C-RAN - C-RAN

Не путать с КРАН.

C-RAN (Cloud-RAN), иногда называемый Централизованная-РАН, это архитектура для сотовых сетей. Впервые он был представлен Китайский институт мобильных исследований в апреле 2010 г. в Пекине, Китай,[1] 9 лет после того, как он был раскрыт в патентных заявках[2][3] поданы компаниями США. Проще говоря, C-RAN - это централизованная архитектура на основе облачных вычислений для сети радиодоступа который поддерживает 2G, 3G, 4G и будущие стандарты беспроводной связи. Его название происходит от четырех букв «C» в основных характеристиках системы C-RAN: «Чистая, централизованная обработка, совместное радио и облачная сеть радиодоступа в реальном времени».[4]

Фон

Традиционный сотовый, или же Сети радиодоступа (RAN), состоят из множества автономных базовые станции (BTS). Каждая BTS покрывает небольшую область, тогда как групповая BTS обеспечивает покрытие непрерывной области. Каждая BTS обрабатывает и передает свой собственный сигнал к и от мобильный терминал, и пересылает полезные данные к мобильному терминалу и от него и обратно на базовая сеть через обратный рейс. Каждая BTS имеет собственное охлаждение, обратный транспорт, резервную батарею, систему мониторинга и так далее. Из-за ограниченных спектральных ресурсов сетевые операторы «повторно используют» частоту среди различных базовых станций, что может вызвать помехи между соседними сотами.

В традиционной сотовой архитектуре есть несколько ограничений. Во-первых, строительство и эксплуатация каждой BTS требует больших затрат. 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 все больше 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. Следовательно, все BTS предназначены для обработки максимального трафика, а не среднего трафика, что приводит к потере ресурсов обработки и мощности во время простоя.

Эволюция архитектуры базовой станции

Макро-базовая станция All-in-One

В сотовых сетях 1G и 2G базовые станции имеют 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 устройствами, такими как питание, резервная батарея, кондиционер, наблюдение за окружающей средой и оборудование для транзитной передачи. Радиочастотный сигнал генерируется радиочастотным блоком базовой станции и распространяется по парам радиочастотных кабелей до антенн наверху башни базовой станции или других точек крепления. Эта универсальная архитектура в основном использовалась при развертывании макросот.

Распределенная базовая станция

Для 3G распределенная архитектура базовой станции была представлена Ericsson, Nokia, Huawei, и другие ведущие поставщики телекоммуникационного оборудования. В этой архитектуре радиофункциональный блок, также известный как удаленная радиоголовка (RRH ), отделен от цифрового функционального блока или блока основной полосы частот (BBU) оптоволокном. Цифровые сигналы основной полосы частот передаются по оптоволокну с использованием Open Base Station Architecture Initiative (ОБСАИ ) или Common Public Radio Interface (CPRI ) стандарт. RRH можно установить наверху мачты рядом с антенной, уменьшая потери по сравнению с традиционной базовой станцией, где радиочастотный сигнал должен проходить по длинному кабелю от шкафа базовой станции к антенне на вершине мачты. Оптоволоконная линия между RRH и BBU также обеспечивает большую гибкость в планировании и развертывании сети, поскольку они могут быть размещены на расстоянии нескольких сотен метров или нескольких километров. Большинство современных базовых станций теперь используют эту развязанную архитектуру.

C-RAN / Cloud-RAN

C-RAN можно рассматривать как архитектурную эволюцию вышеупомянутой системы распределенных базовых станций. Он использует преимущества многих технологических достижений в системах беспроводной, оптической и ИТ-связи. Например, он использует последний стандарт CPRI, дешевое грубое или плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM / DWDM ), и mmWave, чтобы обеспечить передачу сигнала основной полосы частот на большие расстояния, что обеспечивает крупномасштабное централизованное развертывание базовых станций. Он применяет новейшую технологию сети центров обработки данных, чтобы обеспечить низкую стоимость, высокую надежность, малую задержку и высокую пропускную способность межсоединения сети 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 мультивендорных и многотехнологичных сред.[5]

Обзор архитектуры

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

  1. Крупномасштабное централизованное развертывание: позволяет множеству RRH подключаться к централизованному пулу BBU. Максимальное расстояние может составлять 20 км по оптоволоконному каналу для систем 4G (LTE / LTE-A) и даже большее расстояние (40–80 км) для систем 3G (WCDMA / TD-SCDMA) и 2G (GSM / CDMA).
  2. Встроенная поддержка технологий Collaborative Radio: любой BBU может общаться с любым другим BBU в пуле BBU с очень высокой пропускной способностью (10 Гбит / с и выше) и низкой задержкой (уровень 10us)[нужна цитата ]. Это возможно благодаря соединению BBU в пуле. Это одно из основных отличий от BBU Hotelling или базовых станций; в последнем случае BBU различных базовых станций просто сгруппированы вместе и не имеют прямой связи между ними, чтобы обеспечить координацию физического уровня.
  3. Возможность виртуализации в реальном времени на основе открытой платформы: это отличается от традиционных базовых станций, построенных на проприетарном оборудовании, где программное и аппаратное обеспечение закупается у отдельных поставщиков. Напротив, пул BBU C-RAN построен на открытом оборудовании, таком как серверы на базе процессоров x86 / ARM и интерфейсные карты, которые обрабатывают оптоволоконные соединения с RRH и межсоединения в пуле. Виртуализация в реальном времени гарантирует, что ресурсы в пуле могут динамически выделяться программным стекам базовых станций, например функциональным модулям 4G / 3G / 2G от разных поставщиков, в зависимости от нагрузки на сеть. Однако для удовлетворения строгих требований к синхронизации систем беспроводной связи производительность C-RAN в реальном времени находится на уровне 10 микросекунд, что на два порядка лучше, чем обычно наблюдаемая производительность в режиме реального времени на уровне миллисекунд. в средах облачных вычислений.

Подобная архитектура и системы

KT, оператор связи в Республике Корея, представил систему центра облачных вычислений (CCC) в своей сети 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 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 (теперь CommScope)[8] представил OneCell,[9] на основе C-RAN маленькая ячейка система предназначена для предприятий и общественных пространств.[10]

Конкурирующие архитектуры в развитии сотовой сети

Все-в-одном BTS

Одним из основных альтернативных решений, решающих аналогичные проблемы RAN, является небольшая универсальная уличная BTS. Благодаря достижениям в полупроводниковой промышленности все функциональные возможности BTS, включая RF, обработку основной полосы частот, обработку MAC и обработку на уровне пакетов, теперь могут быть реализованы в объеме <50 литров. Это делает систему небольшой и устойчивой к атмосферным воздействиям, снижает сложность выбора и строительства площадки для BTS, устраняет необходимость в кондиционировании воздуха и, таким образом, снижает эксплуатационные расходы.

Однако, поскольку каждая BTS по-прежнему работает сама по себе, она не может легко использовать алгоритмы совместной работы для уменьшения помех между соседними BTS. Также относительно сложно обновить или отремонтировать, потому что универсальные блоки BTS обычно устанавливаются рядом с антенной. Большее количество процессоров в менее защищенных средах также подразумевает более высокую частоту отказов по сравнению с C-RAN, в которой RRU развернут только на открытом воздухе.

Преимущество Cloud RAN заключается в его способности реализовывать функции LTE-Advanced, такие как Coordinated MultiPoint (CoMP), с очень низкой задержкой между несколькими радиоголовками. Однако экономическая выгода от таких усовершенствований, как CoMP, может быть сведена на нет более высокими затратами на транспортировку для некоторых операторов.

Маленькая ячейка

Основная конкуренция между малой сотой и C-RAN происходит в двух сценариях развертывания: покрытие наружной точки доступа и покрытие внутри помещения.

Академические исследования и публикации

Как один из многообещающих путей развития архитектуры сотовых сетей будущего, C-RAN вызвала большой научный интерес. Между тем, поскольку встроенная поддержка кооперативных возможностей радиосвязи встроена в архитектуру C-RAN, она также позволяет использовать множество продвинутых алгоритмов, которые было трудно реализовать в сотовых сетях, включая совместную многоточечную передачу / прием, сетевое кодирование и т. Д.

В октябре 2011 г. Всемирный исследовательский форум по беспроводной связи 27 проходила в Германии, когда China Mobile пригласили провести презентацию C-RAN.

В августе 2012 г. IEEE C-RAN 2012 семинар проходил в городе Куньмин, Китай.

CRC Press опубликовала книгу «Зеленые коммуникации: теоретические основы, алгоритмы и приложения», в которой есть 11-я глава: «C-RAN: структура зеленой RAN».[11]

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

Рамочный проект 7 Европейского комитета имеет спонсоров и в настоящее время занимается решением многих проблем, связанных с развитием архитектуры сотовой сети. Многие из этих проектов использовали C-RAN как одну из будущих архитектур сотовых сетей, например, Mobile Cloud Network.[12] проект.

Рекомендации

  1. ^ Китайский институт мобильных исследований. «1-й Международный семинар C-RAN». Архивировано из оригинал 26 апреля 2010 г.. Получено 21 апреля 2010.
  2. ^ Патент США Appl. 60286850 (подана 26.04.2001), «Способ и устройство для использования интерферометрии несущих для обработки сигналов с несколькими несущими»
  3. ^ Шаттил, Стив (2002-04-24), US 7430257: Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом
  4. ^ Китайский институт мобильных исследований (2011 г.). C-RAN: Дорога к зеленому RAN (PDF). K.Chen et al. Архивировано из оригинал (PDF) 31 декабря 2013 г.. Получено 2013-12-31.
  5. ^ Помпили, Дарио; Хаджисами, Абольфазл; Вишванатан, Харихарасудхан (2015). «Динамическое предоставление и распределение в облачных сетях радиодоступа (C-RAN)». Ad Hoc сети. 30: 128–143. Дои:10.1016 / j.adhoc.2015.02.006.
  6. ^ Korean Telecom. «Korea Telecom планирует первую в мире коммерческую Cloud-RAN». Архивировано из оригинал на 2012-12-16. Получено 31 декабря 2012.
  7. ^ СК Телеком. «Первое в мире приложение Advanced-SCAN». Архивировано из оригинал на 2013-12-15. Получено 2013-12-12.
  8. ^ http://www.commscope.com/Solutions/Indoor-Small-Cells-and-C-RAN/
  9. ^ http://www.commscope.com/Solutions/OneCell-C-RAN-Small-Cell-System/
  10. ^ Джонс, Дэн. «Airvana возвращается с бизнес-сотой 4G Cloud RAN». Легкое чтение. Получено 19 июн 2015.
  11. ^ Зеленые коммуникации: теоретические основы, алгоритмы и приложения. CRC Press. 2012. с. 840.
  12. ^ «Мобильная облачная сеть».

внешняя ссылка