隨著智能終端蓬勃興起，移動(dòng)運(yùn)營商面臨數(shù)據(jù)流量指數(shù)級(jí)增長的挑戰(zhàn)。站址建設(shè)艱難，使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)很難在可接受的成本前提下，確保所需的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和性能。lightRadio應(yīng)運(yùn)而生。其提供了一種全新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和設(shè)計(jì)理念，幫助移動(dòng)運(yùn)營商以最優(yōu)成本提升網(wǎng)絡(luò)容量和性能并優(yōu)化客戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。這來源于貝爾實(shí)驗(yàn)室的原創(chuàng)技術(shù)，在射頻單元設(shè)計(jì)，基帶處理構(gòu)架，和傳輸環(huán)節(jié)都做出了革命性的創(chuàng)新，使基站部署靈活放置，不再受到環(huán)境限制，同時(shí)大幅節(jié)省總體擁有成本。
前言
隨著雙核，CPU主頻，內(nèi)存，操作系統(tǒng)等智能終端的核心部件正在朝著更高、更快、更強(qiáng)的目標(biāo)發(fā)展，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)正在面臨一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，帶來的是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量激增，現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)架越來越不能滿足最終用戶對業(yè)務(wù)體驗(yàn)的要求，這種情況導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)變革勢在必行。2011年2月阿爾卡特朗訊宣布推出lightRadio，這一來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的原創(chuàng)技術(shù)，可有效解決運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)流量激增的難題，同時(shí)顯著降低網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)復(fù)雜性、能源消耗及其它運(yùn)營成本，該系統(tǒng)將能替代現(xiàn)有基站與大規(guī)模蜂窩站塔，縮減基站數(shù)量并簡化基站建設(shè)。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)布，表明了阿爾卡特朗訊將顛覆性地改變未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和建設(shè)模式。
市場需求
過去幾年是智能終端爆發(fā)式增長期，隨著芯片技術(shù)突破和寬屏成本不斷下滑，平板電腦和智能多媒體手機(jī)異軍突起。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的良好適配也使這些終端帶來大量移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求。表1：預(yù)測了未來5年不同終端對數(shù)據(jù)流量的消耗。
圖1：無線終端網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量預(yù)測
另一方面根據(jù)摩爾定律，終端持續(xù)升級(jí)，業(yè)務(wù)開發(fā)商不斷推出全新業(yè)務(wù)以適配終端能力，而新業(yè)務(wù)又帶來更好用戶體驗(yàn)，增加業(yè)務(wù)使用率和使用時(shí)間，并推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不斷演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)性能升級(jí)，又為終端性能提升帶來需求空間，形成一個(gè)封閉反饋的需求驅(qū)動(dòng)環(huán)路。只要業(yè)務(wù)收入增長能夠彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和升級(jí)費(fèi)用，這個(gè)環(huán)路將一直循環(huán)往復(fù)。然而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和部署方式并不能有效支撐該模式。新頻段拍賣、載頻擴(kuò)容，特別是為擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋而激增的射頻單元和天饋系統(tǒng)使建網(wǎng)成本急劇增加，使循環(huán)難以繼續(xù)。具體而言，以下幾個(gè)方面阻撓了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和諧發(fā)展。
1.站址的稀缺性導(dǎo)致建網(wǎng)成本高企。對于移動(dòng)運(yùn)營商而言，設(shè)備采購只占總成本的很小部分。在中國，站址租用和施工成本大約是設(shè)備采購成本的3倍。傳統(tǒng)架構(gòu)的無線設(shè)備，巨大的天線令人畏之如虎，站址選擇極為困難，同時(shí)要價(jià)高昂，在成本壓力下的運(yùn)營商難以確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
2.無線數(shù)據(jù)流量時(shí)間維度的巨大差異，導(dǎo)致運(yùn)營商處在如何同時(shí)降低成本和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的兩難境地：不同場所，不同時(shí)間，無線數(shù)據(jù)流量會(huì)有很大不同；主城區(qū)存在明顯的話務(wù)潮汐效應(yīng)�，F(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，帶寬資源不能夠集中共用，為單個(gè)基站所獨(dú)享。運(yùn)營商要滿足所有流量需求，必須提供極大的冗余帶寬，會(huì)極大的增加運(yùn)營商的建設(shè)成本，如只提供較少帶寬，又會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差，不利于保持或提高客戶滿意度。
3.數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對基站的需求遠(yuǎn)大于流量增加所帶來的利潤增益：按照現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，2013年，運(yùn)營商將陷入收支不平衡的窘境。如網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架不變，運(yùn)營商要滿足日益增長的無線數(shù)據(jù)需求，需要大大增加無線基站數(shù)量，直接導(dǎo)致成本直線上升，最終入不敷出。
上述三個(gè)問題，其核心要點(diǎn)就是覆蓋和容量。覆蓋主要由站址密度和頻譜資源所決定，當(dāng)然天線配置和采用何種無線技術(shù)也扮演了極其重要的角色；同樣站址密度和天線配置也影響了網(wǎng)絡(luò)容量，而無線技術(shù)即頻譜利用效率也對容量起了決定性的作用。lightRadio正是通過革命性的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架創(chuàng)新對以上5個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化來降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)并滿足業(yè)務(wù)循環(huán)驅(qū)動(dòng)的要求。這些優(yōu)化包括了傳輸、站址租賃、基礎(chǔ)建設(shè)、設(shè)備、能耗和運(yùn)維成本。如下餅圖表明了每個(gè)單項(xiàng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本中所占的位置。
圖2：基站建設(shè)成本分項(xiàng)
lightRadio的方案價(jià)值
lightRadio能夠在5個(gè)維度幫助移動(dòng)運(yùn)營商持續(xù)不斷的提升網(wǎng)絡(luò)性能并改善用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。下圖顯示了lightRadio的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。
圖3：lightRadio網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架
其中最基礎(chǔ)的無線基站構(gòu)架-傳統(tǒng)宏基站和城市站（metrocell）基于三種不同的基帶處理配置：融合小型化（基帶處理和射頻前端融為一體）；傳統(tǒng)基帶和射頻分離以及集中化、云構(gòu)架的基帶池。眾所周知，lightRadio在天線、射頻、基帶處理、無線網(wǎng)絡(luò)控制器和網(wǎng)絡(luò)管理等5個(gè)領(lǐng)域完成創(chuàng)新，通過5個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同配合帶來網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋和性能上的巨大提升。
一、平滑的網(wǎng)絡(luò)融合
增加容量的最佳方案無疑是增加載頻或者增加每載頻的頻寬。這對于在原有頻段上擴(kuò)容最為經(jīng)濟(jì)。然而對于新頻段，由于天饋、射頻和基帶處理單元都需要重建，因此采用頻譜利用率更高的技術(shù)成為不二選擇。終端和用戶從一種技術(shù)向另一種技術(shù)遷移需要一個(gè)時(shí)間過程，因此提供一種融合方案來兼顧現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和未來技術(shù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的平滑過渡，無疑是經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案。lightRadio就提供了這種從天線、基帶處理直至控制器網(wǎng)元的多網(wǎng)絡(luò)融合能力。
全新的基帶處理單元基于獨(dú)創(chuàng)的SoC構(gòu)架，將以前離散的不同無線技術(shù)板卡集成到一個(gè)低成本高性能的處理芯片上，并能夠通過遠(yuǎn)端程序控制下載來支持不同的無線技術(shù)。運(yùn)營商能夠通過在基帶處理板卡上插入更多的SoC芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，同時(shí)還可以根據(jù)用戶網(wǎng)絡(luò)遷移狀況通過遠(yuǎn)程程序下載調(diào)節(jié)不同網(wǎng)絡(luò)之間的基帶處理能力，隨著負(fù)擔(dān)均衡和處理池功能的引入，所有基帶處理能力在不同網(wǎng)絡(luò)之間的調(diào)配都將動(dòng)態(tài)完成。與此相對應(yīng)，寬帶自適應(yīng)有源天線也支持不同頻段和技術(shù)之間的融合切換。和傳統(tǒng)方案不同的是，新技術(shù)和頻段的使用不需要額外的天饋和射頻單元。這為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來便利。
二、優(yōu)化站址容量
增加新載頻無疑是提升小區(qū)容量的最佳方案。然而在主城區(qū)，原有小區(qū)載頻數(shù)量已經(jīng)達(dá)到頻譜資源上限，很難進(jìn)行有效擴(kuò)容，而站址租賃和新頻譜資源拍賣的高昂成本讓人難以承受。因此需要部署更小的宏站和城市站（Metrocell）來提升站址密度以增加網(wǎng)絡(luò)容量。
由于傳統(tǒng)的宏基站需要機(jī)房空間來放置機(jī)架，因此對于主城區(qū)而言很難找到合適的站址空間，所以只有兩種方法可供選擇：
1、采用分布式構(gòu)架，將無線射頻遠(yuǎn)端通過光纖連接到集中式基帶處理單元
2、將所有基帶處理單元集成到單一的多標(biāo)準(zhǔn)支持的寬帶有源天線中
兩種方案可互為補(bǔ)充。運(yùn)營商可根據(jù)基帶射頻的傳輸帶寬、需求模型和建設(shè)成本進(jìn)行選擇。我們的lightRadio對以上兩種模式都提供支持。對于光纖資源豐富區(qū)域，采用集中式基帶處理模式，通過光纖連接到不同RRH，這能夠有效的抗拒話務(wù)的潮汐效應(yīng)。使網(wǎng)絡(luò)資源利用效率最大化。當(dāng)然前端也需要采用支持多模的RRH和天饋設(shè)備，使對于基建的要求降為最低。lightRadio產(chǎn)品家族除了寬帶有源天線陣列外也提供了多模RRH來滿足建網(wǎng)需求。而對于傳輸資源受限地點(diǎn)，比如熱點(diǎn)高話務(wù)負(fù)荷區(qū)域，可以采用基帶處理和天線集成設(shè)備，僅僅通過以太網(wǎng)/IP實(shí)現(xiàn)基站回傳。阿爾卡特朗訊的lightRadio城市站專為此設(shè)計(jì)。我們將基于SoC的基帶處理芯片整合到寬帶有源天線陣列（Cube）中，實(shí)現(xiàn)任意擺放，完全省去對站址空間需求，同時(shí)采用以太網(wǎng)或PON+LAN的形式回傳。
三、優(yōu)化的技術(shù)演進(jìn)模式
新技術(shù)引入會(huì)帶來全新的頻譜資源，更高網(wǎng)絡(luò)容量和新網(wǎng)絡(luò)功能，比如CoMP，ICIC等。阿爾卡特朗訊的lightRadio在設(shè)計(jì)伊始就支持現(xiàn)在和可預(yù)期的未來無線技術(shù)。我們的基帶處理單元通過動(dòng)態(tài)程式控制來支持3G，LTE和極其演進(jìn)技術(shù)。因此運(yùn)營商可以很輕易的根據(jù)終端發(fā)展和用戶遷移模式從100%的3G網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)到100%的LTE網(wǎng)絡(luò)。硬件無需任何變化。同時(shí)基于SoC基帶處理芯片設(shè)計(jì)，使無論位于遠(yuǎn)端站址還是處于集中式基帶池，都能基于云的構(gòu)架實(shí)現(xiàn)資源協(xié)同處理。此外，阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室對SON技術(shù)進(jìn)行了突破延伸，該自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將不再僅僅應(yīng)用與無線接入網(wǎng)絡(luò)，而是包括分組核心、IP承載和其他公開頻段無線技術(shù)，比如WiFi，的整個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上創(chuàng)建了一個(gè)全新的邏輯層面，我們稱之為“無線IP智能”。該端到端的優(yōu)化能力，能夠幫助運(yùn)營商自動(dòng)協(xié)調(diào)全網(wǎng)資源，一直以最優(yōu)成本滿足用戶需求。
四、頻譜資源利用最大化
新頻段和老頻段存在不同無線鏈路損耗，以2.6GLTE網(wǎng)絡(luò)為例，其小區(qū)半徑僅僅是900M小區(qū)半徑的三分之一。因此高頻段無線技術(shù)在共站過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生覆蓋空洞，而業(yè)務(wù)在漫游過程中也會(huì)大量發(fā)生降級(jí)，影響用戶體驗(yàn)。為了解決這一問題，運(yùn)營商大量采用4路甚至是8路接收分級(jí)來彌補(bǔ)鏈路預(yù)算差距。而這帶來一個(gè)問題– 鐵塔將天線臃腫。由于2G，3G和LTE處于不同頻段，因此鐵塔上將分別需要不同的天饋系統(tǒng)和射頻單元，無論是4路或8路接收分級(jí)還是可預(yù)見的4X4 MIMO技術(shù)，將徹底摧垮現(xiàn)有的鐵塔天線布局。為此阿爾卡特朗訊開發(fā)了多頻段RRH，同時(shí)可以支持所有無線技術(shù)所涉及的頻段，如和雙頻天線對應(yīng)使用，將大大降低鐵塔的天饋和射頻單元數(shù)量。使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和新頻譜資源利用成為可能。
五、優(yōu)化的天線功能
全新的天線功能主要用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量，比如MIMO技術(shù)。阿爾卡特朗訊將射頻單元和天線技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造出智能有源天線陣列，能獲得MIMO增益和波束賦型能力，使無線發(fā)射功率能夠根據(jù)小區(qū)負(fù)荷和業(yè)務(wù)流量的改變動(dòng)態(tài)的直接鎖定所需用戶。其核心就是Cube-無線魔方，是一個(gè)6×6×4.5厘米的立方體，集成了天線，饋線和射頻單元，并且支持2G、3G、 LTE多標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)融合。圖4介紹了Cube和有源天線陣列的構(gòu)架。
圖4：Cube和有源天線陣列示意圖
從圖可以看到，Cube由天線振子，雙工器和功放等部件構(gòu)成。單個(gè)Cube的工作頻寬是20MHz，可工作在700M~2.6GHz。最大發(fā)射功率為5W。多個(gè)Cube的組合就構(gòu)成了寬帶有源天線陣列，圖中顯示了一個(gè)8X2的有源天線陣列的組成。通過場強(qiáng)疊加其等效發(fā)射功率為40W，同時(shí)支持2X20MHz的工作帶寬，并可以工作在兩個(gè)不同頻段上。通過垂直波束賦型，其能夠提升30%的網(wǎng)絡(luò)容量，并用最少功耗完成最大網(wǎng)絡(luò)覆蓋。此外由于每個(gè)Cube單元是完全獨(dú)立，因此當(dāng)部分Cube發(fā)生故障時(shí)其能夠自動(dòng)重新配置天線陣列來實(shí)現(xiàn)冗余。由于所有的有源天線陣列都通過CPRI接口連接到集中式基帶處理，因此像ICIC技術(shù)完全能夠被鄰小區(qū)所使用來顯著提升信噪比。
除了以上幾點(diǎn)外，lightRadio還在CPRI接口的傳輸速率需求上實(shí)現(xiàn)突破，通過貝爾實(shí)驗(yàn)室原創(chuàng)的I/Q壓縮算法可以將系統(tǒng)對CPRI接口的傳輸速率節(jié)省三分之二。為多種承載技術(shù)應(yīng)用提供可能。舉例而言，4X4MIMO，10MHz帶寬LTE小區(qū)原CPRI傳輸速率需要1.843Gbit/s，采用lightRadio的I/Q壓縮算法僅僅需要680 Mbit/s傳輸帶寬，完全能夠在傳統(tǒng)的G比特傳送網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，比如PON。這與傳統(tǒng)裸纖建設(shè)模式相比，將大大降低對光纖資源的消耗，使基站部署更為靈活。
總結(jié)
阿爾卡特朗訊lightRadio產(chǎn)品系列完全針對移動(dòng)運(yùn)營商所面臨的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過顛覆性的原創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架在5個(gè)維度上優(yōu)化未來無線網(wǎng)絡(luò)，通過射頻單元靈活組合和可編程控制的網(wǎng)元設(shè)備，幫助移動(dòng)運(yùn)營商持續(xù)降低整體網(wǎng)絡(luò)擁有成本，并適應(yīng)業(yè)務(wù)和流量負(fù)荷的不斷變化。一個(gè)基于云的，支持自適應(yīng)、多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)的革命性的lightRadio無線產(chǎn)品系列終將協(xié)助運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)“高質(zhì)量、低成本”的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)終極夢想。
