C-RAN

C-RAN ( Cloud-RAN ), также называемый Centralized-RAN , представляет собой архитектуру сотовых сетей. ^[1]^[2]^[3] C-RAN — это централизованная архитектура на основе облачных вычислений для сетей радиодоступа , которая поддерживает 2G, 3G, 4G и будущие стандарты беспроводной связи. Его название происходит от четырех букв «С» в основных характеристиках системы C-RAN: «Чистая централизованная обработка, совместная радиосвязь и сеть облачного радиодоступа в реальном времени». ^[4]

Фон

Традиционные сотовые сети , или сети радиодоступа (RAN), состоят из множества автономных базовых станций (BTS). Каждая BTS покрывает небольшую территорию, тогда как групповая BTS обеспечивает покрытие сплошной территории. Каждая BTS обрабатывает и передает свой собственный сигнал на мобильный терминал и обратно , а также пересылает полезную нагрузку данных на мобильный терминал и обратно в базовую сеть через транзитную связь . Каждая БТС имеет собственное охлаждение, обратный транспорт, резервную батарею, систему мониторинга и так далее. Из-за ограниченности спектральных ресурсов сетевые операторы «повторно используют» частоту разными базовыми станциями, что может вызвать помехи между соседними сотами.

Традиционная сотовая архитектура имеет несколько ограничений. Во-первых, строительство и эксплуатация каждой БТС обходится дорого. Закон Мура помогает уменьшить размер и мощность электрической системы, но вспомогательные средства BTS также не улучшаются. Во-вторых, когда к системе добавляется больше BTS для повышения ее пропускной способности, помехи между BTS становятся более серьезными, поскольку BTS находятся ближе друг к другу и большее количество из них используют одну и ту же частоту. В-третьих, поскольку пользователи мобильны, трафик каждой BTS колеблется (так называемый «эффект прилива»), и в результате средний коэффициент использования отдельных BTS довольно низок. Однако эти ресурсы обработки нельзя использовать совместно с другими BTS. Таким образом, все BTS предназначены для обработки максимального, а не среднего трафика, что приводит к пустой трате вычислительных ресурсов и мощности во время простоя.

Эволюция архитектуры базовой станции

Универсальная макробазовая станция «все в одном»

В сотовых сетях 1G и 2G базовые станции имели архитектуру «все в одном». Аналоговые, цифровые и силовые функции были размещены в одном шкафу размером с холодильник. Обычно шкаф базовой станции размещался в специальном помещении вместе со всеми необходимыми вспомогательными средствами, такими как питание, резервная батарея, кондиционирование воздуха, оборудование для наблюдения за окружающей средой и оборудование для обратной связи. Радиочастотный сигнал генерируется радиочастотным блоком базовой станции и распространяется по парам радиочастотных кабелей до антенн на вершине башни базовой станции или других точек крепления. Эта универсальная архитектура чаще всего встречается при развертывании макросот.

Распределенная базовая станция

Для 3G архитектуру распределенных базовых станций представили Ericsson , Nokia , Huawei и другие ведущие поставщики телекоммуникационного оборудования. В этой архитектуре функциональный блок радиосвязи, также известный как удаленная радиоголовка ( RRH ), отделен от цифрового функционального блока или блока основной полосы частот (BBU) оптоволокном. Цифровые модулирующие сигналы передаются по оптоволокну с использованием стандарта Open Base Station Architecture Initiative ( OBSAI ) или Common Public Radio Interface ( CPRI ). RRH можно установить на вершине башни рядом с антенной, что снижает потери по сравнению с традиционной базовой станцией, где радиочастотный сигнал должен проходить по длинному кабелю от шкафа базовой станции к антенне на вершине башни. Оптоволоконная линия между RRH и BBU также обеспечивает большую гибкость при планировании и развертывании сети, поскольку их можно разместить на расстоянии нескольких сотен метров или нескольких километров. Большинство современных базовых станций теперь используют эту несвязанную архитектуру.

C-RAN/Облако-RAN

C-RAN можно рассматривать как архитектурное развитие вышеупомянутой системы распределенных базовых станций. Он использует преимущества многих технологических достижений в области беспроводных, оптических и ИТ-систем связи. Например, он использует новейший стандарт CPRI, недорогую технологию грубого или плотного мультиплексирования с разделением по длине волны ( CWDM / DWDM ) и mmWave, чтобы обеспечить передачу группового сигнала на большие расстояния, что обеспечивает крупномасштабное централизованное развертывание базовой станции. Он применяет новейшую сетевую технологию центра обработки данных, чтобы обеспечить недорогую, высокую надежность, низкую задержку и высокоскоростную межсетевую сеть в пуле BBU. Он использует открытые платформы и технологию виртуализации в реальном времени, основанную на облачных вычислениях, для достижения динамического распределения общих ресурсов и поддержки сред с несколькими поставщиками и разными технологиями. ^[5]

Обзор архитектуры

Архитектура C-RAN имеет следующие характеристики, отличающиеся от других сотовых архитектур:

Крупномасштабное централизованное развертывание: позволяет многим RRH подключаться к централизованному пулу BBU. Максимальное расстояние может составлять 20 км по оптоволокну для систем 4G (LTE/LTE-A) и еще большие расстояния (40–80 км) для систем 3G (WCDMA/TD-SCDMA) и 2G (GSM/CDMA).
Встроенная поддержка технологий совместной радиосвязи: любой BBU может взаимодействовать с любым другим BBU в пуле BBU с очень высокой пропускной способностью (10 Гбит/с и выше) и низкой задержкой (уровень 10 мкс). ^{[ нужна ссылка ]}. Это становится возможным благодаря соединению BBU в пуле. Это одно из основных отличий от BBU Hotelling, или базовой станции Hotelling; в последнем случае блоки BBU разных базовых станций просто складываются вместе и не имеют между собой прямой связи, обеспечивающей координацию на физическом уровне.
Возможность виртуализации в реальном времени на основе открытой платформы: это отличается от традиционных базовых станций, построенных на собственном оборудовании, где программное и аппаратное обеспечение имеет закрытые исходные коды и предоставляется одним поставщиком. Напротив, пул C-RAN BBU построен на открытом оборудовании, таком как серверы на базе процессоров x86/ARM, и интерфейсных картах, которые обрабатывают оптоволоконные каналы с RRH и межсоединения в пуле. Виртуализация в реальном времени гарантирует, что ресурсы в пуле могут быть динамически распределены между программными стеками базовых станций, например, функциональными модулями 4G/3G/2G от разных поставщиков, в зависимости от нагрузки на сеть. Однако, чтобы удовлетворить строгие требования к синхронизации систем беспроводной связи, производительность C-RAN в реальном времени находится на уровне десятков микросекунд, что на два порядка лучше, чем обычно наблюдаемая производительность «реального времени» на миллисекундном уровне. в средах облачных вычислений.

Похожая архитектура и системы

KT, оператор связи в Республике Корея, представил систему центра облачных вычислений (CCC) в своих сетях 3G (WCDMA/HSPA) и 4G (LTE/LTE-A) в 2011 и 2012 годах. ^[6] Концепция CCC в основном такая же, как и C-RAN.

SK Telecom также развернула сеть Smart Cloud Access Network (SCAN) и Advanced-SCAN в своей сети 4G (LTE/LTE-A) в Корее не позднее 2012 года. ^[7]

В 2014 году Airvana (ныне CommScope) ^[8] на базе C-RAN, представила OneCell, систему малых сот предназначенную для предприятий и общественных мест. ^[9]

Конкурирующие архитектуры в эволюции сотовых сетей

Все-в-одном БТС

Одним из основных альтернативных решений, решающих аналогичные проблемы RAN, является компактная универсальная BTS для наружного применения. Благодаря достижениям полупроводниковой промышленности все функции BTS, включая RF, обработку основной полосы, обработку MAC и обработку на уровне корпуса, теперь могут быть реализованы в объеме <50 литров. Это делает систему небольшой и защищенной от атмосферных воздействий, снижает сложность выбора места и строительства BTS, устраняет необходимость в кондиционировании воздуха и, таким образом, снижает эксплуатационные расходы.

Однако, поскольку каждая BTS по-прежнему работает самостоятельно, она не может легко использовать алгоритмы сотрудничества для уменьшения помех между соседними BTS. Кроме того, относительно сложно модернизировать или отремонтировать, поскольку универсальные блоки BTS обычно устанавливаются рядом с антенной. Большее количество процессоров в менее защищенных средах также означает более высокий уровень отказов по сравнению с C-RAN, в котором RRU развернут только снаружи.

Преимущество Cloud RAN заключается в ее способности реализовывать функции LTE-Advanced, такие как скоординированная многоточечная связь (CoMP), с очень низкой задержкой между несколькими радиоголовками. Однако экономическая выгода от таких усовершенствований, как CoMP, может быть сведена на нет из-за более высоких затрат на транспортную связь для некоторых операторов.

Маленькая ячейка

Основная конкуренция между малыми сотами и C-RAN происходит в двух сценариях развертывания: покрытие точек доступа на открытом воздухе и покрытие внутри помещений.

Научные исследования и публикации

Будучи одним из многообещающих путей развития будущей архитектуры сотовой сети, C-RAN вызвал высокий академический исследовательский интерес. Между тем, поскольку встроенная в архитектуру C-RAN встроенная поддержка возможностей совместной радиосвязи также позволяет использовать многие продвинутые алгоритмы, которые было трудно реализовать в сотовых сетях, включая совместную многоточечную передачу/прием, сетевое кодирование и т. д.

В октябре 2011 года в Германии прошел 27-й Всемирный исследовательский форум беспроводной связи , на котором компания China Mobile была приглашена провести презентацию C-RAN.

В августе 2012 года семинар IEEE C-RAN 2012 , прошел в Куньмине, Китай .

CRC Press опубликовала книгу «Зеленые коммуникации: теоретические основы, алгоритмы и приложения», 11-я глава которой включает в себя: «C-RAN: структура Green RAN». ^[10]

конференция IEEE GlobalCom 2012 — Международный семинар по облачным станциям и крупномасштабным совместным коммуникациям В декабре 2012 года в Калифорнии, США, прошла .

Рамочный проект Европейского комитета 7 имеет спонсоров и в настоящее время решает множество проблем, связанных с развитием архитектуры сотовой сети. Многие из этих проектов использовали C-RAN в качестве одной из будущих архитектур сотовой сети, например Mobile Cloud Network. ^[11] проект.

Ссылки

^ Китайский институт мобильных исследований. «1-й международный семинар C-RAN» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2010 года . Проверено 21 апреля 2010 г.
^ Патент США. Прил. 60286850 (подана 26.04.2001), «Способ и устройство для использования несущей интерферометрии для обработки сигналов с несколькими несущими»
^ Шаттил, Стив (24 апреля 2002 г.), US 7430257: Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом.
^ Китайский институт мобильных исследований (2011 г.). C-RAN: Путь к «зеленому» RAN (PDF) . К.Чен и др. Архивировано из оригинала (PDF) 31 декабря 2013 г. Проверено 31 декабря 2013 г.
^ Помпили, Дарио; Хаджисами, Абольфазл; Вишванатан, Харихарасудхан (2015). «Динамическое обеспечение и распределение в сетях облачного радиодоступа (C-RAN)». Специальные сети . 30 : 128–143. дои : 10.1016/j.adhoc.2015.02.006 .
^ Корейский Телеком. «Korea Telecom планирует первую в мире коммерческую Cloud-RAN» . Архивировано из оригинала 16 декабря 2012 г. Проверено 31 декабря 2012 г.
^ СК Телеком. «Первое в мире применение Advanced-SCAN» . Архивировано из оригинала 15 декабря 2013 г. Проверено 12 декабря 2013 г.
^ «Маленькие клетки» .
^ Джонс, Дэн. «Airvana возвращается с бизнес-сотой 4G Cloud RAN» . Легкое чтение . Проверено 19 июня 2015 г.
^ Зеленые коммуникации: теоретические основы, алгоритмы и приложения . ЦРК Пресс. 2012. с. 840.
^ «Мобильная облачная сеть» . Архивировано из оригинала 24 августа 2013 г. Проверено 12 декабря 2013 г.

Внешние ссылки

[1] Китайский институт мобильных исследований. «1-й международный семинар C-RAN» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2010 года . Проверено 21 апреля 2010 г.

[2] Патент США. Прил. 60286850 (подана 26.04.2001), «Способ и устройство для использования несущей интерферометрии для обработки сигналов с несколькими несущими»

[3] Шаттил, Стив (24 апреля 2002 г.), US 7430257: Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом.

[4] Китайский институт мобильных исследований (2011 г.). C-RAN: Путь к «зеленому» RAN (PDF) . К.Чен и др. Архивировано из оригинала (PDF) 31 декабря 2013 г. Проверено 31 декабря 2013 г.

[5] Помпили, Дарио; Хаджисами, Абольфазл; Вишванатан, Харихарасудхан (2015). «Динамическое обеспечение и распределение в сетях облачного радиодоступа (C-RAN)». Специальные сети . 30 : 128–143. дои : 10.1016/j.adhoc.2015.02.006 .

[6] Корейский Телеком. «Korea Telecom планирует первую в мире коммерческую Cloud-RAN» . Архивировано из оригинала 16 декабря 2012 г. Проверено 31 декабря 2012 г.

[7] СК Телеком. «Первое в мире применение Advanced-SCAN» . Архивировано из оригинала 15 декабря 2013 г. Проверено 12 декабря 2013 г.

[8] «Маленькие клетки» .

[9] Джонс, Дэн. «Airvana возвращается с бизнес-сотой 4G Cloud RAN» . Легкое чтение . Проверено 19 июня 2015 г.

[10] Зеленые коммуникации: теоретические основы, алгоритмы и приложения . ЦРК Пресс. 2012. с. 840.

[11] «Мобильная облачная сеть» . Архивировано из оригинала 24 августа 2013 г. Проверено 12 декабря 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]