yùn)營商正在研究將 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(jī)在現(xiàn)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)器使用專用加速卡，因?yàn)橥ㄓ糜?jì)算無法高效實(shí)現(xiàn)這些功能以獲得所需的高吞吐量和低時延性能。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(yùn)營商再也不需要根據(jù)峰值容量要求擴(kuò)建網(wǎng)絡(luò)了。而是根據(jù)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(nèi)容的數(shù)據(jù)中心內(nèi)。這樣能實(shí)現(xiàn)更高的效率以及內(nèi)容的有效傳播。

　　目前有幾大障礙正阻礙 Cloud RAN 的普及。到遠(yuǎn)程射頻單元的低時延低抖動長距離連接就是一個很大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)成的服務(wù)器不具備高效運(yùn)行基帶處理所需的計(jì)算資源。應(yīng)使用電信級服務(wù)器，這種服務(wù)器具備 L1 基帶加速卡，可用來托管運(yùn)行于虛擬環(huán)境的基帶處理池。在有些地區(qū)比較落后的系統(tǒng)廠商在這項(xiàng)技術(shù)上則處于領(lǐng)先地位，以打破市場格局并獲得市場份額，迫使優(yōu)勢廠商為穩(wěn)住市場份額而采取跟隨策略。電信運(yùn)營商歡迎這一趨勢的到來，目的是使他們的云計(jì)算資產(chǎn)與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)發(fā)展，以簡化部署和維護(hù)工作。

　　圖 1 - Cloud RAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　分布式基站具備獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠根據(jù)本地用戶偏好高速緩存內(nèi)容，以改善服務(wù)交付，并在數(shù)據(jù)源附近處理數(shù)據(jù)以滿足時延敏感型應(yīng)用需求。在臨近用戶的邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能實(shí)現(xiàn)超低時延訪問，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(xiàn)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)、本地內(nèi)容分配以及數(shù)據(jù)高速緩存都屬于經(jīng) MEC 鑒定的用例。要想使用 MEC 架構(gòu)，應(yīng)向宏基站和超級宏基站添加服務(wù)器，用以進(jìn)行本地計(jì)算和存儲，以支持新的應(yīng)用。人們正在開發(fā)應(yīng)用開發(fā)協(xié)議棧、工具和框架，以使生態(tài)系統(tǒng)能夠推出新的應(yīng)用，并整合針對多種垂直市場的服務(wù)項(xiàng)目。MEC 的主要障礙在于為基站添加服務(wù)器和存儲設(shè)備所產(chǎn)生的場地租金，以及維護(hù)和收費(fèi)策略。目前，收費(fèi)策略和規(guī)則功能是由電信運(yùn)營商控制的核心網(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(yùn)營商和其他內(nèi)容提供商公平地向終端用戶收取服務(wù)費(fèi)。

　　圖 2 - 移動邊界計(jì)算的概念圖

　　針對 2020 年信息社會的 5G 技術(shù)會進(jìn)一步加深 Cloud RAN 與 MEC 之間架構(gòu)對立所形成的兩難境地。為了用越來越稀少且有限的頻譜滿足 2020 年的預(yù)期數(shù)據(jù)需求，5G 的目標(biāo)是繼續(xù)通過技術(shù)(例如面向 6GHz 以下和 6GHz 以上頻譜的 Massive MIMO)來改善頻譜效率。Massive MIMO 系統(tǒng)使用大量天線來形成單位用戶波束，這樣能顯著改善能效和吞吐量。此外，Massive MIMO 還有一大優(yōu)勢，允許天線信號鏈?zhǔn)褂帽阋说牡凸脑assive MIMO 技術(shù)非常適合毫米頻率和厘米頻率，這些頻率資源價格便宜而且使用率低，擁有大塊連續(xù)頻譜。這種頻率下的窄筆形波束會產(chǎn)生較大的天線增益，能夠補(bǔ)償高傳播損耗。除了優(yōu)勢外，Massive MIM 也存在一些不足之處。通過預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成以處理大量有效無線電信號鏈和 L1 基帶時，復(fù)雜度顯著增加?；鶐幚硇盘栨満蜔o線電之間的帶寬要求顯著提高。為了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)，有必要將 L1 基帶信號處理與無線電進(jìn)行集成。未來的這種功能劃分可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)回到傳統(tǒng)基站架構(gòu)，即所有 L1 至 L3 層和無線電功能都處在相同位置。

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

　　移動邊緣計(jì)算和 Massive MIMO 技術(shù)有可能意味著分布式基站的整合，因從阻礙向 Cloud RAN 的轉(zhuǎn)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(gòu)共存的優(yōu)點(diǎn)，以滿足不斷增長的帶寬需求。單元密度增加使得稀有頻譜資源的重用成為可能。未來幾年，這種趨勢將使分布式基站變得更像是迷你型數(shù)據(jù)中心。另一方面，將 Cloud RAN 分成許多迷你型數(shù)據(jù)中心或許是利用遠(yuǎn)程射頻單元連接來滿足嚴(yán)格的確定性時延和同步要求的一種方法。兩種架構(gòu)也許會在中間靠攏。Cloud RAN 和 MEC 架構(gòu)可以共存以相互補(bǔ)充。Cloud RAN 可以依靠邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的低時延和臨近優(yōu)點(diǎn);而邊緣計(jì)算則受益于集中試網(wǎng)絡(luò)部署、管理和服務(wù)提供。只有時間能告訴人們在未來的 3 至 5 年里隨著行業(yè)向 5G 轉(zhuǎn)移，這兩種架構(gòu)的采用情況。最終用戶應(yīng)用、基于網(wǎng)絡(luò)部署與維護(hù)成本的運(yùn)營商偏好以及設(shè)備廠商的系統(tǒng)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，無線網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)性還將繼續(xù)增加。不大可能決出明顯的勝者。需要在 Cloud RAN 與移動邊緣計(jì)算設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)良好平衡以有效支持無線寬帶服務(wù)。無線寬帶生態(tài)系統(tǒng)不會傾向某個極端，而是要平衡投資以繼續(xù)構(gòu)建互補(bǔ)技術(shù)，從而有效服務(wù)于 2020 的信息社會。