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Cloud-RAN架構導入新興異質網路

上網時間: 2014年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:3GPP  虛擬化  Cloud RAN  光纖  異質網路 

作者:Harpinder Singh Matharu,Xilinx公司資深產品經理

無線基礎設備網路正經歷技術演變的關鍵期。各種不同的設備不斷推陳出新以滿足不斷增加的容量需求。所有這些解決方案旨在大幅地發揮寶貴而有限的頻譜資源潛力。

3GPP標準委員會正致力於探索兩種方法──在向農定律(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,無線電網路正持續設立能夠讓每個節點中更少用戶從相同頻譜中獲取更高頻寬的拓樸結構。

現在,有兩個主要趨勢正將網路擴展投入兩個完全相反的方向。第一大趨勢是部署一種每個巨集基地台中包含數十個小型蜂巢式基地台的底層結構,透過服務小用戶群的方式提高覆蓋率,然後提供所需容量。這使無線射頻接取網路(RAN)能夠在特定區域內支援更大的呼叫用戶密度,但也會加大回程網路的複雜性以及擴展難度。第二大趨勢是將傳統的集中式基地台分割為網路。讓無線電位於遠端,基地台機架各自包含基頻功能。這種分割成分佈式基地台的方式便於實現擴展,增加基頻處理密度以及所連遠端射頻單元的數量,因而有效滿足覆蓋和容量需求。

雲端無線接取網路(Cloud RAN;C-RAN或Centralized-RAN)是用於未來行動網路基礎結構的一種新型蜂巢式網路架構。Cloud RAN是一種由高密度基地台連接大量分佈式遠端射頻單元的網路。它使用虛擬化技術和軟體定義無線射頻網路架構實現從有線網路向基頻庫資源的轉變。這讓基頻卡架構和設計產生了重大變化,基頻卡和射頻卡的連接與演算法功能也產生變化,以便有效利用資源共用來實現負載均衡和網路故障轉移。Cloud RAN可簡化回程網路,但也會增加基地台機架和多個遠端射頻單元之間互連(又稱「去程網路」)的複雜性。

以上介紹的兩種趨勢之間並沒有明顯的優劣之分,但分佈式基地台和巨集/微微蜂巢式基地台的使用較長時間,而且以後也很有可能繼續共存。所導致的網路異質化以及回程和無線射頻接取網路的複雜性,為網路管理帶來了很大的挑戰。

傳統基地台架構。
傳統基地台架構。

分佈式基地台和遠端射頻單元。
分佈式基地台和遠端射頻單元。

Cloud RAN網路技術可用來管理底層的異質問題,方法是利用網路節點中的嵌入式智慧功能更高效地執行網路,因而製作更有價值的服務平台。為此,廠商和系統廠商必須合作為無線基礎設備中的關鍵元素進行標準化,實現便於使用且可引導一系列未來創新的緊密架構,從而發揮基礎設備的所有優勢。

相較於有線網路,包含基地台以及相關存取連接的無線射頻接取網路使用了很多專用標準和偽標準。朝向標準化互連與同步方式過渡是實現性能提升、互通作業性和擴展經濟性的重要一步。這是實現Cloud RAN的重要里程碑。逐漸將乙太網路作為無線射頻接取網路和時序封包(ToP)網路中的標準互連技術,有助於推動朝著正確方向創新。值得注意的是,所設立的解決方案要能恰當滿足原有技術對於共存、部署成本和擴展的需求。

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。小型蜂巢式基地台也有同樣的需求。目前的基地台結合採用多個時序和同步輸入與核心網路保持同步。GPS和傳統的TDM網路(例如T1/E1線路)繼續與封包時序協議(PTP 1588v2)和同步乙太網路一起使用。如今,PTP和同步乙太網路都是管理無線基礎設備中同步功能的主流技術。

基地台中的時脈和控制模組(CCM)採用這些不同機制來實現頻率、相位和時間的精確性。基地台時脈控制模組為射頻元件提供同步時脈資訊。在傳統的集中式基地台中容易實現同步,因為射頻元件位於相同的機架中。而同步時脈的分配在高密度分佈式基地台(Cloud RAN)中則比較難,因為射頻元件位於不同距離的遠端,透過光纖或微波/毫米波點對點互連。

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資訊。之後導入開放基地台架構 (OBSAI)和通用公共射頻介面(CPRI)標準對基地台機架和遠端射頻單元之間的互連和同步進行標準化。CPRI和OBSAI協議使同步資訊能夠沿著TDM數據面傳輸路徑進行傳播。由於要讓往返確定性延遲保持在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地台機架和遠端射頻單元之間必須使用專用光纖鏈路。對於光纖連接不夠經濟或者無法使用的情況,也可採用點對點微波鏈路。

以專用光纖實現基地台機架與射頻單元的互連非常昂貴且有侷限性。為了最佳化光纖連接,遠端射頻單元應透過鏈狀、樹狀或星狀拓撲連接到基地台機架。CPRI和OBSAI標準支援大於40公里的光纖距離,但目前大多數遠端射頻裝備都位於距離基地台幾百公尺的距離之內。廣泛使用基於Cloud RAN的分佈式基地台結構要求光纖範圍達到40km,更重要的是要經過共用網路進行互連。在基地台機架和遠端射頻單元中實現向乙太網路通用數據傳輸協定的過渡是採用共用網路的重要步驟。在共用網路中部署精密的流量管理功能是另一項重要需求,這便於以優先方式將數據轉發到遠端射頻單元,並仔細管理中間節點緩衝以實現所需的確定性延遲精密度。

將任意基頻通道卡連接到Cloud RAN拓樸的遠端射頻單元都需要使用新的層級交換功能集。目前,這些交換機位於基地台機架中,可將每個天線載波器上的數據從3至6個基頻卡中的任意一個切換至12個遠端射頻單元之一。Cloud RAN拓樸結構中的基頻卡數量和遠端射頻單元數量成倍增加。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。

使用QoS/流量管理的Cloud RAN網路架構共用網路概念圖
使用QoS/流量管理的Cloud RAN網路架構共用網路概念圖

使用可程式邏輯元件是設計該流程並不斷改進Cloud RAN演算法和連接功能的最有效方法。可程式邏輯元件已廣泛應用於通道卡、射頻單元、網路節點和回程設備中。

在網路中的每個節點中提供可程式功能後,便可透過現場升級讓底層演算法和連接功能保持一致。賽靈思28nm All Programmable SoC系列整合FPGA、CPU、DSP和類比混合訊號功能,並在單一元件中提供最佳數量的高速收發器和I/O互連。這種以處理器為中心的平台提供軟體、硬體和IO可程式性,用以建構更加智慧的交換和算數功能,為實現真正的自修復、自學習和自最佳化無線網路節點奠定了堅實基礎。

(參考原文:Cloud-RAN: Emergence in Heterogeneity,by Harpinder Singh Matharu, Xilinx)





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