【無線射頻通信】-下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)逐漸建成

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)逐漸建成全球網(wǎng)絡(luò)支持移動設(shè)備體系結(jié)構(gòu)及其底層技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)。在蜂窩電話自己巨大勝利的推動下，移動客戶設(shè)備數(shù)量以及他們對帶寬的要求在不斷增長。但是安排給移動運營商的帶寬并沒有增長。網(wǎng)絡(luò)中某一通道的使用效率也保持平穩(wěn)不變。下一代射頻接入網(wǎng)必需要解決這些難題，這好像很難。

難以滿意的需求

幾乎全部人都要求提高移動帶寬。不太明顯的是，這種增長是多方面的：三種因素結(jié)合在一起產(chǎn)生了很大的需求。一個因素是熟識的基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建，以及客戶基礎(chǔ)的增長。其次是設(shè)備本質(zhì)的變化。第三是應(yīng)用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

客戶增長可能是三種因素中影響最小的。發(fā)達(dá)國家移動設(shè)備已經(jīng)接近飽和了。許多有錢人有多臺同時使用的移動設(shè)備。農(nóng)村地區(qū)還有許多潛在的用戶，但是他們的基本問題是接入而不是帶寬。

假如蜂窩設(shè)備的肯定數(shù)量開頭趨于平穩(wěn)，那么，用戶所選擇的設(shè)備類型會傾向于高端市場。Intel移動和通信部副總裁兼總經(jīng)理HermannEul在最近的一次DesignCon主題演講中指出，人們平均每18個月就會換一部新手機(jī)。智能電話是其選擇。即使是最節(jié)約的用戶也盼望更新。Eul說，"從今年開頭，智能電話市場一半的是在價值、入場以及超低成本事域。'

人們的電話越智能，使用的就越多。Eul說，"我們看到人們每星期平均要使用26小時。'電話對數(shù)據(jù)要求的越來越多，同時使用的時間越來越長，這些都導(dǎo)致更大的數(shù)據(jù)流量。

在這26個小時中，用戶通常會運行應(yīng)用程序，其帶寬需求要比以前大許多。Eul留意到，"目前的應(yīng)用程序與5到10年前的純計算機(jī)程序一樣簡單。'好玩的是，這些應(yīng)用程序不僅對CPU的要求高了，而且還要求更大的帶寬，它們從云端獲得數(shù)據(jù)，有時候共享計算負(fù)載。即使是語音命令輸入和地圖導(dǎo)航等看起來簡潔的應(yīng)用程序也會在調(diào)用遠(yuǎn)程計算和存儲資源時，向空中傳送大量的數(shù)據(jù)。

更多的用戶，更多的智能電話，要求更高的應(yīng)用程序：產(chǎn)品對帶寬的需要增長特別快。有些分析人士猜測，到2023年，無線數(shù)據(jù)量年度累計增長會維持在66%。到那時，傳送的數(shù)據(jù)流會達(dá)到令人難以置信的每月11艾字節(jié)。運營商會怎樣呢？

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運營商問題最簡潔的答案是讓他們供應(yīng)更多的帶寬。實際上，全球射頻通信大會(WRC)確定了一些額外的頻譜稱之為候選帶寬，能夠顯著擴(kuò)展可用總帶寬(參見圖1)。但是新帶寬也有自己的問題。

圖1.移動服務(wù)現(xiàn)有以及建議的頻譜安排。

許多難題都不是技術(shù)性的。例如，WRC是一個協(xié)會，工作起來像一個單位。但是，它必需要處理多方面的問題：聯(lián)系全世界國家政府，全部的遺留問題，不同的決策過程，還有我們要說的是，隱蔽的利潤目標(biāo)，同意對頻譜的安排等。即使是達(dá)成了協(xié)議，在每個國家修改其規(guī)章，把頻譜安排給運營實體之前還是有很長的時間間隔。安排過程是公開拍賣，隱秘交易，還是法律強(qiáng)制，這都特別耗時，而且有爭議。由于某些需要的頻譜屬于現(xiàn)有用戶，因此，以上問題尤其突出。例如，在和歐洲，500-800MHz四周的某些候選頻帶始終屬于電視廣播公司。

這涉及到錢的問題。全部人，從政府到現(xiàn)有用戶都盼望從帶寬獲得收益。在大多數(shù)狀況下，運營公司會不得不拿出一大筆錢來支付牌照費用。但是有很嚴(yán)峻的問題，用戶是否情愿每月支付更多的費用，即滿意新頻譜牌照費用同時又支持昂貴的新網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用。許多小運營公司會落在后面，最終被收購或者退出。

與現(xiàn)有頻譜距離很遠(yuǎn)的頻帶意味著手機(jī)和射頻前端的新天線以及RF設(shè)計。同時還有網(wǎng)絡(luò)級問題。隨著頻率的提高，傳播特性發(fā)生了很大的變化，這并不是移動無線電的優(yōu)勢。800MHz特別適合用于大空間宏單元塔，2.5到3GHz靠近微波爐的頻率，適用于中距離氣象雷達(dá)或者樹葉探測器。越接近5GHz，建筑材料就越不透亮?????。

而且，其他的候選頻譜，假如都將其交給移動運營商，實際可用范圍只可能增加三倍。這當(dāng)然有所關(guān)心，但是仍舊跟不上每年66%的增長。業(yè)界還需要其他措施。因此，運營商除了使用更多的頻率域之外，還嘗試更高效的使用地理區(qū)域。

空域效率

提高通道數(shù)量有限的接入網(wǎng)容量一種最明顯的方法是供應(yīng)更多的小區(qū)。這是老的想法：半導(dǎo)體供應(yīng)商多年以來始終在為微小區(qū)、微微小區(qū)、毫微微小區(qū)供應(yīng)設(shè)計。分析公司ForwardConcepts負(fù)責(zé)人WillStrauss留意到，"不會再消失很小的小區(qū)了。'

Altera客戶市場經(jīng)理JamesLie也同意，"兩年前還有較小的小區(qū)?？赡茉趦赡陜?nèi)，我們會看到本地小區(qū)，但是我不認(rèn)為這會有廣泛應(yīng)用。'

Lie的懷疑是有緣由的。原理上，小區(qū)應(yīng)當(dāng)是抱負(fù)的解決方案。當(dāng)存在大鐵塔不能掩蓋的陰影區(qū)域，或者某一區(qū)域需求特殊高時，在其四周布上更小的小區(qū)例如，圍繞中心商務(wù)區(qū)，運動場，或者計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。許多小區(qū)能夠滿意需求，使其不會讓接近的宏小區(qū)消失飽和。結(jié)果是異構(gòu)射頻網(wǎng)絡(luò)，具有許多的宏小區(qū)、微小區(qū)以及微微小區(qū)(參見圖2)。

圖2.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑蔀楫悩?gòu)的。

但是，Altera市場經(jīng)理DavidBrubaker解釋說，問題是頻率干擾。小基站相互交疊，還與接近的宏小區(qū)干擾。在擁塞的區(qū)域布置許多小區(qū)的結(jié)果是實際上削減了可用帶寬。

業(yè)界建議了幾種方案來克服干擾問題，但是這些解決方案要求采納最新的3GPP標(biāo)準(zhǔn)。一種可能是時域復(fù)用以便共享通道。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)飽和時，這犧牲了吞吐量，此時您最需要的是帶寬。另一種是可選功率，這樣，每次連接只使用所需要的發(fā)送功率不會導(dǎo)致與接近小區(qū)消失干擾。第三種可能是聚束，一個基站的多幅天線將其輻射能量直接聚集到移動設(shè)備上，而不是分散到某個象限中。后面兩種方案需要進(jìn)行快速閉環(huán)測量和掌握，對于聚束的情形，則需要大量的計算資源。

Brubaker建議，假如小區(qū)要在將來扮演肯定的角色，必需要突破極高頻帶寬的限制。例如，在3GHz以上，信號通過自由空間時會有很大的衰減，很難穿透固體物質(zhì)。宏小區(qū)基站要為鄰居供應(yīng)服務(wù)時，這些屬性就是難以解決的問題。但是，對于服務(wù)于建筑物某一樓層的微小區(qū)而言，這卻是很好的隔離，不會影響其他接近的小區(qū)。

小區(qū)另一明顯的問題是骨干網(wǎng)，基站和運營商中心站之間的連接。宏小區(qū)基站通過電信公司的T1/E1線路、專用微波鏈路或者光纖，連接至中心站。這些昂貴的私有連接并不適用于小基站。企業(yè)級小區(qū)可以通過電纜或者光纖連接至公網(wǎng)的接入路由器。毫微微小區(qū)會處于WiFi鏈路的末端，其集線器連接至DSL調(diào)制解調(diào)器。不難想象這樣一種場景，這些ad-hoc連接不能供應(yīng)足夠的帶寬來滿意小區(qū)的需求。這些連接實際上，涉及到互聯(lián)網(wǎng)的任何連接，都會有不行猜測的延時和牢靠性問題。因此，它們與商用骨干網(wǎng)連接有很大的不同。

載波匯合

除了接入網(wǎng)供應(yīng)足夠的原始帶寬這一問題之外，在為每一臺移動設(shè)備供應(yīng)足夠的帶寬方面還有許多其他難題。對于GSM服務(wù)，這并不是很大的問題：每一個連接都會有200kHz的帶寬。但是，LTE規(guī)定每一移動設(shè)備要有20MHz帶寬，高級LTE(LTE-A)則要求每臺設(shè)備有100MHz帶寬。

由于只有很少的頻帶能夠供應(yīng)100MHz的帶寬，特殊是700MHz四周的原始頻帶，因此，LTE-A遇到的問題更大。所以，LTE-A引入了更簡單的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：載波匯合。這種技術(shù)將幾個通道匯合在一起，為某一移動設(shè)備供應(yīng)足夠的帶寬。

這種顯而易見的方法將匯合接近的通道。手持式RF和基站電路要同時處理兩個甚至更多的通道，但是載波頻率至少是在相同的頻帶內(nèi)。然而，工程師在開發(fā)LTE-A時感到，匯合接近的通道還不足以為特別擁擠區(qū)域的移動用戶供應(yīng)足夠的帶寬。接近的頻率極有可能已經(jīng)特別勞碌了，而某些其他頻帶可能還比較空閑，因此，LTE-A支持帶寬和基站的匯合。

例如，假如一個連接需要更大的帶寬，但是目前的基站沒有空余的通道，那么，網(wǎng)絡(luò)掌握層會安排來自其他與移動設(shè)備連接的基站的通道。即使最初的基站是宏小區(qū)鐵塔，其次個基站是微小區(qū)，這種方法也能夠工作。來自兩個基站的通道會被用于向移動設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包。

明顯，載波匯合所需要的協(xié)同工作給網(wǎng)絡(luò)掌握平面帶來了壓力。這種壓力有利于促進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

C-RAN

幾年前，射頻接入網(wǎng)設(shè)計人員開頭連接某些點。他們留意到，基站硬件越來越昂貴，大部分基站在大部分時間內(nèi)都沒有充分利用起來。他們還留意到，基站的大部分運營成原來自散熱或者檢修車，而不是計算。他們留意到鐵塔頂部的射頻前端和地面數(shù)字引擎之間采納了同軸和光纖等連接。

由此產(chǎn)生了一種想法。為什么不把數(shù)字硬件機(jī)架從小區(qū)鐵塔中拿出來，將其集中到一個大的城域數(shù)據(jù)中心呢？這樣，掌握平面實現(xiàn)了數(shù)字信號處理(DSP)電路板機(jī)架之間的負(fù)載均衡，從而削減了硬件。數(shù)據(jù)中心能夠盡可能的掩蓋整個城域網(wǎng)負(fù)載，而不用針對小區(qū)的峰值負(fù)載來建設(shè)每一個基站。集中散熱和維護(hù)也會廉價許多。也不需要昂貴的微波或者光纖骨干網(wǎng)連接。鐵塔上射頻前端下來的光纖不會停在地面上，而是連續(xù)直接連接至數(shù)據(jù)中心。DSP機(jī)架都在一個機(jī)房中，掌握平面能夠協(xié)調(diào)小區(qū)之間的工作，實現(xiàn)了特別低的延時。

這一方案，其名稱是集中式射頻接入網(wǎng)(C-RAN)，如圖3所示，很快就得到了許多支持。ForwardConcepts的Strauss說，"C-RAN是Intel幻想的應(yīng)用。他們在這方面的工作至少有3年了，部分是與中國移動合作的。'

圖3.C-RAN集中了基站。

Strauss解釋說，Intel的觀點是，城域數(shù)據(jù)中心不僅含有DSP電路板機(jī)架，而且還有Intel服務(wù)器機(jī)架。Strauss留意到，"假如您把基站信號處理任務(wù)放到x86CPU上，那么，從基帶處理到網(wǎng)絡(luò)掌握，您就有一類處理器體系結(jié)構(gòu)，一類電路板，一種編程模型。'這種同構(gòu)性極大的簡化了計算資源的虛擬化任務(wù)，因此，掌握平面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心的負(fù)載均衡。當(dāng)然，在這一過程中，許多ASIC，例如Freescale或者TIDSP芯片被IntelCPU替代了。

不論C-RAN數(shù)據(jù)中心是否有單獨的服務(wù)器和DSP平面，還是只使用服務(wù)器采納最新的高性能計算，使用具有硬件加速器的服務(wù)器CPU，其優(yōu)勢是顯而易見的。除了負(fù)載均衡，射頻前端的載波匯合功能、用戶選擇的功率級，以及聚束功能都能夠受益于全部基站位于一個地點，而且按需供應(yīng)計算資源。

但是，僅僅在物理位置供應(yīng)處理節(jié)點還不足以滿意這些嚴(yán)格的延時要求。Altera的Brubaker指出，"C-RAN要求遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)與數(shù)據(jù)中心DSP之間有低延時間鏈路。'這樣，C-RAN設(shè)備可滿意金融行業(yè)超低延時數(shù)據(jù)中心的需求，這些數(shù)據(jù)中心用于高速平安交易。

宏大的遠(yuǎn)景

現(xiàn)在，我們已經(jīng)進(jìn)行了具體的闡述，應(yīng)當(dāng)回過頭來看看我們曾畫好的遠(yuǎn)景。具體看一看我們建議的更大、更加異構(gòu)的結(jié)構(gòu)：下一代無線接入網(wǎng)。

讓我們從移動設(shè)備用戶的角度開頭。最大的不同是，用戶所要求的是速度：在這個例子中，當(dāng)星座排成一列時，速度是每秒100megabits(Mbps)。這隱蔽了特別昂貴的成本，消費類設(shè)備中含有最簡單的多頻段射頻。為實現(xiàn)100Mbps，LTE-A將匯合載波。因此，移動射頻不得不讓通道同時工作，這些通道可能處于不同而且是分布很寬的頻帶中，連接了不同的天線。

回到稍寬的視角來看，從射頻接入網(wǎng)邊緣開頭。一般而言，距離用戶最近的小區(qū)是某類微小區(qū)：可能是雜貨店里由用戶安裝的毫微微小區(qū)，更有可能是大樓、地鐵和消遣場所里的微小區(qū)。這種基站可能會工作在2.5-3.5GHz范圍，通過互聯(lián)網(wǎng)的高速以太網(wǎng)鏈路實現(xiàn)連接。

但是，小區(qū)并不是唯一的節(jié)點。我們用戶的設(shè)備可能至少會連接一個宏小區(qū)遠(yuǎn)程射頻前端，這安裝在接近小區(qū)的鐵塔上。

漸漸地，在不遠(yuǎn)的將來，遠(yuǎn)程射頻前端將通過光纖，而不是鐵塔底部的基站，向城市的C-RAN數(shù)據(jù)中心發(fā)送公共射頻接口(CPRI)數(shù)字化射頻波形。數(shù)據(jù)中心很有可能將布滿相對傳統(tǒng)的服務(wù)器，輔以硬件加速器關(guān)心進(jìn)行基帶信號處理。

數(shù)據(jù)中心的工作會特別簡單。C-RAN掌握平面必需處理每一移動設(shè)備涉及到的通道，滿意每一設(shè)備當(dāng)前的帶寬需求。必需將小區(qū)和通道安排給移動設(shè)備，考慮不同的帶寬有不同的傳輸特性，小區(qū)和數(shù)據(jù)中心之間的延時會有很大的不同，即光纖到C-RAN遠(yuǎn)程射頻前端的延時。

隨時能夠設(shè)置發(fā)送功率則要求對接收信號進(jìn)行實時分析，聚束功能使得信號處理更加簡單，信號處理任務(wù)是產(chǎn)生發(fā)送給射頻前端的波形。

由掌握軟件向移動設(shè)備供應(yīng)鏈路，因此，也能夠滿意數(shù)據(jù)中心虛擬化基帶處理器池的基帶處理需求。連接的每一級都是虛擬化的，隨時可以進(jìn)行安排，只有通過小區(qū)的部分除外。小區(qū)既是解決方案也是挑戰(zhàn)低掩蓋盲區(qū)和高需求區(qū)域，還有干擾問題，困難的骨干網(wǎng)連接，以及靜態(tài)資源安排等。在越來越虛擬化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，解決這種不連續(xù)問題會特別好玩。

其大部分都是既成事實，由LTE-A文檔定義或者目前還