Cloud-RAN：兴起于异构网络风行时

作者: Harpinder Singh Matharu，赛灵思公司

无线基础设施网络正在经历技术演变的关键期。多种不同的设备被不断推出以满足容量需求的不断增长。所有这些解决方案旨在最大限度地发挥宝贵而有限的频谱资源的潜力。

3GPP标准委员会正在探索多种方法——在香农定理(Shannon's law)规定的容量限额内增大可用频谱的数据承载密度。同时，无线电网络正在建立能够让每个节点中更少的用户从相同频谱中获取更高带宽的拓扑结构。

现在，有两个主要趋势正在将网络扩展推向完全相反的两个方向。第一大趋势是部署一种每个宏基站中包含数十个小型蜂窝的底层结构，用以通过服务小用户群的方式提高覆盖率，然后提供所需容量。这样使无线电接入网络能够在给定区域内支持更大的呼叫用户密度，但也会加大回程网络的复杂性和扩展难度。第二大趋势是将传统的中央式基站分割为网络。让无线电位于远端，基站机架各自包含基带功能。这种分割成分布式基站的方式便于实现扩展，增加基带处理密度以及所连远端射频单元的数量，从而有效满足覆盖和容量需求。

Cloud RAN(也被称为C-RAN和Centralized-RAN)是用于未来移动网络基础结构的一种新型蜂窝网络架构。Cloud RAN是一种由高密度基站连接大量分布式远端射频单元的网络。它使用虚拟化技术和软件定义无线电网络框架实现从有线网络向基带池资源的转变。这让基带卡架构和设计发生了重大变化。基带卡和射频卡的连接和算法功能也在发生变化，以便有效利用资源共享来实现负载均衡和网络故障转移。Cloud RAN可简化回程，但也会增加基站机架和多个远端射频单元之间互联(又称“去程网络”)的复杂性。 以上介绍的两种趋势并没有明显的优劣之分。分布式基站和宏/微微蜂窝均已使用较长时间，而且以后也很有可能继续共存。所导致的网络异构化以及回程和无线电接入网络的复杂性给网络管理带来了很大挑战。Cloud RAN网络技术可用来管理底层的异构问题，方法是利用网络节点中的嵌入式智能功能更高效地运行网络，从而创建更有价值的服务平台。为此，运营商和系统厂商需要合作对无线基础设施中的关键元素进行标准化，实现便于使用并可引导一系列未来创新的紧密框架，从而发挥基础设施的所有优势。


图1：传统基站架构


图2：分布式基站和远端射频单元

与有线网络不同，包含基站和相关访问连接的无线电接入网络使用了很多专用标准和伪标准。向标准化的互联和同步方式过渡是实现性能提升、互操作性和扩展经济性的重要一步。这是实现Cloud RAN的重要里程碑。逐渐将以太网作为无线电接入网络和时序分组(Timing-over-Packet,ToP)网络中的标准互联技术，有助于推动其朝正确方向创新。应注意所建立的解决方案要能恰当满足与原有技术的共存、部署成本和扩展需求。

时序和同步是使Cloud RAN中所有节点保持同步和协调的关键要素。小型蜂窝也有同样的需求。目前的基站结合采用多个时序和同步输入与核心网络保持同步。GPS和传统的TDM网络(例如T1/E1线路)继续与分组时序协议(PTP 1588v2)和同步以太网一起使用。如今，PTP和同步以太网都是管理无线基础设施中同步功能的主流技术。

基站中的时钟和控制模块(CCM)采用这些不同机制来实现频率、相位和时间的精确性。基站时钟控制模块向无线电元件提供同步时钟信息。在传统的集中式基站中容易实现同步，因为无线电元件位于相同的机架中。而同步时钟的分配在高密度分布式基站(Cloud RAN)中则比较难，因为无线电元件位于不同距离的远端，通过光线或微波/毫米波点对点互联。

系统厂商最初利用专用协议向远端射频单元分配时序和同步信息。之后引入了开放基站架构 (OBSAI)和通用公共无线电接口(CPRI)标准对基站机架和远端射频单元之间的互联和同步进行标准化。CPRI和OBSAI协议使同步信息能够沿着TDM数据面传输路径进行传播。由于要让往返确定性时延保持在16ns以下，且发送分集的时序校准误差要在65ns之内，因此这些严格的要求使得基站机架和远端射频单元之间必须使用专用光纤链路。对于光纤连接不够经济或者无法使用的情况，也可采用点对点微波链路。

用专用光纤实现基站机架与射频单元的互联非常昂贵且有局限性。为了优化光纤连接，远端射频单元应通过链形、树形或星形结构连接到基站机架。CPRI和OBSAI标准支持大于40公里的光纤距离，但目前大多数远端无线电装备都位于距离基站几百米的距离之内。广泛使用的基于Cloud RAN的分布式基站结构要求光纤范围达到40km，更重要的是要经过共享网络进行互联。在基站机架和远端射频单元中实现向以太网通用数据传输协议的过渡是采用共享网络的重要步骤。在共享网络中部署精细的流量管理功能是另一项重要要求，这便于以优先方式将数据转发到远端射频单元，并细致管理中间节点缓冲以实现所需的确定性时延精度。

需要使用新的层级化交换功能集将任意基带通道卡连接到Cloud RAN中相关拓扑段的远端射频单元。目前，这些交换机位于基站机架中，允许将每个天线载波器上的数据从3至6个基带卡中的任意一个切换至12个远端射频单元的任意一个。Cloud RAN拓扑结构中的基带卡数量和远端射频单元数量成倍增加。Cloud RAN中需要更大和层级更多的交换功能来实现所需的连接功能。


图3：使用QoS/ 流量管理的Cloud RAN网络架构共享网络概念图

使用可编程逻辑器件是设计该流程并不断改进Cloud RAN算法和连接功能的最有效方法。可编程逻辑器件被广泛应用于通道卡、射频单元、网络节点和回程设备中。

为网络中的每个节点提供可编程功能后，便可通过现场升级让底层算法和连接功能保持一致。赛灵思28nm All Programmable SoC系列集成了FPGA、CPU、DSP和模拟混合功能，并在单个器件中提供最佳数量的高速收发器和I/O互联。这种以处理器为中心的平台提供软件、硬件和IO可编程性，用以构建更加智能的交换和算数功能，为实现真正的自修复、自学习和自优化无线网络节点奠定了坚实基础。

设计人员将赛灵思解决方案与Vivado设计环境、工具套件结合使用，可以以最快的速度实现无与伦比的高集成度、生产力和结果质量。在稳定可靠的生态系统的支持下，进一步丰富了赛灵思工具和芯片技术，这不仅可实现快速创新，同时还能提供更好的现场解决方案以解决面临的各种新旧问题。

众所周知，生产力、性能和上市时间是关键。赛灵思20nm UltraScale All Programmable器件具有ASIC级的系统级性能，可用以构建高吞吐量、低时延的网络和信号处理功能。该系列产品与Vivado 设计套件和UltraFAST设计方法进行了协同优化，可加速上市进程。

赛灵思致力于工具、芯片和解决方案的持续创新，并不断发展壮大和健全生态系统，高效支持无线网络领域每项重大技术的推出。赛灵思凭借其业界领先的工具和芯片技术引领解决方案的发展，这不仅支持Cloud RAN网络的广泛普及，同时还让Cloud RAN成为抽象化底层异构特性不可或缺的网络平台，从而实现高效的网络货币化，并简化网络的部署和维护。