基于Cloud RAN和移动边缘计算的良好平衡支持无线宽带服务 - 全文

过去几年中，无线基础架构的部署已越来越多地向分布式基站架构转移。这种架构对基带处理池进行集中化（有时称为超级宏），能够支持更多无线电设备，从而实现更有效的覆盖和负载均衡。Cloud RAN的概念将集中式基站池完全放在云中，在数据中心内与内容或数据存储库处在相同位置。Cloud RAN有多种优点，它允许使用更低成本的计算资源，利用现成的服务器机箱进行低成本RAN部署，负载均衡，以及显著简化的网络配置。同时，由欧洲电信标准协会（ETSI）移动边缘计算行业标准小组（MEC ISG）支持的移动边缘计算正在兴起,其概念是将计算放在边缘,与基带池放在相同位置,以维持本地内容高速缓存,从而改善用户服务。根据用户对缩短时延以及处理临时数据（例如基于位置的分析）的偏好进行本地内容缓存需要边缘计算。这两种架构概念建议在网络中的不同节点上部署计算。从表面上看，这两种相互矛盾的架构似乎起到相反作用，在网络中形成了分歧。但通过更深入的观察，您会发现均衡网络部署方案可利用这两者的优点，而使这两种矛盾的技术相互补充，支持新的服务。

十多年前，分布式基站的概念开始问世，目的是克服使用同轴线缆从位于塔底的传统基站向安装在塔顶的天线发送信号时的功率损耗。射频单元位于紧邻塔顶天线的远处，以避免功率损耗。这些远程射频单元通过光纤连接至基带基站收发台（BTS）机架。通用公共无线接口（CPRI）协议被制定用来传输数据和同步远端射频。在无法使用光纤的某些情况下，微波或毫米波无线电被用来传送CPRI有效负载。这种架构转变使运营商有望能够混合使用和匹配来自不同系统厂商的无线电和基带机架，以降低成本，改善供应链，以及简化库存管理。互操作性问题让这种希望化为了泡影，但它为一级系统厂商开启了新方法，使其能够利用来自小厂商的无线电设备来应对面向不同地域的各种无线电设备的快速增长。

分布式基站架构已经生根。这种架构可集中化基带处理池——有时称为超级宏，能够支持更多的无线电设备，从而实现更有效的覆盖和负载均衡。数据中心和云计算的成功催生了Cloud RAN概念——Cloud RAN通过对运行在服务器群上的基带池进行虚拟化来扩展分布式基站架构。Cloud RAN有多种优点，因为它允许使用更低成本的计算资源，充分利用现成的服务器机箱进行低成本RAN部署，负载均衡，以及显著简化网络配置。当广泛实现时，Cloud RAN能确保让第三方提供商拥有网络，使多个虚拟网络提供商能够专注于内容和服务。

Cloud RAN架构在亚太地区被接受得比较早，因为这里的运营商具有充足的光纤资源来部署远程射频单元。电信运营商正在研究将1至3层基站协议栈和演进分组核心网作为虚拟机在现成的服务器上托管。由于高吞吐量和低延迟要求，通用计算无法有效实现第1层基带功能、分组处理以及安全性。这些功能需要服务器使用专用加速卡。能够将基站以一组软件功能的形式进行托管，将具有很大优势。电信运营商不再需要根据峰值容量要求来扩建网络装置了。取而代之，基站可以根据需要在云中例化，以提供所需的覆盖范围和容量。Cloud RAN允许基站共同放置在存储大部分内容的数据中心内。这样能实现更高的效率以及内容的有效传播。

目前有几大障碍正阻碍Cloud RAN的普及。到远程射频单元的延迟和低抖动长距离连接，就是一个很大的挑战。现成的服务器不具备有效运行基带处理所需的计算资源。托管运行于虚拟环境的基带处理池，需要使用具有L1基带加速卡的电信级服务器。在某些地域比较落后的系统厂商在这项技术上则处于领先地位，以打破市场格局并获得市场份额，迫使优势厂商为稳住市场份额而采取跟随策略。电信运营商欢迎这一趋势的到来，目的是使他们的云计算资产与网络基础设施协调发展，以简化部署和维护工作。

 

图1：Cloud RAN网络架构

分布式基站具备独特的优势，能够根据本地用户偏好缓存内容，以改善服务交付，并在数据源附近处理数据以满足延时敏感型应用的需求。临近边缘用户能实现超低延迟访问，使定制化服务部署成为可能。MEC设想在网络边缘将IT与通信部分整合，以实现新的服务和业务部分。位置服务、物联网（IoT）、视频分析、增强现实、本地内容分配以及数据缓存是MEC确定的一些用例。MEC架构计划向宏基站和超级宏基站添加服务器，用以进行本地计算和存储，以支持新的应用。人们正在开发应用开发协议栈、工具和框架，以使生态系统能够推出新的应用，并整合针对多种垂直市场的服务。MEC的主要障碍在于为基站添加服务器和存储设备所产生的场地租金，以及维护和收费策略。目前，策略收费和规则功能是由电信运营商控制的核心网络的一部分。派生的PCRF功能需要在基站中本地托管，以让电信运营商和其他内容提供商公平地向终端用户收取服务费。

 

图2：移动边界计算的概念图

针对2020年信息社会的5G提案进一步加深了Cloud RAN与MEC之间架构对立所形成的两难境地。为了用越来越稀少且有限的频谱满足2020年的预期数据需求，5G提案的目标是继续通过技术（例如面向6GHz以下和6GHz以上频谱的Massive MIMO）来改善频谱效率。Massive MIMO系统使用大量天线来形成单位用户波束，这样能显著改善能效和吞吐量。此外，Massive MIMO还有一大优势是，允许天线信号链使用便宜的低功耗元器件。Massive MIMO技术非常适合毫米和厘米频率，这些频率资源价格便宜而且使用率低，拥有大块连续频谱。这种频率下的窄笔形波束会产生较大的天线增益，能够补偿高传输。除了这些优势外，Massive MIM也存在一些难关。在通过预编码实现数字波束形成以支持大量有源无线电信号链和L1基带时，复杂度显著增加。基带处理信号链和无线电之间的带宽要求显著提高。为了经济实惠地实现这些系统，我们有必要将L1基带信号处理与无线电进行集成。未来的这种功能划分可能会导致网络节点回到传统基站架构，即所有L1至L3层和无线电功能都处在相同位置。

 

图3：毫米波Massive MIMO（200MHz64x64天线阵列）系统

移动边缘计算和Massive MIMO技术有可能意味着分布式基站的整合，从而阻碍向Cloud RAN的转变。实际上，有限的频谱使人们有必要使用多种不同网络架构共存的优点，以满足不断增长的带宽需求。小区密度增加使得稀有频谱资源的重用成为可能。未来几年，这种趋势将使分布式基站变得更像是迷你数据中心。另一方面，将Cloud RAN分成许多迷你数据中心,或许是利用远程射频单元连接来满足严格的确定性延迟和同步要求的一种方法。这两种架构也许会在中间趋于一致。Cloud RAN和MEC架构可以共存以相互补充。Cloud RAN可以依靠边缘计算节点的低延迟和临近优点，而边缘计算则受益于集中式网络部署、管理和服务提供。只有时间能够告诉我们，在未来的3至5年里，随着行业为5G部署做好了准备，这两种架构的采用情况。最终用户应用、基于网络部署与维护成本的运营商偏好以及设备厂商的系统解决方案都可能是决定二者之间微秒平衡的关键因素。

总之，无线网络中的异构性还将继续增加。不大可能决出明显的胜者。我们需要在Cloud RAN与移动边缘计算设备之间实现良好平衡以有效支持无线宽带服务。无线宽带生态系统不会倾向某个极端，而是要平衡投资以继续构建互补技术，从而有效服务于2020的信息社会。