C-RAN - C-RAN

Inte att förväxla med CRAN .

C-RAN (Cloud-RAN) , ibland kallad Centralized-RAN , är en arkitektur för mobilnätverk. Nio år efter det avslöjades i patentansökningar som lämnats in av amerikanska företag. Enkelt talat är C-RAN en centraliserad molnbaserad arkitektur för radioaccessnät som stöder 2G, 3G, 4G och framtida standarder för trådlös kommunikation. Dess namn kommer från de fyra 'C-enheterna i C-RAN-systemets huvudegenskaper, "Ren, centraliserad bearbetning, samarbetsradio och ett realtidsaccessnät för molnradio".

Bakgrund

Traditionella mobiltelefoner , eller Radio Access Networks (RAN), består av många fristående basstationer (BTS). Varje BTS täcker ett litet område, medan en grupp BTS täcker ett kontinuerligt område. Varje BTS behandlar och sänder sin egen signal till och från mobilterminalen och vidarebefordrar datanyttolasten till och från mobilterminalen och ut till kärnnätverket via backhaul . Varje BTS har sin egen kylning, transport med tillbaka, reservbatteri, övervakningssystem och så vidare. På grund av begränsade spektralresurser återanvänder nätoperatörer frekvensen mellan olika basstationer, vilket kan orsaka störningar mellan angränsande celler.

Det finns flera begränsningar i den traditionella mobilarkitekturen. Först är varje BTS kostsamt att bygga och driva. Moores lag hjälper till att minska storleken och kraften hos ett elsystem, men BTS stödjande faciliteter förbättras inte lika bra. För det andra, när fler BTS läggs till ett system för att förbättra dess kapacitet, är störningar bland BTS allvarligare eftersom BTS är närmare varandra och fler av dem använder samma frekvens. För det tredje, eftersom användarna är mobila, fluktuerar trafiken för varje BTS (kallas "tidvatteneffekt") och som ett resultat är den genomsnittliga utnyttjandegraden för enskild BTS ganska låg. Dessa bearbetningsresurser kan dock inte delas med andra BTS. Därför är alla BTS utformade för att hantera maximal trafik, inte genomsnittlig trafik, vilket resulterar i slöseri med bearbetningsresurser och kraft vid tomgångstider.

Utvecklingen av basstationsarkitekturen

Allt-i-ett-makrobasstation

I mobilnäten 1G och 2G hade basstationer en allt-i-ett-arkitektur. Analoga, digitala och strömfunktioner var inrymda i ett skåp så stort som ett kylskåp. Vanligtvis placerades basstationsskåpet i ett dedikerat rum tillsammans med alla nödvändiga stödjande funktioner som ström, reservbatteri, luftkonditionering, miljöövervakning och backhaul-överföringsutrustning. RF-signalen genereras av basstationens RF-enhet och sprids genom par av RF-kablar upp till antennerna på toppen av ett basstationstorn eller andra monteringspunkter. Den här allt-i-ett-arkitekturen hittades mestadels i makrocellsdistributioner.

Distribuerad basstation

För 3G introducerades en distribuerad basstationsarkitektur av Ericsson , Nokia , Huawei och andra ledande leverantörer av telekomutrustning. I denna arkitektur är radiofunktionsenheten, även känd som fjärrradiohuvudet ( RRH ), separerad från den digitala funktionsenheten eller basbandsenheten (BBU) med fiber. Digitala basbandsignaler transporteras över fiber med hjälp av Open Base Station Architecture Initiative ( OBSAI ) eller Common Public Radio Interface ( CPRI ) -standarden. RRH kan installeras på toppen av tornet nära antennen, vilket minskar förlusten jämfört med den traditionella basstationen där RF-signalen måste gå genom en lång kabel från basstationens skåp till antennen på toppen av tornet. Fiberlänken mellan RRH och BBU möjliggör också mer flexibilitet i nätverksplanering och utplacering eftersom de kan placeras några hundra meter eller några kilometer bort. De flesta moderna basstationer använder nu denna frikopplade arkitektur.

C-RAN / Cloud-RAN

C-RAN kan ses som en arkitektonisk utveckling av ovan distribuerade basstationssystem. Det utnyttjar många tekniska framsteg inom trådlösa, optiska och IT-kommunikationssystem. Till exempel använder den den senaste CPRI-standarden, låg kostnad Coarse eller Dense Wavelength Division Multiplexing ( CWDM / DWDM ) -teknologi och mmWave för att möjliggöra överföring av basbandssignal över långa sträckor, vilket uppnår storskalig centralstationsdistribution. Det tillämpar nyligen datacenter nätverksteknik för att tillåta en låg kostnad, hög tillförlitlighet, låg latens och hög bandbredd sammankopplingsnätverk i BBU-poolen. Den använder öppna plattformar och virtualiseringsteknik i realtid som är rotad i molnberäkning för att uppnå dynamisk delad resursallokering och stöd för flertillverkare, multiteknologimiljöer.

Arkitekturöversikt

C-RAN-arkitektur har följande egenskaper som skiljer sig från andra mobilarkitekturer:

  1. Storskalig centraliserad distribution: Tillåter många RRH att ansluta till en central BBU-pool. Det maximala avståndet kan vara 20 km i fiberlänk för 4G (LTE / LTE-A) -system, och ännu längre avstånd (40 km ~ 80 km) för 3G (WCDMA / TD-SCDMA) och 2G (GSM / CDMA) -system.
  2. Inbyggt stöd till Collaborative Radio-teknik: Alla BBU kan prata med vilken annan BBU som helst inom BBU-poolen med mycket hög bandbredd (10Gbit / s och högre) och låg latens (10us-nivå). Detta aktiveras genom sammankoppling av BBU i poolen. Detta är en stor skillnad från BBU Hotelling, eller basstationshotell; i det senare fallet staplas helt enkelt BBU: erna för olika basstationer ihop och har ingen direkt länk mellan dem för att möjliggöra fysisk lagerkoordinering.
  3. Realtidsfunktion för virtualisering baserad på öppen plattform: Detta skiljer sig från traditionella basstationer byggda på egen hårdvara, där mjukvaran och hårdvaran är nära källor och tillhandahålls av enskilda leverantörer. Däremot är en C-RAN BBU-pool byggd på öppen hårdvara, som x86 / ARM CPU-baserade servrar, och gränssnittskort som hanterar fiberlänkar till RRH och inter-anslutningar i poolen. Realtidsvirtualisering säkerställer att resurser i poolen kan allokeras dynamiskt till basstationsprogramvarustackar, säg 4G / 3G / 2G-funktionsmoduler från olika leverantörer, beroende på nätverksbelastning. För att uppfylla de strikta tidskraven för trådlösa kommunikationssystem ligger realtidsprestandan för C-RAN på en nivå av 10 sekunder av mikrosekunder, vilket är två storleksordningar bättre än millisekundnivåens "realtidsprestanda" som vanligtvis ses. i Cloud Computing-miljöer.

Liknande arkitektur och system

KT, en teleoperatör i Sydkorea, introducerade ett CCC-system (Cloud Computing Center) i sitt 3G-nät (WCDMA / HSPA) och 4G (LTE / LTE-A) under 2011 och 2012. Konceptet CCC är i princip samma som C-RAN.

SK Telecom har också distribuerat Smart Cloud Access Network (SCAN) och Advanced-SCAN i sitt 4G (LTE / LTE-A) nätverk i Korea senast 2012.

År 2014 introducerade Airvana (nu CommScope) OneCell, ett C-RAN-baserat småcellsystem utformat för företag och offentliga utrymmen.

Konkurrerande arkitekturer inom mobilnätverksutveckling

Allt-i-ett-BTS

En viktig alternativ lösning som hanterar liknande utmaningar med RAN är den lilla allt-i-ett utomhus-BTS. Tack vare prestationer inom halvledarindustrin kan all BTS-funktionalitet, inklusive RF, basbandbearbetning, MAC-bearbetning och paketnivåbehandling, nu implementeras i en volym på <50 liter. Detta gör systemet litet och väderbeständigt, minskar svårigheten för BTS-platsval och konstruktion, eliminerar luftkonditioneringskravet och minskar därmed driftskostnaderna.

Eftersom varje BTS fortfarande arbetar på egen hand, kan de dock inte enkelt använda samarbetsalgoritmerna för att minska interferensen mellan angränsande BTS. Det är också relativt svårt att uppgradera eller reparera eftersom allt-i-ett-BTS-enheterna vanligtvis är monterade nära antennen. Mer bearbetningsenheter i mindre skyddade miljöer innebär också en högre felfrekvens jämfört med C-RAN, som bara har RRU utplacerad utomhus.

Fördelen med Cloud RAN ligger i dess förmåga att implementera LTE-avancerade funktioner som Coordinated MultiPoint (CoMP) med mycket låg latens mellan flera radiohuvuden. Den ekonomiska fördelen med förbättringar som CoMP kan dock förnekas av de högre kostnaderna för backhaul för vissa operatörer.

Liten cell

Huvudkonkurrensen mellan småceller och C-RAN sker i två distributionsscenarier: hotspot-täckning utomhus och inomhustäckning.

Akademisk forskning och publikationer

Som en av de lovande utvecklingsvägarna för framtida mobilnätarkitektur har C-RAN väckt stort akademiskt forskningsintresse. Under tiden, eftersom det inbyggda stödet för samarbetsradiofunktioner inbyggt i C-RAN-arkitekturen, möjliggör det också många avancerade algoritmer som var svåra att implementera i mobilnät, inklusive kooperativ multipunktsöverföring / mottagning, nätverkskodning etc.

I oktober 2011 var Wireless World Research Forum 27 värd i Tyskland, då China Mobile blev inbjuden att hålla en C-RAN-presentation.

I augusti 2012 hölls IEEE C-RAN 2012-workshop i Kunming, Kina.

CRC Press publicerade en bok "Green Communications: Theoretical Fundamentals, Algorithms and Applications" och har som sitt 11: e kapitel: "C-RAN: A Green RAN Framework".

I december 2012 anordnades en IEEE GlobalCom 2012-konferens, International Workshop on Cloud Based-Stations and Large-Scale Cooperative Communications , i Kalifornien, USA.

European Committee Frame Project 7 har sponsorer och behandlar för närvarande många problem relaterade till utvecklingen av mobilnätarkitekturen. Många av dessa projekt har tagit C-RAN som en av de framtida mobilnätverksarkitekturerna, som Mobile Cloud Network-projektet.

Referenser

externa länkar