无线接入网绿色演进
C-RAN
无线接入网绿色演进
白皮书
版本号 2.5 (2011年10月)
目录
C-RAN (i)
无线接入网绿色演进 (i)
1 概要 (1)
1.1背景 (1)
1.2 C-RAN愿景 (1)
1.3白皮书目标 (2)
1.4白皮书状态 (2)
2无线接入网面临的挑战 (3)
2.1大量基站导致高额能耗 (3)
2.2网络的CAPEX/OPEX逐年增高 (3)
2.3低成本高容量的无线接入网需求 (5)
2.4潮汐效应导致基站利用率低下 (6)
2.5不断增长的互联网业务对移动核心网压力巨大 (6)
3 C-RAN网络架构 (8)
3.1 C-RAN构架的优势 (10)
3.2 C-RAN面临的技术挑战 (10)
4 技术趋势和可行性分析 (12)
4.1基于光网络的无线信号传输 (12)
4.1.1 CPRI/Ir/OBRI链路的数据压缩技术 (13)
4.1.2 CPRI/Ir/OBRI链路的传输时延及抖动 (13)
4.1.3光传输技术的进步和成本的降低 (14)
4.1.4 BBU-RRH光纤环网保护 (14)
4.1.5当前可行的部署方案 (15)
4.1.6 技术挑战 (16)
4.2 动态无线资源分配和协作式无线处理 (16)
4.3集中式基带池及大规模基带互联 (18)
4.4基于开放平台和软件无线电的基站虚拟化 (19)
4.5分布式服务网络 (22)
5演进路线 (23)
5.1 C-RAN集中化基站部署 (23)
5.2 多标准软件无线电和协作式信号处理 (23)
5.3 基于实时云构架的虚拟化基站 (23)
6最新进展 (24)
6.1 TD-SCDMA和GSM的现网部署测试 (24)
6.2 大规模基带池设备研发 (28)
6.3 基于通用IT平台的基带原型机 (30)
7总结 (33)
8致谢 (34)
9英文缩写和定义 (35)
10参考文献 (37)
1 概要
1.1背景
如今，移动运营商正面临着激烈的竞争环境，单用户的ARPU值增长缓慢，甚至在慢慢减少，严重地削弱了移动运营商的盈利能力。与此同时，移动互联网业务的流量迅速上升，用于建设、运营、升级无线接入网的支出不断增加，而收入却增加缓慢。为了保持持续盈利和长期增长，移动运营商必须寻找低成本地为用户提供无线业务的方法。
无线接入网(RAN)是移动运营商赖以生存的重要资产，可以向用户提供7x24小时不间断、高质量的数据服务。传统的无线接入网具有以下特点：第一，每个基站连接若干固定数量的扇区天线，并覆盖小片区域，每个基站只能处理本小区收发信号；第二，系统的容量是干扰受限，各个基站独立工作已经很难增加频谱效率；
第三，基站通常都是基于专有平台开发的“垂直解决方案”。这些特点带来了以下挑战：数量巨大的基站意味着高额的建设投资、站址配套、站址租赁以及维护费用，建设更多的基站意味着更多的资本开支和运营开支。
此外，现有基站的实际利用率仍然很低，网络的平均负载一般来说远远低于忙时负载，而不同的基站之间不能共享处理能力，也很难提高频谱效率。最后，专有的平台意味着移动运营商需要维护多个不兼容的平台，在扩容或者升级的时候也需要更高的成本。为了满足这些不断增长的移动数据业务需求，移动运营商需要不断升级网络，同时运营多标准的网络，包括：GSM, TD-SCDMA 或WCDMA，以及LTE 等，而专有平台使得运营商难以在网络升级上具有最大的灵活性。
总而言之，传统的无线接入网高额的资本支出与运维开支使得移动运营商在移动互联网市场上逐渐失去竞争力。因此，无线接入网必须重新考虑新的网络构架以适应新的环境，移动运营商所面临的问题是：找到一条可以建立适合移动互联网的高性能低成本的绿色无线接入网方法。在下面的章节，我们将探讨这个问题的解决方案。
1.2 C-RAN愿景
未来的无线接入网必须能够为用户提供廉价的无线宽带因特网接入。它应该满足以下要求：
●降低能源消耗，减少资本开支和运营开支
●提高频谱效率，增加用户带宽
●开放平台，支持多标准和平滑升级
●对终端用户更友好的因特网服务
我们相信，基于集中式基带处理池、由远端无线射频单元和天线组成的协作式无线网络和基于开放平台的实时云型基础设施的无线接入网（C-RAN）是达到上述目标的答案。集中式基带处理可以大大减少覆盖同样区域的基站的数量；面向协作的无线远端模块和天线可以提高系统频谱效率；基于开放平台的实时云型基础设施和基站虚拟化技术可以降低成本，共享处理资源，减少能源消耗，提高基础设施利用率。这些特点能够很好的解决移动运营商所面临的上述挑战，并满足营收和未来移动互联网业务同步发展要求。
C-RAN的目标不是取代现有的3G/B3G标准，它是一个从长期角度出发，为运营商提供一个低成本高性能的绿色网络构架，在未来可以让用户以很低的价格就可以享受丰富的无线宽带业务。
实际环境千差万别，部署的无线网络存在各种形态，比如当前网络中广泛应用的宏蜂窝基站、微蜂窝基站、微微蜂窝基站、室内分布系统、直放站，以及新出现的中继站、Femto基站。不同的基站类型有各自的优点和缺点，适应不同的部署条件。C-RAN的目标是适应主流无线网络的部署需求，包括宏蜂窝基站、微蜂窝基站、微微蜂窝基站以及室内分布系统。同时，其它一些有益的基站类型也可作为C-RAN部署的补充。
1.3白皮书目标
本白皮书展示了中国移动对于C-RAN的愿景，并提出了C-RAN构架的主要技术挑战和研究框架。我们诚邀工业界和学术界的研究机构积极参与C-RAN关键技术的研究，共同推动C-RAN的标准化及产业化进程。
1.4白皮书状态
本白皮书版本2.0是基于2010年4月发布的C-RAN白皮书1.0修订后的版本。虽然还不够全面，并可能存在某些不一致的地方，希望这一版本的发布有益于业界。随着时间推移，新的研究内容可能会被加入到更
新的版本中。欢迎提出修改意见和建议。
2无线接入网面临的挑战
2.1大量基站导致高额能耗
为了满足不断增长的无线宽带业务需求，移动运营商不断增加空中接口带宽和增加基站数量，随之而来的无线接入网络的能源消耗问题也变得日益严重。以中国移动为例，在过去的5年期间，为了提供更好的网络覆盖和更大的网络容量，中国移动的基站数量几乎增加了一倍。同时，中国移动的总耗电也增长了接近一倍。高能耗意味着高运维成本以及巨大的环境冲击，而这些因素在现有的社会形势下变得越来越难以接受，节能减排已经迫在眉睫。图1 给出了中国移动的全部能耗构成，其中主要能耗的自于无线接入网的基站站点。而基站站点中的耗电只有一半来自于主设备，其它来自配套设备，主要是空调耗电。显然，运营商节能减排的直接途径是减少基站数量，但简单的减少基站数量必将导致网络的覆盖变差、网络容量减少等问题。因此，运营商需要谋求在不减少网络覆盖和容量的条件下来降低能耗。目前，有一些补充型的技术可以减少基站的能耗。比如：软件节电方案，通过载频智能关断技术，动态控制电源，根据忙闲和话务量高低关闭闲置载频；采用绿色能
源，利用当地自然条件，采用太阳能、风能等可再生能源为基站供电；采用节能空调技术，充分结合当地气候和环境特点，降低空调设备的能耗。但是，这些方法都是降低基站能耗的辅助手段，而并没有解决基站数量增加带来的能耗增加的根本问题。长期来看，运营商需要从网络架构设计就开始考虑低能耗准则，通过提高主设备利用率以及降低配套设备或机房导致的能耗，以从根本上满足无线接入网的低能耗要求。
图 1: 基站能耗分析
2.2网络的CAPEX/OPEX逐年增高
近年来，随着移动用户智能终端以及数据卡被普遍使用，世界各地的移动运营商必须不断地对网络扩容，以满足终端用户的移动宽带需求。然而，随着电信市场竞争日趋激烈，市场逐渐走向饱和，导致语音业务“每用户平均收入”（ARPU）的增长缓慢甚至逐年下降，加上技术发展日新月异加快了网络升级，进一步削弱了运营商的盈利能力。这些因素使得运营商需要比以往更加关注网络的整体拥有成本（TCO）以保证持续的竞争力。
图 2: 3G网络部署和演进带来的CAPEX增加
●TCO分析
运营商网络的整体拥有成本主要包括资本支出(CAPEX)以及运维支出(OPEX)，其中CAPEX主要产生于网络建设阶段，而OPEX主要产生于网络运营维护阶段。一般而言，移动运营商网络的CAPEX中80%用于无线接入网的建设，而无线接入网建设费用主要用于无线蜂窝站点的建设。如图2所示，2007年至2012年，全球各类3G网络的CAPEX支出逐年增加。在许多国家，由于3G/4G的部署频点（2GHz）高于已有的GSM网络（900MHz），而高频无线信号的衰减更快，这意味着为了保持与2G网络同样的覆盖范围运营商需要建造多倍数的3G/4G蜂窝站点。
图3: 基站CAPEX 和OPEX分析
因小区建站而引起的CAPEX主要包括设备购买以及站址建设相关的工程费用，其中设备购买包括基站主设备以及外围配套设备（电源、空调等），而站址建设相关的工程费用包括网络规划、勘站、土建、传输等。如图3所示，购买基站主设备只占据CAPEX的35%，而勘站、土建以及配套设备所导致的资本支出接近50%。这意味着超过一半的CAPEX没有被用于产生直接效益的基站主设备单元。因此，对于运营商而言，降低接入网的CAPEX不仅局限于基站主设备，更多需要关注在如何有效地降低基站配套设备以及站点安装、部署的成本上面。
在网络整体拥有成本（TCO）中，网络运维阶段的OPEX同样占据了重要比例。OPEX主要包括站点租金、传输带宽租金、人工维护以及电力消耗等。假设基站主设备的折旧期通常为7年，如图4所示，OPEX占到TCO的60%以上。因而，运营商已经意识到OPEX的成本控制更加重要。直观而言，降低TCO最简单的途径就是减少站点的数量，这不仅可以减少主设备的建设成本也可以降低设备安装以及租金等各类费用。更少的站点将极大的降低运营商CAPEX和OPEX，但同时也会导致网络覆盖能力的下降以及较差的用户体验。因此，我们需要首先保证网络能够提供高质量的服务，在此前提下去关注如何降低网络中没有产生直接效益的资本支出，这就需要我们将现有的基站站点的成本构成细分，保留诸如天面等重要资源，尽量削减机房及配套设备，从而减少不必要的成本支出。
图 4: 基站TCO 分析
●多标准运营
考虑到大量传统终端的持续存在，2G、3G以及4G网络需长期共存以满足客户的兼容性需求。如表1所示，全球大多数主流运营商都同时拥有2到3个不同的通信标准[1]。在全球新的经济形势下，运营商需要寻找合适的方式来控制CAPEX和OPEX以应对多网络的运营以及数据业务的增长，而多模基站被认为是减轻网络建设以及维护成本的一种成本有效的方式，而如何更好地提高多模基站内的硬件资源共享是降低成本的关键途径。
表 1. 主要移动服务供应商的多网络运营情况
2.3低成本高容量的无线接入网需求
随着3G/B3G技术的空中接口标准逐渐引入，移动宽带的峰值速率也快速提升，引发了终端用户的数据流量迅速增加。未来几年内，随着LTE以及LTE-A网络的部署，移动宽带用户数量将增加2倍。无线带宽的增长，将促使移动用户开始尝试各种高带宽的多媒体服务，例如基于视频的应用。新型移动多媒体应用的普及将对无线接入网提出严峻的挑战。
如图5所示，预计从2008年到2013年全球的移动数据流量将增加66倍，每年的复合增长率为131%[2]，中国移动现网中也呈现同样的流量增长趋势。与此同时，空口的峰值速率从UMTS到LTE-A只以每年55%的复合增长率提高。这意味着空口速率的增长速度难以满足数据流量增长的需求。为了满足容量的需求，站点建设将越来越密集，也随即带动了各类成本支出的增加。为了解决站点的过度建设，需要提出新的网络架构以及空口技术以进一步增强LTE /LTE-A的性能。
图 5: 移动带宽数据率/负载增长趋势
另一方面，运营商的收益并没有随着网络容量的提升而增加。已有运营数据表明，运营商的语音话务量稳步增加，同时数据流量增长迅速，但是收益并没有随之快速增加，甚至在很多情形下，ARPU值还在逐年下降。为了应对投入与产出的严重失衡，运营商需要不断地降低每比特的数据成本，并同时提供高容量的网络以保持盈利能力的持续增长。
2.4潮汐效应导致基站利用率低下
移动网络的一个固有特性就是其用户处于运动状态，在通信过程中经常会从一个地点移动到另一个地点。
通过对实际运营网络的观察发现，用户的移动呈现出很强的时间规律性。例如在上班时间段，大量的用户从居住地移动到办公区；而当工作时间结束后，大量用户又从办公区返回到居住地。随着这些用户的移动，移动网络的负载也呈现出随着时间而在网络中迁徙的现象，即所谓的“潮汐效应”。图6中，实际网络中不同地点在不同时间段的负载情况就验证了这一点：工作时间段，办公区域的移动网络负载最高；而非工作时间段，居住区的移动网络负载最高。
图6: 全天移动网络负载举例
在传统的无线接入网中，每个基站的处理能力只能被其服务的小区内的用户使用。当小区内的用户离开后，基站的处理能力无法转移，只能处于浪费状态。由于运营商要每时每刻保持着网络的覆盖，使得这些空载或者零星负载的基站必须和那些高负载的基站消耗一样的功率。更严重的是，当负载较高时，基站往往满负荷运转，其需要的处理能力远高于平均水平。这样一来，一方面形成了处理能力的浪费，另一方面是处理能力的不足。
传统无线接入网的架构面对上述问题显得束手无策。如果能够将多个基站的资源整合起来在不同区域动态地按需分配，问题就迎刃而解了。可见，改变传统无线接入网络架构，将基站资源在不同小区之间共享对高效利用处理资源是大有裨益的。
2.5不断增长的互联网业务对移动核心网压力巨大
随着智能终端和支持3G数据卡的笔记本电脑的迅速猛烈的发展，移动互联网业务在过去的几年内呈指数型增长。在未来的5-6年，移动互联网业务流量将是现阶段的10倍。从运营商角度来看，为了支持这些业务流量增长而带来的开销以及这些业务增长带来的收入之间的缺口，移动运营商需要花费数十亿美元在传输网和核心网上，才可能跟上业务增长的步伐，这给所有移动运营商来带来了空前的挑战。
高速发展的移动宽带数据业务为移动运营商现有的核心网带来了前所未有的冲击。例如，大量的数据业务为核心网网元SGSN和GGSN带来了巨大的压力。现有的固定费率的商业模式也使得核心网在不断承受增长的数据业务量的同时，无法带来更多的收益。通过部署3G网络来满足这种业务增长趋势，换来的结果就是大量的CAPEX/OPEX花费和有限的ARPU贡献。这主要的原因是：为了支持业务增长而对原有SGSN和GGSN改造所花费的CAPEX，在支持移动互联网方面的新增开销，传输网络的拥塞以及基站间处理能力无法动态协调。因此，将互联网业务对核心网带来的压力向无线接入网络边缘，也就是基站转移，是降低动互联网成本的有效手段。
图 7: 3G 中各种业务比例示意
此外，理解用户使用移动互联网的模式也是很有意义的。最近发布的研究报告[3]给出了当前移动互联网上最流行的应用。通过这份报告可以发现，人们在移动互联网上的行为已经越来越接近在固定宽带网络上的行为了。web 业务和P2P 业务等内容服务已经成为最主要的网络业务。图7给出的一个3G 运营商网络中无线业务的分布情况，也印证了上述趋势。通过对移动互联网用户行为的观察，我们是否一定要坚持花费数十亿美元在传输网和核心网的升级呢？
3 C-RAN网络架构
C-RAN的网络架构基于分布式基站类型，分布式基站由BBU与RRH组成，BBU即放在机房中的机架和处理板等设备，RRH即放于室外或者拉远放置于楼顶天面的设备。根据在BBU与RRH间基站功能划分的不同，存在两种方案：方案一从基带处理与射频部分分离，方案二从主控时钟与基带处理部分分离，如图8所示。为保持一致性，方案二中，虽然基带处理被划分在了RRH实现，依然称仅包含主控和时钟的设备为BBU。
图8：分布式基站功能分布图
根据方案一与方案二功能划分的不同方式，有两种C-RAN的聚合架构。第一种：集中化所有基站的数字信号处理单元，包括物理层基带处理、高层协议处理、主控及时钟等，通过高速光纤接口连接分布式的远端射频单元。RRH仅负责数字-模拟变换后的射频收发功能。如图9所示。这一构架的技术特点是“大集中”，即集中了所有的数字基带处理功能在BBU中。其优点是：升级与扩容方便，可更好地支持多标准，最大程度的资源共享，更方便支持多个基站间的协作化信号处理。其主要缺点是：二者之间需要传输高速的I/Q信号，带宽要求高，TD-LTE 8天线20MHz单载波要求10Gbps的带宽。
图9：构架一：分布式 RRH + 集中化 L1/L2/L3/O&M
第二种C-RAN构架的特点是“小集中”，与第一种构架大同小异，区别在于：为了降低BBU-RRH设备之间的传输带宽，将基站的物理层解调译码等基带信号处理部分，从集中化BBU中分离出来，放到RRH中处理，其它结构一样。如图10所示。
其优点是：与构架一相比，BBU-RRH设备之间只需要传输解调后的数据，传输带宽可降低到原来的20～50分之一，对GSM与TD-SCDMA而言，分别与Abis与Iub接口传输带宽相当。这样，对既有的传输网络资源压力较小。其缺点是：由于基带处理集成到RRH中，其升级的灵活性较小，并且不利于多个基站间共享处理资源，不利于无线信号的协作化处理。
图10：构架二：分布式 RRU/L1 + 集中化 L2/L3/O&M
采用两种网络架构中的任意一种，运营商均可以迅速地部署或者升级网络。只需要部署一些新的RRH并连接到集中式的BBU，就可以轻易地实现网络覆盖的扩展或网络容量的增加。如果网络负载增加，运营商只需要在BBU增加处理能力即可。另外，若采用“大集中”方式的基带处理集中于一处，引入开放的平台和通用处理器将使软件无线电更易于实现，进而网络可以通过软件升级实现空中接口标准的更新，使得无线接入网的升级和多标准共存变得更加容易。
与传统的分布式基站不同，C-RAN架构打破了BBU-RRH之间的固定连接关系。例如在构架一下，每个RRH不属于任何一个BBU实体。每个RRH上发送或接收的信号的处理都可以在BBU基带池内一个虚拟的基带处理单元内完成的，而这个虚拟基带的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理能力构成的。这样的系统将具有最大的灵活性。
两种架构都在研究与试验中，可根据网络部署的实际条件，在不同的情况下应用不同的方案。由于3G/LTE大多数基站设备都采用的是构架一的方式实现C-RAN，因此本文后续均基于构架一的基带处理单元集中化展开讨论。
3.1 C-RAN构架的优势
C-RAN的主要优势体现在：
?降低能耗
C-RAN是一个绿色网络。首先，通过集中化的方式可以极大减少基站机房数量，减少配套设备特别是
空调的能耗；其次，远端无线射频单元到用户的距离由于高密度的射频单元配置而缩小，从而在不影
响网络整体覆盖的前提下可以降低网络侧和用户侧的发射功率。低的发射功率意味着无线接入网络功
耗的降低和用户终端电池寿命的延长。最后，通过所有虚拟基站共享一个基带池，基带池中的处理资
源可以动态调度以处理不同的RRH的基带信号，更适应移动通信系统中的潮汐效应，使得基带处理
资源得到了最优利用，能耗自然降低。当深夜移动通信系统负载较轻时，通过关闭基带池中的部分处
理单元来可以实现节电，而不影响系统的覆盖和服务质量。
?节约CAPEX和OPEX成本
在C-RAN架构中，基带处理单元的站址可以减少一个到两个数量级。集中式的基带池和相关辅助设
备可以集中放置在一些骨干中心机房内进行管理，简化运营管理。远端无线射频单元的数量在C-RAN
中并没有减少，但是由于这些器件功能较少，体积和功耗都很小，使得这些器件可以容易地部署在有
限的空间内，并不需要频繁的维护，只需要提供天线的供电系统。这样一来可以加快运营商网络建设
的速度，使其在网络建设中先人一步，拔得头筹。通过部署C-RAN网络，运营商可以节约大量的租
借或购买站址机房资源的成本，并降低运营和维护的开销。
?提高网络容量
在C-RAN中，虚拟基站可以在基带池中共享所有通信用户的接收和发送信息、业务数据和信道质量
等信息。这使得联合处理和调度得以实现，小区间的干扰也变废为宝，从而可以显著提高频谱使用效
率。例如，目前LTE-A中提出的协作式多点传输技术，就可以在C-RAN网络架构下轻松实现。
?基于负载的自适应资源分配
C-RAN的一个显著特点在于基站处理资源的灵活调配，这使得网络可以根据各个区域或时段的不均衡
负载来调配处理资源。用户在物理小区间移动的同时，其占用的基站处理资源也是随之移动的。由于
基带池所服务的物理区域要远大于传统彼此独立的基站，这种区域上负载的不均衡将不会对基带池中
资源的利用率造成影响。
?互联网业务的智能减负
通过采用C-RAN的智能减负技术，智能终端和其它移动通信设备产生的大量互联网业务被转移出核
心网，从而传输网与核心网的业务负载和相应的成本开销将会降低，而且由于这些业务的路由距离绕
过了核心网，从而也为用户带来了更好的服务体验。
3.2 C-RAN面临的技术挑战
C-RAN构架在系统费用、容量和灵活性等方面都显示出传统无线接入网所没有的优势。但是，它同时也带来一些技术上的挑战。在运营商能够实际部署之前，这些技术挑战需要得以解决：
?基于低成本光网络的无线信号传输
连接基带处理模块和远端无线模块的光纤必须能够承载大量的实时基带采样信号。由于LTE/LTE-A
系统的带宽比较宽，加上多天线技术的普遍应用，传输多个远端天线模块的无线信号所需的光传输连
接带宽可达到10Gbps，并且有严格的传输时延和时延抖动要求。
?先进的协作发射/接收技术
协作处理技术是达到更高频谱效率的关键。为了抑制蜂窝系统中的小区间干扰，协作式多点处理技术必须使用空间信道信息来实现多个不同物理位置上的天线之间的协作。无线资源的联合调度对于减少干扰和增加容量是必要的。这一技术仍然有待开发。
为了支持上述的协作式多点处理技术，用户数据和上行/下行信道信息都需要在多个（虚拟）基站之间共享。虚拟基站之间的接口必须能够支持高带宽、低延迟的传输以保证实时的协作处理。在这一接口上传输的信息包括以下的一种或者几种：终端用户数据包，终端信道反馈信息，虚拟基站的调度信息，等等。因此，虚拟基站之间的这一接口必须在考虑传输延时和开销的情况下，满足实时协作处理的需求。
?基带池互联技术
在集中式基带池的构架下，多个基带处理单元集中于一个物理站点内部署，而远端无线模块通过光纤连接到集中式基带池。为了实现容错容灾，以及灵活的处理资源调度，在基带池中的多个基带处理单元之间必须有高带宽、低延迟、灵活拓扑、低成本的交叉连接，从而实现任何一个远端无线模块的基带信号，可被基带池中任意一个基带处理单元接收和处理。
?基站虚拟化技术
当基带处理单元被集中在基带池以后，如何设计虚拟化技术以支持分配或者组合这些处理资源给虚拟基站就成为关键。这些虚拟基站是真正处理各个活动用户的无线信号的逻辑实体。
基站虚拟化技术的主要挑战包括：实时信号处理算法如何在基带处理池中实现；如何动态地管理处理单元以适应动态的网络负载等。
?服务面向边缘化
和集中在数据中心的服务提供模式不同，服务可以在无线接入网的边缘提供，这将带来一些独特的机遇与挑战。在后续的研究框架中，我们把这些技术挑战分为三类：服务如何和无线接入网集成；分布式服务网的智能处理；分布式服务的部署和管理问题。
4 技术趋势和可行性分析
为了解决C-RAN这一创新构架所面临的诸多技术挑战，基于当前的技术条件和未来的技术发展趋势，我们建议在如下一些方面进行进一步的研究，以解决基于光网络的低成本高带宽的无线信号传输问题，动态无线资源分配和协作式无线处理问题，集中式基带池及大规模基带互联问题，基于开放平台的虚拟化基站问题，以及分布式服务网络的问题。以下就这些方面的技术挑战和研究方向做详细分析和探讨。
4.1基于光网络的无线信号传输
由分布式RRH和集中式BBU组成的C-RAN构架，意味着需要在RRH和BBU之间传输未经处理的无线信号。通常需要采用光纤传输以满足无线信号对带宽和延迟的苛刻要求。同时，C-RAN构架对此BBU-RRH链路提出了一些新的挑战。
BBU-RRH带宽需求
基于C-RAN的大集中模式，由于空中接口的技术进步，多天线技术（每扇区2～8天线）大带宽（每载波10MHz~20MHz）LTE/LTE-A的演进，需求的CPRI/Ir/OBRI（Open BBU-RRH Interface）链路带宽比2G，3G时代大幅提高。一般地，影响BBU-RRH链路带宽需求的主要因素包括：系统带宽、MIMO天线配置以及RRH级联级数等。例如，200kHz带宽的GSM系统在2发2收天线配置，四倍速采样下的基带数字信号速率大约为25.6Mbps；1.6MHz带宽的TD-SCDMA系统在8发8收天线配置下，四倍速采样下的基带数字信号速率大约为330Mbps。这样速率的多路无线信号在光纤链路上的传输技术很成熟，成本也很低。然而，20MHz LTE系统在8发8收天线配置下的基带数字信号速率可达9.8304Gbps，而随着LTE向LTE-Advanced的演进，多跳连接的网络拓扑以及支持8发8收天线配置的高阶MIMO，BBU-RRH之间无线信号传输的速率将提高到数十Gbps。因此，探索解决BBU-RRH无线信号传输问题的不同方案对C-RAN的实现意义重大。
传输延时、抖动及测量的要求
C-RAN对CPRI/Ir/OBRI链路在传输延时、抖动及测量方面的要求也非常严格。在CPRI/Ir/OBRI传输延迟方面，同样由于LTE/LTE-A对物理层整体处理延迟的苛刻要求，也间接提高了对基带无线信号传输的延迟和抖动的要求。不包括传输介质上的往返时间（即不计光缆长度导致的延迟），CPRI/Ir/OBRI链路上用户平面数据（IQ数据）在链路的其它部分总的往返时延不能超过5μs。另外，CPRI/Ir/OBRI接口需要周期性地测量每条链路或者多跳连接的光缆长度。在时延校准方面，每条链路或多跳连接的往返时延测量精度应满足±16.276ns的需求[4]。
系统可靠性
在系统的可靠性方面，由于传统的光传输网络（SDH/PTN）在接入网链路上提供了可靠的环路保护、自动倒换以及光纤链路管理功能，C-RAN构架在接入网络上也必须提供与之相当的可靠性和管理功能。在传统RAN构架下，接入环上的每个BBU通常通过SDH/PTN接入到中心传输机房的相应传输设备上。当此环路上任意一点出现光纤故障时，通过SDH/PTN的环形路由和保护功能，系统可以迅速切换到没有发生故障的路由方向上，确保业务不中断。在C-RAN构架下，集中式BBU需支持10～1000个以上的基站站点，因而连接分布式RRH和集中式BBU之间的光纤较长，如果每个分布式RRH和集中式BBU之间仅有点对点光纤传输，则任意一点的光纤故障将导致相应的RRH退服。为确保在任意光纤单点故障条件下整个系统RRH仍然可以正常工作，连接BBU-RRH之间的CPRI/Ir/OBRI链路应采用光纤环网保护技术，通过不同管道的主、备光纤，实现CPRI/Ir/OBRI链路的实时备份。
管理能力
同时，在传统RAN构架下，SDH/PTN所构成的传输网也提供了对接入环的统一的光纤网络管理能力。这包括对接入环光纤链路的全网统一管理，对接入环光纤故障的监控等。在C-RAN构架下，BBU-RRH的无线信号直接在接入环上传输，其CPRI/Ir/OBRI接口也应当提供类似的管理能力，并纳入统一的光纤网络管理。
成本要求
最后，在成本方面，CPRI/Ir/OBRI光接口所必需的高速光模块将是影响C-RAN构架经济性的重要因素。
与传统RAN构架相比，C-RAN在接入网上需要传输的无线信号数据速率比经过解调的承载业务数据速率要高100倍～200倍。对于拥有自有接入网光纤网络的运营商来说，虽然采用CPRI/Ir/OBRI进行高速无线信号传输所占用的光纤的成本不必增加，但是高速的光模块或光传输设备的成本必须和传统的SDH/PTN传输设备接近，才能使C-RAN构架能够在CAPEX和OPEX上具有吸引力。因此，如何实现低成本、高带宽、低延迟的无线信号光纤传输将成为C-RAN应用于未来LTE和LTE-Advanced网络部署的一个关键挑战。
下面对以上问题以及相应的技术发展趋势，进行逐一分析，为解决这些问题提出思路。
4.1.1 CPRI/Ir/OBRI链路的数据压缩技术
针对上述LTE/LTE-A的BBU-RRH无线信号传输带宽问题，各种降低CPRI/Ir/OBRI接口传输负载的数据压缩技术相继出现，包括时域压缩方案（如降采样率、非线性量化、IQ数据压缩等）和频域压缩方案（如子载波压缩等）。下面探讨几种CPRI/Ir/OBRI链路数据压缩的方案。
对于LTE 20MHz系统带宽，BBU使用的FFT/IFFT点数为2048点，而有效子载波个数仅为1200个，因此如果将FFT/IFFT放到RRH实现，在BBU与RRH之间的Ir接口仅传输有效子载波的数据，这样接口速率的需求可以降低大约40%左右，可以大大降低Ir接口速率压力。但是频域压缩导致IQ映射复杂，增加接口逻辑设计和处理复杂度。同时，由于RRH要处理部分RACH，不能做到RRH对各种RACH配置透明，需要根据RACH配置决定RACH的处理时序，RACH有几百种配比，不同的配置下RRH的时序控制都不同，导致整个系统设计复杂度大大增加。因此，综合考虑实现复杂度和成本，目前频域压缩不具备可实现性。
基于DAGC技术的时域压缩是目前多数厂家采用的IQ压缩技术，DAGC基本原理是根据基带最佳解调范围，选择参考平均功率，将每个符号进行功率归一化，降低信号的动态范围。DAGC压缩将对系统性能产生负面影响，上行链路将减少接收机的动态范围并使接收信噪比恶化，下行链路将使EVM指标恶化，随着压缩比例的提高，系统性能恶化更为严重。目前，仍需研究不同场景下压缩带来的性能损失及优化的压缩算法。
表2中列出了各种方案的优缺点。可见，目前还没有非常理想的OBRI链路数据压缩方案。这一领域仍需要更多的研究。
表2. 各种数据压缩技术的优缺点比较
4.1.2 CPRI/Ir/OBRI链路的传输时延及抖动
如前所述，CPRI/Ir/OBRI链路在传输延时、抖动及测量方面的需求也非常严格。但是，由于CPRI/Ir/OBRI 链路上用户平面数据（IQ数据）在链路的往返时延要求（5us）并不包括传输介质上的往返时间（即光缆传输导致的延迟），这一要求在现有技术条件下是可以满足的。同时，由于CPRI/Ir/OBRI光纤路由一般不会随时间变化，传输所引起的时延抖动比较小，容易满足相应的要求。
另一方面，由于LTE/LTE-A对物理层处理延迟的苛刻要求，导致CPRI/Ir/OBRI链路的总传输延时是不能超出一定范围的。在LTE/LTE-A标准中，物理层的HARQ过程是处理延时要求最高的部分。HARQ是提高物理层性能的重要技术，其本质是在接收端物理层检测一个子帧的传输正确或错误后，迅速反馈ACK/NACK给发射端物理层，以让发射端物理层决定是否重发。如果重发，接收端在物理层对多次发射的信号进行合并处理，解调成功后再反馈给上层协议。按照LTE/LTE-A标准，上下行的HARQ的ACK/NACK过程最短要求在收到发送信号后3ms内完成。由此带来的要求是，一个子帧的物理层处理时延一般应该小于1ms。由于物理层处理本身要占用800us-900us，那么CPRI/Ir/OBRI光传输的延迟最大为100us-200us。按照光纤中光速为30万公里每秒估算，C-RAN构架下的CPRI/Ir/OBRI接口的最大传输距离就被限制在20公里到40公里。具体数值和物理层处理本身的时延余量有关。
4.1.3光传输技术的进步和成本的降低
如上所述，支持LTE和LTE-Advanced的BBU-RRH无线信号连接对光传输网速率和成本都提出了新的挑战。光传输技术的快速发展也为解决这一问题提供了更多、更经济的解决方案。目前商用WDM系统单根光纤的容量可达3.2T以上。10Gpbs的光传输技术是普遍应用的基础，40G系统已经成熟并逐步商用，100G技术还不成熟且成本过高，距离电信级商用还有2~3年的时间，但随着相关技术的突破和标准化方面的推动，已显现优势。10GE的标准化和产业化将大大提高相关光传输模块的市场容量，从而将有助于降低10Gbps光模块的成本。40GE的技术尚在研究过程中。另一方面，接入网层面，1.25G EPON、2.5G GPON已广泛用于解决FTTX接入，10G PON技术将于1~2年内商用，未来PON技术发展有WDM-PON、Hybrid PON和40G PON 等几个方向。以上这些光传输技术的快速发展，都为BBU-RRH高速无线信号的光网络传输提供了技术基础。
如同半导体工业内的摩尔定律，光通信领域也有类似的趋势：每年，光纤传输的速率都在提高，而同样速率的光模块价格则不断下降。直接支持WDM多波长收发的光模块已经出现。由于LTE在最近刚刚开始商业部署，可以预见大约在5年后才会有部署商业多载波LTE-A系统的需要。如果到那时光通信的发展已经能够将光模块的价格降低到可以接受的水平，则BBU-RRH直接的传输瓶颈问题迎刃而解。
图11中给出了2.5G SFP和10G SFP/XFP/XENPAK商用光模块的最低价格走势图。从图中可看出，商用光模块的最低价格在近3年内的降幅达到66％～77％，而且这种显著的价格下降趋势在未来几年内仍将持续，进一步降低了光传输网络的成本。如果这一降价趋势得以继续，则有助于降低C-RAN构架网络的成本。
图11: 2.5G/10G商用光模块的价格走势
4.1.4 BBU-RRH光纤环网保护
虽然C-RAN构架下BBU-RRH直接的传输没有传统的SDH/PTN所提供的环网保护功能，但是CPRI/Ir/OBRI标准提供了类似的环网保护功能，并得到厂家的支持。同时，为了避免为每个RRH都占用两个物理路由上的两条光纤，在CPRI/Ir/OBRI接口速率容许的情况下，RRH之间可以以级联方式连接，然后通过两条不同路由的主干光缆共同构成环形并连接到同一个BBU，如图12所示。只要CPRI/Ir/OBRI接口的速率足够高，BBU-RRH环网保护技术可以较大节省光纤的使用同时保证较低的倒换时延。以TD-SCDMA系统为例，6.144Gpbs的CPRI/Ir/OBRI链路可以支持15个8天线RRH的TD-SCDMA载波，最大可以支0
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持一个3扇区5/5/5配置的典型TD-SCDMA宏站。这3个扇区的RRH的IQ数据通过两个不同物理路由的主干光缆连接至同一台BBU。当某个主干光缆出现故障时，3个RRH将通过另一个主干光缆连接到BBU，保护倒换时间小于40ms，能够保证所有业务不中断。对于速率较低的GSM系统，可以更容易地将6个甚至更多的RRH通过这样的CPRI/Ir/OBRI环形链路连接起来，实现同样的功能。而对于无线信号传输速率更高的LTE/LTE-A的系统，则需要引进WDM技术或其它技术来实现类似的环路保护功能。
图12. RRH环网保护拓扑
4.1.5当前可行的部署方案
为了满足RRH与BBU之间的高带宽数据传递，运营商需依据现网传输资源的情况可以采用不同的策略。
中国移动已有基站回传城域传送网已形成包括核心传送层、汇聚传送层（含郊区骨干层）和接入传送层等三层清晰的网络结构。各级网络结构基本都采用环型结构，且下层与上层网络间基本上采用双节点归属，从线路和节点设备两方面保障了城域传送网网络的安全可靠性。各级网络所具有光缆芯数普遍为：核心层144/288/576芯，城区汇聚层大部分96-144芯，城区接入层主要采用24-48芯。基带池如果位于传输网汇聚机房，则该机房所配置的到局光纤芯数决定了该基带池可以覆盖的范围。
依据城域传送网光纤资源丰富程度，特别接入环的光纤资源的状况，可以实现以下几种C-RAN集中化基带池CPRI/Ir/OBRI链路的传输方案：1、光纤直驱模式；2、波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）传输模式；3、基于UniPon的传输模式；4、彩光直驱模式。四类模式分别适用不同场景并拥有各自的优缺点。从已经做过的外场实际部署试验来看，10个站左右的汇聚机房推荐采用光纤直驱的传输方案。波分复用（WDM）由于引入了更多的传输设备，存在成本与多套传输设备维护复杂的问题。其它两种模式还需要进一步地做实际部署试验进行验证。
第一种光纤直驱模式：如果光纤资源丰富，可以采用光纤直驱的方式连接RRH与BBU。首先，从光纤资源的建设和使用上看，该模式的优点是宜快速组网，充分利用现网光纤资源，短期内无需建设配套的传输设备，因此成本较低；缺点主要是难以满足网络可持续发展要求，消耗较多光纤资源；其次，接入环光纤采用直驱方式后，必须在BBU-RRH链路上实现光纤故障情况下的保护倒换机制；最后，原有的网络管理系统难以对其进行统一的管理。这些缺点有相应的解决方案。对于光纤资源消耗过大的问题，如果原本存在管道资源或杆路资源，则新增、升级小芯数的光缆到大芯数的光缆是比较容易的，成本也较低。对于BBU-RRH光纤直驱连接的保护机制，现有的符合CPRI/Ir/OBRI接口标准的产品都已经支持1+1保护或者级联保护，配合光纤环形接入网路由，可有效提供类似于SDH/PTN的保护功能。对于光纤直驱后的接入网光纤网络管理功能，可考虑在CPRI/Ir/OBRI标准中新增光网络管理的模块，满足传输网统一网络管理的要求。
第二种WDM模式，适用于光纤资源较为紧张的宏蜂窝基站系统，尤其是接入环光纤资源紧张，而且新建或增加接入环光纤困难或者成本太高的情况。这一方案采用WDM技术升级现有接入环光传输网络来满足BBU-RRH链路上传输CPRI/Ir/OBRI接口的高带宽需求。通过在一根光纤上传输多达40路甚至80路10Gpbs不同波长的光信号，可以在一对光纤上同时接入大量级联的RRH。该技术可以降低对光纤资源的需求，不过将现有的接入环升级成WDM传输网将意味着较高的成本。另一方面，将WDM设备应用到接入环，由于接入环的距离短，可以放松对传统WDM设备硬件的指标要求（所需发送功率低，无需对抗色散，无需处理非线性，波长数量不多），这将使得WDM设备价格大大降低。
第三种模式，在室内场景下，由于需要同时部署数据接入和无线接入网，更适合采用基于CWDM技术的UniPON方案[5]。UniPON可以同时为PON业务以及CPRI/Ir/OBRI链路提供传输支持，也被看作是整合无线接入网、固定接入网资源的解决方案之一。在该系统中，一根光纤上可以支持多达14个不同波长光信号的传输，标准PON的上行信道和下行信道可以在其中两个波长上传输，而其它空闲波长可用于BBU和RRH之间的CPRI/Ir/OBRI数据传输。由于与PON业务共享光纤资源，使得该方案可降低总成本，更适合楼宇室内分布式系统的C-RAN集中化基带池部署。
第四种模式，彩光直驱模式，和第二种模式近似，同样适用于光纤资源较为紧张的宏蜂窝基站系统。彩光方案采用的是无源器件进行站点光分叉复用。目前的设备支持6波的彩光复用，即一根光纤内传输6波的数据，每波的容量可以达到6Gbps，采用彩光直驱方案相当于将白光直驱方案中的单光纤传输能力拓展为6光纤能力。具有节省光纤资源，适于快速部署等特点。相对于WDM模式，彩光直驱模式又具有建设成本低等优势。而彩光直驱模式也有缺点，由于没有传输设备，无源光分叉复用器件的故障定位较为困难，且采用无源分光器件时，会产生额外的分光损耗，进而造成了单接入环部署的距离限制。同时，彩光方案需要针对多波中每路不同波长的信号分别配置不同的无源分光器件，对于现网运维的备料提出了更高的要求。
4.1.6 技术挑战
通过上述分析可知，C-RAN构架迫切需要解决BBU-RRH之间高速无线信号的高带宽，低延迟，高可靠性，低成本的传输解决方案，现有的技术和技术进步的趋势已经有希望在不远的将来提供可行的解决方案。但是，另一方面，现有的技术还存在一些不足。例如：目前的各种数据压缩方案尚不能满意地解决LTE-A阶段OBRI接口的传输问题；高速光模块的快速发展和成本的降低有助于在未来LTE-A部署时解决CPRI/Ir/OBRI 所需的传输要求，但是有待于光传输器件的突破；BBU-RRH环网保护技术已经具备技术基础，可以提供类似于SDH/PTN的环网保护功能，但是与传统光纤网络管理统一构架还需要时间；有源或无源的CWDM/DWDM/UniPON技术则可以在光纤资源紧张的情况下提供大容量的传输能力，是C-RAN构架的CPRI/Ir/OBRI链路较佳的解决方案之一，但是其必须具有经济上的竞争力。总之，C-RAN构架所需的高速光纤传输有了各种解决方向，但是仍需要探讨新的技术或者现有技术的组合方法以便更经济、更有效地解决这一问题。
综合考虑技术挑战和一些地区现网环境的约束条件，在C-RAN传输网的建设上是不可能一蹴而就，需要按照分步走的方式逐步建设汇聚的网络结构：当前阶段，C-RAN的传输组网适合小规模替换或者新建组网，建议采用光纤直驱构成接入环，单环大致由8～12个物理站组成与现有接入环的物理站点数一致，且网络规划时单接入环最大可规划40公里。后续阶段，还要针对更大规模、更多场景下的C-RAN部署做进一步研究和试点。
4.2 动态无线资源分配和协作式无线处理
C-RAN系统的一个主要目标是显著提高系统频谱效率，并提高小区边缘用户吞吐量。然而，众所周知，在采用OFDM技术的蜂窝小区中，边缘的用户经历比较严重的信道间干扰(ICI)，因而使得系统性能明显降低。
因为系统的容量是干扰受限的，因而不能通过不断增加发射功率来解决该问题。同时，鉴于前述分析，单小区的无线资源使用效率较低。C-RAN将采用有效的多小区联合资源分配和协作式的多点传输技术可以有效提高系统频谱效率。
多小区协作式无线资源管理
多小区无线资源管理问题已经在学术界和众多科研机构得到了较为广泛的研究，可以通过最优理论和算法的研究使得无线资源调度和功率控制最大化系统各小区吞吐量。为了进一步降低C-RAN网络构架和调度过程的复杂度，协作式处理和调度机制应该限制在几个小区组成的“小区簇（cell cluster）”内进行。在小区簇或者基站簇之间的调度复杂度是由移动终端的移动速度以及终端和RRH的数量所决定的。因此，如何选择最优的小区簇将将会在系统增益、回传链路的容量需求和调度复杂度之间进行折中考虑。
如图13，用户终端可以被一个小区簇的多个小区服务。基于用户终端的测量报告和信道信息反馈，网络侧可以以静态或者半静态的方式进行小区簇的选取和组成。小区簇内的各小区以协作传输的方式对位于簇内的用
户终端提供业务服务。为了进一步降低网络复杂度，可以在调度时限制进行协作服务的终端数量，也可以在实际传输时指定参与协作的小区集合，这些小区称为活跃小区簇（Active cell cluster）。这些小区也可以从终端角度基于信号强度来进行定义和选取（一般情况下选择具有较强信号强度的小区）。小区簇内小区的激活/去激活过程可以由一个主控基站进行控制，并且可以根据UE的反馈灵活配置。
小区簇 1
小区簇 2
小区簇 3
图13: UE协作网络控制的小区簇
协作式无线信号处理
信号的协作式发送/接收(CT/CR)是可以有效提升系统频谱利用率和小区边缘用户吞吐量的关键技术之一。虽然会引入系统复杂度，但是考虑到对系统性能的提升和贡献，协作式发送/接收仍是很有应用前景的技术。如图14所示，协作式发送/接收主要分为以下两种方式：
●联合接收/联合发送 (Joint Processing, JP)
?JP模式需要较大的系统开销：对UE的数据需要在多个协作基站间共享；联合调度用户的信道信息反
馈（CSI）
●协作式调度/协作式波束赋型（Coordinated Beam-Forming，CBF）
?通过协作式波束赋型，可以以“较小”的开销提高小区边缘用户的吞吐量：多个传输点不必共享UE
的服务数据；每个传输点只需要获取本身与参与的UE的信道信息（不必获取其它传输点与UE的信道信息）
图14: JP 和 CBF
本节给出了TDD系统中联合处理（JP）与在站内协作和C-RAN架构下站间协作的性能比较。假定基站侧已经获取下行链路的信道信息，详细的仿真参数和实现算法可以参考[6-9]. 图15给出了在2天线和8天线的配置下，不同协作方式传输机制下的下行系统吞吐量和频谱效率比较。
?3GPP Case 1 仿真场景 (TDD)