中国移动C-RAN白皮书.pdf

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.80M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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C-RAN 无线接入网绿色演进白皮书版本号 2.5 (2011 年 10 月) 中国移动通信研究院

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 China Mobile Research Institute i

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 China Mobile Research Institute ii

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。 China Mobile Research Institute ©2010. All rights reserved 1

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。 China Mobile Research Institute ©2010. All rights reserved 2

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。 China Mobile Research Institute ©2010. All rights reserved 3

 TCO 分析图 2: 3G 网络部署和演进带来的 CAPEX 增加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。  多标准运营图 4: 基站TCO 分析 China Mobile Research Institute ©2010. All rights reserved 4

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蜂窝技术沃达丰中国移动法国电信 T-Mobile Verizon SK 电信澳洲电讯中国联通 TD-SCDMA WCDMA CDMA One & 2000 & EVDO GSM GPRS EDGE LTE √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 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。 China Mobile Research Institute ©2010. All rights reserved 5

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