從《星際迷航》談未來無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

摘要：中國移動(dòng)研究院提出的C-RAN方案，其目標(biāo)是為移動(dòng)運(yùn)營商降低投資和運(yùn)維成本。同時(shí)，為運(yùn)營商以統(tǒng)一、開放的平臺(tái)同時(shí)運(yùn)營多種標(biāo)準(zhǔn)及靈活升級(jí)提供基礎(chǔ)。

上世紀(jì)60年代，吉恩•羅登貝瑞（Gene Roddenberry）首次創(chuàng)作了《星際迷航》（《Star Trek》），并由此開創(chuàng)了宇宙探險(xiǎn)科幻電視、小說、電影多媒體運(yùn)作的先河，形成了一個(gè)次生文化范疇。雖然年代久遠(yuǎn)，但其震撼的系列星際戰(zhàn)艦仍讓人記憶如新，作品表現(xiàn)出來的想象力至今看來仍極富創(chuàng)造性。

該作品描述了一個(gè)未來世界星際艦隊(duì)在太空中的冒險(xiǎn)經(jīng)歷。在探險(xiǎn)過程中人類建造了多艘太空飛船，這些飛船承載著人類探索未知世界的使命，其中最著名的飛船即“企業(yè)號(hào)”。在星際迷航系列故事中，“企業(yè)號(hào)”若干次被毀滅卻又一次次涅槃重生，每一代太空飛船都更強(qiáng)大先進(jìn)。從星際迷航系列影片中，我們可以看到人類勇于創(chuàng)新和不斷試圖征服宇宙，不斷追求工程技術(shù)進(jìn)步的精神。

正如《星際迷航》中更新?lián)Q代的太空飛船，移動(dòng)通信領(lǐng)域同樣正在經(jīng)歷一代又一代的技術(shù)更新和變革，每一次變革都是一種自我否定、重新認(rèn)識(shí)和選擇的過程，充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)，而我們更需要保持不斷進(jìn)步的勇氣以及創(chuàng)造下一代技術(shù)的熱情。

1G：蜂窩移動(dòng)通信的誕生

移動(dòng)通信領(lǐng)域嶄新的開始可以從蜂窩通信談起。蜂窩電話的基本概念，即蜂窩覆蓋和頻率復(fù)用方案早在1947年就已出現(xiàn)。然而，直到1977年，依托于比較成熟的晶體管技術(shù)和剛剛出現(xiàn)不久的集成電路技術(shù)，AT&T和貝爾實(shí)驗(yàn)室才設(shè)計(jì)出蜂窩系統(tǒng)的原型機(jī)，由窄帶調(diào)頻實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語音通信。

1982年，第一個(gè)基于AMPS標(biāo)準(zhǔn)的美國商用模擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)在芝加哥投入商用，從此，蜂窩移動(dòng)通信得到了快速發(fā)展。許多國家推出了各自的模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，比如在歐洲，互不兼容的模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)竟多達(dá)八、九種。

第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)是窄帶（25KHz－30KHz）、模擬調(diào)制、解決“有無”。雖然還有很多如漫游及容量等問題沒有得到解決，但這是移動(dòng)通信騰飛的開始，就好比星際迷航中第一代的太空飛艇，為人類探索未知宇宙打開了一扇窗。

2G：GSM風(fēng)行天下

第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)后，人們對移動(dòng)通信的需求超出了所有人的想象。1987年，全球蜂窩電話用戶超過了100萬，空中通道變得擁塞不堪，第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量迅速飽和，需要新的技術(shù)手段去滿足需求。

從理論上說，增加蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)容量的方法只有三種：增加頻率資源、小區(qū)分裂、改進(jìn)技術(shù)。頻率資源總是有限的，小區(qū)分裂意味著需要大量投資，唯一的解決方案就是創(chuàng)造新的技術(shù)。

人們意識(shí)到AMPS和ETACS的模擬傳輸機(jī)制無法有效地提供更大容量。另一方面，隨著移動(dòng)通信在全球的推廣，人們希望出臺(tái)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)支離破碎的歐洲，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)更顯重要。

在當(dāng)時(shí)的歐洲郵政和電信委員會(huì)（CEPT）推動(dòng)下，GSM（Global System for Mobile Communications）在歐洲應(yīng)運(yùn)而生，這是一種基于時(shí)分復(fù)用（TDMA）的數(shù)字技術(shù)。第一個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)于1991年在芬蘭投入運(yùn)行，今天，GSM在200個(gè)國家和地區(qū)服務(wù)超過45億用戶。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)使得用戶可以在世界上幾乎任何角落使用移動(dòng)電話，享受極大的便利。

第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)很好地解決了語音通信問題，并在很大程度上形成了一些主流的通信標(biāo)準(zhǔn)，如GSM/CDMA/D-AMPS。

3G：從語音到數(shù)據(jù)

從上世紀(jì)90年代起，業(yè)界開始通過3GPP及3GPP2組織研究下一代數(shù)字移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)，語音通信迅速增長，給網(wǎng)絡(luò)容量帶來新的壓力，同時(shí)，Internet已經(jīng)崛起，多媒體數(shù)字化技術(shù)方興未艾。因此，3G的目標(biāo)有兩個(gè)：一是提供更多的語音容量，二是為多媒體應(yīng)用提供高速數(shù)據(jù)接入。

第一個(gè)目標(biāo)，即提供更多的語音通信容量，被證明是沒有必要的。隨著GSM技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)界為提升GSM的系統(tǒng)容量和覆蓋設(shè)計(jì)了越來越多的機(jī)制。一個(gè)著名的例子是，在2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，中國移動(dòng)的GSM網(wǎng)絡(luò)容量達(dá)到了每平方公里10000愛爾蘭。在奧運(yùn)會(huì)開幕式的當(dāng)晚，20多萬人聚集在不足2平方公里的鳥巢體育場區(qū)域內(nèi)，每小時(shí)最高呼叫超過200000個(gè)，而GSM網(wǎng)絡(luò)工作順暢，只達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)峰值容量的75%。

第二個(gè)目標(biāo)，即滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，被證明是UMTS（3G標(biāo)準(zhǔn)之一）的真正使命。但遺憾的是，UMTS并未很好地達(dá)到這一目標(biāo)。在UMTS商用初期，它的上下行峰值速率分別只有64Kbps和384Kbps，只比EDGE稍有優(yōu)勢（180Kbps）。更糟的是，早期的3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍十分有限。直到2006年，HSPxA技術(shù)引入U(xiǎn)MTS系統(tǒng)，將下行峰值速率提高到7.2Mbps，很大程度滿足了人們對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，才使得市場恢復(fù)了快速增長。

大屏幕智能終端的涌現(xiàn)和成熟，加上移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)帶寬需求發(fā)生了爆炸式增長。如2006年以后，AT&T的數(shù)據(jù)需求在3年內(nèi)增長了50倍，而Softbank Mobile預(yù)計(jì)它們的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在未來5年內(nèi)將再增長40倍。

以CDMA為基礎(chǔ)技術(shù)的UMTS系統(tǒng)越來越難以滿足這樣的數(shù)據(jù)增長要求，為了滿足高容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的訪問需求，移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域必須進(jìn)行新的反思和提供創(chuàng)新性的解決方案。

LTE：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將大行其道

為了更好地利用更大的帶寬，3GPP長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）應(yīng)運(yùn)而生。它是GSM/EDGE/UMTS/HSPxA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)家族中的最新標(biāo)準(zhǔn)。LTE可以在20MHz帶寬下提供至少可以達(dá)到100Mbps的下行峰值速率和50Mbps的上行峰值速率。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)（SAE）作為LTE標(biāo)準(zhǔn)的一部分，是一種基于IP網(wǎng)絡(luò)的扁平化系統(tǒng)架構(gòu)，它的用途是代替GPRS核心網(wǎng)絡(luò)并且支持與一些早期技術(shù)（如GPRS）和一些非3GPP系統(tǒng)（如WiMAX）的互操作。

LTE最大的優(yōu)勢在于高吞吐量、低延遲、即插即用，在同一平臺(tái)中可以實(shí)現(xiàn)頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）。這些都大大提高終端用戶體驗(yàn)，而其簡單的體系結(jié)構(gòu)有助于降低運(yùn)營成本。

LTE最重要的優(yōu)勢在于其成本效率。由于其在全球范圍內(nèi)得到認(rèn)可以及同時(shí)支持頻分雙工和時(shí)分雙工的能力，LTE將主宰未來所有的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，LTE用戶將享受到全球漫游的樂趣并擁有最豐富的手機(jī)和大屏幕智能終端的選擇。LTE將是第一個(gè)統(tǒng)一的世界移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

云和未來

為了滿足無處不在的移動(dòng)覆蓋以及高容量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，移動(dòng)通信技術(shù)歷經(jīng)多次變革，從3G到LTE-A，系統(tǒng)容量越來越高、用戶體驗(yàn)越來越好，但其背后對應(yīng)的，卻是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者付出的越來越沉重的代價(jià)。

移動(dòng)運(yùn)營商目前正面臨著激烈的競爭環(huán)境，單用戶的ARPU增長緩慢甚至負(fù)增長，嚴(yán)重影響其贏利能力，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的流量迅速上升，用于建設(shè)、運(yùn)營、升級(jí)無線接入網(wǎng)的支出卻在不斷增加。事實(shí)上，建設(shè)和維護(hù)無線接入網(wǎng)的成本如此之大，以致于世界一些頂尖的移動(dòng)運(yùn)營商已經(jīng)面臨著成本和網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。例如，AT&T的CEO給客戶的公開信中，就請求他們在使用包月計(jì)費(fèi)的數(shù)據(jù)計(jì)劃時(shí)要體諒運(yùn)營商。

業(yè)界一度有人認(rèn)為WLAN技術(shù)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性價(jià)比最高的解決方案。家用的WLAN AP非常廉價(jià)，其使用的頻率資源又免費(fèi)，使用戶能夠在家庭或者企業(yè)內(nèi)享受寬帶無線連接。然而，WLAN AP的覆蓋比GSM基站要小1萬倍，這意味著如果運(yùn)營商要提供和今天的GSM網(wǎng)絡(luò)一樣的覆蓋，需要鋪設(shè)多1萬倍的WLAN AP，顯然，由此帶來的管理和維護(hù)開銷將不可想象。WLAN更適合在熱點(diǎn)地區(qū)，尤其是室內(nèi)區(qū)域，作為無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效補(bǔ)充，對于廣域覆蓋，還是要依賴傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)。顯然，為了保持持續(xù)盈利和長期增長，移動(dòng)運(yùn)營商必須在無線接入網(wǎng)架構(gòu)上進(jìn)行革命性創(chuàng)新。

一般而言，移動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)投資中，80%用于無線接入網(wǎng)建設(shè)，投資巨大，造成運(yùn)營商的CAPEX居高不下。而OPEX主要包括站點(diǎn)租金、傳輸帶寬租金、人工維護(hù)以及電力消耗等，OPEX的成本控制尤為困難。我們必須找到一個(gè)性價(jià)比更高的方法以最小化TCO中的非生產(chǎn)性部分，同時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)良好的覆蓋。

這就讓我們回到了無線通信產(chǎn)業(yè)界最基本的一個(gè)問題，怎么更好地構(gòu)建基站及無線接入網(wǎng)絡(luò)，既能滿足用戶需求，又能保持低成本的建設(shè)運(yùn)維模式。為了回答這個(gè)問題，中國移動(dòng)研究院提出了C-RAN方案，發(fā)布了C-RAN白皮書，呼吁大家共同致力于低成本易運(yùn)營的新型接入網(wǎng)架構(gòu)的研究。

圖1. C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1展示了C-RAN這一未來無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。C-RAN的基本特點(diǎn)是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無線信號(hào)，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。

C-RAN的命名“C”源于它的幾個(gè)特點(diǎn)

第一個(gè)“C”是指集中化處理（Centralized Processing），這是C-RAN的一個(gè)標(biāo)志性特點(diǎn)。集中化處理的構(gòu)架使得我們僅需在原有的小區(qū)站點(diǎn)部署射頻及天線單元，而所有的無線信號(hào)都通過數(shù)字化傳輸送到中心節(jié)點(diǎn)處理。這樣的最大好處是，原有的那些需要許多機(jī)房配套的設(shè)備，都可以集中在中心節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一運(yùn)維。由于遠(yuǎn)端無需機(jī)房及其配套，我們可以大大降低投資和運(yùn)維成本。

第二個(gè)“C”指協(xié)作化無線電（Collaborative Radio）。無線通信的未來在于協(xié)作化技術(shù)。今天，每個(gè)基站都獨(dú)立處理其收發(fā)的無線信號(hào)，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)終端與某個(gè)基站通信時(shí)，它發(fā)出的信號(hào)對于其它臨近的基站而言是干擾，反之，其它臨近基站發(fā)送的信號(hào)對這個(gè)移動(dòng)終端而言也是干擾，這些系統(tǒng)內(nèi)的干擾已成為移動(dòng)通信系統(tǒng)容量提高的最大障礙。在C-RAN的構(gòu)架下，我們可以在中心節(jié)點(diǎn)同時(shí)控制移動(dòng)終端周圍的多個(gè)基站天線發(fā)送或者接受信號(hào)，這樣一來，原來的“干擾”信號(hào)就變成了有用信號(hào)。理論研究成果表明，同等條件下，利用協(xié)作化技術(shù)的無線通信系統(tǒng)可能比沒有利用協(xié)作化技術(shù)的無線通信系統(tǒng)容量提高30%－40%，同時(shí)小區(qū)邊緣用戶的吞吐量提高100%�？梢灶A(yù)見，協(xié)作化技術(shù)能夠有效地改善小區(qū)覆蓋，為用戶提供更好的服務(wù)。

第三個(gè)“C”是指云計(jì)算，這也是C-RAN的一大特點(diǎn)。通過應(yīng)用可支持實(shí)時(shí)任務(wù)的云計(jì)算技術(shù)，我們可以采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備構(gòu)建具有高度可擴(kuò)展性的中心處理節(jié)點(diǎn)。廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過光交叉互聯(lián)構(gòu)成一個(gè)具有高冗余、高可靠性的實(shí)時(shí)云計(jì)算系統(tǒng)。每一節(jié)點(diǎn)的可靠性不用很高，但是整個(gè)系統(tǒng)通過冗余備份可以達(dá)到99.9999%的電信級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這將大大降低系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)的成本。如果需要增加或減少系統(tǒng)容量，我們只需要簡單地增加或減少處理單元即可。同時(shí)，多種不同的無線通信標(biāo)準(zhǔn)（如GSM/TD-S/TD-LTE）可以運(yùn)行在統(tǒng)一的云計(jì)算平臺(tái)上，更可以方便地根據(jù)業(yè)務(wù)量隨時(shí)間、地點(diǎn)的變化靈活地調(diào)整其所需的處理資源�？梢韵胂�，由于移動(dòng)通信系統(tǒng)中明顯的潮汐效應(yīng)，能夠支持動(dòng)態(tài)資源調(diào)度和配置的云計(jì)算構(gòu)架將大大降低系統(tǒng)的整體能耗，并使得運(yùn)營商能更靈活地按需提供服務(wù)。

最后一個(gè)“C”是指清潔節(jié)能（Clean）。由于C-RAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集中處理，大大減少了遠(yuǎn)端站點(diǎn)所需的機(jī)房配套及空調(diào)，根據(jù)中國移動(dòng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的調(diào)研數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)構(gòu)架相比，C-RAN構(gòu)架能夠降低高達(dá)75%－80%的單站能源消耗。其中，大約50%來自于遠(yuǎn)端機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的減少，25%來自于集中化的中心節(jié)點(diǎn)及其實(shí)時(shí)云計(jì)算技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的資源聚合和動(dòng)態(tài)調(diào)度。

C-RAN可以被看作是軟件無線電（SDR）的終極形態(tài)：所有無線接入網(wǎng)的功能，包括信號(hào)處理、包交換、路由，甚至業(yè)務(wù)邏輯，都可以在統(tǒng)一的平臺(tái)上高效地實(shí)現(xiàn)。因此，不僅是傳統(tǒng)的電信設(shè)備制造商，IT系統(tǒng)及芯片供應(yīng)商也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣。

總之，C-RAN的目標(biāo)是為移動(dòng)運(yùn)營商降低投資和運(yùn)維成本，大大降低每比特成本，提高頻譜效率并提高能源效率。同時(shí)，它為運(yùn)營商以統(tǒng)一、開放的平臺(tái)同時(shí)運(yùn)營多種標(biāo)準(zhǔn)及靈活升級(jí)提供了基礎(chǔ)。就像《星際迷航》里的最新型星際飛船一樣，C-RAN將能成為移動(dòng)運(yùn)營商應(yīng)對今天以及未來通信領(lǐng)域未知挑戰(zhàn)的利器。

作者：中國移動(dòng)通信研究院院長 黃曉慶 來源：《華為技術(shù)》