【无线射频通信】-下一代蜂窝网络逐渐建成

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----下一代蜂窝网络逐渐建成全球网络支持移动设备体系结构及其底层技术面临很大的挑战。在蜂窝电话自己巨大胜利的推动下，移动客户设备数量以及他们对带宽的要求在不断增长。但是安排给移动运营商的带宽并没有增长。网络中某一通道的使用效率也保持平稳不变。下一代射频接入网必需要解决这些难题，这好像很难。

难以满意的需求

几乎全部人都要求提高移动带宽。不太明显的是，这种增长是多方面的：三种因素结合在一起产生了很大的需求。一个因素是熟识的基础设施的构建，以及客户基础的增长。其次是设备本质的变化。第三是应用结构的转变。

客户增长可能是三种因素中影响最小的。发达国家移动设备已经接近饱和了。许多有钱人有多台同时使用的移动设备。农村地区还有许多潜在的用户，但是他们的基本问题是接入而不是带宽。

假如蜂窝设备的肯定数量开头趋于平稳，那么，用户所选择的设备类型会倾向于高端市场。Intel移动和通信部副总裁兼总经理HermannEul在最近的一次DesignCon主题演讲中指出，人们平均每18个月就会换一部新手机。智能电话是其选择。即使是最节约的用户也盼望更新。Eul说，"从今年开头，智能电话市场一半的是在价值、入场以及超低成本事域。'

人们的电话越智能，使用的就越多。Eul说，"我们看到人们每星期平均要使用26小时。'电话对数据要求的越来越多，同时使用的时间越来越长，这些都导致更大的数据流量。

在这26个小时中，用户通常会运行应用程序，其带宽需求要比以前大许多。Eul留意到，"目前的应用程序与5到10年前的纯计算机程序一样简单。'好玩的是，这些应用程序不仅对CPU的要求高了，而且还要求更大的带宽，它们从云端获得数据，有时候共享计算负载。即使是语音命令输入和地图导航等看起来简洁的应用程序也会在调用远程计算和存储资源时，向空中传送大量的数据。

更多的用户，更多的智能电话，要求更高的应用程序：产品对带宽的需要增长特别快。有些分析人士猜测，到2023年，无线数据量年度累计增长会维持在66%。到那时，传送的数据流会达到令人难以置信的每月11艾字节。运营商会怎样呢？

查找带宽

运营商问题最简洁的答案是让他们供应更多的带宽。实际上，全球射频通信大会(WRC)确定了一些额外的频谱称之为候选带宽，能够显著扩展可用总带宽(参见图1)。但是新带宽也有自己的问题。

图1.移动服务现有以及建议的频谱安排。

许多难题都不是技术性的。例如，WRC是一个协会，工作起来像一个单位。但是，它必需要处理多方面的问题：联系全世界国家政府，全部的遗留问题，不同的决策过程，还有我们要说的是，隐蔽的利润目标，同意对频谱的安排等。即使是达成了协议，在每个国家修改其规章，把频谱安排给运营实体之前还是有很长的时间间隔。安排过程是公开拍卖，隐秘交易，还是法律强制，这都特别耗时，而且有争议。由于某些需要的频谱属于现有用户，因此，以上问题尤其突出。例如，在和欧洲，500-800MHz四周的某些候选频带始终属于电视广播公司。

这涉及到钱的问题。全部人，从政府到现有用户都盼望从带宽获得收益。在大多数状况下，运营公司会不得不拿出一大笔钱来支付牌照费用。但是有很严峻的问题，用户是否情愿每月支付更多的费用，即满意新频谱牌照费用同时又支持昂贵的新网络基础设施建设费用。许多小运营公司会落在后面，最终被收购或者退出。

与现有频谱距离很远的频带意味着手机和射频前端的新天线以及RF设计。同时还有网络级问题。随着频率的提高，传播特性发生了很大的变化，这并不是移动无线电的优势。800MHz特别适合用于大空间宏单元塔，2.5到3GHz靠近微波炉的频率，适用于中距离气象雷达或者树叶探测器。越接近5GHz，建筑材料就越不透亮     。

而且，其他的候选频谱，假如都将其交给移动运营商，实际可用范围只可能增加三倍。这当然有所关心，但是仍旧跟不上每年66%的增长。业界还需要其他措施。因此，运营商除了使用更多的频率域之外，还尝试更高效的使用地理区域。

空域效率

提高通道数量有限的接入网容量一种最明显的方法是供应更多的小区。这是老的想法：半导体供应商多年以来始终在为微小区、微微小区、毫微微小区供应设计。分析公司ForwardConcepts负责人WillStrauss留意到，"不会再消失很小的小区了。'

Altera客户市场经理JamesLie也同意，"两年前还有较小的小区。可能在两年内，我们会看到本地小区，但是我不认为这会有广泛应用。'

Lie的怀疑是有缘由的。原理上，小区应当是抱负的解决方案。当存在大铁塔不能掩盖的阴影区域，或者某一区域需求特殊高时，在其四周布上更小的小区例如，围绕中心商务区，运动场，或者计算机网络等。许多小区能够满意需求，使其不会让接近的宏小区消失饱和。结果是异构射频网络，具有许多的宏小区、微小区以及微微小区(参见图2)。

图2.网络拓扑成为异构的。

但是，Altera市场经理DavidBrubaker解释说，问题是频率干扰。小基站相互交叠，还与接近的宏小区干扰。在拥塞的区域布置许多小区的结果是实际上削减了可用带宽。

业界建议了几种方案来克服干扰问题，但是这些解决方案要求采纳最新的3GPP标准。一种可能是时域复用以便共享通道。但是当网络饱和时，这牺牲了吞吐量，此时您最需要的是带宽。另一种是可选功率，这样，每次连接只使用所需要的发送功率不会导致与接近小区消失干扰。第三种可能是聚束，一个基站的多幅天线将其辐射能量直接聚集到移动设备上，而不是分散到某个象限中。后面两种方案需要进行快速闭环测量和掌握，对于聚束的情形，则需要大量的计算资源。

Brubaker建议，假如小区要在将来扮演肯定的角色，必需要突破极高频带宽的限制。例如，在3GHz以上，信号通过自由空间时会有很大的衰减，很难穿透固体物质。宏小区基站要为邻居供应服务时，这些属性就是难以解决的问题。但是，对于服务于建筑物某一楼层的微小区而言，这却是很好的隔离，不会影响其他接近的小区。

小区另一明显的问题是骨干网，基站和运营商中心站之间的连接。宏小区基站通过电信公司的T1/E1线路、专用微波链路或者光纤，连接至中心站。这些昂贵的私有连接并不适用于小基站。企业级小区可以通过电缆或者光纤连接至公网的接入路由器。毫微微小区会处于WiFi链路的末端，其集线器连接至DSL调制解调器。不难想象这样一种场景，这些ad-hoc连接不能供应足够的带宽来满意小区的需求。这些连接实际上，涉及到互联网的任何连接，都会有不行猜测的延时和牢靠性问题。因此，它们与商用骨干网连接有很大的不同。

载波汇合

除了接入网供应足够的原始带宽这一问题之外，在为每一台移动设备供应足够的带宽方面还有许多其他难题。对于GSM服务，这并不是很大的问题：每一个连接都会有200kHz的带宽。但是，LTE规定每一移动设备要有20MHz带宽，高级LTE(LTE-A)则要求每台设备有100MHz带宽。

由于只有很少的频带能够供应100MHz的带宽，特殊是700MHz四周的原始频带，因此，LTE-A遇到的问题更大。所以，LTE-A引入了更简单的网络技术：载波汇合。这种技术将几个通道汇合在一起，为某一移动设备供应足够的带宽。

这种显而易见的方法将汇合接近的通道。手持式RF和基站电路要同时处理两个甚至更多的通道，但是载波频率至少是在相同的频带内。然而，工程师在开发LTE-A时感到，汇合接近的通道还不足以为特别拥挤区域的移动用户供应足够的带宽。接近的频率极有可能已经特别劳碌了，而某些其他频带可能还比较空闲，因此，LTE-A支持带宽和基站的汇合。

例如，假如一个连接需要更大的带宽，但是目前的基站没有空余的通道，那么，网络掌握层会安排来自其他与移动设备连接的基站的通道。即使最初的基站是宏小区铁塔，其次个基站是微小区，这种方法也能够工作。来自两个基站的通道会被用于向移动设备发送数据包。

明显，载波汇合所需要的协同工作给网络掌握平面带来了压力。这种压力有利于促进无线网络结构的转变。

C-RAN

几年前，射频接入网设计人员开头连接某些点。他们留意到，基站硬件越来越昂贵，大部分基站在大部分时间内都没有充分利用起来。他们还留意到，基站的大部分运营成原来自散热或者检修车，而不是计算。他们留意到铁塔顶部的射频前端和地面数字引擎之间采纳了同轴和光纤等连接。

由此产生了一种想法。为什么不把数字硬件机架从小区铁塔中拿出来，将其集中到一个大的城域数据中心呢？这样，掌握平面实现了数字信号处理(DSP)电路板机架之间的负载均衡，从而削减了硬件。数据中心能够尽可能的掩盖整个城域网负载，而不用针对小区的峰值负载来建设每一个基站。集中散热和维护也会廉价许多。也不需要昂贵的微波或者光纤骨干网连接。铁塔上射频前端下来的光纤不会停在地面上，而是连续直接连接至数据中心。DSP机架都在一个机房中，掌握平面能够协调小区之间的工作，实现了特别低的延时。

这一方案，其名称是集中式射频接入网(C-RAN)，如图3所示，很快就得到了许多支持。ForwardConcepts的Strauss说，"C-RAN是Intel幻想的应用。他们在这方面的工作至少有3年了，部分是与中国移动合作的。'

图3.C-RAN集中了基站。

Strauss解释说，Intel的观点是，城域数据中心不仅含有DSP电路板机架，而且还有Intel服务器机架。Strauss留意到，"假如您把基站信号处理任务放到x86CPU上，那么，从基带处理到网络掌握，您就有一类处理器体系结构，一类电路板，一种编程模型。'这种同构性极大的简化了计算资源的虚拟化任务，因此，掌握平面实现了数据中心的负载均衡。当然，在这一过程中，许多ASIC，例如Freescale或者TIDSP芯片被IntelCPU替代了。

不论C-RAN数据中心是否有单独的服务器和DSP平面，还是只使用服务器采纳最新的高性能计算，使用具有硬件加速器的服务器CPU，其优势是显而易见的。除了负载均衡，射频前端的载波汇合功能、用户选择的功率级，以及聚束功能都能够受益于全部基站位于一个地点，而且按需供应计算资源。

但是，仅仅在物理位置供应处理节点还不足以满意这些严格的延时要求。Altera的Brubaker指出，"C-RAN要求远程射频单元(RRU)与数据中心DSP之间有低延时间链路。'这样，C-RAN设备可满意金融行业超低延时数据中心的需求，这些数据中心用于高速平安交易。

宏大的远景

现在，我们已经进行了具体的阐述，应当回过头来看看我们曾画好的远景。具体看一看我们建议的更大、更加异构的结构：下一代无线接入网。

让我们从移动设备用户的角度开头。最大的不同是，用户所要求的是速度：在这个例子中，当星座排成一列时，速度是每秒100megabits(Mbps)。这隐蔽了特别昂贵的成本，消费类设备中含有最简单的多频段射频。为实现100Mbps，LTE-A将汇合载波。因此，移动射频不得不让通道同时工作，这些通道可能处于不同而且是分布很宽的频带中，连接了不同的天线。

回到稍宽的视角来看，从射频接入网边缘开头。一般而言，距离用户最近的小区是某类微小区：可能是杂货店里由用户安装的毫微微小区，更有可能是大楼、地铁和消遣场所里的微小区。这种基站可能会工作在2.5-3.5GHz范围，通过互联网的高速以太网链路实现连接。

但是，小区并不是唯一的节点。我们用户的设备可能至少会连接一个宏小区远程射频前端，这安装在接近小区的铁塔上。

渐渐地，在不远的将来，远程射频前端将通过光纤，而不是铁塔底部的基站，向城市的C-RAN数据中心发送公共射频接口(CPRI)数字化射频波形。数据中心很有可能将布满相对传统的服务器，辅以硬件加速器关心进行基带信号处理。

数据中心的工作会特别简单。C-RAN掌握平面必需处理每一移动设备涉及到的通道，满意每一设备当前的带宽需求。必需将小区和通道安排给移动设备，考虑不同的带宽有不同的传输特性，小区和数据中心之间的延时会有很大的不同，即光纤到C-RAN远程射频前端的延时。

随时能够设置发送功率则要求对接收信号进行实时分析，聚束功能使得信号处理更加简单，信号处理任务是产生发送给射频前端的波形。

由掌握软件向移动设备供应链路，因此，也能够满意数据中心虚拟化基带处理器池的基带处理需求。连接的每一级都是虚拟化的，随时可以进行安排，只有通过小区的部分除外。小区既是解决方案也是挑战低掩盖盲区和高需求区域，还有干扰问题，困难的骨干网连接，以及静态资源安排等。在越来越虚拟化的网络体系结构中，解决这种不连续问题会特别好玩。

其大部分都是既成事实，由LTE-A文档定义或者目前还