Cloud RAN C 在異構中涌現

無線基礎設施網絡正在經歷技術演變的關鍵期，推出多種不同的設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揮寶貴而有限的頻譜資源的潛力。3GPP標準正在探索多種方法，在香農定理(Shannon’s law)規定的容量限額內增大可用頻譜的數據承載密度。同時，無線電網絡正在建立能夠讓每個節點中更少的用戶從相同頻譜中獲取更高帶寬的拓撲結構。有兩個主要趨勢正在將網絡擴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十個小型蜂窩的底層結構，用以通過服務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絡能夠在給定區域內支持更大的呼叫用戶密度，但也會加大回程網絡的復雜性和擴展難度。第二大趨勢是將傳統的中央式基站分割為網絡。讓無線電位于遠端，基站機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現擴展，增加基帶處理密度以及所連遠端射頻單元的數量，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端射頻單元的網絡。Cloud RAN使用虛擬化技術和軟件定義無線電網絡框架實現從有線網絡向基帶池資源的轉變。這讓基帶卡架構和設計發生了重大變化。基帶卡和射頻卡的連接和算法功能也在發生變化，以便有效利用資源共享來實現負載均衡和網絡故障轉移。Cloud RAN可簡化回程，但也會增加基站機架和多個遠端射頻單元之間互聯(又稱“去程網絡”)的復雜性。

以上介紹的兩種趨勢并沒有明顯的優劣之分。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共存。所導致的網絡異構化以及回程和無線電接入網絡的復雜性給網絡管理帶來了很大挑戰。Cloud RAN網絡技術可用來管理底層的異構問題，方法是利用網絡節點中的嵌入式智能功能更高效地運行網絡，從而創建更有價值的服務平臺。為此，運營商和系統廠商需要合作對無線基礎設施中的關鍵元素進行標準化，實現便于使用并可引導一系列未來創新的緊密框架，從而發揮基礎設施的所有優勢。

圖1：傳統基站架構

圖2：分布式基站和遠端射頻單元

與有線網絡不通，包含基站和相關訪問連接的無線電接入網絡使用了很多專用標準和偽標準。向標準化的互聯和同步方式過渡是實現性能提升、互操作性和擴展經濟性的重要一步。這是實現Cloud RAN的重要里程碑。逐漸將以太網作為無線電接入網絡和時序分組(Timing-over-Packet,ToP)網絡中的標準互聯技術，有助于推動朝正確方向創新。應注意所建立的解決方案要能恰當滿足與原有技術的共存、部署成本和擴展需求。

時序和同步是使Cloud RAN中所有節點保持同步和協調的關鍵要素。小型蜂窩也有同樣的需求。目前的基站結合采用多個時序和同步輸入與核心網絡保持同步。GPS和傳統的TDM網絡(例如T1/E1線路)繼續與分組時序協議(PTP 1588v2)和同步以太網一起使用。如今，PTP和同步以太網都是管理無線基礎設施中同步功能的主流技術。基站中的時鐘和控制模塊(CCM)采用這些不同機制來實現頻率、相位和時間的精確性。基站時鐘控制模塊向無線電元件提供同步時鐘信息。在傳統的集中式基站中容易實現同步，因為無線電元件位于相同的機架中。而同步時鐘的分配在高密度分布式基站(Cloud RAN)中則比較難，因為無線電元件位于不同距離的遠端，通過光線或微波/毫米波點對點互聯。

系統廠商最初利用專用協議向遠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 (OBSAI)和通用公共無線電接口(CPRI)標準對基站機架和遠端射頻單元之間的互聯和同步進行標準化。CPRI和OBSAI協議使同步信息能夠沿著TDM數據面傳輸路徑進行傳播。由于要讓往返確定性時延保持在16ns以下，且發送分集的時序校準誤差要在65ns之內，因此這些嚴格的要求使得基站機架和遠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濟或者無法使用的情況，也可采用點對點微波鏈路。

用專用光纖實現基站機架與射頻單元的互聯非常昂貴且有局限性。為了優化光纖連接，遠端射頻單元應通過鏈形、樹形或星形結構連接到基站機架。CPRI和OBSAI標準支持大于10公里的光纖距離，但目前大多數遠端無線電裝備都位于距離基站幾百米的距離之內。廣泛使用的基于Cloud RAN的分布式基站結構要求光纖范圍達到40km，更重要的是要經過共享網絡進行互聯。在基站機架和遠端射頻單元中實現向以太網通用數據傳輸協議的過渡是采用共享網絡的重要步驟。在共享網絡中部署精細的流量管理功能是另一項重要要求，便于以優先方式將數據轉發到遠端射頻單元，并細致管理中間節點緩沖以實現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中相關拓撲段的遠端射頻單元。目前，這些交換機位于基站機架中，允許將每個天線載波器上的數據從3至6個基帶卡中的任意一個切換至任意的12個遠端射頻單元。Cloud RAN拓撲結構中的基帶卡數量和遠端射頻單元數量相乘。Cloud RAN中需要更大和層級更多的交換功能來實現所需的連接功能。

圖3：使用QoS/ 流量管理的Cloud RAN網絡架構共享網絡概念圖

使用可編程邏輯器件是設計該流程并不斷改進Cloud RAN算法和連接功能的最有效方法。可編程邏輯器件被廣泛應用于通道卡、射頻單元、網絡節點和回程設備中。為網絡中的每個節點提供可編程功能后，便可通過現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量的高速收發器和I/O互聯。這種以處理器為中心的平臺提供軟件、硬件和IO可編程性，用以構建更加智能的交換和算數功能，為實現真正的自修復、自學習和自優化無線網絡節點奠定了堅實基礎。設計人員將賽靈思解決方案與Vivado設計環境、工具套件結合使用，可以以最快的速度實現無與倫比的高集成度、生產力和結果質量。在穩定可靠的生態系統的支持下，進一步豐富了賽靈思工具和芯片技術，這不僅可實現快速創新，同時還能提供更好的現成解決方案以解決面臨的各種新舊問題。生產力、性能和上市時間是關鍵。賽靈思20nm UltraScale All Programmable器件具有ASIC級的系統級性能，可用以構建高吞吐量、低時延的網絡和信號處理功能。該系列產品與Vivado設計套件和UltraFAST設計方法進行了協同優化，可加速上市進程。賽靈思致力于工具、芯片和解決方案的持續創新，并不斷發展壯大和健全生態系統，高效支持無線網絡領域每項重大技術的推出。賽靈思憑借其業界領先的工具和芯片技術引領解決方案的發展，這不僅支持Cloud RAN網絡的廣泛普及，同時還讓Cloud RAN成為抽象化底層異構特性不可或缺的網絡平臺，從而實現高效的網絡貨幣化，并簡化網絡的部署和維護。