Cloud RAN C 在異構(gòu)中涌現(xiàn)

無線基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備以滿足容量需求的不斷增長。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(biāo)準(zhǔn)正在探索多種方法，在香農(nóng)定理(Shannon’s law)規(guī)定的容量限額內(nèi)增大可用頻譜的數(shù)據(jù)承載密度。同時，無線電網(wǎng)絡(luò)正在建立能夠讓每個節(jié)點(diǎn)中更少的用戶從相同頻譜中獲取更高帶寬的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有兩個主要趨勢正在將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展推向完全相反的兩個方向。第一大趨勢是部署一種每個宏基站中包含數(shù)十個小型蜂窩的底層結(jié)構(gòu)，用以通過服務(wù)小用戶群的方式提高覆蓋率，然后提供所需容量。這樣使無線電接入網(wǎng)絡(luò)能夠在給定區(qū)域內(nèi)支持更大的呼叫用戶密度，但也會加大回程網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和擴(kuò)展難度。第二大趨勢是將傳統(tǒng)的中央式基站分割為網(wǎng)絡(luò)。讓無線電位于遠(yuǎn)端，基站機(jī)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(xiàn)擴(kuò)展，增加基帶處理密度以及所連遠(yuǎn)端射頻單元的數(shù)量，從而有效滿足覆蓋和容量需求。Cloud RAN是一種由高密度基站連接大量分布式遠(yuǎn)端射頻單元的網(wǎng)絡(luò)。Cloud RAN使用虛擬化技術(shù)和軟件定義無線電網(wǎng)絡(luò)框架實(shí)現(xiàn)從有線網(wǎng)絡(luò)向基帶池資源的轉(zhuǎn)變。這讓基帶卡架構(gòu)和設(shè)計(jì)發(fā)生了重大變化。基帶卡和射頻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實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)故障轉(zhuǎn)移。Cloud RAN可簡化回程，但也會增加基站機(jī)架和多個遠(yuǎn)端射頻單元之間互聯(lián)(又稱“去程網(wǎng)絡(luò)”)的復(fù)雜性。

以上介紹的兩種趨勢并沒有明顯的優(yōu)劣之分。分布式基站和宏/微微蜂窩均已使用較長時間，而且以后也很有可能繼續(xù)共存。所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化以及回程和無線電接入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性給網(wǎng)絡(luò)管理帶來了很大挑戰(zhàn)。Cloud RAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用來管理底層的異構(gòu)問題，方法是利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的嵌入式智能功能更高效地運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，從而創(chuàng)建更有價值的服務(wù)平臺。為此，運(yùn)營商和系統(tǒng)廠商需要合作對無線基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)便于使用并可引導(dǎo)一系列未來創(chuàng)新的緊密框架，從而發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施的所有優(yōu)勢。

圖1：傳統(tǒng)基站架構(gòu)

圖2：分布式基站和遠(yuǎn)端射頻單元

與有線網(wǎng)絡(luò)不通，包含基站和相關(guān)訪問連接的無線電接入網(wǎng)絡(luò)使用了很多專用標(biāo)準(zhǔn)和偽標(biāo)準(zhǔn)。向標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)和同步方式過渡是實(shí)現(xiàn)性能提升、互操作性和擴(kuò)展經(jīng)濟(jì)性的重要一步。這是實(shí)現(xiàn)Cloud RAN的重要里程碑。逐漸將以太網(wǎng)作為無線電接入網(wǎng)絡(luò)和時序分組(Timing-over-Packet,ToP)網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)技術(shù)，有助于推動朝正確方向創(chuàng)新。應(yīng)注意所建立的解決方案要能恰當(dāng)滿足與原有技術(shù)的共存、部署成本和擴(kuò)展需求。

時序和同步是使Cloud RAN中所有節(jié)點(diǎn)保持同步和協(xié)調(diào)的關(guān)鍵要素。小型蜂窩也有同樣的需求。目前的基站結(jié)合采用多個時序和同步輸入與核心網(wǎng)絡(luò)保持同步。GPS和傳統(tǒng)的TDM網(wǎng)絡(luò)(例如T1/E1線路)繼續(xù)與分組時序協(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)都是管理無線基礎(chǔ)設(shè)施中同步功能的主流技術(shù)?；局械臅r鐘和控制模塊(CCM)采用這些不同機(jī)制來實(shí)現(xiàn)頻率、相位和時間的精確性?；緯r鐘控制模塊向無線電元件提供同步時鐘信息。在傳統(tǒng)的集中式基站中容易實(shí)現(xiàn)同步，因?yàn)闊o線電元件位于相同的機(jī)架中。而同步時鐘的分配在高密度分布式基站(Cloud RAN)中則比較難，因?yàn)闊o線電元件位于不同距離的遠(yuǎn)端，通過光線或微波/毫米波點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)。

系統(tǒng)廠商最初利用專用協(xié)議向遠(yuǎn)端射頻單元分配時序和同步信息。之后引入了開放基站架構(gòu) (OBSAI)和通用公共無線電接口(CPRI)標(biāo)準(zhǔn)對基站機(jī)架和遠(yuǎn)端射頻單元之間的互聯(lián)和同步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。CPRI和OBSAI協(xié)議使同步信息能夠沿著TDM數(shù)據(jù)面?zhèn)鬏斅窂竭M(jìn)行傳播。由于要讓往返確定性時延保持在16ns以下，且發(fā)送分集的時序校準(zhǔn)誤差要在65ns之內(nèi)，因此這些嚴(yán)格的要求使得基站機(jī)架和遠(yuǎn)端射頻單元之間必須使用專用光纖鏈路。對于光纖連接不夠經(jīng)濟(jì)或者無法使用的情況，也可采用點(diǎn)對點(diǎn)微波鏈路。

用專用光纖實(shí)現(xiàn)基站機(jī)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(yuǎn)端射頻單元應(yīng)通過鏈形、樹形或星形結(jié)構(gòu)連接到基站機(jī)架。CPRI和OBSAI標(biāo)準(zhǔn)支持大于10公里的光纖距離，但目前大多數(shù)遠(yuǎn)端無線電裝備都位于距離基站幾百米的距離之內(nèi)。廣泛使用的基于Cloud RAN的分布式基站結(jié)構(gòu)要求光纖范圍達(dá)到40km，更重要的是要經(jīng)過共享網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。在基站機(jī)架和遠(yuǎn)端射頻單元中實(shí)現(xiàn)向以太網(wǎng)通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的過渡是采用共享網(wǎng)絡(luò)的重要步驟。在共享網(wǎng)絡(luò)中部署精細(xì)的流量管理功能是另一項(xiàng)重要要求，便于以優(yōu)先方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端射頻單元，并細(xì)致管理中間節(jié)點(diǎn)緩沖以實(shí)現(xiàn)所需的確定性時延精度。

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?fù)涠蔚倪h(yuǎn)端射頻單元。目前，這些交換機(jī)位于基站機(jī)架中，允許將每個天線載波器上的數(shù)據(jù)從3至6個基帶卡中的任意一個切換至任意的12個遠(yuǎn)端射頻單元。Cloud RAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的基帶卡數(shù)量和遠(yuǎn)端射頻單元數(shù)量相乘。Cloud RAN中需要更大和層級更多的交換功能來實(shí)現(xiàn)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(gòu)共享網(wǎng)絡(luò)概念圖

使用可編程邏輯器件是設(shè)計(jì)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(yīng)用于通道卡、射頻單元、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和回程設(shè)備中。為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)提供可編程功能后，便可通過現(xiàn)場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，并在單個器件中提供最佳數(shù)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(gòu)建更加智能的交換和算數(shù)功能，為實(shí)現(xiàn)真正的自修復(fù)、自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員將賽靈思解決方案與Vivado設(shè)計(jì)環(huán)境、工具套件結(jié)合使用，可以以最快的速度實(shí)現(xiàn)無與倫比的高集成度、生產(chǎn)力和結(jié)果質(zhì)量。在穩(wěn)定可靠的生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)快速創(chuàng)新，同時還能提供更好的現(xiàn)成解決方案以解決面臨的各種新舊問題。生產(chǎn)力、性能和上市時間是關(guān)鍵。賽靈思20nm UltraScale All Programmable器件具有ASIC級的系統(tǒng)級性能，可用以構(gòu)建高吞吐量、低時延的網(wǎng)絡(luò)和信號處理功能。該系列產(chǎn)品與Vivado設(shè)計(jì)套件和UltraFAST設(shè)計(jì)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(xù)創(chuàng)新，并不斷發(fā)展壯大和健全生態(tài)系統(tǒng)，高效支持無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域每項(xiàng)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，同時還讓Cloud RAN成為抽象化底層異構(gòu)特性不可或缺的網(wǎng)絡(luò)平臺，從而實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)貨幣化，并簡化網(wǎng)絡(luò)的部署和維護(hù)。